1. EL NACIMIENTO DE LA QUÍMICA EN LA PREHISTORIA

Desde sus orígenes, el hombre fue adquiriendo los conocimientos necesarios para fabricar productos que hoy usamos, sin siquiera pensar de donde salieron.

El hombre primitivo fue explorador de su territorio, tocaba y apreciaba la textura de cada cosa, las olía y producía ruido sobre ellas. El hombre cavernícola cazaba su presa y comía la carne cruda, no le quedaba otra alternativa. Pero a medida que formaba comunidades, comenzó a sacar provecho de las propiedades de cada cosa, descubrió la manera en que podía utilizarlas mejor. Aprendió que la leña al quemarse producía calor; que al beber agua saciaba su sed.

La primera reacción química de importancia que controlaron los humanos fue el fuego. Hay restos datados hace alrededor de 500 000 años que atestiguan el dominio del fuego, al menos desde los tiempos del Homo erectus. Este logro se considera una de las tecnologías más importantes de la historia. No solo proporcionaba calor y luz para alumbrarse, o servía para despejar los bosques o de protección contra los animales salvajes, sino que fue la base para el control de otras reacciones químicas, como las derivadas de la cocción de los alimentos (que facilitaron su digestión y disminuían la cantidad de microorganismos patógenos en ellos). Aunque el fuego fuera la primera reacción química usada de manera controlada, las culturas antiguas desconocían su origen. Durante milenios se consideró una fuerza misteriosa y mística capaz de transformar unas sustancias en otras produciendo luz y calor.

En el pasado, los materiales que se usaron en las diferentes actividades humanas, han servido hoy para establecer ciertos periodos en la historia del hombre. Así la Edad de Piedra corresponde a la etapa anterior al uso de los metales, y los periodos que siguen, la Edad del Bronce y la Edad del hierro, comprenden la etapa en la que el hombre aprendió a extraer el cobre y el hierro de sus minerales.

Un Buen día, alguien arrojó al cobre caliente y fundido un misterioso polvo de color gris, y entonces surgió un metal más resistente: El Bronce. También de manera fortuita, algún otro, al calentar ciertas piedras rojizas sobre carbón de leña, logró obtener un nuevo metal: el Hierro. Los guerreros utilizaron el hierro para fabricar sus armas; sin embargo, la historia nos informa que el agresor, después de asestar sobre su enemigo un golpe rudo, tenía que enderezar la espada. El Problema del metal quedó resuelto cuando descubrieron nuevas aleaciones como el acero.

La química más antigua que conocemos es la metalurgia, el arte de tratar los metales, un conocimiento que mezcla la magia, la mística y la técnica de los pueblos antiguos. Al igual que se desconocían las causas del resto de transformaciones químicas, como las relacionadas con la metalurgia, aunque se dominaran sus técnicas.

ORÍGENES DE LA METALURGIA

El primer metal empleado por los humanos fue el oro que puede encontrarse en forma nativa, por lo que no necesita transformaciones químicas. La plata y el cobre también se pueden encontrar en forma nativa en pequeñas cantidades (además del estaño y el hierro meteórico que aparecen en cantidades exiguas) permitiendo un uso limitado de objetos metalísticos en las culturas antiguas. Las técnicas de esta metalurgia inicial se limitaban a fundir los metales con la ayuda del fuego para purificarlos y dar forma a los adornos o herramientas mediante moldes o cincelado. Pero los metales nativos son escasos y el uso de objetos metálicos no se generalizó hasta que se aprendió a extraer los metales a partir de sus minerales.

Algunos metales pueden obtenerse de sus menas simplemente calentando los minerales en una pira, principalmente el estaño y el plomo, y a mayores temperaturas, en un horno, el cobre; en un proceso de reducción conocido como fundición. Las primeras pruebas de extracción metalúrgica proceden del yacimiento de Çatalhöyük en Anatolia (Turquía), alrededor 6400 a. C., y los yacimientos arqueológicos de Majdanpek, Yarmovac y Plocnik, los tres en Serbia, datados en los milenios V y VI a. C. Al principio los metales se usaban por separado o mezclados tal como se encontraban. Al mezclarse el cobre con estaño o arsénico intencionadamente se consiguieron metales de mejores cualidades, las aleaciones denominadas bronces. Con este avance tecnológico surgió la Edad del Bronce. La tecnología relacionada con el bronce fue desarrollada en el

Oriente Próximo a finales del IV milenio a. C., fechándose en Asia Menor antes del 3000 a. C. La disponibilidad de herramientas y armas fabricadas con un metal más duro y resistente permitió el desarrollo de la agricultura y los grandes ejércitos, y se fomentaron las rutas comerciales para el intercambio tanto de los minerales escasos como de productos terminados. A partir de la Edad del Bronce los pueblos que consiguieron armas de aleaciones y metales más duros se impusieron a sus vecinos.

La extracción del hierro de sus menas es mucho más difícil que la del cobre y el estaño, ya que requiere un proceso de fundición más complejo, que necesita carbón (una fuente de CO) como agente reductor y mayores temperaturas, pero a cambio se consigue un metal más duro y tenaz que el bronce y mucho más abundante. Existen restos arqueológicos con herramientas fabricadas con hierro sin níquel (prueba de que no es de origen meteórico) en Anatolia alrededor del 1800 a. C., pero también se han encontrado herramientas del periodo comprendido entre el 1800 a. C. y 1200 a. C. en el valle del Ganges en la India, y en yacimientos en África datados alrededor de 1200 a. C.

