I n t rodu cción La concisión, am enidad y eficacia didáct ica caract er íst icas de I saac Asim ov hacen de est a Br ev e Hist or ia de la Quím ica un inst r um ent o inm ej orable par a t odo aquel que est é int er esado en apr ox im ar se a esta ciencia. Asim ov t r aza la ev olución de est e ám bit o de conocim ient o desde el m om ent o en que el hom bre com enzó a efect uar alt er aciones en la nat ur aleza de las sust ancias de una for m a int uit iva, hast a la edad m oder na, m om ent o en el que, a t r avés de la adquisición pr ogr esiv a de r igor m et odológico y la acot ación del t err eno de est udio, se va const it uyendo plenam ent e com o disciplina cient ífica. Ca pít u lo 1 La a n tigüe da d Cont enido: 1. La piedra y el fuego 2. Los m et ales 3. Gr ecia: los elem ent os 4. Gr ecia: los át om os 1 . La pie dr a y e l fue go Los pr im er os hom br es que em pezar on a ut ilizar inst r um ent os se ser v ían de la nat ur aleza t al com o la encontr aban. El fém ur de un anim al de buen t am año o la r am a ar rancada de un árbol er an m agníficas garr ot as. Y, ¿qué m ej or pr oyect il que una piedr a? Con el paso de los m ilenios, los hom br es prim it iv os apr endier on a t allar las piedr as, dándoles un bor de cor t ant e o una for m a que per m it ier a asir las fácilm ent e. El siguient e paso consist ió en unir la piedr a a un ast il de m adera t allado par a est e pr opósit o. Pero, de todas for m as, sus piedras t alladas seguían siendo piedr as, y su m adera t allada seguía siendo m ader a. Sin em bar go, había ocasiones en que la nat ur aleza de las cosas sí cam biaba. Un r ay o podía incendiar un bosque y r educir lo a un m ont ón de cenizas y r est os pulv er izados, que en nada r ecor daban a los árboles que había ant es en el m ism o lugar . La car ne conseguida m ediant e la caza podía estr opear se y oler m al; y el j ugo de las fr ut as podía agr iar se con el t iem po, o conv er t ir se en una bebida ext rañam ent e est im ulant e. Est e t ipo de alt er aciones en la nat uraleza de las sust ancias ( acom pañadas, com o a v eces descubr ían los hom br es, de cam bios fundam ent ales en su est r uct ur a) const it uyen el obj et o de la ciencia que hem os dado en llam ar Quím ica. Y una alt eración fundam ent al en la nat uraleza y en la est r uct ura de una sust ancia es un cam bio quím ico. La posibilidad de beneficiar se deliber adam ent e de algunos fenóm enos quím icos se hizo r ealidad cuando el hom br e fue capaz de pr oducir y m ant ener el fuego ( lo que en térm inos hist óricos se conoce com o «descubrim ient o del fuego») . Tras est e hallazgo el hom br e se conv ir t ió en un quím ico pr áct ico al idear m ét odos para que la m adera - u ot r o m at er ial com bust ible- se com binase con el air e a una v elocidad suficient e y pr oducir así luz y calor , j unt o con cenizas, hum o y v apor es. Había que secar la m adera y r educir a polv o una par te para ut ilizar la com o yesca; había que em plear algún m ét odo - com o el fr ot am ient o- para alcanzar la t em per at ur a de ignición, y así sucesivam ent e. El calor gener ado por el fuego ser v ía para pr oducir nuev as alt er aciones quím icas: los alim ent os podían cocinar se, y su color , t ex t ur a y gust o cam biaban. El barr o podía cocer se en for m a de ladr illos o de r ecipient es. Y, finalm ent e, pudier on confeccionar cer ám icas, piezas bar nizadas e incluso obj et os de v idr io. Los pr im er os m at er iales que usó el hom bre er an univ er sales, en el sent ido de que se encuent r an en cualquier par t e: m adera, hueso, pieles, piedr as... De t odos ellos la piedr a es el m ás dur ader o, y los út iles de piedr a t allada son los docum ent os m ás clar os de que disponem os act ualm ent e para conocer aquel dilat ado per iodo. Por eso hablam os de la Edad de la Piedr a. Aún est aba el hom br e en est a época de la piedr a t allada cuando, unos 8.000 años a. de C, en la r egión que ahora conocem os com o Or ient e Medio, se int r oduj o un cam bio r ev olucionar io en la pr oducción de alim ent os: hast a ahora el hom br e obt enía la com ida cazando, igual que cualquier ot r o anim al. Per o a par t ir de est e m om ent o apr endió a dom est icar y cuidar anim ales, disponiendo así siem pr e de com ida abundant e y segur a. Y, lo que es aún m ás im por t ant e, apr endió a cult iv ar las plant as. Com o consecuencia de la acum ulación de alim ent os que tr aj er on consigo la cr ía de anim ales y la agr icult ur a, se r egist r ó un im por t ant e aum ent o de la población. La agr icult ur a exige fij ar el lugar de residencia, y así nuest r os ant ecesor es const r uyer on v iv iendas, desar rollándose poco a poco las pr im er as ciudades. Est a ev olución det er m ina lit er alm ent e el com ienzo de la «civ ilización», pues est a palabr a v iene del t ér m ino que en lat ín significa «ciudad». Dur ant e los dos pr im er os m ilenios de est a civ ilización nacient e, la piedr a se m ant uvo com o m at er ial car act er íst ico de los inst r um ent os, si bien se descubr ier on nuev as t écnicas de m anufact ur a. Est a Nuev a Edad de la Piedr a o Neolít ico se caract er izó por un cuidadoso pulido de la piedr a. La alfar er ía fue ot r o de los fact or es que cont r ibuyer on al desarr ollo. Lent am ent e, los logr os del Neolít ico super ior se ex t endier on fuer a de la r egión de Or ient e Medio. Hacia el año 4000 a. de C. apar ecen caract er íst icas de est a cult ur a en el oest e de Eur opa. Per o en est a época las cosas ya est aban suficient em ent e m adur as en Or ient e Medio, Egipt o y Sum er ia, lo que hoy es I r ak , para que se produj esen nuev os cam bios. El hom br e em pezaba a ser v ir se de unos m ater iales r elat iv am ent e r ar os. Alent ado por las út iles pr opiedades de est os m at er iales, apr endió a sobr ellev ar las incom odidades de una búsqueda t ediosa y unos pr ocedim ient os com plicados y llenos de cont r ar iedades. A est os m at er iales se les conoce por el nom br e de m et ales, palabr a que ex pr esa ella m ism a el cam bio, ya que pr obablem ent e der iv a del v ocablo gr iego que significa «buscar ». 2 . Los m e t ale s Los pr im er os m et ales debier on de encont rar se en for m a de pepit as. Y con segur idad fuer on t r ozos de cobr e o de or o, ya que ést os son de los pocos m et ales que se hallan libr es en la nat ur aleza. El color r oj izo del cobr e y el t ono am ar illo del or o debier on de llam ar la at ención, y el br illo m et álico, m ucho m ás her m oso y sobr ecogedor que el del suelo cir cundant e, incom parablem ent e dist int o del de las piedr as corr ient es, im pulsaban a coger los. I ndudablem ent e, el pr im er uso que se dio a los m et ales fue el or nam ent al, fin para el que ser vía casi cualquier cosa que se encont r ara: piedr ecillas color eadas, per las m ar inas... Sin em bar go, los m et ales pr esent an una vent aj a sobr e los dem ás obj et os llam at iv os: son m aleables, es decir , que pueden aplanarse sin que se r om pan ( la piedr a, en cam bio, se pulveriza, y la m adera y el hueso se ast illan y se part en) . Est a pr opiedad fue descubier t a por casualidad, indudablem ent e, pero no debió pasar m ucho t iem po entre el m om ent o del hallazgo y aquel en que un ciert o sent ido ar t íst ico llev ó al hom br e a golpear el m at er ial para dar le for m as nuev as que pusier an m ás de r eliev e su at r act iv o. Los ar t ífices del cobr e se dier on cuent a de que a est e m et al se le podía dot ar de un filo cor t ant e com o el de los inst r um ent os de piedr a, y que el filo obt enido se m ant enía en condiciones en las que los inst rum ent os de piedr a se m ellaban. Poster ior m ent e vier on cóm o un filo de cobr e r om o podía v olv er a afilar se con m ás facilidad que uno de piedr a. Solam ent e la escasez del cobr e im pidió que su uso se ex t endier a m ás, t ant o en la fabr icación de her r am ient as com o en la de obj et os ornam ent ales. El cobr e se hizo m ás abundant e cuando se descubr ió que podía obt ener se a par t ir de unas piedr as azuladas. Cóm o se hizo est e descubr im ient o, o dónde o cuándo, es algo que no sabem os y que pr obablem ent e no sabr em os jam ás. Podem os suponer que el descubr im ient o se hizo al encender un fuego de leña sobr e un lecho de piedras en el que había algunos t r ozos de m iner al. Después, ent r e las cenizas, dest acar ían pequeñas gotas de cobr e br illant e. Quizá est o ocur r ió m uchas v eces ant es de que alguien obser v ara que si se encont r aban piedr as azules y se calent aban en un fuego de leña, se pr oducía siem pr e cobr e. El descubr im ient o final de est e hecho pudo haber ocurr ido unos 4.000 años a. de C. en la península del Sinaí, al est e de Egipt o, o en la zona m ont añosa sit uada al est e de Sum er ia, lo que hoy es I r án. O quizá ocurr ier a sim ult áneam ent e en am bos lugar es. En cualquier caso, el cobre fue lo suficient em ent e abundant e com o para que se ut ilizar a en la confección de her r am ient as en los cent r os m ás av anzados de la civilización. En una t um ba egipcia se ha encont r ado una sart én con una ant igüedad aproxim ada de 5.200 años a. de C. En el t er cer m ilenio a. de C. se descubr ió una v ar iedad de cobr e especialm ent e dura, obt enida al calent ar j unt os m iner ales de cobr e y de est año, casi segur o que por accident e ( fig. 1) . A la aleación ( tér m ino que designa la m ezcla de dos m et ales) de cobre y est año se le llam ó br once, y hacia el año 2000 a. de C. ya era lo bastant e com ún com o para ser ut ilizado en la confección de ar m as y cor azas. Se han hallado inst r um ent os de br once en la t um ba del far aón egipcio I t et is, que r einó apr oxim adam ent e 3.000 años a. de C. El acont ecim ient o hist ór ico m ás conocido de la Edad del Br once fue la guerr a de Tr oy a, en la que soldados con arm as y cor azas de bronce dispar aban flechas con punt a de est e m et al cont r a sus enem igos. Un ej ér cit o sin ar m as de m et al est aba indefenso fr ent e a los «soldados de br once», y los for j ador es de aquella época gozaban de un pr est igio sem ej ante al de nuest r os físicos nuclear es. Er an hom br es poder osos que siem pr e t enían un puest o ent r e los r ey es. Y su oficio fue div inizado en la per sona de Hefaist os, dios m it ológico de la fr agua. I ncluso hoy día - y no por casualidad- «Sm it h, o alguno de sus equiv alent es, es el apellido m ás com ún ent r e los pueblos de Eur opa 1 . La suer t e iba a favor ecer de nuev o al hom br e de la Edad del Br once, que descubr ió un m et al aún m ás dur o: el hier r o. Por desgr acia er a dem asiado escaso y pr ecioso com o par a poder usar lo en gr an cant idad en la confección de ar m adur as. En efect o, en un principio las únicas fuent es de hierr o eran los t rozos de m et eorit os, nat ur alm ent e m uy escasos. Adem ás, no par ecía haber ningún pr ocedim ient o par a ex t r aer hier r o de las piedr as. El pr oblem a r adica en que el hier r o est á unido m ucho m ás fir m em ent e, form ando m iner al, de lo que est aba el cobr e. Se r equier e un calor m ás int enso par a fundir el hier r o que par a fundir el cobr e. El fuego de leña no bast aba par a est e pr opósit o, y se hizo necesar io ut ilizar el fuego de car bón v eget al, m ás int enso, per o que sólo ar de en condiciones de buena vent ilación. El secr et o de la fundición del hier r o fue por fin desvelado en el ext r em o or ient al de Asia Menor , y al par ecer en una época tan t em pr ana com o 1.500 años a. de C. Los hit it as, que habían lev ant ado un poder oso im per io en Asia Menor , fueron los pr im er os en ut ilizar cor r ient em ent e el hier r o en la confección de her r am ient as. Se conser v an car tas que un r ey hit it a envió a su vir r ey , dest acado en una r egión m ont añosa r ica en hier r o, fechadas apr oxim adam ent e en el 1280 a. de C, y en las que se dan det alles inequív ocos sobr e la producción del m et al. El hier r o pur o ( hier r o for j ado) no es dem asiado duro. Sin em bargo, un inst r um ent o o una ar m adur a de hier r o m ej oraban al dej ar que una cant idad suficient e de car bón v eget al for m ar a una aleación con ese m et al. Est a aleación - que nosot r os llam am os acer o- se ext endía com o una piel sobr e los obj et os som et idos a t rat am ient o y les confer ía una dur eza super ior a la del m ej or br once, m ant eniéndose afilados dur ant e m ás t iem po. El descubr im ient o en t er r it or io hit it a de la m anufact ur a del acer o m ar ca el punt o cr ucial en la m et alur gia del hier r o. Un ej ér cit o pr ot egido y ar m ado con hier r o dur o podía enfr ent ar se a ot r o ej ér cit o per t r echado de br once con m uchas pr obabilidades de v encer . Est am os en la Edad del Hier r o. 1 «Sm it h» = for j ador, herrero. ( N. del T.) Miner al de hierr o y Crisol Figura 1. Cr isoles pr im it ivos ideados par a alcanzar la t em per at ur a adecuada para la reducción de los difer ent es m inerales. En el hor no para cobre ( a) la m ena fundía en un cr isol sobr e fuego de leña. La r educción del m ineral de hier r o ( b) r equer ía m ás calor , y para obt ener lo se llenaba el hor no de car bón veget al, sum inist r ando oxígeno m ediant e un fuelle. Los dor ios, ant igua t r ibu gr iega, equipados con arm as de hier r o, invadier on la península de Gr ecia desde el nor t e, m ás o m enos en el 1100 a. de C, y gr adualm ent e fuer on v enciendo a los pueblos m icénicos que, pese a su m ás av anzada civ ilización, sólo disponían de ar m am ent o de br once. Ot r os gr upos de gr iegos penet r ar on en Canaán por t ando arm as de hier r o. Er an los filist eos, que t an im por t ant e papel j uegan en los pr im er os libr os de la Biblia. Fr ent e a ellos los isr aelit as per m anecier on indefensos hasta que, baj o el m ando de Saúl, fuer on capaces de fabr icar se sus pr opias arm as de hier r o. El pr im er ej ér cit o abundant em ent e equipado con hier ro de buena calidad fue el asir io, lo que le per m it ió, 900 años a. de C., for m ar un poder oso im per io. Ant es de que apunt aran los días glor iosos de Gr ecia, las ar t es quím icas habían alcanzado un est ado de desar rollo bast ant e not able. Est o er a par t icular m ent e cier t o en Egipt o, donde los sacer dot es est aban m uy int er esados en los m ét odos de em balsam ado y conser v ación del cuer po hum ano después de la m uer t e. Los egipcios no sólo er an ex per t os m et alúr gicos, sino que sabían pr epar ar pigm ent os m iner ales y j ugos e infusiones veget ales 2 . De acuer do con cier t a t eor ía, la palabr a k hem eia der iv a del nom br e que los egipcios daban a su pr opio país: Kham . ( Est e nom bre se usa t am bién en la Biblia, donde, en la v er sión del r ey Jacobo, se t ransform a en Ham .) Por consiguient e, k hem eia puede ser «el ar t e egipcio». Una segunda t eor ía, algo m ás apoyada en la act ualidad, hace der iv ar khem eia del gr iego khum os, que significa el j ugo de una plant a; de m aner a que k hem eia ser ía «el ar t e de ex t r aer j ugos». El m encionado j ugo podr ía ser sust it uido por m et al, de suer t e que la palabra v endr ía a significar el «ar t e de la m et alurgia». Per o, sea cual sea su or igen, khem eia es el ant ecedent e de nuest r o vocablo «quím ica». 3 . Gre cia : los e le m e nt os Hacia el año 600 a. de C, el sut il e int eligent e pueblo gr iego dir igía su at ención hacia la nat ur aleza del Univ er so y la est r uct ur a de los m at er iales que lo com ponían. Los er udit os gr iegos o «filósofos» ( am ant es de la sabidur ía) estaban m ás int er esados en el «por qué» de las cosas que en la t ecnología y las profesiones m anuales. En resum en, fueron los prim eros que - según nuest ras not icias- se enfrent ar on con lo que ahora llam am os t eor ía quím ica. El pr im er t eór ico fue Tales ( aproxim adam ent e 640- 546 a. de C) . Quizá ex ist ier on gr iegos ant er ior es a Tales, e incluso ot ros hom br es ant er ior es a los gr iegos, capaces de m edit ar cor r ect a y pr ofundam ent e sobr e el significado de los cam bios en la nat ur aleza de la m at er ia, per o ni sus nom br es ni su pensam ient o han llegado hasta nosot ros. 2 Las art es quím icas t am bién se desarrollar on en I ndia y China. Sin em bargo, la línea del progreso int elect ual en quím ica arran ca de Egipt o, por lo cual v oy a lim it ar m i ex posición a est a línea. Tales fue un filósofo gr iego nacido en Milet o ( Jonia) , r egión sit uada en el Egeo, la cost a oest e de lo que ahor a es Tur quía. Tales debió de plant ear se la siguient e cuest ión: si una sust ancia puede t ransform ar se en ot ra, com o un t rozo de m ineral azulado puede t r ansfor m ar se en cobr e r oj o, ¿cuál es la nat uraleza de la sustancia? ¿Es de piedra o de cobr e? ¿O quizá es de am bas cosas a la v ez? ¿Puede cualquier sust ancia t r ansfor m ar se en otr a m ediant e un det er m inado núm ero de pasos, de t al m anera que t odas las sustancias no ser ían sino difer ent es aspect os de una m at er ia básica? Figura 2. La cosm ología alquim ist a incor poró los «cuat r o elem ent os» de Ar ist ót eles j unt o con las equivalencias t errest res y celest es, haciendo corresponder los m ism os sím bolos a los planet as y a 105 m et ales. Est e gr abado es or iginal de Rober t Fludd ( 1574- 1637) , que dio la espalda al espírit u cient ífico de su época y se lanzó a la búsqueda de lo ocult o. Para Tales la r espuest a a la últ im a cuest ión er a afir m at iv a, por que de est a m anera podía int r oducir se en el Univ er so un or den y una sim plicidad básica. Quedaba ent onces por decidir cuál er a esa m at er ia básica o elem ent o 3 . Tales decidió que est e elem ent o er a el agua. De t odas las sust ancias, el agua es la que par ece encont r ar se en m ayor cant idad. El agua r odea a la Tier r a; im pr egna la at m ósfera en for m a de v apor ; cor r e a tr av és de los cont inent es, y la v ida es im posible sin ella. La Tier ra, según Tales, era un disco plano cubier t o por la sem iesfera celest e y flot ando en un océano infinit o. La t esis de Tales sobr e la exist encia de un elem ent o a par t ir del cual se for m ar on t odas las sust ancias encontró m ucha aceptación ent re los filósofos post eriores. No así, sin em bargo, el que est e elem ent o t uvier a que ser el agua. En el siglo siguient e a Tales, el pensam ient o ast ronóm ico llegó poco a poco a la conclusión de que el cielo que r odea a la Tier r a no es una sem iesfer a, sino una esfer a com plet a. La Tier r a, tam bién esfér ica, est aba suspendida en el cent r o de la cavidad for m ada por la esfera celest e. Figura 2a. Rober t Fludd 3 «Elem ent o» es un v ocablo lat in o de origen inciert o. Los griegos no lo ut ilizaron, pero es t an im port ant e en la quím ica m oderna que no hay m anera de ev it ar su em pleo, incluso al referirse a Grecia. Los gr iegos no acept aban la noción de vacío y por tant o no cr eían que en el espacio que hay ent r e la Tier r a y el dist ant e cielo pudier a no haber nada. Y com o en la par t e de est e espacio que el hom br e conocía había air e, par ecía razonable suponer que t am bién lo hubiese en el rest o. Tal pudo haber sido el r azonam ient o que llev ó a Anaxím enes, t am bién de Milet o, a la conclusión, hacia el 570 a. de C, de que el aire era el elem ent o const it uyent e del Univ er so. Postuló que el air e se com pr im ía al acer car se hacia el cent r o, form ando así las sust ancias m ás densas, com o el agua y la t ier r a ( figur a 2) . Por otr a par t e, el filósofo Her áclit o ( apr ox im adam ent e 540- 475 a. de C) , de la v ecina ciudad de Éfeso, tom ó un cam ino difer ent e. Si el cam bio es lo que caract er iza al Univ er so, hay que buscar un elem ent o en el que el cam bio sea lo m ás not able. Est a sust ancia, par a él, deber ía ser el fuego, en cont inua m utación, siem pr e difer ent e a sí m ism o. La fogosidad, el ar dor , pr esidían t odos los cam bios 4 . En la época de Anaxím enes los persas invadier on las costas j ónicas. Tras el fracaso de un int ent o de r esist encia, el dom inio per sa se v olv ió m ás opr esiv o, y la t r adición cient ífica ent r ó en decadencia; per o ant es de der r um bar se, los em igr ant es j onios t r asladar on esta t r adición m ás al oest e. Pit ágoras de Sam os ( apr oxim adam ent e 582- 497 a. de C.) , nat ur al de una isla no per t enecient e a Jonian, abandonó Sam os en el 529 a. de C. para t rasladar se al sur de I t alia, donde se dedicó a la enseñanza, dej ando t ras de sí un influyent e cuer po de doct r ina. Em pédocles (apr oxim adam ent e 490- 430 a. de C) , nacido en Sicilia, fue un dest acado discípulo de Pit ágor as, que t am bién t r abaj ó en t or no al pr oblem a de cuál es el elem ent o a par t ir del que se for m ó el Univ er so. Las t eor ías pr opuest as por sus pr edecesor es de la escuela j ónica lo pusieron en un com pr om iso, por que no veía de qué m anera iba decidir se por una u ot ra. 4 Result a fácil sonreír ant e est as incipient es t eor ías, pero en realidad las ideas legadas por Grecia eran bast ant e profundas. Probem os a su st it uir los t érm in os «aire» , «agua», «t ierra» y «fuego» por los m uy sim ilares de «gas» , «líquido» «sólido» y «energía» . Los gases pueden v olv erse líquidos al enfriar se, y sólidos si el enfriam ient o cont inúa. La sit uación es m uy sem ej an t e a la im aginada por Anax ím enes. Y la idea que Heráclit o t enía sobre el fuego result a m uy parecida a la que ahora se t iene sobr e la energía; agent e y consecuencia de las reacciones quím icas. Per o, ¿por qué un solo elem ent o? ¿Y si fuer an cuat ro? Podían ser el fuego de Her áclit o, el air e de Anaxím enes, el agua de Tales y la t ier r a, que añadió el pr opio Em pédocles. Ar ist ót eles ( 384- 322 a. de C) , el m ás influy ent e de los filósofos griegos, aceptó est a doct r ina de los cuat r o elem ent os. No consider ó que los elem ent os fuesen las m ism as sust ancias que les daban nom br e. Es decir , no pensaba que el agua que podem os t ocar y sent ir fuese r ealm ent e el elem ent o «agua»; sim plem ent e es la sust ancia real m ás est recham ent e relacionada con dicho elem ent o. Ar ist ót eles concibió los elem ent os com o com binaciones de dos par es de pr opiedades opuest as: fr ío y calor , hum edad y sequedad. Las pr opiedades opuest as no podían com binar se ent r e sí. De est e m odo se for m an cuat r o posibles par ej as dist int as, cada una de las cuales dará or igen a un elem ent o: calor y sequedad or iginan el fuego; calor y hum edad, el air e; fr ío y sequedad, la t ier r a; fr ío y hum edad, el agua. Sobr e est e esquem a avanzó t odav ía un paso m ás al afir m ar que cada elem ent o t iene una ser ie de pr opiedades específicas que le son innat as. Así, es pr opio de la t ier r a el caer , m ient r as que en la nat uraleza del fuego est á el elev ar se. Sin em bargo, los cuerpos celest es pr esent aban caract er íst icas que par ecían difer ent es de las de las sust ancias de la Tier r a. En lugar de elev ar se o caer , est os cuer pos daban la im pr esión de gir ar en cír culos inalt er ables alr ededor de la Tier r a. Arist ót eles supuso que los cielos deber ían est ar form ados por un quint o elem ent o, que llam ó «ét er » ( t érm ino que proviene de una palabra que significa «r esplandecer », ya que lo m ás caract er íst ico de los cuer pos celest es es su lum inosidad) . Com o los cielos no par ecían cam biar nunca, Ar ist ót eles consider ó al ét er com o per fect o, et er no e incorr upt ible, lo que lo hacía m uy dist int o de los cuat r o elem ent os im per fect os de la t ier r a. Est a t eor ía de los cuatr o elem ent os im pulsó el pensam ient o de los hom br es dur ant e dos m il años. Si bien ahor a est á ya m uert a, al m enos en lo que a la ciencia se r efier e, t odav ía per v iv e en el lenguaj e cor r ient e. Por ej em plo, hablam os de la «fur ia de los elem ent os» cuando quer em os ex pr esar que el v ient o ( air e) y las nubes ( agua) se m anifiest an violent am ent e por efect o de la t or m ent a. En cuanto al «quint o elem ent o» ( ét er) , se vio t ransform ado por la lengua lat ina en la quint aesencia, y cuando hablam os de la «quint aesencia» de algo, quer iendo indicar que se encuent r a en el est ado m ás pur o y concent r ado posible, est am os en r ealidad invocando la per fección ar ist ot élica. 4 . Gre cia : los á t om os Ot ro im port ant e t em a de discusión encont ró un am plio desarrollo ent re los filósofos gr iegos: el debat e sobr e la div isibilidad de la m at er ia. Los tr ozos de una piedr a par t ida en dos, incluso r educida a polv o, siguen siendo piedr a, y cada uno de los fr agm ent os r esult ant es puede volv er a div idir se. Est as div isiones y subdiv isiones ¿pueden cont inuar indefinidam ent e? El j onio Leucipo ( apr oxim adam ent e 450 a. de C.) par ece que fue el pr im er o en poner en t ela de j uicio la suposición apar ent em ent e nat ural que afir m a que cualquier t r ozo de m at er ia, por m uy pequeño que sea, siem pr e puede div idir se en ot ros t rozos aún m ás pequeños. Leucipo m ant enía que finalm ent e una de las par t ículas obt enidas podía ser t an pequeña que y a no pudier a seguir div idiéndose. Su discípulo Dem ócr it o ( apr oxim adam ent e 470- 380 a. de C.) , afincado en Abder a, ciudad al nor t e del Egeo, cont inuó en est a línea de pensam ient o. Llam ó át om os, que significa «indivisible», a las par t ículas que habían alcanzado el m enor t am año posible. Est a doct r ina, que defiende que la m at er ia est á for m ada por pequeñas par t ículas y que no es indefinidam ent e div isible, se llam a at om ism o. Dem ócrit o supuso que los át om os de cada elem ent o eran diferent es en t am año y for m a, y que er an est as difer encias las que confer ían a los elem ent os sus dist int as pr opiedades. Las sust ancias r eales, que podem os ver y t ocar, est án com puestas de m ezclas de átom os de difer ent es elem ent os, y una sust ancia puede tr ansfor m ar se en ot r a alt er ando la nat uraleza de la m ezcla. Todo est o t iene par a nosot r os un indudable air e de m oder nidad, per o no debe olv idar se que Dem ócr it o no apeló a la ex per im ent ación para cor r obor ar sus afir m aciones. ( Los filósofos gr iegos no hacían ex per im ent os, sino que llegaban a sus conclusiones ar gum ent ando a par tir de los «pr im eros pr incipios».) Para m uchos filósofos, y especialm ent e para Ar ist ót eles, la idea de una par t ícula de m at er ia no div isible en ot r as m enor es r esult aba paradój ica, y no la aceptar on. Por eso la t eor ía at om ist a se hizo im popular y apenas se v olv ió a t ener en cuent a hasta dos m il años después de Dem ócr it o. Sin em bargo, el at om ism o nunca m ur ió del t odo. Epicur o ( 342- 270 a. de C.) lo incor por ó a su línea de pensam ient o, y el epicur eism o se gr anj eó m uchos seguidor es en los siglos siguient es. Uno de ellos fue el poet a r om ano Tit o Lucr ecio Car o ( 95- 55 a. de C) , conocido sim plem ent e por Lucr ecio. Ex puso la t eor ía at om ist a de Dem ócr it o y Epicur o en un lar go poem a t it ulado De Rer um Nat ur a ( «Sobr e la nat ur aleza de las cosas») . Muchos lo consider an el m ej or poem a didáct ico j am ás escrit o. En cualquier caso, m ient r as que los t rabaj os de Dem ócr it o y Epicur o per ecier on, quedando apenas unas pocas cit as suelt as, el poem a de Lucr ecio sobr ev iv ió ínt egr o, pr eser v ando los hallazgos del at om ism o hast a nuest r os días, en que los nuev os m ét odos cient íficos se incor poran a la lucha y la conducen a la vict or ia final. Ca pít u lo 2 La a lqu im ia Cont enido: 1. Alej andr ía 2. Los ár abes 3. El desper tar en Eur opa 4. El fin de la alquim ia 1 . Ale j an dr ía En la época de Ar ist ót eles, Alej andr o Magno de Macedonia ( un r eino sit uado al nor t e de Gr ecia) conquist ó el v ast o I m per io Per sa. El im per io de Alej andr o se disgr egó después de su m uer t e en el año 323 a. de C., per o los gr iegos y m acedonios m ant uvier on el cont r ol de grandes ár eas de Or ient e Medio. Dur ant e var ios siglos ( el «Per íodo Heleníst ico») t uv o lugar una fr uct ífer a m ezcla de cult ur as. Pt olom eo, uno de los generales de Alej andr o, est ableció un reino en Egipt o, cuya capit al fue la ciudad de Alej andr ía ( fundada por Alej andro) . En Alej andr ía, Pt olom eo y su hij o ( Pt olom eo I I ) levant aron un t em plo a las Musas ( el «Museo» ) que cum plía el m ism o f in de lo que hoy llam aríam os un I nst it ut o de I nv est igación y una Univ er sidad. Junt o a él se const r uyó la m ayor bibliot eca de la ant igüedad. La m aest r ía egipcia en la quím ica aplicada se unió y fundió con la t eor ía gr iega, per o est a fusión no fue t otalm ent e sat isfact oria. En Egipt o el saber quím ico est aba ínt im am ent e ligado con el em balsam ado de los m uer t os y el r it ual r eligioso. Par a los egipcios, la fuent e de t odo conocim ient o era Thot , el de la cabeza de ibis, dios de la sabidur ía. Los gr iegos, im pr esionados por la alt ur a de los conocim ient os de los egipcios, ident ificar on a Thot con su pr opio Her m es y acept ar on una buena dosis de m ist icism o. Los ant iguos filósofos j onios habían separado la r eligión de la ciencia. Est a nuev a unión oper ada en Egipt o ent or peció ser iam ent e los post er ior es avances en el conocim ient o. Com o el ar t e de k hem eia apar ecía t an est recham ent e r elacionado con la r eligión, el pueblo llano r ecelaba a m enudo de quienes lo pr act icaban, consider ándolos adept os de ar t es secr et as y par t ícipes de un saber peligr oso. ( El ast r ólogo con su inquiet ant e conocim ient o del fut ur o, el quím ico con su at er r ador a habilidad par a alt er ar las sust ancias, incluso el sacerdot e con sus secret os sobre la propiciación de los dioses y posibilidad de invocar cast igos ser v ían com o m odelos de cuent os popular es de m agos, bruj os y hechiceros.) Los dest inat arios de est os recelos no solían m ost rarse resent idos, sino que con fr ecuencia se cr ecían, conscient es de que aum ent aban su pr opio poder y quizá t am bién su segur idad. Después de t odo, ¿a quién se le iba a ocur r ir ofender a un m ago? Est e r espet o o r ecelo popular im pulsó a los pr act icant es de la k hem eia a r edact ar sus escrit os m ediant e sim bolism os oscuros y m ist eriosos. El sent im ient o de poder y de est ar en posesión de un saber ocult o aum ent aba aún m ás con esa oscur idad. Por ej em plo, había siet e cuer pos celest es consider ados «planet as» ( «err ant es», porque cont inuam ent e cam biaban de posición con r espect o al fondo est r ellado) y t am bién eran siet e los m et ales conocidos: or o, plat a, cobr e, hier r o, est año, plom o y m er cur io ( véase figur a 2) . Par eció at ract iv o em par ej ar los, y llegó un m om ent o en que el or o se designaba com únm ent e com o «el Sol», la plata com o «la Luna», el cobr e com o «Venus» y así sucesivam ent e. Los cam bios quím icos pudieron ent onces incluir se en una cor r ient e m it ológica. Aún quedan r ecuer dos de aquella época. La denom inación del com puest o ahor a llam ado nit r at o de plat a era «cáust ico lunar ». Est e nom br e, y a en desuso, es un clar o indicio de la ant igua r elación ent r e la plata y la luna. El m ercur io debe su act ual nom br e al planet a Mer cur io. El v er dader o nom br e ant iguo era hydrargy r um ( «plat a líquida») , y el nom br e inglés ant iguo er a el casi idént ico de «quicksilv er ». Est a oscur idad m ás o m enos deliber ada sir v ió a dos desafor t unados pr opósit os. Pr im er o, r et ar dó el pr ogr eso, y a que los que t r abaj aban en est a m at er ia ignoraban en par t e o del t odo- lo que los otr os estaban haciendo, de m odo que no podían beneficiar se de los er r or es ni apr ender de la lucidez de los dem ás. En segundo lugar , per m it ió que char lat anes y engañador es - contando con la oscur idad del lenguaj e- se pr esent ar an a sí m ism os com o tr abaj ador es ser ios. No podía dist inguir se al em baucador del est udioso. El pr im er pract icant e de la k hem eia gr eco- egipcia que conocem os por su nom br e fue Bolos de Mendes ( apr oxim adam ent e 200 a. de C) , una población del delt a del Nilo. En sus escr it os ut ilizó el nom br e de Dem ócr it o, por lo que se le conoce com o «Bolos- Dem ócrit o» o, a veces, com o «seudo- Dem ócrit o». Bolos se dedicó a lo que se había conv er t ido en uno de los gr andes pr oblem as de la k hem eia: el cam bio de un m et al en ot r o y, par t icular m ent e, de plom o o hier r o en oro ( t ransm ut ación) . La t eor ía de los cuat r o elem ent os consider aba que las difer ent es sust ancias del universo diferían únicam ent e en la nat uraleza de la m ezcla elem ent al. Est a hipót esis podr ía ser cier t a según se aceptase o no la t eor ía at om ist a, ya que los elem ent os podr ían m ezclar se com o át om os o com o una sust ancia cont inua. Realm ent e par ecía r azonable pensar que t odos los elem ent os er an int er cam biables ent r e sí. Apar ent em ent e el agua se conv er t ía en air e al ev apor ar se, y r et or naba a la for m a de agua cuando llovía. La leña, al calent ar la, se t r ansfor m aba en fuego y v apor ( una for m a de air e) , y así sucesiv am ent e. ¿Por qué, ent onces, considerar algunos cam bios com o im posibles? Probablem ent e t odo er a cosa de dar con la t écnica apr opiada. Una piedra r oj iza podía conv er t ir se en hier r o gr is a t r avés de un procedim ient o que aún no se había descubier t o en t iem po de Aquiles, quien t uvo que usar ar m as de br once. ¿Qué r azón había par a que el hier r o gr is no pudier a conv er t ir se en or o am ar illo m ediant e alguna t écnica aún no descubier t a en t iem po de Alej andr o Magno? A t r avés de los siglos m uchos quím icos se esfor zar on honr adam ent e en hallar el m edio de pr oducir or o. Sin em bar go, algunos est im ar on m ucho m ás sencillo y pr ovechoso pr et ender hallar se en posesión de la t écnica y com er ciar con el poder y la r eput ación que ello les pr opor cionaba. Est e engaño se m ant uvo hast a la época m oder na, pero no voy a t rat ar de ello en est e libr o. Aunque Bolos en sus escr it os da apar ent em ent e det alles o t écnicas para la obt ención del or o, no podem os r ealm ent e consider ar lo un fr aude. Es posible alear cobr e y cinc, por ej em plo, y obt ener lat ón, que t iene un t ono am ar illo par ecido al del or o, y es bast ant e pr obable que par a los ant iguos ar t esanos la pr eparación de un m et al dor ado fuese lo m ism o que la pr epar ación de or o. Dur ant e la dom inación r om ana el ar t e de la k hem eia ent r ó en decliv e, j unt o con la decadencia general del conocim ient o gr iego. Después del año 100 d. de C. es pr áct icam ent e im posible encont r ar ninguna apor t ación nuev a y se asist e al sur gim ient o de una t endencia a v olv er cada v ez m ás a las int er pr et aciones m íst icas de los pr im er os pensador es. Por ej em plo, hacia el año 300 d. de C. un tr atadist a nacido en Egipt o, Zósim o, escr ibió una enciclopedia en veint iocho volúm enes que abarcaba t odo el saber sobr e khem eia acum ulado en los cinco o seis siglos pr ecedent es, y en la que había m uy poco de valor . Par a ser exact os, se puede encont r ar ocasionalm ent e un pasaj e con alguna nov edad, com o la que par ece r efer ir se al ar sénico. Tam bién par ece que Zósim o descr ibió m ét odos par a pr epar ar acet at o de plom o y que t uv o conocim ient o del sabor dulce de est e com puest o venenoso ( que se ha llam ado hasta hoy «azúcar de plom o»). La m uer t e final sobr ev ino a causa del m iedo. El em perador r om ano Diocleciano t em ía que la k hem eia per m it ier a fabr icar con éx it o or o barat o y hundir la t am baleant e econom ía del im per io. En t iem pos de Zósim o ordenó dest r uir t odos los t r at ados sobr e k hem eia, lo