Breve historía de la química - Isaac Asimov

Resumen del libro de Isaac Asimov
Breve historia de la química


Pesos o masas atómicas en la historia de la química

El concepto de átomo surge en Grecia, Demócrito (aproximadamente 470-380 AC) fue el primero en llamar átomos (que significa indivisible) a la última fracción de materia, esta aproximación es la que se da a partir de tomar un pedazo de piedra u otro material y fraccionarlo hasta que su tamaño es tan reducido que no se puede dividir más los fragmentos obtenidos siguen siendo piedra, Demócrito supuso que la materia estaba compuesta de atomos de diferente tamaño y forma, y que estas diferencias le conferían a la materia distintas propiedades, esta doctrina filosófica se llamó el atomismo.  Para algunos filósofos como Aristóteles la idea de una partícula indivisible era paradójica y no la aceptaron el atomismo se volvió una doctrina impopular y sobrevivió gracias a Epicuro (324-270 AC) y al poeta romano Lucreció quien expuso la filosofía de Demócrito y Epicuro en un poema que sobrevivió hasta nuestros días.

Debido a la carencia de un método científico, la alquimia sobrevivió desde la antigüedad como una ciencia para magos y brujos, Isaac Newton quien es el padre de la física mecanicista era en sí mismo un alquimista y buscó durante mucho tiempo la forma de fabricar oro por transmutación. La mejor aproximación que se hizo en la Europa de la edad media fue el trabajo del médico flamenco Jean Baptiste Van Helmont (1577-1644) quien hizo las primeras mediciones intentando investigar los tejidos vivientes mediante el cultivo de una planta y registrando las cantidades de agua que se le añadían periódicamente y tomando el peso del vegetal periódicamente. Von Helmont también estudio los gases mediante la madera quemada llamándolo “gas silvestre” el estudio de los gases daría paso a la química moderna.

Casi antes de que muriera Von Helmont el físico Italiano Evangelista Torricelli logro demostrar en 1643 de manera irrefutable que el aire ejercia presión (lo que hoy conocemos como el concepto de presión atmosférica), esto lo hizo con el instrumento que se conoce como barómetro (medidor de presión) el enunciado afirmaba que “el aire es capaz de sostener una columna de mercurio de setenta centímetros de altura”, en la figura 1 se muestra el instrumento originalmente como fue utilizado por Torricelli.

A partir de eso los gases comenzaron a estudiarse con más detalle, pues aparentemente estas sustancias contenían peso o masa el físico Alemán Otto Von Guerick (1602-86 ) inventó la bomba de aire con la cual lo podía extraer de un recipiente. En 1654 Von Guerick se ideo unir dos semiesferas con superficies engrasadas y extraer el aire al interior con la bomba, el resultado fue bastante sorprendente al conseguir que mediante la fuerza animal (caballos halando) las esferas no se separasen, pero al permitir el paso del aire en las semiesferas estas se separaban fácilmente.

                                                                                     Figura 1.

Este tipo de demostraciones despertaron el interés por las propiedades del aire, en especial el Químico Irlandés Robert Boyle (1627-91) quien perfecciono la bomba de aire y estudió las propiedades del aire no mediante las bombas de vacio, sino a través del proceso opuesto o sea por la compresión del aire. El enunciado de Boyle que se mantiene hasta nuestros días indica que el volumen de un gas varía de manera inversamente proporcional a la presión del mismo. ¿Cómo derivo Boyle esta relación? , pués bien esta relación se pudo establecer mediante un experimento casero, puedes tomar un tubo en U llenarlo de mercurio y dejar una ligera cantidad de aire en una punta, podemos aumentar la presión o disminuir la presión añadiendo cantidades de mercurio en el extremo abierto, por ejemplo si añadimos el doble de mercurio la punta de aire se reducirá a la mitad, o el triple de aire y la punta de aire se reducirá a la tercera parte, esto establece que: “la presión de un gas es inversamente proporcional al volumen que ocupa”, Figura 2.

Figura 2. Ley o enunciado de Boyle.

Estos nuevos hallazgos ponían sobre la mesa de nuevo el atomismo de Demócrito, sin embargo para los escépticos la materia de los sólidos y líquidos no era compresible o en cantidades muy reducidas, lo que no articulaba con estas explicaciones, Boyle y gracias a los poemas de Lucrecio terminó convirtiéndose completamente al atomismo, pero esta doctrina filosófica tuvo que esperar más tiempo para alcanzar solidez. El enunciado de Boyle carecía o no tuvo en cuenta la temperatura, está aproximación si la hizo el físico francés Edme Mariotte (1630-84) quien afirmaba que este principio ocurría si la temperatura se mantenía constante. La ley de Boyle también es conocida en Europa continental hasta nuestros días como ley de Boyle-Mariotte.