La cerámica

Los orígenes de la cerámica datan del Neolítico cuando el hombre descubrió que los recipientes hechos de arcilla, cambiaban sus características mecánicas e incrementaban su resistencia frente al agua si eran calentados en el fuego. Para controlar mejor el proceso se desarrollaron diferentes tipos de hornos, y cada cultura desarrolló sus propias técnicas y formas.

En Egipto se descubrió que recubriendo la superficie con mezclas de determinados minerales (sobre todo mezclas basadas en el feldespato y la galena) la cerámica se cubría con una capa muy dura, menos porosa y brillante, el esmalte, cuyo color se podía cambiar añadiendo pequeñas cantidades de otros minerales o variando las condiciones de aireación del horno. Estas tecnologías se difundieron rápidamente. En China se perfeccionaron las tecnologías de fabricación de las cerámicas hasta dar con la porcelana en el siglo VII.

Transformaciones orgánicas de la Antigüedad

Las sociedades antiguas usaban un reducido número de transformaciones químicas naturales como las fermentaciones del vino, la cerveza o la leche. También conocían la transformación del alcohol en vinagre, que usaban como conservante y condimento. Las pieles se curtían y blanqueaban sumergiéndolas en orina añeja o soluciones de palomina, gracias a que contienen urea y ácido úrico, respectivamente; la primera se transforma en amoniaco cuando se almacena largo tiempo, y también se usaba su capacidad blanqueadora con las manchas persistentes de los tejidos. Además tenían conocimiento del proceso de saponificación; los primeros registros de fabricación de jabones datan de Babilonia alrededor del 2800 a. C.

2. QUÍMICA: TEORÍAS FILOSÓFICAS DE LA ANTIGÜEDAD CLÁSICA

Los filósofos intentaron racionalizar por qué las diferentes sustancias tenían diferentes propiedades (color, dureza, olor...), estaban en diferentes estados (gases, líquidos y sólidos) y reaccionaban de diferente manera ante los cambios del medio, por ejemplo frente al agua, el fuego o al ponerse en contacto con otras sustancias. Estas observaciones les impulsaron a postular las primeras teorías sobre la química y la naturaleza de la materia. Estas teorías filosóficas relativas a la química pueden encontrarse en todas las civilizaciones antiguas. Un aspecto común de todas ellas era el intento de encontrar un número reducido de elementos primarios que se combinarían entre sí para formar todas las demás sustancias de la naturaleza. Solían tratarse de sustancias conocidas como el agua, la tierra, la madera o el aire/viento, y formas de energía como el fuego o la luz, además de conceptos abstractos como el éter o el cielo.

LA ALQUIMIA

La alquimia (del árabe الخيمياء [al-khīmiyā]) es una antigua práctica protocientífica y una disciplina filosófica que combinaba elementos de la química, la metalurgia, la física y la medicina con la astrología, la semiología, el misticismo y el espiritualismo. La alquimia fue practicada en Mesopotamia, el Antiguo Egipto, Persia, la Antigua Grecia, el imperio romano, los califatos islámicos medievales y en la India, China y Europa hasta el siglo XVIII, por una compleja diversidad de escuelas y sistemas filosóficos que abarcaron al menos 2.500 años.

El sistema de elementos que usó la alquimia medieval fue desarrollado principalmente por el alquimista persa Jābir ibn Hayyān y se enraizaba en la tradición de los elementos griegos de la antigüedad clásica. Su sistema constaba de los cuatro elementos de Empédocles y Aristóteles: aire, tierra, fuego y agua a los que se añadían dos elementos filosóficos: el azufre, caracterizado por el principio de combustibilidad, «la piedra que arde»; y el mercurio que representaba las propiedades metálicas. Estos últimos eran considerados por los primeros alquimistas como expresiones idealizadas de los componentes irreductibles del universo, y fueron la principal contribución de la alquimia filosófica. En la Edad Media en Occidente existía tradicionalmente una relación entre la alquimia y la astrología de estilo greco-babilónico. En esa época se conocían siete metales (que salvo el mercurio no se consideraban elementos) y también se conocían siete astros en torno a la Tierra (puesto que imperaba el geocentrismo), por lo que se relacionaba cada metal y sus propiedades con un astro. Posteriormente el alquimista suizo Paracelso influido por la alquimia musulmana amplió también a siete los elementos en su lista alternativa, añadiendo a los cuatro tradicionales tres elementos alquímicos adicionales, denominados tría prima, tres principios metálicos para representar las propiedades de la materia: el azufre para la combustibilidad, el mercurio para la volatilidad y la estabilidad, y la sal para la solidez. Razonaba que los cuatro elementos de la teoría elemental aristotélica se manifestaban en los cuerpos como tres principios, denominados por Paracelso como Principios Fundamentales.

