Los símbolos y la representación de la evolución en los conocimientos químicos

HISTORIA DE LAS CIENCIAS Y ENSENANZA LA EVOLUCION DE LA REPRESENTACION SIMBOLICA DE LOS CONOCIMIENTOS QUIMICOS LOPEZ CANCIO, J.A. Dpto. de Química Fundamental. ETS de Ing. Industriales. U.P. de Las Palmas SUMMARY The symbols are primarily a creation of human unconcious, and even now they belong to our cerebral background. The concrete symbols have served to represent the changing mentality about the chemical knowledge. There is a repeted use of determined geometrical figures, especialy triangles and circles. This article rewiews the development of chemical symbolism, its changing role, from the ancient civilization to the modern notationai systems. INTRODUCCION Mucho antes de que el hombre sepa expresar sus pendo, después incluso de haber realizado ambas conquissamientos sobre el cosmos que le rodea en forma estas culturales, y a lo largo de la historia hasta llegar crita, antes de que el ser humano haya aprendido a coal momento presente, el hombre ha utilizado como memunicarse con sus semejantes con un lenguaje regladio de aprendizaje y comunicación el símbolo. ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1984, pp. 131-139 13 1 HISTORIA DE LAS CIENCIAS Y ENSENANZA Desde las edades más arcaicas el hombre presenta un comportamiento mágico-religioso, que revela una toma de conciencia con respecto al cosmos que le rodea y a sí mismo. El hombre crea una <(metafísica)> si bien expresada con símbolos antes que con conceptos. Para acercarse a la comprensión de las fuerzas mágicas de la naturaleza, surge en el hombre primitivo, de forma inconsciente, una estructura que tiene por misión facilitarle el conocimiento de las fuerzas mágicas que le rodean. Esta estructura es el simbolo. El conocimiento a través de símbolos, bien en forma pura o más o menos modificados, no ha dejado de pertenecer como hemos adelantado al sistema de adquisición de conocimientos de los humanos, como ha sido constatado en las tribus que actualmente se encuentran en estados primitivos de desarrollo. Con el paso del tiempo, al adquirir el hombre nuevos modos conscientes de comunicación y conocimiento,habla y escritura principalmente, el sistema de símbolos no desaparece sino que se superpone con el resto de las nuevas estructuras de conocimiento, y surge con más o menos fuerza en ocasiones. Así cuando se permite que el inconsciente entre en acción como es el caso de los sueños, los símbolos hacen su presencia, si bien es cierto que su significado nos es difícil de comprender acostumbrados como estamos al razonamiento consciente. PROCESO DE CREACION DEL SIMBOLO. TIPOS DE SIMBOLOS ,Para el hombre primitivo toda fuerza mágica es un ser homogéneo que puede manifestarse en distintas formas, a menudo contrarias. Así la tormenta se manifiesta como agua y fuego, la sexualidad como masculino y femenino, etc. Lo normal es que la fuerza se manifieste de un modo u otro. Pero conocer las distintas manifestaciones de una fuerza mágica no es penetrar su naturaleza, conocerla, de la misma forma que conocer los distintos efectos del calor sobre los cuerpos no es saber lo que es el calor. El conocimiento de las fuerzas mágicas se logra precisamente con el símbolo. El símbolo es el instrumento que canaliza el flujo de las fuerzas mágicas y permite al hombre participar de su esencia. Ahora bien, esta aprehensión de la realidad de la fuerza no puede ser realizada en forma consciente, es preciso recurrir al culto; durante la ceremonia del culto se puede llegar al conocimiento de la naturaleza real de una fuerza mágica. Este es el símbolo en toda su pureza, al que llamaremos ((natural)) o «puro», y queda claro que se trata de un fenómeno complejo. El símbolo es un fenómeno total, de integración del hombre con el cosmos, y no puramente ((espiritual)) en el sentido actual de este término, pues en el pensamiento arcaico lo «espiritual» y lo «material» son dos planos