la quÍmica de nuestro tiempo - rac.es

Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp)Vol. 97, N.º 2, pp 319-332, 2003IV Programa de Promoción de la Cultura Científica y Tecnológica

LA QUÍMICA DE NUESTRO TIEMPO

MI G U E L ÁN G E L AL A R I O Y FR A N C O *

* Departamento de Química Inorgánica. Facultad de Ciencias Químicas de la U.C.M. Ciudad Universitaria 28040 Madrid

INTRODUCCIÓN

Quizá una de las mas curiosas paradojas del des-arrollo cultural de la Humanidad sea el que cuanto másavanza la Ciencia y, por ende, más avanzan las posibi-lidades tecnológicas que facilitan la vida en la Tierra,más prevención se tiene sobre ella y más preocupaciónsuscita entre los habitantes de este nuestro planeta.Este fenómeno, que tiene variadas causas entre las queno dudaría en señalar como primer motivo a la cre-encia, errónea, de que la Ciencia es difícil de entenderpara los no iniciados, y como consecuencia de ello, lade que los científicos, un poco magos de tribus,pueden llevar a la mencionada Humanidad a unacatástrofe irreversible, incluso a su destrucción, es másgrave aún en el caso de la Química, tenida por respon-sable malgré elle de la destrucción del entorno natural:contaminación, lluvia ácida, agujero de ozono, “efectoinvernadero” y algún etcétera.

A pesar de esa generalmente mala imagen, laQuímica ha contribuido como pocas ramas del conoci-miento al progreso del hombre (y, para seguir la modade lo políticamente correcto, de la mujer, claro).Efectivamente, el desarrollo de la Química en los dosúltimos siglos se ha caracterizado, no solo por unenorme progreso en el conocimiento y la interpre-tación de los fenómenos químicos, no solo por la fabri-cación de multitud de “objetos” que no existían antesen la Tierra —lo que los químicos llamamos especiesquímicas— sino también, y sobre todo, por su imbri-cación en la sociedad. Aparte de la obvia importanciade la industria química en el conjunto de la economía

mundial, y en particular en la de los países mas avan-zados, en los que constituye la parte individual másimportante en términos del Producto Interior Bruto,los productos químicos se han distribuido por lasociedad contemporánea como se difunde un gas enotro, totalmente. Y ello, casi siempre, sin que lasociedad sea consciente de ello. Desde los antibióticosa los fertilizantes, de los explosivos a los transistores,de los desinfectantes al petróleo, la sociedad industrialha utilizado la Química —pero no solo la Química,¡claro!— para su desarrollo vertiginoso, un desarrolloa menudo apresurado. En ese enorme crecimiento eco-nómico se han producido disfunciones, se ha abusadodel poder de la Química —pero no solo de la Química-y junto al impresionante desarrollo industrial, eco-nómico, social y político de los países avanzadosquedan situaciones de gran atraso y en las que la utili-zación de los conocimientos científicos no ha ido enparalelo con la armonización cultural y, menos aun,económica, y esos beneficios solo aprovechan a lasminorías dominantes. En lo que sigue, vamos aexplorar los caminos de la Química poniendo de mani-fiesto algunos de sus principales logros.

DEFINICIONES Y CONCEPTOS

La Química es la ciencia que estudia los cuerposmás simples existentes en la Naturaleza, llamados ele-mentos químicos, por ejemplo el azufre, sus combina-ciones en los denominados compuestos químicos,como el amoniaco, y los procesos que permiten pasarde aquellos a estos y viceversa, denominados reac-

ciones químicas, por ejemplo “ácido más base igual asal más agua”.

Elementos y compuestos reciben el nombregenérico de especies químicas de las que se conocenen la actualidad más de dieciseis millones, la inmensamayoría de las cuales son artificiales.

Considerando las posibles combinaciones de todoslos elementos químicos, resultarían nada menos que¡10200 compuestos químicos! Sin embargo, no existenátomos suficientes en el universo para crearlos todossimultáneamente; además, ¡no tendríamos dondeponerlos! Resulta obvio, por otra parte que, dado quecualquier objeto del universo esta hecho de átomos, elnúmero de estos en el Universo es el mayor númeroposible de objetos materiales que existen de maneraindividual.

La Química presenta importantes particularidadescon respecto a las demás ciencias. Entre ellas destaca

el poseer un lenguaje simbólico específico, que seconoce comúnmente como nomenclatura y formu-lación, y que permite agrupar y manejar gran cantidadde información en un espacio reducido. Inicialmente,la nomenclatura surgió como una especie de simbo-lismo astrológico, añadiendo a los cuatro elementosaristotélicos: agua, aire, tierra y fuego, los primeroselementos auténticos conocidos: los metales y estos seasociaban a los diferentes planetas en el contexto de laAlquimia; la principal misión de la nomenclatura era lade ocultar el conocimiento de “El Arte” a los no ini-ciados, lo que supone en gran medida el nacimientodel espíritu gremial que, en muy diversas formas, hallegado a nuestros días. La Figura 1 recoge un ejemplotomado de un alquimista inglés bastante conocido,Robert Fludd, que compendia esa idea.