La Piedra Filosofal y el exoterismo

La alquimia se define como la búsqueda hermética de la piedra filosofal (una sustancia legendaria capaz de transmutar los metales en oro o de otorgar la inmortalidad y la omnisciencia), cuyo estudio estaba impregnado de misticismo simbólico y era muy diferente de la ciencia moderna. Los alquimistas trabajaban para hacer transformaciones a nivel esotérico (espiritual) y exotérico (práctico). Estos aspectos exotéricos protocientíficos de la alquimia fueron los que contribuyeron a la evolución de la química en el Egipto greco-romano, la Edad de Oro del islam y después en Europa. La alquimia y la química comparten su interés por la composición y las propiedades de la materia, y con anterioridad al siglo XVIII no había distinción entre ambas disciplinas. La alquimia aportó a la química la invención y desarrollo de gran parte del instrumental de laboratorio. Los primeros alquimistas occidentales, que vivieron en los primeros siglos de nuestra era, ya inventaron algunos equipamientos y procesos usados posteriormente por la química. El baño maría, o baño de agua para calentar controladamente, lleva el nombre de María la Judía considerada una de las fundadoras de la alquimia. En sus obras también aparecen las primeras descripciones del tribikos (un tipo de alambique de tres brazos) y del kerotakis (un dispositivo para recoger vapores). Cleopatra la Alquimista describió los métodos de fundición y destilación de la época, algunos le atribuyen la invención del primer alambique. En su búsqueda de la piedra filosofal los alquimistas descubrieron y aprendieron a purificar muchas

sustancias químicas como el alcohol, el amoníaco, la sosa cáustica, el vitriolo, el ácido muriático (clorhídrico), el ácido nítrico, el ácido cítrico, el ácido acético, el ácido fórmico, el arsénico, el antimonio, el bismuto y el fósforo, entre otras.

Desde el punto de vista moderno la alquimia presentaba varios problemas. En primer lugar su objetivo no era la ampliación del conocimiento de un modo racionalista como actualmente entendemos una ciencia, sino que su fin era encontrar materias míticas como la piedra filosofal, y los descubrimientos experimentales se producían de forma colateral. Además carecía de un sistema para nombrar los nuevos compuestos que se descubrían, y su lenguaje era esotérico y vago hasta el punto que sus términos significaban cosas diferentes para distintas personas. La alquimia tampoco disponía de un método científico lógico y consensuado para hacer los experimentos reproducibles. De hecho muchos alquimistas incluían entre las anotaciones de sus métodos información irrelevante como los niveles de la marea o las fases de la Luna. La naturaleza esotérica y el vocabulario codificado de la alquimia al parecer servían sobre todo para ocultar que en realidad no tenían demasiadas certezas. Ya en el siglo XIV se evidenciaban las grietas en la fachada de la alquimia, y mucha gente se mostraba escéptica. Para haber avanzado habría necesitado un método normalizado que permitiera a otros reproducir los experimentos, y haberlos registrado de un modo claro que permitiera exponer lo que se sabía y lo que se desconocía.

3. EL RENACIMIENTO: LOS INICIOS DE LA QUÍMICA

Los intentos prácticos de mejorar el refinado de las menas minerales y la extracción de los metales a partir de ellas fue una importante fuente de información para los químicos del siglo XVI. Entre ellos destaca Georgius Agricola (1494-1555), que publicó la gran obra De re metallica (Sobre los metales) en 1556. En su obra se describen los procesos de la época en minería, extracción de los metales y metalurgia, ya muy complejos y desarrollados. Por ejemplo la obra describe la diversidad de tipos de altos hornos usados para la fundición de las menas minerales. Aborda el tema eliminando el misticismo que tenía asociado anteriormente, creando una base práctica que otros pudieran desarrollar, y estimuló el interés por los minerales y su composición. En 1605, Francis Bacon publicó The Proficience and Advancement of Learning (La capacidad y progreso del aprendizaje), una obra científico-filosófica que contiene una descripción de cómo debería ser la práctica experimental que posteriormente se conocería como el método científico.45 En 1605 Michal Sedziwój publicó el tratado alquímico Novum Lumen Chymicum (La nueva luz de la química), que propone por primera vez la existencia en el aire de un «alimento para la vida», que posteriormente se reconocerá como el oxígeno. En 1615 Jean Beguin publicó Tyrocinium Chymicum (La práctica de la química), el primer libro de texto de química, donde aparece la primera ecuación química.46 En 1637 René Descartes publicó Discours de la méthode (El discurso del método), un ensayo que basa la investigación científica en los cálculos matemáticos y la desconfianza en los hechos no probados.

La obra del químico holandés Jan Baptist van Helmont, Ortus medicinae (El origen de la medicina) publicada póstumamente en 1648, se considera la principal obra de transición entre la alquimia y la química. El libro contiene el resultado de numerosos experimentos y enuncia una versión inicial de la ley de conservación de la masa. Indicó que existían otras materias «insustanciales» además del aire, y acuñó para ellas el nombre de «gas» (del griego cáos).

Robert Boyle

Se considera que el químico inglés Robert Boyle (1627-1691) apartó definitivamente a la química de la alquimia al mejorar su método experimental. Aunque su investigación tiene sus raíces claramente en la tradición alquímica, actualmente se reconoce a Boyle como el primer químico moderno, y por ello uno de los fundadores de la química moderna, y uno de los pioneros del método científico experimental moderno. Se reconoce como un hito científico la publicación de la obra de Boyle The Sceptical Chymist: or Chymico-Physical Doubts & Paradoxes (El químico escéptico: o las dudas y paradojas quimio-físicas) en 1661, que se considera un pilar fundamental del campo de la química. En la obra Boyle presenta su hipótesis de que todos los fenómenos son el resultado de la colisión de las partículas en movimiento.

