Principios, elementos y substancias

Étienne Bonnot, abbé de Condillac (1715-1780), adoptó el empirismo de John Locke, cuyo punto de vista filosófico asegura que todo conocimiento proviene originariamente de los sentidos. Condillac afirmaba que es el lenguaje lo que nos permite ordenar nuestras sensaciones para convertirlas en conocimiento y, por tanto, inspiró la reforma de la terminología química de Lavoisier. / Mètode

Cuando Lavoisier habla de oxígeno no tiene en mente la misma idea que un químico contemporáneo. La diferencia entre un concepto y otro es un problema fundamental a la hora de estudiar las teorías químicas anteriores y posteriores a la revolución química. La filosofía empirista –la idea de que todo el conocimiento del mundo se obtiene a través de los sentidos– llevó a Lavoisier a redefinir los objetivos de la química y a insistir en que solo afectan a sustancias tangibles. Es esta convicción compartida de que la química se ocupa solo de los materiales de nuestra experiencia lo que permitió a la ciencia progresar continuamente pese a ulteriores cambios teóricos y lo que nos permite decir que el oxígeno que observamos hoy es la misma sustancia descrita durante la revolución química.

Un aspecto fundamental del movimiento ilustrado del siglo xviii fue la desconfianza respecto al desarrollo de sistemas elaborados pero muy especulativos como los que habían sido el orgullo de los filósofos naturales racionalistas del siglo xvii. Destacados pensadores como Denis Diderot y el abate de Condillac promovieron que las ciencias naturales fuesen más empíricas, que se confiase más en la experimentación y menos en la razón pura.

Condillac sostenía que el conocimiento se construye totalmente a partir de la experiencia sensorial, pero se conforma mediante el análisis lógico, como por ejemplo, la descomposición de una idea en partes más simples y, al contrario, la síntesis de lo complejo a partir de lo más simple. Defendía que el lenguaje representa un papel importante en este proceso y que un lenguaje lógico claro es necesario para elaborar las ideas complejas implicadas en las teorías científicas.

Antoine Lavoisier (1743-1794) estuvo muy influido por pensadores empiristas como Condillac y Gabriel-François Venel, e incorporó las ideas de estos a su método de investigación. Sus experimentos, tan elegantes, fueron cruciales a la hora de sentenciar las teorías químicas que proponían principios invisibles, como la teoría del flogisto para la combustión. Por otra parte, Lavoisier puso en práctica en el laboratorio el método de Condillac de análisis por descomposición y recomposición y demostró que el agua se compone de ingredientes más básicos; mostró que podía ser descompuesta en hidrógeno y oxígeno, pero también se propuso producir una nueva muestra de agua obtenida a partir de estos gases a fin de que su conclusión fuese irrebatible.

«Los descubrimientos experimentales de finales del siglo XVIII trastocaron completamente la forma en la que los químicos veían los materiales»

Otros reformadores como Louis-Bernard Guyton de Morveau, Antoine-François Fourcroy y Claude Louis Berthollet admitieron que la nomenclatura química necesitaba desesperadamente una normalización. Cuando Lavoisier se sumó a este movimiento revolucionario aportó objetivos más específicos: hacer realidad la ambición de Condillac de producir un lenguaje científico puro y de consagrarse a la nueva química desflogistizada.

Elementos, principios y teoría del cambio

Los descubrimientos experimentales de finales del siglo xviii trastocaron completamente la forma en la que los químicos veían los materiales: no solo se cambió el nombre de las sustancias, los elementos se convirtieron en compuestos y muchos compuestos se reconocieron como elementos. Los drásticos cambios teóricos que constituyen la revolución química a veces han sido subestimados como si fuesen una mera oposición a la teoría anterior. Al reconsiderar el proceso de combustión, por ejemplo, la liberación del flogisto (el anterior principio del fuego) se puede substituir por la absorción de oxígeno (y la liberación de calórico, como el nuevo principio del calor). Esto parece particularmente simple en el caso de la combustión y la reducción de metales, pero el cambio conceptual que implica esta inversión era en realidad bastante radical. Antes de la revolución química las menas se consideraban sustancias simples, mientras que los metales se tenían por compuestos; a partir de la revolución los metales pasaron a ser sustancias simples y los minerales, compuestos. Según la teoría química del flogisto de Georg Ernst Stahl (1659-1734), una mena (la cal, como la llamaba él) se podía transformar a un estado metálico (régulo) mediante la adición de flogisto (o de una cantidad de material rico en flogisto,  como el carbón), es decir, cal + flogisto → metal (régulo).

