¿Por qué la química es imprevisible?

Question

Descargo de responsabilidad: no soy químico ni mucho menos, y sólo tengo conocimientos limitados a lo que aprendí en el curso de Química III de mi universidad. Comprensión básica de todo hasta los orbitales de electrones de valencia.

¿Por qué no hay un conjunto de reglas a seguir que permita predecir el producto de las reacciones químicas? A mí me parece que todos los demás campos STEM tienen modelos para predecir los resultados (física, termodinámica, mecánica de fluidos, probabilidad, etc.), pero la química es la excepción.

Remítase a esta pregunta anterior: ¿Cómo puedo predecir si se producirá una reacción entre dos (o más) sustancias cualquiera? Las respuestas dadas afirman que las pruebas empíricas son la mejor manera que tenemos de predecir las reacciones, porque podemos discernir patrones o "familias" de reacciones para predecir los resultados. ¿Estamos limitados a adivinar las reacciones de la "familia"?

En otras palabras, ¿por qué me limito a conocer mis reactivos y productos, y luego a averiguar el proceso? ¿Puedo conocer los reactivos, formular una hipótesis sobre el proceso y predecir el producto?

Si la respuesta es "es complicada", me gustaría un empujón en la dirección correcta - como si los orbitales de valencia realmente nos ayudan a predecir, o cualquier ley de conservación de la energía, etc, por favor dame algo que pueda ir a investigar.

Answer 1

Ya hay algunas respuestas estupendas a esta pregunta, pero me gustaría dar una respuesta más práctica desde mi propia perspectiva como doctor en química orgánica que hizo química computacional en el lateral.

La mayoría de los campos en su vanguardia son imprevisibles

He observado que, cuando se llega a la frontera de lo posible, el progreso sólo se produce, en general, a través de un largo proceso de prueba y error. Cuando se produce un avance en la comprensión y el proceso se vuelve de repente fácil, se avanza rápidamente hasta que las cosas vuelven a ser difíciles. Esto es válido para todo tipo de proyectos complejos. La teoría te ayuda hasta ahora, pero en algún momento tienes que salirte de los caminos trillados y hacer tu propio camino.

La química se vuelve matemáticamente difícil, rápido

Alguien que está completando su licenciatura en un campo STEM es probable que tenga una impresión un poco sesgada del primer hecho, porque tendrá ya ha llegado a ese punto de imprevisibilidad con la química pero no con la física . Se necesita mucho tiempo para aprender las ecuaciones diferenciales asociadas a temas como la mecánica, la tensión-deformación, la transferencia de calor, la dinámica de fluidos, el electromagnetismo y los campos cuánticos. Estos temas suelen tener soluciones para situaciones idealizadas que se pueden escribir en papel de forma cerrada.

La simplicidad (comparativa) de estas soluciones, junto con la dificultad de aprender las matemáticas necesarias en el camino, puede dar al físico de primer ciclo la idea errónea de que así es toda la física. Ecuaciones diferenciales difíciles, pero abordables, que dan soluciones elegantes. En realidad, una vez que se superan las condiciones idealizadas, la física se centra mucho más en la simulación por ordenador y la experimentación.

En cambio, las ecuaciones que describen lo que ocurre en el matraz (cinética y termodinámica) pasan de ser triviales a ser alucinantemente difíciles con sólo un poco de complejidad añadida. Otros contestadores han profundizado en esta parte, así que no hablaré más de ella aquí. Basta con decir que pasé muchas horas infructuosas de mi educación tratando de encontrar un enfoque matemático generalizado para los problemas a los que me enfrentaba.

En la práctica, al menos en el caso de la química orgánica, el objetivo principal es sintetizar compuestos a partir de otros compuestos, normalmente complejos, a partir de otros simples. La teoría se convierte en una especie de árbol de decisiones amplio y masivo.

¿Quieres hacer el intermedio A? Prueba la reacción B, si no funciona prueba la reacción C. C normalmente funciona para este tipo de cosas, así que si no funciona, comprueba que tus reactivos son puros. Puedes probar con la reacción D, pero es probable que desproteja el otro lado de A.

Existen estudios sistemáticos de ciertos patrones de reacción, y ciertamente pueden ser útiles. Por ejemplo, el patrones de sustitución de anillos aromáticos, por ejemplo. Utilizando un poco de teoría orbital, se puede predecir el resultado de las reacciones en los anillos aromáticos basándose en lo que ya está en el anillo y en qué posición. Pero, de nuevo, estos estudios se hicieron con sustratos sencillos y no son necesariamente aplicables a cualquier behemoth sintético en el que estés trabajando .

El trabajo de laboratorio es duro

Por último, el aspecto práctico. Las reacciones químicas pueden fracasar por cualquier número de razones que no son teóricas. Hay cosas básicas como la limpieza del equipo y la pureza de los reactivos. Puedes perder montones de material si eliges los disolventes equivocados para trabajar (extraer el producto de la mezcla de reacción). La mayor parte del material ha pasado a la capa acuosa sin que te des cuenta, y lo has desechado (error de novato) o se ha degradado o convertido en otra cosa antes de que te dieras cuenta.

