Apuntes de ciencia, Ernestina Fernández Monroy

Linus Pauling, el verdadero científico

Linus Pauling, el verdadero científico

Ernestina Fernández Monroy

 Si la ciencia es el cuerpo de conocimientos que la humanidad posee y cuyo fin es el mejoramiento de la vida, no cabe duda de que Pauling contribuyó como pocos a aumentar ese caudal de sabiduría como químico teórico, pero también como persona.

Pauling fue un hombre extraordinario, que vivió prácticamente todo el siglo XX (1901-1994). Con una personalidad encantadora y apabullante, fue incansable en su compromiso con la ciencia, pero también con el tiempo que le tocó vivir. En lenguaje actual diríamos que Linus Pauling, además de uno de los científicos más importantes de su época, fue un hombre mediático, que si viviese actualmente dirigiría un programa de divulgación científica en televisión y que por su ideología, probablemente formaría parte del movimiento Occupy que en España conocemos como movimiento de los Indignados.

Linus Pauling  comenzó su carrera científica en torno a 1930 estudiando los átomos. Su mayor logro fue  crear, paralelamente a los alemanes Walter Heitler y Fritz London  y el también norteamericano John Slater una teoría (Teoría del Enlace de Valencia) para explicar el por qué y cómo se enlazan los átomos para formar moléculas. Fueron sus logros en este campo los que le hicieron merecedor del premio Nobel de química en 1954.

LinusAva_pauling 2Pero la importancia científica de Linus Pauling abarca no sólo la química, sino la física, la biología y la medicina. Durante sus años más productivos, desde mediados los años 30 hasta la mitad de los años 60, investigó la naturaleza de la sangre y su relación con las enfermedades, la genética y la evolución, y compitió con Watson y Crick en el establecimiento de la estructura  del ADN.[1] Al final de su larga vida  se dedicó a temas de medicina y salud. Bien conocida es su fe en los beneficios del consumo de grandes dosis de vitamina C como prevención de infecciones y del cáncer.

Como otros genios de la historia de la ciencia, su admirado Einstein sin ir más lejos,  Pauling fue un hombre muy popular en su tiempo, y consciente de ello, puso su inteligencia y energía al servicio de la defensa de los derechos humanos y de la paz. Esta actitud en los Estados Unidos de los años 50 le acarreó problemas muy serios,[2] y ni siquiera el haber aportado sus conocimientos al ejército norteamericano durante la Segunda Guerra Mundial le libró del acoso político. Pero él nunca abandonó los ideales que compartía con su esposa Ava Helen. En 1955 fue uno de los once firmantes del manifiesto Russell-Einstein contra las armas nucleares.[3] En 1962 recibió el premio Nobel de la Paz y en 1970 el Premio Lenin de la Paz, otorgado por la URSS.

manifestacion-pauling 1La enorme variedad de su actividad científica y personal durante sus 93 años de vida hace imposible tratarla de un modo completo, es por ello que ampliaré uno los aspectos mas importantes, sus trabajos sobre el enlace químico.

La búsqueda de la naturaleza del enlace químico

“Creo que mi trabajo sobre el enlace químico ha sido sobre todo importante por haber cambiado las tarea de los químicos, como consecuencia de haber cambiado el modo de pensar en la química, y por tanto en el resto de la ciencia”.

Los primeros pasos

A principios del siglo XX,  cuando Pauling era un escolar en Portland (Oregón), la idea acerca del enlace químico era tan simple como que unos átomos tenían “ganchos“ y los otros ”asas“ y al enlazarse ambos se mantenían unidos formando moléculas.[4] Pero la naturaleza de este enlace era completamente desconocida.

Ya en la Universidad, Pauling conoció los trabajos que en torno a 1920, Gilbert Newton Lewis propuso desde Berkeley. El modelo de Lewis para enlace consistía en que  cada átomo enlazado se rodeaba de ocho electrones (como los gases nobles, que son los más estables de la naturaleza). Las parejas de electrones de este ”octeto” que se compartían entre dos átomos, constituían los enlaces.

Pero unos años más tarde, este modelo, aunque necesario como un primer paso,  sería desechado.  Desde Europa, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg y Wolfgang Pauli construyen una nueva ciencia, la mecánica cuántica, en la que el átomo ya no es un pequeño sistema solar en el que  el núcleo central contempla girar a su alrededor los electrones. La física cuántica describe los electrones como ondas y comprender su comportamiento requiere una gran formación matemática. La descripción de cada electrón va asociada a las soluciones de la ecuación de su onda, ligadas a tres parámetros, que se denominan números cuánticos. Cada una de estas soluciones es lo que se denomina orbital .