Tras diferentes desarrollos de ese arcano,Lavoisier, el gran revolucionario en el sentido kuh-niano, recopiló y publicó en 1789 —año de su eje-cución— la primera tabla de elementos químicos en el

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Figura 1. Representación que asocia elementos metálicos y astros en la visión global del alquimista Rubert Fludd (~1650).

sentido moderno que hemos definido más arriba y queincluía, junto con el lastre de la luz y el calórico —agentes importantes, desde luego, en la Química, perono elementos— veintitrés de estos y además los deno-minados radicales muriático, fluórico y borácico y lassustancias simples salificables: cal, magnesia,alumina, barita y sílice. Poco después, Berzeliusasignaba unos símbolos sistemáticos, símbolos que,esencialmente, son los que utilizamos actualmente.

La combinación de los elementos da lugar a loscompuestos y estos y aquellos participan en reaccionesque se pueden representar muy simplemente gracias ala formulación. Así, los ejemplos anteriores se repre-sentan según

Azufre S

Amoniaco NH3

Ácido más base igual a sal más agua

HCl + Zn ⇔ ZnCl + ½ H2 [1]

Está claro pues que la formulación en Química pre-senta enormes ventajas a la hora de condensar la infor-mación referente a cualquier proceso químico deforma concreta, coherente y cuantitativa.

La Ciencia Química ha dado lugar a la QuímicaIndustrial, que constituye, en los países más avan-zados, la industria más importante en términos econó-micos, situándose en general más allá del 2% delProducto Interior Bruto (PIB) y es, por ejemplo, laprimera industria manufacturera en los Estados Unidosy, en Europa la segunda, después de la alimentaria que,por otra parte, tiene, ciertamente, mucho de industriaquímica.

Desde un punto de vista de la cultura industrial, laindustria química es, históricamente, la primera que sebasó, y se sigue basando, en la Ciencia; es así mismomuy variada y existe una enorme diversidad de pro-ductos químicos en el mercado, ¡más de setenta mil!,lo que la convierte desde luego en la primera industriaen ese aspecto. Si recordamos que entre esos miles deproductos figuran, además del acero, el cemento, elpetróleo y el carbón y sus múltiples derivados, tantos ytantos otros como: pinturas, adhesivos, herbicidas,

abonos, fármacos, metales, plásticos, fibras, cauchos,colorantes, tintas, material fotográfico, explosivos,anticongelantes y un tremendamente largo etcétera,comprenderemos por qué los propios químicos consi-deran a esta ciencia como la ciencia central, ya que seencuentra comúnmente como nexo de unión entre lasotras ciencias de la Naturaleza y, además, sus pro-ductos son la base de una gran parte de la actividadhumana.

Con el fin de cuantificar, ya sea brevemente, en tér-minos económicos, la magnitud de esta importanteindustria, cabe señalar que la industria química nortea-mericana, tuvo, en 1996, unas ventas de unos 413millardos de euros, lo que supuso un 24 %, del totalmundial; la industria Japonesa 240, la alemana 130 yla británica 62 millardos de euros. De hecho, laindustria química de la Unión Europea supera ligera-mente a la norteamericana.

Otra característica importante de esta industria essu tremenda capacidad de innovación basada en lainvestigación, y refiriéndonos otra vez a los EstadosUnidos de América, y de acuerdo con el InstitutoBatelle, la inversión en investigación y desarrollo de laindustria química en el año 1997, fue la primera comose recoge en la Tabla 1. Cabe señalar así mismo, quelos gastos de I + D en ese año en USA fueron de 214millardos de euros, de los que la industria financió el62.8% y el gobierno solo un 32.4%, o sea la mitad queaquella en gastos de investigación, lejos, lejísimos, enambos datos: inversión y su distribución entre el sectorprivado y el público, de lo que ocurre en la UniónEuropea y sobre todo en España. El resto al 100% serealizo por fundaciones y otras fuentes. La industriaquímica es pues un auténtico motor de innovaciónapoyado, esencialmente, en la iniciativa privada.

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Prod. Químicos y farmaceuticos 34.8Transporte 33.7Telecomunicaciones 32.2Computadoras (Hard) 25.1Electrónica 16.8Informática (soft) 11Semiconductores 7.5

Tabla 1. Inversiones en Investigación y Desarrollo en laIndustria Norteamericana en 1997 (millardos de euros)

LA QUÍMICA ES UNA CIENCIAEXPERIMENTAL

Quizá la característica más destacada de la Químicadentro del conjunto que suponen las ciencias de obser-vación de la Naturaleza es su carácter experimental.No es que no tenga la Química eso que algunas vecesse denomina un gran aparato teórico que lo tiene,como tiene un sinfín de ecuaciones que reflejan demanera matemática las diferentes relaciones estructu-rales, termodinámicas y cinéticas que constituyen loque antiguamente se denominaba su cuerpo de doc-trina. Pero ante todo y sobre todo, la Química repre-senta uno de los casos más claros de aplicación deldenominado método científico: Basándose en la obser-vación, pero en nuestro caso también y, a menudosobre todo, en la experimentación, se hacen modelos,efectivamente apoyados, en general, con la ciencia delos números; estos modelos se comparan a mas obser-vaciones, o a más experimentos y se mantienen, modi-fican o descartan para seguir buscando y seguircomprendiendo. Quizá la primera, o al menos una delas más claras exposiciones de que la Química es expe-rimento, lo constituyen las celebradas “cincuenta y tresobservaciones en torno a la combustión de una vela”que acostumbraba a realizar el famoso MichaelFaraday en sus no menos famosas Charlas navideñas(Christmas Lectures), que sus sucesores aun continúanen la renombrada Royal Institution of Great Britain enLondres. Bien pues el experimento que con tanta ele-gancia como lujo de detalles explicaba Faraday esta alalcance de cualquiera: consiste en encender una vela yobservar que es lo que pasa: Arde, da luz, humea, chis-porrotea… No vamos a cansar al lector con la des-cripción de algo tan sencillo como ese primerexperimento químico (pero sí le emplazamos a queconfirme que efectivamente se pueden realizar nomenos de cincuenta y tres observaciones, probable-mente alguna más si es avezado…); efectivamente, elfuego, descubierto probablemente por casualidad enlos primeros tiempos de la Humanidad, es una formamanifiesta de combustión y su dominio, lo que cons-tituye muy a menudo el trabajo de los químicos,marca, al pensar de muchos, una diferencia esencialentre el hombre y el animal.

