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Controversias, acuerdos y el lenguaje común de la química

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada — cuyo centenario coincide oportunamente con el Año Internacional de la Tabla Periódica — es reconocida por dar nombre a los nuevos elementos. Esto forma parte de un esfuerzo más amplio para ayudar a crear el idioma común de la química, que reconozcan humanos y máquinas.

Desde finales del siglo XIX — un momento clave en el desarrollo de la industria química — era ya evidente la necesidad de armonizar la nomenclatura química. Se conocía un número cada vez mayor de elementos, sin embargo, sus nombres y símbolos variaban, por lo general porque diferentes descubridores les dieron distintos nombres. Por ejemplo, en 1828, se aisló el elemento 4 y recibió el nombre de berilio, a pesar de que este elemento ya se conocía como glucinio desde 1798, y se sabía que era un componente de un óxido obtenido por Louis-Nicolas Vauquelin en minerales de esmeralda y berilo. Del mismo modo, niobio y columbio coexistían como nombres alternativos para el elemento 41. El berilio y el niobio fueron elegidos en 1949, aunque el glucinio persistió por un tiempo más largo, y el columbio todavía se utiliza hoy en día en metalurgia en los Estados Unidos.

La proliferación de nombres era aún más grave en el caso de los compuestos químicos,  principalmente porque no se conocía cómo los elementos se disponían en moléculas. Era común que, incluso sustancias simples, tuvieran distintas fórmulas moleculares. Julius Lothar Meyer resumió esta situación caótica cuando comentó en 1891 que “las sustancias, incluso la más simple, tenían una serie de fórmulas, por ejemplo, agua: H2O o HO o H2O2, grisú (metano): CH4, C2H4. (...) Incluso un compuesto sencillo, como el vinagre podría tener bastantes fórmulas propuestas para llenar toda una página impresa”2,3(Fig. 1). Los químicos reconocieron que la unificación de la nomenclatura era un paso importante en el progreso de este campo. La primera conferencia internacional de química — el Congreso de Karlsruhe2-4;en 1860 —reunió a los químicos para discutir distintos asuntos relacionados con la química de su tiempo. Fue evidente que la nomenclatura de los compuestos justificaba la organización de una reunión específica, el Congreso de Ginebra sobre la nomenclatura orgánica, en 18925.

Fig 1. Lista elaborada por F. A. Kekulé de las diversas fórmulas de ácido acético que se utilizaban antes de 1861. Reproducido de ref.4, American Chemical Society.

Uno de los resultados del Congreso de Karlsruhe fue el reconocimiento de que ciertos elementos, tales como hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, se componen de moléculas diatómicas, y se acordó dar el valor 1 al peso atómico del hidrógeno. Las discusiones de este congreso fueron de gran ayuda para corregir los pesos atómicos de muchos elementos, que a su vez estimularon a algunos de los delegados — como Dimitri Mendeléiev y Julius Lothar Meyer — para organizar los elementos según sus pesos atómicos y propiedades6. Ambos científicos, así como otros, reconocieron una periodicidad en las propiedades químicas y físicas de los elementos y trabajaron en su organización. A pesar de esto, es Mendeléiev quien es considerado como el arquitecto de la primera versión de la tabla periódica moderna por su representación de 1869. Este reconocimiento tiene su razón de ser en el hecho de que Mendeléiev utilizó su tabla, no sólo para ordenar todos los elementos conocidos y anticipar la existencia de elementos que todavía no habían sido descubiertos, sino sobre todo por predecir sus propiedades en función de su posición en la tabla — un claro ejemplo de la capacidad predictiva de la ciencia, y una confirmación de la validez de la ley periódica.

A principios del siglo XX, la tabla periódica ya se usaba ampliamente en investigación y educación químicas, pero la proliferación de nombres y símbolos de los elementos había aumentado notablemente. Por ejemplo, la tabla periódica del artículo de 1919<sup>7</sup> de Ingo W. D. Hackh (Fig. 2a) muestra el argón como Ar, y el elemento 91 como brevio (Bv). Sin embargo, en otro ejemplo<sup>8</sup> de Irving Langmuir del mismo año (Fig. 2b), se utiliza el símbolo anterior del argón (A), y el elemento 91 ni siquiera es reconocido como un elemento sino como una forma diferente de uranio, representado como Ux2; a pesar de que ya   habían sido identificados y nombrados como el elemento 3491 como brevio en 1913 y el 23191 como protactinio en 1918. Ambas tablas periódicas utilizan columbio (en lugar de niobio) y nitón, que era el nombre oficial del radón en aquel tiempo. 