complementarios. Símbolo puro es ((la máscara que canta y danza)) que es probablemente el simbolo más antiguo. La máscara que canta y danza puede servir de asiento mágico a la fuerza no desintegrada todavía. Expresa un canal para que la fuerza pueda actuar. Otro símbolo natural es el movimiento circular o en espiral, ambos abarcan el ciclo completo de una fuerza en movimiento con todos sus grados de elevación y profundidad. En el primer símbolo mencionado «la máscara que canta y danza» aparecen dos de las características que se consideran esenciales al símbolo primitivo: el movimiento y el sonido. En el caso del (cmovimiento circular» o ccmovimiento espiral)) solo aparece una de ellas: el movimiento, que representa el momento en que actúa la fuerza. Un tercer símbolo es «el tambor». Representa el árbol que une el cielo con los infiernos y está fabricado de su madera. Está dotado de sonido y movimiento. Otro simbolo puro es «el hombre cantando y danzando». Mediante este simbolo puede establecerse una unión entre un ser vivo y otro muerto. En el momento de la danza, que es pantomima imitativa de la fuerza actuante, el ser vivo establece un puente con el difunto; de esta unión surge la aparente contradicción: el difunto cantante o el cadáver viviente. Con el desarrollo de los conocimientos conscientes, el aprendizaje simbólico deja de tener un papel principal, y los objetos materiales y concretos utilizados en la ceremonia simbólica, quedan como símbolos ((culturales» de ciertas realidades superiores o no, perdiendo parte de su fuerza originaria. Ello no obstante, el sistema simbólico se resiste tenazmente a desaparecer y trata de recuperar sus esencias originarias. Así podemos observar que junto a los avances «materialistas)> de las distintas culturas, que tienden a simplificar y en un estadio más avanzado codificar el simbolo para convertirlo en un signo de significación Única e inmodificable, se producen reacciones ccespiritualistas)) que tratan de devolver al símbolo sus propiedades más características. Por medio de símbolos culturales se han representado: principios, creencias, sentimientos, fenómenos atmosféricos, estados de ánimo, sustancias materiales, etc. Como simbolos culturales se han usado objetos naturales: piedras sin pulir, conchas; objetos construidos: la piedra negra «Kaaba» de la Meca, la cruz; figuras de animales y seres humanos: las representadas en las pinturas prehistóricas, el caracol, el perro; figuras geométricas: círculos, cuadrados; sonidos: llanto, risa; y un largo etcétera de cada clase. En la evolución de la representación de los conocimientos químicos se puede observar la presencia de dos constantes: las figuras geométricas, especialmente círculos y triángulos; y la superposición de las tendencias «materialista)) y «espiritualista». Probablemente la conjunENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS HISTORIA DE LAS CIENCIAS Y ENSEÑANZA ción de ambas características ha contribuido a que la ciencia química haya sido considerada por muchas personas, y lo sea incluso en nuestro tiempo, como un conjunto de saberes esotéricos. En lo que respecta al origen de la palabra SIMBOLO lo tiene en una pieza metálica EL SIMBOLOM que se podía separar en dos mitades, una de ellas se entregaba al viajero cuando abandonaba la casa que le había cobijado un tiempo, la otra mitad quedaba en casa del hospedante y servía como señal de unión perpetua entre ambos así como entre sus sucesores. I REPRESENTACIONES MAS ANTIGUAS Los pueblos de cuyas culturas tenemos algún conocimiento: sumerios, asirios, egipcios, mayas, aztecas, chinos, etc., usaron el simbolismo, y de ello quisieron dejarnos constancia en las torres, zigurats, sumerios o las pirámides egipcias o mayas. Los asirios utilizaban en relación con el mismo tema dos tipos de representación. Así se han encontrado recetas para fabricar materiales vidriados, unas deliberadamente confusas que utilizan signos cuneiformes con sus significados