que ex plica el escaso núm er o de ellos que han llegado hast a nosotros. Ot r a r azón es que, con el nacim ient o de la Cr ist iandad, el «pensam ient o pagano» cayó en desgracia. El m useo y la bibliot eca de Alej andr ía r esult ar on grav em ent e dañados a causa de los m otines cr ist ianos ocur r idos a par t ir del año 400 d. de C. El ar t e de la k hem eia, por su est r echa r elación con la r eligión del ant iguo Egipt o, se hizo par t icular m ent e sospechoso, convirt iéndose práct icam ent e en clandest ino. En cier t a m anera el pensam ient o gr iego desapar eció del m undo r om ano. La Cr ist iandad se había escindido en sect as; una de ellas era la de los nest or ianos, así llam ados por que sus m iem br os seguían las enseñanzas del m onj e sir io Nest or io, que v iv ió en el siglo v. Los cr ist ianos or todox os de Const ant inopla per siguier on a los nest orianos, algunos de los cuales huyeron hacia el est e, hast a Persia. Allí los m onar cas per sas los acogier on con gran defer encia ( posiblem ent e con la esper anza de ut ilizar los cont r a Rom a) . Los nest or ianos llev ar on consigo a Per sia el pensam ient o gr iego, incluyendo m uchos libr os de alquim ia, y alcanzar on el cenit de su poder e influencia hacia el año 550 d. de C. 2 . Los á ra be s En el siglo VI I los ár abes ent r ar on en escena. Hasta ent onces habían perm anecido aislados en su península desér t ica, per o ahor a, est im ulados por la nuev a r eligión del I slam fundada por Mahom a, se ex t endieron en t odas dir ecciones. Sus ej ér cit os v ict or iosos conquist ar on ex t ensos ter r it or ios del oest e de Asia y nor t e de Áfr ica. En el 641 d. de C. inv adier on Egipt o y , t r as r ápidas vict or ias, ocupar on t odo el país; en los años siguient es Persia sufrió el m ism o dest ino. Fue especialm ent e en Per sia donde los árabes encont r aron los r est os de la t radición cient ífica gr iega, ant e la que quedar on fascinados. Esta adm ir ación quizá se v ier a t am bién incr em ent ada por un com bat e de gr an significación práct ica. En el año 670 d. de C, cuando sit iar on Constant inopla ( la m ay or y m ás poder osa ciudad cr ist iana) , fuer on der rot ados por el «fuego gr iego», una m ezcla quím ica que ardía con gr an despr endim ient o de calor sin poder apagarse con agua, y que dest r uyó los bar cos de m ader a de la flot a árabe. Según la t r adición la m ezcla fue pr eparada por Callinicus, un pr act icant e de k hem eia que había huido de su Egipt o nat al ( o quizás de Sir ia) ant e la llegada de los árabes. En ár abe k hem eia se conv ir t ió en al- kím iy a, siendo al el pr efij o cor r espondient e a «la». Finalm ent e la palabr a se adopt ó en Eur opa com o alquim ia, y los que t r abaj aban en est e cam po er an llam ados alquim ist as. Ahora el t ér m ino alquim ia se aplica a t odo el desar r ollo de la quím ica ent r e el 300 a. de C. y el 1600 d. de C. aproxim adam ent e, un per íodo de cer ca de dos m il años. Ent r e los años 300 y 1100 d. de C. la hist or ia de la quím ica en Eur opa es pr áct icam ent e un vacío. Después del 650 d. de C. el m ant enim ient o y la ext ensión de la alquim ia gr eco- egipcia est uvo t ot alm ent e en m anos de los ár abes, sit uación que per dur ó dur ant e cinco siglos. Quedan r est os de est e per íodo en los t ér m inos quím icos der iv ados del ár abe: alam bique, álcali, alcohol, garr afa, naft a, cir cón y ot ros. La alquim ia árabe r indió sus m ej or es fr ut os en los com ienzos de su dom inación. Así, el m ás capacit ado y célebr e alquim ist a m usulm án fue Jabir ibn- Hay yan ( apr oxim adam ent e 760- 815 d. de C) , conocido en Eur opa siglos después com o Geber . Viv ió en la época en que el I m per io Ár abe (con Har ún al Raschid, fam oso por Las m il y una noches) se hallaba en la cúspide de su glor ia. Sus escr it os fuer on num er osos y su est ilo er a r elat iv am ent e avanzado. Muchos de los libr os que llev an su fir m a pueden haber sido escr it os por alquim ist as post er ior es y at r ibuidos a él. Descr ibió el clor ur o de am onio y enseñó cóm o pr epar ar albay alde ( carbonat o de plom o) . Dest iló v inagr e para obt ener ácido acét ico fuer t e, el ácido m ás corr osiv o conocido por los ant iguos. Pr epar ó incluso ácido nít r ico débil que, al m enos en pot encia, era m ucho m ás corrosivo. Sin em bar go, la m ay or influencia de Jabir reside en sus est udios r elacionados con la t r ansm utación de los m et ales. Consider aba que el m er cur io er a el m et al por ex celencia, ya que su nat ur aleza líquida le confer ía la apar iencia de poseer una pr opor ción m ínim a de m at er ial t er r oso. Por su par t e, el azufr e poseía la notable pr opiedad de ser com bust ible ( y adem ás poseía el color am ar illo del or o). Jabir cr eía que los div er sos m et ales est aban for m ados por m ezclas de m er cur io y azufr e, y solam ent e r est aba hallar algún m at er ial que facilit ase la m ezcla de m er cur io y azufr e en la pr opor ción necesar ia para form ar oro. La ant igua tr adición sost enía que esta sustancia act iv adora de la tr ansm ut ación era un polv o seco. Los gr iegos lo llam aban x er ion, der iv ado de la palabr a gr iega cor r espondient e a «seco». Los árabes la cam biar on por al- ik sir , y en Eur opa se conv ir t ió finalm ent e en elix ir . Com o una pr ueba m ás de que se le at r ibuían las pr opiedades de seca y t er rosa dir em os que en Eur opa fue llam ada v ulgarm ent e la piedr a filosofal. ( Recordem os que t odav ía en 1800, un «filósofo» er a lo que ahora llam am os un « cient ífico».) El sor pr endent e elix ir est aba dest inado a poseer ot r as m ar av illosas pr opiedades, y sur gió la idea de que const it uía un r em edio para t odas las enfer m edades y que podía confer ir la inm or t alidad. Por ello se habla del elix ir de la v ida, y los quím icos que t r ataban de conseguir oro podían conseguir igualm ent e la inm or talidad ( t am bién en vano) . En efect o, dur ant e los siglos post er ior es, la alquim ia se desar r olló según dos vías paralelas pr incipales: una m iner al, en la que el pr incipal obj et iv o er a el or o, y ot r a m édica, en la que el fin pr im or dial er a la panacea. Seguidor de Jabir, y poseedor de análogos conocim ient os y r eput ación, fue el alquim ist a per sa Al Razi ( apr oxim adam ent e 850- 925) , conocido m ás tar de en Eur opa com o Rhazes. Tam bién él descr ibió cuidadosam ent e su t rabaj o, pr epar ando, por ej em plo, em plast o de Par ís, y descr ibiendo el m odo en que podía em plear se para hacer enyesados que m ant uviesen en su sit io los huesos rot os. I gualm ent e est udió y descr ibió el ant im onio m et álico. Al m er cur io ( que era volát il, est o es, for m a vapor al calent ar lo) y al azufr e ( que er a inflam able) añadió la sal com o t er cer pr incipio en la com posición gener al de los sólidos, porque la sal no er a ni v olát il ni inflam able. Al Razi se int er esó m ás por la m edicina que Jabir , y est o dio or igen a los aspect os m édicos de la alquim ia, que cont inuar on con el per sa I bn Sina ( 979- 1037) , m ucho m ás conocido com o Av icena, ver sión lat inizada de su nom br e. En r ealidad, Av icena fue el m édico m ás im por t ant e ent r e la época del I m per io Rom ano y los or ígenes de la ciencia m oder na. Había apr endido lo bast ant e de los fr acasos de siglos y siglos com o para dudar de la posibilidad de for m ar or o a par t ir de los m et ales. Aunque en est o er a, y sigue siendo, una excepción ent r e los alquim ist as. 3 . El de sper t a r en Eu ropa La ciencia árabe declinó r ápidam ent e después de Av icena. Er an t iem pos difíciles para el m undo islám ico y se hicier on m ás difíciles aún com o r esult ado de las invasiones y v ict or ias de los tur cos y m ongoles, pueblos r elat iv am ent e bár bar os. La palm a del lider azgo cient ífico abandonó a los árabes al cabo de t r es siglos, para no volver m ás, y pasó al oest e de Eur opa. Los europeos occident ales t uvieron su prim er cont act o ínt im o y m ás o m enos pacífico con el m undo islám ico com o r esult ado de las Cr uzadas. La pr im era Cr uzada fue en 1096, y los crist ianos europeos conquist ar on Jerusalén en 1099. Durant e casi dos siglos consecutivos exist ió un dom inio crist iano en la costa siria, com o una pequeña isla en el océano m usulm án. Hubo ciert a fusión de cult uras y el fluir de cr ist ianos que v olv ían a Eur opa occident al t r aj o consigo una cier t a apr eciación de la ciencia ár abe. En est e m ism o per íodo, los cr ist ianos españoles iban r econquist ando gr adualm ent e el t er r it or io que habían per dido ante el I slam en los pr im eros ocho siglos. De est a for m a, t ant o ellos com o en gener al t oda la Eur opa cr ist iana t uvier on una nuev a noción de la br illant e civ ilización m or isca que se había desarr ollado en España. Los eur opeos supier on que los ár abes poseían libr os de pr ofundo cont enido cient ífico que habían sido t raducidos de los or iginales gr iegos - los tr abaj os de Ar ist ót eles, por ej em plo- , así com o sus pr opias pr oducciones - los t r abaj os de Av icena, ent r e ot r os. A pesar de la r elat iv a aver sión a m anej ar los t r abaj os de aquellos que par ecían enem igos m ort ales e ir r econciliables, surgió un m ovim ient o par a t r aducir los al lat ín con obj et o de que pudiesen ut ilizarlos los est udiosos europeos. El hum anist a fr ancés Ger ber t ( apr oxim adam ent e 940- 1003) , futur o Papa Silv est r e I I en el año 999, fue uno de los pr im er os alent ador es de est e m ov im ient o. El escolást ico inglés Rober t de Chest er figura ent r e los pr im er os que tr aduj er on una obra ár abe de alquim ia al lat ín, acabando dicho t rabaj o en 1144. Siguier on m uchos ot r os, y el pr incipal t r aduct or fue el er udit o it aliano Ger ardo de Cr em ona ( apr oxim adam ent e 1114- 87) . Pasó m ucho t iem po de su v ida en Toledo, que había sido t om ado por las t r opas cr ist ianas en 1085. Tr aduj o nov ent a y dos t r abaj os ár abes, algunos de ellos ex t r aor dinar iam ente lar gos. Así, pues, a par t ir de 1200 apr oxim adam ent e los escolást icos eur opeos pudier on asim ilar los hallazgos alquim ist as del pasado e int ent ar av anzar con ellos, encont r ándose, desde luego, con m ás callej ones sin salida que am plias vías de pr ogr eso. El pr im er alquim ist a eur opeo im por t ant e fue Alber t o de Bollst adt ( aproxim adam ent e 1200- 80) , m ás conocido com o Albert o Magno. Est udió int ensam ent e los t r abaj os de Ar ist ót eles, y fue a t r avés de él com o la filosofía ar ist ot élica adquir ió t ant a im por t ancia par a la erudición de finales de la Edad Media y pr incipios de la Moder na. Alber t o Magno descr ibió el ar sénico con t ant a clar idad en el t ranscurso de sus ex per im ent os de alquim ia, que en ocasiones se le consider a com o descubr idor de est a sust ancia, aunque, al m enos en form a im pur a, era pr obablem ent e conocida por los ant iguos alquim ist as. Un cont em por áneo de Alber t o Magno fue el m onj e inglés Roger Bacon ( 1214- 92) , a quien hoy día se le conoce m ej or por su cr eencia clar am ent e ex pr esada de que en la ex per im ent ación y en la aplicación de t écnicas m at em át icas a la ciencia r esidir ía la pr incipal esper anza de pr ogr eso. Tenía r azón, pero el m undo no estaba t odav ía en condiciones de acept ar lo. Bacon int ent ó escr ibir una enciclopedia univ er sal del saber , y en sus escr it os se encuent r a la pr im er a descr ipción de la pólv or a negr a. Se le consider a a v eces com o su descubr idor , per o no lo fue; el v er dader o descubr idor es desconocido. En aquella época la pólv or a negra contr ibuyó a dest r uir el orden m ediev al de la sociedad, pr oporcionando a los ej ér cit os un m edio de arr asar los m ur os de los cast illos, y a los hom br es de a pie una opor t unidad de disparar cont ra los de a caballo en el com bate. Fue el pr im er sím bolo del pr ogr eso t ecnológico que condujo a los ej ércit os europeos a conquist ar otros cont inent es dur ant e los cinco siglos t ranscurridos ent r e 1400 y 1900, conquist a que sólo en nuest ros días est á invirt iendo su signo. La alquim ia en una or ient ación m ás m íst ica se encuent r a en tr abaj os atr ibuidos a los españoles Ar naldo de Vilanov a ( aproxim adam ent e 1235- 1311) y Raim undo Lulio ( 1235- 1315) , aunque no es seguro que fuer an ellos los ver dader os aut or es. Est os escr it os est án pr ofundam ent e apoyados en la idea de la t r ansm ut ación, y se ha supuest o incluso ( por t r adición) que Lulio fabr icó oro para el der r ochador Eduar do I I de I nglat er r a. Per o el m ás im por t ant e de los alquim ist as m ediev ales no se conoce por su nom br e, y a que escr ibió con el seudónim o de Geber , el alquim ist a ár abe que había v iv ido dos siglos ant es. Nada se sabe de est e «falso Geber » ex cept o que fue pr obablem ent e español y que escr ibió alr ededor de 1300. Fue el pr im er o en descr ibir el ácido sulfúr ico, la sust ancia sim ple m ás im por tant e de las ut ilizadas por la indust r ia quím ica en la act ualidad ( después del agua, air e, car bón y pet r óleo) . Descr ibió t am bién la for m ación de ácido nít r ico fuer t e. Est os ácidos se obt enían de los m iner ales, m ient r as que los ácidos conocidos con ant er ior idad, com o el acét ico y el v inagr e, procedían del m undo or gánico. El descubr im ient o de los ácidos m iner ales fuer t es fue el adelant o m ás im por t ant e después de la afor tunada obt ención del hier r o a par t ir de su m ena unos t r es m il años ant es. Los eur opeos logr ar on llev ar a cabo m uchas r eacciones quím icas y disolv er num er osas sust ancias con ayuda de los ácidos m iner ales fuer t es, cosa que no podían conseguir los gr iegos ni los ár abes con el v inagr e, el ácido m ás fuer t e de que disponían. En r ealidad los ácidos m iner ales er an m ucho m ás im por t ant es para el bienest ar de la hum anidad de lo que hubier a sido el or o, incluso de haber lo obt enido por t r ansm utación. El v alor del or o habr ía desapar ecido t an pr ont o com o ést e dej ase de ser r aro, m ient r as que los ácidos m iner ales son t ant o m ás valiosos cuanto m ás barat os y abundant es. No obstant e, la nat ur aleza hum ana es t al, que los ácidos m iner ales no causar on gr an im pr esión, m ient r as que el oro siguió buscándose áv idam ent e. Per o ent onces, después de un pr om et edor com ienzo, la alquim ia em pezó a degener ar por t er cer a v ez, com o había ocurr ido pr im ero ent r e los gr iegos y después ent r e los árabes. La caza del or o se conv ir t ió en dom inio casi absolut o de char lat anes, aunque los gr andes er udit os (Boyle y New t on ent r e ellos) no pudier on, ya en el siglo XVI I resist irse a dedicar a ello sus conocim ient os. Una vez m ás, igual que baj o el dom inio de Diocleciano m il años ant es, el est udio de la quím ica fue pr ohibido, m ás por m iedo al éx it o en la obt ención de or o que por indignación ant e la char lat aner ía. El papa Juan XXI I la declar ó anat em a en 1317, y los alquim ist as honr ados, obligados a t rabaj ar a escondidas, se v olv ier on m ás oscur os que ant es, m ient r as que, com o siem pr e, flor ecier on los quím icos deshonest os. Nuev os vient os se agit aban cada v ez con m ás violencia en Eur opa. Los r est os del I m perio Bizant ino, con su capit al en Const ant inopla, se ext inguían a t odas luces. En 1204 fue br ut alm ent e saqueado por los cruzados del oest e de Eur opa, y m uchos docum ent os del saber gr iego, que hast a ent onces habían per m anecido int act os, al m enos en aquella ciudad, se perdier on par a siem pr e. Los gr iegos r ecuper aron la ciudad en 1261, per o a par t ir de ent onces sólo fue una som br a de lo que había sido antes. En los dos siglos post er ior es, los ej ér cit os t ur cos pusier on cer co sin t r egua a la ciudad y, finalm ent e, en 1453, cayó Const ant inopla, que desde ent onces ha sido t ur ca. Tanto antes com o después de la caída los er udit os gr iegos huyer on a Eur opa Occident al, llev ando consigo la par t e de sus bibliot ecas que pudier on salv ar . El m undo occident al sólo llegó a her edar r est os del saber gr iego, per o aun así fuer on enor m em ent e est im ulant es. Est a fue t am bién la época de las gr andes ex plor aciones, a lo que cont r ibuyó en el siglo XI I I el descubr im ient o de la br új ula. En 1497 se ex plor ó la cost a de Áfr ica y se dio la v uelt a al cont inent e. Con la posibilidad de llegar a la I ndia por m ar y ev it ar el m undo islám ico, Europa podía com erciar dir ect am ent e con el lej ano Or ient e. Aún m ás espectacular es fuer on los viaj es de Cr ist óbal Colón ent r e 1492 y 1504, gr acias a los cuales pr ont o se reveló ( aunque el m ism o Colón nunca adm it ió est e hecho) que se había descubier t o una nuev a par t e del m undo. Los europeos estaban descubr iendo tant os hechos desconocidos par a los gr andes filósofos gr iegos que em pezó a cundir la idea de que, después de t odo, los gr iegos no er an super hom br es om niscient es. Los eur opeos, que habían dem ostr ado y a su super ior idad en la navegación, t am bién podían m ostrar se super ior es en ot r os aspect os. Se dest r uyó así una especie de bloqueo psicológico, y r esult ó m ás fácil poner en duda los hallazgos de los ant iguos. En est a m ism a «Era de la Exploración» un invent or alem án, Johann Gut enberg ( apr oxim adam ent e 1397- 1468) , pr oyect ó la pr im era im pr enta práct ica, ut ilizando t ipos m ovibles que podían ser desm ontados y colocados j unt os par a im pr im ir cualquier libr o que se desease. Por pr im era v ez en la Hist or ia fue posible pr oducir libr os en cant idad y económ icam ent e, sin m iedo de que se pr oduj esen err or es en las copias ( aunque, por supuest o, podía haber er r or es en la com posición) . Gr acias a la im pr ent a, las concepciones poco popular es no se ex t inguir ían necesar iam ent e por falt a de alguien que car gara sobr e sus espaldas la labor iosa t ar ea de copiar el libr o. Uno de los pr im eros que apar eció en for m a im pr esa fue el poem a de Lucr ecio, que difundió la concepción at om ist a a lo lar go y ancho de t oda Eur opa. En el año 1543 se publicar on dos libr os r evolucionar ios que en la época ant er ior a la im pr ent a fácilm ent e hubier an perm anecido ignor ados por los pensador es or t odoxos, per o que ahora se ex t endier on por t odas par t es y no pudier on ignor ar se. Uno de ellos había sido escr it o por un ast r ónom o polaco, Nicolás Copér nico ( 1473- 1543) , quien m ant enía que la Tier r a no era el cent r o del univ er so, com o habían dado por sent ado los ast rónom os gr iegos, sino que lo er a el Sol. El ot r o libr o est aba escr it o por un anat om ist a flam enco, Andr eas Vesalius ( 1514- 1564) , quien t r azó la anat om ía hum ana con una ex act it ud sin precedent es. Se basaba en obser vaciones del pr opio Vesalius y r echazaba m uchas de las cr eencias que dat aban de las ant iguas fuent es gr iegas. Est e der r ocam ient o sim ult áneo de la ast r onom ía y la biología gr iegas ( aunque las concepciones gr iegas m ant uvier an su influencia en algunas zonas dur ant e un siglo o m ás) m ar có el com ienzo de la «Revolución Cient ífica». Est a r evolución sólo penet r ó liger am ent e en el m undo de la alquim ia, per o infundió algún v igor t ant o en los aspect os m iner alógicos com o m édicos de la m ism a. 4 . El fin de la a lquim ia El nuev o espír it u hizo act o de pr esencia en los t r abaj os de dos m édicos cont em poráneos, uno alem án, Georg Bauer ( 1494- 1555) , y ot ro suizo, Teophrast us Bom bast us von Hohenheim m ( 1493- 1591) . Bauer es m ás conocido com o Agr ícola, que en lat ín quier e decir cam pesino ( lo m ism o que 'Bauer ' en alem án) . Se int er esó en la m iner alogía por su posible conex ión con los fár m acos. De hecho, la conex ión ent r e la m edicina y los fár m acos y la com binación m édico- m iner alogist a fue un r asgo dest acado en el desar r ollo de la quím ica dur ant e los dos siglos y m edio siguient es. El libr o de Agr ícola De Re Met allica ( «Sobr e la Met alur gia») ( ver fig. 3) se publicó en 1556, y en él se r eúnen t odos los conocim ient os práct icos que podían r ecoger se ent r e los m iner os de la época. Est e libr o, escr it o en un est ilo clar o y con excelent es ilust raciones de m aquinar ia para la m iner ía, se popular izó r ápidam ent e y hoy día aún per m anece com o un not able clásico de la ciencia 5 . De Re Met allica, el m ás im por t ant e t r abaj o sobr e t ecnología quím ica ant er ior a 1700, est ableció la m iner alogía com o ciencia. ( El libr o m ás valioso sobr e m et alurgia y quím ica aplicada ant er ior al de Agr ícola fue el del m onj e Theophilus, posiblem ent e gr iego, que vivió hacia el año 1000 d. de C. ) 5 Es int eresant e que la ú nica t raducción en lengua inglesa del t rabaj o de Agrícola, publicada en 1912, se deba al que después sería President e de los Est ados Unidos Herbert Hoov er, ingeniero de m inas de profesión, y a su esposa. Una m agnífica edición con ilust raciones t om adas del original ha sido realizada por Dover Pub. En cuant o a von Hohenheim , es m ás conocido por su aut o seudónim o Paracelso, que significa «m ej or que Celso». Celso fue un r om ano que escr ibió sobr e m edicina, y cuyas obr as habían sido r ecient em ent e im pr esas. Am bos fuer on obj et o de una desm edida y , en el caso de Par acelso, er r ónea idolat r ía. Figura 3. Portada del libr o De Re Met allica, de Agr ícola Paracelso, com o Av icena cinco siglos ant es, r epr esent ó un desplazam ient o del cent r o de int er és de la alquim ia, el or o, hacia la m edicina. Par acelso m ant enía que el fin de la alquim ia no er a el descubr im ient o de t écnicas de t r ansm ut ación, sino la pr epar ación de m edicam ent os que curasen las enfer m edades. En la ant igüedad lo m ás fr ecuent em ent e usado para est os fines er an las pr epar aciones con plant as, per o Paracelso est aba sincer am ent e conv encido de la eficacia de los m iner ales com o fár m acos. Paracelso fue un alquim ist a de la v iej a escuela, a pesar de su insist encia en cont r a de la t r ansm ut ación. Acept ó los cuat r o elem ent os de los gr iegos y los t r es pr incipios ( m er cur io, azufr e y sal) de los árabes. Buscó incesant em ent e la piedr a filosofal en su función de elix ir de la vida, e incluso insist ió en que la había encont r ado. Tam bién, con m ás fundam ent o esta vez, obt uvo el m et al cinc y con fr ecuencia se le consider a su descubr idor , pese a que el cinc, en for m a de m iner al o de aleación con cobr e ( lat ón), er a conocido desde la ant igüedad. Paracelso siguió siendo una figur a polém ica durant e m edio siglo después de su m uert e. Sus seguidor es aum ent aron el cont enido m íst ico de sus concepciones, y en algunos aspect os las reduj eron a sort ilegios sin sent ido. A est a corrupción se unió las desvent aj as de un m om ent o en el que la alquim ia apuntaba cada v ez m ás hacia una et apa de clar idad y r acionalidad. Por ej em plo, el alquim ist a alem án Andr eas Libau ( apr oxim adam ent e 1540- 1616) , m ás conocido por el nom br e lat inizado de Libav ius, publicó una Alquim ia en 1597. Est e libr o er a un r esum en de los logr os m ediev ales en alquim ia, y puede consider ar se com o el pr im er t ex t o de quím ica de nom br e conocido, pues est aba escrit o con claridad y sin m ist icism o. De h echo, at acó con saña las oscuras t eorías de los que él llam aba «paracelsianos», si bien est aba de acuer do con Paracelso en que la función pr incipal de la alquim ia er a la de auxiliar de la m edicina. Libav ius fue el pr im er o en descr ibir la pr epar ación del ácido clor hídr ico, t et r aclor ur o de est año y sulfat o am ónico. Tam bién descr ibió la pr eparación del agua r egia, una m ezcla de ácidos nít r ico y clor hídr ico cuyo nom br e viene de su capacidad par a disolv er el or o. I ncluso sugir ió que las sustancias m iner ales pueden r econocer se por la for m a que adopt an los cr ist ales or iginados al ev apor ar se sus soluciones. Sin em bar go, est aba conv encido de que la t r ansm ut ación er a posible, y de que el descubr im ient o de m ét odos para fabr icar oro er a un im por t ant e fin del est udio de la quím ica. En 1604, un alem án llam ado Johann Tholde publicó un t ext o m ás especializado ( no se sabe nada m ás sobr e su aut or ) . At r ibuyó el libr o a un m onj e alem án, Basil Valenine, per o es casi segur o que est e nom br e no es sino un seudónim o. El v olum en, t it ulado La carr oza t r iunfal del ant im onio, t r at a sobr e los usos m édicos de est e m et al y sus derivados. Más tarde, un quím ico alem án, Johann Rudolf Glauber ( 1604- 68) , descubr ió un m ét odo para pr eparar ácido clor hídr ico por m edio de la acción del ácido sulfúr ico sobr e la sal com ún. En el pr oceso obt uv o un r esiduo, el sulfat o sódico, que act ualm ent e se sigue llam ando «sal de Glauber ». Glauber se fam iliar izó con est a sust ancia, la est udió int ensiv am ent e y advir t ió su act iv idad lax ant e. La llam ó «sal m ir abile» ( «sal m arav illosa») y la consider ó com o un cur alot odo, casi el elix ir de la v ida. Glauber se dedicó a la fabr icación de est e com puest o, así com o de ot r os que consider ó de valor m edicinal y que t am bién r esult ar on ser de gr an valor com o m odo de ganar se la v ida. Si bien est a ocupación era m enos espect acular que la fabr icación de or o, result ó m ás út il y provechosa. La r ealidad económ ica hablaba a gr it os incluso par a aquellos que se m ost r aban im penet r ables al r azonam ient o cient ífico. Había dem asiado de út il y pr ov echoso en el conocim ient o de los m iner ales y las m edicinas com o para per der el t iem po en una int er m inable car r er a de locos t r as el or o. De hecho, en el cur so del siglo XVI I la alquim ia ent r ó en fr anca decadencia, y en el XVI I I se t ransfor m ó en lo que hoy llam am os quím ica. Ca pít u lo 3 La t r an sición Cont enido: 1. La m edida 2. La ley de Boyle 3. La nueva concepción de los elem ent os 4. El flogist o 1 . La m e dida Con t odo, y a pesar de su avance, el conocim ient o quím ico quedó r et r asado r espect o a otr as ram as de la ciencia. La im por tancia de las m ediciones cuant it at iv as y de la aplicación de t écnicas m at em át icas a la astr onom ía había sido r econocida desde m uy ant iguo. Una r azón para ello es que los problem as astr onóm icos que ocupaban a los ant iguos eran r elat iv am ent e sim ples, y algunos de ellos podían abor darse bast ant e bien incluso con la geom et r ía plana. El cient íf ico it aliano Galileo Galilei ( 1564- 16 42) , que en los años 1590- 99 est udió el com por t am ient o de los cuerpos dur ant e su caída, pr ot agonizó espect acular m ent e la aplicación de las m at em át icas y las m ediciones cuidadosas a la física. Los r esult ados de su t r abaj o conduj er on, casi un siglo después, a las im por tant es conclusiones del cient ífico inglés I saac New t on ( 1642- 1727) . En su libr o Pr incipia Mat hem at ica, publicado en 1687, Newt on int roduj o sus t res leyes del m ovim ient o, que dur ant e m ás de dos siglos sir v ier on com o base a la ciencia de la m ecánica. En el m ism o libr o New t on pr esent ó su t eor ía de la gr av it ación, que t am bién durant e m ás de dos siglos const it uy ó una ex plicación adecuada de las obser vaciones sobr e el univ er so y que, dent r o de los lím it es de nuest r as obser vaciones per sonales y de las v elocidades que podem os alcanzar , cont inúa siendo v álida en la act ualidad. En r elación con est a t eor ía New t on ut ilizó el cálculo infinit esim al, una nuev a y poder osa ram a de las m at em át icas que él m ism o ideó. Con Newt on, la r evolución cient ífica alcanzó su clím ax. Ya no quedaba ningún pr oblem a pendient e, ni de los gr iegos ni de la ant igüedad en gener al. Eur opa Occident al los había super ado am pliam ent e, y nunca m ás volv er ía a m irar hacia at r ás. Per o est e cam bio de la descr ipción m er am ent e cualit at iv a a las cuidadosas m edidas cuant it at iv as no se r egist r ó en la quím ica hast a un siglo después del decisiv o t r abajo de Newt on. De hecho, Newt on, m ient ras const r uía la estruct ura de la ast ronom ía y la física con una belleza y una solidez que dej ar on at ónit o al m undo de la ciencia, per m anecía inm erso en la alquim ia buscando ardient em ent e por t oda Eur opa r ecet as par a fabr icar oro por t r ansm ut ación. Est a persist encia en el er r or no puede achacar se por com plet o a los quím icos. Si fuer on m ás t ar dos en adopt ar las t écnicas m at em át icas cuant it at iv as de Galileo y New t on fue por que el m at er ial con el que t r abaj aban r esult aba m ás difícil de pr esent ar en una for m a lo bast ant e sim ple com o par a ser som et ido a un t rat am ient o m at em át ico. Con t odo, los quím icos hacían pr ogr esos, y ya en la época de Galileo apar ecen débiles indicios de la fut ur a r ev olución quím ica. Tales indicios sur gen, por ej em plo, en los t r abaj os del m édico flam enco Jean Bapt ist e Van Helm ont ( 1577- 1644) . Cult iv ó un ár bol en una cant idad deter m inada de t ier r a, añadiendo agua per iódicam ent e y pesándolo con cuidado a m edida que cr ecía. Desde el m om ent o en que esper aba descubr ir el or igen de los tej idos viv ient es for m ados por el ár bol, est aba aplicando la m edición a pr oblem as de quím ica y biología. Hasta la época de Van Helm ont , la única sust ancia aér ea conocida y est udiada er a el air e m ism o, que par ecía lo suficient em ent e dist int o de las ot r as sustancias com o para ser v ir de elem ent o a los gr iegos. En r ealidad, los alquim ist as habían obt enido con fr ecuencia «air es» y «vapor es» en sus ex per im ent os, per o er an sust ancias escur r idizas, pesadas de est udiar y obser v ar y fáciles de ignor ar . El m ist er io de est os vapor es est aba im plícit o en el nom br e que se dio a los líquidos fácilm ent e v apor izables: «espír it us», una palabra que or iginalm ent e significaba «suspir o» o «air e», per o que t am bién t enía un sent ido ev ident e de algo m ist er ioso y hast a sobr enat ural. Todav ía hablam os de «espír it us» para cier t os alcoholes o par a la t r em ent ina. El alcohol es, con m ucho, el m ás ant iguo y m ej or conocido de los líquidos volát iles; t ant o, que en inglés la palabra «spir it s» ha t er m inado por aludir específicam ent e a los licores alcohólicos. Van Helm ont fue el pr im er o en consider ar y est udiar los vapor es que él m ism o pr oducía. Obser v ó que se par ecían al air e en su apar iencia física, per o no en t odas sus pr opiedades. En par t icular , obt uvo los vapor es de la m adera al ar der, que par ecían air e, per o que no se com por t aban com o tal. Para Van Helm ont, est as sustancias parecidas al air e, sin volum en ni for m a det er m inados, eran algo sem ej ant e al «chaos» gr iego: la m at er ia or iginal, infor m e y desor denada, a par t ir de la cual ( según la m it ología gr iega) fue cr eado el univ er so. Van Helm ont aplicó a los vapor es el nom br e de «chaos», que pr onunciado con la fonét ica flam enca se conv ier t e en gas. Est e t ér m ino se aplica t odav ía a las sust ancias par ecidas al air e. Van Helm ont llam ó al gas que obt uvo de la m adera «gas silv est r e» ( «gas de m adera») . Era el que act ualm ent e llam am os dióxido de car bono. El est udio de los gases, la for m a m ás sencilla de m at er ia, fue el pr im er o que se pr est ó a las t écnicas de m edición pr ecisa: sir v ió de cam ino al m undo de la quím ica m oder na. 2 . La le y de Boy le Hacia el final de la v ida de Van Helm ont , los gases - en par t icular el air e, por ser el gas m ás cor r ient e- alcanzar on una nuev a y decisiv a im por tancia. El físico it aliano Evangelist a Tor r icelli ( 1608- 47) logr ó probar , en 1643, que el air e ej er cía pr esión. Dem ostr ó que el air e podía sost ener una colum na de m er cur io de set ent a cent ím et ros de alt ura y con ello inv ent ó el baróm et ro. Los gases, de r epent e, per dier on su m ist erio. Er an m at er iales, poseían peso, com o los líquidos y los sólidos m ás fácilm ent e est udiados. Se difer enciaban de ellos sobr e t odo en su densidad m ucho m ás baj a. La pr esión ej er cida por el peso de la at m ósfer a fue dem ostrada de m odo espect acular por el físico alem án Ot t o von Guer icke ( 1602- 86) . I nvent ó una bom ba de air e con la que se podía ex t r aer ést e de un r ecipient e, de m aner a que la pr esión del air e en el ex t er ior no llegaba a igualar se con la pr esión del air e int er ior . En 1654, Guer icke pr eparó dos sem iesfer as de m et al que encaj aban m ediant e un r eborde engr asado. Después de unir las dos sem iesfer as y ex t r aer el air e que cont enían m ediant e una bom ba, la presión del air e ex t er ior m ant enía las sem iesfer as unidas. Yunt as de caballos unidas a cada una de las dos sem iesfer as y fust igadas par a que t ir asen lo m ás posible en dir ecciones opuest as, no logr ar on separar las sem iesfer as. Sin em bar go, en cuant o se perm it ió que el air e v olv iese a penet r ar en las sem iesfer as, pudier on separar las. Figura 4. La ley de Boyle, que est ableció la r elación de pr opor cionalidad inver sa ent r e la pr esión y el volum en de un gas a t em per at ur a const ant e, der iva del ex per im ent o ilust rado. El m er cur io ver tido en la ram a lar ga del t ubo em puja el air e encer r ado hacia la ram a cor t a. Doblando la alt ura de la colum na de m er curio, la de air e se r educe a la m it ad. La r elación viene ex pr esada en la cur va de la par t e super ior , que es una sección de una r am a de hipér bola. Est e t ipo de dem ostr aciones desper t aron gran int er és por las pr opiedades del air e. Y ex cit ar on en par t icular la cur iosidad del quím ico ir landés Rober t Boyle ( 1627- 91) , quien pr oyect ó una bom ba de air e m ás per feccionada que la de Guer icke. En vez de, por así decir , ex t r aer el air e pr ocedim ient o opuest o de com pr im ir lo. de un r ecipient e aspir ándolo, pr obó el Edm e Mariot t e Robert Boyle En sus ex per im ent os, Boyle halló que el v olum en de una m uest ra de air e var iaba con la pr esión según una pr oporción inver sa sim ple ( ver figur a 4) , y lo descubr ió v er t iendo m er cur io gota a gota en un t ubo m uy lar go, de const r ucción especial, y dej ando una m uest ra de air e en el ex t r em o cor t o, cer rado, que se aj ust aba m ediant e una espit a. Añadiendo m ás m ercur io al ex t r em o lar go y abier t o podía incr em ent ar la pr esión del air e encer r ado. Si añadía suficient e m er cur io com o par a som et er el air e a una pr esión doble ( doble peso de m er cur io) , el v olum en del air e encer r ado se r educía a la m it ad. Si la pr esión se t r iplicaba, el v olum en se r educía a un t er cio. Por ot r a par t e, si se r educía la pr esión el air e se ex pandía. Est a r elación en la que el v olum en dism inuía a m edida que aum ent aba la pr esión se publicó por vez pr im era en 1622, y t odavía nos r eferim os a ella com o la ley de Boyle. Est e fue el pr im er int ent o de aplicar m ediciones ex act as a los cam bios en una sust ancia de par t icular int er és para los quím icos 6 . 