La combustión de una vela, la combustión engeneral, tiene, como apuntábamos más arriba aspectoscinéticos y termodinámicos. Y es hábito de la Química

expresar estos por medio de ecuaciones de reacción yaquellos por medio de esquemas más o menos simplesque facilitan la comprensión del fenómeno que suponela reacción química, a veces a costa de un poco delrigor del análisis. De tal modo que la combustión de lacera carnauba, un conjunto de ésteres que producen lasabejas, y que se formula (C31H63COOC32H65+C33H67COOC34H69), para dar agua y dióxido decarbono, se refleja así

C64H128O2 + 63 O2 ⇔ 64 CO2 + 64 H2O + ∆H [2]

donde ∆H (variación de entalpía o contenido caloríficodel sistema) = Q (calor de la reacción); por lo que siQ > 0 ⇒ ∆H <0 y la reacción se dice exotérmica o seaque desprende calor, como habitualmente ocurre enlas combustiones. De hecho, bastante más de la mitadde la energía que se consume en el mundo procede dealguna combustión. Por el contrario cuando Q < 0 ⇒∆H > 0 y la reacción se dice endotérmica porqueabsorbe (necesita) calor del exterior. Al igual que lacera, todas las substancias naturales no minerales secombinan con el oxígeno —y algunos mineralestambién— en un proceso de oxidación característicode la denominada materia viva: reino vegetal y reinoanimal, por lo que, como es notorio, todos nosotrosestamos expuestos a una combustión al igual que lavela. Sin embargo, el que, en general, esa combustiónno se produzca, se debe al otro aspecto de la reacciónquímica, el aspecto cinético: en la línea argumental dela vela de Faraday, hace falta la cerilla, la llama queinicia la reacción que posteriormente se mantiene hastaconsunción del combustible, la cera, o el comburente,el oxígeno. Bien pues esto se suele representar con unesquema sencillo en el que el paso de los reactivos (elestado inicial de la reacción) a los productos de lamisma (el estado final), se muestra como el paso de unvalle alto a otro más bajo con una montaña entreambos, Figura 2. Existen en la Naturaleza muchassustancias que, continuando el símil, facilitan el pasode un valle a otro disminuyendo la altura de lamontaña. Estas sustancias se llaman catalizadores delgriego κατλυσιζ (disolución, acabamiento). Un cata-lizador es una sustancia que modifica sustancialmentela velocidad de una reacción sin consumirse global-mente en la misma, Figura 3. En realidad la mayoría delas reacciones químicas que tienen lugar en laNaturaleza se realizan gracias a catalizadores muyespecíficos, esto es que prácticamente solo valen parauna reacción concreta.

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La Química Industrial se sirve con frecuencia de lacatálisis, lo que a menudo permite utilizar tempera-turas más bajas y al mismo tiempo efectuar procesosmuy específicos y con selección de los diferentes pro-ductos posibles.

Uno de los más celebrados de entre los procesosquímicos de la industria es la denominada síntesis deHaber-Bosch, en la que se aprovechan las propiedadescatalíticas del hierro para utilizar el muy abundantenitrógeno atmosférico para su combinación conhidrógeno dando lugar a amoniaco,

N2+3H2⇔{Fe}⇔2 NH3 [3]

lo que permitió, a principios del Siglo XX, el des-arrollo de la industria de fertilizantes nitrogenados.Gracias a esto se salvó a Europa de una hambruna a laque inevitablemente se hubiera llegado con la cre-ciente población y el agotamiento de los yacimientosde nitrato de Chile procedente del guano. En eseproceso, la dificultad estriba en la muy elevada energíade enlace de las moléculas de los reaccionantes, espe-cialmente la de nitrógeno que, al poseer un enlacetriple, resulta uno de los más fuertes de la Química

(≈ 940 Kj/mol). En presencia de hierro, la ruptura delas moléculas es más sencilla y la reacción tiene lugaren condiciones relativamente más suaves. Lo de relati-vamente se refiere a que debido a la contracción en elnúmero de moléculas que indica la ecuación dereacción, es necesario utilizar altas presiones y esto eslo que supuso, precisamente, la contribución del inge-niero Bosch al proceso.

Cabe señalar llegados a este punto, que la vida delcélebre Haber supuso una permanente lucha entre suinterés por la ciencia y su amor a su patria —Alemania—. Al llegar la primera Guerra mundial,Haber se dedicó a la fabricación de gases tóxicos quese utilizaron en el frente causando innumerables bajasy terribles sufrimientos entre los combatientes. Elhorror que eso produjo en la mujer de Haber, quien lesuplicó reiteradamente dejara de ocuparse de tanterrible labor, y el que Haber no escuchara las suplicasa las que se dice respondía con un tajante “¡se trata deAlemania!”, llevaron a la desesperada mujer al sui-cidio. No terminaron ahí las tribulaciones del PremioNóbel de Química de 19XX y tras la llegada del para-noico Hitler al poder, destituyo a Haber, judío, de susimportantes cargos, y a la intercesión de Max Planck,contestó: “Alemania no tiene necesidad de Químicosni Físicos…”.Haber murió, poco después, en 1938, enInglaterra.