También declaró que la química debería dejar de estar subordinada a la medicina o la alquimia y debería alzarse al estatus de ciencia por sí misma. Destaca su defensa de la experimentación científica rigurosa. Boyle creía que todas las teorías deberían probarse experimentalmente antes de ser consideradas ciertas. Su obra además contiene algunas de las primeras ideas modernas sobre átomos, moléculas y reacciones químicas, por lo que marcó el inicio de la historia de la química moderna.

Boyle también trató de purificar las sustancias químicas para obtener reacciones reproducibles. Fue un defensor de la filosofía mecánica propuesta por René Descartes para explicar y cuantificar las propiedades e interacciones de las sustancias químicas. Boyle era un atomista, pero prefería la palabra corpúsculo a átomo. Puntualizó que la división más pequeña de la materia a la que se mantenían las propiedades era a nivel de los corpúsculos.

4. TEORÍA DEL FLOGISTO

A finales del siglo XVII y principios de XVIII se propuso la teoría del flogisto para intentar explicar los procesos de combustión y oxido-reducción mediante la pérdida o transferencia, respectivamente, de un supuesto fluido denominado flogisto.53 La teoría fue propuesta inicialmente por Johann Becher y desarrollada por Georg Stahl, ambos químicos alemanes. Becher postuló otra reforma de la teoría de los cuatro elementos en la que solo la tierra y el agua serían componentes de las materias, en distintas proporciones, y el fuego y el aire serían meramente agentes de las transformaciones. A su vez existirían tres tipos distintos de tierras, cada una de ellas portadora de una propiedad: el aspecto vítreo, la fluidez o volatilidad, y el carácter inflamable. Para esta última Georg Stahl acuño el término flogisto en 1702. Toda sustancia susceptible de sufrir combustión contendría cierta cantidad de flogisto, y el proceso de combustión consistiría básicamente en la pérdida de dicha sustancia. Se conocía desde la antigüedad que algunas sales metálicas podían ser transformadas de nuevo en los metales de partida. Stahl explicó este proceso suponiendo que los metales estaban formados por una cal y un principio inflamable carente de masa, el flogisto, por lo que la calcinación, es decir, la formación de la cal, se podía explicar, al igual que la combustión, como un desprendimiento de flogisto, el cual se liberaba del metal y dejaba la cal al descubierto en las cenizas. El proceso inverso, la reducción de la cal al metal, podía ser igualmente explicado como una adición de flogisto. Joseph Priestley usó la teoría del flogisto en sus experimentos de química pneumática para explicar las transformaciones de los gases. Priestley denominó al residuo de aire que quedaba tras un proceso de combustión «aire flogistizado» (en realidad, una mezcla de nitrógeno y dióxido de carbono), pues pensaba que durante la combustión dicho aire había absorbido todo el flogisto que tenía capacidad de albergar, y por eso cesaba la combustión.

La teoría del flogisto fue popular durante el siglo XVIII hasta que Antoine Lavoisier la refutó en su obra Réflexions sur le phlogistique, pour servir de suite à la théorie de la combustion et de la calcination (Reflexiones sobre el flogisto, para formar parte de la teoría de la combustión y la calcinación) publicada en 1777. Según Stahl cualquier sólido liberaba flogisto bajo la acción del fuego, luego tras la combustión perdería masa o la mantendría (según el flogisto tuviera masa o no). Sin embargo, Lavoisier hizo experimentos calcinando metales y después de la calcinación en algunos el peso del residuo (los óxidos) era mayor que el cuerpo inicial. En estos casos el flogisto tendría un peso negativo, lo que resultaba absurdo, y demostraba la inconsistencia de la teoría del flogisto.

Antoine Lavoisier

Aunque la investigación química se puede remontar a la antigua Babilonia, Egipto, y especialmente a Persia y Arabia de la Edad de Oro del islam, la química floreció a partir de la época de Antoine Lavoisier, un químico francés reconocido como el «padre de la química moderna». En 1789 Lavoisier estableció formalmente la ley de conservación de la materia. Para demostrarla realizó múltiples experimentos. Demostró con medidas meticulosas que las transmutaciones no eran posibles, por ejemplo, no se transformaba el agua en tierra, sino que el sedimento que se observa al hervir agua procedía del contenedor; o que al quemar al aire fósforo y azufre, probó que aunque los productos pesaban más, el peso ganado procedía del aire. Repitiendo los experimentos de Priestley demostró que el aire estaba compuesto de dos partes (no era un elemento), y una de ellas se combinaba con los metales para formar las cales. Demostró que la parte del aire responsable de la combustión también era la fuente de la acidez en disoluciones. Al año siguiente nombró a esta parte oxígeno (del griego formador de ácidos), y a la otra azote (sin vida). Por ello se considera a Lavoisier el descubridor del oxígeno junto a Preistley y Scheele. La obra de Lavoisier Traité Élémentaire de Chimie (Tratado elemental de química, 1789) fue el primer libro de texto de la química moderna, y presentaba un punto de vista unificado de las nuevas teorías químicas, contenía una declaración clara de la ley de conservación de la masa, y negaba la existencia del flogisto. Además presentaba una lista de elementos, o sustancias que no podían descomponerse, que incluía al oxígeno, el nitrógeno, el hidrógeno, el fósforo, el mercurio, el zinc y el azufre. Sin embargo, en su lista también se incluía la luz y el calórico, que él creía que eran sustancias materiales.