6 Es preciso señalar, sin em bargo, que el cam bio est udiado p or Boy le no era un cam bio quím ico. El aire, t ant o si se com prim e com o si se ex pande, cont inúa siendo aire. Tal cam bio en volum en es un cam bio físico. El est udio de los cam bios físicos de los com puest os quím icos con cierne a la quím ica física. Ést a no t uv o ex ist encia real hast a dos siglos después de la época de Boy le ( v éase capít ulo 9) , pero él puso los cim ient os. Boyle no especificó que la t em per at ura debe m ant ener se const ant e para que dicha ley sea v álida. Pr obablem ent e lo r ealizó así, y supuso que se dar ía por hecho. El físico fr ancés Edm e Mar iot t e ( 1630- 1684) , que descubr ió independient em ent e la ley de Boyle hacia el año 1680, especificó que la t em per at ur a debe m ant ener se const ant e. Por esta razón, en la Europa cont inent al se alude con fr ecuencia a la ley de Boyle com o la ley de Mariot t e. Los ex per im ent os de Boyle ofr ecían un cent r o de at racción para el cr ecient e núm er o de at om ist as. Com o se ha dicho ant es, el poem a de Lucr ecio, publicado en una edición im pr esa, había at raído la at ención de los hum anist as eur opeos hacia las opiniones gr iegas sobr e el at om ism o. Un filósofo fr ancés, Pier r e Gassendi ( 15921655) , se convir t ió com o r esult ado de ello en un at om ist a convencido; y sus escr it os im pr esionar on tant o a Boyle que, a r aíz de ello, t am bién ést e se conv ir t ió al at om ism o. Mient r as la at ención se siguió cent r ando en los líquidos y sólidos solam ent e, las pr uebas del at om ism o no fuer on m ayores en t iem po de Boyle que en el de Dem ócr it o. Los líquidos y sólidos no pueden com pr im ir se m ás que en pr opor ciones insignificant es. Si se com ponen de át om os, est os át om os deben de est ar en cont act o, y no pueden sit uarse m ás j unt os de lo que est án. Por lo t ant o, es difícil ar gum ent ar que los líquidos y los sólidos t ienen que est ar com puest os de át om os, porque si est uviesen hechos de una sust ancia cont inua sería t am bién m uy difícil com pr im ir los. ¿Por qué ent onces pr eocuparse por los át om os? Sin em bar go, el air e, com o y a se había obser v ado en los t iem pos ant iguos y com o Boyle ponía ahor a en clar o espectacularm ent e, podía com pr im ir se con facilidad. ¿Cóm o podía ocurr ir eso, a m enos que est uviese for m ado por át om os m inúsculos separados por el espacio vacío? La com presión del air e significar ía sim plem ent e, desde est e punt o de vist a, la supr esión del espacio vacío en el volum en, colocando a los át om os en estrecho cont acto. Si se acept a esta opinión sobr e los gases, es m ás fácil cr eer que t am bién los líquidos y sólidos est án com puest os de átom os. Por ej em plo, el agua se ev apora. ¿Cóm o podía ocur r ir est o, a no ser que desapar eciese en for m a de par t ículas m inúsculas? Y, ¿qué ser ía m ás sim ple, ent onces, que suponer que pasa a vapor át om o a át om o? Si el agua se calient a, hier v e, y el v apor se form a de m odo v isible. El v apor de agua t iene las pr opiedades físicas de una sust ancia sem ej ant e al air e y , por t anto, es nat ural suponer que est á com puest o de át om os. Per o, si el agua est á com puest a de át om os en su form a gaseosa, ¿por qué no en su form a líquida, así com o en su for m a sólida de hielo? Y si est o es cier t o con el agua, ¿por qué no par a t oda la m at er ia? Est e t ipo de argum ent os r esult aban im pr esionant es, y por pr im er a v ez desde que se habían im aginado los át om os, dos m il años ant es, el at om ism o com enzó a ganar num er osos adept os. Ent r e ellos, por ej em plo, New t on. No obst ant e, los átom os seguían siendo un concept o nebuloso. Nada podía decir se sobr e ellos, ex cept o que si se acept aba su ex ist encia, er a m ás fácil ex plicar el com por t am ient o de los gases. Tuvo que pasar ot ro siglo y m edio ant es de que el at om ism o adquir iese un enfoque bien delineado. 3 . La n ue va con ce pción de los elem en t os Los est udios de Boyle m ar can el final de los t ér m inos «alquim ia» y «alquim ist a». Boyle supr im ió la pr im era sílaba del t ér m ino 7 en su libr o El Quím ico Escépt ico, publicado en 1661. Desde ent onces, la ciencia fue la quím ica, y los que t r abaj aban en est e cam po eran los quím icos. Boyle er a «escépt ico» porque y a no est aba dispuest o a acept ar ciegam ent e las ant iguas conclusiones que se habían deducido de los pr im er os pr incipios. A Boyle le desagr adaban especialm ent e los ant iguos int ent os de ident ificar los elem ent os del univ er so por m edio de m er os r azonam ient os. En lugar de ello, definía los elem ent os de una for m a r eal, pr áct ica. Un elem ent o, t al com o se había consider ado siem pr e desde el t iem po de Tales, er a una de las sust ancias sim ples pr im ar ias de las cuales se com ponía el univer so. Per o ahor a cualquier supuest o elem ent o deber ía ser ex am inado con el fin de v er si er a r ealm ent e sim ple. Si una sust ancia podía descom poner se en sust ancias m ás sim ples, no se t r at aba de un elem ent o, per o las sust ancias m ás sim ples sí podían serlo, hast a el m om ent o en que los quím icos apr endiesen a descom poner las en sust ancias aún m ás sencillas. 7 En inglés es «alchem ist » y «chem ist ». ( N. del T.) Adem ás, dos sust ancias que fuesen sendos elem ent os podían unirse ínt im am ent e para form ar una t er cera sust ancia, llam ada un com puest o, y en ese caso el com puest o deber ía poder se descom poner en los dos elem ent os or iginales. El t érm ino «elem ent o» , en est e cont ext o, t iene sólo un significado práct ico. Una sust ancia com o el cuar zo, por ej em plo, podía considerar se un elem ent o hasta el m om ent o en que los quím icos exper im ent ales descubr iesen el m odo de conver t ir la en dos o m ás sust ancias m ás sim ples t odav ía. En r ealidad, según est a concepción, ninguna sust ancia podía ser nunca un elem ent o except o en un sent ido provisional, y a que nunca había la segur idad de que, al av anzar en los conocim ient os, no fuese posible idear un pr ocedim ient o para descom poner un supuest o elem ent o en dos sust ancias m ás sim ples. Hasta la llegada del siglo XX no pudo definir se la nat ur aleza de los elem ent os en un sent ido no pr ovisional. El solo hecho de que Boyle exigiese un enfoque ex per im ent al al definir los elem ent os ( enfoque que se adopt ó post eriorm ent e) , no significa que supiese lo que er an los div er sos elem ent os. Podía haber r esult ado, después de t odo, que el enfoque ex per im ent al dem ostr ase que los elem ent os gr iegos, fuego, air e, agua y t ier r a, er an elem ent os. Boyle est aba conv encido, por ej em plo, de la v alidez del punt o de vist a alquim ist a de que los m et ales no er an elem ent os, y que un m et al podía conver t ir se en ot r o. En 1689 pidió al gobier no br it ánico que aboliese la ley cont r a la fabr icación alquim ist a de or o ( tam bién ellos t em ían al t r ast orno de la econom ía) , por que cr eía que for m ando or o de un m etal básico, los quím icos podr ían ayudar a dem ostrar la t eor ía at óm ica de la m at er ia. Per o Boyle se equivocó en est o; los m et ales dem ost r aron ser elem ent os. En efect o, nuev e sust ancias que r econocem os ahora com o elem ent os había sido conocidas por los ant iguos: los siet e m et ales ( or o, plat a, cobr e, hier r o, est año, plom o y m er cur io) y dos no m et ales ( carbono y azufr e) . Adem ás, había cuat ro sust ancias r econocidas ahora com o elem ent os, que habían llegado a ser fam iliar es par a los alquim ist as m edievales: arsénico, ant im onio, bism ut o y cinc. El m ism o Boyle est uvo a punt o de ser el descubridor de un nuevo elem ent o. En 1680 pr epar ó fósfor o a par t ir de or ina. Sin em bargo, unos cinco o diez años ant es, el hecho había sido conseguido por un quím ico alem án, Henning Br and ( ¿aproxim adam ent e 1692) . Thom as Saver y y su m áquina “ El am igo del m iner o” . A Br and se le llam a a veces «el últ im o de los alquim ist as», y r ealm ent e su descubr im ient o t uv o lugar cuando est aba buscando la piedr a filosofal, que pensaba hallar ía ( de ent r e t odos los sit ios) en la or ina. Brand fue el pr im er hom br e que descubrió un elem ent o que no se había conocido, en ninguna form a, ant es del desarr ollo de la ciencia m oder na. 4 . El flogist o Los descubr im ient os del siglo XVI I relat iv os a la pr esión del air e y al fenóm eno insólit o que se podía llev ar a cabo pr oduciendo un vacío y dej ando act uar a la pr esión del air e dier on im por t ant es r esult ados. A v ar ias per sonas se les ocur r ió que podía pr oducir se un v acío sin ut ilizar la bom ba de air e. Supongam os que se hier v e agua y se llena una cám ara con el v apor , enfr iando después la cám ar a con agua fr ía. El v apor que hay dent r o de la cám ar a se condensar á en got as de agua, y en su lugar se for m ará un v acío. Si una de las par edes de la cám ar a fuese m óvil, la pr esión del air e ex t er ior em puj ar ía ent onces la par ed hacia dent ro de la cám ara. La par ed m ovible podr ía em pujar se «de nuev o hacia afuer a, for m ando m ás vapor y per m it iéndole ent r ar en la cám ar a; y podr ía v olv er a desplazar se hacia adent r o si, una v ez m ás, se condensase el v apor . Si im aginam os que la par ed m ovible for m a par t e de un pist ón, obser var em os que el pist ón se m ov erá hacia dent r o y hacia fuer a, y que est e v aiv én podr ía ut ilizar se, por ej em plo, para im pulsar una bom ba. El r esult ado de t odo est o fue que, por vez pr im er a, la hum anidad y a no t endr ía que depender m ás de sus pr opios m úsculos ni de la fuer za anim al. Nunca m ás habr ía de est ar a ex pensas de la fuer za favor able o desfav orable del v ient o, ni de la ener gía localizada en algunos punt os del agua cor r ient e. Figura 5. La m áquina de bom beo de New com en, que funciona a pr esión at m osférica. El agua pulver izada en el int er ior del cilindr o condensa el vapor , cr eado un vacío. El pist ón desciende en el vado, par a volver hasta arr iba del ém bolo por una nueva inyección de vapor . En su lugar disponía de una fuent e de ener gía a la que podía r ecur r ir en cualquier m om ent o y en cualquier lugar con sólo her v ir agua sobr e un fuego de leña o de car bón. Est e fue el fact or decisivo que señaló el com ienzo de la «Revolución I ndust r ial». El cr ecient e int er és desper t ado a par t ir de 1650 por la posibilidad de encont rar nuev as aplicaciones al fuego y, por m edio de las m áquinas de vapor, obligar le a r ealizar los t r abaj os dur os de la t ier r a, llev ó a los quím icos a una nuev a conciencia del fuego. ¿Por qué algunas cosas arden y ot r as no? ¿Cuál es la nat ur aleza de la com bust ión? Según las ant iguas concepciones gr iegas, todo lo que puede ar der cont iene dent r o de sí el elem ent o fuego, que se liber a baj o condiciones apr opiadas. Las nociones alquím icas er an sem ej antes, salv o que se concebían los com bust ibles com o algo que cont enían el pr incipio del «azufr e» ( no necesar iam ent e el azufr e r eal) . En 1669, un quím ico alem án, Johann Joachim Becher ( 1635- 82) , t rat ó de racionalizar m ás est a concepción, int roduciendo un nuevo nom bre. I m aginó que los sólidos est aban com puest os por tr es t ipos de «t ier r a». Una de ellas la llam ó «t ér ra pinguis» ( «tier r a cr asa») , y la int uyó com o el pr incipio de la inflam abilidad. Geor g Ernest St ahl ( 1660- 1734) Un seguidor de las doct r inas, m ás bien vagas, de Becher fue el quím ico y físico alem án Georg Er nest St ahl ( 1660- 1734) . Pr opuso un nom br e aún m ás nuev o para el pr incipio de la inflam abilidad, llam ándole flogist o, de una palabr a gr iega que significa «hacer arder ». Desarr olló después un esquem a - basado en el flogist o- que pudier a ex plicar la com bust ión. St ahl m ant enía que los obj et os com bust ibles er an r icos en flogist o, y los pr ocesos de com bust ión suponían la pérdida del m ism o en el air e. Lo que quedaba t r as la com bust ión no t enía flogist o y, por t anto, no podía seguir ardiendo. Así, la m adera t enía flogist o, pero las cenizas no. Adem ás, St ahl sost enía que el enm ohecim ient o de los m et ales er a análogo a la com bust ión de la m adera, y afir m ó que los m et ales cont enían flogist o, per o no así cuando est aban enm ohecidos ( o «calcinados»). La idea er a im por t ant e, por que per m it ió pr oponer una ex plicación r azonable sobr e la conv er sión de las m enas m iner ales en m et al, el pr im er gr an descubr im ient o quím ico del hom br e civ ilizado. La ex plicación consist ía en est o: una m ena m iner al, pobr e en flogist o, se calient a con car bón veget al, m uy r ico en flogist o. El flogist o pasa desde el car bón al m iner al, es decir , el car bón v egetal r ico en flogist o se t r ansfor m a en cenizas pobr es en flogist o, m ient r as que con el m iner al ocur r e pr ecisam ent e lo cont r ar io. St ahl consideró que el aire result aba út il en la com bust ión sólo de un m odo indir ect o. Ser v ía únicam ent e com o t r anspor tador , captando el flogist o según abandonaba la m ader a o el m et al y t ransfir iéndolo a alguna otr a cosa ( si es que la había disponible) . La t eor ía de St ahl sobr e el flogist o encont r ó oposición al pr incipio, en par t icular la de Her m ann Boer haav e ( 1668- 1738) , un físico holandés, quien ar güía que la com bust ión ordinar ia y el enm ohecim ient o no podían ser difer ent es ver siones del m ism o fenóm eno. Est á claro que en un caso hay pr esencia de llam a y en el ot r o no. Per o par a St ahl la ex plicación er a que en la com bust ión de sust ancias t ales com o la m ader a, el flogist o se liber a t an r ápidam ent e que su paso calient a los alr ededor es y se v uelv e v isible en for m a de llam a. En el enm ohecim ient o, la pér dida de flogist o es m ás lent a, y no apar ece llam a. A pesar de la oposición de Boer haave, la t eor ía del flogist o ganó popular idad a lo lar go del siglo xv iii. En la década de los set ent a er a casi univ er salm ent e acept ada por los quím icos, desde el m om ent o en que par ecía explicar t ant as cosas y t an clar am ent e. Per o quedaba una dificult ad que ni St ahl ni sus seguidor es logr ar on ex plicar . Las sust ancias m ás com bust ibles, com o la m adera, el papel y la gr asa, par ecían consum ir se en gr an par t e al ar der . El hollín o las cenizas r est ant es er an m ucho m ás liger os que la sust ancia or iginal, lo cual er a de esper ar , ya que el flogist o había abandonado la sust ancia or iginal. Sin em bar go, cuando los m et ales se enm ohecían, t am bién per dían flogist o, de acuer do con la t eor ía de St ahl, per o el m et al enm ohecido er a m ás pesado que el or iginal ( un hecho que los alquim ist as habían obser v ado ya en 1490) . ¿Podía el flogist o t ener peso negat iv o, de m odo que una sust ancia al perder lo pesaba m ás que ant es, com o m ant enían algunos quím icos del siglo XVI I I ? En ese caso, ¿por qué la m adera perdía peso al ar der ? ¿Había dos t ipos de flogist o, uno con peso posit ivo y ot ro con peso negat ivo? Est e pr oblem a sin r esolver no era tan ser io en el siglo xviii com o nos par ece hoy a nosot ros. Acost um brados com o est am os a m edir los fenóm enos con precisión, cualquier cam bio inex plicable en el peso nos dar ía que pensar . Per o los quím icos del siglo XVI I I aún no habían acept ado la im por t ancia de las m ediciones cuidadosas, y no les pr eocupaban t ales cam bios. Mient r as la t eor ía del flogist o ex plicase los cam bios de aspect o y las pr opiedades, cabía ignorar, pensaban ellos, las var iaciones en el peso. Ca pít u lo 4 Los ga se s Cont enido: 1. Dióxido de carbono y nitrógeno 2. Hidr ógeno y oxígeno 3. El t riunfo de la m edida 4. La com bustión 1 . D ióx ido de ca r bon o y n it rógen o La ex plicación de los enr ev esados cam bios de peso dur ant e la com bust ión había que encont r ar la, nat uralm ent e, en los gases que apar ecían o desapar ecían m ient r as se for m aban los com puest os. Pese al paulat ino desar r ollo del conocim ient o de los gases desde t iem pos de Van Helm ont , un siglo ant es en la época de St ahl aún no se había int ent ado t om ar los en cuent a com o no fuese par a r eparar en su ex ist encia. Pensando en los cam bios de peso durant e la com bust ión, los invest igador es solam ent e t enían oj os par a los sólidos y los líquidos. Las cenizas er an m ás liger as que la m adera, pero, ¿qué ocur r ía con los vapor es liber ados por la m at er ia ardient e? No se consider aban. La her r um br e er a m ás pesada que el m et al, per o, ¿había t om ado la her r um br e algo del air e? No se consider aba. Ant es de poder subsanar est as deficiencias er a pr eciso que los quím icos se fam iliar izar an m ás con los gases. Había que v encer el m iedo a una sust ancia t an difícil de coger , confinar y est udiar . El quím ico inglés St ephen Hales ( 1667- 1761) dio un paso en la dir ección cor r ect a, a pr incipios del siglo XVI I I , al r ecoger gases sobr e el agua. Los vapor es for m ados com o r esult ado de una r eacción quím ica pudier on conducir se, a t r avés de un t ubo, al int er ior de un r ecipient e que se había colocado lleno de agua y boca abaj o en una j ofaina con agua. El gas bur buj eaba dentro del r ecipient e, desplazando el agua y for zándola a t r avés del fondo abier t o. Al final, Hales obt uvo un r ecipient e del gas o gases form ados en la r eacción. Hales m ism o no dist inguió ent re los difer ent es gases que preparó y confinó, ni t am poco est udió sus pr opiedades, per o el solo hecho de haber ideado una t écnica sencilla par a r et ener los er a de la m ay or im por t ancia. El quím ico escocés Joseph Black ( 1728- 99) dio ot r o im por t ant e paso adelant e. La t esis que le m er eció una gr aduación en m edicina en 1754 t r at aba sobr e un pr oblem a quím ico ( er a la época en que la m edicina y la m iner alogía est aban est recham ent e int errelacionadas) , y publicó sus r esult ados en 1756. Lo que hizo fue calent ar fuer t em ent e la piedr a caliza (car bonat o cálcico) . Este car bonat o se descom puso, liber ando un gas y dej ando cal ( óxido de calcio) t r as de sí. El gas liber ado pudo r ecom binar se con el óxido de calcio para for m ar de nuev o car bonat o cálcico. El gas ( dióxido de car bono) era idént ico al «gas silv est r e» de Van Helm ont , per o Black lo llam ó «air e fij ado», por que cabía com binar lo ( «fij ar lo») de t al m anera que for m ase par t e de una sust ancia sólida. Los descubr im ient os de Black fuer on im por t ant es por v ar ias r azones. En pr im er lugar , m ostr ó que el dióxido de carbono puede for m ar se calent ando un m iner al, lo m ism o que quem ando m adera; de est e m odo se est ableció una im por t ant e conex ión ent r e los r einos anim ado e inanim ado. En segundo lugar , dem ostró que las sust ancias gaseosas no sólo son liber adas por los sólidos y líquidos, sino que pueden com binar se con ellos par a pr oducir cam bios quím icos. Est e descubr im ient o quit ó a los gases m ucho de su m ist er io y los pr esent ó m ás bien com o una var iedad de la m at er ia que poseía pr opiedades en com ún ( al m enos quím icam ent e) con los sólidos y líquidos m ás fam iliar es. Por ot r o lado, Black dem ostr ó que cuando el óxido de calcio se abandona en el air e, vuelve lent am ent e a car bonat o cálcico. De est o deduj o ( correct am ent e) que hay pequeñas cant idades de dióxido de car bono en la at m ósfer a. He aquí la pr im er a indicación clar a de que el air e no es una sust ancia sim ple y que, por lo t ant o, pese a la concepción gr iega, no es un elem ent o según la definición de Boyle. Consist e en una m ezcla de por lo m enos dos sust ancias difer ent es, el air e ordinar io y el dióxido de carbono. Est udiando el efect o del calor sobr e el car bonat o cálcico, Black m idió la pér dida de peso im plicada. Tam bién m idió la cant idad de carbonato cálcico que neut r alizaba una deter m inada cant idad de ácido. Est e fue un paso gigant e hacia la aplicación de m ediciones cuant it at iv as a los cam bios quím icos, un m ét odo de análisis que pr ont o iba a alcanzar su plena m adur ez con Lav oisier . Est udiando las pr opiedades del dióxido de car bono, Black obser v ó que una v ela no podía ar der en su seno. Una v ela encendida en un r ecipient e cer r ado lleno de air e or dinar io t er m ina por apagar se, y el air e que queda no puede v olv er a m antener una llam a. Ést e descubr im ient o par ece cier t am ent e razonable, puest o que la v ela encendida ha for m ado dióxido de car bono. Per o cuando el dióxido de carbono del air e encer r ado se absorbe m ediant e com puest os quím icos, queda algo de air e sin absor ber. Est e air e que queda y que no t iene dióxido de car bono, t am poco puede m ant ener una llam a. Black pasó est e problem a a uno de sus alum nos, el quím ico escocés Daniel Rut herfor d ( 1749- 1819) . Rut her ford m et ió un ratón en un volum en cerrado de aire hast a que m ur ió. Encendió luego una v ela en el gas que quedaba, hasta que se apagó. Después encendió fósfor o en lo que quedaba, hasta que el fósforo dej ó de ar der . A cont inuación pasó el air e a t rav és de una sustancia capaz de absorber el dióxido de car bono. El air e r est ant e er a incapaz de m ant ener la com bust ión; un rat ón no pudo vivir en él y una vela colocada en su seno se apagó. Rut herfor d inform ó de est e experim ent o en 1772. Puest o que t ant o él com o Black est aban conv encidos de la v alidez de la t eor ía del flogist o, t r at ar on de ex plicar sus r esult ados en t ér m inos de dicha t eor ía: a m edida que el r at ón r espir aba y las v elas y el fósfor o ar dían, el flogist o se liber aba y se unía al air e, j unt o con el dióx ido de car bono form ado. Al absorber m ás t ar de el dióx ido de carbono, el air e r est ant e seguía cont eniendo m ucho flogist o, tant o, que est aba sat ur ado de él; no podía acept ar m ás. Por eso los obj et os no seguían ar diendo en él. Por est e razonam ient o, Rut her for d llam ó al gas que había aislado «air e flogist icado». Hoy día lo llam am os nit r ógeno, y concedem os a Rut her for d el cr édit o de su descubr im ient o. 2 . H idrógen o y ox íge no Ot r os dos quím icos ingleses, am bos par t idar ios de la t eor ía del flogist o, avanzar on aún m ás en el est udio de los gases por est a época. Uno de ellos fue Henr y Cavendish ( 1731- 1810) . Er a un ex cént r ico acaudalado que invest igó en div er sos cam pos, per o que se guar daba para sí los r esult ados de su t r abaj o y pocas v eces los publicaba. Afor t unadam ent e, sí publicó los r esult ados de sus experiencias sobre los gases. Cavendish est aba especialm ent e int er esado en un gas que se for m aba cuando los ácidos r eaccionaban con cier t os m et ales. Est e gas había sido aislado con ant er ior idad por Boyle y Hales, y quizá por ot r os, per o Cav endish, en 1766, fue el pr im er o en invest igar sus pr opiedades sist em át icam ent e. Por eso se le atr ibuye por lo gener al el m ér it o de su descubr im ient o. Dicho gas r ecibió m ás tar de el nom br e de hidr ógeno. Cavendish fue el pr im er o en m edir el peso de v olúm enes det er m inados de difer ent es gases, es decir, det er m inó la densidad de cada gas. Aver iguó que el hidr ógeno es ex t raordinar iam ent e liger o, con una densidad de sólo una cat orceav a par t e la del air e ( y hoy día sigue siendo el m enos denso de los gases conocidos). Tenía una segunda pr opiedad ext raña: a difer encia del dióxido de car bono y del m ism o air e, er a fácilm ent e inflam able. Cavendish, consider ando su ex t r em a liger eza e inflam abilidad, especuló con la posibilidad de que fuese el m ism o flogist o aislado. El segundo quím ico fue Joseph Priest ley ( 1733- 1804) , m inist ro unit ario que est aba pr ofundam ent e int er esado, por afición, en la quím ica. Hacia finales de 1760 se hizo car go de una par r oquia en Leeds, I nglat er r a, j unt o a la que, casualm ent e, había una cer v ecer ía. La fer m ent ación del gr ano pr oduce dióxido de car bono, que Pr iest ley podía así obt ener en abundancia par a sus ex per im ent os. Recogiendo dióxido de carbono sobr e agua, obser v ó que una par t e se disolv ía y daba al agua un agr adable sabor ácido. Er a lo que en la act ualidad llam am os «selt z» o «agua de soda». Y com o sólo se necesit a añadir esencia y azúcar par a pr oducir bebidas gaseosas, Pr iest ley puede consider ar se com o el padr e de la m oder na indust r ia de r efr escos. Pr iest ley em pezó a est udiar otr os gases a com ienzos de la década 1770- 79. En esa época sólo se conocían t r es gases difer ent es: el air e m ism o, el dióxido de carbono de Van Helm ont y Black, y el hidr ógeno de Cavendish. Rut her for d añadir ía el nit r ógeno com o cuar t o gas. Pr iest ley , por su par t e, pr ocedió a aislar y est udiar algunos ot r os gases. Su ex per iencia con el dióx ido de car bono le había enseñado que los gases pueden ser solubles en agua y , para no perder los en sus ex per im ent os, int ent ó r ecoger los sobr e m er cur io. Por est e m ét odo logr ó recoger y est udiar gases com o el óxido nit r oso, am oniaco, clor ur o de hidrógeno y dióxido de azufr e (para dar les sus nom br es act uales) , t odos los cuales son dem asiado solubles en agua para r esist ir el paso a su t r avés. En 1774, el uso del m er cur io en su t r abaj o con los gases dio lugar al descubr im ient o m ás im por t ant e de Pr iest ley . El m er cur io, cuando se calient a en el air e, for m a un «calcinado» de color r oj o ladr illo ( que ahor a llam am os óx ido de m er cur io). Pr iest ley puso algo de est e calcinado en un t ubo de ensayo y lo calent ó con una lent e que concent r aba los r ayos del sol sobr e él. El calcinado se t ransform ó de nuev o en m er cur io, que apar ecía com o bolit as br illant es en la par t e super ior del t ubo de ensay o. Adem ás, la descom posición liber aba un gas de pr opiedades m uy ex t r añas. Los com bust ibles ar dían ant es y con m ás br illo en est e gas que en el air e. Un r escoldo de m adera int r oducido en un r ecipient e que cont uv iese dicho gas ar día con llam a. Pr iest ley t r at ó de ex plicar est e fenóm eno r ecur r iendo a la t eor ía del flogist o. Puest o que los obj et os ardían t an fácilm ent e en est e gas, t enían que ser capaces de liber ar flogist o con ex t r aor dinar ia facilidad. ¿Cóm o podr ía ser eso, a m enos que el gas fuese una m uest r a de air e de la que se hubier a ex t r aído el flogist o, de t al m odo que acept aba un nuev o apor t e con especial av idez? Así, Pr iest ley llam ó a est e nuev o gas «air e desflogist icado». ( Sin em bargo, pocos años después fue r ebaut izado com o oxígeno, nom bre que aún conserva.) Realm ent e, el «air e desflogist icado» de Pr iest ley par ecía ser el opuest o al «air e flogist icado» de Rut her ford. Un r at ón m or ía en est e últ im o, per o er a par t icular m ent e act iv o y j uguet ón en el pr im er o. Pr iest ley pr obó a r espir ar algo de ese «air e desflogist icado», y se sint ió «liger o y cóm odo». Per o t ant o Rut her ford com o Pr iest ley habían sido pr ecedidos por un quím ico sueco, Kar l Wilhelm Scheele ( 1742- 1786) , uno de los quím icos que llevar on a Suecia a la v anguar dia de la ciencia en el siglo XVI I I . Uno de ellos, George Br andt ( 1694- 1730) , est udió hacia 1730 un m iner al azulado que par ecía m ena de cobr e, per o que, para desesper ación de los m iner os, no daba cobr e cuando se som et ía al t r at am ient o habit ual. Los m iner os pensaban que er a m iner al em br uj ado por los espír it us de la t ier r a, a los que llam aban «k obolds» ( gnom os) . Brandt logró dem ost rar que el m ineral no cont enía cobre, sino un nuevo m et al ( que par ecía hier r o por sus pr opiedades quím icas) al que llam ó cobalt o, en honor a los espír it us de la t ier r a. En 1751, Axel Fredric Cronst edt ( 1722- 65) descubrió un m et al m uy sem ej ant e, el níquel; Johann Got t lieb Gahn ( 1745- 1818) aisló el m anganeso en 1774, y Pet er Jacob Hj elm ( 1746- 1813) aisló m olibdeno en 1782. El descubr im ient o de est os nuev os elem ent os por los suecos dem ostr ó la avanzada m iner alogía que él pr act icaba en aquella nación. Cr onst edt , por ej em plo, int r oduj o el soplet e en el est udio de los m inerales ( ver figura 6) . Consist ía ést e en un t ubo lar go que se est r echaba hacia uno de los ext r em os y que, cuando se soplaba por el ex t r em o ancho, pr oducía un chor r o de air e en el ex t r em o apunt ado. Est e chorr o, dir igido hacia la llam a, incr em ent aba su calor . Figura 6. El soplet e, int roducido en el labor at or io por el quím ico sueco Const edt ( 1722- 1765) , fue un inst r um ent o clave de análisis durant e m ás de un siglo, y se ut iliza t odavía. El air e soplado por el t ubo aum ent a y dir ige el calor de la llam a. La llam a calent ada, act uando sobr e un m iner al, perm it ía obt ener infor m ación acer ca de la nat uraleza y com posición del m iner al a par t ir del color de la llam a, de la nat ur aleza de los vapor es form ados, de los óxidos de sustancias m et álicas que quedaban, et c. El soplet e se m ant uvo com o her ram ient a clav e de t r abaj o en análisis quím ico dur ant e un siglo. Mediant e las nuev as t écnicas - com o la del soplet e- se adquir ió t ant o conocim ient o sobr e los m iner ales que Cr onst edt cr ey ó j ust ificado suger ir que debían clasificar se no sólo de acuer do con su apariencia, sino t am bién de acuerdo con su estruct ura quím ica. En 1758 se publicó un libr o det allando est a nuev a form a de clasificación. Est e t r abaj o fue super ado por el de ot r o m iner alogist a sueco Tor ber n Olof Ber gm an ( 1735- 84) . Ber gm an desar r olló una t eor ía para explicar por qué una sustancia r eacciona con ot ra, per o no con una t er cera. Supuso la ex ist encia de «afinidades» ( es decir , atr acciones) en div er so gr ado ent r e las sust ancias. Pr epar ó esm er adam ent e unas t ablas donde se r egist r aban las div er sas afinidades; est as t ablas fuer on m uy fam osas en vida de él y aún var ias décadas después. Scheele, que se inició com o apr endiz de bot icar io, at raj o la at ención de Bergm an, que le favor eció y apadr inó. Scheele descubr ió una ser ie de ácidos ent r e los que se cuent an el ácido t ar tár ico, ácido cít r ico, ácido benzoico, ácido m álico, ácido oxálico y ácido gálico en el r eino v eget al; ácido láct ico y ácido úr ico en el anim al, y ácido m olíbdico y ácido ar senioso en el m iner al. Pr epar ó e invest igó t r es gases alt am ent e venenosos: fluor ur o de hidrógeno, sulfur o de hidr ógeno y cianur o de hidr ógeno. ( Se supone que su t em pr ana m uer t e fue el result ado de un lent o envenenam ient o por los com puest os con los que t rabaj ó, y que nor m alm ent e pr obaba.) Scheele par t icipó en el descubr im ient o de la m ay or ía de los elem ent os cuya obt ención se at r ibuye a sus colegas suecos. Per o lo m ás im por t ant e es que pr epar ó oxígeno y nit r ógeno en 1771 y 1772. Pr epar ó oxigeno calent ando det er m inado núm er o de sust ancias de las que se separ aba con facilidad y que incluían el óxido de m er cur io ut ilizado por Pr iest ley un par de años después. Scheele descr ibió sus ex per im ent os cuidadosam ent e, per o por negligencia de su edit or , las descr ipciones no apar ecier on en pr ensa hast a 1777. Par a ent onces ya habían apar ecido los tr abaj os de Rut her ford y de Pr iest ley , que se llev ar on la fam a de los descubrim ient os. 3 . El t r iu n fo de la m e dida Los num erosos e im port ant es descubrim ient os hechos en relación con los gases t enían que ser r eunidos en una t eor ía global, lo que ocurr ió hacia finales del siglo XVI I I . Su aut or est aba en escena. Era el quím ico francés Ant oine Laurent Lavoisier ( 1743- 94) . Desde el pr incipio de sus inv est igaciones quím icas, Lavoisier r econoció la im por t ancia de las m ediciones pr ecisas. Así, su pr im er t rabaj o im por tant e, en 1764, t r at a sobr e una invest igación de la com posición del y eso: lo calent ó par a ex t r aer el agua que cont enía, y m idió luego la cant idad de agua liber ada. Se unió así a los que, com o Black y Cav endish, aplicaban la m edición a los cam bios quím icos. Lavoisier , sin em bargo, era m ás sist em át ico, y la ut ilizó com o inst r um ent o con el que der r ibar las ant iguas t eor ías que, y a inser v ibles, no har ían sino ent orpecer el pr ogr eso de la quím ica. Ant oine Laurent de Lavoiser y señor a Todav ía había quienes, por ej em plo, aún en 1770 se afer r aban a la v iej a concepción gr iega de los elem ent os, y m ant enían que la t r ansm utación er a posible, puest o que el agua se tr ansfor m aba en t ier ra calent ándola durant e m ucho t iem po. Est a suposición par ecía r azonable ( incluso, en un pr incipio, a Lav oisier ) , puest o que calent ando agua durant e var ios días en un r ecipient e de cr ist al, se for m aba un depósit o sólido. Lav oisier decidió ex am inar est a supuest a t r ansm utación con algo m ás que una sim ple inspección ocular . Dur ant e 101 días hir v ió agua en un apar at o que condensaba el v apor y lo dev olv ía al m at r az, de m aner a que en el cur so del ex per im ent o no se per día sust ancia alguna. Y, por supuest o, no olv idó la m edida. Pesó el agua y el r ecipient e, ant es y después del lar go per íodo de ebullición. El sedim ent o sí apar eció, pero el agua no cam bió de peso durant e la ebullición. De for m a que el sedim ent o no pudo haber se for m ado a par t ir del agua. Sin em bargo, el r ecipient e, una v ez ex t r aído el sedim ent o r esult ó que había per dido peso, una pér dida que er a j ustam ent e el peso del sedim ent o. En otr as palabr as, el sedim ent o no er a agua conv er t ida en t ier r a, sino m at er ial del v idr io at acado por el agua calient e y pr ecipit ado en fr agm ent os sólidos. He aquí un ej em plo clar o en el que la m edida pudo conducir a la dem ostr ación de un hecho razonable, m ient r as que el t est im onio de los oj os sólo llevaba a una conclusión falsa. Lav oisier se int er esó en la com bust ión, pr im er o, porque ést e er a el gr an pr oblem a de la quím ica del siglo xv iii, y segundo, porque uno de sus pr im er os t r iunfos fue un ensay o sobr e la m ej or a de las t écnicas del alum brado público en 1760- 69. Em pezó en 1772, cuando se unió a otros quím icos par a com prar un diam ant e que calent ó en un r ecipient e cer r ado hasta que desapar eció. La for m ación de dióxido de car bono fue la pr im er a dem ostración clar a de que el diam ant e er a una for m a de car bono y, por lo t ant o, est aba est recham ent e relacionado con el carbón, m ás que con ninguna ot r a cosa. Calent ó m et ales com o el est año y el plom o en r ecipient es cer r ados con una cant idad lim it ada de air e. Am bos m et ales desarrollar on en su super ficie una capa de «calcinado» hast a un m om ent o det er m inado en que ést a no avanzaba m ás. Los par t idar ios de la t eor ía del flogist o dir ían que el air e había absorbido del m et al t odo el flogist o que podía r et ener . Per o, com o er a bien sabido, el calcinado pesaba m ás que el pr opio m et al, y sin em bargo, cuando Lav oisier pesó t odo el r ecipient e ( m et al, calcinado, air e, et c.) después del calent am ient o, pesar on j ustam ent e lo m ism o que ant es de calent ar los. De est e r esult ado se deducía que si el m et al había ganado peso al calcinar se par cialm ent e, ent onces algo en el r ecipient e t enía que haber per dido una cant idad de peso equivalent e. Ese algo, al par ecer , podr ía ser el air e, y en ese caso deber ía haber un v acío par cial en el r ecipient e. Efect iv am ent e, cuando Lavoisier abr ió el m at r az, el air e se pr ecipit ó en él, t r as lo cual com pr obó que el m at r az y su cont enido habían ganado peso. Lav oisier dem ostr ó de est a m aner a que la calcinación de un m et al no er a el r esult ado de la pér dida del m ist er ioso flogist o, sino la ganancia de algo m uy m at er ial: una par t e del air e. Ahor a le er a posible av ent ur ar una nuev a ex plicación sobr e la for m ación de los m et ales a par t ir de sus m enas; la m ena er a una com binación de m et al y gas. Cuando se