Fig 2. Tablas periódicas publicadas en 1919. Izquierda, una de las diversas tablas periódicas publicadas por Ingo W. D. Hackh. Los elementos se agrupan de acuerdo con su importancia (en función de su abundancia) como primaria (círculo negro), secundaria (círculo natural) y terciaria (círculo punteado). Reproducido de ref.7, Springer Nature Ltd. Derecha, Tabla de Irving Langmuir. Las líneas se usan aquí para expresar la semejanza mutua entre los elementos. Los gases nobles se muestran antes de los elementos alcalinos y después de los halógenos; que pueden ser colocados en cualquier posición, pero ahora es raro verlos que se muestren en ambos lugares. Raf probablemente significa 'el radio F', un nombre del marcador de posición dado al 210Po, identificado en la cadena de desintegración del radio. Algunos elementos están presentes en más de una forma, marcados con una 'β"o '2' para indicar una disposición diferente de los electrones. Ahora sabemos que algunas de estas "formas alternativas '', de hecho, eran propiamente elementos químicos. Adaptado de ref. 8, American Chemical Society.

Para añadir más confusión, las reivindicaciones de los descubrimientos fueron, a menudo, surgiendo sólo para ser refutadas poco después, o simplemente olvidadas. Por ejemplo, el niponio fue reportado en 1909 pero identificado erróneamente como el elemento 43 (ahora conocido como tecnecio), y por lo tanto este nombre se perdió en el olvido ya que su descubrimiento no pudo ser confirmado. De hecho, no aparece en ninguna de las tablas de 1919. El niponio era, en realidad, el vecino pesado del elemento 43, inmediatamente debajo de él en la tabla periódica; pero en aquel tiempo el elemento 75 ya había sido descubierto y nombrado renio9

Mientras tanto, el trabajo por establecer una nomenclatura química unificada continuó y en julio de 1919 — poco después de la Primera Guerra Mundial, que retrasó todos los esfuerzos en este sentido —científicos tanto de la academia como de la industria se reunieron en París para fundar la IUPAC con el objetivo de estandarizar el idioma de la química, con el que nombramos los elementos químicos10 y sus compuestos. El esfuerzo los químicos para dar a su disciplina una serie de normas y símbolos universalmente aceptados con los que nombrar y representar a cada producto químico, hoy en día, tal vez, se da por sentado, sin embargo, ha sido, y sigue siendo, absolutamente esencial para la investigación científica, la educación y el comercio.

Una de las actividades de la IUPAC que atrae la atención del público en general es su participación en el reconocimiento de nuevos elementos a la tabla periódica — un papel que conmemora la celebración del centenario de la IUPAC hecho que coincide oportunamente con el 150 aniversario de la tabla periódica. La IUPAC, junto con la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP, fundada en 1922), verifica las reivindicaciones del descubrimiento de nuevos elementos11. Una vez que se ha producido un descubrimiento, la IUPAC no nombra a los elementos; más bien, supervisa el proceso de nombramiento.

Tradicionalmente, al igual que en otras áreas de la ciencia, los científicos tienen el privilegio de nombrar sus descubrimientos; este es el caso, por ejemplo, de los objetos astronómicos o las especies biológicas. Sin embargo, para asegurar la coherencia de la tabla periódica, la IUPAC ha establecido un conjunto de reglas para nombrar los elementos químicos y verifica que las propuestas de los descubridores se ajustan a estas normas12. Esto suena relativamente sencillo, pero las controversias sobre los nombres y los descubrimientos de los elementos son mucho más importantes de lo uno se podría imaginar.

La ciencia nuclear tuvo un gran desarrollo a partir de mediados del siglo XX; en parte impulsada por los esfuerzos relacionados con la Segunda Guerra Mundial. Los elementos 95 al 100 (americio al fermio) fueron descubiertos en pocos años por científicos de Berkeley, California, que también produjeron el primer elemento transférmico13. Después de obtener la aprobación del Gobierno de Estados Unidos para honrar a un científico ruso durante la Guerra Fría, los científicos estadounidenses gentilmente nombraron al elemento 101 mendelevio14. Desafortunadamente, este gesto no es representativo de lo que vendría después.