menos usuales, ctras claras y de fácil comprensión. ciendo que además de los átomos existe el vacío, que se sitúa entre ellos y en el que se mueven; estos átomos tienen formas y tamaiios definidos, los de fuego son esféricos y no se mezclan con los de los otros, los de los tres elementos restantes tienen distintas formas geométricas y pueden enlazarse, engancharse más propiamente, originando las sustancias visibles. Un reflejo del desarrollo materialista, en lo que a los conocimientos químicos se refiere, son las listas de símbolos para sustancias químicas y palabras técnicas. Un ejemplo de ellas lo tenemos en el Codigo de Marcianus del siglo 1 a.d.C. en el que las mismas son representadas por las primeras letras de su nombre griego o por un símbolo de más remoto origen en algunos casos, Fig. 2. KLNNCI~CXPLS (Cinabrio) Entre los egipcios se usaba la escritura jeroglífica, sólo apta para iniciados, para representar las cosas meX Wxpa rocml nos comunes, y símbolos culturales para las mas universales. En la Fig. 1 podemos observar la representación del agua y el alumbre. O~NA~~~X? ( \rs(.n~io ro io ) Fig. I Sirnbolos egipcios para agua y alumbre. + AGUA 1 ALUMBRC .- - En el desarrollo de la civilización griega se dan dos esc~:las de pensamaiento. La materialista, surgida en Jonia y que viene a representar el primer intento conocido de brindarnos una descripción del universo sin recurrir a fuerzas superiores; y la espiritualista, seguidora de la mejor tradición y cultivadora de conceptos que han permanecido hasta nuestro días. Los representantes más destacados de la primera escuela, los llamados filósofos-científicos o filósofos-ateos, son: Tales, Anaximandro, Empedocles, Leucipo y Demócrito. Tales es el creador de la primera teoría química; con base en una vieja idea mitológica babilónica, crea el elemento -el agua-, sustancia básica del universo y que esta formado pcr átomos. Esta idea es ampliada y completada por Empedocles, para quien los elementos son cuatro: agua, tierra, aire y fuego. Leucipo y Demócrito terminan la teoría atómica estableFig. 2 Algunas representaciones del Codigo de Marcianus. La escuela ((espiritualista)) está representada por Pitágoras quien diviniza los astros sustrayéndolos de la naturaleza y reincorporándolos, de acuerdo con las antiguas creencias, a la teología. Su especie de hermandad secreta se dedica principalmente al estudio de los numeros, que curiosamente representa como triangulares, cuadrados o pentagonales. En la Fig. 3 podemos observar estos números junto al emblema de su escuela, precisamente el triángulo equilátero con los diez I ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS 133 HISTORIA DE LAS CIENCIAS Y ENSEÑANZA ountos inscritos. Se desarrolla la idea de aue la unión REPRESENTACIONES DURANTE LA ALQUIMIA 1 de contrarios puede producir armonía, lo que indudaLa Alquimia nació en Alejandna como resultado de blemente tiene reminiscencias simbólicas puras. Herála superposición de las culturas griegas, egipcia y orienclito es otro de los seguidores de esta escuela, Y para tal. En su trasmisión y crecimiento participan muchos él se debía ensefiar la doctrina sin divulgarla Y sin pueblos: árabes, bizantinos, espafioles, italianos, etc. ocultarla. Durante su vasto desarrollo Y en lo referente a la reFig. 3 Representaciones geometricas de los números 1, 3,4 y 5 por los pitagóricos, junto al emblema de la escuela. El máximo representante es Sócrates y sus discípulos Platón y Aristóteles. A pesar de sus diferencias con la escuela materialista Platón acepta la teoría de los cuatro elementos de Empedocles, pero atribuyéndoles formas geométricas limitadas por caras plano paralelas triangulares o cuadradas, con la particularidad de poderse convertir unos en otros, Fig. 4. Aristóteles añade un nuevo elemento ((la quintaesencia)) o «el éter» componente de los cuerpos celestes, limitado por caras pentagonales y curiosamente dotado de movimiento circular. HEXAEDRO TETAEORO