Figura 2. Representación esquemática de los estados inicial,activado y final de la reacción de combustión de la cera. ∆G,energía libre, ∆H, entalpía, ∆S, entropía y T, temperatura sonlas magnitudes termodinámicas que caracterizan el proceso yel asterisco se refiere al estado activado.

Figura 3. Influencia de un catalizador facilitando una reacciónquímica al disminuir la energía de activación del complejo acti-vado. La coordenada de reacción es una magnitud caracterís-tica de alguno de los reactivos, por ejemplo un ángulo deenlace.

El amoniaco es a su vez punto de partida de lafabricación del ácido nítrico, en otro proceso catalítico,esta vez de oxidación, por medio de un catalizador deplatino/rodio, Figura 4:

4NH3(g)+5O2(g)⇒Pt/Rh⇒4NO(g)+6H2O(g) [4]

2NO(g)+O2(g)⇒2NO2(g) [5]

y ambos procesos son exotérmicos: ∆Hº [4] = 905.5 kJy ∆Hº[5]= 114.1 kJ

En el caso de las reacciones bioquímicas a los cata-lizadores se les denomina enzimas y su especificidades extraordinaria. Un ejemplo interesante de ello loconstituye ciertamente el sistema defensivo del esca-rabajo bombardero que cuando se siente en peligroexpulsa un aerosol hirviente e irritante. Figura 5.

La composición de este aerosol es una suspensiónde quinona —el irritante— en agua. Pero lo que tieneel escarabajo en su glándula defensiva es una mezclade hidroquinona, un difenol, y peróxido de hidrógeno,el componente esencial del agua oxigenada. Estasespecies están en contacto pero no reaccionan hastaque una orden del insecto activa el catalizador/enzimacorrespondiente:

C6H4(OH)2+H2O2⇒(enzima)⇒C6H4O2+H2O [6]

dando lugar a quinona y agua en una reacción exo-térmica y asegurando al posible depredador del bom-bardero una caliente rociada.

UN BREVE APUNTE HISTÓRICO

Ante ciencia de origen tan remoto como es laQuímica, no debe sorprender que haya diversas inter-pretaciones en torno a la propia denominación originalde la misma: Khemeia. Kham nombre antiguo deEgipto señalaría pues el origen de “el arte egipcio”,primera acepción. Según otros autores, sin embargo, ladenominación inicial procedería de Khumus “el arte deextraer jugos”; sea como fuere, la Alquimia, como lasotras artes primigenias: Medicina y Tecnología, sehabría originado en Egipto. De ella, de la Alquimia,procede pues, la Química. Pero el camino hasta llegara esta no fue ni corto ni sencillo: En el paleolítico, elhombre usa el fuego para asar y es en el neolíticocuando ya se empieza a usar el calor para otros menes-teres mas fabriles: cerámica, fundición, vidrio, quejunto con la utilización de la tintura, la tenería o elhilado, sientan las bases de la civilización. Los coloresproceden de los pigmentos tanto vegetales, como elrojo de la coscoja, el amarillo del azafrán…, de los ani-males, más propiamente de su concha como la púrpuraextraída del múrice. También se inicia la utilizaciónmedicinal de las plantas y se extrae mantequilla y sehace queso a partir de la leche. Se trata pues de las pri-meras especies químicas, que son de origen natural.Estamos aun lejos de la Química Sintética que tantodesarrollo ha dado a la Humanidad pero que nocomienza hasta bien entrado el siglo XVIII. Es sinembargo con los griegos que comienza a asentarse laCiencia con componente especulativo y, desdeSócrates con la búsqueda del saber positivo, aplicado.Algo antes Leucipo, tal y como recoge su discípulo,Demócrito se plantea la cuestión de la parte indivisiblemás pequeña de un cuerpo, el a-tomo, literalmente sindivisión, pero, obviamente sin posibilidad todavía de irmás allá que la mera idea. Platón en el Timeo recoge laidea de cuatro elementos e intuye un quinto: éter oquintaesencia, el “material de los cielos” que asocia ala idea de los sólidos platónicos.

tierra/cubo; fuego/tetraedro; aire/octaedro; agua/ico-saedro y éter/dodecaedro

El sistema primitivo se completa con Aristótelesque adopta definitivamente el éter y añade las cuatrocualidades (caliente, frío, seco y húmedo), asociadasdos a dos a los elementos. Figura 6.

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Figura 4. Catalizador para la producción de ácido nítrico.Estos trabajadores están estirando sobre la boca de un reactorel catalizador de malla de platino-rodio que se usa para oxidarel amoniaco a ácido nítrico (Johnson Matthey).

Por ejemplo, el agua tiene humedad y frío en sugrado máximo, el fuego es simultáneamente caliente yseco, etc. Y de aquí surge con Bolos de Mendes, (200a.C.) el concepto de que al cambiar las cualidades deun elemento cambia su naturaleza y ello lleva a la ideade la Transmutación de los metales, que ya seconocían, en oro. Idea que ha planeado por toda laduración de la Alquimia; incluso Felipe II tuvo unLaboratorio del Arte hasta que, nombre pragmático, envista de los nulos resultados que producía lo cerró.