La creación de los elementos 102 al 109 provocó una controversia tan larga y feroz que ahora se conoce como 'las guerras transférmicas'15,16. La rápida sucesión de las reivindicaciones de los descubrimientos, la dificultad de verificar la formación de nuevos elementos a través de su desintegración nuclear y las tensiones políticas entre los Estados Unidos y la Unión Soviética contribuyeron a agravar la situación. Los dos jugadores principales en la carrera por liderar la ciencia nuclear eran el Laboratorio Lawrence Radiation (ahora el Laboratorio Lawrence Berkeley) y el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna; grupos a los que también se unieron el Instituto Nobel de Física en Suecia y el Centro Helmholtz GSI para la Investigación de Iones Pesados en Alemania, aunque su participación en las guerras transférmicas se relaciona con cuestiones de nomenclatura, y no con el descubrimiento de nuevos elementos.

La síntesis del elemento 102 fue reivindicada en 1957 por un equipo del Instituto Nobel de Física en Suecia, que propuso el nombre de nobelio para honrar a Alfred Nobel. Sin embargo, tanto los grupos de Berkeley como el de Dubna pronto pusieron estos resultados en duda ya que no pudieron reducirlos, y los suecos se retractaron. Tanto los equipos de Estados Unidos como los soviéticos estaban convencidos de que eran los descubridores legítimos del elemento 102. El grupo de Berkeley estaba de acuerdo con el nombre de nobelio que había sido propuesto por Estocolmo, mientras que Dubna favoreció el de joliotio, en honor a Irène Joliot-Curie — un nombre que habían considerado ya en 1956 con una de los primeras, aunque poco concluyentes, síntesis de este elemento. El conflicto siguió sin resolverse. Pronto sucedería lo mismo con las síntesis de nuevos elementos superpesados.

En 1986, la IUPAC y la IUPAP establecieron el Grupo de Trabajo Transférmico (GTT) para resolver estos problemas. Se componía de nueve miembros de los países con los principales laboratorios que participaban en la investigación de elementos pesados (los Estados Unidos, la URSS y Alemania Occidental) para evitar conflictos de intereses. A este grupo se le encomendó la tarea de establecer y aplicar los criterios que debían cumplirse para que el descubrimiento de un nuevo elemento químico fuera reconocido — esto significaba la revisión exhaustiva de los datos presentados. Asimismo, se definieron las reglas para asignar la prioridad del descubrimiento y poder sugerir los nombres y símbolos de los nuevos elementos.

Las primeras conclusiones17del GTT fueron publicadas en 1991, y posteriormente en 199318,19. Las tensiones fueron subiendo de tono, como puede verse en algunas de las respuestas a los informes de GTT20. Por último, en 1997, se alcanzó el acuerdo y los elementos 104 al 109 recibieron los nombres que conocemos hoy en día. Hahnio, joliotio y kurchatovio no aparecieron en la lista final, y no están (actualmente) en la tabla periódica. El sugerido nielsbohrio se convirtió en el bohrio. Los grupos de Berkeley y Dubna compartieron el reconocimiento por el descubrimiento de los elementos 104 y 105. El dubnio, que había sido propuesto para el elemento 104, fue adoptado para el elemento 105 en reconocimiento por las contribuciones del equipo de Dubna a la ciencia nuclear. El grupo de Berkeley ya había sido reconocido anteriormente con el americio, berkelio y californio. El descubrimiento del elemento 102 se atribuyó al equipo de Berkeley, y el nombre propuesto por Estocolmo tres décadas antes, y que para entonces ya se utilizaba ampliamente, se mantuvo sin cambios21.