Tierra Fuego OODECAE DRO OCTAEDRO ICDSAEDRO Aire Agua Fig. 4 Representación de los cinco elementos. presentación química vamos-a encontrar las dos tendencias simbólicas, acentuadas según el momento histórico del pueblo que la cultiva y las circunstancias políticas o religiosas de cada momento. En una primera etapa la representación alquímica es básicamente materialista, se trata de abreviar la escritura al tiempo que se muestran las propiedades de las sustancias representadas. La influencia del simbolismo griego es notoria, y así en el papiro de Leyden, 250 a.d.C., dedicado al trabajo de los metales, se contienen los símbolos griegos del oro, plata y mercurio, entre otros. La influencia espiritualista se hace notar con la reaparición de las viejas conexiones ((dioses-planetasmetales)), que tratan de enlazar al hombre con las fuerzas exteriores. Los símbolos de los metales y su adscripción a los planetas se pueden ver en la Fig. 5. Fig. 5 Símbolos alquimistas para los metales y sus planetas correspondientes. ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS l HISTORIA DE LAS CIENCIAS Y ENSEÑANZA Las distintas formas en que se puede presentar una susLos cuatro elementos reciben su símbolo con base en I l tancia también encuentran su representación adicionhel triángulo mágico, Fig. 8, la barra interior significa dose algún rasgo a la forma fundamental, Fig. 6.1, por que el elemento de que se trata es más pesado que el otra parte, cuando una sustancia está formada por dos que no la tiene. se unen sus símbolos para representarla, así el electro, unión de oro y plata, se representa en la figura 6.2, como la superposición del símbolo del oro con el de la plata. Fig. 6.1 Representaciones alquimistas para las distintas formas fisicas de oro y plata. i Fig. 6.2 Representación del ((electro)) ORO c PLATA Fig. 8 Sírnbolos alquimistas para los elementos. FUEGO t7 A6 UA LIMADURA OE ORO G LIMADURA DE PLATA Con base en el triángulo o el círculo se construyeron asimismo los símbolos de los tres principios, Fig. 9. AIRE w TIERRA HOJA DE ORO B HOJA OE PLATA - AZUFRE MERCURIO Fig. 9 Simbolos alquimistas para los tres principios. REPRESENTACIONES A PARTIR DEL SIGLO XVIII El progreso de la tendencia espiritualista se acentúa haCon siglo XVlll se produce un resurgir de las cia el final del desarrollo alquimista y sus practicantes nas materialistas, y además se sientan las bases de la redactan los escritos en forma oscura y misteriosa. Una Química moderna. Si para el alquimista puro los símmanifestación de ello es que se multiplican las reprebolos de las sustancias poco o nada tienen que ver con sentaciones Para una misma sustancia; en la Fig. 7. Ponaturalera, los nuevos tratan de que la redemos ver distintos símbolos para el hierro y el oro. presentación responda a las propiedades de las especies simbolizadas. Geoffroy en su tabla de afinidades y conservando el simbolismo alquímico, representa los ácidos y las sales por círculos con algunas adiciones, Fig. 10. Fig. 7 Algunos de los símbolos para representar hierro y oro en el periodo alquimista. HIERRO ORO Esta diversidad de símbolos y significados complica extraordinariamente la comunicación y crea un confusionismo grande a la hora de interpretar los escritos Fig. 10 Representaciones de Geoffroy para ácidos y sales. alquimistas. - ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS 135 ~Q~QFX La 00886& + ACIOO OE SAL MARINA ACIOO NITROSO ACIDO VITRIOLICO 8v SAL ALCALI FIJA e+ SAL ALCALI VOLATIL 1 HISTORIA DE LAS CIENCIAS Y ENSENANZA Bergman avanza un poco más el desarrollo del simbolatino, encerradas en un triángulo las bases, un cualismo. En su tabla aparecen representaciones generalidrado los radicales ácidos, y un círculo los metales; para zadas para ácidos y álcalis en base a circulos, Fig. 11, los compuestos se usan los dos simbolos uno junto al otro. En la Fig. 13 se puede observar una muestra de lo dicho, sacada de las tablas de dichos autores. ACI DOS 8 