Y al revés, un metal en su estado metálico no natural podría oxidarse o arder, es decir, volver a su estado natural de cal, liberando flogisto: metal (régulo) → cal + flogisto. La teoría de la combustión por oxígeno invirtió este proceso completamente: la reducción de los metales se consideró como la eliminación del oxígeno de un mineral (el óxido): óxido de metal + carbón → óxido de carbón + metal. Y la combustión de un metal era simplemente la adición de oxígeno del aire: metal + oxígeno → óxido de metal (+ calórico).

Aparatos de Lavoisier para la descomposición del agua. Profundizando en el trabajo experimental de James Watt y Henry Cavendish en Gran Bretaña y Gaspard Monge en Francia, Lavoisier demostró de manera concluyente que el agua no era un elemento; para ello descompuso y luego recompuso el agua en sus partes constituyentes./ Mètode

Esta reforma no es tan simple como puede parecer a simple vista. El cambio de representación teórica también es un cambio de mentalidad, de visión del mundo. Aunque muchos metales no cambiaron de denominación, los conceptos químicos fueron muy diferentes antes y después.

La redefinición de procesos tan familiares estuvo acompañada por un cambio todavía más radical en lo referente a los elementos químicos. A lo largo de la Edad Media, los aristotélicos tierra, fuego, aire y agua eran el único repertorio ortodoxo de elementos. Ya algunos alquimistas habían propuesto listas alternativas de principios elementales: Paracelso y sus seguidores creían que todos los cambios químicos se debían a la combinación de mercurio, azufre y sal, y muchos alquimistas franceses afirmaban que había cinco principios: espíritu (mercurio), aceite (azufre), sal, flema (agua) y tierra. Los defensores de estos sistemas generalmente reconocían que los cuatro elementos de Aristóteles eran las piedras capitales pero que sus principios, construidos a partir de los elementos, bastaban para explicar todos los fenómenos químicos.

Aunque usaban sobre todo nombres de lo más común, los alquimistas y los primitivos químicos que utilizaban estos sistemas de principios no creían que fuesen agua, sal o mercurio ordinarios, ni siquiera muestras muy puras de estas sustancias tan comunes.  Bien al contrario consideraban estos principios como arquetipos místicos: el mercurio filosófico o sófico de los alquimistas era el principio de la volatilidad, que se encuentra en el mercurio común pero también en otras sustancias volátiles; el azufre sófico se encontraba en todos los cuerpos inflamables y la sal sófica, en los cuerpos sólidos. Incluso en una fecha tan tardía como el siglo xvii esta clase de principios formaban parte de la química, de hecho el flogisto no era más que el nombre que Stahl daba al azufre filosófico, el principio de la inflamabilidad.

«Antoine Lavoisier estuvo muy influido por pensadores empiristas como Condillac y Gabriel-François Venel, e incorporó las ideas de estos a su método de investigación»

La simplificación de Lavoisier

Los químicos franceses continuaron fieles, aunque fuese de boquilla, al sistema aristotélico de los cuatro elementos hasta la generación precedente a la revolución química, pero Lavoisier acabó con esto de una vez por todas cuando consiguió demostrar que el agua se podía descomponer en los dos gases que más tarde llamaría hidrógeno y oxígeno. La reforma terminológica que se llevó a cabo durante la revolución química no trataba solamente de normalizar los nombres; Lavoisier sustituyó los sistemas anteriores de principios por su propia tabla de sustancias simples, pero sin pronunciarse sobre cuáles de ellas eran los elementos fundamentales. Al igual que Condillac, dudaba de que alguien supiese cuáles eran los componentes más pequeños de la materia, y en lugar de tratar de averiguarlo, optó por el pragmatismo y dio una definición empírica de los elementos: «Si utilizamos el término elementos o principios de los cuerpos para expresar nuestra idea sobre el último punto que un análisis es capaz de alcanzar, entonces todas las sustancias que no hayamos podido descomponer las consideraremos elementos.» Aquí la innovación de Lavoisier era la insistencia en que lo que nosotros llamamos elementos son algo real, sustancias tangibles, a diferencia del mercurio sófico y el flogisto de las generaciones anteriores.