También cabe comentar aquí con más detalle el caso del elemento 106. Glenn Seaborg había mostrado inicialmente16la voluntad de nombrar este elemento como kurchatovio — pero debía aceptarse la reivindicación de prioridad del equipo de Berkeley — como un gesto hacia el equipo de Dubna, que había sugerido este nombre para el elemento 104. Sin embargo, las relaciones entre ambos equipos empeoraron, en particular debido al elemento 104, lo que causó una gran acritud. El gesto de buena voluntad fue abandonado, y el equipo americano se inclinó por seaborgio en su lugar. Esto decisión resultó muy controvertida, especialmente porque existía la tradición de no dar el nombre de personas vivas a los elementos. Sin embargo, tanto einstenio como fermio habían sido propuestos para nombrar los elementos 99 y 100 durante la vida de Enrico Fermi y Albert Einstein — aunque debido al secreto en tiempos de guerra- los nombres de estos dos elementos sólo se anunciaron después de la muerte de estos científicos en 1954 y 1955, respectivamente. El GTT propuso el nombre de rutherfordio para el elemento 104, pero esta sugerencia no fue aceptada por el equipo de Berkeley. (El nombre de rutherfordio fue finalmente aprobado para el elemento 104, como parte del compromiso de 1997). Después de algunas idas y venidas, seaborgio fue adoptado oficialmente para el elemento 106. Y como es bien sabido en 2016, el elemento 118 se convirtió en oganesón, ya sin tanta controversia, al adoptar el nombre del ruso Yuri Oganesián, creador del elemento superpesado. 

El elemento 118 marca un hito, ya que completa el séptimo periodo de la tabla periódica más familiar. La búsqueda de los elementos aún más pesados continua22 y su ubicación en la tabla significará la inauguración de un nuevo periodo. La creación de este tipo de elementos tan pesados que antes parecía descabellada está, sin embargo, hoy a nuestro alcance gracias a los avances teóricos y experimentales. Precisamente por estos avances, tanto la síntesis como la detección de nuevos elementos son cada vez más difíciles. Por todo ello, las reglas establecidas por el GTT en 1991 para verificar el descubrimiento de nuevos elementos han sido recientemente revisadas por el Grupo de Trabajo Conjunto de la IUPAC-IUPAP. Este grupo fue creado para continuar con las actividades del GTT, que ahora incluye a miembros de los laboratorios que participan en la síntesis de elementos superpesados. Sus criterios actualizados acaban de hacer públicos en un informe provisional22. Este documento reconoce los tremendos avances realizados desde el último informe en la investigación sobre elementos superpesados y también la dificultad de confirmar el descubrimiento de un nuevo elemento, especialmente cuando se explora una nueva región en el gráfico de núcleos. Debido a estas razones, los nuevos criterios abogan por el uso de varias irradiaciones y mediciones y reconoce la necesidad de considerar las nuevas descubrimiento de un nuevo elemento va a ser cada vez más difícil; por lo que el trabajo de grupos como el nuevo Grupo de Trabajo Conjunto va a ser de suma importancia en el futuro.

Un cambio importante en los nombres de los elementos que, sin embargo, apenas causó controversia es el relativo a sus sufijos. Hasta hace poco, según las reglas de la IUPAC de 2002, los nombres de los nuevos elementos, debe terminar con el sufijo -io. Todos los elementos hasta Z = 116 fueron nombrados de esta manera. En 2016, esta regla fue modificada

Estos recientes descubrimientos sobre la influencia del efecto relativista en las propiedades de los elementos químicos ilustran la dificultad de capturar la rica química de los elementos en un simple conjunto de columnas y filas. Un ejemplo de esto es el proyecto de la IUPAC destinado a decidir la ubicación exacta de algunos de los elementos25, en particular, el grupo 3. A lo largo de los años, se han propuesto numerosas tablas periódicas con formas completamente diferentes, desde tablas extendidas a espirales, piramidales, o incluso tridimensionales. Esta proliferación evidencia cualquier forma de organizar los elementos tiene sus ventajas y sus inconvenientes; y también que ninguna puede captar plenamente la riqueza de la química de los elementos y la ley periódica. Por todo esto, no hay una versión perfecta de la tabla periódica a la espera de ser descubierta. Por esta razón, la IUPAC no recomienda una tabla periódica — aunque a efectos prácticos se publica regularmente una, como hacen otras organizaciones químicas.