ALCALIS . , AClDO SULFURICO Q,, POTASA Fig. 11 Representaciones de Bergrnan para ácidos y álcalis usando triángulos para otras sustancias y quedando los metales con la vieja simbología alquímica. Para el caso de los compuestos se usan los dos simbolos de los componentes unidos; como ejemplos podemos considerar la ecuación de la doble descomposición entre el cloruro de calcio y el sulfato de potasio que viene representada en la Fig. 12. NIIXOLCNO POTASA SOSA CAL Fig. 12 Representación de Bergrnan de la doble descomposición entre el cloruro de calcio y el sulfato de potasio. ACL1110 OXALAlO CITRATO LACTATO / \tJ Lavoisier al tratar de escribir las reacciones químicas en forma cuantitativa desarrolla una representación que sea más adecuada al lenguaje algebraico. Esta necesidad fue reconocida por Berthellot, Fourcroy y Morveau además de por el propio Lavoisier. Bajo sus indicaciones Hassenfrantz y Adet idean un nuevo sistema de símbolos cuyas principales novedades son: las sustancias simples encontradas en los compuestos se representan por iíneas; las otras sustancias simples por medio de la primera o dos primeras letras del nombre Fig. 13 Sirnbolos ideados por Hassenfrantz y Adet. a El descubrimiento de las leyes de la estequiometría se traduce en nuevas modificaciones de los símbolos. Higgins, representa los átomos por letras, y por cumeros la fuerza de unión entre los distintos átomos. En la Fig. 14, se representa un óxido de nitrógeno, P es un átomos de nitrógeno y las letras a,b y c tres átomos de 0x1'- geno. Las líneas entre los átomos enlazados no quieren representar las uniones en el sentido que más tarde se les daría. . Fig. 14 Representación de Higgins de uno de los óxidos de nitrógeno. COIRE P~c.0 CINC Dalton en su teoría atómica imagina los átomos como esferas y así puede ser considerado como el primer químico que pensó en tres dimenciones. La representación se hace a base de circulos, y algunos de ellos aparecen en la Fig. 15. En las moléculas aparecen unidos los símbolos de los átomos que intervienen. Un punto a destacar es que para Dalton cada símbolo representa un contenido definido de materia, precisamente un átomo. @ @ 0 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS HISTORIA DE LAS CIENCIAS Y ENSEÑANZA Fig. 15 Símbolos de I)alton. 0 ORO Berzelius llega a la conclusión de que los círculos de de la Fig. 16 podemos observar algunos ejemplos de Dalton eran superfluos y poco apropiados para las resus símbolos, que con ligeras modificaciones son los laciones estequiométricas. Elaboró en 1813 un nuevo que hoy usamos. Además los círculos desaparecen. En conjunto de ellos con la primera letra del nombre latialgunos de los símbolos de la Figura aparece una bano, que representaba tanto al elemento como a un átorra cruzándolos, con ello quiso Berzelius significar átomo del mismo. Si dos elementos poseían la misma inimos dobles, así H, es H y N, es N. cial se añadía una de las letras siguientes. En la Tabla CLlor Jod H PLAT l NO KicscI Sclcn hrscnik Fig. 16 Algunos de los simbolos de Berzelius junto con los pesos atómicos. N COBRE AGUA C ENSENANZA DE LAS CIENCIAS 00~CX)C;X> S O2 c 0 S 000000 NIQUEL o2 C CINC PLAl A ASSENICO HISTORIA DE LAS CIENCIAS Y ENSEÑANZA REPRESENTACIONES ESPACIALES En lo que a los compuestos inorgánicos se refiere era suficiente indicar en la molécula la clase y el numero de atomos que intervienen, ya que este es generalmente limitado. Pero en los compuestos orgánicos hay generalmente muchos átomos; además hay compuestos que presentan la misma fórmula empírica pero distintas propiedades, son los llamados isómeros. Así pues resuelto el problema del numero y clase de atomos, no siempre fácil a esta altura del siglo XIX, queda por conocer la distribución de dichos átomos en la molécula. Un primer intento de sistematizar el amplio mundo de los compuestos orgánicos surge con los ((radicales)), grupos de atomos como el cianuro CN o el metilo CH,, con un comportamiento