calent aba con carbón, ést e t om aba el gas del m et al, for m ando dióxido de car bono y dej ando t ras de sí el m et al. Así, m ient r as St ahl decía que el pr oceso de obt ención de un m et al por fusión del m iner al cor r espondient e im plicaba el paso de flogist o desde el car bón al m iner al, Lav oisier decía que lo im plicado en el pr oceso er a el paso de gas desde el m iner al al car bón. Per o est as dos ex plicaciones, aunque inver sas, ¿no ex plicaban el m ism o hecho? ¿Había alguna razón par a pr efer ir la ex plicación de Lav oisier a la de St ahl? Sí, la había, por que la t eor ía de Lav oisier sobr e la t r ansfer encia de gas podía ex plicar los cam bios de peso dur ant e la com bust ión. El calcinado er a m ás pesado que el m et al a par t ir del cual se for m aba, a consecuencia del peso de la por ción de air e que se incorporaba. La m adera t am bién ar día con adición de air e a su sust ancia, per o no se obser v aba aum ent o de peso porque la nuev a sust ancia for m ada ( dióxido de car bono) er a a su vez un gas que se desvanecía en la at m ósfer a. Las cenizas que quedaban er an m ás liger as que la m adera or iginal. Si se quem ara m adera en un espacio cer rado, los gases for m ados en el pr oceso quedar ían dent ro del sist em a, y ent onces podr ía dem ost rar se que las cenizas, m ás los vapor es form ados, m ás lo que quedaba de air e, m ant endr ían el peso or iginal de la m adera m ás el air e. Lavoisier not ó, en efect o, que si en el cur so de los experim ent os se t en ían en cuent a t odas las sustancias que tom aban par t e en la r eacción quím ica y t odos los pr oductos for m ados, nunca habr ía un cam bio de peso ( o, ut ilizando el t ér m ino m ás pr eciso de los físicos, un cam bio de m asa) . Por eso, Lav oisier m ant uvo que la m asa no se cr eaba ni se dest r uía, sino que sim plem ent e cam biaba de unas sustancias a ot r as. Est a es la ley de conser v ación de la m asa, que sir v ió de piedr a angular a la quím ica del siglo XI X 8 . Las conclusiones a que llegó Lav oisier m ediant e el uso de la m edida fuer on de t al m agnit ud, com o puede ver se, que los quím icos acept ar on sin r eser v as a par t ir de est e m om ent o el uso de est e pr ocedim ient o. 4 . La com bu st ión Lav oisier no est aba, em per o, t ot alm ent e sat isfecho. El air e se com binaba con los m et ales par a form ar un calcinado y con la m adera par a for m ar gases, per o no t odo el air e se com binaba de est a m aner a, sino que sólo lo hacía apr oxim adam ent e una quint a par t e. ¿Por qué ocurr ía de est e m odo? Pr iest ley , descubr idor del «air e desflogist icado», v isit ó Par ís en 1774 y descr ibió a Lav oisier sus hallazgos. Lav oisier com pr endió inm ediat am ent e su significado, y en 1775 publicó sus punt os de vist a. El air e no es una sust ancia sim ple, pr opuso, sino una m ezcla de dos gases en una pr opor ción de 1 a 4. Un quint o del air e er a el «air e desflogist icado» de Pr iest ley ( si bien Lavoisier , desgraciadam ent e, olv idó conceder a Pr iest ley el debido m ér it o) . Era est a por ción del air e, y sólo ést a, la que se com binaba con los m at er iales en com bust ión o en pr oceso de enm ohecim ient o; la que se t r ansfer ía desde el m iner al al car bón, la que er a esencial para la v ida. Fue Lavoisier quien dio a est e gas su nom bre, oxígeno, der ivado de los vocablos que en gr iego significan «pr oductor de ácidos», pues Lavoisier t enía la idea de que el oxígeno er a un com puest o necesar io de t odos los ácidos. En est o, com o se dem ostr ó post er iorm ent e, est aba equiv ocado. Las cuat r o quint as par t es r est ant es del air e, que no podían m ant ener la com bust ión ni la v ida ( el air e «flogist icado» de Rut her for d) , const it uían t am bién un gas difer ent e. Lav oisier lo llam ó «ázoe» ( de la palabr a gr iega que significa «sin vida») , per o post er ior m ent e lo r eem plazó el t ér m ino nit r ógeno. Esta palabr a significa «que 8 A principios del siglo XX se halló que est a ley era incom plet a, pero la corrección que se hizo necesaria a causa del cr ecient e refinam ient o de la ciencia de est e siglo es m uy pequeña, y puede despreciar se en las reacciones que ordinariam ent e t ienen lugar en los laborat orios. for m a salit r e», ya que se descubr ió que el nit r ógeno form aba par t e de la sust ancia de est e m iner al. Lav oisier est aba conv encido de que la v ida se m ant enía por algún pr oceso sem ej ant e a la com bust ión 9 , puest o que lo que inspir am os es air e r ico en oxígeno y pobr e en dióxido de car bono, m ient r as que el que ex halam os est á em pobr ecido en oxígeno y enr iquecido en dióxido de car bono. Él y su colabor ador , Pier r e Sim ón de Laplace ( 1749- 1827) - que m ás t ar de se conv er t ir ía en un fam oso ast rónom oint ent ar on m edir el oxígeno tom ado y el dióxido de car bono liber ado por los anim ales. Los r esult ados fuer on algo desconcer t ant es, pues par t e del oxígeno inhalado no apar ecía en el dióxido de car bono espir ado. En 1783 Cavendish aún est aba tr abaj ando con su gas inflam able. Quem ó una m uest r a de ést e y est udió sus consecuencias, com pr obando que los vapor es pr oducidos al ar der se condensaban par a for m ar un líquido que, al invest igar lo, r esult ó ser nada m ás y nada m enos que agua. Est e ex per im ent o fue de im por t ancia cr ucial. En pr im er lugar , er a otr o duro golpe a la t eor ía gr iega de los elem ent os, por que dem ostr ó que el agua no er a una sust ancia sim ple, sino el pr oduct o de la com binación de dos gases. Lav oisier , ent er ado del ex per im ent o, llam ó al gas de Cavendish hidr ógeno ( «pr oduct or de agua») , y deduj o que el hidr ógeno ar día por com binación con el oxígeno, y que, por t ant o, el agua er a una com binación de hidr ógeno y ox ígeno. Tam bién consider ó que la sust ancia de los alim ent os y de los t ej idos viv os cont enía una com binación de carbono e hidr ógeno, de m anera que cuando se inhalaba air e, el oxígeno se consum ía for m ando no sólo dióxido de carbono a par t ir del car bono, sino t am bién agua a par tir del hidr ógeno. Est a explicación aclar aba el hecho de que par t e «del oxígeno no podía m edir se en sus pr im er os ex per im ent os sobr e la r espir ación 10 . 9 10 En est o dem ost ró est ar en lo cier t o. El quím ico ruso Mij aíl Vasiliev ich Lom onósov ( 1711- 65) se adelant ó en casi veint e años a las t eorías de Lavoisier, al rechazar en 175 6 la t eor ía del flogist o y sugerir que los obj et os se com binan al arder con una part e del aire. Por desgracia publicaba en ruso, y los quím icos de Europa Occident al, incluido Lavoisier, no t uv ieron not icia de su t rabaj o. Lom on ósov t am bién t enía punt os de v ist a sorpren dent em ent e m odernos sobre los át om os y el calor , que est aban cincuent a o cien años por delant e de su t iem po. Fue un hom bre m uy not able que sufrió la m ala suert e de haber nacido en Europa Orient al en un m om ent o en que el av ance cient ífico est aba con cent rado en Occident e. Las nuev as t eor ías de Lav oisier suponían una com plet a racionalización de la quím ica. Todos los m ist er iosos «pr incipios» habían caído con ella. En el fut ur o solam ent e int er esar ían a los quím icos los m at er iales que pudier an pesar se o m edirse. Tras est ablecer est a base, Lav oisier com enzó a lev ant ar la super est r uct ura. Durant e la década de 1780- 89, en colabor ación con ot r os t r es quím icos fr anceses, Louis Ber nard Guyt on de Morveau ( 1737- 1816) , Claude Louis Ber t hollet ( 1748- 1822) y Ant oine Fr ançois de Four cr oy ( 1755- 1808) , elabor ó un sist em a lógico de nom enclat ur a que se publicó en 1787. La quím ica no v olv er ía a ser un fárr ago de nom br es com o en los días de la alquim ia, cuando cada t r atadist a ut ilizaba su propio sist em a y confundía a los dem ás. Figura 7. Los experim ent os de Lavoisier fueron ilustrados en sus Elem ent os de Quím ica con dibujos de Mm e. Lavoisier . Se t endr ía en lo sucesivo un sist em a r econocido que t odos pudieran usar ; un sist em a basado sobr e pr incipios lógicos, de m odo que cualquier a pudiese deducir los elem ent os de que est aba for m ado un com puest o a par t ir del nom br e de ést e. Por ej em plo, el óxido de calcio est aba hecho de calcio y oxígeno; el clor ur o sódico, de sodio y cloro; el sulfuro de hidrógeno, de azufre e hidrógeno; et c. Asim ism o, se puso a punt o un cuidadoso sist em a de pr efij os y sufij os que pr opor cionar a alguna indicación acer ca de las pr opor ciones en las que est aban pr esent es los dist int os elem ent os. Así, el dióxido de carbono cont enía m ás oxígeno que el m onóxido de carbono. Por ot ra par t e, el clor at o de potasio t enía m ás oxígeno que el clor it o, m ient r as que el per clorat o tenía aún m ás que el clor at o, y el clor ur o no t enía nada de oxígeno. En 1789 Lav oisier publicó un libr o ( Trat ado elem ent al de Quím ica) que apor t ó al m undo una visión unificada del conocim ient o quím ico en base a sus nuevas t eorías y nom enclat ur a. Fue el pr im er t ex t o m oderno de quím ica. Ent re ot r as cosas, el libro incluía una list a de t odos los elem ent os conocidos hast a ent onces ( o, m ás bien, de t odas las sust ancias que Lavoisier consideró elem ent os según el cr it er io de Boyle, y que no pudo descom poner en ot ras m ás sencillas) ( véase fig. 8) . Es un m ér it o que hay que r econocer a Lavoisier el que de las 33 sust ancias enum er adas solam ent e dos est aban com plet am ent e equiv ocadas. Est as dos er an la «luz» y el «calór ico» que, com o r esult ó ev ident e en las décadas post er ior es a Lav oisier , no er an sustancias, sino for m as de ener gía. De las 31 r est ant es, algunas eran ver dader os elem ent os de acuerdo con los requisit os act uales. Ést os incluían sust ancias - com o el oro y el cobr e- que se conocían desde ant iguo, así com o ot ras, com o el oxígeno y el m olibdeno, que se habían descubier t o pocos años ant es de la publicación del libr o de Lav oisier . Ocho de las sustancias enum er adas ( la cal y la m agnesia, por ej em plo) no se v olv ier on a acept ar com o elem ent os, puest o que y a en la época de Lav oisier se habían descom puest o en sust ancias m ás sencillas. Per o, en cualquier caso, una de aquellas sust ancias sim ples resultó ser un nuevo elem ent o. Hubo alguna oposición ant e los nuevos punt os de vist a de Lavoisier ( que se han m ant enido hast a la act ualidad) , sobr e t odo por par t e de cier t os par t idar ios acér r im os del flogist o, Pr iest ley ent r e ellos. Per o ot r os aceptar on con ent usiasm o la nueva quím ica. Ber gm an, en Suecia, fue uno de ést os. En Alem ania, el quím ico Mar t in Heinr ich Klapr ot h ( 1743- 1817) fue uno de los pr im er os conver sos. Su acept ación de las t eor ías de Lavoisier fue im por t ant e, ya que al ser St ahl alem án, había cier t a t endencia ent r e los ger m anos a adher ir se al flogist o com o gest o pat r iót ico. ( Klapr ot h alcanzó la fam a después de haber descubier t o algunos elem ent os: el uranio y el circonio, en 1789. ) Figura 8. List a de elem ent os r eunidos por Lavoisier , apar ecida en sus Elem ent os de Quím ica El m ism o año en que se publicó el libr o de Lavoisier , t r iunfó la Rev olución Fr ancesa, degener ando rápidam ent e en los fer oces ex cesos del Ter r or . Lav oisier , por desgracia, est aba r elacionado con una or ganización de r ecaudador es de im puest os que los r ev olucionar ios consider aban un inst r um ent o de cor r upción de la odiada m onar quía. Ej ecut ar on en la guillot ina a t odos los funcionar ios que lograron pr ender. Uno de ellos er a Lav oisier . Así, en 1794, uno de los m ás gr andes quím icos que j am ás ha exist ido, fue m uer t o innecesar ia e inút ilm ent e en lo m ej or de su vida. «Bast ó un inst ant e para cercenar esa cabeza, y quizá un siglo no bast e para pr oducir ot ra igual», dij o Joseph Lagr ange, el insigne m at em át ico. Lav oisier es univer salm ent e r ecor dado en la act ualidad com o «el padr e de la quím ica m oder na». Figura 8 a y b. Ca pít u lo 5 Los á t om os Cont enido: 1. La ley de Proust 2. La t eoría de Dalt on 3. Hipót esis de Avogadr o 4. Pesos y sím bolos 5. Elect r ólisis 1 . La le y de Pr ou st Los éx it os de Lav oisier est im ular on a los quím icos a buscar y ex plor ar otr as ár eas en las que las m ediciones pr ecisas pudier an ilum inar el est udio de las r eacciones quím icas. Los ácidos const it uían una de estas ár eas. Los ácidos form an un grupo nat ural que com part en un ciert o núm ero de pr opiedades. Son quím icam ent e act iv os, reaccionando con m et ales t ales com o el cinc, est año o hier r o, disolv iéndolos y pr oduciendo hidr ógeno. Tienen sabor agr io ( si se diluyen o r ebaj an lo suficient e com o par a pr obar los con im punidad) , pr ovocan m anchas y cam bian los color es de un m odo det er m inado, et c. Opuest o a los ácidos hay ot r o gr upo de sust ancias llam adas bases. ( Las bases fuer t es se llam an álcalis.) Son t am bién quím icam ent e act iv as, de sabor am argo, cam bian el t ono de los color es de m odo opuest o al inducido por los ácidos, et c. En par t icular, las soluciones de ácidos pueden neut r alizar soluciones de bases. En ot r as palabr as, si los ácidos y las bases se m ezclan en pr opor ciones conv enient es, la m ezcla m uest r a unas pr opiedades que no son ni de ácido ni de base. La m ezcla ser á una solución de sal, que, en general, es un com puest o m ucho m ás ligero que un ácido o una base. Así, si una solución de ácido clor hídr ico, fuer t e y cáust ico, se m ezcla con la cant idad conv enient e de hidróxido sódico, álcali fuer t e y cáust ico, se t r ansfor m ar á en una solución de clor ur o sódico, sal com ún de cocina. El quím ico alem án Jer em ías Benj am ín Richt er ( 1762- 1807) dir igió su at ención hacia est as r eacciones de neut ralización y m idió la cantidad exact a de los difer ent es ácidos que se pr ecisaban para neut r alizar una cant idad det er m inada de una base par t icular, y vicev er sa. Por m edio de m ediciones cuidadosas halló que se necesit aban cant idades fij as y definidas. No ex ist ía el m ar gen con que un cociner o puede cont ar en la cocina, donde un poco de m ás o de m enos en algunos ingr edient es no es dem asiado im por t ant e. En lugar de ello había algo así com o un peso equivalent e: un peso fij o de un com puest o r eaccionaba con un peso fij o de ot r o. Richt er publicó su t r abaj o en 1792. Dos quím icos fr anceses est aban em peñados en una enconada bat alla para v er si est a suert e de exact it ud exist ía no solam ent e en la neut ralización ácido- base, sino a t r avés de t oda la quím ica. Dicho br ev em ent e: si un com puest o det er m inado est aba for m ado de dos elem ent os ( o t r es, o cuat r o) , ¿est án esos elem ent os siem pr e pr esent es en est e com puest o en las m ism as pr opor ciones fij as o pueden var iar est as pr opor ciones según el m ét odo de pr eparación del com puest o? Ber thollet , uno de los que colaborar on con Lav oisier en el est ablecim ient o de la m oder na t er m inología quím ica, pensaba lo últ im o. De acuer do con el punt o de v ist a de Ber t hollet , un com puest o form ado por los elem ent os x e y podía cont ener una cant idad de x m ay or si se pr eparaba ut ilizando un gran ex ceso de x . Opuest a a los punt os de v ist a de Ber thollet est aba la opinión de Joseph Louis Pr oust ( 1754- 1826) , quien hizo su t r abaj o en España, a salv o ( durant e algún t iem po) de las convulsiones de la Rev olución Fr ancesa. Ut ilizando análisis cuidadosos y concienzudos, Pr oust dem ost r ó en 1799 que el car bonat o de cobr e, por ej em plo, cont enía cobr e, car bono y oxígeno en pr opor ciones definidas en peso, no im por t ando cóm o se hubier a pr eparado en el labor at or io ni cóm o se hubier a aislado de las fuent es nat ur ales. La pr opor ción er a siem pr e de 5,3 par t es de cobr e por 4 de oxígeno y 1 de car bono. Pr oust llegó a dem ostr ar que una sit uación sim ilar pr ev alecía t am bién para m uchos ot r os com puest os, y for m uló la gener alización de que t odos los com puest os cont enían elem ent os en ciert as pr oporciones definidas y no en ot ras com binaciones, independient em ent e de las condiciones bajo las que se hubiesen form ado. Est o se llam ó la ley de las pr opor ciones definidas o, a v eces, ley de Pr oust. ( Pr oust t am bién dem ostr ó que Ber thollet , al pr esent ar la ev idencia de que cier t os com puest os v ar iaban en su com posición de acuerdo con el m ét odo de pr epar ación, se equiv ocó por culpa de los análisis poco pr ecisos y por el uso de pr oduct os que habían sido pur ificados insuficient em ent e.) Dur ant e los pr im er os años del siglo XI X quedó bastant e clar o que Proust est aba en lo cier t o. Ot r os quím icos v er ificar on la ley de las pr opor ciones definidas, y ést a se conv ir t ió en la piedr a angular de la quím ica 11 . A par t ir del m om ent o en que se dio a conocer la ley de Pr oust em pezar on a plant ear se dent r o del panor am a de la quím ica una ser ie de pr oblem as m uy im por t ant es. Después de t odo, ¿por qué había de ser cier t a la ley de las pr opor ciones definidas? ¿Por qué un cier t o com puest o t enía que est ar hecho siem pr e de 4 par t es de x y 1 par t e de y, pongam os por caso, y nunca de 4,1 par t es de x o 3,9 par t es de x por 1 par t e de y ? Si la m at er ia fuese cont inua, ser ía difícil de ent ender est o. ¿Por qué no podr ían los elem ent os m ezclar se en pr opor ciones liger am ent e v ar iables? Por el cont rar io, ¿qué ocurr ir ía si la m at er ia fuese de nat ur aleza at óm ica? Supongam os que un com puest o se form a cuando un át om o de x se une con un át om o de y y no de ot ra m aner a. ( Tal com binación de át om os acabar ía por llam ar se m olécula, de la palabra lat ina que significa «pequeña m asa».) Supongam os, a cont inuación, que cada át om o de x pesase 4 veces m ás que cada át om o de y . Ent onces, el com puest o t endría que t ener exact am ent e 4 part es de x y 1 part e de y. Para v ar iar tales pr opor ciones ser ía necesar io que un át om o de y est uviese unido a un poco m ás o un poco m enos que un átom o de x. Toda vez que un át om o, ya desde el t iem po de Dem ócr it o, se había consider ado com o una par t e de m ater ia indiv isible, no er a r azonable esper ar que una pequeña par t e pudier a abandonar un át om o, o que una fracción de un segundo átom o pudier a añadir se a él. En ot r as palabras, si la m at er ia est aba form ada de át om os, ent onces la ley de las pr opor ciones definidas se deducía com o una consecuencia nat ur al. Por ot ra par t e, a par t ir del hecho de que la ley de las pr oposiciones definidas fue obser v ada efect ivam ent e, puede deducirse que los át om os son ver dader am ent e obj et os indivisibles. 11 Es ciert o que algunas sust ancias pueden v ariar, dent ro de ciert os lím it es, en su const it u ción fundam ent al. Son casos especiales. Los com puest os sen cillos que at raj eron la at ención de los quím icos de 1800 se at enían firm em ent e a la ley de las proporciones definidas. 2 . La t eoría de D alt on El quím ico inglés John Dalt on ( 1766- 1844) consideró det enidam ent e est a cadena de r azonam ient os, ay udado por un descubr im ient o pr opio. Dos elem ent os, av er iguó, pueden com binar se, después de t odo, en m ás de una pr opor ción, en cuy o caso ex hiben una gran var iación de pr oporciones de com binación y en cada var iación se for m a un com puest o diferent e ( ver fig. 9) . Figura 9. Sím bolos de Dalt on para algunos de los elem ent os y com puest os. Ent r e ellos, hidrógeno ( 1) ; carbono ( 3) ; oxígeno ( 4) ; cobre ( 15) ; plata ( 17) ; oro ( 19) ; agua ( 21) . Se equivocó con el agua, descr ibiéndola com o H20 en lugar de H20, per o sus fórm ulas para el m onóxido de carbono ( 25) y dióxido de carbono ( 28) er an corr ect as Com o ej em plo sencillo considerem os los elem ent os carbono y oxígeno. Las m ediciones m uest r an que t r es par t es de car bono ( en peso) com binar án con ocho par t es de oxígeno par a form ar dióxido de car bono. Sin em bar go, t r es par t es de car bono y cuat ro par t es de ox ígeno pr oducen m onóxido de car bono. En t al caso se com pr ueba que las difer ent es cant idades de ox ígeno que se com binan con una cant idad fij a de car bono est án r elacionadas en la for m a de núm er os ent er os sencillos. Las ocho par t es pr esent es en el dióxido de carbono son exact am ent e el doble que las cuat r o par t es pr esent es en el m onóx ido de car bono. Est a es la ley de las pr opor ciones m últ iples. Dalt on, después de obser v ar su ex ist encia en una cier t a cant idad de r eacciones, la publicó en 1803. La ley de las pr oporciones m últ iples encaj a lim piam ent e con las nociones at om ist as. Supongam os, por ej em plo, que el peso de los át om os de oxígeno sea siem pr e 1- 1/ 3 veces el peso de los át om os de car bono. Si el m onóxido de car bono se form a a t r avés de la com binación de un át om o de car bono con un át om o de oxígeno, el com puest o debe constar de t r es par t es en peso de car bono y cuatr o par t es de oxígeno. Ent onces, si el dióxido de car bono est á for m ado de un át om o de car bono y dos át om os de ox ígeno, la pr opor ción debe ser nat ur alm ent e de t r es par t es de carbono por ocho de oxígeno. Las r elaciones en for m a de m últ iplos sencillos r eflej ar ían la exist encia de com puest os cuya const it ución difiere en át om os com plet os. I ndudablem ent e, si la m at er ia consist iese en pequeños át om os indiv isibles, ést as ser ían pr ecisam ent e las v ar iaciones en su const it ución que esper ar íam os encont rar , y la ley de las pr opor ciones m últ iples t endr ía pleno sent ido. Cuando Dalt on ex puso en 1803 su nueva v er sión de la t eor ía at óm ica basada en las ley es de las pr oporciones definidas y de las pr opor ciones m últ iples, r econoció su deuda con Dem ócr it o m ant eniendo el t ér m ino «át om o» par a las pequeñas par t ículas que for m aban la m at er ia. En 1808 publicó Un Nuev o Sist em a de Filosofía Quím ica, en el que discut ía con gr an det alle su t eor ía at óm ica. En ese m ism o año su ley de las pr opor ciones m últ iples quedó rat ificada por las invest igaciones de ot r o quím ico inglés, William Hy de Wollast on ( 1766- 1828) . A par t ir de ent onces Wollast on pr est ó el apoyo de su influencia a la t eor ía at óm ica, y con el t iem po la opinión de Dalt on ganó una acept ación general. De est e m odo, la t eor ía at óm ica fue un golpe m or t al ( si es que hacía falt a alguno) a la cr eencia en la posibilidad de la t r ansm ut ación en t ér m inos alquím icos. Toda la ev idencia par ecía apunt ar hacia la posibilidad de que cada uno de los difer ent es m et ales const ase de un t ipo dist int o de át om os. Toda vez que los át om os se consider aban generalm ent e com o indiv isibles e invar iables, no cabía pensar en t r ansfor m ar un át om o de plom o en ot r o de or o baj o ninguna cir cunstancia. El plom o, por lo t ant o, no podr ía t r ansm ut ar se en or o 12 . Los át om os de Dalt on er an, clar o est á, dem asiado pequeños com o par a v er se, incluso al m icr oscopio; la obser v ación direct a er a im pensable. Sin em bar go, las m edidas indir ect as podían apor tar infor m ación sobr e sus pesos r elat iv os. Por ej em plo, una par t e ( en peso) de hidr ógeno se com binaba con ocho par t es de oxígeno para for m ar agua. Si se suponía que una m olécula de agua constaba de un át om o de hidr ógeno y un át om o de oxígeno, ent onces podía deducir se que el át om o de oxígeno er a ocho veces m ás pesado que el át om o de hidr ógeno. Si se decide t om ar el peso del át om o de hidr ógeno arbit r ar iam ent e igual a 1, ent onces el peso del át om o de oxígeno en est a escala ser ía 8. Por ot r a par t e, si una par te de hidr ógeno se com bina con cinco par t es de nit r ógeno para for m ar am oniaco, y si se supone que la m olécula de am oniaco está form ada de un át om o de hidr ógeno y ot r o de nit r ógeno, puede deducir se que el át om o de nit rógeno t iene un peso de 5. Razonando de est e m odo, Dalt on confeccionó la pr im er a t abla de pesos at óm icos. Est a t abla, aunque quizá sea su m ás im port ant e contribución individual, result ó est ar bast ant e equiv ocada en m uchos punt os. El pr incipal fallo r eside en la insist encia de Dalt on en que las m oléculas est aban for m adas por el apar eam ient o de un solo át om o de un elem ent o con un solo át om o de ot r o. Sólo se apar t ó de esta posición cuando era absolut am ent e necesar io. Con el t iem po se vio, sin em bargo, que esa com binación uno- a- uno no era necesar iam ent e el caso m ás frecuent e. El desacuer do se m anifest ó concr etam ent e 12 Un siglo después de Dalt on est a opinión hubo de ser m odificada. Un át om o podía, después de t od o, t ransform arse en ot ros Los m ét odos usados para lograrlo, sin em bargo, eran t ales que ningún alquim ist a los im aginó j am ás, ni podría haberlos llev ado nunca a cabo. en relación con el agua, incluso ant es de que Dalt on hubiese pr opuest o su t eoría at óm ica. Aquí, por vez pr im er a, la fuer za de la elect r icidad invadió el m undo de la quím ica. El conocim ient o de la elect r icidad dat a de los ant iguos gr iegos, quienes hallar on que el ám bar, al fr ot ar lo, adquier e el poder de at r aer obj et os liger os. Siglos después, el físico inglés William Gilber t ( 1540- 1603) fue capaz de dem ostrar que no es solam ent e el ám bar el que se com por ta así, sino que t am bién ot r as sust ancias adquier en poder de at racción al fr ot ar las. Hacia 1600 sugir ió que las sust ancias de est e t ipo se llam asen «eléct r icas», de la palabra que en gr iego significa ám bar . En consecuencia, una sust ancia que adquier e t al poder, por fr ot am ient o o de otr a m aner a, se dice que llev a una carga eléct r ica o que cont iene elect r icidad. El quím ico fr ancés Char les Fr ançois de Cist er nay du Fay ( 1698- 1739) descubr ió en 1733 que había dos t ipos de carga eléct r ica: ( «elect r icidad v it r ea») una que surgía en el v idr io y otr a que podía cr ear se en el ám bar ( «elect r icidad r esinosa») . Las sust ancias que por t aban un t ipo de car ga at raían a las de t ipo cont r ar io, m ient r as que dos sust ancias que llev asen el m ism o t ipo de car ga se r epelían ent r e sí. Benj am ín Fr anklin ( 1706- 90) , que fue el pr im er gr an cient ífico nor t eam er icano, así com o gr an est adist a y diplom át ico, sugir ió en 1740 la ex ist encia de un solo fluido eléct rico. Cuando una sust ancia cont enía una cant idad de fluido eléct rico m ayor que la nor m al, poseía uno de los dos t ipos de car ga; cuando cont enía m enos cant idad que la nor m al, poseía el ot r o t ipo. Fr anklin supuso que er a el v idr io el que t enía una cant idad de fluido eléct r ico super ior al nor m al, de m odo que le asignó una car ga posit iv a. La r esina, según él, llev aba una car ga negat iv a. Los t ér m inos de Fr anklin se vienen ut ilizando desde ent onces, si bien su uso lleva a un concept o de fluj o de corrient e opuest o al que ahora se sabe que ocur r e de hecho. El físico italiano Alessandr o Volt a ( 1745- 1827) avanzó un paso m ás. En 1800 halló que dos m et ales ( separ ados por soluciones capaces de conducir una carga eléct r ica) podían disponer se de m odo que una nuev a car ga se cr ease tan pr ont o com o la v iej a se alej ase a lo lar go de un alam br e conduct or . De est e m odo invent ó la pr im er a bat er ía eléct r ica y pr oduj o una cor r ient e eléct r ica. La cor r ient e eléct r ica se m ant enía gr acias a la r eacción quím ica que im plicaba a los dos m et ales y a la solución int er m edia. El t r abaj o de Volt a fue la pr im er a indicación clar a de que las r eacciones quím icas t enían algo que v er con la elect r icidad, una suger encia que no fue t ot alm ent e desarrollada hasta el siglo siguient e. Si una r eacción quím ica puede producir una corr ient e eléct r ica, no par ecía dem asiado descabellado el suponer que una corr ient e eléct r ica podr ía im plicar lo cont rar io y pr ovocar una r eacción quím ica. De hecho, a las seis sem anas de descr ibir Volt a su t r abaj o, dos quím icos ingleses, William Nicholson ( 1753- 1815) y Ant hon y Carlisle ( 1768- 184 0) , dem ost rar on la acción cont r ar ia. Hicier on pasar una corr ient e eléct r ica a t r av és del agua y hallar on que em pezaban a apar ecer burbuj as de gas en las var illas de m et al conduct or as que habían int r oducido en el agua. El gas que apar ecía en una v ar illa er a hidr ógeno y el que apar ecía en la ot r a, oxígeno. En efect o, Nicholson y Carlisle habían descom puest o el agua en hidr ógeno y oxígeno; t al descom posición por una cor r ient e eléct r ica se llam a elect r ólisis. Habían r ealizado el ex per im ent o inver so al de Cavendish, en el que el hidr ógeno y el oxígeno se com binaban par a for m ar agua. Al r ecoger el hidr ógeno y el oxígeno en t ubos separ ados a m edida que burbuj eaban, r esult ó que se había for m ado un volum en de hidr ógeno j ust am ent e doble que de oxígeno. El hidr ógeno er a el m ás liger o en peso, con t oda segur idad, per o el m ay or v olum en indicaba que podía haber m ás át om os de hidr ógeno que de oxígeno en la m olécula de agua. Com o el v olum en de hidr ógeno er a j usto doble que el de ox ígeno, r esult aba r azonable suponer que cada m olécula de agua cont enía dos átom os de hidr ógeno y uno de oxígeno, en vez de uno de cada, com o propusiera Dalt on. Per o aun así, seguía siendo cier t o que 1 part e de hidr ógeno ( en peso) se com binaba con 8 par t es de ox ígeno. Se deduj o ent onces que un át om o de ox ígeno er a ocho v eces m ás pesado que dos de hidr ógeno j unt os, y por t ant o dieciséis v eces m ás pesado que un solo át om o de hidr ógeno. Si el peso del hidr ógeno se consider a 1, ent onces el peso at óm ico del oxígeno debería ser 16, no 8. 3 . H ipót e sis de Avoga dro Los hallazgos de Nicholson y Car lisle se v ier on r efor zados por el t r abaj o de un quím ico fr ancés, Joseph Louis Gay- Lussac ( 1778- 1850) , que inv ir t ió los ar gum ent os. Descubr ió que 2 volúm enes de hidr ógeno com binaban con 1 volum en de ox ígeno para dar agua. Llegó a av er iguar , de hecho, que cuando los gases se com binan ent r e sí para for m ar com puest os, siem pr e lo hacen en la pr opor ción de núm er os ent er os pequeños. Gay -Lussac dio a conocer est a ley de los volúm enes de com binación en 1808. Est a pr opor ción de núm er os ent er os en la for m ación del agua con hidr ógeno y oxígeno par ecía de nuev o indicar que la m olécula de agua est aba com puest a de dos át om os de hidr ógeno y uno de oxígeno. Tam bién podía argüir se, siguiendo líneas de r azonam ient o sim ilar es, que las m oléculas de am oniaco no pr ocedían de la com binación de un át om o de hidr ógeno y ot r o de nit r ógeno, sino de un át om o de nit r ógeno y t r es át om os de hidr ógeno. Par tiendo de est a evidencia podía concluir se que el peso at óm ico del nit rógeno no er a aproxim adam ent e 5, sino 14. Consider em os a cont inuación el hidr ógeno y el clor o. Est os dos gases se com binan para form ar un t er cero, el clor ur o de hidr ógeno. Un volum en de hidr ógeno se com bina con un v olum en de clor o, y par ece r azonable suponer que la m olécula de clor ur o de hidr ógeno est á for m ada por la com binación de un átom o de hidr ógeno con uno de cloro. Supongam os ahor a que el gas hidr ógeno const a de át om os de hidr ógeno aislados y m uy separados unos de ot ros, y que el gas clor o const a de átom os de clor o, t am bién m uy separ ados. Est os át om os se apar ean para form ar las m oléculas de clor ur o de hidr ógeno, m uy alej adas tam bién unas de ot r as. Vam os a suponer que em pezam os con 100 át om os de hidr ógeno y 100 át om os de clor ur o, dando un t otal de 200 par t ículas separadas. Los át om os se apar ean para for m ar 100 m oléculas de clor ur o de hidrógeno. Las 200 par t ículas am pliam ent e espaciadas ( átom os) se t r ansfor m an en sólo 100 par t ículas m uy separ adas ( m oléculas) . Si el espaciado es siem pr e igual, hallar em os que un v olum en de hidrógeno m ás un volum en de cloro ( 2 volúm enes en t ot al) r esult arían solam ent e en un volum en de clor uro de hidr ógeno. Esto, sin em bargo, no es así. A par t ir de las m ediciones r eales, un volum en de hidr ógeno com bina con un v olum en de clor o par a form ar dos volúm enes de clor ur o de hidr ógeno. Ya que hay dos volúm enes al em pezar y dos volúm enes al acabar , debe haber el m ism o núm er o de par t ículas am pliam ent e separadas ant es y después. Per o supongam os que el gas hidr ógeno no consist e en át om os separados sino en m oléculas de hidr ógeno, cada una for m ada por dos át om os, y que el clor o est á com puest o de m oléculas de cloro, cada una con dos átom os. En est e caso, los 100 át om os de hidr ógeno ex ist ir ían en la for m a de 50 par t ículas am pliam ent e espaciadas (m oléculas) , y los 100 át om os de clor o en la for m a de 50 par t ículas separadas. Ent r e los dos gases hay en t ot al 100 par t ículas am pliam ent e espaciadas, la m it ad de ellas hidr ógeno- hidr ógeno y la ot r a m it ad clor o- clor o. Al com binar se, los dos gases se r eagrupan par a for m ar hidr ógeno- clor o, la com binación at óm ica que const it uy e la m olécula de clor ur o de hidr ógeno. Com o hay 100 át om os de hidrógeno en t otal y 100 át om os de clor o, hay 100 m oléculas de clor ur o del hidr ógeno ( cada una cont eniendo un át om o de cada t ipo) . Ahor a nos encont r am os con que 50 m oléculas de hidr ógeno m ás 50 m oléculas de clor o se com binan para for m ar 100 m oléculas de clor ur o de hidr ógeno. Est o es com pat ible con lo obser vado en la pr áct ica: 1 volum en de hidr ógeno m ás 1 volum en de clor o dan 2 volúm enes de clor ur o de hidrógeno. El r azonam ient o ant er ior da por sentado que las par t ículas de los difer ent es gases y a est én for m adas por átom os sim ples o por com binaciones de át om os- est án en r ealidad igualm ent e separadas, com o hem os venido r epit iendo. En ese caso, núm er os iguales de par t ículas de un gas (a una t em perat ura dada) dar án siem pr e volúm enes iguales, independient em ent e del gas de que se t r at e. El pr im er o en apunt ar la necesidad de est e supuest o - en los gases, igual núm er o de par t ículas ocupan volúm enes iguales- fue el quím ico it aliano Am adeo Av ogadr o ( 1776- 1856) . La suposición, pr opuest a en 1811, se conoce por ello com o hipót esis de Av ogadr o. Si se t iene en cuent a est a hipót esis, es posible dist inguir con clar idad ent re át om o de hidr ógeno y m oléculas de hidr ógeno ( un par de át om os) , e igualm ent e ent r e los át om os y las m oléculas de ot r os gases. Sin em bargo, durant e m edio siglo después de Av ogadr o su hipót esis perm aneció ignor ada, y la dist inción ent r e átom os y m oléculas de elem ent os gaseosos im por t ant es no est aba definida clar am ent e en el pensam ient o de m uchos quím icos, per sist iendo así la incer t idum br e acer ca de los pesos at óm icos de algunos de los elem ent os m ás im por t ant es. Afor t unadam ent e, había otr as clav es para av er iguar los pesos at óm icos. En 1818, por ej em plo, un quím ico fr ancés, Pier r e Louis Dulong ( 1785- 1839) , y un físico fr ancés, Alex is Thér ése Pet it ( 1791- 1820) , t r abaj ando en colabor ación, hallar on una de ellas. Descubr ier on que el calor específico de los elem ent os ( el aum ent o de t em per at ur a que sigue a la absor ción de una cant idad fij a de calor) par ecía var iar inver sam ent e con el peso at óm ico. Es decir , si el elem ent o x t uv ier a dos veces el peso at óm ico del elem ent o y, la