5. SIGLO XIX: EL RESURGIMIENTO DE LA TEORÍA ATÓMICA

Tras haber estado aparcado el atomismo desde la antigüedad y únicamente esbozado en los modelos mecánicos corpusculares, la teoría atómica es retomada por John Dalton, quien postuló que los átomos eran partículas indivisibles que permanecen inalteradas en los compuestos, a partir de lo cual se pudieron establecer las leyes estequiométricas, base de la actual estequiometría.

A lo largo del siglo XIX la química estuvo dividida entre los seguidores y detractores de la teoría atómica de Dalton, como Wilhelm Ostwald y Ernst Mach. Los impulsores más decididos de la teoría atómica inicial fueron Amedeo Avogadro, Ludwig Boltzmann, entre otros, que consiguieron grandes avances en la comprensión del comportamiento de los gases. La disputa sobre la existencia de los átomos se zanjaría definitivamente con la explicación del efecto browniano por Albert Einstein en 1905 y los respectivos experimentos de Jean Perrin. Muchos fueron los investigadores que trabajaron bajo la hipótesis atómica. Svante Arrhenius intuyó en parte la estructura interna de los átomos proponiendo su teoría de la ionización en las disoluciones.

PRINCIPALES DESCUBRIMIENTOS DE LA EDAD MODERNA:

Jöns Jacob Berzelius: En 1828 recopiló una tabla de pesos atómicos relativos, donde al oxígeno se le asignaba el 100, y que incluía todos los elementos conocidos en la época, llegando a determinar el peso de un total de 43 elementos.

Humphry Davy: Fue un pionero en el campo de la electrólisis (que consiste en usar la electricidad en una la célula electrolítica donde se producen reacciones de oxido-reducción para separar los compuestos allí contenidos) para aislar varios elementos nuevos. Davy descompuso por electrolisis varias sales fundidas y consiguió descubrir el sodio y el potasio.

Joseph-Louis Gay-Lussac: En 1808 Gay-Lussac anunció lo que probablemente fue su mayor logro: a partir de experimentos propios y de otros dedujo que los gases a volumen fijo mantienen constante la relación entre su presión y la temperatura. Y que los volúmenes de los posibles productos de una reacción entre gases además están en proporción sencilla con los volúmenes de los reactivos. En otras palabras que los gases bajo las mismas condiciones de presión y temperatura reaccionan con otros en proporciones de volumen de números enteros y pequeños.

Amedeo Avogadro: En 1811 Presentó la hipótesis de que los volúmenes iguales de cualquier gas, a la misma temperatura y presión, contenían el mismo número de moléculas; por lo cual la relación entre los pesos moleculares de dos gases era la misma proporción que la que había entre sus densidades, en las mismas condiciones de presión y temperatura.

Kekulé y la estructura orgánica: En 1858, Kekulé explicó que los átomos de carbono tetravalentes (que pueden formar cuatro enlaces químicos) se unen unos a otros para formar cadenas, que denominó cadena de carbonos o carboesqueleto, y con el resto de valencias se pueden unir a otros tipos de átomos (como hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y cloro). Estaba convencido de que era posible encontrar esta estructura en todas las moléculas orgánicas, al menos en todas las conocidas en la época.

Dimitri Mendeleiev: En 1869, los científicos ya habían descubierto 66 elementos diferentes y habían determinado su masa atómica. Comprobaron que algunos elementos tenían propiedades químicas similares y hubo varios intentos de clasificarlos según algunas de ellas con más o menos acierto. Pero quien terminó dando sentido a una lista ordenada de los elementos conocidos (que nos ayudaría a entender la estructura interna de los átomos) fue Dmitri Ivanovich Mendeléiev al desarrollar la primera tabla periódica de los elementos moderna. Este químico ruso intuyó que había algún tipo de orden entre los elementos y pasó más de treinta años recolectando datos y dando forma al concepto, inicialmente con la intención de aclarar el desorden para sus alumnos. Mendeléiev acomodó los 66 elementos conocidos en ese momento en su tabla periódica por orden creciente de peso atómico, pero también atendiendo a sus propiedades, y acertó al dejar huecos en la tabla para elementos todavía no descubiertos.

Josiah Willard Gibbs: Durante el periodo de 1876 a 1878, Gibbs trabajó en los principios de la termodinámica, aplicándolos a los complejos procesos implicados en las reacciones químicas. Definió el concepto de potencial químico, o la tendencia de que una reacción química se produzca. En 1876, publicó, una recopilación de sus trabajos de termodinámica y química física en la que desarrolla el concepto de energía libre para explicar la base física del equilibrio

químico. Con las ecuaciones de la energía libre, Gibbs relaciona matemáticamente todas las variables involucradas en una reacción química (temperatura, presión, volumen, energía y entropía).

Marie y Pierre Curie: Pierre Curie y Marie Curie fue un matrimonio franco-polaco de científicos famoso por su investigación pionera en el campo de la radioactividad. Marie quedó fascinada con la obra de Becquerel, el físico francés que descubrió en 1896 que el uranio emitía rayos similares a los rayos X descubiertos por Wilhelm Röntgen. Marie Curie empezó a estudiar el uranio a finales de 1897 y teorizó, según un artículo suyo de 1904: «que la emisión de rayos de los compuestos de uranio es una propiedad del propio metal, que es una propiedad atómica del elemento uranio independiente de su estado químico o físico.» Al trabajar con la mena de uranio, denominada pechblenda (y hallando los elementos químicos radio y polonio en este proceso), Curie descubrió que las emisiones de rayos eran constantes, sin importar la forma o las condiciones en que se encontrara el uranio, por lo que supuso que se debían a la estructura atómica del elemento. Este descubrimiento supondría el inicio de la física atómica. Los Curie acuñaron el término radioactividad para describir el fenómeno.