Esta definición empírica de «sustancias simples» le permitió reformular los límites la química. «El principal objetivo de la química experimental es descomponer los cuerpos naturales, con el objeto de examinar separadamente las diferentes sustancias que entran en su composición.» Esta distinción entre la química práctica y la teoría metafísica de la materia es más clara que en la mayoría de los predecesores de Lavoisier. Por ejemplo, Stahl había tratado de definir la química como la ciencia de los mixts (sustancias producto de componentes íntimamente unidos), en contraposición a la física, que se ocupaba de agregados (conjuntos de compuestos meramente yuxtapuestos).

«Tabla de sustancias simples», Elementos de química de Lavoisier (1789). Aunque muchas sustancias conservaron sus antiguos nombres, fueron redefinidas en el marco del nuevo sistema: muchos elementos se convirtieron en compuestos y muchos compuestos pasaron a considerarse «sustancias simples». / Museo Galileo. Istituto e Museo di Storia della Scienza, Firenze

El distanciamiento respecto a la metafísica ha contribuido en gran medida al alto grado de progresión del que ha disfrutado la química desde esta colosal revolución. Al reconocer que no tenía un conocimiento fidedigno de los átomos y limitarse a describir fenómenos observables, Lavoisier consiguió evitar debates sobre cómo reducir las reacciones químicas e interacciones mecánicas entre partículas de formas intrincadas que tuviesen lugar en la frontera entre la química y la física de finales del siglo xvii e inicios del xviii (antes se consideraban campos completamente independientes). Así pues, la química se convirtió en una ciencia de laboratorio, cada vez más alejada de los aspectos más especulativos de la «filosofía natural».

El problema filosófico de la referencia en química

Los químicos modernos hablan de combustión con un lenguaje casi idéntico al de Lavoisier, pero completamente diferente a la terminología basada en el flogisto anterior a la revolución química. Sin embargo, existen diferencias teóricas tan grandes que debemos tener cuidado de no interpretar la química post-revolucionaria como conceptualmente idéntica a la nuestra. Hay tres diferencias importantes que nos aconsejan resistirnos incluso a decir que el oxígeno de Lavoisier es el mismo que el nuestro. Ahora sabemos que el oxígeno se compone de moléculas de dos átomos, con una estructura interna aún más profunda; nuestro oxígeno no es el principio de acidez, como lo era para Lavoisier, ni tiene nada que ver con el calórico, mientras que para Lavoisier ambos estaban íntimamente relacionados.

Ahora sabemos que el oxígeno es un gas compuesto de moléculas bi-atómicas, que cada átomo se compone de ocho protones con cierto número de neutrones y electrones. Pero eso tiene poco interés; Lavoisier casi admitió que el futuro podía deparar esta clase de descubrimientos y su negativa a especular acerca de los niveles más fundamentales de análisis sugiere que esperaba un futuro estudio para dilucidar una estructura más detallada. Por tanto podemos decir que los estudios más profundos sobre el elemento que hoy llamamos oxígeno no refutan por sí solos sus afirmaciones.

«Los químicos franceses continuaron fieles al sistema aristotélico de los cuatro elementos hasta la generación precedente a la revolución química»

Pero la cuestión no es simplemente que nuestro concepto de oxígeno sea más complejo que el que tenía Lavoisier –no olvidemos que la teoría de la combustión que planteó estaba íntimamente ligada a su teoría de la acidez–. Cuando, en 1777, Lavoisier publicó por primera vez su teoría de la combustión, lo llamó el «principio de oxígeno», a partir del prefijo griego oxi–, que significa “ácido” y el sufijo –genes, “generador”. Desde hacía mucho tiempo se sabía que los no metales inflamables como el azufre producen ácidos (lo que hoy llamamos anhídridos de ácido), por eso Lavoisier infirió que el oxígeno obtenido mediante la combustión es la causa de la acidez. Sin embargo ahora ya no pensamos que todos los ácidos contienen oxígeno, ni tampoco que el oxígeno es la causa inmediata de la acidez en los compuestos ácidos que contienen oxígeno. Si oxígeno siempre significó “principio de acidez”, tendríamos que llamar oxígeno a cualquier sustancia que consideremos agente activo de la acidez: cuando Humphrey Davy descubrió que el hidrógeno era el componente determinante de los ácidos, tendría que haberlo llamado hidrógeno oxígeno. Gilbert Lewis definió un ácido como una sustancia química que puede aceptar un par de electrones, por lo que podría haber usado la palabra oxígeno para referirse a toda una serie de electrófilos.