Las concepciones atomistas de aquella época carecían de la precisión de las medidas, en lo práctico se empezaron a construir las primeras máquinas de vapor, dejando en entredicho la naturaleza del fuego, ya que en esa época no se prestó tanta importancia al peso que puede ganar la madera al humedecerse y el peso que pierde al arder. El problema de esta manera se reducía a establecer medidas más precisas, pero para esa época apenas se empezó a trabajar el problema de la combustión.

La combustión y el flogisto.

Uno de los pioneros en el tema de mediciones fue el químico francés Antoine Laurent Lavoisier (1743-94), Lavoisier hizo su primer trabajo importante en 1764, al calentar muestras de yeso y tomar medidas antes y después de la combustión, para la época se pensaba que la sustancia llamada flogisto era la encargada de que los materiales ardieran, por ejemplo cuando la madera ardía y quedaba carbonizada al final, se pensaba que el flogisto había escapado del material, muchos químicos y físicos de la época intentaban explicar los procesos de combustión mediante la hipótesis del flogisto.

Henry Cavendish un excéntrico acaudalado de Inglaterra (1731-1810) fue el primero en medir el peso de volúmenes determinados de diferentes gases, estableciendo de esta manera la densidad de los mismos y determino que el hidrogeno era extraordinariamente ligero una catorceava parte de la densidad del aire, creyó Cavendish que el gas hidrógeno era la misma sustancia flogisto aislado. Joseph Priestley (1733-1804) químico aficionado estaba a cargo de una parroquia en Leeds, Inglaterra la cual quedaba muy cerca de una cervecería, la fermentación del grano produce CO2  que Priestley podía obtener en grandes cantidades, dentro de sus observaciones notó y recogiendo el gas de la superficie del agua que este se disolvía en ella dándole un sabor semi-acido muy agradable, lo que sería el origen de la industria de refrescos, por eso Priestley es el padre de la industria de refrescos.

Al químico escoces Joseph Black se le ocurrió una idea que sería un paso más en la desmitificación del flogisto, en 1756, hizo un estudio que le sirvió para graduarse de médico, era un problema químico que consistía en calentar la piedra caliza (carbonato de calcio) al hacer combustión de la piedra se producía un gas y dejando cal, al recombinar el gas con la cal se formaba de nuevo el carbonato de calcio, estos serían los indicios que algunas sustancias sólidas y liquidas producían cambios químicos donde intervenían los gases.

Las mediciones, el método científico y la química analítica.

Todos los diferentes estudios sobre los gases que había existido hasta el momento daban suficiente información para recopilarlos de manera global, el encargado de esto fue Lavoisier, quien experimento calentando metales como el plomo y el estaño con una cantidad limitada de aire, ambos metales desarrollaban una capa de  “calcinado” en el proceso hasta que no se obtenía nada más, como resultado el “calcinado” pesaba más que el metal, pero si se pesaba todo el recipiente (metal, calcinado, aire, etc…) este pesaba lo mismo que al principio, si esto era cierto entonces el metal había ganado peso, pero algo dentro del recipiente consecuentemente debía haber perdido peso, en este orden de ideas el aire debía haber perdido peso, efectivamente esto se comprobó al abrir parcialmente el recipiente el aire se precipitaba sobre él, luego como consecuencia el matraz ganaba peso, Lavoisier estaba muy cerca de explicar los cambios de peso durante la combustión, dado que si se tenía en cuenta toda la materia que intervenía en los experimentos, el sistema no cambiaba de peso.

Lavoisier sostuvo que la masa cambiaba de unas sustancias a otras durante sus experimentos de combustión a lo que decidió llamar la Ley de conservación de la masa, que sería la base de investigación de la química del siglo XIX. Priestley visitó Paris en 1774 y dio a conocer a Lavoisier sus resultados experimentales. Lavoisier comprendió estos resultados y publico sus puntos de vista en el año 1775, también se enteró de un experimento de Cavendish sobre el gas inflamable que sostenía que al quemar el gas los vapores producían agua. Lavoisier llamó al gas de Cavendish “hidrógeno” que significa productor de agua, dedujo entonces que el hidrogeno se combinaba con el oxígeno y formaba el agua. Se interesó también por los gases inhalados durante la respiración y quedando atónito al descubrir que parte del aire inhalado es rico en oxígeno pero el exhalado es pobre en oxígeno y rico en dióxido de carbono.

En la década de 1780-89 Lavoisier junto con sus colaboradores Morveau, Berthollet y Fourcroy, elaboró un sistema de nomenclatura basado en los principios lógicos para predecir que nombre compuestos se forman a partir de un elemento determinado, el sistema se publicó en 1787 y en 1789 publicó el Tratado elemental de la química  con una visión generalizada de los principios químicos y una nomenclatura universal, este mismo año triunfó la Revolución Francesa y Lavoisier fue perseguido por los revolucionarios y ejecutado en 1794, gracias a sus aportes se le reconoce como el padre de la química moderna hoy en día.