En 1925 Pauling tiene la suerte de viajar a Europa con una Beca Guggenheim y queda deslumbrado por la categoría y la inteligencia de los científicos que conoce y con los que tiene el privilegio de aprender directamente los fundamentos de la mecánica cuántica, y de empezar una gran amistad con el que siempre reconoció como su mejor maestro, Arnold Sommerfeld.

Le parece al joven Pauling, cuya formación en matemáticas y física era muy superior a la de cualquier químico americano de su tiempo, que detrás de las ecuaciones de Schrödinger está la respuesta a  las preguntas que lleva haciéndose desde hace tanto tiempo: ¿qué fuerzas mantienen unidos a los átomos para formar moléculas? y ¿qué determina su estructura? 

Una siesta productiva

 Un día de 1927 el físico alemán Walter Heitler  durmió más horas de siesta que nunca y al despertar ya tenia un esquema en su cabeza de lo que sería la explicación desde el punto de vista de la física cuántica del enlace más sencillo que existe, aquel que se da entre dos átomos de hidrógeno. Con la colaboración de Fritz London, aplicaron las ecuaciones  de Schrödinger y resolvieron matemáticamente el problema de cómo los dos electrones del sistema se intercambiaban continuamente entre los dos átomos  dando lugar a una situación energéticamente  más estable: dos átomos de hidrógeno formando una molécula de hidrógeno (H2).

Por estas fechas Linus Pauling había regresado a América y se había incorporado al Instituto Tecnológico de California en Pasadena (Caltech), centro de vanguardia en Física, Química y Biología al frente del cual estaba Robert A. Mulliken. Pauling, dirigido por R.Dickinson, había realizado en el Caltech su tesis doctoral sobre cristalografía, técnica en la que Pauling llegó a ser uno de mejores del mundo.[5]

Orbitales híbridos. La teoría HLSP o del enlace de valencia

 Al conocer Pauling el trabajo de los físicos Heitler y London, le pareció que era necesario el punto de vista químico. A fin de cuentas son los químicos los que tratan con las sustancias de cerca y conocen su comportamiento.

Pronto se marcó el reto de explicar mediante las ecuaciones de Schrödinger la tetravalencia del átomo de carbono, presente en toda la química orgánica. Los cálculos de los físicos cuánticos sólo podían explicar la valencia dos y no la cuatro para el átomo de carbono. Pauling, como experto en determinación de estructuras, sabía que el carbono se enlaza, en la molécula de metano, por ejemplo, mediante cuatro enlaces equivalentes entre sí y dirigidos hacia los vértices de un tetraedro regular,  pero era necesario demostrarlo matemáticamente.

Pasó tres largos años intentándolo, ayudado en ocasiones por otros colegas. En estos años también trabajo con mucho éxito en la determinación de estructuras de moléculas complejas, hasta que finalmente en 1930 llegó a concebir una solución matemática compatible con el tetraedro: había que introducir una combinación de ecuaciones de onda de los orbitales de los cuatro electrones del carbono. pauli02Esta combinación era un “hibrido” porque significaba una mezcla de distintos tipos de orbitales. Los “orbitales híbridos” resultantes eran cuatro, eran equivalentes y tenían la orientación  de los ángulos del tetraedro.

La superposición (overlapping) de estos cuatro orbitales híbridos con cada uno de los orbitales de los cuatro hidrógenos explica satisfactoriamente los enlaces del metano.

A partir de aquí trabajó febrilmente aplicando el nuevo concepto a multitud de compuestos , explicando o prediciendo sus estructuras. Y en 1931 publica su primer artículo La Naturaleza del Enlace Químico .

 Casi simultáneamente el físico John Slater publica un trabajo muy parecido. Finalmente la nueva teoría sobre el enlace fue hija de los cuatro científicos que la desarrollaron y se denominó HLSP : Heitler, London, Slater y Pauling. [6]

Se había dado un salto gigantesco en la explicación de la estructura de la materia. El enlace consistía en el solapamiento de orbitales que pertenecen a electrones desapareados con espines distintos. La geometría de las moléculas quedaba satisfactoriamente explicada en la mayoría de los casos. La física y la química teóricas se habían unido utilizando la moderna concepción del átomo.