Luego están las cosas más sutiles. Puede que la reacción sólo funcione con una barra agitadora concreta porque en algún momento se impregnó de un catalizador de paladio. Las reacciones a menudo necesitan una exclusión rigurosa del oxígeno y el agua para funcionar, pero a veces se necesita algo de oxígeno para que funcione, y la única forma de averiguarlo es notar que las reacciones mal preparadas siempre parecen funcionar mejor que las rigurosas. Tienes una botella de reactivo de los años sesenta de una empresa que ya no existe, y una vez que se ha agotado, la nueva botella del mismo reactivo simplemente no funciona (esto me pasó a mí). La superficie de tu cristalería es demasiado ácida para tu reacción, y tienes que silanizarla para que funcione (también me ha pasado). Algunas reacciones no funcionan porque tu país es demasiado húmedo. El procedimiento que estás siguiendo fue escrito por un estudiante desesperado por impresionar/placer a su asesor, y los rendimientos están inflados. Tu lote actual de disolvente acetonitrilo es de menor calidad porque China cierra sus plantas de acrilonitrilo contaminantes para mejorar la calidad del aire de cara a los Juegos Olímpicos. Y así sucesivamente.

La química como asignatura es muy bicoca y desordenada. Los mejores químicos que he conocido suelen tener una memoria excelente. Pero todas las asignaturas tienden a ser complicadas y complicadas una vez que se supera la teoría básica y se entra en los detalles.

Answer 2

A mí me parece que todos los demás campos STEM tienen modelos para predecir resultados (física, termodinámica, mecánica de fluidos, probabilidad, etc.), pero la química es la excepción.

¿Y la ingeniería estructural? En ese campo, es bastante fácil predecir la resistencia de una viga de material y dimensiones conocidas, como una viga en I de acero o madera dimensional. ¿Pero qué pasa con un material nuevo, como un compuesto de palillos de dientes incrustados en pegamento Elmer?

Tanto si el material es acero como si es un compuesto de pegamento de dientes, ¿no se podría "simplemente" predecir la resistencia a partir de propiedades físicas más básicas?

Pues sí, pero eso sería muy complejo. Pero creo que lo más importante es que eso ya no sería ingeniería estructural. Sería un campo más básico de la física.

Usted argumenta que la química es "impredecible" porque las reacciones se describen mediante reglas y patrones en lugar de derivarse de los primeros principios. Yo planteo que estas reglas y patrones son química. Sin ellos, ya no hay química. Así que la química es "imprevisible" (en su sentido) por definición .

En realidad, esto no es exclusivo de la química. La mayoría de los campos de estudio se basan en la aplicación de campos más puros, añadiendo sus propias reglas y patrones para permitir un razonamiento de mayor nivel sobre sistemas más complejos:

Answer 3

La respuesta es la reducción de la dimensionalidad: una reacción tiene miles de millones y miles de millones de átomos que interactúan entre sí, pero nosotros creamos analogías de las interacciones utilizando sólo unos pocos símbolos que manipulamos mediante reglas; una analogía simbólica de innumerables átomos que interactúan, pero este proceso implica la pérdida de información sobre la realidad. Cuanto más sencilla sea la analogía, mayor será la pérdida de información y menos precisa será la analogía. Los resultados de la manipulación de los símbolos diferirán de la realidad de la reacción. La media de un conjunto de números es un buen ejemplo: se reduce un conjunto de n dimensiones a una sola dimensión. Hay una pérdida de información.

Otro ejemplo: La física newtoniana no predijo lo que los científicos vieron con el famoso experimento de la doble rendija. En el momento en que eso ocurre, las reglas y los símbolos que se utilizan para hacer predicciones (como el rendimiento de una reacción química) se vuelven inútiles. Por lo tanto, no es que la química sea impredecible, sino que los símbolos que utilizamos para hacer predicciones sobre la química no son lo suficientemente buenos. La única manera de hacer predicciones 100% exactas es simular cada átomo y partícula subatómica y estar seguros de que las reglas que utilizamos para definir las interacciones son 100% análogas a lo que ocurre en la realidad. Sabemos que esto es imposible debido al principio de incertidumbre.

La química cuántica tiene modelos mucho más complejos que son una mejor analogía de una reacción, por lo que es un *mejor predictor, pero nunca 100% preciso.

Answer 4

Cualquier texto básico de química orgánica tiene una tabla de contenidos, así que para una determinada transformación, como la reducción, se enumeran los reactivos (los productos químicos o las condiciones, por ejemplo, el calor, la luz, que aparecen por encima de la flecha que conecta los reactivos con los productos). Si todo esto se confirma y la reacción sigue fallando, sería como dejar caer una manzana y verla ascender hacia el cielo. No se trata de una opinión fallida. Ahora bien, si cambio el sustrato por una gran molécula polifuncional, puede que la reducción análoga no se produzca en absoluto o que se obtenga un producto muy reordenado. El retroanálisis puede proporcionar una justificación, pero para el químico de banco que realiza la reducción, es una opinión sobre si merece la pena intentar la reacción en primer lugar.

Answer 5

En pocas palabras, es porque no tenemos una comprensión completa o casi completa de las fuerzas que impulsan las reacciones químicas, cada pocos átomos añadidos a la estructura de los compuestos añadirá nuevas fuerzas y capas de complejidad que no hemos tenido en cuenta en nuestros simples 300 años de conocimiento de la química. Esto se percibe cuando se aprende que las teorías muestran su limitación en algún punto en el que aflora la complejidad (por ejemplo, Lewis, Huckel ... etc).