Incluso en el caso de que dejemos de lado la cuestión de los ácidos y consideremos el oxígeno solo en calidad de agente de la combustión –que todavía pensamos que lo es–, no se puede decir que el concepto moderno de oxígeno basado en la combustión sea el mismo que el que aparece en la teoría de Lavoisier porque su modelo también incluía el calórico, un «fluido sutil». Sería completamente erróneo sugerir que, cuando Lavoisier habló de «calórico», quería referirse a algo parecido a la noción moderna de calor; de hecho conocía perfectamente la teoría que define el calor como energía cinética pero la desestimó. El intercambio neto de energía procedente de la ruptura y la reagrupación de los enlaces químicos, lo que los químicos hoy en día suelen explicar como calor liberado en las reacciones de combustión, es muy diferente del fluido calórico de Lavoisier, una supuesta sustancia física que se calienta introduciéndose entre las moléculas. Y la equivocación de Lavoisier no se queda aquí, toda su noción de oxígeno se basa en este error.

Portada de la Physica Subterranea de J. J. Becher y G. E. Stahl (Lipsiae Glenditsch, 1738) en la que se expusieron las primeras formulaciones de la teoría del flogisto. La figura humana representa a la Tierra, en cuyas entrañas se forman los siete metales, siempre bajo la influencia de los siete planetas. / © Museo Galileo. Istituto e Museo di Storia della Scienza, Firenze

El empirismo garantiza el debate científico

Sin embargo, los químicos actuales continúan usando la palabra de Lavoisier, oxígeno y si pueden usarla es gracias a la definición empírica que hizo Lavoisier de «elemento».

Antes de la revolución química, los que defendían los tres elementos y los modelos de cinco elementos mantenían debates muy poco productivos porque sus entidades teóricas eran bastante místicas y difíciles de definir y porque cada teoría manejaba entidades diferentes, que solo representaban un papel en sus respectivos sistemas. De la misma manera, puede ser muy difícil para cualquiera después de la revolución química criticar de manera consistente la teoría del flogisto.

Si el oxígeno tan solo era un principio químico como los de los alquimistas y los químicos primitivos, negar la existencia del calórico o refutar el papel del oxígeno en la acidez será como negar la existencia del oxígeno, pero el empirismo ilustrado cambió la naturaleza de las teorías químicas. Hacia 1789 Lavoisier había renunciado a la palabra principio y había optado por llamarlo simplemente oxígeno (oxygène) y lo había incluido en su tabla de «sustancias simples», de acuerdo con su adhesión al empirismo. Es decir que, aunque químicos anteriores y posteriores hayan discrepado sobre algunas de sus características, todavía se puede hablar con propiedad sobre el oxígeno o sobre cualquier otra sustancia que puedan señalar.

Solo gracias a la noción tan tangible de elemento que aportó Lavoisier, podemos creer en la continuidad de nuestras categorías químicas, incluso después de cambios tan fundamentales como los que ha vivido la teoría química. Estos avances no habrían sido posibles con tres, cuatro o cinco sistemas de principios. Ni siquiera con las versiones posteriores de la química flogística. Estos principios nunca han sido aislados –ni tan solo hipotéticamente–; nunca nadie ha podido señalar un frasco y decir: «eso es el flogisto», y mucho menos ha vuelto a hacer acto de presencia este nombre en las reconceptualizaciones teóricas posteriores. El conocimiento práctico permitió a Antoine Lavoisier refutar la existencia del flogisto, pero fue la filosofía ilustrada lo que cambió la manera de trabajar en química. Más que cualquier otra cosa, fue el trecho que recorrió Lavoisier desde los principios alquímicos hasta las sustancias lo que puso a la química en el camino hacia el concepto moderno de elemento.