t em per atur a del elem ent o x subir ía solam ent e la m it ad de grados que la del elem ent o y , después de absorber am bas la m ism a cant idad de calor . Esta es la ley del calor at óm ico. Así, pues, basta m edir el calor específico de un elem ent o de peso at óm ico desconocido para obt ener inm ediat am ent e una idea, siquier a apr oxim ada, de dicho peso at óm ico. Est e m ét odo funcionaba sólo par a elem ent os sólidos, y t am poco para t odos, per o er a m ej or que nada. Por ot ra par t e, un quím ico alem án, Eilhar dt Mit scher lich ( 1794- 1863) , había descubiert o hacia 1819 que los com puest os de com posición sem ej ant e t ienden a crist alizar j unt os, com o si las m oléculas de uno se ent rem ezclasen con las m oléculas, de configur ación sem ej ante, del ot r o. De est a ley del isom or fism o se deduj o que si dos com puest os cr ist alizan j unt os y se conoce la est r uct ur a de uno de ellos, la est r uct ur a del segundo puede suponer se sim ilar . Est a pr opiedad de los cr ist ales isom or fos per m it ió a los ex per im ent ador es cor r egir er r or es que pudier an sur gir de la consider ación de los pesos de com binación solam ent e, y sir v ió com o guía par a la cor r ección de los pesos at óm icos. 4 . Pe sos y sím bolos El punt o decisivo llegó con el quím ico sueco Jons Jakob Ber zelius. Fue, después del m ism o Dalt on, el pr incipal r esponsable del est ablecim ient o de la t eor ía at óm ica. Hacia 1807, Ber zelius se lanzó a det er m inar la const it ución elem ent al ex act a de dist int os com puest os. Mediant e cient os de análisis, pr opor cionó t antos ej em plos de la ley de las pr opor ciones definidas que el m undo de la quím ica no podr ía dudar m ás de su validez y t uvo que aceptar, m ás o m enos gust osam ent e, la t eor ía at óm ica que había nacido dir ect am ent e de dicha ley . Ber zelius em pezó ent onces a det erm inar los pesos atóm icos con m ét odos m ás av anzados que los que Dalt on había sido capaz de em plear. En est e pr oyect o, Ber zelius hizo uso de los hallazgos de Dulong y Pet it y de Mit scher lich, así com o de la ley de los volúm enes de com binación de Gay- Lussac. ( No ut ilizó, sin em bargo, la hipót esis de Av ogadr o.) La pr im era t abla de pesos at óm icos de Ber zelius, publicada en 1828, puede confr ont ar se favor ablem ent e con los valor es aceptados hoy día, except o en dos o t r es elem ent os. Una difer encia im por tant e ent r e la tabla de Ber zelius y la de Dalt on fue que los v alor es de Ber zelius no er an, por lo general, núm er os ent er os. Los valor es de Dalt on, basados sobr e la consider ación del peso at óm ico del hidr ógeno com o 1, er an t odos ent er os. Esto conduj o al quím ico inglés William Pr out ( 1785- 1850) a sugerir, en 1815, que t odos los elem ent os est aban en definit iv a com puest os de hidrógeno ( sugerencia que hizo en un pr incipio anónim am ent e) . Según él, los diversos elem ent os t enían dist int os pesos porque est aban com puest os de difer ent e núm er o de át om os de hidr ógeno aglut inados. Est o llegó a llam ar se la hipót esis de Pr out . La tabla de Ber zelius par eció acabar con est a atr act iv a hipót esis ( atr act iv a porque reducía el crecient e núm ero de elem ent os a una sust ancia fundam ent al, a la m anera de los gr iegos, y par ecía así incr em ent ar el or den y la sim et r ía del univ er so) . Sobr e una base de hidr ógeno- igual- a- 1, el peso at óm ico del oxígeno er a apr ox im adam ent e igual a 15,9, y difícilm ent e podr ía v isualizar se al oxígeno com o for m ado por quince át om os de hidr ógeno m ás nuev e décim as par t es de ot r o át om o de hidr ógeno. Dur ant e el siglo siguient e se publicar on cada v ez m ej or es t ablas de pesos at óm icos, y el descubr im ient o de Ber zelius de que los pesos at óm icos de los dist int os elem ent os no son m últ iplos ent eros del peso at óm ico del hidrógeno result ó cada vez m ás claro. En la década de 1860, por ej em plo, el quím ico belga Jean Ser v ais St as ( 1813- 91) det er m inó los pesos at óm icos con m ás ex act it ud que Ber zelius. Más tarde, a com ienzos del siglo xx , el quím ico am er icano Theodor e William Richar ds ( 1869- 1928) , t om ando fant ást icas pr ecauciones, encont r ó valor es que podr ían r epr esent ar la últ im a apr oxim ación posible por m ét odos pur am ent e quím icos. Si el tr abaj o de Ber zelius había dej ado plant eadas algunas dudas, el de St as y Richar ds no. Los valor es no ent er os de los pesos at óm icos sim plem ent e habían de ser acept ados, y la hipót esis de Pr out par ecía m or ir un poco m ás a cada golpe. Sin em bargo, no había Richar ds t er m inado de com plet ar sus ex act ísim os r esult ados cuando la cuest ión volv ió a plant ear se en t oda su am plit ud. Había que r ev isar de nuev o t odo el significado de los pesos at óm icos, y la hipót esis de Pr out r enació de sus cenizas, com o verem os m ás adelant e. El hecho de que los diferent es pesos at óm icos no est uviesen relacionados de un m odo sim ple puso sobr e el t apet e la cuest ión del pat rón adecuado con el que m edir los pesos. Par ecía lógico asignar al hidr ógeno un peso at óm ico igual a 1, y t ant o Dalt on com o Ber zelius lo pr obar on. Per o est e pat r ón daba una v ez m ás al oxígeno el irr egular e inconvenient e peso at óm ico de 15,9. Después de t odo, er a el oxígeno el que se usaba par a det er m inar las pr oporciones en que se com binaban los difer ent es elem ent os, ya que se com binaba fácilm ent e con m uchos de ellos. Para dar al oxígeno un peso at óm ico convenient e, con una int erferencia m ínim a con el pat r ón hidr ógeno = 1, su peso se t r ansfor m ó de 15, A en 16,0000. Sobr e est e pat r ón oxígeno = 16, el peso at óm ico del hidr ógeno era apr oxim adam ent e igual a 1,008. El pat r ón oxígeno = 16 se m ant uvo hast a m ediados del siglo xx, en que se acept ó uno m ás lógico, r ealizando m uy liger os cam bios en el peso at óm ico. Una vez acept ada la t eor ía at óm ica podían r epr esent ar se las sustancias com o com puest as de m oléculas con un núm ero fij o de át om os de diferent es elem ent os. Par ecía m uy nat ur al int ent ar r epr esent ar t ales m oléculas dibuj ando el núm er o conv enient e de pequeños cír culos y sim bolizar cada t ipo de át om o por un t ipo específico de círculo. Dalt on ensayó est e sim bolism o. Repr esent ó el át om o de oxígeno m ediant e un círculo sim ple; un círculo con un punt o cent ral era un át om o de hidr ógeno; con una línea v er t ical un át om o de nit r ógeno; un cír culo negr o un át om o de car bono, y así sucesivam ent e. Pero com o result aba difícil invent ar círculos suficient em ent e difer ent es par a cada elem ent o, Dalt on dej ó algunos indicados con una let r a apropiada. Así, el azufr e era un círculo cont eniendo una S, el fósforo uno que t enía una P, et cét era. Ber zelius v io que los cír culos er an super fluos y que bastaban las iniciales solas. Sugir ió, por t ant o, que cada elem ent o t uviese un sím bolo válido t ant o par a r epr esent ar el elem ent o en gener al com o para un át om o del elem ent o, y que est e nom br e consist iese en pr incipio en la inicial del nom br e lat ino del elem ent o. Si dos o m ás elem ent os poseían la m ism a inicial, podía añadir se una de las let r as siguient es del nom br e. Así se const it uyer on los sím bolos quím icos de los elem ent os, y hoy día hay consenso sobre ellos y son acept ados int ernacionalm ent e. Los sím bolos quím icos del carbono, hidr ógeno, oxígeno, nit r ógeno, fósfor o y azufr e son C, H, O, N, P y S, r espect ivam ent e. Los sím bolos quím icos del calcio y clor o ( con pr efer encia del car bono sobr e la m ay úscula única) son Ca y Cl, respect ivam ent e. Los sím bolos son m enos obvios cuando los nom bres lat inos difier en de los cast ellanos. Así, los sím bolos quím icos de la plat a, el m er cur io y el sodio son Ag ( «argent um »), Hg ( «hidr ar gir ium ») y Na ( «nat r ium »), r espect ivam ent e. Es fácil ut ilizar est os sím bolos par a indicar el núm er o de át om os en una m olécula. Si la m olécula de hidr ógeno est á for m ada por dos át om os de hidr ógeno, es H2. Si la m olécula de agua cont iene dos át om os de hidr ógeno y uno de oxígeno, es H20 ( los sím bolos sin núm er o r epr esent an un solo át om o) . El dióxido de car bono es C02 y el ácido sulfúr ico S04H2, m ient r as que el clor ur o de hidrógeno es ClH. Las fór m ulas quím icas de est os com puest os sencillos se explican por sí m ism as. Las fór m ulas quím icas pueden com binar se para form ar ecuaciones quím icas y descr ibir una r eacción. Si quer em os ex pr esar el hecho de que el car bono se com bina con el oxígeno par a form ar dióxido de carbono, podem os escr ibir : C + O2 —> CO2 . Tales ecuaciones deben cuidar de que la ley de conser v ación de m asas de Lav oisier se cum pla par a t odos los át om os. Por ej em plo, en la ecuación ant es cit ada se em pieza con un át om o de C ( car bono) y dos át om os de O ( la m olécula de oxígeno) y se acaba con un át om o de C y dos átom os de O ( la m olécula de dióxido de carbono) . Per o supongam os que se quier e expr esar que el hidr ógeno se com bina con el clor o para form ar clor ur o de hidr ógeno. Si escr ibim os sencillam ent e H 2 + Cl 2 —> HCl podr ía deducir se que hay dos át om os de hidr ógeno y dos de clor o al em pezar , per o solam ent e uno de cada al final. Par a escr ibir una ecuación quím ica aj ust ada, debe poner se: H 2 + Cl 2 —> 2 HCl. Del m ism o m odo, par a descr ibir la com binación del hidr ógeno y el oxígeno para for m ar agua, podem os form ular una ecuación aj ust ada: 2 H 2 + 0 2 —> 2 H 2 0. 5 . Ele ct rólisis Mient r as t ant o, la corr ient e eléct r ica, que había sido utilizada con tan buen r esult ado por Nicholson y Car lisle, pr oduj o r esult ados aún m ás espect acular es en el aislam ient o de algunos nuevos elem ent os. Desde la definición de «elem ent o» dada por Boyle siglo y m edio ant es fuer on descubiert as cant idades asom brosas de sust ancias calificadas com o elem ent os según esa definición. Y, lo que er a m ás frust r ant e, se conocían algunas sust ancias que no eran elem ent os, pero que cont enían elem ent os no descubiert os que los quím icos no podían est udiar aisladam ent e. Los elem ent os se encuent ran frecuent em ent e en com binación con oxígeno ( com o óxidos) . Para liber ar el elem ent o er a necesar io elim inar el oxígeno. Si se int r oduj ese un segundo elem ent o con una afinidad m ás fuert e por el oxígeno, quizá ést e abandonase el pr im er elem ent o par a unir se al segundo. Se halló que el m ét odo funcionaba, siendo el car bono el que a m enudo desem peñaba est e papel. Así, el m iner al de hier r o, que es fundam ent alm ent e óx ido de hier r o, puede calent ar se con coque ( una for m a de car bono r elat iv am ent e pur a). El carbono puede com binar se con el oxígeno par a for m ar m onóxido de car bono y dióxido de carbono, quedando at r ás el hier r o m et álico. Per o consider em os ahor a la cal. Por sus propiedades, la cal par ece ser t am bién un óxido. Sin em bar go, no se conoce ningún elem ent o que form e cal al com binar se con oxígeno, y puede concluirse que la cal es un com puest o de un elem ent o desconocido con oxígeno. Par a aislar ese elem ent o desconocido cabe calent ar la cal con coque; pero así no ocurr e nada. El elem ent o desconocido se une al oxígeno t an fir m em ent e que los át om os de carbono son im pot ent es par a elim inar los át om os de oxígeno. Tam poco hay ningún ot r o com puest o que pueda liber ar a la cal de su oxígeno. A un quím ico inglés, Hum phr y Davy ( 1778- 1829) , se le ocur r ió que lo que no podía separar se por com puest os quím icos podr ía ser for zado por el ex t r año poder de la cor r ient e eléct r ica, que logr aba escindir la m olécula de agua con facilidad cuando los com puest os quím icos result aban t otalm ent e ineficaces. Dav y pr ocedió a const r uir una bat er ía eléct r ica con m ás de 250 placas m etálicas, la m ás pot ent e const r uida hast a el m om ent o. Envió int ensas corr ient es pr ocedent es de est a bat ería a través de soluciones de com puest os sospechosos de cont ener elem ent os desconocidos, pero sin result ado. Solam ent e obt uvo hidrógeno y oxígeno pr ocedent es del agua. Evident em ent e, t enía que elim inar el agua. Sin em bar go, cuando usó las pr opias sust ancias sólidas, no logr ó hacer pasar la cor r ient e a t r avés de ellas. Finalm ent e se le ocur r ió fundir los com puest os y hacer pasar la corr ient e a t r av és de la sust ancia fundida. Trat ó, por así decir lo, de obt ener un líquido conduct or sin usar agua. La idea era buena. El 6 de oct ubr e de 1807, Dav y hizo pasar una cor r ient e a t r avés de pot asa fundida ( carbonat o pot ásico) y liber ó pequeños glóbulos de un m et al que inm ediat am ent e llam ó pot asio. ( Era t an act iv o que liber aba al oxígeno del agua despr endiendo hidr ógeno con ener gía suficient e com o para pr ovocar su com bust ión con llam a.) Una sem ana después, Dav y aisló sodio del car bonat o sódico, un elem ent o un poco m enos act ivo que el pot asio. En 1808, ut ilizando una m odificación del m ét odo suger ido por Ber zelius, Dav y aisló v ar ios m et ales de sus óx idos: m agnesio de la m agnesia, est r oncio de la est r oncianit a, bar io de la bar it ina y calcio de la cal. Ent r e ot ras cosas, Dav y tam bién m ost r ó que un cier t o gas v er doso, que Scheele había descubier t o en la gener ación ant er ior y había pensado que era un óxido, era en r ealidad un elem ent o. Dav y sugir ió el nom br e de cloro, del v ocablo gr iego «v er de». Dav y t am bién dem ostr ó que el ácido clor hídr ico, aunque er a un ácido fuert e, no cont enía n ingún át om o de oxígeno en su m olécula, desest im ando la suger encia de Lav oisier de que el oxígeno er a un com ponent e necesar io de los ácidos. El t r abajo de Dav y sobr e la elect r ólisis fue am pliado por su ay udant e y pr ot egido Michael Far aday ( 1791- 1867) , quien llegó a super ar en valía cient ífica a su m aest r o. Figura 10. La acción elect r olít ica fue ex plicada por Faraday según la línea sugerida en est e dibuj o esquem ático. Los letr er os ex pr esan la nom enclat ur a que él invent ó. Far aday , trabaj ando en elect r oquím ica, int r oduj o una ser ie de t ér m inos que se ut ilizan t odav ía en la act ualidad ( ver fig. 10) . Fue, por ej em plo, quien pr opuso el nom br e de elect r ólisis par a la r upt ur a de m oléculas por una cor r ient e eléct r ica. A suger encia del er udit o inglés William Whew ell ( 1794- 1866) , Far aday llam ó elect r olit os a los com puest os o soluciones capaces de tr anspor tar una cor r ient e eléct r ica. Las placas o var illas de m et al int r oducidas en la sust ancia fundida o solución r ecibier on el nom br e de elect r odos; el elect r odo que llev aba una car ga posit iv a er a el ánodo, el que llev aba una carga negat iv a era el cát odo. La corr ient e eléct r ica er a tr anspor tada a tr av és del m at er ial fundido o la solución por ent idades que Faraday denom inó iones ( de la palabr a gr iega que significa «v iaj er o»). Los iones que viaj aban al ánodo er an aniones; los que viaj aban al cát odo eran cat iones. En 1832 pudo pr oclam ar la ex ist encia de cier t as r elaciones cuant it at iv as en elect r oquím ica. Su pr im era ley de la elect r ólisis est ableció que la m asa de sustancia liber ada en un elect r odo durant e la elect r ólisis es pr opor cional a la cant idad de elect r icidad que se hace pasar a t r avés de la solución. Su segunda ley de la elect r ólisis afir m a que el peso de m et al liber ado por una cant idad dada de elect r icidad es pr oporcional al peso equiv alent e del m et al. Así, si con una cant idad det er m inada de ox ígeno puede com binar se 2,7 veces m ás plat a que potasio, para una cant idad dada de elect r icidad se liber ar á de sus com puest os 2,7 veces m ás plat a que pot asio. Las ley es de la elect r icidad de Far aday par ecían indicar , según la opinión de algunos quím icos, que la elect r icidad podía subdiv idir se en pequeñas unidades definidas, igual que la m at er ia. En ot ras palabras, había «át om os de elect r icidad». Supongam os que cuando la elect r icidad pasa a t r avés de una solución los át om os de la m at er ia son arr astr ados, bien hacia el cát odo, bien hacia el ánodo, por «át om os de elect r icidad». Y supongam os t am bién que en la m ay or par t e de los casos un «át om o de elect r icidad» bast e par a m anej ar un át om o de m at er ia, per o que a v eces hagan falt a dos y hast a tr es «átom os de elect r icidad». En ese caso, las ley es de Far aday podr ían ex plicar se fácilm ent e. Aún no había t er m inado el siglo XI X cuando quedó est ablecida est a opinión, y los «át om os de elect r icidad» fuer on localizados. El m ism o Far aday , sin em bar go, nunca fue un ent usiast a de los «átom os de elect r icidad» ni, cier t am ent e, del at om ism o en gener al. Ca pít u lo 6 Qu ím ica or gán ica Cont enido: 1. La cr isis del vitalism o 2. Los ladrillos con los que se const ruye la vida 3. I sóm er os y radicales 1 . La cr isis de l v ita lism o Desde el descubr im ient o del fuego, el hom bre est uvo inev it ablem ent e suj et o a div idir las sust ancias en dos clases, según ar diesen o no. Los pr incipales com bust ibles de la ant igüedad fuer on la m adera y las gr asas o aceit es. La m adera er a un product o del m undo v eget al, m ient r as que la gr asa y el aceit e er an pr oduct os del r eino anim al o del veget al. En su m ay or par t e, los m at er iales del m undo m iner al, t ales com o el agua, la ar ena y las r ocas, no ardían. Tienden, m ás bien, a apagar el fuego. La idea inm ediat a er a que las dos clases de sust ancias - com bust ibles y no com bust ibles- podían consider ar se conv enient em ent e com o las que pr ovenían solam ent e de cosas viv ient es y las que no pr ov enían de ést as. ( Por supuest o, hay ex cepciones a est a r egla. El car bón y el azufr e, que par ecen pr oduct os de la par t e no v iv ient e de la t ier r a, son com bust ibles.) El cr ecient e conocim ient o del siglo XVI I m ost r ó a los quím icos que el m er o hecho de la com bust ibilidad no er a todo lo que separaba a los product os de la v ida de los de la no- v ida. Las sust ancias car act er íst icas del m edio no- viv o pueden sopor t ar t r at am ient os enér gicos, m ient r as que las sust ancias pr ovenient es de la m at er ia v iv a - o que est uvo viv a- no pueden. El agua podía her v ir se y r econdensar se de nuev o; el hier r o o la sal podían fundir se y r e- solidificar se sin cam biar. El aceit e de oliv a o el azúcar, sin em bar go, sí se calent aban ( incluso bajo condiciones que ev it asen la com bust ión) , pr ocedían a hum ear y car bonizar se. Lo que quedaba no era ni aceit e de oliv a ni azúcar , y a par t ir de est os r esiduos no podían for m arse de nuev o las sust ancias or iginales. Las difer encias par ecían fundam ent ales y, en 1807, Ber zelius sugir ió que las sust ancias com o el aceit e de oliv a o el azúcar, pr oduct os car act er íst icos de los organism os, se llam asen or gánicas. Las sust ancias com o el agua o la sal, caract er íst icas del m edio no- viv ient e, er an inor gánicas. Un punt o que no dej ó de im pr esionar a los quím icos fue que las sust ancias orgánicas eran fácilm ent e convert ibles, por calent am ient o u ot ro trat am ient o enér gico, en sust ancias inor gánicas. El cam bio inver so, de inor gánico a or gánico, er a sin em bargo desconocido, al m enos a com ienzos del siglo XI X. Muchos quím icos de aquella época consideraban la v ida com o un fenóm eno especial que no obedecía necesar iam ent e las ley es del univ er so t al com o se aplicaban a los obj et os inanim ados. La cr eencia en est a posición especial de la v ida se llam a vit alism o, y había sido int ensam ent e pr edicada un siglo ant es por St ahl, el invent or del flogist o. A la luz del v it alism o, par ecía razonable suponer que er a pr ecisa alguna influencia especial ( una «fuer za v it al») , oper ando solam ent e sobr e los t ej idos v iv os, para conv er t ir los m at er iales inor gánicos en or gánicos. Los quím icos, t rabaj ando con sust ancias y t écnicas or dinar ias y sin ser capaces de m anej ar una fuer za v it al en su t ubo de ensay o, no podr ían alcanzar est a conver sión. Por est a r azón, se ar gum ent aba, las sust ancias inor gánicas pueden encont r ar se en t odas par t es, tant o en el dom inio de la vida com o en el de la no- vida, al igual que el agua puede encontr ar se t ant o en el océano com o en la sangr e. Las sust ancias or gánicas, que pr ecisan de la fuer za vit al, solam ent e pueden encont r ar se en conexión con la vida. Est a opinión fue subv er t ida por v ez pr im er a en 1828 por el t r abaj o de Fr iedr ich Wöhler ( 1800- 82) , un quím ico alem án que había sido discípulo de Ber zelius. Wöhler , int er esado par t icularm ent e por los cianur os y com puest os r elacionados con ellos, calent ó en cier t a ocasión un com puest o llam ado cianat o am ónico ( considerado en aquella época com o una sustancia inor gánica, sin ningún t ipo de conexión con la m at er ia v iv a) . En el cur so del calent am ient o, Wöhler descubr ió que se est aban for m ando cr ist ales par ecidos a los de la ur ea, un pr oduct o de desecho elim inado en cant idades considerables en la or ina de m uchos anim ales, incluido el hom br e. Est udios m ás pr ecisos m ostrar on que los cr ist ales er an indudablem ent e ur ea, un com puest o clar am ent e orgánico, sin duda. Wöhler r epit ió el ex per im ent o un cier t o núm er o de v eces y halló que podía conv er t ir una sust ancia inor gánica ( cianat o am ónico) en una sust ancia orgánica ( urea) a volunt ad. Com unicó est e descubrim ient o a Ber zelius, y aquel hom bre t erco ( que r aram ent e condescendía a abandonar sus posiciones) se v io obligado a acept ar que la línea que había t r azado ent r e lo inor gánico y lo or gánico no er a t an nít ida com o había pensado. La im por tancia del t r abaj o de Wöhler no debe ser sobr es- t im ada. En sí m ism o no er a m uy significat iv o. Había fundam ent os par a ar güir que el cianat o am ónico no er a v er dader am ent e inor gánico y, aunque lo fuer a, la t ransform ación de cianat o am ónico en ur ea ( com o finalm ent e se puso en clar o) er a sim plem ent e el r esult ado de una alt er ación de la posición de los át om os dent r o de la m olécula. La m olécula de ur ea no est aba, en ningún sent ido r eal, const r uida a par t ir de sust ancias com plet am ent e dist int as. Per o t am poco puede despr eciar se el hallazgo de Wöhler . Si bien er a, r ealm ent e, un hecho m enor en sí m ism o, sir v ió no obst ant e par a r om per la influencia del v it alism o sobr e el pensam ient o de aquella época 13 , y par a anim ar a los quím icos a int ent ar la sínt esis de sust ancias or gánicas, cuando de ot r o m odo hubier an dir igido sus esfuerzos en ot ras direcciones. En 1845, por ej em plo, Adolph Wilhelm Herm ann Kolbe ( 1818- 84) , un alum no de Wöhler , sint et izó ácido acét ico, una sust ancia indudablem ent e or gánica. Más adelant e lo sint et izó por un m ét odo que m ostr ó que puede t r azar se una línea definida de t r ansfor m ación quím ica desde los elem ent os const it uy ent es, car bono, hidr ógeno y ox ígeno, hast a el pr oduct o final, ácido acét ico. Esta sínt esis a par t ir de los elem ent os o sínt esis t ot al es lo m áxim o que puede pedír sele a la quím ica. Si la sínt esis de la ur ea por Wöhler no dej ó r esuelt a la cuest ión de la fuer za v it al, la sínt esis de Kolbe sí. Quien llevó las cosas aún m ás lej os fue el quím ico fr ancés Pierr e Eugéne Mar celin Ber t helot ( 1827- 1907) . Dur ant e la década de 1850 efect uó sist em át icam ent e la 13 En realidad sólo fue una derrot a inicial del v it alism o, que m ant uv o su influencia en ot ras part es de la quím ica. Pese a su lent o debilit am ient o a lo largo del siglo x ix, el v it alism o no ha m uer t o com plet am ent e ni siquiera hoy día. Para una descripción m ás com plet a de las div ersas et apas de la caída del v it alism o, v er m i libro A Short Hist ory of Biology . sínt esis de com puest os orgánicos, confeccionando unas t ablas. I ncluían ést as sust ancias t an conocidas e im por t ant es com o el alcohol m et ílico, alcohol et ílico, m et ano, benceno y acet ileno. Con Bert helot , cruzar la línea ent re lo inor gánico y lo or gánico dej ó de ser una av ent ur ada incur sión en lo «pr ohibido» para conv er t ir se en algo puram ent e r ut inar io. 2 . Los la dr illos con los qu e se con st r u ye la vida Pero los com puest os orgánicos form ados por Wöhler, Kolbe y Bert helot eran t odos r elat iv am ent e sim ples. Lo m ás car act er íst ico de la v ida er an las sust ancias m ucho m ás com plej as, com o el alm idón, gr asas y pr ot eínas. Éstos er an m enos fáciles de m anej ar ; su ex acta com posición elem ent al no era t an fácil de det er m inar y en gener al pr esent aban el incipient e r eino de la quím ica or gánica com o un pr oblem a r ealm ent e for m idable. Todo lo que podía decir se al pr incipio de est as com plej as sustancias er a que podían escindir se en unidades o «ladr illos» r elat iv am ent e sim ples, calent ándolas con ácidos o bases diluidas. El pionero en est e cam po fue un quím ico r uso, Got t lieb Sigism und Kir chhoff ( 1764- 1833) . En 1812 logr ó conv er t ir alm idón ( calent ándolo con ácido) en un azúcar sim ple que llam ó finalm ent e glucosa. En 1820, el quím ico fr ancés Henr i Braconnot t r at ó de la m ism a m anera la gelat ina y obt uvo el com puest o glicina. Se tr ata de un ácido orgánico que cont iene nit r ógeno y per t enece a un gr upo de sust ancias que Ber zelius llam ó am inoácidos. La m ism a glicina no fue sino el pr ecur sor de unos veint e am inoácidos difer ent es, t odos los cuales fuer on aislados de prot eínas dur ant e el siglo siguient e. Tant o el alm idón com o las pr ot eínas poseían m oléculas gigant es que est aban hechas ( com o finalm ent e se supo) de lar gas cadenas de unidades de glucosa o de am inoácidos, r espect iv am ent e. Los quím icos del siglo x ix pudier on hacer poco en el sent ido de const r uir en el labor ator io t an lar gas cadenas. El caso fue dist int o con las gr asas. El quím ico fr ancés Michel Eugéne Chev r eul ( 1786- 1889) pasó la pr im era par t e de una v ida profesional incr eíblem ent e lar ga invest igando las gr asas. En 1809 t r at ó j abón ( fabr icado por calent am ient o de gr asa con álcali) con ácido, y aisló lo que ahora se llam an ácidos gr asos. Más t arde m ost r ó que cuando las grasas se t r ansfor m an en jabón, el glicer ol se separ a de la gr asa. El glicer ol posee una m olécula r elat ivam ent e sim ple sobr e la que hay t r es punt os lógicos de anclaj e para gr upos de át om os adicionales. Hacia la década de 1840, por t ant o, par eció bastant e lógico suponer que m ient r as el alm idón y las pr ot eínas est aban form adas por un gran núm er o de unidades m uy sencillas, no ocur r ía lo m ism o con las gr asas. Podían const r uir se gr asas con sólo cuat ro unidades, una m olécula de glicer ol, m ás t r es de ácidos gr asos. Aquí int ervino Bert helot . En 1854 calent ó glicerol con ácido est eár ico, uno de los ácidos grasos m ás com unes obt enidos de las grasas, y se encontró con una m olécula for m ada por una unidad de glicer ol unida a t r es unidades de ácido est eár ico. Er a la t riest earina, que dem ostr ó ser idént ica a la t r iest ear ina obt enida a par t ir de grasas nat urales. Est e fue el pr oduct o nat ur al m ás com plicado sint et izado en aquella época. Ber thelot pr ocedió a dar un paso aún m ás espect acular . En lugar de ácido est ár ico t om ó ácidos que er an sem ej ant es, per o que no se habían obtenido a par t ir de gr asas nat urales. Calent ó est os ácidos con glicer ol y obtuvo sustancias m uy par ecidas a las gr asas ordinar ias per o dist int as a t odas las grasas conocidas en la nat ur aleza. Est a sínt esis m ost r ó que el quím ico podía hacer algo m ás que r epr oducir los pr oduct os de los t ej idos viv os 14 . Podía ir m ás allá y pr epar ar com puest os análogos a los or gánicos en t odas sus pr opiedades, per o que no er an ninguno de los pr oduct os or gánicos producido en los t ej idos viv os. Dur ant e la segunda m it ad del siglo x ix est os aspect os de la quím ica orgánica fuer on llev ados a alt uras verdader am ent e asom br osas. ( Ver capít ulo 10.) No es de ex t r añar que hacia m ediados del siglo xx la div isión de los com puest os en or gánicos e inor gánicos sobr e la base de la act iv idad de los t ej idos viv os se quedase ant icuada. Exist ían com puest os orgánicos que nunca habían sido sint et izados por un or ganism o. No obst ant e, la div isión er a t odav ía út il, puest o que quedaban 14 El quím ico n o ha reprodu cido los produ ct os m ás com plicados de los t ej idos v ivos ni siquiera hoy día. Sin em barg o se acept a generalm ent e que, en prin cipio, la obt ención de la m olécula m ás com plej a sólo necesit a t iem po y esfuerzo ( en algunos casos una cant idad ciert am ent e prohibit iv a de t iem po y de esfuerzo) . im por t ant es difer encias ent r e las dos clases, t an im por tant es que las t écnicas de la quím ica or gánica er an t otalm ent e difer ent es de las de la quím ica inor gánica. Em pezó a v er se cada v ez m ás clar o que la difer encia r esidía en la est r uct ur a quím ica, puest o que par ecían est ar im plicados dos t ipos de m oléculas t ot alm ent e dist int os. La m ay or ía de las sust ancias inor gánicas que m anej aban los quím icos del siglo XI X poseían pequeñas m oléculas for m adas por dos a ocho át om os. Había m uy pocas m oléculas inor gánicas que alcanzasen una docena de át om os. Hasta las m ás sencillas de las sust ancias or gánicas t enían m oléculas for m adas por una docena de át om os o m ás; la m ayor ía por v ar ias docenas. En cuant o a las sust ancias com o el alm idón y las pr ot eínas, poseían lit er alm ent e m oléculas gigant es que pueden cont ar sus át om os por cient os y aun cient os de m iles. No es de ex t r añar, pues, que las com plej as m oléculas or gánicas pudieran r om per se fácilm ent e y de m odo ir r ev er sible incluso por fuer zas r uptoras poco enér gicas, t ales com o el calent am ient o suave, m ient ras que las m oléculas inorgánicas sencillas se m ant enían firm es incluso baj o condiciones m uy duras. Tam bién r esult ó cada v ez m ás necesar io señalar que t odas las sustancias or gánicas, sin excepción, cont enían uno o m ás át om os de carbono en su m olécula. Casi t odas cont enían t am bién át om os de hidr ógeno. Com o el carbono y el hidr ógeno eran inflam ables, no r esult aba sor pr endent e que los com puest os de los que for m an una par t e t an im por tant e fuer an t am bién inflam ables. Fue el quím ico alem án Friedrich August Kekulé von St radonit z ( 1829- 86) , gener alm ent e conocido com o Kekulé, quien dio el paso lógico. En un libr o de t ext o publicado en 1861 definió la quím ica or gánica sim plem ent e com o la quím ica de los com puest os de car bono. La quím ica inorgánica era ent onces la quím ica de los com puest os que no cont enían car bono, definición que ha sido generalm ent e acept ada. Sigue siendo cier t o, no obst ante, que algunos com puest os de carbono, ent r e ellos el dióxido de car bono y el car bonat o cálcico, se par ecen m ás a los com puest os t ípicos inorgánicos que a los orgánicos. Tales com puest os de carbono se t r at an generalm ent e en los libr os de quím ica inor gánica. 