Arte de extraer jugos, decíamos más arriba: paraello hacían falta instrumentos y, desde luego, lainvención del baño de María y más aun la del alam-bique, constituyen hitos singulares en el desarrollo dela Química. La muy simple idea del alambique, Figura7: condensar un evaporado o sublimado en una zonafría y transportarlo a otro sitio donde se recoge, siguesiendo una de las principales actividades de laindustria química actual, aunque, ciertamente, se ha

producido un marcado cambio de escala, Figura 8. Elalambique se utilizó, en particular, en la obtención delmercurio en crisol cerrado, por Dioscórides. Estareacción:

HgO ⇒ Hg+½O2 [7]

Figura 5. Reacción catalítica defensiva del insecto bombardero (c.f. More et al “El mundo de la Química”; Parson Educación, 2000).


Figura 6. Cualidades y elementos aristotélicos.

ha jugado un papel determinante en varias fases deldesarrollo de la Química. De hecho fue, comoveremos, en manos de Lavoisier, fundamental en elnacimiento de la Química Moderna.

Del innumerable conjunto de alquimistas, entre losque había amantes del conocimiento, charlatanes, filó-sofos, técnologos y tantos otros oficios, cabe señalarpor lo que se creen son sus contribuciones directas oindirectas al progreso de El Arte a: Jabir, (siglo VIII oIX) autor (¿) de los sesenta libros clasificando las sus-tancias en espíritus, metales y cuerpos, de clarainfluencia aristotélica. Rhazes, (Persia, 900 dc), queagrupaba las sustancias en: Minerales (espíritus,cuerpos —metales—, piedras, vitriolos, borax ysales), vegetales, animales y derivados. Avizena,médico y alquimista, escéptico en cuanto a la transmu-tación. Geber, traductor de Jabir al latín y descriptor delo que era la Alquimia hacia 1300 dc. Así como a unaserie de filósofos, no necesariamente todos alqui-mistas, pero que se ocuparon del tema en su lado algomás teórico, como Alberto de Bollstadt, (~1200)llamado el magno, que introdujo el término de afi-nidad en relación con que unas sustancias reaccio-

naban de manera diferente según frente a cuales seenfrentaran, Bacon de Verulamio, (~1250) pionero enel uso de la experimentación y en el de aplicar lasmatemáticas a las medidas y estudioso de la pólvora enoccidente; como es sabido, en China se desarrolló algoantes. Raimon Lull (~1275) decidido partidario de latransmutación, y la piedra filosofal y Arnaldo deVilanova (~1300) otro importante alquimista,conocido también como falso Geber.

La utilización del alambique permitió, entre otrascosas, obtener el alcohol (aqua ardens —aguardiente—, inflamable y, conocido en usos medici-nales, como aqua vita). De ahí que hacia 1600 ya seconocían el coñac, el güisqui y por supuesto lacerveza. Tadeo de Florencia fue el autor de lo que


Figura 7. Diferentes tipos de alambique.

Figura 8. Los modernos “alambiques” son más espectacularesque los iniciales, pero funcionan de la misma manera.

podemos considerar como el primer libro de ingenieríaquímica, The vitribus aqua vitae, un tratado sobre laconstrucción de alambiques. Al desarrollo y uso deeste instrumento contribuyó en gran medida tambiénHieronymus Brunschwygk (1452-1512) que extrajogran cantidad de esencias, concentrados separados delas plantas lo que permitía su conservación y mayoraccesibilidad. Algunas de las primeras especies quí-micas aplicadas fueron el vitriolo, FeSO4. 7H2O, delque se obtenía el aceite de vitriolo (ácido sulfúricoacuoso, como lo denominamos hoy). El aceite devitriolo atacaba a la sal de piedra (nitrato potásico,KNO3) y ello daba aqua fortis, ácido nítrico, mientrasque si a la mezcla inicial se le añadía sal gema, (salcomún, NaCl ), se obtenía un ácido muy fuerte, capazde disolver el oro, el aqua regia. El componente que enesta acompaña al ácido nítrico, el ácido muriático(ácido clorhídrico, HCl en agua), tuvo que esperarhasta ~1600 para ser descubierto. Aunque estas sontodavía especies químicas cuasi-naturales, la Químicaya se iba perfilando como una sucesión razonada decadenas de reacciones, lo que constituye una de suscaracterísticas específicas y más interesantes. Perotambién se veía que el lenguaje común no era particu-larmente útil para describir los procesos químicos —todavía alquímicos en aquel momento—. Senecesitaba un lenguaje específico al que anteshacíamos referencia. Pero también se veía que laAlquimia podía ser una fuente de riqueza, y por endede poder, por lo que a menudo los alquimistas eranperseguidos por los poderosos o sus inquisidores, tra-tados de brujos, y a menudo quemados. Pero no solosus protagonistas. También las fuentes de informaciónde la Alquimia y ella misma fueron anatematizados porel poder y esa es la razón de que escaseen las fuentesde información antiguas y de que las que han llegadohasta nosotros sean versiones incompletas, muchasveces a través del árabe, de textos griegos o persas.Así, el papa Juan XXII prohibió y ordenó quemartodos los libros de Alquimia repitiendo una operaciónsimilar muy anterior del emperador Diocleciano quetemía el poder de los maestros del Arte si efectiva-mente conseguía la transmutación.