Gilbert N. Lewis: El físico químico estadounidense Gilbert Newton Lewis inició la teoría del enlace de valencia. Esta teoría se basa en que los enlaces químicos dependen de la cantidad de electrones que tengan los átomos en su capa más externa, o capa de valencia. En 1916 propuso que un enlace químico se forma por la interacción conjunta de dos electrones compartidos. El modelo de Lewis identificaba el enlace químico clásico con la compartición de un par de electrones entre los dos átomos enlazados. Lewis introdujo en este artículo los «diagramas de electrones de puntos» para representar las estructuras electrónicas de los átomos y las moléculas que actualmente se conocen como estructuras de Lewis, que se usan prácticamente en todos los libros de texto de introducción a la química.

6. EL VITALISMO Y EL COMIENZO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA

Después de que se comprendieran los principios de la combustión otro debate de gran importancia se apoderó de la química. El vitalismo y la distinción esencial entre la materia orgánica e inorgánica. Esta teoría asumía que la materia orgánica sólo pudo ser producida por los seres vivos atribuyendo este hecho a una vis vitalis inherente en la propia vida. Base de esta asunción era la dificultad de obtener materia orgánica a partir de precursores inorgánicos.

Muchos químicos de aquella época consideraban la vida como un fenómeno especial que no obedecía necesariamente las leyes del universo tal como se aplicaban a los objetos inanimados. La creencia en esta posición especial de la vida se llama vitalismo, y había sido intensamente predicado un siglo antes por Stahl, el inventor del flogisto. A la luz del vitalismo, parecía razonable suponer que era precisa alguna influencia especial (una «fuerza vital»), operando solamente sobre los tejidos vivos, para convertir los materiales inorgánicos en orgánicos. Los químicos, trabajando con sustancias y técnicas ordinarias y sin ser capaces de manejar una fuerza vital en su tubo de ensayo, no podrían alcanzar esta conversión.

Por esta razón, se argumentaba, las sustancias inorgánicas pueden encontrarse en todas partes, tanto en el dominio de la vida como en el de la no-vida, al igual que el agua puede encontrarse tanto en el océano como en la sangre. Las sustancias orgánicas, que precisan de la fuerza vital, solamente pueden encontrarse en conexión con la vida.

Este debate fue revolucionado cuando Friedrich Wöhler descubrió accidentalmente como se podía sintetizar la urea a partir de cianato de amonio en 1828 mostrando que la materia orgánica podía crearse de manera química. Sin embargo aún hoy en día se mantiene la clasificación en química orgánica e inorgánica, ocupándose la primera esencialmente de los compuestos del carbono y la segunda de los compuestos de los demás elementos.

Los motores para el desarrollo de la química orgánica era en el principio la curiosidad sobre los productos presentes en los seres vivos (con probablemente la esperanza de encontrar nuevos fármacos) y la síntesis de los colorantes o tintes. La última surgió tras el descubrimiento de la anilina por Runge y la primara síntesis de un colorante artificial por Perkin.

Luego se añadieron los nuevos materiales como los plásticos, los adhesivos, los cristales líquidos, los fitosanitarios etc. Otra importante industria de compuestos orgánicos en la época fue la de los explosivos. En 1847, el químico italiano Ascanio Sobrero descubrió la nitroglicerina, que revolucionaría la minería, pero que resultaba extremadamente peligrosa. El químico sueco Alfred Nobel descubrió que cuando la nitroglicerina era absorbida por una sustancia inerte como la tierra de diatomeas, resultaba más segura y manejable; y patentó esta mezcla en 1867 con el nombre de dinamita. Nobel posteriormente combinó la nitroglicerina con varios compuestos de nitrocelulosa, similares al colodión, que en combinación de otro explosivo de nitrato resultó una receta más eficiente.

En 1855, Benjamin Silliman Jr. inició los métodos de craqueo del petróleo, que son la base de la industria petroquímica actual. La importancia de los derivados del petróleo hizo que la industria derivada de la química orgánica adquiriera la dimensión que tiene actualmente, con productos como los plásticos, los carburantes, los adhesivos, etc. La industria de los plásticos se inició en 1862 cuando Alexander Parkes mostró en la exposición universal de Londres la parkesina, uno de los primeros polímeros sintéticos. Aunque el primer plástico comercializado a gran escala (la baquelita) no empezaría a su distribución hasta el inicio del siglo XX.

7. AVANCES QUÍMICOS DEL SIGLO XX En la década de 1920 se establecerán los fundamentos de la mecánica cuántica, que será decisiva para la desvelar la

naturaleza y el comportamiento de las partículas subatómicas a partir de entonces. En 1924, el físico Louis de Broglie publicó su revolucionaria tesis, en la que presentó la teoría de que el electrón se comporta con una dualidad onda partícula. En su época se consideraba que las ondas y los corpúsculos de materia y luz se comportaban de forma diferente, pero de Broglie sugirió que estas características aparentemente diferentes en realidad son el mismo comportamiento observado desde perspectivas diferentes — que las partículas pueden comportarse como ondas, y que las ondas (la radiación) pueden comportarse como las partículas.