3 . I sóm e r os y ra dicale s Los com puest os inorgánicos sencillos im plicados en los grandes avances quím icos del siglo xv iii r ecibier on fácil int er pr et ación en t ér m inos at óm icos. Par ecía suficient e indicar los dist int os t ipos de át om os pr esent es en cada m olécula y el núm er o de cada uno de ellos. Podía escr ibir se la m olécula de oxígeno com o 0 2 , el clor ur o de hidrógeno com o ClH, el am oniaco com o NH 4 el sulfat o de sodio com o S0 4 Na 2 , et c. Tales fór m ulas, que no dan m ás que el núm er o de át om os de cada t ipo pr esent es en la m olécula, se llam an fór m ulas em píricas ( la palabra «em pír ico» significa «det er m inado por ex per im ent ación») . Er a nat ur al cr eer , en la pr im er a m it ad del siglo xix , que cada com puest o t enía una fór m ula em pír ica pr opia, y que dos com puest os dist int os no podían t ener la m ism a fórm ula em pír ica. Las sust ancias orgánicas, con sus gr andes m oléculas, r esult ar on engorr osas desde el pr incipio. La fór m ula em pír ica de la m or fina ( un com puest o or gánico bast ant e sim ple si se lo com para, por ej em plo, con las pr oteínas) se sabe ahor a que es C17 H 1 9 N0 3 . Con las t écnicas de pr incipios del siglo xv iii habr ía sido m uy difícil, quizás incluso im posible, decidir si la cor rect a era esa o, digam os, C16 H 20 NO3 . La fór m ula em pír ica del ácido acét ico, m ucho m ás sim ple ( C2 H 4 0 2 ) que la de la m or fina, pr ovocó gr andes cont r over sias en la pr im era m it ad del siglo XI X. Sin em bargo, para apr ender algo acerca de la est r uct ur a m olecular de las sust ancias or gánicas, los quím icos t enían que em pezar por las fór m ulas em pír icas. En 1780, Lav oisier t r at ó de det er m inar las propor ciones r elat iv as de carbono e hidr ógeno en com puest os or gánicos quem ándolos y pesando el dióxido de car bono y el agua que pr oducían. Sus r esult ados no fuer on m uy pr ecisos. En los pr im er os años del siglo XI X, Gay -Lussac, descubr idor de la ley de los volúm enes de com binación, y su colega el quím ico francés Louis Jacques Thénard ( 1777- 1857) , int roduj eron una m ej or a. Mezclar on la sust ancia orgánica con un agent e oxidant e, t al com o el clor at o de pot asio. Al calent ar la, est a com binación pr oduj o oxígeno que, ínt im am ent e m ezclado con la sust ancia or gánica, pr ovocó su m ás r ápida y com plet a com bust ión. Recogiendo el dióxido de car bono y el agua form ados, Gay -Lussac y Thénar d pudier on det er m inar las propor ciones r elat iv as de car bono y de hidr ógeno en el com puest o or iginal. Con la t eor ía de Dalt on r ecién pr esent ada, est a propor ción podía ex pr esar se en t ér m inos at óm icos. Muchos com puest os orgánicos est án form ados únicam ent e por carbono, hidr ógeno y oxígeno. Una vez m edidos el carbono y el hidr ógeno y dando por supuest a la pr esencia de oxígeno para ex plicar cualquier r esiduo, podía det er m inarse a m enudo la fór m ula em pír ica. Hacia 1811 Gay -Lussac había obt enido, por ej em plo, las fór m ulas em pír icas de algunos azúcar es sim ples. Est e pr ocedim ient o fue post eriorm ent e m ej orado por un quím ico alem án, Just us von Liebig ( 1803- 73) , quien, en 1831, obt uv o com o r esult ado fór m ulas em pír icas clar am ent e fiables 15 . Poco después, en 1833, el quím ico fr ancés Jean Bapt ist e Andr é Dum as ( 1800- 84) ideó una m odificación del m ét odo que per m it ía al quím ico r ecoger t am bién el nit r ógeno ent r e los pr oduct os de com bust ión. De est a m aner a podían det ect ar se las pr opor ciones de nit r ógeno en una sust ancia orgánica. Est os pioner os del análisis or gánico obt uvieron en el curso de sus invest igaciones r esult ados que acabaron con la cr eencia en la im por t ancia de la fór m ula em pír ica. Ocur r ió de est a m aner a: En 1824, Liebig est udió un gr upo de com puest os, los fulm inat os, m ient ras Wöhler ( que después ser ía ínt im o am igo de Liebig y que pr onto sint et izar ía la ur ea, est aba est udiando ot ro grupo de com puest os, los cianatos. Am bos enviar on inform es de su t r abaj o a una r evist a edit ada por Gay -Lussac. Gay -Lussac not ó que las fór m ulas em pír icas dadas para est os com puest os er an idént icas y que, sin em bargo, las pr opiedades descr it as eran m uy difer ent es. Por ej em plo, el cianat o de plat a y el fulm inat o de plat a const an am bos de m oléculas que cont ienen un át om o de plat a, car bono, nit rógeno y oxígeno. Gay -Lussac com unicó esta obser v ación a Ber zelius, a la sazón el quím ico m ás fam oso del m undo; pero Ber zelius descubr ió que dos com puest os or gánicos, el ácido racém ico y el ácido tar t ár ico, si bien poseían pr opiedades difer ent es, par ecían t ener la m ism a fór m ula em pír ica ( que ahor a se sabe es G 4 H 6 0 6 ) . Com o los elem ent os est aban pr esent es en est os diferent es com puest os en las m ism as proporciones, Berzelius sugirió que t ales com puest os se llam asen isóm eros 15 Liebig fue uno de los grandes m aest ros de quím ica de t od os los t iem pos. Enseñ ó en la universidad de Giessen, donde est ableció el prim er cur so real de laborat orio quím ico. Num erosas quím icos est udiar on y aprendieron con él t écnicas de laborat orio. Liebig fue uno de los que influy eron para que la quím ica, de m ar cado predom inio francés en el siglo XVI I I , se conv irt iese casi en un m on opolio alem án en el XI X. ( de la palabra gr iega que significa «iguales pr opor ciones») , y la suger encia fue adopt ada. En las décadas siguient es se descubr ier on ot r os casos de isom er ía. Par ecía clar o que si dos m oléculas est aban hechas del m ism o núm ero de cada t ipo de át om os, y si poseían propiedades dist int as, la difer encia deber ía r esidir en el m odo com o los át om os est aban enlazados dent r o de la m olécula. En el caso de las m oléculas sencillas de los com puest os inorgánicos m ej or conocidos, podía ocurrir que sólo fuer a posible un or denam ient o de los át om os en la m olécula. Por esa r azón, no podían dar se isóm er os, y la fórm ula em pír ica ser ía suficient e. Así, H 2 0 ser ía agua y nada m ás que agua. Sin em bar go, en las m oléculas orgánicas m ás com plicadas, había lugar par a difer ent es or denam ient os y, por t ant o, para isóm er os. En el caso de los cianat os y fulm inat os, los difer ent es ordenam ient os son fáciles de descubr ir, pues cada m olécula no cont iene m ás que unos pocos át om os. El cianat o de plat a puede escr ibir se AgOCN, m ient r as que el fulm inat o es AgNCO. Aquí solam ent e int ervienen cuat ro át om os. Cuando la cant idad es m ayor, el núm ero de ordenam ient os posibles se hace tan gr ande que es r ealm ent e difícil decidir cuál de ellos cor r esponde a cada com puest o. I ncluso el caso del ácido r acém ico y el ácido t ar tár ico, con dieciséis át om os en sus m oléculas, er an dem asiado difícil de m anej ar en la pr im er a m it ad del siglo XI X. La sit uación se volver ía sim plem ent e im posible ( así debió par ecer ent onces) al consider ar m oléculas aún m ayor es. El pr oblem a de la est r uct ura m olecular tendr ía que haber sido abandonado sin esper anza, t an pront o com o se det ect ó la v er dader a nat ur aleza del pr oblem a, de no haber sur gido una posibilidad de sim plificación. A par t ir de 1810 Gay- Lussac y Thénar d tr abaj ar on con cianur o de hidr ógeno ( CNH) , dem ost rando que era un ácido, aunque no cont enía oxígeno ( est o, j unt o con el descubr im ient o casi sim ult áneo de Dav y sobr e el m ism o hecho r efer ido al ácido clor hídr ico, r efut aba la creencia de Lavoisier de que el oxígeno er a el elem ent o caract er íst ico de los ácidos), Gay -Lussac y Thénar d hallar on que la com binación CN ( el gr upo cianur o) podía desplazar se de un com puest o a otr o sin que se separasen los át om os de car bono y nit r ógeno. En efect o, la com binación CN act uaba del m ism o m odo que un át om o aislado de cloro, br om o, et c., hast a el punt o de que el cianur o sódico ( CNNa) t enía algunas propiedades en com ún con el clor ur o sódico ( CI Na) y el br om ur o sódico ( Br Na) 16 . Tal gr upo de dos ( o m ás) át om os que per m anecían com binados al pasar de una m olécula a ot r a se denom inó un radical, vocablo que pr oviene de la palabr a lat ina que significa «raíz». La r azón de est e nom br e estaba en la cr eencia de que las m oléculas podían constr uir se a par t ir de un núm er o lim it ado de com binaciones de át om os pequeños. Los radicales ser ían ent onces las «r aíces» a par t ir de las cuales la m olécula cr ecer ía, por así decir lo. Desde luego, el gr upo CN er a m uy sencillo, per o Wöhler y Liebig, t r abaj ando j unt os, descr ibier on un caso m ucho m ás com plej o. Descubr ier on que el gr upo benzoílo podía t raspasar se de una m olécula a ot r a sin ser dest r uido. La fór m ula em pír ica del gr upo benzoílo se sabe act ualm ent e que es C7 H 5 0. En r esum en, com enzó a v er se que para r esolv er el m ist er io est r uct ur al de las gr andes m oléculas había que r esolv er pr im er o las est r uct ur as de det er m inado núm er o de radicales difer ent es. Las m oléculas podr ían después const r uir se sin m ucha dificult ad ( así se esper aba) a par t ir de los r adicales. ¡Las cosas pr osperaban! 16 «Algunas propiedades» no significa, desde luego, t odas las propiedades. El cloruro sódico es esencial para la v ida, el brom uro sódico es lev em ent e t óx ico y el cianuro sódico es un v eneno v irulent o de acción inm ediat a. Ca pít u lo 7 Est r u ct u r a m ole cu la r Cont enido: 1. La t eoría de los t ipos 2. Valencia 3. Fórm ulas est ruct urales 4. I sóm eros ópt icos 5. Moléculas t ridim ensionales 1 . La t eoría de los tipos Ber zelius hizo suy a la idea de que los r adicales podían ser las unidades a par t ir de las cuales se const r uyesen las m oléculas or gánicas. Cr eía que las m oléculas or gánicas est aban form adas de r adicales, igual que las m oléculas inor gánicas est aban for m adas de át om os indiv iduales, y llegó a pensar que los r adicales er an casi t an indivisibles e inm ut ables com o los pr opios át om os. Ber zelius m ant uvo que la fuerza que une a los át om os en una m olécula inor gánica o en un r adical or gánico er a de nat ur aleza eléct r ica ( lo que finalm ent e acabar ía siendo cier t o) . Cada m olécula, pues, debía cont ener una par t e posit iv a y una par t e negat iv a, y a que sólo ex ist ía at r acción ent r e los elem ent os de car gas opuestas. Para las sustancias inorgánicas sim ples com o el cloruro sódico, est e concept o de posit ivo y negat ivo dem ost r ó finalm ent e concor dar con los hechos. Para que est o se cum pliese en las sust ancias orgánicas, Berzelius t uvo que insist ir en que los r adicales consist ían en car bono e hidr ógeno solam ent e, siendo el car bono negat iv o y el hidr ógeno posit iv o. Por tant o, m antuvo que el radical benzoílo ( C7 H 5 0) no cont enía ni podía cont ener oxígeno, lo que se cont r adecía con los est udios r ealizados sobr e est e r adical. Ber zelius est aba segur o t am bién de que er a im posible sust it uir un elem ent o negat ivo por ot r o posit ivo sin cam biar drást icam ent e las pr opiedades del com puest o. Rápidam ent e se dem ostr ó que est aba equiv ocado en est a últ im a afir m ación. Dum as er a un ent usiast a defensor de Ber zelius, per o uno de los alum nos de Dum as, August e Laurent ( 1807- 53) , consiguió sust it uir por át om os de cloro algunos de los át om os de hidr ógeno exist ent es en la m olécula de alcohol et ílico. Est e exper im ent o asest ó el golpe m or t al a la t eor ía de Ber zelius, ya que el clor o se consider aba negat iv o y el hidr ógeno posit iv o, y sin em bar go se podía sust it uir el uno por el ot r o sin que cam biasen de form a dr ást ica las pr opiedades del com puest o. Adem ás, en est e com puest o clor ado el carbono debía estar unido dir ect am ent e al clor o y, si am bos eran át om os negat iv os, ¿cóm o era ello posible? Las car gas eléct r icas negat iv as se r epelían ent r e sí. Siguiendo el m ism o r azonam ient o, ¿cóm o podían unir se dos át om os de clor o para for m ar una m olécula de clor o? Estas cuest iones no se clar ificar on hast a un siglo m ás t ar de, com o v er em os m ás adelant e. Ber zelius, t est ar udo y ext rem adam ent e conservador en sus últ im os años, rehusó cam biar sus ideas. Al ent er ar se del infor m e de Laur ent , atacó fier am ent e los nuev os hallazgos. El m ism o Dum as, en 1839, había sust it uido clor o en el lugar ocupado por t r es át om os de hidr ógeno en el ácido acét ico. No obst ant e, ant e la oposición de Ber zelius, Dum as se r et r act ó cobar dem ent e y no r econoció el t r abaj o de Laur ent . Pero Laurent se m ant uvo firm e y cont inuó acum ulando pruebas en el sent ido de que los r adicales no er an t an indest r uct ibles, tan est ables, com o Ber zelius cr eía, y de que no se debía sobr eest im ar la cuest ión de lo posit iv o y lo negat iv o. La ira de Ber zelius alej ó a Laur ent de los labor ator ios m ás fam osos, y , m ient r as Ber zelius v iv ió, su ver sión de la t eor ía de los r adicales siguió ex ist iendo por la sola fuer za de su per sonalidad. A la m uer t e de Ber zelius en 1848, su t eor ía m ur ió y la de Laur ent ganó popular idad. Laur ent dej ó por com plet o de insist ir en las fuer zas eléct r icas. Cr eía que una m olécula or gánica t enía un núcleo ( que podía ser un solo át om o) al que se enlazaban los difer ent es r adicales. Las m oléculas or gánicas podían agr upar se así en fam ilias o t ipos ( de ahí el nom br e de t eor ía de los t ipos) . Todos los m iem br os de un t ipo t endr ían un núcleo idént ico al cual podía unir se cualquier a de una ser ie de r adicales sem ej antes; y dent r o de los r adicales ex ist ían m uchas posibilidades de v ar iación. Un det er m inado t ipo m olecular podía incluso ex t ender se al r eino de lo inor gánico. Por ej em plo, la m olécula de agua ( H 2 0) podía considerar se for m ada por un át om o cent r al de oxígeno ( el núcleo) al que est aban unidos dos át om os de hidr ógeno. Si se sust it uy e un át om o de hidr ógeno por los dist int os r adicales de una ser ie, se form ar á un t ipo de com puest o que incluir á ent r e sus m iem br os al agua, así com o a div er sas m oléculas or gánicas. Si un át om o de hidr ógeno se sust it uye por un gr upo m et ilo ( CH 3 ) o un gr upo et ilo ( C2 H 5 ) , se t endría CH 3 OH ( alcohol m et ílico) y C2 H 5 OH ( alcohol et ílico) , r espect iv am ent e. Muchos ot r os alcoholes podr ían constr uir se del m ism o m odo. Y en r ealidad los alcoholes no sólo t ienen m uchas sem ej anzas ent r e sí, sino que, com o clase, m anifiest an t am bién cier t as sem ej anzas con el agua. Los alcoholes m ás sim ples, com o el alcohol m et ílico y el et ílico, se m ezclan con el agua en cualquier pr opor ción. El m et al sodio r eacciona con los alcoholes del m ism o m odo que con el agua, aunque m ás lent am ent e, et c. Ent r e los años 1850 y 1852, el quím ico inglés Alexander William William son ( 18241904) dem ostró que la fam ilia de com puest os orgánicos llam ada ét er es podía t am bién for m ar se según el «t ipo agua». En est e caso los dos hidr ógenos del agua eran sust it uidos por r adicales or gánicos. El ét er com ún, que com enzaba ent onces a ut ilizar se com o anest ésico, t iene am bos hidr ógenos r eem plazados por gr upos et ilo, de m anera que su fór m ula es C2 H 5 0 C2 H 5 . Ant es de est o, en 1848, el quím ico francés Charles Adolphe Wurt z ( 1817- 84) había est udiado un gr upo de com puest os r elacionados con el am oniaco y que r ecibier on el nom bre de am inas. Dem ost r ó que pert enecían a un t ipo con un núcleo de nit rógeno. En el am oniaco, un át om o de nit r ógeno est aba unido a t r es át om os de hidr ógeno. En las am inas, uno o m ás de est os hidr ógenos est aban r eem plazados por r adicales orgánicos. La t eor ía de los t ipos ganó popular idad debido a que podía usar se par a or ganizar el núm er o cada v ez m ay or de com puest os or gánicos que se est aban est udiando. El quím ico r uso- ger m ano Fr iedr ich Konrad Beilst ein ( 1838- 1906) publicó en 1880 un v ast o com pendio de com puest os or gánicos y ut ilizó la t eor ía de los t ipos de Laur ent para organizar dichos com puest os dent ro de un or den r acional. No obstant e, la t eor ía, tal com o sur gió del t r abaj o de Laur ent , er a incom plet a. Todav ía ut ilizaba los r adicales com o unidades y, m ás que r esolv er la cuest ión de la est r uct ur a m olecular , la ev adía. Par a r esolv er la cor r ect am ent e había que enfr ent ar se a la pr egunt a: ¿cuál es la disposición at óm ica r eal dent r o de los m ism os r adicales? 2 . Va len cia La t eor ía de los t ipos im pr esionó a algunos quím icos por el hecho de que el át om o de oxígeno se com binaba siem pr e con ot r os dos át om os o radicales. Podía com binar se con dos át om os de hidrógeno para form ar agua, con un át om o de hidr ógeno y un radical or gánico para form ar un ét er . Per o en cualquier caso el át om o de ox ígeno se unía a dos ent idades. De m aner a sim ilar , el át om o de nit r ógeno siem pr e se com binaba con t r es át om os o r adicales. Kolbe y ot r os quím icos em pezar on a escr ibir fór m ulas par a los com puest os or gánicos en las que se daba por supuest a t al const ancia en el núm er o de enlaces del ox ígeno o del nit r ógeno. El hecho fue gener alizado por el quím ico inglés Edw ard Fr ankland ( 1825- 99) , el pr im er o en int er esar se por los com puest os or gano- m etálicos, en los cuales agr upaciones or gánicas se enlazan a át om os de m et ales com o el cinc 17 . Aquí est aba m uy clar o que cada át om o m etálico podía enlazar se sólo a det er m inado núm er o de gr upos orgánicos y que est e núm er o var iaba par a los difer ent es m et ales. Los át om os de cinc, por ej em plo, se com binaban ex actam ent e con dos agr upaciones or gánicas. En 1852 Fr ankland pr opuso lo que después llegar ía a conocer se com o t eor ía de la v alencia ( de la palabr a lat ina que significa «poder ») : cada át om o t iene un poder de com binación fij o. Por ej em plo, en condiciones nor m ales, un át om o de hidr ógeno solam ent e se com binar á con otr o át om o. Est o es t am bién cier t o par a el sodio, clor o, plat a, brom o y pot asio. Todos ellos t ienen una valencia de 1. Los át om os de oxígeno pueden com binar se con dos át om os difer ent es, igual que los de calcio, azufr e, m agnesio y bar io. Todos est os elem ent os t ienen una valencia de 2. El nit r ógeno, fósfor o, alum inio y or o t ienen una valencia de 3. El hier r o puede t ener una valencia de 2 ó de 3, y así sucesivam ent e. A la lar ga, la cuest ión de la valencia r eveló que no era ni m ucho m enos t an sim ple com o par ecía en un 17 En el verdadero com puest o organam et álico, el át om o de m et al est á fir m em ent e un ido a un át om o de carbon o. Los com puest os com o el acet at o de cinc ( un t ipo de sust an cia con ocido ant es de la época de Frank land) son sales de ácidos orgánicos. En dichas sales el át om o de m et al est á unido a un át om o de ox ígeno, y ést os n o se consideran aut ént icos com puest os organom et álicos. pr incipio, per o incluso est a v er sión sim plificada de la t eor ía encer r aba ya un v alor inest im able. Ent r e ot r as cosas, el concept o de valencia ay udó a clar ificar la difer encia ent r e peso at óm ico y peso equiv alent e de un elem ent o. Todavía a m ediados del siglo x ix , m uchos quím icos confundían am bos concept os. Exper im ent alm ent e se puede dem ostr ar que una par t e de hidr ógeno se com bina con 35,5 par tes de clor o, puest o que un át om o de hidr ógeno se une a un át om o de clor o para for m ar clor ur o de hidr ógeno, y el át om o de clor o es 35,5 v eces m ás pesado que el de hidr ógeno. Es decir , el clor o t iene un peso at óm ico de 35,5. Per o una par t e de hidr ógeno no se com binará con todos los elem ent os en pr opor ción a sus pesos at óm icos. Por ej em plo, el oxígeno t iene un peso at óm ico de 16, per o cada át om o de ox ígeno se une a dos át om os de hidr ógeno, al t ener el oxígeno una v alencia de 2. Por lo t ant o, 16 par t es de oxígeno se com binan con 2 par t es de hidr ógeno. El peso equiv alent e del oxígeno es la cant idad de oxígeno que se com bina con una par t e de hidr ógeno, es decir , 16/ 2 u 8. Del m ism o m odo, el át om o de nit r ógeno, con un peso at óm ico de 14 y una valencia de 3, se com bina con t r es át om os de hidrógeno. El peso equiv alent e del nit r ógeno es, en consecuencia, 14/ 3, o aproxim adam ent e 4,7. En gener al, el peso equiv alent e de un át om o ser á igual a su peso at óm ico div idido por su v alencia. Por otr a par t e, la segunda ley de la elect r ólisis de Far aday est ablece que el peso de m et al liber ado por una cant idad det er m inada de corr ient e eléct r ica es pr opor cional al peso equiv alent e de dicho m et al. Est o significa que una cant idad det er m inada de cor r ient e eléct r ica liber ar á com o m ucho sólo la m it ad en peso de un m et al de valencia 2 fr ent e a un m et al de valencia 1 de igual peso at óm ico. La sit uación puede ex plicar se suponiendo que es pr eciso «un át om o de elect r icidad» para tr anspor tar un át om o univ alent e, m ient r as que hacen falt a dos para un át om o biv alent e. Sin em bar go, est a conex ión ent re v alencia y «át om os de elect r icidad» no fue r econocida del t odo hasta m edio siglo después. 3 . Fórm u la s e st r u ct ur a le s Kek ulé aplicó la noción de v alencia con especial int er és a la est r uct ur a de las m oléculas or gánicas. Em pezó con la suger encia de que el car bono t iene una v alencia de 4, y pr ocedió en 1858 a elabor ar sobr e est a base la est r uct ura de las m oléculas or gánicas m ás sim ples, así com o la de los radicales. La r epr esent ación gr áfica de est e concept o se debe al quím ico escocés Ar chibald Scot t Couper ( 18311892) , quien sugir ió r epr esent ar esas fuerzas com binadas ent r e át om os ( enlaces, com o se las llam a nor m alm ent e) en for m a de pequeños t r azos. De est a m aner a, las m oléculas or gánicas podían const r uir se com o v er dader as est r uct ur as de «m ecano». Est a r epr esent ación perm it ió ver m uy clar am ent e por qué las m oléculas or gánicas er an, en gener al, m ucho m ás gr andes y com plej as que las m oléculas inor gánicas. De acuer do con la idea de Kek ulé, los át om os de carbono podían enlazar se unos con ot r os por m edio de uno o m ás de sus cuatro enlaces de valencia, par a for m ar lar gas cadenas, lineales o r am ificadas. Ningún ot r o át om o par ecía disfr utar de esa pr opiedad en un grado tan m ar cado com o el car bono. Así, los t r es hidr ocar bur os ( m oléculas for m adas solam ent e por át om os de car bono y de hidr ógeno) m ás sim ples, que son m et ano ( CH 4 ) , et ano ( C2 H 6 ) y pr opano ( C3 H 8 ) , pueden r epr esent ar se con cada át om o de carbono pr ovist o de cuatr o enlaces, y cada át om o de hidr ógeno pr ovist o de uno, tal com o sigue: Est a ser ie puede cont inuar se añadiendo átom os de car bono hast a la longit ud que se desee, práct icam ent e. Añadiendo oxígeno, con dos enlaces, y nit rógeno, con t r es, puede r epr esent ar se la m olécula del alcohol et ílico ( C2 H 6 O) y la de m et ilam ina ( CH 5 N) com o sigue: Tales fór m ulas est r uct ur ales pueden hacer se m ás flex ibles si se per m it e la exist encia de dos enlaces ( un doble enlace) o t r es enlaces ( un t r iple enlace) ent r e dos át om os adyacent es. Así, el et ileno ( C2 H 4 ) , acet ileno ( C2 H 2 ) , el cianur o de m et ilo ( C2 H 3 N) , acet ona ( C3 H 6 0) , y ácido acét ico ( C2 H 4 0 2 ) pueden r epr esent ar se com o sigue: Las fór m ulas est r uct ur ales hacían gala de una ut ilidad t an obvia que m uchos quím icos las acept ar on inm ediat am ent e, quedando desfasados por com plet o t odos los int ent os de r epr esent ar las m oléculas or gánicas com o est r uct ur as const r uidas a par t ir de radicales. Ahor a podr ía const r uirse nada m enos que una r epr esent ación át om o por át om o. En par t icular , un quím ico r uso, Alex ander Mij ailovich But ler ov ( 1828- 86) , apoyó el nuev o sist em a. Dur ant e la década de 1860 señaló cóm o el uso de las fór m ulas est r uct ur ales podía ex plicar la ex ist encia de isóm er os. Por ej em plo, par a ut ilizar un caso m uy sencillo, el alcohol et ílico y el ét er dim et ílico, si bien poseen pr opiedades m uy difer ent es, t ienen la m ism a fór m ula em pír ica: C2 H 6 0. Las fór m ulas est ruct urales de los com puest os son: No es de ext rañar que el cam bio en el enlace de los át om os lleve a dos conj unt os de pr opiedades m uy difer ent es. En el caso del alcohol et ílico, uno de los seis át om os de hidr ógeno est á enlazado a un át om o de oxígeno, m ient r as que en el ét er dim et ílico los seis est án fij ados a át om os de car bono. Los át om os de hidr ógeno se fij an al át om o de oxígeno m ás débilm ent e que al car bono, de m odo que el sodio m et álico añadido al alcohol et ílico desplaza ex act am ent e un sex t o del cont enido de hidr ógeno. Si se añade sodio al ét er dim et ílico, no desplaza nada de hidrógeno. Así, la r eacción quím ica sir v e com o guía para la fór m ula est r uct ur al, y las fór m ulas por su par t e sir v en com o guía par a r eacciones desconocidas. But ler ov t r at ó específicam ent e con un t ipo de isom er ía llam ada taut om er ía, en la que cier t as sust ancias apar ecían siem pr e com o m ezcla de dos com ponent es. Si uno de est os com ponent es se aislaba en for m a pur a, podr ía t r ansfor m ar se r ápidam ent e, en part e, en el ot ro. But lerov m ost ró que la t aut om ería consist ía en una t ransferencia espont ánea de un át om o de hidrógeno desde un enlace con un át om o de oxígeno a un enlace con un át om o de car bono cercano ( y a la inversa) . El benceno, un hidr ocarbur o sim ple cuy a fór m ula em pír ica es C6 H 6 , supuso un pr oblem a capit al en los pr im er os años de las fór m ulas est r uct urales. Ninguna fór m ula est r uct ur al par ecía sat isfacer los requisit os de v alencia, y al m ism o t iem po ex plicar la gr an est abilidad del com puest o. Est o es, las fór m ulas est r uct ur ales que se sugir ier on al pr incipio se par ecían a las de ot r os com puest os que er an m uy inest ables. De nuevo fue Kekulé quien salvó la sit uación. Un día de 1865 ( según el m ism o Kek ulé) , m edio dor m ido en un óm nibus, le par eció ver át om os ej ecut ando una danza. De pr ont o, la cola de una cadena se unió a su cabeza y for m ó un anillo cir cular . Hast a ent onces, las fór m ulas est ruct ur ales se habían for m ado solam ent e con cadenas de át om os de carbono, per o ahor a Kek ulé pensó t am bién en la posibilidad de anillos de car bono. Sugir ió la siguient e fór m ula est r uct ur al para el benceno: La ex plicación fue acept ada, y la idea de las fór m ulas est r uct ur ales descansó sobr e bases m ás firm es que nunca 18 . 4 . I sóm e r os ópt icos Pese a su ut ilidad, las fór m ulas est r uct urales de Kek ulé no t er m inaban de ex plicar un t ipo de isom ería par t icularm ent e sut il, en la que int ervenía la luz. Consider ém osla br evem ent e. 18 No obst ant e, la presencia de t res dobles enlaces en el benceno creaba un problem a, y a que los com puest os con dobles enlaces sufrían nor m alm ent e det erm inados t ipos de reacciones que el benceno n o solía sufrir. Pasar on casi t res cuart os de siglo ant es de que encont rase ex plicación al rom pecabezas de los dobles enlaces que no act úan com o dobles enlaces. En 1801, el inglés Thom as Young ( 1773- 1829) , per sonaj e ex t r aordinar io que fue el pr im er o en ent ender la fisiología del oj o, había efect uado ex per im ent os que dem ostraban que la luz se com por taba com o si consist iese en pequeñas ondas. Más t ar de, hacia 1814, el físico fr ancés August in Jean Fr esnel ( 1788- 1827) m ost r ó que las ondas de luz per t enecen a un t ipo par t icular conocido com o ondas t ransv er sales. Est as ondas oscilan per pendicular m ent e a la dir ección en la que v iaj a la onda en conj unt o. La sit uación se visualiza m ej or en r elación con las olas del agua, tam bién de nat ur aleza t r ansv er sal. Cada par t ícula de agua se m uev e v er t icalm ent e, m ient r as las olas se desplazan hor izont alm ent e. Las ondas lum inosas no est án lim it adas a una super ficie, de m anera que no se m uev en sim plem ent e hacia ar r iba y hacia abaj o. Pueden m ov er se a izquier da y der echa, o de nordest e a sur oest e, o de nor oest e a sudest e. De hecho, hay un núm ero infinit o de direcciones en que las ondas de luz pueden oscilar en ángulo r ect o a la dir ección de su desplazam ient o. En un r ay o de luz or dinar ia, algunas ondas est án oscilando en una dir ección, ot r as en ot r a, et c. No hay una dir ección pr efer ent e. Per o si ese r ay o de luz at r aviesa cier t os cr ist ales, el or denam ient o de los át om os dent r o de los cr ist ales fuer za al ray o de luz a oscilar en un plano det er m inado, un plano que per m it ir á a la luz deslizar se a t r avés de y ent r e las hiler as de át om os. A la luz que oscila en un solo plano se la llam a luz polar izada, nom br e pr opuest o en 1808 por el físico fr ancés Et ienne Louis Malus ( 1775- 1812) . Por esa época, la t eor ía ondulat or ia no había sido aún acept ada, y Malus cr eía que la luz const aba de par t ículas con polos nor t e y sur, y que en la luz polar izada t odos los polos est aban or ient ados en la m ism a dir ección. Est a teor ía desapar eció rápidam ent e, per o la expr esión quedó, y t odavía se usa. Hasta 1815, las pr opiedades y el com port am ient o de la luz polar izada par ecían per t enecer exclusivam ent e al dom inio de la física. En ese año, el físico fr ancés Jean Bapt ist e Biot ( 1774- 1867) m ostr ó que si la luz polar izada pasa a t rav és de det er m inados cr ist ales, el plano en que las ondas vibr an ex per im ent a un gir o. Unas v eces gir a en el sent ido de las aguj as del r eloj ( dex t r ógir o) y ot r as en sent ido cont rario ( levógiro) . Ent r e los cr ist ales que pr esent aban est a propiedad de act iv idad ópt ica estaban los de los com puest os orgánicos. Adem ás, algunos de est os com puest os orgánicos, com o son det er m inados azúcar es, m ost raban act iv idad ópt ica incluso cuando no est aban en form a crist alina, sino en solución. Tal com o acabó por descubr ir se, había sust ancias que difer ían solam ent e en sus pr opiedades ópt icas. I dént icas en lo dem ás, una de ellas podía gir ar el plano de luz polar izada en el sent ido de las aguj as del r eloj , y la ot r a en el sent ido cont r ar io. En ocasiones, una t er cer a podía no gir ar lo en absolut o. Los isóm er os ácido r acém ico y ácido t ar tár ico, que Ber zelius había descubier t o, difer ían en pr opiedades ópt icas. Tales isóm er os ópt icos no quedaban bien explicados por las fórm ulas est r uct ur ales de Kekulé. El pr im er indicio de com pr ensión de la act iv idad ópt ica apar eció en 1848, cuando el quím ico fr ancés Louis Past eur ( 1822- 95) em pezó a t r abaj ar con cr ist ales de t ar t r at o am ónico sódico. Past eur obser v ó que los cr ist ales er an asim ét r icos: es decir , un lado del cr ist al t enía una pequeña car a que no se pr esent aba en el ot r o. En algunos cr ist ales, la car a se pr esent aba en el lado der echo, en otr os en el izquier do. Ut ilizando un cr ist al de aum ent o, separó cuidadosam ent e con pinzas los cr ist ales, y disolv ió cada gr upo por separado. Las pr opiedades de cada gr upo par ecían idént icas, ex cept uando la act iv idad ópt ica. Una solución er a dex t r ógira, la ot ra lev ógir a. Par ecía, pues, que la act iv idad ópt ica era el r esult ado de la asim et r ía. Y par ecía t am bién que el hecho de que el plano de la luz polar izada fuer a girado en una dir ección o en ot r a dependía de que los cr ist ales, por lo dem ás idént icos, t uv ier an una asim et r ía de «m ano der echa» o de «m ano izquier da». Est a t eor ía r esult aba sat isfact or ia en el caso de los cr ist ales, per o ¿qué decir acer ca de la act ividad ópt ica en soluciones? En solución las sust ancias no exist en com o cr ist ales, sino com o m oléculas individuales flot ando al azar . Si la act ividad ópt ica im plicaba asim et r ía, ent onces dicha asim et r ía debía exist ir en la m ism a est r uct ur a m olecular . Las fórm ulas est r uct urales de Kek ulé no m ost r aban la necesar ia asim et r ía, per o est a falt a no invalidaba necesar iam ent e la r elación ent r e asim et r ía y act iv idad ópt ica. Después de t odo, las fór m ulas est r uct ur ales de Kek ulé est aban escr it as en dos dim ensiones sobr e la super ficie plana de la pizar ra o de un t r ozo de papel. Y, nat ur alm ent e, no era de esper ar que en r ealidad las m oléculas or gánicas fuesen bidim ensionales. Par ecía cier t o que los át om os en una m olécula hubier an de dist r ibuir se en t r es dim ensiones, y en ese caso su disposición podr ía pr esent ar la asim et r ía pr ecisa par a ex hibir act iv idad ópt ica. Sin em bar go ¿cóm o aplicar la necesar ia t r idim ensionalidad a la m olécula? Los átom os j am ás habían sido v ist os, y su ver dader a ex ist encia podía ser sim plem ent e una ficción conv enida, ut ilizada par a ex plicar las r eacciones quím icas. ¿Podía t om ar se confiadam ent e su ex ist encia t an lit er alm ent e que pudier an dist ribuirse en t res dim ensiones? Hacía falt a un hom br e j oven par a dar el paso siguient e, alguien que no hubiese adquir ido t odav ía la sabía pr udencia que v iene con los años. 5 . M olé cu la s t r idim e n sion a le s Est a per sona fue el j oven quím ico danés Jacobus Hendr icus Van't Hoff ( 1852- 1911) . En 1874, sin t er m inar aún su t esis par a el doct orado, sugir ió atr ev idam ent e que los cuat r o enlaces del car bono est aban dist r ibuidos en las t r es dim ensiones del espacio hacia los cuat r o vér t ices de un t et r aedro. Figura 11. El enlace tet r aédr ico de los át om os de car bono per m it e dos configur aciones de los át om os en los com puest os, siendo una de ellas la im agen especular de la otr a. Est e m odelo m uest r a las disposiciones en im agen especular de la m olécula de ácido láct ico, CH 3 , CHOCCO2 H. Para v er est o, im aginem os que tr es de los enlaces del car bono están colocados com o las patas de un t r ípode aplast ado, m ient r as que el cuar t o enlace apunt a dir ect am ent e hacia arr iba. Cada enlace equidist a ent onces de los ot ros t r es, y el ángulo ent r e un enlace y cualquier a de sus vecinos es de apr oxim adam ent e 109° ( véase figura 11) . Los cuat r o enlaces del át om o de car bono est án colocados sim ét r icam ent e alr ededor del át om o, y la asim et r ía se int r oduce solam ent e cuando cada uno de los cuat r o enlaces est á fij ado a un t ipo de át om o o gr upo de át om os difer ent es. Los cuatr o enlaces pueden disponer se ent onces ex act am ent e de dos m aner as dist int as, siendo una la im agen especular de la ot ra. Est e m odelo apor t aba pr ecisam ent e el t ipo de asim et r ía que Past eur había encont rado en los cr ist ales. Casi sim ult áneam ent e, el quím ico francés Joseph Achille Le Bel ( 1847- 1930) publicó una suger encia sim ilar . El át om o de car bono t et r aédr ico es conocido a veces com o t eor ía de Van’t Hoff- LeBel. El át om o t et r aédr ico ex plicaba t ant as cosas y de for m a t an clar a que fue r ápidam ent e acept ado. Contr ibuyó a ello el libr o publicado en 1887 por el quím ico alem án Johannes Adolf Wislicenus ( 1835- 1902) , que colocaba la aut or idad de un ant iguo y m uy respet ado cient ífico en apoyo de la t eor ía. Y sobre t odo, no había enm ascaram iento de los hechos. Los com puest os que poseían át om os de carbono asim ét r icos ( los que est aban enlazados a cuat ro gr upos difer ent es) poseían act iv idad ópt ica, m ient ras que los que no poseían tales át om os, car ecían de ella. Adem ás, el núm er o de isóm er os ópt icos er a siem pr e igual al núm er o pr edicho por la t eor ía de Vant Hoff- LeBel. En las últ im as décadas del siglo XI X la concepción t r idim ensional de los enlaces se ex t endió m ás allá de los át om os de car bono. El quím ico alem án Vik t or Mey er ( 1848- 97) m ostr ó que los enlaces de los át om os de nit r ógeno, concebidos en t r es dim ensiones, podían ex plicar t am bién cier t os t ipos de isom er ías ópt icas. Por su par t e, el quím ico inglés William Jackson Pope ( 1870- 1939) m ostr ó que lo m ism o er a aplicable a ot r os át om os tales com o los de azufr e, selenio y est año, el ger m ano- suizo Alfr ed Wer ner ( 1866- 1919) añadió el cobalt o, cr om o, r odio y ot r os m et ales. ( A com ienzos de 1891, Wer ner desar rolló una t eor ía de la coor dinación de la est r uct ur a m olecular . Est a idea, según él, le v ino en sueños, desper t ándole a las dos de la m adr ugada con un sobr esalt o. Esencialm ent e, est a t eor ía m ant iene que las r elaciones est r uct ur ales ent r e át om os no t ienen por qué est ar r est r ingidas a los enlaces or dinar ios de v alencia, sino que - par t icular m ent e en cier t as m oléculas inor gánicas r elat iv am ent e com plej as- los gr upos de át om os podr ían dist r ibuir se alr ededor de algún át om o cent r al, de acuerdo con cier t os pr incipios geom ét r icos que no par ecen t ener en cuent a el enlace de valencia or dinar io. Pasó casi m edio siglo ant es de que las nociones de valencia se afinasen lo bast ant e com o para incluir t ant o los com puest os sim ples que se aj ust aban a las nociones de Fr ankland y Kek ulé, com o los com puest os de coor dinación de Wer ner .) La idea de est r uct ur a t r idim ensional llev ó r ápidam ent e a ult er ior es avances. Vik t or Mey er había dem ost r ado que si bien las agr upaciones de át om os ordinar iam ent e pueden gir ar en liber t ad alr ededor de un único enlace que las une al r est o de la m olécula, el t am año de los gr upos de át om os cer canos podr ía im pedir a v eces t al r ot ación. Est a sit uación, llam ada im pedim ent o esfér ico, puede com par ar se a la de una puer t a que norm alm ent e gir a libr em ent e sobr e sus goznes, per o que queda bloqueada por algún obstáculo colocado det r ás de ella. Pope llegó a m ost rar que a consecuencia del im pedim ent o est ér ico er a posible que una m olécula fuera asim ét r ica. Podr ía ent onces m ost rar act iv idad ópt ica, aun cuando ninguno de los át om os const it uyent es fuese est rict am ent e asim ét rico. El quím ico alem án Johann Fr iedr ich Wilhelm Adolf von Baeyer ( 1835- 1917) ut ilizó en 1885 la r epr esent ación tr idim ensional para dibuj ar át om os de carbono fij os a anillos planos. Si los cuatr o enlaces de los át om os de carbono apuntan hacia los cuat r o vér t ices de un t et raedro, el ángulo ent r e dos cualesquier a de ellos es aproxim adam ent e de 109,5° . Baey er argum ent ó que en cualquier com puest o or gánico hay una t endencia a perm it ir que los át om os de car bono se conect en de m odo tal que los enlaces conser v en sus ángulos nat ur ales. Si el ángulo es obligado a variar, el át om o se encont r ará som et ido a un esfuerzo. Tr es át om os de carbono enlazado en anillo for m ar ían un tr iángulo equilát er o, con el ángulo ent r e cada par de enlaces igual a 60° . Est a separación es m uy difer ent e del ángulo natural de 109,5° , y por est a r azón los anillos de 3 car bonos son difíciles de for m ar y, una vez form ados, fáciles de rom per. Un anillo de 4 car bonos for m ar á un cuadrado, con ángulos de 90° ; un anillo de 5 car bonos for m ar á un pent ágono con ángulos de 108° ; un anillo de 6 car bonos for m ar á un hexágono, con ángulos de 120° . Par ece que un anillo de 5 car bonos no im plica vir t ualm ent e ninguna fuer za sobr e los enlaces del át om o de car bono, y un anillo de 6 car bonos im plica sólo una fuer za pequeña. La t eor ía de las t ensiones de Baeyer par ecía explicar , por t ant o, la pr eponder ancia de tales anillos en