En el siglo XVII, destaca el desarrollo de laQuímica Pneumática. Van Helmolnt obtiene el gas demadera, CO2 e inventa el término gas, del latín chaosconfusión, desorden, y este del griego χαοζ, estado deconfusión en que estaban las cosas antes de que los

dioses las colocaran en el universo ordenado. Elestado gaseoso tiene ahora un papel estelar y se estudiala influencia de la presión en los gases y, tras inventarla bomba de vacío, von Gericke realiza, en 1660, elcélebre experimento de las esferas de Magdeburgo enel que dos hemisferios metálicos unidos y con suinterior evacuado resisten la tensión de dos tiros deocho caballos a cada lado. De ahí procede, por cierto,la contundente y manida frase de que “la Naturalezatiene horror al vacío”. Torricelli inventa el barómetro yRobert Boyle la ley que lleva su nombre y que rela-ciona volumen y presión en los gases. Como quieraque poco después Mariotte incluyera la temperatura enel proceso, la ley se conoce, sobre todo en Francia,como Ley de Boyle-Mariotte

PxV = f(T) [8]

Pero a nuestros efectos, Boyle es sobre todo impor-tante por un no menos importante libro, “The scepticalchimist”, el químico escéptico, en el que ha desapa-recido el artículo Al de Alquimia, y con él muchas mascosas, pues Boyle es un convencido de la experimen-tación rigurosa. En ese texto, además se recogen losconocimientos sobre los elementos que para entoncesse poseen y que son todos metálicos y por tanto mine-rales: Oro, plata, cobre, hierro, estaño, plomo, mer-curio, arsénico, bismuto y cinc. Mientras que el otroelemento conocido era el fósforo, aislado en la orina.

La Química pneumática da mucho más de si y, aso-ciados al estudio de los gases, en esa época figuranmuchos nombres ilustres: Black, Bergman, Priestley yCavendish que estudian el aire fijo —el gas de vanHelmolnt; Cavendish, además, se ilustra descubriendoel hidrógeno —aire inflamable— con la reacción dediferentes ácidos y diversos metales, ecuación [1]. Y,mas importante todavía, el propio Cavendish, que danombre a uno de los más célebres laboratorios deFísica, el de la Universidad de Cambridge en el ReinoUnido, descubre que la reacción del aire inflamablecon aire deflogisticado daba, con una chispa, agua, o,en román paladino: hidrógeno más oxígeno igual aagua. Esta reacción será también importante en eltrabajo de Lavoisier que la estudia después de maneracuantitativa y es una de las que le lleva a enunciar elPrincipio de Conservación de la Masa en las reac-ciones químicas: “Nada se crea, nada se destruye,todo se transforma” es una de la maneras comunes de


enunciarlo, y, hasta el descubrimiento de la radioacti-vidad, y fuera de ella, sigue siendo válido. Scheeledescubrió el oxígeno (“aire-fuego”) pero no interpretóadecuadamente este hecho por su creencia en la“Teoría del flogisto, supuesto componente de loscuerpos que se perdía en la oxidación.

Metal–Flogisto = Cal [9]

y se ganaba en la reducción, teoría que fue muyapoyada por muchos químicos bajo la influencia deStahl, químico alemán de principios del XVIII.Precisamente lo que ocurre es, como se sabe, lo con-trario: los metales al oxidarse ganan peso, no pierdenflogisto, ¡ni otra cosa!; por el contrario, cuando se des-compone una cal —un óxido— sí que se pierde peso,el del oxígeno que contiene. Bueno, pues, esto queparece —¡ y es!— tan sencillo, y que como demostróLavoisier no requiere mas que de una balanza acep-table para comparar masas, tardó en aceptarse por lacomunidad científica mas de cien años. Y en elloinfluyó sobremanera la “autoridad”, más adminis-trativa y aun política que científica, de algunos pode-rosos caciques de la historia de la Química.

Y en esto llegó Lavoisier... No es este el lugar dehacer una biografía ya fuera sinóptica del que se puedeconsiderar fundador de la Química tal y como hoy laconocemos. Claro está que su labor se apoyó, como lade cualquier científico en la de los que le antecedieron.Ello no obstante, Lavoisier se distinguió por un finainteligencia, gran capacidad de observación e interpre-tación de los resultados y, así mismo muy importante,por ser hombre de gran empuje y un punto ambicioso.Obviamente, con ese bagaje y un poco de suerte,parecía destinado a hacer alguna tarea de la magnitud

que constituyó la revolución química que mencioná-bamos al principio.

Entre los descubrimientos o confirmación cuanti-tativa de los descubrimientos anteriores, que podemosacreditar a Lavoisier, podemos citar:

<<El agua no se hace sólida en la cocción, con loque no gana ni pierde peso, cualquier sólido que asíapareciera era debido al lento ataque del vidrio de losaparatos de destilación>>

<<El diamante es carbono y da aire fijo en la com-bustión al aire. No se quema en vacío>>

<<El azufre gana peso al reaccionar con el aire y deuna libra de azufre se consigue bastante más de unalibra de vitriolo teniendo en cuenta la humedad delaire>>

Efectuando su síntesis directa, esto es a partir de loselementos y su descomposición, Figura 9, Lavoisiertambién se percata de que el agua no es un elemento y,junto con Laplace, desarrolla un calorímetro de hieloque le permite hacer estudios cuantitativos de caloresde reacción.

Pero son, quizá, sobre todo, los experimentos con elóxido de mercurio, Figura 10, los que además de lle-varle a “descubrir (?)” el aire eminentemente respi-rable — o sea el oxígeno, le permiten hacer estudioscuantitativos, del tipo de los recogidos en la ecuación[7].