En 1925, el físico austriaco Wolfgang Pauli estableció el principio de exclusión de Pauli, que afirmaba que dos electrones alrededor del mismo núcleo no pueden ocupar el mismo estado cuántico simultáneamente, que está definido por cuatro números cuánticos.

En 1926, a la edad de 39 años, el físico teórico Erwin Schrödinger creó la obra considerada el pilar de la mecánica cuántica ondulatoria. Adoptando la propuesta de Louis de Broglie en 1924 de que la materia tiene una naturaleza dual y que en algunas situaciones se comportan como las ondas, Schrödinger desarrolla la teoría de este comportamiento plasmándolo en una ecuación de onda, actualmente conocida como la ecuación de Schrödinger. La secuencia de trayectorias y posiciones fácilmente visualizables de la mecánica de Newton, en la mecánica cuántica se reemplazan por una noción más abstracta de probabilidades, lo que la hace más oscura y origina algunas paradojas.

En 1927, Werner Heisenberg publicó su principio de incertidumbre, en el que demostró que al estudiar un electrón en un átomo se podía determinar su posición o su velocidad, pero era imposible conocer las dos al mismo tiempo.

En 1939, Linus Pauling, en su libro The Nature of the Chemical Bond (La Naturaleza del Enlace Químico), explicó magistralmente el enlace quimico, introduciendo el término electronegatividad, obtuvo el premio Nobel de química en 1954 y en reconocimiento a su denodada lucha contra el uso militar de la energía atómica, le concedieron el premio Nobel de la Paz en 1962.

En los años 1940 muchos físicos dedicados a la física molecular y atómica se pasaron al campo de la física nuclear (como J. Robert Oppenheimer o Edward Teller). En esta época destacan los trabajos del químico estadounidense Glenn T. Seaborg aislando e identificando elementos transuránicos, siendo el codescubridor de 10 de ellos (plutonio, americio, curio, berkelio, californio, einsteinio, fermio, mendelevio, nobelio y seaborgio).

En la década de 1940, el químico norteamericano Melvin Calvin inició sus investigaciones sobre la fotosíntesis, aplicando marcadores radiactivos de carbono 14 y detectó la secuencia de reacciones químicas generadas por las plantas al transformar dióxido de carbono gaseoso y el agua en oxígeno e hidratos de carbono, lo que en la actualidad se conoce como ciclo de Calvin.

En 1953 James Watson y Francis Crick dedujeron la estructura de doble cadena helicoidal del ADN encajando los datos de la estructura de sus partes constituyentes y los patrones de difracción de rayos X obtenidos por Rosalind Franklin.118 Este descubrimiento fue el detonante de la expansión del campo de la bioquímica.

En 1985, Harold Kroto, Robert Curl y Richard Smalley descubrió los fullerenos, una clase de grandes moléculas de carbono con forma de poliedros con caras hexagonales o pentagonales, cuyo nombre conmemora al arquitecto Richard Buckminster Fuller famoso por usar diseños similares en sus cúpulas geodésicas.

QUÍMICA EN EL SIGLO XXI

El desarrollo de la química continúa en el siglo XXI y es muy difícil predecir qué rumbo tomará en los próximos años e imposible adivinar que revoluciones científicas se producirán en este campo. La fuerza nuclear débil, su papel en la estructura y organización de la materia a nivel molecular y el descubrimiento de que su importancia y efectos eran más comunes de lo que se pensaba convierten a la química supramolecular en una de las áreas de investigación de mayor interés para los investigadores de este siglo.

Por otra parte, problemas como la superpoblación, la contaminación y el deterioro ambiental no dejan lugar a dudas: la química tendrá un papel fundamental en los esfuerzos de la humanidad para lograr un desarrollo sostenible. El efecto que las

sustancias químicas y su uso masivo tienen sobre el planeta ya generó gran cantidad de interés en el siglo XX por los problemas ocasionados en la capa de ozono y por los efectos que diversas sustancias incorporadas comúnmente en productos de uso cotidiano tienen sobre la salud de la población. En el siglo XXI el interés no será únicamente en evitar el deterioro del ambiente como resultado de la industria química sino también en colaborar para lograr un uso eficiente y sostenible de los recursos así como en identificar opciones para revertir los daños ambientales que ya se han producido.

8. HISTORIA DEL ÁTOMO (I)

LOS PRIMEROS ATOMISTAS

Las teorías iniciales sobre el atomismo se remontan a la Antigua Grecia y la Antigua India. El atomismo griego se inició con los filósofos Leucipo de Mileto y su discípulo Demócrito alrededor del 380 a. C., que propusieron que la materia estaba compuesta por diminutas partículas indivisibles e indestructibles, denominadas por ello átomos (del griego ἄτομος «sin partes», «que no se dividen»). Afirmaciones similares fueron realizadas por el filósofo indio Kanada en sus textos de la escuela Vaisesika en un periodo cercano. También los jainistas de la época tenían creencias atomistas.21

Alrededor del 300 a. C. Epicuro postuló un universo formado por átomos indestructibles en el cual el hombre debía alcanzar el equilibrio. El filósofo Lucrecio trató de explicar la filosofía epicúrea al público romano en su obra del 50 a. C., De rerum natura (Sobre la naturaleza de las cosas). En esta obra Lucrecio presenta los principios del atomismo, las teorías sobre la naturaleza de la mente y el alma, y explicaciones para los sentidos y el pensamiento, el desarrollo del mundo y los fenómenos naturales.