la nat ur aleza sobr e los anillos de m ás de 6 ó m enos de 5 át om os19 . El m ás espect acular de todos los t rabaj os fue quizás el r ealizado en 1880 por el quím ico alem án Em il Fischer ( 1852- 1919) sobr e la quím ica de los azúcar es sim ples. Var ios azúcar es bien conocidos com par t en la m ism a fór m ula em pír ica C6 H 12 0 6 . Tam bién t ienen m uchas propiedades en com ún, per o se difer encian en otr as, especialm ent e en la m agnit ud de su act iv idad ópt ica. Fischer dem ost r ó que cada uno de est os azúcar es t enía cuat ro át om os de carbonos asim ét r icos, y que en base a la t eor ía de Van’t Hoff- Le Bel habría ent onces dieciséis isóm er os ópt icos. Est os isóm er os se dispondr ían en ocho par es; en cada par un isóm er o girar ía el plano de la luz polar izada en el sent ido de las agujas del r eloj , ex act am ent e con la m ism a m agnit ud con que el ot r o isóm er o la gir ar ía en el sent ido cont rario. Fischer pr ocedió a est ablecer la disposición ex act a de los át om os en cada uno de los dieciséis isóm er os. El hecho de haber se hallado pr ecisam ent e dieciséis isóm er os de azúcar es con seis carbonos, div ididos en ocho par es, const it uy e una fuer t e pr ueba en fav or de la validez de la t eor ía de Van’t Hoff- Le Bel. Est a m ism a pr ecisión en las pr edicciones se da en el caso de los ot r os t ipos de azúcar es, de am inoácidos y de cualquier ot r o t ipo de com puest os. Hacia 1900 la descr ipción de la est r uct ura m olecular en t r es dim ensiones, habiendo dem ostrado su validez, fue univ er salm ent e acept ada 19 La t eoría de las t ensiones de Baey er se aplica a los anillos con át om os en un solo plano. No es necesario que los át om os est én en un solo plano, y pueden form arse ( y de hecho se form an) t oda clase de anillos im pares en los que no ex ist e est a rest ricción. Ca pít u lo 8 La t a bla pe r iódica Cont enido: 1. Los elem ent os en desorden 2. La organización de los elem ent os 3. Rellenando los huecos 4. Los nuevos elem ent os por grupos 1 . Los elem en t os e n de sor den Hay un cur ioso paralelism o ent r e las hist or ias de la quím ica or gánica y de la inor gánica, a lo largo del siglo XI X. Las pr im eras décadas del siglo pasado cont em plar on una desesperant e pr olifer ación en el núm er o de com puest os or gánicos, y t am bién en el núm er o de elem ent os. El t er cer cuar to de siglo vio el m undo de los com puest os or gánicos puest o en orden, gr acias a las fór m ulas est r uct ur ales de Kek ulé. Tam bién vio or denado el m undo de los elem ent os, y al m enos par t e del m ér it o de am bos cam bios se debió a det er m inada r eunión int er nacional de quím icos. Per o em pecem os con el desorden exist ent e a com ienzos de siglo. El descubr im ient o de nuev os elem ent os, adem ás de los nuev e conocidos por los ant iguos y los cuat r o est udiados por los alquim ist as m ediev ales, se ha m encionado en el capít ulo 4. Los elem ent os gaseosos, nit rógeno, hidrógeno, oxígeno y cloro, habían sido descubier t os t odos ellos en el siglo XVI I I . Y lo m ism o los m et ales cobalt o, plat ino, níquel, m anganeso, t ungst eno, m olibdeno, ur anio, t it anio y crom o. En la pr im era década del siglo xix se añadier on a la list a no m enos de cat or ce nuevos elem ent os. Ent r e los quím icos ya m encionados en est e libro, Davy había aislado al m enos seis por m edio de la elect r ólisis. Guy - Lussac y Thénar d habían aislado bor o; Wollast on había aislado paladio y r odio, m ient r as que Ber zelius había descubier t o el cer io. El quím ico inglés Sm it hson Tennant ( 1761- 1815) , para el que Wollast on había t r abaj ado com o ayudant e, descubr ió t am bién el osm io y el ir idio. Ot r o quím ico inglés, Char les Hat chet t ( apr oxim adam ente 1765- 1847) , aisló el colom bio ( ahora llam ado oficialm ent e niobio) , m ient r as que el quím ico sueco Ander s Gustaf Ek eber g ( 1767- 1813) descubrió el t ánt alo. Figura 12. Lista de los cincuent a y cuat ro elem ent os conocidos y descubiert os en la época de Berzelius, con sus pesos at óm icos calculados t om ar com o base el del oxígeno igual a 16,0000. ( Tom ado de The Sea for t he Elem ent s, Basic Books.) El im pulso en las décadas sucesivas no fue t an fuert e, per o el núm ero de elem ent os cont inuó en aum ent o. Ber zelius, por ej em plo, descubrió cuat r o elem ent os m ás: selen io, silicio, cir conio y t or io ( véase fig. 12) . Luis Nicolas Vauquelin, en 1797, descubr ió el ber ilio. Hacia 1830 se conocían cincuent a y cinco elem ent os diferent es, un buen paso desde los cuat r o elem ent os de la ant igua t eor ía. De hecho, el núm er o er a dem asiado gr ande para no inquiet ar a los quím icos. Los elem ent os var iaban ex t ensam ent e en sus pr opiedades, y par ecía exist ir poco or den ent r e ellos. ¿Por qué había tant os? Y ¿cuánt os m ás quedaban t odavía por descubr ir ? ¿Diez? ¿Cien? ¿Mil? ¿Un núm er o infinit o? Era t ent ador buscar un orden en el conj unt o de los elem ent os ya conocidos. Quizá de est a m aner a podr ía encont rar se alguna razón que ex plicase su núm er o, y alguna m anera de j ust ificar la v ar iación de las propiedades que poseían. El pr im er o en capt ar un at isbo de or den fue el quím ico alem án Johann Wolfgang Dóber einer ( 1780- 1849) . En 1829 obser vó que el elem ent o br om o, descubiert o tr es años antes por el quím ico fr ancés Ant oine Jér óm e Balar d ( 1802- 76) , par ecía t ener pr opiedades que est aban j usto a m it ad de cam ino ent r e las del clor o y las del y odo. ( El y odo había sido descubier t o por ot r o quím ico fr ancés, Ber nard Cour t ois [ 17771838] , en 1811.) El clor o, br om o y yodo no sólo m ost raban una pr ogr esiva gr adación en propiedades com o color y r eact iv idad, sino que el peso at óm ico del br om o par ecía est ar j ust o a m edio cam ino ent r e los del clor o y el y odo. ¿Ser ía una coincidencia? Dóber einer llegó a encont r ar ot r os dos gr upos de t r es elem ent os que ex hibían clar as gr adaciones de pr opiedades: calcio, est r oncio y bar io; y azufr e, selenio y t elur io. En am bos gr upos el peso at óm ico del segundo elem ent o est aba a m it ad de cam ino ent r e los de los ot r os dos. ¿Se tr at aba de una nuev a coincidencia? Dóber einer llam ó a est os gr upos «t r íadas», y buscó ot ras infr uct uosam ent e. El hecho de que cinco sext as part es de los elem ent os conocidos no pudieran colocarse en ninguna t r íada hizo que los quím icos decidier an que los hallazgos de Dóber einer er an m era coincidencia. Adem ás, el m odo en que los pesos at óm icos encaj aban con las pr opiedades quím icas ent r e los elem ent os de las t r íadas de Dóber einer no im pr esionó gener alm ent e a los quím icos. En la pr im er a m it ad del siglo x ix, los pesos at óm icos t endían a subest im ar se. Result aban conv enient es para hacer cálculos quím icos, pero no par ecía haber ninguna r azón par a usar los en la confección de list as de elem ent os, por ej em plo. I ncluso era dudoso que los pesos atóm icos fueran út iles en los cálculos quím icos. Algunos quím icos no dist inguían con det alle el peso atóm ico del peso m olecular ; ot ros no dist inguían ent re peso at óm ico y peso equivalent e. Así, el peso equ ivalent e del oxígeno es 8, su peso at óm ico es 16, y el peso m olecular 32. En los cálculos quím icos, el peso equiv alent e, 8, es el m ás socor r ido; ¿por qué usar ent onces el núm er o 16 para colocar al oxígeno en la list a de los elem ent os? Est a confusión ent re peso equivalent e, peso at óm ico y peso m olecular ext endió su influencia desor ganizador a no sólo a la cuest ión de la list a de elem ent os, sino al est udio de la quím ica en gener al. Los desacuer dos sobr e los pesos r elat iv os que debían at r ibuir se a los difer ent es át om os conduj er on a desacuer dos sobr e el núm er o de átom os de cada elem ent o que había en una m olécula dada. Kek ulé, poco después de haber publicado sus suger encias conducent es a las fór m ulas est r uct ur ales, se dio cuent a de que est a idea quedar ía en nada si los quím icos no se ponían de acuerdo, para em pezar , acerca de las fór m ulas em pír icas. Por lo t ant o propuso una confer encia de quím icos im por t ant es de t oda Eur opa par a discut ir el asunt o. Com o r esult ado de ello se convocó la prim era reunión cient ífica int er nacional de la hist or ia. Se llam ó Pr im er Congr eso Int er nacional de Quím ica y se r eunió en 1860 en la ciudad de Kar lsr uhe, en Alem ania. Asist ier on cient o cuar ent a delegados, ent re los que se hallaba el quím ico it aliano St anislao Cannizzaro ( 1826- 1910) . Dos años ant es, Cannizzaro había t opado con el t r abaj o de su com pat r iot a Av ogadr o. Com pr endió que la hipót esis de Av ogadr o podía ut ilizar se para dist inguir ent r e peso at óm ico y peso m olecular de los elem ent os gaseosos im por t ant es, y que est a dist inción ser v ir ía par a aclarar la cuest ión de los pesos at óm icos de los elem ent os en gener al. Adem ás, com pr endió la im por t ancia de dist inguir cuidadosam ent e el peso at óm ico del peso equiv alent e. En el Congreso hizo una gran exposición del t em a, y a cont inuación dist ribuyó copias de un follet o en el que ex plicaba con det alle sus ar gum ent os. Lent a y labor iosam ent e, sus opiniones ganar on adept os en el m undo de la quím ica. A par t ir de ent onces, se clar ificó la cuest ión del peso at óm ico, y se apr eció la im por t ancia de la t abla de pesos atóm icos de Ber zelius. Para la quím ica or gánica, est e desarr ollo significaba que los cient íficos podían ahor a ent ender se sobr e las fór m ulas em pír icas y seguir añadiendo det alles a la fór m ula est r uct ur al, pr im er o en dos dim ensiones y después en t r es. La for m a en que est o se llev ó a cabo ha sido descr it a en el capít ulo ant er ior . Para la quím ica inor gánica los r esult ados fuer on igualm ent e fr uct ífer os, dado que ahora ex ist ía un or den r acional par a or denar los elem ent os según su peso at óm ico cr ecient e. Una vez hecho est o, los quím icos podr ían m ir ar la t abla per iódica con nuevos oj os. 2 . La or ga niza ción de los e le m e n t os En 1864, el quím ico inglés John Alexander Reina New lands ( 1837- 98) or denó los elem ent os conocidos según sus pesos at óm icos crecient es, y observó que est a or denación tam bién colocaba las pr opiedades de los elem ent os en un or den, al m enos par cial ( ver fig. 13) . Al disponer los elem ent os en colum nas ver t icales de siet e, los que er an sem ej antes t endían a quedar en la m ism a fila hor izont al. Así, el pot asio quedó cer ca del sodio m uy sem ej ant e a él; el selenio quedó en la m ism a línea que el azufr e, m uy par ecido; el calcio pr óxim o al m agnesio, y así sucesiv am ent e. Y efect iv am ent e, las t r es t r íadas de Dóber einer se hallaban en dichas filas. New lands llam ó a est o la ley de las oct avas ( en m úsica, siet e not as form an una oct av a, siendo la oct ava nota casi un duplicado de la pr im era y pr incipio de una nuev a oct av a). Desgr aciadam ent e, m ient r as unas filas de est a t abla cont enían elem ent os sem ej ant es, ot r as cont enían elem ent os enor m em ent e dispar es. Los dem ás quím icos pensar on que lo que New lands t r ataba de dem ostrar er a m ás una coincidencia que algo significat iv o. No pudo conseguir que su t rabaj o fuese publicado. Dos años ant es, el geólogo fr ancés Alex andr e Em ile Beguy er de Chancour t ois ( 1820- 86) t am bién había ordenado los elem ent os según su peso at óm ico cr ecient e y los había dist r ibuido en una especie de gr áfico cilíndr ico. Tam bién aquí los elem ent os sem ej ant es t endían a coincidir en colum nas vert icales. Publicó su t r abaj o, per o no su gráfico, y sus est udios pasar on t am bién inadver t idos ( v éase figur a 14) . Más éxit o t uvo el quím ico alem án Julius Lot har Meyer ( 1830- 95) . Meyer consideró el v olum en ocupado por det er m inados pesos fij os de los div er sos elem ent os. En t ales condiciones, cada peso cont enía el m ism o núm er o de át om os de su elem ent o. Est o significaba que la r azón de los volúm enes de los div er sos elem ent os er a equiv alent e a la r azón de los v olúm enes de los át om os sim ples que com ponían a dichos elem ent os. Así, pues, se podía hablar de volúm enes at óm icos. Al repr esent ar los volúm enes at óm icos de los elem ent os en función de los pesos at óm icos, se obt enían una ser ie de ondas que alcanzaban v alor es m áx im os en los m et ales alcalinos: sodio, pot asio, r ubidio y cesio. Cada descenso y subida a un m áx im o o m ínim o cor r esponder ía a un período en la t abla de elem ent os. En cada per íodo, t am bién descendían y subían ot r as pr opiedades físicas, adem ás del volum en at óm ico ( véase figur a 15) . Figura 13. La « ley de las oct avas», publicada en 1864 por J. A. R. Newlands, fue una pr ecur sora de la t abla per iódica de Mendeleiev. El hidr ógeno, el pr im er o de la list a de elem ent os ( por que t iene el peso at óm ico m ás baj o) , es un caso especial, y puede consider ar se que const it uy e él solo el pr im er per íodo. El segundo y t er cer per iodos de la t abla de Mey er com pr endían siet e elem ent os cada uno, y r epet ían la ley de New lands de las oct avas. Sin em bar go, las dos ondas siguient es com prendían m ás de siet e elem ent os, y est o dem ost r aba clar am ent e que New lands había com et ido un er r or. No se podía for zar a que la ley de las octav as se cum pliese est r ict am ent e a lo largo de t oda la t abla de elem ent os, con siet e elem ent os en cada fila horizont al. Los últ im os períodos t enían que ser m ás lar gos que los pr im er os. Mey er publicó su t rabaj o en 1870, per o llegó dem asiado tarde. Un año ant es, el quím ico r uso Dim it r i I v anovich Mendeleiev ( 1834- 1907) había descubier t o t am bién el cam bio en la longit ud de los per íodos de los elem ent os, pasando luego a dem ostrar las consecuencias de m anera part icular m ent e espect acular . Figura 14. Un t razo en espiral fue el r esultado que obt uvo Beguyer de Chancour t ois, en 1862, al or denar los elem ent os por su peso at óm ico y r elacionar los que poseían pr opiedades análogas. Mendeleiev est aba escr ibiendo su t esis en Alem ania en la época en que se celebr ó el Congr eso de Karlsruhe, y fue uno de los que escuchó y oyó a Cannizzaro sus opiniones sobr e el peso at óm ico. De vuelt a a Rusia, com enzó tam bién él a est udiar la list a de elem ent os según su peso at óm ico crecient e. Mendeleiev at acó las cuest iones desde el punt o de v ist a de la v alencia. Obser v ó que los pr im er os elem ent os de la list a m ostr aban un cam bio pr ogr esiv o en sus valencias. Es decir , el hidrógeno t enía una valencia de 1, el lit io de 1, el ber ilio de 2, el bor o de 3, el car bono de 4, el nit r ógeno de 3, el azufr e de 2, el flúor de 1, el sodio de 1, el m agnesio de 2, el alum inio de 3, el silicio de 4, el fósfor o de 3, el oxígeno de 2, el cloro de 1, y así sucesivam ent e. La valencia subía y baj aba est ableciendo per íodos: en pr im er lugar , el hidr ógeno solo; después, dos per íodos de siet e elem ent os cada uno; a cont inuación, per íodos que cont enían m ás de siet e elem ent os. Mendeleiev ut ilizó su inform ación para const r uir no un gráfico, com o Meyer y Beguyer de Chancour t ois habían hecho, sino una t abla com o la de New lands. Figura 15. El gráfico de Meyer repr esent aba los volúm enes de un peso fij o de los dist int os elem ent os. Dicha t abla per iódica de elem ent os er a m ás clara y llam at iv a que un gr áfico, y Mendeleiev ev it ó el er r or de New lands de insist ir en la r epet ición de per íodos iguales. Mendeleiev publicó su t abla en 1869, un año ant es de que Mey er publicase su t r abaj o ( v éase figura 16) . Per o la r azón de que la m ay or par t e del m ér it o en el descubr im ient o de la tabla per iódica se le hay a at r ibuido a él y no a los dem ás cont r ibuyent es, no es sólo una cuest ión de prior idad, sino que reside en el uso espect acular que Mendeleiev hizo de su t abla. Figura 16. Prim era edición de la t abla per iódica de los elem ent os de Mendeleiev, aparecida en el Jour nal of t he Russian Chem ical Societ y, en 1869. Con el fin de que los elem ent os cum pliesen la condición de t ener la m ism a valencia cuando est uviesen en una colum na det erm inada, Mendeleiev se vio obligado en uno o dos casos a colocar un elem ent o de peso at óm ico liger am ent e super ior delant e de ot r o de peso at óm ico infer ior . Así, el t elur io ( peso at óm ico 17.6, valencia 2) t uvo que colocar lo delant e del yodo ( peso at óm ico 126,9, valencia 1) con el fin de m ant ener el t elur o en la colum na de valencia 2 y el yodo en la colum na de valencia 1 20 . Por si est o fuer a poco, descubr ió que era necesar io dej ar huecos ent er os en su t abla. En lugar de considerar est os huecos com o im per fecciones de la t abla, Mendeleiev los t om ó int r épidam ent e com o repr esent ant es de elem ent os t odavía no descubiert os. En 1871 se fij ó de m odo especial en t r es huecos: los que quedaban j unt o a los elem ent os bor o, alum inio y silicio en la t abla, t al com o se había m odificado aquel año. Llegó incluso a dar nom bres a los elem ent os desconocidos, que - insist iócor r espondían a aquellos huecos: ek a- boro, ek a- alum inio, ek a- silicio ( «ek a» es la palabr a sánscr it a que significa «uno») . Tam bién pr edij o v ar ias pr opiedades de t ales elem ent os, est im ando que la pr edicción debía hacer se a par t ir de las pr opiedades de los elem ent os sit uados encim a y debaj o de los huecos de la t abla, siguiendo y com plet ando así el r azonam ient o de Dóber einer . El m undo de la quím ica seguía siendo escépt ico, y quizá hubiese cont inuado siéndolo si las audaces pr edicciones de Mendeleiev no se hubiesen ver ificado de m odo espect acular. Est e hecho se debió en pr im er lugar al uso de un nuev o inst rum ent o quím ico: el espect roscopio. 3 . Re llen a n do los hu e cos En 1814, un ópt ico alem án, Joseph von Fr aunhofer ( 1787- 1826) , est aba ex per im ent ando los ex celent es pr ism as que él m ism o fabr icaba. Hacía que la luz pasase pr im er o a t rav és de una r endij a, y a cont inuación a tr av és de sus pr ism as t r iangular es de v idr io. Halló que la luz for m aba un espect r o de color es, cr uzado por 20 El inst int o de Mendeleiev a est e respect o le guió correct am ent e, aunque la razón de ello no se supo hast a cerca de m edio siglo después. una ser ie de líneas oscur as. Contó unas seiscient as de est as líneas, anot ando cuidadosam ent e sus posiciones. Est as líneas est aban dest inadas a pr oporcionar una sor pr endent e infor m ación a finales de la década de 1850, gr acias al físico alem án Gust av Rober t Kir chhoff ( 1824- 87) , t r abaj ando en colaboración con el quím ico alem án Rober t Wilhelm s Bunsen ( 1811 - 99) . La fuent e básica de luz que usaban era el m echero Bunsen, invent ado por Bunsen y conocido desde ent onces por cualquier est udiant e que se inicia en el labor at or io quím ico. Est e ingenio quem a una m ezcla de gas y air e par a pr oducir una llam a calient e y escasam ent e lum inosa. Cuando Kirchhoff colocó crist ales de diversos com puest os en la llam a, ar dier on con luz de difer ent es color es. Al pasar est a luz a t r avés del pr ism a se separaba en líneas lum inosas. Figura 17. El espect r oscopio, que se ut ilizó en el descubr im ient o de diver sos elem ent os, capacitó a los invest igador es par a com par ar los espect r os de líneas lum inosas de los m et ales incandescent es. Cada elem ent o, m ost r ó Kir chhoff, pr oduce un m odelo car act er íst ico de líneas lum inosas cuando se calient a hast a la incandescencia, un m odelo que es diferent e del de cualquier ot r o elem ent o. Kirchhoff había invent ado así un m ét odo de obt ener la «huella dact ilar» de cada elem ent o por la luz que pr oducía al calent ar lo. Una v ez que los elem ent os fuer on ident ificados, pudo dar la v uelt a a su r azonam ient o y deducir los elem ent os de un cr ist al desconocido a par t ir de las líneas br illant es del espect r o pr oducido por ést e. El ingenio ut ilizado para analizar los elem ent os de est a m anera se llam ó espect r oscopio ( ver figur a 17) . Com o sabem os en la act ualidad, la luz se pr oduce com o r esult ado de cier t os fenóm enos que ocurren dent ro del át om o. En cada t ipo de át om o est e fenóm eno se da de un m odo par t icular . Por lo t ant o, cada elem ent o em it ir á luz de una cier t a longit ud de onda y no de ot ra. Al incidir luz sobr e v apor, esos m ism os fenóm enos que t ienen lugar dent r o de los át om os del v apor ocur r en a la inver sa. La luz de cier t a longit ud de onda es ent onces absor bida en v ez de em it ida. Es m ás, puest o que en am bos casos est án im plicados los m ism os fenóm enos ( en un sent ido en un caso, en sent ido cont r ar io en el ot ro) , las longit udes de onda de la luz absorbida por el v apor en un conj unt o de condiciones det er m inado son ex actam ente las m ism as que las que ese v apor par t icular em it ir ía baj o ot r o conj unt o de condiciones. Las líneas oscur as del espect r o de la luz solar er an debidas m uy pr obablem ent e a la absor ción de la luz del cuer po incandescent e del Sol por los gases de su r elat iv am ent e fr ía at m ósfera. Los vapor es de la at m ósfera solar absorbían luz, y de la posición de las líneas oscur as r esult ant es podr ía deducir se qué elem ent os est aban pr esent es en la at m ósfer a solar . El espect r oscopio se usó para m ost r ar que el Sol ( así com o las est r ellas y el m at er ial gaseoso int er est elar ) est aba for m ado por elem ent os idént icos a los de la Tier r a. Est a conclusión desbarat ó finalm ent e la cr eencia de Ar ist ót eles de que los cuer pos celest es est aban hechos de sust ancias de nat ur aleza dist int a a aquellas de las que est á for m ada la Tier r a. El espect r oscopio ofr ecía un nuev o y poderoso m ét odo para la detección de nuev os elem ent os. Si un m iner al incandescent e r ev elaba líneas espect r ales per t enecient es a un elem ent o no conocido, par ecía r azonable suponer que est aba en j uego un elem ent o nuevo. Bunsen y Kirchhoff com probaron hábilm ent e est a suposición cuando, en 1860, ex am inar on un m iner al con líneas espect r ales desconocidas y em pezar on a est udiar lo por si se t rat aba de un nuevo elem ent o. Encont raron el elem ent o y pr obaron que er a un m et al alcalino, r elacionado en sus pr opiedades con el sodio y el pot asio. Lo llam ar on cesio, del v ocablo lat ino que significa «azul cielo», debido al color de la línea m ás pr om inent e de su espect r o. En 1861 r epit ier on su t r iunfo al descubr ir otr o m et al alcalino m ás, el r ubidio, de la palabra lat ina que significa r oj o, de nuev o por el color de la línea del espect r o. Ot r os quím icos em pezar on a hacer uso de est a nuev a her r am ient a. Uno de ellos fue el quím ico fr ancés Paul Em ile Lecoq de Boisbaudr an ( 1838- 1912) , que pasó quince años est udiando los m iner ales de su Pir ineo natal por m edio del espect r oscopio. En 1875 r ast r eó cier t as líneas desconocidas y halló un nuev o elem ent o en el m iner al de cinc. Lo llam ó galio, de Galia ( Fr ancia) . Algún t iem po después pr eparó una cant idad suficient e del nuevo elem ent o para est udiar sus pr opiedades. Mendeleiev ley ó la com unicación de Lecoq de Boisbaudr an e inm ediat am ent e señaló que el nuevo elem ent o no era sino su propio eka- alum inio. Una invest igación post er ior confir m ó la ident ificación; la pr edicción de Mendeleiev de las pr opiedades del ek a- alum inio cor r espondía en t odo a las del galio. Los ot r os dos elem ent os pr edichos por Mendeleiev se encont r ar on por m edio de viej as t écnicas. En 1879, un quím ico sueco, Lar s Fredr ick Nilson ( 1840- 99) , descubrió un nuevo elem ent o al que llam ó escandio ( de Escandinavia). Cuando sus pr opiedades fuer on publicadas, uno de los colegas de Nilson, el quím ico sueco Per Theodor Clev e ( 1840- 1905) , señaló inm ediat am ent e su par ecido con la descr ipción del eka- bor o de Mendeleiev. Por últ im o, en 1866, un quím ico alem án, Clem ens Alexander Winkler ( 1838- 1904) , analizando un m iner al de plata, halló que t odos los elem ent os conocidos que cont enía alcanzaban solam ent e el 93 por 100 de su peso. I nvest igando el rest ant e 7 por 100, encont ró un nuevo elem ent o qu e llam ó germ anio ( de Alem ania) . Ést e venía a ser el eka- silicio de Mendeleiev. Así, dent r o de los quince años siguient es a la descr ipción por Mendeleiev de t r es elem ent os desconocidos, t odos habían sido descubier t os y se halló que sus descr ipciones coincidían con asom br osa exact it ud. Nadie podía dudar, después de est o, de la v alidez o ut ilidad de la t abla per iódica. 4 . Los n ue vos elem en t os por gr upos El sist em a de Mendeleiev aún t enía que resist ir el im pact o del descubr im ient o de nuev os elem ent os adicionales, par a los que podr ía, o no podr ía, encont rar se sit io en la t abla per iódica. Ya en 1794, por ej em plo, el quím ico finlandés Johan Gadolin ( 1760- 1852) había descubier t o un nuev o óxido m et álico ( o t ier r a) en un m iner al obt enido de la cant er a de Yt t er by , cer ca de Est ocolm o, Suecia. Com o la nuev a t ier r a er a m ucho m enos cor r ient e que ot ras com o la sílice, caliza y m agnesia, se le dio el nom br e de t ier r a r ara. Gadolin llam ó a su óxido it er bio, por la cant era de pr ocedencia; quince años después, se obt uvo el elem ent o it er bio. Los m iner ales de t ier r as r ar as se analizar on a m ediados del siglo xix y se av er iguó que cont enían t odo un gr upo de elem ent os, los llam ados t ier r as r aras. El quím ico sueco Car l Gust av Mosander ( 1797- 1858) , por ej em plo, descubr ió no m enos de cuat r o t ier r as raras a finales de los años 30 y com ienzo de los 40 del pasado siglo. Eran el lant ano, er bio, t er bio y didim io. En r ealidad er an cinco, puest o que cuar ent a años después, en 1885, el quím ico aust r iaco Car l Auer , Barón v on Welsbach ( 1858- 1929) , halló que el didim io er a una m ezcla de dos elem ent os, que llam ó pr aseodim io y neodim io. Lecoq de Boisbaudr an descubr ió ot r os dos, el sam ar io, en 1879, y el dispr osio en 1886. Cleve t am bién descubr ió dos: holm io y t ulio, am bos en 1879. Hacia 1907, cuando el quím ico fr ancés Georges Urbain ( 1872- 1938) descubr ió la t ier r a r ar a lut ecio, se había descubiert o ya un t ot al de cat orce de t ales elem ent os. Las t ier ras raras poseían pr opiedades quím icas m uy sim ilar es, y t odas t enían una v alencia de 3. Cabr ía suponer que deber ían ent r ar todas en una única colum na de la t abla per iódica. Per o t al or denam ient o er a im posible. Ninguna colum na er a suficient em ent e lar ga par a cont ener cator ce elem ent os. Adem ás, las cat or ce t ier r as r aras t enían unos pesos at óm icos m uy pr óxim os. Sobr e la base de los pesos at óm icos debían colocar se t odas ellas en una sola fila hor izont al, en un solo per íodo. Podía hacer se sit io para ellas en el sex t o per íodo, que er a m ás lar go que el cuar t o y el quint o, igual que ést os er an m ás lar gos que el segundo y el t er cer o. La sim ilit ud en pr opiedades de las t ier r as r ar as per m aneció, no obstant e, sin ex plicar hast a 1920. Hast a ent onces, esa falt a de ex plicación ar r oj ó cier t as som br as sobr e la t abla per iódica. Había otr o gr upo de elem ent os cuya ex ist encia er a com plet am ent e inesper ada en t iem po de Mendeleiev , y que no causar on tant os pr oblem as. En r ealidad, encaj ar on per fect am ent e en la t abla per iódica. El conocim ient o r elat ivo a ellos llegó con el t r abaj o del físico inglés John William St rut t , lor d Rayleigh ( 1842- 1919) , en 1880, quien est aba m idiendo con gran cuidado los pesos at óm icos del oxígeno, hidr ógeno y nit r ógeno. En el caso del nit r ógeno halló que el peso at óm ico var iaba con la fuent e del gas. El nit r ógeno del air e par ecía t ener un peso at óm ico liger am ent e m ás alt o que el nit r ógeno de los com puest os del suelo. Un quím ico escocés, William Ram say ( 1852- 1916) , se int er esó en est e pr oblem a y r ecor dó que Cavendish, en un ex per im ent o olv idado hacía m ucho, había t rat ado de com binar el nit r ógeno del air e con el oxígeno. Halló que al final se liber aban unas bur buj as de un gas que no podía com binar se con el oxígeno en ninguna cir cunst ancia. Esas burbuj as finales podr ían no haber sido nit r ógeno. ¿Ser ía que el nit r ógeno, t al com o se ext r ae norm alm ente del air e, cont iene ot r o gas levem ent e m ás denso a m odo de im pur eza, y que fuese ese gas el que hacía que el nit r ógeno del air e par eciese un poco m ás pesado de lo que cabr ía esper ar ? En 1894, Ram say repit ió el experim ent o de Cavendish y aplicó unos inst rum ent os analít icos que ést e no poseía. Ram say calent ó las bur bujas finales de gas que no podía r eaccionar , y est udió las líneas lum inosas de su espect r o. Las líneas m ás fuert es est aban en posiciones que coincidían con las de un elem ent o desconocido. Se t rat aba en consecuencia de un nuevo gas, m ás denso que el nit rógeno, que const it uía alr ededor del 1 por 100 del v olum en de la at m ósfer a. Er a quím icam ent e inert e y no se le podía hacer reaccionar con ningún ot r o elem ent o, así que fue denom inado argón, de la palabr a gr iega que significa «iner t e». El ar gón r esult ó tener un peso at óm ico j usto por debaj o de 40. Est o significaba que debía encajar se en alguna par t e de la t abla per iódica hacia la r egión de los siguient es elem ent os: azufr e ( peso atóm ico 32) , clor o (peso at óm ico 35,5) , pot asio ( peso at óm ico 39) y calcio ( peso at óm ico j ust o por encim a de 40) . Si el peso at óm ico del ar gón fuese la sola condición a t ener en cuent a, el nuevo elem ent o deber ía haber ido ent r e el pot asio y el calcio. Per o Mendeleiev había est ablecido el pr incipio de que la v alencia er a m ás im por tant e que el peso at óm ico. Ya que el ar gón no se com binaba con ningún elem ent o, podía decir se que t enía una valencia de 0. ¿Cóm o encaj ar est o? La valencia del azufr e es 2, la del clor o 1, la del pot asio 1, y la del calcio 2. La pr ogr esión de la v alencia en esa r egión de la t abla per iódica es 2, 1, 1,2. Una valencia de 0 encaj ar ía clar am ent e ent r e los dos unos: 2, 1, 0, 1, 2. Por t ant o el ar gón no podía ex ist ir solo. Tenía que haber una fam ilia de gases iner t es, cada uno de ellos con una valencia de 0. Tal fam ilia encaj ar ía lim piam ent e ent r e la colum na que cont iene los halógenos ( clor o, br om o, et c.) y la de los m et ales alcalinos ( sodio, pot asio, et cét era) , t odos ellos con una valencia de 1. Figura 18. Hoy día, la tabla per iódica ordena los elem ent os por su núm er o at óm ico ( el núm er o de prot ones exist ent es en el núcleo) e incluye los elem ent os descubier tos desde la época de Mendeleiev, y los pr oducidos ar t ificialm ent e desde la Segunda Guerr a Mundial. Ram say em pezó a invest igar . En 1895 supo que en los Est ados Unidos se habían obt enido m uest r as de un gas ( que se había t om ado por nit r ógeno) a par t ir de un m iner al de uranio. Ram say r epit ió el t r abaj o y halló que el gas, ex am inado al espect r oscopio, m ost raba líneas que no per t enecían ni al nit r ógeno ni al ar gón. Lo m ás sorpr endent e er a que en lugar de ellos se t r at aba de las líneas que había obser v ado en el espect r o solar el astr ónom o francés Pier r e Jules César Janssen ( 1824- 1907) durant e un eclipse solar ocur rido en 1868. En aquel ent onces, el ast r ónom o inglés Joseph Norm an Locky er ( 1836- 1920) las había atr ibuido a un nuev o elem ent o que denom inó helio, de la palabr a gr iega que significa Sol. Los quím icos habían pr est ado en general poca at ención en aquel t iem po al descubr im ient o de un elem ent o desconocido en el Sol, basado en una pr ueba tan fr ágil com o la espect r oscopia. Per o el t r abaj o de Ram say dem ost r ó que ese m ism o elem ent o exist ía en la Tier r a, y m ant uvo el nom br e dado por Lockyer . El helio es el m ás liger o de los gases nobles, y, después del hidr ógeno, el elem ent o de m enor peso at óm ico. En 1898, Ram say hir v ió air e líquido cuidadosam ent e buscando m uestr as de gases iner t es, que él esper aba burbuj easen pr im er o. Encont r ó t r es, que llam ó neón ( «nuev o») , cr ipt ón ( «ocult o») y x enón ( «ex t r anj er o») . Los gases iner t es fuer on consider ados al principio com o m er a curiosidad, de int er és solam ent e par a quím icos encer rados en su t or r e de m ar fil. Per o en inv est igaciones que com enzar on en 1910, el quím ico fr ancés Geor ges Claude ( 1870- 1960) m ost r ó que una corr ient e eléct r ica for zada a t rav és de cier t os gases com o el neón pr oducía una luz suav e y color eada. Los t ubos llenos con dicho gas podían m oldear se for m ando las let r as del alfabet o, palabr as o dibuj os. En la década de 1940, las bom billas de luz incandescent e de la celebr ada Gr eat Whit e Way y ot r os cent r os de div er sión sem ej antes de la ciudad de Nuev a Yor k, fuer on r eem plazadas por luces de neón. Ca pít u lo 9 Qu ím ica física Cont enido: 1. Calor 2. Ter m odinám ica quím ica 3. Cat álisis 4. Disociación iónica 5. Más sobre los gases 1 . Calor En los siglos XVI I y XVI I I , los m undos de la quím ica y la física par ecían m ut uam ent e bien delim it ados. La quím ica er a el est udio de aquellos cam bios que im plicaban alt er aciones en la est r uct ur a m olecular . La física er a el est udio de los cam bios que no im plicaban dichas alt er aciones. En la pr im er a par t e del siglo XI X, m ient r as Dav y se ocupaba en alt er ar la or denación m olecular de los com puest os inor gánicos y Ber t helot en alt er ar la de los com puest os orgánicos, los físicos est aban est udiando el fluj o de calor. Est e est udio del fluj o de calor se denom inó t er m odinám ica ( de las palabr as gr iegas que significan «m ovim ient o de calor »). Sobr esalient es en est e cam po fuer on el físico inglés Jam es Pr escot t Joule ( 1818- 89) y los físicos alem anes Julius Rober t von Mayer ( 1814- 78) y Her m ann Ludw ig Fer dinand v on Helm holt z ( 1821- 94) . En la década de 1840 su t r abaj o puso en claro que en las vicisit udes sufr idas por el calor y ot r as form as de ener gía, no se dest r uye ni se cr ea ener gía. Est e pr incipio se llam ó la ley de conser v ación de le ener gía, o pr im er pr incipio de la t er m odinám ica. Vinier on después los tr abaj os del físico fr ancés Nicolás Léonard Sadi Car not ( 17961832) , del físico inglés William Thom son, post er iorm ent e Lord Kelvin ( 1824- 1907) , y del físico alem án Rudolf Julius Em anuel Clausius ( 1822- 88) . Se dem ost r ó que el calor , abandonado a sí m ism o, fluye espont áneam ent e desde un punt o a m ay or t em per at ur a hacia ot ro a m enor t em per atur a, y que a par t ir del calor se puede obt ener t r abaj o solam ent e cuando ex ist e t al fluj o de calor a t r av és de una difer encia de tem per at ur as. Est a infer encia fue gener alizada para aplicar la a cualquier form a de ener gía que fluye desde un punt o de m ay or int ensidad hacia ot ro de m enor int ensidad. Clausius ideó en 1850 el t ér m ino ent r opía par a designar la pr opor ción ent r e el calor cont enido en un sist em a aislado y su t em perat ura absolut a. Dem ost ró que en cualquier cam bio espontáneo de ener gía la ent r opía del sist em a se incr em ent a. Est e pr incipio se llam ó segundo pr incipio de la t er m odinám ica. Tales avances en el t er r eno de la física no podían aislar se de la quím ica. Después de t odo, apar t e del