En cualquier caso, el proceso para nombrar los elementos está ahora bastante bien establecido. También para nombrar y representar cualquier compuesto químico. Sin embargo, el desarrollo de un idioma común de la química sigue siendo en un proyecto vivo. En mi opinión, una tarea importante para la IUPAC en el comienzo de su segundo siglo de historia es producir un idioma químico eficaz y universalmente aceptado que pueda ser leído por las máquinas. La mayor parte de la información química contenida en las publicaciones científicas, las patentes y los informes son difíciles de procesar por los ordenadores, lo que dificulta la identificación, el procesamiento y el uso de esta información. En este sentido, el Identificador Químico Internacional, conocido como InChI, en sus siglas en inglés es una serie de números y letras que identifica de forma única una sustancia química y que contiene toda la información sobre su composición, conectividad y geometría. Principalmente utilizado para las especies orgánicas pequeñas, esta nueva nomenclatura química debe ser ahora extendida a los polímeros, mezclas, compuestos organometálicos, reacciones y otros sistemas complejos. La División de la IUPAC sobre Nomenclatura Química y Representación Estructural y el InChI Trust están trabajando actualmente juntos en esta tarea. Aunque el InChI ha sido ampliamente adoptado por muchas bases de datos, hay todavía algunos obstáculos técnicos para exportar, importar y convertir las fórmulas químicas convencionales en códigos InChI. También existen otros sistemas como SMILES y SMARTS (que, en inglés, corresponden respectivamente a simplified molecular-input line- entry system y SMILES arbitrary target specification), que tienen gran popularidad. Por todo ello, es de enorme importancia tener estándares para manejar datos que sean mundialmente aceptados. Así mismo debemos desarrollar un lenguaje programable que permitirá a las máquinas leer y 'hablar' química.

La aplicación del aprendizaje automático a la química se encuentra todavía en su infancia, pero en los últimos años su potencial ha quedado muy claro. Un buen ejemplo en este sentido es que máquinas no supervisadas, tales como Atom2Vec, han sido capaces, en sólo unas pocas horas, de organizar los elementos en grupos con comportamientos químicos similares11,25. Usando herramientas de inteligencia artificial, estos ordenadores extraen información sobre las propiedades de los elementos, en primer lugar mediante la identificación de sus características claves a partir de una base de datos de compuestos y materiales, y posteriormente utilizan esa información para organizar los elementos en grupos que muestran comportamientos comunes —en un proceso que recuerda a cómo se construyó la tabla periódica hace 150 años. Los resultados se disponen en una forma que apenas nos recuerda a la tabla periódica. Por el contrario, muestran los elementos organizados en racimos que nos recuerdan a los grupos de la tabla periódica. Es demasiado pronto para comprender completamente el potencial del aprendizaje automático en el descubrimiento de nuevos medicamentos, materiales o catalizadores, pero esfuerzos como estos son fascinantes26–29. Establecer un idioma químico programable, aceptado globalmente para identificar, extraer datos y comunicar todos los compuestos químicos es una tarea monumental y de gran importancia para el futuro de la química.

Desde 1735, año en el que fueron aislados el cobalto y el platino, se han descubierto nuevos elementos a un ritmo sorprendentemente alto y regular; en promedio, cada 2‒3 años se ha descubierto un nuevo elemento (Fig. 3). Gracias a que nuestras herramientas para aislar primero y luego sintetizar elementos químicos son cada vez más poderosas, los elementos que una vez parecían inalcanzables son hoy en día una realidad. Nadie sabe cuántos núcleos más podremos sintetizar e identificar, pero estamos a solo unos pasos de llenar los orbitales g del átomo. Entonces, tendremos que repensar la tabla periódica para poder ubicarlos. El Año Internacional de la Tabla Periódica es una buena oportunidad para recordar la riqueza y belleza de la química. Con este espíritu, la IUPAC trabaja para promover y avanzar nuestra profesión en un momento en que la cooperación científica, la educación y las decisiones basadas en la evidencia son tan importantes para resolver algunos de nuestros desafíos es más apremiantes, desde la salud hasta el clima. Una tarea a la que todos aquellos que quieran contribuir son bienvenidos.

Fig 3. El número de elementos descubiertos desde la década de 1600 ha aumentado a un ritmo sorprendentemente regular. Mientras que la Primera Guerra Mundial (PGM) puso un alto en los descubrimientos elementales, la Segunda Guerra Mundial (SGM) precipitó la investigación nuclear.

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Javier García Martinez

Professor, Universidad de Alicante

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