peculiar y que parecen permanecer juntos en variadas circunstancias. ConoF'g. 18 Representaciones geométricas usadas por Loschmidt. ciendo estos radicales las sustancias se agrupan en familias o tipos, como hiciera A. Laurent (1807-53). En A.S. Cooper es quien Por vez primera representa los la Fig. 17 se pueden observar algunas moléculas de los enlaces Por medio de trazos. A. Brown hace una destipos ((agua)) y ((amoniaco)). cripción similar a la de Couper pero encerrando los átomos en círculos, Fig. 19, en la que los enlaces dobles se simbolizan por dos líneas. - H MOLECULAS TIPO AGUA H H MOLECULAS TIPO AMONlACO t Fig. 17 Representacion de moléculas por <(tipos)>. El hecho repetido oxígeno se unía a Fig. 19 Representaciones de Brown para etano y acetaldehido. 9 9 6 6 Etano : CM,-Ctf, b La representación estructural permitió comprender las estructuras de las moléculas orgánicas y en base a la tetravalencia del átomo de carbono explicarlas, como 9 9 @O+- 6 d Acctaldeh;do: CH,-CKO hiciera A. Kekulé. En la Fig. 20 está representada una molécula con enlaces sencillos, el metano CH,, una con enlace doble, el eteno C,H,, y otra con un enlace de que en las fórmulas tipo agua el triple, el acetileno C,H,. dos radicales, y en las de tipo amoniaco el nitrógeno se unía a tres, hizo que se formulase la teona de la valencia, cosa que hizo Frankland en 1852, y se trataran en consecuencia de representar los enlaces y sus clases. Uno de los primeros en utilizar este tipo de representaciones es J. Loschmidt, quien utiliza figuras geométricas para muchos compuestos orgánicos. En ellas, (Fig. 18) cada átomo es simbolizado por un círculo, cuyo radio es proporcional a su esfera de influencia. Cada mO'écula consiste en un de Fig. 10 Moléculas con enlaces nncillos, dobles y triples segYn la despor cada átomo, que se tocan (enlace sencillo) o se socripción del carbono tetravalente de Kekulé. lapan (enlace doble). H I H-C-H I H METANO 138 ENSENANZA DE LAS CIENCIAS H-C=C-H I l H H ETENO 1 ti-CG C-H ACETILENO HISTORIA DE LAS CIENCIAS Y ENSENANZA El problema de la estructura del benceno consumió bassidad de acumular tantos datos. Ello obliga a repretante tinta pues se trataba de representar enlaces que sentar las estructuras moleculares en forma que se pueno eran sencillos ni dobles, sino intermedios entre ellos; dan introducir en las computadoras, usando notación finalmente la solución vino de manos de Kekulé, sealfanumérica, puntos, guiones, escritura en una sola gún su propia confesión, después de un sueño en el que línea. Así la fórmula del ácido acético se ~odna remejugó un papel esencial el dragón alquimista que-se sentar CH,.CO.OH. muerde la cola. En la Fig. 21 se pueden ver dos formas de representar el benceno, C,H,. W. Wiswesser ha ideado un sistema de representación que se puede considerar de los más apropiados a los Fig. 21 Dos formas de representar el Benceno de Kekulé. ULTIMOS DESARROLLOS EN LA Fig. 22 Representaciones de Wiswesser para algunas rnoleculas. C02 OCO C113-Coo11 QVl REPRESENTACION fines que comentamos. En dicho sistema el grupo meEn la actualidad se conoce un gran numero de comtilo, CH,, se simboliza por un 1, el etilo, C,H5, por un puestos químicos, más de siete millones, y gracias a la 2, y así sucesivamente, el grupo OH por una Q, el ceinvestigación este numero aumenta continuamente. El tona CO por una V, el NH, por una Z, etc. En :a Fig. manejo de la información correspondiente a tantas sus22 se puede ver la representación de varias sustancias tancias no es sencillo, así pues se está creando la necede acuerdo con esta notación. 1 NH3 21 1 Cs1I5-011 02 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ASIMOV, I., 1975. Breve historia de la Química. (Alianza Editorial, Madrid). ELIADE, M., 1979. Imágenes ysímbolos. (Taums, Madrid). FARRINGTON, B., 1979, Ciencia griega. (Icaria, Barcelona). FARRINGTON, B., 1980, Ciencia yfilosofía en la antiguedad. 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