Portada del Traité Elementaire de Chimie (Tratado elemental de química) de Lavoisier

Los resultados de Lavoisier sirvieron para que muchos químicos del siglo XIX reforzaran estas hipótesis mediante un método científico más preciso basado en las mediciones cuantitativas que aún hoy en día se utilizan, la química analítica que se práctica dirige sus esfuerzos a estudiar los ácidos y las bases, Benjamin Richter (1762-1807) investigó las reacciones de neutralización entre ácidos y bases, trabajo que se publicó en 1792. Joseph Louis Proust (1754-1826) iría un paso más allá al demostrar utilizando química analítica que el carbonato de cobre contenía cobre, carbono y oxígeno sin importar su método de preparación y esto ocurría en muchos compuestos, alcanzó de esta manera contradecir a Berthollet (uno de los colaboradores de Lavoisier) ya que en los experimentos de este último los análisis eran poco precisos y los productos utilizados se habían purificado insuficientemente.

Los experimentos de Proust dieron como resultado un principio más general de la química que se conoce como Ley de Proust o Ley de las proporciones definidas, gracias a esto el modelo atomista de la antigua Grecia tomaba más fuerza ya que se redefinía el concepto que los compuestos estaban formados por partículas más pequeñas e indivisibles llamadas átomos que se unían entre sí en ciertas cantidades definidas, este modelo serviría para que el químico Inglés John Dalton descubriera que dos elementos después de todo pueden combinarse en más de una proporción, exhibiendo diversas maneras de combinación dando el resultado de compuestos diferentes con los mismos productos, Dalton publicó en 1803 la Ley de las proporciones múltiples.

Dalton mediante la publicación de sus hallazgos reconoció su deuda con Demócrito manteniendo el término <<átomo>> para las partículas indivisibles que forman la materia, aunque elaboró la primera tabla con pesos atómicos Dalton no tuvo en cuenta que los átomos pueden formar compuestos en relaciones diferentes de 1:1, es decir la creencia en ese momento era que si una parte (en peso) de hidrogeno se combinaba con 8 partes equivalentes de oxígeno para formar agua, entonces el oxígeno era ocho veces más pesado que el hidrógeno e igualmente si una parte de hidrógeno se combinaba con cinco partes de nitrógeno para formar amoniaco y se combinan de 1:1 entonces el nitrógeno era cinco veces más pesado que el hidrógeno.

La electricidad y el problema de los pesos atómicos.

La experimentación con electricidad  daría mejores resultados respecto a los átomos y su masa, el físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) logró producir una corriente eléctrica con dos metales distintos en una solución (celda voltaica), este trabajo fue complementado por William Nicholson (1753-1815) y Anthony Carlisle (1768-1840) al hacer pasar una corriente eléctrica en agua observaron que en las terminales (cátodo y ánodo) se formaban burbujas al recoger el gas en recipientes notaron que un volumen era el doble del otro, resultando ser que un gas era hidrogeno y el otro oxígeno, aun así el hidrógeno se combinaba con ocho partes de oxígeno, esto permitía deducir que un átomo de oxígeno era ocho veces más pesado que dos átomos de hidrogeno, en consecuencia un átomo de oxígeno era 16 veces más pesado que uno de hidrógeno, otro aspecto importante de este experimento es que si dos elementos químicos en agua producían electricidad entonces la electricidad produce una reacción química en el agua que separa los gases que la componen.

Finalmente el químico sueco Jons Jakob Berzelius resolvería todo el problema de la teoría atómica con química analítica corroboro la Ley de las proporciones definidas (haciendo uso de la ley de volúmenes de combinación de Gay-Lussac, la ley del calor atómico de Dulong y Petit y la ley del isomorfismo de Mitscherlich), el mundo de la química no tuvo más que aceptar estos resultados. La primera tabla de pesos atómicos de Berzelius publicada en 1828 difería de los valores aceptados hoy en día, excepto en 2 o 3 elementos.

CONCLUSIONES

·      El termino alquimia alcanza más relevancia al utilizar experimentación con pesos y medidas más precisas para convertirse hoy en día en la química moderna, la experimentación con gases permitió al hombre establecer relaciones de la materia sólida y líquida con los gases, debido a esta relación y a la electricidad se pudieron establecer los pesos atómicos de diversos materiales que Berzelius compiló en su trabajo, pero que es el resultado del trabajo de muchas personas y experimentación.

·         La teoría o doctrina atomista que surgió en la antigua Grecia fue corroborada muchos siglos después (los filósofos griegos no experimentaban solo deducían sus conclusiones), gracias al desarrollo del método científico, el desarrollo de la química analítica permitió vislumbrar la composición de la materia y establecer los pesos y símbolos atómicos que están aceptados hoy en día.

Bibliografía

Breve historia de la química, Isaac Asimov, Alianza editorial.