Pero la química en 1930 era todavía una ciencia fragmentada en múltiples especialidades, con grandes dosis de empirismo. La mayoría de los químicos contemporáneos de Pauling  no estaban capacitados para comprender el significado de la nueva teoría y la acogieron con escepticismo. Habrían de pasar todavía diez años hasta que fuese conocida y aceptada globalmente.

Actualmente la Teoría del Enlace de Valencia sigue vigente aunque se ha modernizado, utilizando complicados programas de ordenador para resolver las ecuaciones que en 1930 tantos años costaba resolver. Es utilizada indistintamente con su competidora, la Teoría de Orbitales Moleculares, de R.S. Mulliken[7] y F. Hund , dependiendo del tipo de molécula que se quiera describir.

Resonancia

 Siempre osado e incansable, Pauling “inventó” el fenómeno de la resonancia para explicar las propiedades de algunos compuestos. Sucede que en ocasiones, una única estructura teórica no es suficiente para explicar un compuesto, y ello es porque la estructura real es el resultado de dos o más posibles que están transformándose continuamente unas en otras. Esto hace que la energía del sistema sea menor, y por tanto mayor su estabilidad. El término resonancia es sugerido porque las estructuras se comportan como diapasones cercanos que se transmiten la vibración de unos a otros, y el sonido percibido es una combinación de ellos.

 Con el concepto de resonancia Pauling pudo explicar satisfactoriamente moléculas que presentan enlaces covalentes parcialmente iónicos (como el cloruro de hidrógeno) y también la enigmática molécula de benceno (C6H6), hidrocarburo extraordinariamente estable, a pesar de contener tres dobles enlaces. La causa de sus estabilidad la explicó Pauling por la resonancia entre las dos estructuras ya propuestas por  August Kekulé en 1865.

pauli03

A pesar de las reticencias sobre el concepto de resonancia,  la reputación de Pauling siguió creciendo.

Electronegatividad

 Para mejorar la explicación de enlaces no enteramente covalentes o iónicos, Pauling retoma el  término “electronegatividad”  que ya se usaba desde mediados del siglo XIX  como propiedad cualitativa semejante a la “afinidad” entre elementos químicos de comportamientos opuestos.

Para la moderna teoría atómica la electronegatividad es la tendencia de un átomo o molécula a atraer hacia sí los electrones, por tanto la diferencia de electronegatividad entre dos átomos enlazados va a influir decisivamente en el tipo de enlace que se establecerá entre ellos.

Pauling hace cuantitativo el concepto de electronegatividad, utilizando datos termodinámicos de las energías de enlace. Tomando como referencia el hidrógeno, al que asigna una electronegatividad de valor 2,2 eV, el valor máximo es para el flúor (3,98 eV) y el mínimo para el cesio (0,79 eV). Así pues la electronegatividad es una propiedad periódica de los elementos que crece hacia arriba y hacia la derecha del sistema periódico.

 La utilidad de esta escala para predecir el tipo de enlace entre dos átomos y la facilidad de su comprensión hizo que se utilizara ampliamente. Cualquier estudiante de ciencias en nuestros días de la ha aplicado muchas veces.

 En la cumbre

En 1937,  con sólo 36 años, Linus Pauling es nombrado jefe de la sección de química del Caltech. Era ya uno de los científicos más productivos del mundo.

Apasionado de la docencia, a la que siempre imprimió naturalidad en el trato con los alumnos, aplicaba recursos didácticos innovadores y contagiaba  el asombro y la curiosidad hacia las leyes de naturaleza. Viajaba frecuentemente impartiendo conferencias. Era el momento apropiado para recoger toda su experiencia en un libro.

En 1939, publica su obra fundamental La Naturaleza del Enlace químico y la Estructura de Moléculas y Cristales: Una Introducción a la Química Estructural Moderna.linus-pauling 3

El libro revoluciona el modo de pensar y enseñar en química. Es la primera vez que se presenta el enlace químico como el resultado natural de la mecánica cuántica. Las propiedades de los compuestos son el resultado de su estructura molecular y ésta de los enlaces entre los átomos, que a su vez se forman según la naturaleza cuántica de aquellos.

En su prólogo reconoce lo decisivas que resultaron para el establecimiento de la Teoría del Enlace todos los métodos físicos determinación de estructuras (difracción de rayos X y de electrones, medida de dipolos eléctricos y magnéticos, espectroscopia, medida de valores de entropía , etc….)

 Inmediatamente el libro es un éxito, escrito en un lenguaje que los químicos y los estudiantes de química pueden entender, y repleto de dibujos y diagramas. Es adoptado como libro de texto en las universidades y traducido a varios idiomas, entre ellos el español.