Figura 9. Aparato utilizado por Lavoisier en descomposicióndel agua. El dibujo es de Madame Lavoisier, como todos losque aparecen en el Tratado.

Figura 10. Aparato utilizado por Lavoisier en la oxidación delmercurio y la descomposición de su óxido “Hg+O=HgO” y“HgO=Hg+O” respectivamente. Este proceso, que esreversible, se refleja adecuadamente con la ecuación [7].

Además de todas estas, y algunas otras contribu-ciones, Lavoisier escribe un libro fundamental, el“Traité Élémentaire de Chimie présenté dans un ordrenouveau et d’apres les decouvertes modernes”, ilus-trado por su mujer, Marie-Anne-Pierrette Paulze, hijadel Fermier General, Intendente General de Tasas, alque sucedería el propio Lavoisier. Esto le proporcionópingües ingresos pero fue así mismo una de las princi-pales causas de su ejecución por los revolucionarios.De este importante libro se pueden sacar aun intere-santes enseñanzas, especialmente los científicos neó-fitos, y no solo los químicos. Prueba de ello los dosextractos siguientes del prólogo a la primera edición,París 1789,

“Únicamente debemos tener en cuenta los hechos.Constituyen lo que la Naturaleza nos muestra y nopueden engañarnos. En cada momento debemossometer nuestro razonamiento a la prueba de la expe-rimentación y buscar la verdad por la vía natural deexperiencia y observación”

“No podemos estar seguros de que lo que hoy con-sideramos simple lo es realmente. Todo lo quepodemos decir es que tal sustancia constituye el límiteactual alcanzado por el análisis químico y que en elestado presente de nuestros conocimientos no se puedesubdividir”

Afirmaciones, sobre todo la primera, plenamentevigentes hoy y que lo serán siempre, pero que no erande general aceptación a finales del XVIII.

Tras el formidable impulso de Lavoisier, laQuímica comienza a desarrollarse de manera impa-rable y un sinfín de nombres ilustres se suceden en losdoscientos años que han pasado desde el asesinato delfundador de nuestra ciencia: Avogadro, Ampere,Faraday, Volta, Berzelius, Whöler, Kekulé, Mende-lejeev, Pauling, …y muchos más que han constituidoun edificio sólido con base tanto experimental comoteórica, cual es la Química actual.

LOS OFICIOS DE LA QUÍMICA

Tradicionalmente, los químicos se han dedicado ados actividades principales: Análisis y Síntesis. Estoes, saber de qué están hechas las sustancias y como se

pueden fabricar. Aun hoy estas son actividades primor-diales de los químicos, no solo esas, pero sobre todoesas. Pero ahora se desarrollan con métodos y técnicasmucho más elaboradas que la tradicional bureta o elmatraz de reflujo.

El análisis químico, cumpliendo su misión básica, ala que hace un momento aludíamos, se ha convertido,además en una de las más sofisticadas herramientas dedefensa del hombre y del medio ambiente y haalcanzado límites de análisis que permiten la posibi-lidad de detectar una molécula entre mil millones deotras, lo que se dice, efectivamente, encontrar unaaguja en un pajar. Pero además, los métodos de aná-lisis permiten diferenciar moléculas tan parecidascomo un objeto y su imagen especular, lo que los quí-micos llamamos especies quirales, del griego χειρ,mano. El que haya moléculas así, esto es, con esa sutildiferencia, no es capricho o casualidad natural, las dosmoléculas quirales tienen propiedades diferentes: Asípor ejemplo, el olor a limón lo produce una molécula,el s-(-) limoneno, de fórmula C10H16, cuyo nombrecientífico es, 4-isopropenil-1-metilciclohexeno, Figura11a , mientras que su imagen especular, Figura 11b,con la misma fórmula empírica, C10H16, da lugar alolor a naranja. Cabría así suponer, que el olor apomelo, que nace en una planta tan parecida al limón oal naranjo que con un adecuado injerto se pueden tenerlas tres frutas en el mismo árbol, debiera su olor a unamolécula parecida al limoneno. Pues, ¡ni muchomenos! El olor a pomelo procede de la nootkatona, que


Figura 11. Estructuras moleculares quirales: a) d-limoneno; b)l-limoneno; c) +nootkatona; d) -nootkatona.

no es nada parecida al limoneno y de la que tambiénexisten dos formas quirales, Figura 11 c y d, de las queuna, la (+) da un olor mil veces más intenso que la otrala (-). Con ser interesante, e incluso importante, estasutileza muy común en la Naturaleza, (por eso los quí-micos afirman que “la Naturaleza es quiral”), la qui-ralidad, va mucho más lejos y, a veces, tiene

consecuencias tremendas. Así por ejemplo, en el casode la molécula quiral talidomida, una de las dos formasservía para aliviar los trastornos a menudo observadosy padecidos en los inicios del embarazo, mareos etc.,mientras que la otra producía deformaciones conside-rables en el feto. En los años sesenta del pasado siglo,dicha molécula se comercializo como mezcla deambos isómeros sin saber este problema, por lo que seprodujeron muchísimos alumbramientos de niños connotables deformidades. Claramente, antes de lanzar almercado una molécula de estas características es nece-sario hacer análisis de este tipo. Dado el desarrollo aque antes aludíamos de los métodos de análisis, es másdifícil ahora que un hecho así se repita. Difícil, pero noimposible, claro. Siempre hay un riesgo al comenzar lautilización generalizada de un nuevo fármaco, perodicho riesgo es, debido al continuo progreso científico,cada vez más pequeño.