JOHN DALTON

La principal contribución de Dalton a la química fue una nueva teoría atómica en 1803, donde afirmaba que toda la materia está formada por pequeñas partículas indivisibles denominadas átomos. Dalton explicó su teoría formulando una serie de enunciados simples:

La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir.

Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen la misma masa y propiedades. Los átomos de diferentes elementos tienen masas diferentes.

Los átomos permanecen sin división, aun cuando se combinen en las reacciones químicas. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos. Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples. Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.

A pesar de su utilidad y gran aceptación durante todo el siglo XIX, la teoría atómica de Dalton tenía imprecisiones (los dos primeros enunciados no son del todo ciertos) y presentaba muchas lagunas: no aclaraba nada sobre la estructura del átomo, ni explicaba las propiedades de los elementos, ni cuáles eran las causas de que se unieran para formar compuestos.

JOSEPH JOHN THOMSON

En 1897, Thomson determinó la relación entre la carga y la masa de los rayos catódicos, al medir cuánto se desvían por un campo magnético y la cantidad de energía que llevan. Encontró que la relación carga/masa era más de un millar de veces superior a la del ion Hidrógeno, lo que sugiere que las partículas son muy livianas o muy cargadas.

Las conclusiones de Thomson fueron audaces: los rayos catódicos estaban hechos de partículas que llamó "corpúsculos", y estos corpúsculos procedían de dentro de los átomos de los electrodos, lo que significa que los átomos son, de hecho, divisibles. Thomson imaginó que el átomo se compone de estos corpúsculos (a los que llamó electrones) en un mar lleno de carga positiva; a este modelo del átomo, atribuido a Thomson, se le llamó el modelo de pudín de pasas.

9. HISTORIA DEL ÁTOMO (II)

ERNEST RUTHERFORD

El físico de origen neozelandés Ernest Rutherford es considerado el padre de la física nuclear. Estudió y clarificó la naturaleza de las partículas radioactivas, además de darles nombre (rayos α, β y γ) demostrando que las dos primeras eran emisiones de partículas mientras que los rayos gamma eran radiación electromagnética de alta energía. En 1906, Rutherford dirigió un experimento, conocido como el experimento de Rutherford o experimento Geiger-Marsden, en el que se bombardeó una finísima lámina de oro con un haz de partículas alfa, generadas por la descomposición del radón. El objetivo del experimento era evaluar la validez del modelo atómico de Thomson. Si los átomos de oro se ajustaban a este modelo las partículas α los atravesarían sin desviarse o haciéndolo pocos grados. Pero los resultados reales sorprendieron a Rutherford. Aunque muchas partículas α pasaban sin desviarse, un pequeño porcentaje sufría grandes desviaciones, incluso de más de 90 grados. Esto demostraba que en el interior de los átomos había una masa relativamente grande con carga positiva, a la que posteriormente Rutherford denominó núcleo atómico, con la que chocaban las partículas α; y refutaba por completo el modelo de Thomson. A partir de estos resultados Ernest Rutherford desarrolló su propio modelo atómico, según el cual el átomo estaba constituido por un núcleo central positivo relativamente grande con electrones girando a su alrededor como en un sistema planetario, aunque la mayor parte del átomo estaba vacía (la mayoría de las partículas α no encontraban nada con qué chocar). Rutherford fue galardonado con el premio Nobel de química en 1908 por sus estudios sobre la radioactividad y la estructura del átomo.

NIELS BOHR

A pesar de su gran avance, el modelo atómico de Rutherford presentaba un fallo teórico importante que los físicos no tardaron en señalar. Según la teoría electromagnética clásica una carga girando circularmente emitiría energía, lo que provocaría que los electrones perdieran energía por la emisión y terminaran trazando una espiral hasta precipitarse sobre el núcleo; por lo que los átomos no podrían ser estables así descritos. En 1913, el físico danés Niels Bohr subsanó esta deficiencia introduciendo el concepto de cuantización en la estructura del átomo, al proponer en su modelo atómico que los electrones no giraban en cualquier órbita, sino que tienen restringido su movimiento a órbitas de determinados niveles, las cuales serían órbitas estacionarias, que no emitirían energía.

En el modelo de Bohr los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo en niveles cuantizados, es decir, solo determinados radios estaban permitidos. Las órbitas intermedias no existen y los electrones emiten o absorben energía para pasar a órbitas más bajas o altas, respectivamente. El modelo atómico de Bohr supuso un gran progreso, pero fue criticado por no explicar la causa de la cuantización (la planteó como un postulado) y su éxito con los espectros atómicos se reducía al hidrógeno y los iones con un solo electrón, no es capaz de predecir las interacciones más complejas en átomos con más de un electrón.

ARNOLD SOMMERFELD

El modelo atómico de Bohr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno, sin embargo, en los espectros realizados para átomos de otros elementos se observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían distinta energía, mostrando que existía un error en el modelo. Su conclusión fue que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles, es decir, energías ligeramente diferentes. Además desde el punto de vista teórico, Sommerfeld había encontrado que en ciertos átomos las velocidades de los electrones alcanzaban una fracción apreciable de la velocidad de la luz. Sommerfeld estudió la cuestión para electrones relativistas.

En 1916, Sommerfeld perfeccionó el modelo atómico de Bohr intentando paliar los dos principales defectos de este. Para eso introdujo dos modificaciones básicas: Órbitas casi-elípticas para los electrones y velocidades relativistas. En el modelo de Bohr los electrones sólo giraban en órbitas circulares.