Pauling dedicó su libro al patriarca G. N. Lewis, el cual le envió la siguiente opinión: “Acabo de regresar de unas cortas vacaciones, a las que sólo me he llevado como lectura media docena de novelas policiacas y su “Enlace Químico”. He encontrado el suyo el más interesante y entretenido .”

 Cualquiera que lo compruebe, compartirá la opinión de Lewis.

  Principales fuentes consultadas

   LIBROS:

(1) PAULING L., The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals : an introduction to modern structural chemistry , Ithaca, New York:Cornell University Press 1948. 

Resulta emocionante y fresco leer las definiciones y las explicaciones de conceptos directamente de la persona que los ha creado. Es un libro claro, repleto de datos, que propone también la discusión de algunos aspectos y vislumbra el futuro. Debería proponerse su consulta todavía. Imprescindible para los químicos. 

(2) PAULING L., Química General , Aguilar 1980. 

Texto increíblemente sencillo. Nada que ver con “The nature of the chemical bond…. “. Sus destinatarios eran quizás estudiantes de los primeros cursos o quizás no se revisó desde 1949.

(3) PAULING L., Cómo vivir más y sentirse mejor , Planeta, 1987.

Muy ameno. El ABC de la salud con especial insistencia en las vitaminas. 

(4) WATSON J.D., La doble Hélice, Plaza y Janés, 1978.

Irreverente y apasionante. La carrera por alcanzar la estructura del ADN.

 CONSULTAS EN LA RED:

.(1) http://osulibrary.oregonstate.edu/specialcollections/coll/pauling/

Linus Pauling y su esposa Ava Helen, cedieron todos sus documentos científicos, correspondencia, etc., a la Universidad de Oregón, que en su pagina web tiene magnífica documentación sobre todo lo relativo a ellos.

(2) http://paulingblog.wordpress.com/

Blog sobre Pauling también desde Oregón.

Sobre los premios Nobel de Química de y la Paz:

(3) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1954/

(4) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/peace/laureates/1962/


[1] En esta ocasión Pauling cometió un  sonoro error de principiante. En la estructura que proponía para el ADN éste no se comportaba como un ácido.

[2] Fue investigado e interrogado en 1950 como sospechoso comunista y posible traidor. En 1952 se le retiró el pasaporte.

[3]   Los otros firmantes fueron: Max Born, Percy W. Bridgman, Cecil F. Powell, Joseph Rotblat, Leopold Infeld, Frédéric Joliot-Curie, Hideki Yukawa,  y Hermann J. Muller

[4] Nota de la autora:

He de decir con sonrojo ajeno y retrospectivo que en torno a 1970 todavía había algún catedrático en la Universidad de Zaragoza que no iba más allá de hablar de “palitos” en los átomos para formar enlaces.

[5] Siempre introduciendo mejoras, como las Reglas de Pauling para la cristalografía.

[6] No deja de ser curioso que Pauling en su Química General se refiera a ella diciendo “… en 1931 se desarrolló una teoría sobre el átomo tetraédrico de carbono”  sin citar a ninguno de sus autores, ni siquiera a sí mismo.

[7] R.S. Mulliken recibió el premio Nobel de Química en 1966 por su trabajo en la Teoría de Orbitales Moleculares.

Ernestina Fernández Monroy

Comentarios

8 comentarios en “Linus Pauling, el verdadero científico

  1. Estupendo artículo

    Publicado por Sara Castán | enero 11, 2013, 12:57 pm
  2. De los mejores Nobel de Química. Y de la Paz, no como lo recientes, Excelente articulo

    Publicado por Amadeo Carretero | enero 11, 2013, 7:47 pm
  3. Me ha gustado mucho el artículo, lo comentaré con mis alumnos

    Publicado por Esther | enero 13, 2013, 7:05 pm
  4. No cabe duda que Linus Paulin fue un gran quimico, tanto en su presente como a lo largo del tiempo ,al igual que Tina Fernandez la cual en sus clases consiguio motivar a mas de un alumno, entre los cuales me incluyo y nunca lo olvidara;).

    Publicado por Angel Mercadal Lopez | enero 29, 2013, 4:41 am
  5. Me encanto este articulo, se nota que la autora es una excelente maestra!

    Publicado por Marilu Rebolledo | febrero 9, 2014, 6:10 pm
  6. fome qlo 😦

    Publicado por alejandra | agosto 27, 2014, 1:14 pm

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