Las moléculas que acabamos de citar son, en rea-lidad, relativamente pequeñas, por ejemplo, ellimoneno tiene veintiséis átomos solamente. La natu-raleza está llena, sin embargo de moléculas enormesmil veces mayores que esas. A pesar de que, obvia-mente al aumentar el tamaño, aumenta, y no de manera


Figura 12. Vista general del “polígono científico de la ciudadde Grenoble (Francia). El anillo blanco encierra el sincrotróneuropeo ESRF mientras que el depósito metálico a su derechalo ocupa el Laboratorio de neutrones ILL.

Figura 13. Algunas de las moléculas sintetizadas por Woodward.

lineal, la complejidad del análisis, los químicos, comoDorotthy Hodking han podido determinar la estructurade la vitamina-d, la penicilina, la vitamina B12, lainsulina,…y tantas y tantas otras. Para ello, la herra-mienta tradicional ha sido la difracción de rayos X demonocristales. Sin embargo, con el desarrollo de lastécnicas de Sincrotrón, Figura 12, es posible hacer esosanálisis de cantidades extremadamente pequeñas desustancia, lo que se denomina un polvo microcris-talino. Hay, no obstante muchas más técnicas experi-mentales, desde la difracción de electrones y lamicroscopía electrónica a las espectroscopías, IR, UV,RMN, etc., la panoplia de instrumental científico nodeja de crecer y, con ello, el análisis químico no dejade progresar.

Pero la otra actividad clásica de la Química, la sín-tesis, también goza de excelente salud, y recordando el

dicho bíblico de los frutos, la verdad es que los de laQuímica son espectaculares. Existen ahora en elmundo muchas más especies químicas nuevas, artifi-ciales, que especies químicas, naturales había en latierra hace un millón de años. Y esa característica de laQuímica es esencialmente beneficiosa.

De los elementales procesos que se recogían en losmanuales escolares de principios del siglo XX, en rea-lidad casi hasta su mitad, tal y como:

ácido más base = sal más agua

O, en su versión orgánica:

ácido más alcohol = ester más agua;

así como esta otra,

ácido más metal = sal más hidrógeno,


Figura 14. Algunos ejemplos de moléculas recientemente sintetizadas (entre paréntesis el nombre del responsable del equipo inves-tigador).

ha sucedido una plétora de procedimientos que amenudo permiten una síntesis a medida. Por ello lasíntesis en general, pero la síntesis orgánica en parti-cular, han alcanzado niveles sorprendentes y, los quí-micos de síntesis no cejan en la búsqueda de nuevasmoléculas o en su fabricación por métodos más sen-cillos y más económicos. Dentro de este campo seacostumbra a decir que la síntesis es tanto una ciencia,una parte de la ciencia, como un arte. De ello es reve-lador el que el Premio Nobel de Química de 1965fuese otorgado a Woodward, “por sus logros en el artede la síntesis orgánica”. Y, efectivamente, arte yciencia se dieron la mano para conseguir sintetizarespecies químicas tan importantes y complejas comola vitamina B12, la estricnina, o la clorofila-a, Figura13. Sin embargo, lejos de periclitar tras tales éxitos delos años 50 y 60, la síntesis de moléculas ha conti-nuado progresando y en manos de celebridades talescomo Olah, Nicolaou, Elías Corey o Kishi entre losorgánicos, Figura 14, junto con Kroto, Smalley e Ijimaen fullerenos y nanotubos o Lehn , Pedersen o Breslowentre los más destacados de la química supramole-cular, el progreso realizado ha sido asombroso, comoasombroso ha sido el avance en la Ciencia deMateriales.

Al comenzar el siglo XXI, pues, la Química tieneuna enorme vitalidad y si bien, como decíamos al prin-cipio, existen algunos, ciertamente importantes, pro-blemas en el planeta relacionados con la Química, esarelación no es debida sino a una mala utilización de la

enorme cantidad de conocimientos que los químicoshan acumulado a lo largo de la historia y, en particularen los últimos doscientos años. A este respecto, cabeseñalar que el diagnóstico de los orígenes de esos treso cuatro problemas medioambientales que son la con-taminación ambiental, el agujero de ozono, la lluviaácida o el calentamiento global que modifica el efectoinvernadero, están ahora al alcance de los conoci-mientos de un buen estudiante de postgrado universi-tario en Ciencias Químicas. A pesar de ello, sin lavoluntad política ni la voluntad económica de resol-verlos pueden dar aun grandes quebraderos de cabezaa los habitantes de la Tierra. No será ello, sin embargo,culpa de la Ciencia Química sino de los que, conafanes tan ilícitos como inconfesables, no la usan enlas condiciones adecuadas.

BIBLIOGRAFÍA

1. J. Inde: The development of Modern Chemistry;Dover Publications, Nueva York 1984.

2. S.F. Manson: Chemical Evolution, OxfordUniversity Press, Oxford, 1991.

3. W. H. Brock: The Fontana History of Chemistry,Fontana Press, Londres, 1992.

4. The age of the molecule: Editado por la RoyalSociety of Chemistry, Londres, 1999.

5. Nina Hall, Editora: The new Chemistry, CambridgeUniversity Press, Cambridge, 2000.


la quÍmica de nuestro tiempo - rac.es

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