Sol, la m ay or fuent e de calor en el m undo del siglo XI X r esidía en r eacciones quím icas com o la com bust ión de la m adera, car bón o pet r óleo. Ot r as r eacciones quím icas t am bién desar r ollaban calor, com o por ej em plo, la neut r alización de ácidos por bases. De hecho, t odas las r eacciones quím icas im plican algún t ipo de tr ansfer encia t érm ica, bien de em isión de calor ( y a v eces de luz) al ent or no, bien de absor ción de calor ( y a veces de luz) desde el ent or no. En 1840 los m undos de la quím ica y de la física se unier on y com enzar on a m ar char j unt os con el t rabaj o de un quím ico ruso- suizo, Ger m ain Henri Hess ( 1802- 1850) . Hess dio a conocer los r esult ados de cuidadosas m edidas que había t om ado sobr e la cant idad de calor desarr ollada en las r eacciones quím icas ent r e cant idades fij as de algunas sust ancias. Logr ó dem ost rar que la cant idad de calor pr oducida ( o absor bida) en el paso de una sust ancia a ot r a er a siem pr e la m ism a, no im por tando por qué r ut a quím ica había ocurr ido el cam bio, ni en cuántas etapas. Debido a est a gener alización ( ley de Hess) , Hess es consider ado en ocasiones com o el fundador de la t er m oquím ica ( quím ica del calor ) . Basándose en la ley de Hess, par ecía alt am ent e pr obable que la ley de conser v ación de la energía se aplicase t ant o a los cam bios quím icos com o a los cam bios físicos. En r ealidad, gener alizando m ás, las ley es de la t er m odinám ica debían cum plir se pr obablem ent e t ant o en la quím ica com o en la física. Est a línea de ex per im ent ación y r azonam ient o suger ía que las r eacciones quím icas com o los pr ocesos físicos- t ienen una dir ección inher ent e y espont ánea en la que la ent r opía cr ece. Per o la ent r opía es una cant idad difícil de m edir dir ect am ent e, y los quím icos buscaron ot r o cr it er io m ás sim ple que pudier a ser v ir com o m edida de esa «fuer za im pulsora». En los años 1860- 69, Bert helot , que había hecho t an im por t ant es t r abaj os en sínt esis or gánica, volv ió su at ención hacia la t er m oquím ica. I deó m ét odos par a efect uar r eacciones quím icas dentr o de cám ar as cer radas r odeadas por agua a t em per at ur a conocida. A par t ir del increm ent o en la t em per at ura del agua cir cundant e al finalizar la r eacción, podía m edir se la cant idad de calor desar r ollada por la m ism a. Ut ilizando est e t ipo de calor ím et r o ( de la palabr a lat ina que significa «m edida de calor »), Ber t helot obt uvo det er m inaciones cuidadosas de la cant idad de calor desarr ollada por cient os de difer ent es r eacciones quím icas. I ndependient em ent e, el quím ico danés Hans Pet er Jórgen Julius Thom sen ( 1826- 1909) hizo experim ent os sem ej ant es. Ber thelot pensaba que las r eacciones que liber aban calor er an espont áneas, m ient r as que aquellas que absor bían calor no lo er an. Puest o que t oda reacción que liber aba calor t enía que absor ber lo al desarr ollar se en dir ección cont r ar ia ( Lav oisier y Laplace) , fueron los pr im er os en ex pr esar t ales opiniones) , cualquier r eacción quím ica sólo podr ía ocurr ir espontáneam ente en una dir ección, liber ando calor en el proceso. Com o ej em plo digam os que cuando se com binan hidr ógeno y oxígeno para form ar agua, la r eacción liber a una gr an cant idad de calor . Esta r eacción es espont ánea, y , una vez iniciada, llega rápidam ent e a su fin, a veces con violencia explosiva. Por el cont r ar io, la r eacción inver sa de descom posición del agua en hidr ógeno y oxígeno r equier e una apor t ación de energía. La ener gía puede sum inist r ar se en for m a de calor, o m ej or aún de elect r icidad. No obst ant e, dicha r upt ur a de la m olécula de agua no es espontánea. No par ece que ocur ra nunca a m enos que se sum inist r e ener gía, e incluso en ese caso la r eacción cesa en el m om ent o en que se int er r um pe el fluj o de ener gía. Per o aunque la generalización de Ber thelot par ece plausible a pr im era v ist a, es er r ónea. En pr im er lugar , no t odas las r eacciones espontáneas liber an calor . Algunas absorben t ant o calor que m ient ras se llev an a cabo la t em per at ura del m edio am bient e desciende. En segundo lugar, exist en reacciones reversibles. En ést as, las sustancias A y B pueden r eaccionar espont áneam ent e y convert irse en las sust ancias C y D, m ient ras que C y D pueden, t am bién espontáneam ent e, reaccionar en sent ido inverso, hasta llegar a A y B. Y t odo ello ocur r e a pesar de que el calor liber ado en la r eacción que t r anscur r e en un sent ido debe absor ber se en la r eacción inver sa. Un ej em plo sim ple es el del y odur o de hidr ógeno, que se descom pone en una m ezcla de hidr ógeno y y odo. La m ezcla es capaz de r ecom binar se par a for m ar y oduro de hidr ógeno. Esto puede escr ibir se en for m a de ecuación: 2HI < = = > H 2 + I 2 . La doble flecha indica que es una r eacción r ev er sible. Las reacciones r ever sibles se conocían ya en el t iem po de Ber t helot . Fuer on cuidadosam ent e est udiadas por pr im er a vez en 1850, por William son, durant e el t rabaj o que le conduj o a sus conclusiones relat ivas a los ét eres. Halló sit uaciones en las que, em pezando con una m ezcla de A y B se for m aban las sust ancias C y D. Si en lugar de ello em pezaba con una m ezcla de C y D, se for m aban las sust ancias A y B. En cualquier a de los casos, exist ir ía al final una m ezcla de A, B, C y D, en pr opor ciones apar ent em ent e fij as. La m ezcla est ar ía en equilibr io. Per o William son no cr eía que por que la com posición de la m ezcla fuese apar ent em ent e fij a, no sucedier a nada. Cr ey ó que A y B r eaccionaban para for m ar C y D, m ient r as que C y D r eaccionaban par a for m ar A y B. Am bas r eacciones se hallaban pr ogr esando cont inuam ent e, per o cada una neut ralizaba los efect os de la ot r a, dando la ilusión de un equilibr io. Est a condición er a un equilibr io dinám ico. El t r abaj o de William son m ar có el com ienzo del est udio de la cinét ica quím ica, est o es, el est udio de las velocidades de las r eacciones quím icas. A par t ir del t r abaj o de William son est aba bast ant e clar o que algo m ás que la m er a ev olución del calor dict aba la espont aneidad de una r eacción quím ica. Est e «algo m ás» est aba siendo invest igado ya en la época en que Ber thelot y Thom sen r ealizaban sus innum er ables m ediciones calor im ét r icas, per o desgr aciadam ent e el t em a per m aneció ent er r ado baj o una lengua poco conocida. 2 . Te r m odiná m ica qu ím ica En 1863 los quím icos nor uegos Cat o Maxim ilian Guldberg ( 1836- 1902) y Pet er Waage ( 1833- 1900) publicaron un follet o que tr at aba del sent ido de las r eacciones espont áneas. Volv ían a la suger encia, hecha m edio siglo ant es por Ber thollet , de que el sent ido de una r eacción dependía de la m asa de las sust ancias indiv iduales que t om aban par t e en ella. Guldber g y Waage pensaban que la sola m asa no const it uía t oda la r espuest a. Más bien er a cuest ión de la cant idad de m asa de una sust ancia det er m inada que se acum ulaba en un volum en dado de la m ezcla r eaccionant e, en ot r as palabras, de la concent ración de la sust ancia. Supongam os que A y B pueden r eaccionar para for m ar C y D, y que asim ism o C y D pueden hacer lo par a for m ar A y B. Est a doble r eacción puede r epr esent ar se de est a for m a: A+ B< = = > C + D. Tal sit uación es un ej em plo de una de las r eacciones r ev er sibles de William son, y llega al equilibr io en unas condiciones en q ue A, B, C y D se encuent r an t odas ellas en el sist em a. El punt o de equilibr io depende de la v elocidad a la que r eaccionan A y B ( v elocidad 1) com par ada con la v elocidad a la que r eaccionan C y D ( velocidad 2) . Supongam os que la velocidad 1 es m ucho m ayor que la 2. En est e caso, A y B r eaccionarán r ápidam ent e, pr oduciendo una cant idad considerable de C y D, m ient r as que C y D r eaccionarán lent am ente y pr oducir án una cant idad pequeña de A y B. En poco t iem po, la m ayor par t e de A y B se habr á conver t ido en C y D, per o no así a la inver sa. Cuando la r eacción alcance el equilibr io, C y D pr edom inar án en la m ezcla. Fij ándonos en la ecuación ant er ior podr em os decir que el punt o de equilibr io est á «desplazado hacia la der echa». Lo contr ar io se cum ple cuando la velocidad 2 es m ucho m ayor que la 1. En est e caso, C y D r eaccionarán par a pr oducir A y B m ucho m ás r ápidam ent e de lo que r eaccionarán A y B para producir C y D. En el equilibr io, A y B dom inar án en la m ezcla. El punt o de equilibr io est ar á ent onces «desplazado hacia la izquier da». Per o la v elocidad 1 depende de la fr ecuencia con que una m olécula de A colisiona con una m olécula de B, y a que sólo en base a est a colisión puede ocur r ir la r eacción, y ni siquier a ent onces ocur r ir á siem pr e. Asim ism o, la v elocidad 2 depende de la fr ecuencia con que una m olécula de C colisiona con una m olécula de D. Supongam os ent onces que se añade m ás A o B ( o am bas) al sist em a sin cam biar su volum en. La concent r ación de A o B ( o am bas) ha aum ent ado, y exist e ahora una m ay or pr obabilidad de colisión ent r e ellas ( del m ism o m odo que ex ist e una m ayor pr obabilidad de colisión de aut om óviles cuando una aut opist a est á llena a una hora punt a que cuando est á r elat iv am ent e vacía a m edia m añana) . Así, pues, al incr em ent ar la concent r ación de A o de B o de am bas, incr em ent a la v elocidad 1; al dism inuir la concent r ación dism inuir á la v elocidad del m ism o m odo, un incr em ent o en la concent r ación de C o D, o de am bas, aum ent ará la velocidad 2. Alt er ando la v elocidad 1 o la 2, se puede alt er ar la com posición de la m ezcla en equilibr io. Si se alt er a la concent r ación de cualquier a de las sust ancias par t icipant es, cam biar á la posición del punt o de equilibr io. Aunque las concent r aciones de A, B, C y D en el equilibr io podían m odificar se en la m edida en que uno o m ás de dichos com ponent es se añadiesen o se ex t r aj esen de la m ezcla, Guldberg y Waage hallar on que podía definir se un fact or invar iable. En el equilibr io, la r azón ent r e el pr oduct o de las concent r aciones de las sust ancias ex ist ent es a un lado de la doble flecha y el pr oduct o de las concent r aciones al ot r o lado de la doble flecha, per m anece const ante. Supongam os que r epr esent am os la concent r ación de una sust ancia dada con el sím bolo de ést a ent r e cor chet es. Podem os decir ent onces, r espect o a la r eacción que est am os trat ando, que en el equilibr io: [C ] [D ] = K [A] [B ] El sím bolo K r epr esent a la const ant e de equilibr io, car act er íst ica de una r eacción r ev er sible dada que se desar rolla a t em per at ur a fij a. La ley de acción de m asas de Guldber g y Waage fue una guía adecuada par a la com pr ensión de las r eacciones r ev er sibles, m ucho m ás que lo fuer a la falsa suger encia de Ber thelot . Desgr aciadam ent e, Guldber g y Waage publicar on su t r abaj o en nor uego, y per m aneció desconocido hast a 1879, año en que se t r aduj o al alem án. Ent r e t ant o, el físico am er icano Josiah Willar d Gibbs ( 1839- 1903) est aba aplicando sist em át icam ent e las leyes de la t er m odinám ica a las reacciones quím icas y publicó una serie de lar gos t rabaj os sobr e el t em a ent re los años 1876 y 1878. Gibbs desar r olló el concept o de ener gía libr e, una m agnit ud que incorporaba en sí m ism a t ant o el cont enido de calor com o la ent r opía. En cualquier r eacción quím ica la ener gía libr e del sist em a cam biaba. Cuando la ener gía libr e descendía, la ent ropía aum ent aba siem pr e, y la r eacción era espont ánea. ( La ut ilidad de la energía libr e r eside en el hecho de que su v ar iación es m ás fácil de m edir que la v ar iación de ent r opía.) El cam bio en el cont enido de calor dependía de la cant idad ex act a en que la ener gía libr e descendía en una r eacción espont ánea, de m odo que se liber aba calor . Per o ocasionalm ent e el cam bio de ener gía libr e y ent r opía er a tal que el cont enido de calor aum ent aba, y ent onces la r eacción, aunque espont ánea, absorbía ener gía. Gibbs t am bién dem ost r ó que la ener gía libre de un sist em a cam biaba algo al v ar iar la concent r ación de las sust ancias que com ponían el sist em a. Supongam os que la ener gía libr e de A + B no es m uy difer ent e de la de C + D. En ese caso, las pequeñas m odificaciones int r oducidas por cam bios en la concent ración pueden ser suficient es para hacer la ener gía libr e de A + B m ayor que la de C + D a det er m inadas concent r aciones, y m enor a ot r as. La r eacción puede avanzar espont áneam ent e en un sent ido para una serie de concent raciones, y en el sent ido opuest o par a otr as ( tam bién espont áneam ent e) . La v elocidad de var iación de la ener gía libre v ar ía a m edida que la concent ración de una sust ancia det er m inada es el pot encial quím ico de dicha sust ancia, y Gibbs logr ó dem ostrar que era el pot encial quím ico el que act uaba com o «fuer za dir ect or a» en las r eacciones quím icas. Una r eacción quím ica v ar iaba espont áneam ent e desde un punt o de alt o pot encial quím ico a otr o de baj o pot encial, así com o el calor fluía espont áneam ent e desde un punto de alt a t em per at ur a a ot r o de baja t em perat ura. De est e m odo, Gibbs dio significado a la ley de acción de m asas, ya que dem ostr ó que en el equilibr io la sum a de los pot enciales quím icos de todas las substancias im plicadas er a m ínim a. Si se com enzaba con A + B, la «cim a» de pot encial quím ico descendía a m edida que se for m aba C + D. Si se em pezaba con C + D, aquélla descendía a m edida que se for m aba A + B. En el equilibr io, se había alcanzado la par t e m ás baj a del «v alle de ener gía» ent r e las dos «cim as». Gibbs cont inuó aplicando los pr incipios de la t er m odinám ica a los equilibr ios ent r e fases difer ent es ( líquido, sólido y gas) incluidas en un sist em a quím ico det erm inado. Por ej em plo, el agua líquida y el v apor de agua ( un com ponent e, dos fases) pueden ex ist ir j unt os a difer ent es t em perat ur as y pr esiones, pero si se fij a la t em per at ur a, la pr esión queda fij ada t am bién. El agua líquida, el v apor de agua y el hielo ( un com ponent e, t r es fases) pueden exist ir j unt os solam ent e a una t em perat ura y pr esión det er m inadas. Gibbs elabor ó una ecuación sim ple, la r egla de las fases, que perm it ía pr edecir la for m a en que la t em per at ur a, la pr esión y las concent r aciones de los dist int os com ponent es podían var iar se en t odas las com binaciones de com ponent es y fases. Así se fundó la t er m odinám ica quím ica, con t al det alle y per fección que poco les quedaba por hacer a los sucesor es de Gibbs 21 . No obst ant e, a pesar de la im por t ancia fundam ent al y la not able elegancia del t r abaj o de Gibbs, no fue r econocido inm ediat am ent e en Eur opa, y a que se publicó en una r ev ist a am er icana ignor ada por los especialist as eur opeos en la m at er ia. 3 . Cat á lisis En el últ im o cuar t o del siglo XI X, Alem ania iba a la cabeza del m undo en el est udio de los cam bios físicos asociados a las reacciones quím icas. El cient ífico m ás im por t ant e en est e cam po de la quím ica física fue el quím ico r uso- ger m ano Fr iedr ich Wilhelm Ost w ald ( 1853- 1932) . Gr acias a él m ás que a ninguna otr a per sona, la quím ica física llegó a ser r econocida com o una disciplina con der echo pr opio. Hacia 1887 había escr it o el pr im er libr o de t ex t o sobr e el t em a, y fundó la pr im er a r ev ist a dedicada ex clusiv am ent e a la m at er ia. 21 Sin em bargo, un ej em plo de una adición im port ant e fue la int roducida por el quím ico am ericano Gilbert Newt on Lewis ( 1875- 1 946) . En 1923 , en un libro clásico de t er m odinám ica, in t roduj o el con cept o de act iv idad. La act iv idad de una sust an cia n o es idént ica a su concent ración, pero est á relacionada con ella. Las ecuaciones de la t erm odinám ica quím ica pueden hacer se m ás pr ecisas y « ex t ender se sobre u n dom inio m ás am plio si se sust it uy e la act iv idad por la concent ración. Nada m ás lógico que Ost w ald se hallar a ent r e los pr im eros eur opeos que descubr ier on y apr eciaron el t r abaj o de Gibbs, t raduciendo sus com unicaciones sobr e t er m odinám ica quím ica al alem án en 1892. Ost w ald pr ocedió casi inm ediat am ent e a poner en pr áct ica las t eor ías de Gibbs en r elación con el fenóm eno de la cat álisis. Cat álisis ( una palabra suger ida por Ber zelius en 1835) es un pr oceso en el cual la v elocidad de una r eacción quím ica det er m inada es aceler ada, en ocasiones enor m em ent e, por la pr esencia de pequeñas cant idades de una sust ancia que no par ece t om ar par t e en la r eacción. Así, el polv o de plat ino cat aliza la adición del hidr ógeno al oxígeno y a div er sos com puest os or gánicos, tal com o descubr ió Dav y ( el que aisló el sodio y el pot asio) en 1816. Por otr o lado, un ácido cat aliza la descom posición en unidades sim ples de varios com puest os orgánicos, com o dem ostr ó por pr im era v ez G. S. Kir chhoff en 1812. Al final de la r eacción, el plat ino o el ácido est án t odavía pr esent es en la cant idad or iginal. En 1894, Ost wald pr epar ó un r esum en de un t r abaj o de ot ro aut or sobr e el calor de com bust ión de los alim ent os y lo publicó en su pr opia r ev ist a. Discr epaba t ot alm ent e de las conclusiones del aut or , y par a r efor zar su desacuer do discut ía la cat álisis. Apunt aba que las t eor ías de Gibbs hacían suponer que los cat alizador es aceler aban esas r eacciones sin alt er ar las r elaciones ener gét icas de las sustancias im plicadas y m ant enía que el cat alizador debía com binarse con las sust ancias r eaccionant es para for m ar un com puest o int er m edio que se descom ponía, dando el pr oduct o final. La r upt ura del com puest o int er m edio liber ar ía el cat alizador , que r ecuper ar ía así su for m a or iginal. Sin la pr esencia de est e com puest o int er m edio for m ado con el cat alizador , la r eacción se pr oducir ía m ucho m ás lent am ent e, a v eces t ant o que ser ía im per cept ible. Por consiguient e, el efect o del cat alizador era aceler ar la r eacción sin consum ir se él m ism o. Adem ás, com o una m ism a m olécula de cat alizador se ut ilizaba una y ot r a v ez, bast aba con una pequeña cant idad de ést e par a aceler ar la r eacción de una cant idad m uy grande de r eaccionant es. Est e concept o de la catálisis sigue t odav ía en pie y ha cont r ibuido a explicar la act iv idad de los cat alizador es pr ot eicos ( o enzim as) que contr olan las r eacciones quím icas en los t ej idos vivos 22 . Ost w ald fue un seguidor de los pr incipios del físico y filósofo aust r iaco Er nst Mach ( 1838- 1916) , quien cr eía que los cient íficos debían tr atar sólo de m at er ias que fuesen dir ect am ent e m ensur ables, y no debían cr ear «m odelos» basados en pr uebas indir ect as. Por esta razón, Ostwald r ehusó acept ar la r ealidad de los át om os, ya que no ex ist ían pr uebas direct as de su ex ist encia. Fue el últ im o cient ífico im por t ant e que se r esist ió a la t eor ía at óm ica (aunque no negaba su ut ilidad, por supuest o). Y aquí hizo su aparición en escena el t em a del m ovim ient o browniano. Est e fenóm eno, que im plica el m ovim ient o r ápido e ir r egular de pequeñas par t ículas suspendidas en agua, fue obser vado por pr im era v ez en 1827 por un bot ánico escocés, Robert Brown ( 1773- 1858) . El físico germ ano- suizo Albert Einst ein ( 1879- 1955) dem ost ró en 1905 que est e m ovim ient o puede at r ibuir se al bom bar deo de las par t ículas por m oléculas de agua. Com o en un m om ent o dado puede haber m ás m oléculas golpeando desde una dir ección que desde otr a, las par t ículas ser án im pulsadas ahor a hacia acá, ahora hacia allá. Einst ein elabor ó una ecuación par a calcular el t am año r eal de las m oléculas de agua después de m edir cier t as pr opiedades de las par t ículas en m ovim ient o. Un físico fr ancés, Jean Bapt ist e Perr in ( 1870- 1942) , hizo las m edidas necesar ias en 1908, y obt uv o la pr im er a est im ación segur a del diám et r o de las m oléculas y, por t ant o, de los át om os. Dado que el m ovim ient o br ow niano era una obser v ación r azonablem ent e dir ect a de los efect os de las m oléculas individuales, hast a el m ism o Ost vald t uv o que abandonar su oposición a la t eor ía at óm ica 23 . 22 El av ance del conocim ient o en el cam po de la bioquím ica ( est o es, las reacciones quím icas, ordinariam en t e cont roladas por en zim as, que ocurren en los t ej idos viv os) es t rat ado solam ent e de pasada en est e libro. Se discut e con m ás det alle en m i libro A Short Hist ory of Biology . 23 Las pruebas en fav or de la ex ist encia de los át om os ( apr ox im adam ent e 1/ 10 0.000. 000 cent ím et ros de diám et r o) e incluso de part ículas m ás pequeñas, han cont inuado acu m ulándose en cant idad abrum adora desde el t iem po de Perrin. Algunas de est as pruebas se det allan en los últ im os t res capít ulos de est e libro. Com o culm inación de la hist oria que em pezó con Dem ócrit o, el físico germ an o- am ericano Erwin Wilhelm Mueller ( 1911 - 77) inv ent ó el Tam poco fue Ost wald el único que r econoció el v alor de Gibbs en la década de 1890- 99. El físico- quím ico holandés Hendr ik Willem Bakhuis Roozebom m ( 18541907) difundió la r egla de las fases de Gibbs por t oda Eur opa, y lo hizo del m odo m ás eficaz. Adem ás, el t r abaj o de Gibbs fue tr aducido al fr ancés en 1899 por Henr i Louis Le Chat elier ( 1850- 1936) . Le Chat elier, un físico- quím ico, es m ás conocido en la act ualidad por su enunciado, en el año 1888, de una r egla, que se conoce t odav ía com o el pr incipio de Le Chat elier . Est a r egla puede est ablecer se así: cada cam bio de uno de los fact ores de un equilibrio supone un reaj ust e del sist em a en el sent ido de r educir al m ínim o el cam bio or iginal. En ot r as palabras, si se incr em ent a la pr esión en un sist em a en equilibr io, ést e se r eaj ust a de m aner a que ocupe el m enor espacio posible y dism inuy a así la pr esión. Si se elev a la t em per at ura, sobr ev iene un cam bio que absor be calor , y por consiguient e baj a la t em per at ura. Com o se puso de m anifiest o, la t er m odinám ica quím ica de Gibbs ex plicaba lim piam ent e el pr incipio de Le Chat elier . El t ar dío descubr im ient o de Gibbs por los eur opeos no im pidió el cabal desar r ollo de la física quím ica, pues m uchos de los descubrim ient os de Gibbs fueron hechos independient em ent e, dur ant e la década de 1880- 89, por Van't Hoff, que pr ev iam ent e se había dado a conocer en el m undo de la quím ica con el átom o de car bono t et r aédr ico. A Van't Hoff sólo le av ent aj aba Ost wald en el cam po de la quím ica física. Tr abaj ó en especial sobr e pr oblem as de soluciones. Hacia 1886 logr ó dem ostrar que las m oléculas de sustancias disuelt as, m ov iéndose al azar a t rav és de la m asa de líquido, se com por t an en cier t o sent ido de acuer do con las r eglas que r igen el com por t am ient o de los gases. El nuevo est udio de la quím ica física r elacionaba las reacciones quím icas no sólo con el calor , sino m ás bien con la ener gía en gener al. La elect r icidad, por ej em plo, podía pr oducir se por r eacciones quím icas y or iginar , a su vez, r eacciones quím icas. m icroscopio de em isión de cam po. A m ediados de la d écada de los cincuent a se t om aron con ay uda de él fot ografías, hoy clásicas, que h icieron realm ent e v isible la ordenación de los át om os individuales en el ex t rem o d e una aguj a m et álica. Walt her Her m ann Ner nst, un alem án ( 1864- 1941) , aplicó los pr incipios de la t er m odinám ica a las r eacciones quím icas que ocur r ían en una bat er ía. En 1889 dem ostr ó que las car act er íst icas de la cor r ient e pr oducida pueden usarse para calcular el cam bio de ener gía libr e en las r eacciones quím icas que pr oducen cor r ient e. La luz era ot ra for m a de energía que podía pr oducir se en una r eacción quím ica y , com o se descubr ió incluso ant es del siglo x ix , podía a su v ez inducir r eacciones quím icas. En par t icular , la luz podía descom poner algunos com puest os de plat a, liber ando granos negr os de plat a m et álica. El est udio de t ales r eacciones inducidas por la luz se llam ó fot oquím ica ( «quím ica de la luz») . En la década de 1830- 39, la acción de la luz solar sobr e la plat a había per m it ido desarr ollar una t écnica par a gr abar im ágenes. Una carga de un com puest o de plat a sobr e un v idr io plano ( post er ior m ent e sobr e una película flex ible) se ex pone br evem ent e por m edio de una lent e de enfoque, ant e una escena a la luz del sol. Los dist int os punt os del com puest o de plat a son ex puest os a difer ent es cant idades de luz, de acuer do con la cant idad r eflej ada desde est e o aquel punt o de la escena. La br ev e ex posición a la luz incr em ent a la t endencia del com puest o de plat a a r educir se a plat a m et álica; cuant o m ás br illant e es la luz, t ant o m ás m ar cada es esa t endencia. El com puest o de plat a se t r ata después con r eact iv os que llev an a cabo la r educción a plat a m et álica. La r egión ex puest a a luz br illant e com plet a la r educción m ucho m ás r ápidam ent e. Si el «r ev elado» se detiene en el m om ent o corr ect o, el cr ist al plano quedar á cubier t o por zonas oscuras ( granos de plata) y zonas claras ( com puest os de plat a int act os) que const it uyen un negat ivo de la escena original. A t r avés de post er ior es pr ocesos ópt icos y quím icos que no necesit an descr ibir se aquí se obt iene finalm ent e una r epr esent ación gr áfica r eal de la escena. El pr oceso se llam ó fot ografía ( «escr it ur a con luz») . Muchos hom br es contr ibuyer on a la nueva t écnica, figur ando ent r e ellos el físico fr ancés Joseph Nicéphor e Niepcé ( 17651833) , el art ist a francés Louis Jacques Mandé Daguerr e ( 1789- 1851) y el invent or inglés William Henry Fox Talbot ( 1800- 77) . Sin em bar go, lo m ás int er esant e era que la luz podía com por t ar se casi com o un cat alizador. Una pequeña cant idad de luz er a capaz de inducir a una m ezcla de hidr ógeno y clor o a r eaccionar con v iolencia ex plosiv a, m ient r as que en la oscur idad no ocurr ía ninguna reacción. La ex plicación de est a dr ást ica difer encia de com por t am ient o fue finalm ent e pr opuest a por Ner nst en 1918. Una pequeña cant idad de luz bast a para r om per una m olécula de clor o en dos át om os de clor o. Un át om o de clor o ( m ucho m ás act ivo solo que for m ando par t e de una m olécula) quit a un át om o de hidr ógeno a la m olécula de hidr ógeno, para for m ar una m olécula de clor ur o de hidr ógeno. El ot r o át om o de hidr ógeno, aislado, ar r ebat a un át om o de cloro de una m olécula de clor o; el át om o de clor o que queda ar ranca un hidr ógeno de una m olécula de hidr ógeno, y así sucesivam ent e. La pequeñísim a cant idad or iginar ia de luz es así r esponsable de una r eacción fot oquím ica en cadena, que conduce a la for m ación ex plosiv a de una gr an cant idad de m oléculas de clor ur o de hidr ógeno. 4 . D isocia ción iónica Junt o a Ostw ald y Van't Hoff est aba otr o m aest r o de la nacient e quím ica física, el quím ico sueco Svant e August Arr henius ( 1859- 1927) . Siendo est udiant e, Arrhenius dirigió su at ención a los elect rolitos: est o es, a aquellas disoluciones capaces de t r anspor t ar una cor r ient e eléct r ica. Far aday había est ablecido las ley es de la elect r ólisis, y a j uzgar por ellas par ecía que la elect r icidad, igual que la m at er ia, podía exist ir en for m a de pequeñas par t ículas. Faraday había hablado de iones, que podían consider ar se com o par t ículas que t r anspor taban elect r icidad a t r avés de una disolución. Sin em bar go, dur ant e el m edio siglo siguient e, ni él ni nadie m ás, se av ent ur ó a tr abaj ar ser iam ent e sobr e la nat uraleza de aquellos iones. Lo cual no significó, sin em bargo, que no se hiciese ningún t r abaj o valioso. En 1853, el físico alem án Johann Wilhelm Hit t or f ( 1824- 1914) señaló que algunos iones v iaj aban m ás rápidam ent e que ot r os. Est a obser vación condujo al concept o de núm er o de t ranspor t e, la v elocidad a la que los dist int os iones t r anspor t aban la cor r ient e eléct r ica. Per o el cálculo de est a v elocidad no r esolv ía la cuest ión de la nat uraleza de los iones. Ar r henius encont r ó la m aner a de abordar el asunt o gracias al t rabaj o del quím ico francés François Mar ie Raoult ( 1830- 1901) . Com o Van't Hoff, Raoult est udió las disoluciones. Sus est udios culm inaron en 1887, con el est ablecim ient o de lo que ahora se llam a ley de Raoult : la pr esión de v apor par cial del solv ent e en equilibr io con una disolución es dir ect am ent e pr opor cional a la fr acción m olar del solv ent e. Sin ent r ar en la definición de fr acción m olar , bast e decir que est a r egla perm it ió est im ar el núm er o r elat iv o de par t ículas ( ya fueran át om os, m oléculas, o los m ist er iosos iones) de la sust ancia disuelt a ( el solut o) y del líquido en el que est aba disuelt a ( el disolvent e) . En el cur so de est a invest igación, Raoult había m edido los punt os de congelación de las disoluciones. Tales punt os de congelación er an siem pr e m ás baj os que el punt o de congelación del disolv ent e pur o. Raoult logr ó m ost rar que el punt o de congelación descendía en pr oporción al núm er o de par t ículas de solut o pr esent es en la disolución. Per o aquí sur gía un pr oblem a. Er a r azonable suponer que cuando una sustancia se disuelv e en agua, pongam os por caso, dicha sust ancia se r om pe en m oléculas separadas. Efect ivam ent e, en el caso de no- elect r olit os com o el azúcar , el descenso del punt o de congelación cum plía dicha suposición. Sin em bargo, cuando se disolv ía un elect r olit o com o la sal com ún ( ClNa) , el descenso del punt o de congelación er a el doble de lo que cabía esper ar . El núm er o de par t ículas pr esent es er a el doble del núm er o de m oléculas de sal. Si se disolv ía clor ur o bár ico ( Cl 2 Ba) , el núm er o de par t ículas pr esent es er a t r es veces el núm er o de m oléculas. La m olécula de clor ur o sódico est á for m ada por dos átom os, y la de clor ur o bár ico por t r es. Así pues, Ar r henius pensó que al disolv er det er m inadas m oléculas en un disolv ent e com o el agua, se descom ponían en át om os separ ados. Adem ás, puest o que t ales m oléculas, una vez r otas, conducían una corr ient e eléct r ica ( per o no así las m oléculas com o el azúcar , que no se descom ponen) , Ar r henius sugir ió que las m oléculas no se r om pían ( o «disociaban») en át om os or dinar ios, sino en át om os que llev aban una carga eléct r ica. Ar r henius pr opuso que los iones de Faraday er an sim plem ent e át om os ( o gr upos de át om os) que llev an una car ga eléct r ica posit iv a o negat iv a. Los iones, o er an los «át om os de elect r icidad», o por t aban a los «át om os de elect r icidad». ( La últ im a alt er nat iv a dem ostr ó post er ior m ent e ser la cor r ecta.) Arr henius ut ilizó su t eor ía de la disociación iónica par a dar cuent a de num er osos hechos de elect r oquím ica. Las ideas de Arrhenius, propuest as en su t esis doct or al en 1884, chocar on con una r esist encia consider able; su t esis est uvo a punt o de ser r echazada. Per o Ost wald, im pr esionado, ofr eció un puest o a Ar r henius y le anim ó a pr oseguir su t r abaj o en quím ica física. En 1889, Ar r henius hizo ot r a fr uct ífer a suger encia. Señaló que las m oléculas, al chocar, no t enían por qué r eaccionar , a no ser que chocasen con una cier t a ener gía m ínim a, una ener gía de act iv ación. Cuando est a ener gía de act iv ación es baj a, las r eacciones ocur r en rápida y fácilm ent e. En cam bio, una elev ada ener gía de act iv ación m ant endr ía la r eacción a una v elocidad ínfim a. Per o si en est e últ im o caso la t em perat ura se elevase t ant o que un ciert o núm ero de m oléculas r ecibier an la necesar ia energía de act iv ación, la r eacción pr oceder ía súbit a y r ápidam ent e, a v eces con v iolencia ex plosiv a. La ex plosión de una m ezcla de hidr ógeno y oxígeno cuando se alcanza la t em per at ur a de ignición const it uy e un ej em plo de ello. Ost w ald ut ilizó est e concept o pr ov echosam ent e para elaborar su t eor ía de la cat álisis. Señaló que la for m ación de un com puest o int er m edio a par t ir del cat alizador r equer ía una m enor ener gía de act iv ación que la necesar ia para la for m ación dir ect a del pr oduct o final. 5 . M á s sobr e los ga se s Las pr opiedades de los gases sufr ier on una nuev a y pr ofunda r ev isión durant e el sur gim ient o de la quím ica física a fines del siglo XI X. Tr es siglos ant es, Boyle había pr opuest o la ley que llev a su nom br e, est ableciendo que la pr esión y el volum en de una cant idad det er m inada de gas var iaban inver sam ent e ( con t al de que, com o después se m ostr ó, la t em perat ur a se m antenga const ant e) . Sin em bar go, se vio que esta ley no era t ot alm ent e cier t a. El quím ico fr ancoger m ano Henr i Víct or Regnault ( 1810- 78) hizo m et iculosas m edidas de v olúm enes y pr esiones de gas a m ediados del siglo XI X, y m ostr ó que, sobr e t odo al elev ar la pr esión o bajar la t em per at ur a, los gases no seguían del t odo la ley de Boyle. Apr oxim adam ent e por la m ism a época, el físico escocés Jam es Clerk Maxw ell ( 183179) y el físico aust r iaco Ludw ig Bolt zm ann ( 1844- 1906) habían analizado el com port am ient o de los gases, suponiendo que ést os eran un conj unto de infinidad de par t ículas m oviéndose al azar ( la t eor ía cinét ica de los gases) . Logr ar on der iv ar la ley de Boyle sobr e est a base, haciendo par a ello dos suposiciones m ás: 1, que no había fuer za de at r acción ent r e las m oléculas del gas, y 2, que las m oléculas del gas er an de t am año igual a cer o. Los gases que cum plen est as condiciones se denom inan gases per fect os. Ninguna de las dos suposiciones es del t odo corr ect a. Exist en pequeñas atr acciones ent re las m oléculas de un gas, y si bien est as m oléculas son enorm em ent e pequeñas, su tam año no es igual a cer o. Por lo t ant o, ningún gas r eal es «per fect o», aunque el hidr ógeno y el r ecién descubier t o helio casi lo er an. Teniendo en cuent a est os hechos, el físico holandés Johannes Diderik Van der Waals ( 1837- 1923) elabor ó en 1873 una ecuación que r elacionaba la pr esión, el v olum en y la t em per at ura de los gases. Est a ecuación incluía dos const ant es, a y b ( difer ent es para cada gas) , cuy a ex ist encia t om aba debidam ent e en cuent a el t am año de las m oléculas y las at racciones ent re ellas. La m ej or com pr ensión de las pr opiedades de los gases ay udó a resolv er el pr oblem a de licuar los. Ya en 1799 se había licuado el gas am oníaco, enfr iándolo baj o pr esión. ( Al elev ar la pr esión se elev a la t em perat ura a la que el gas se licua, facilit ando m ucho el pr oceso.) Far aday fue especialm ent e act iv o en est e cam po de invest igación, y hacia 1845 había sido capaz de licuar una ser ie de gases, ent r e ellos el clor o y el dióx ido de azufr e. Al liber ar un gas licuado de la pr esión a que est á som et ido, com ienza a ev aporar se rápidam ent e. Sin em bar go, el pr oceso de ev aporación absorbe calor , y la t em per at ur a del líquido r est ant e desciende drást icam ent e. En estas condiciones, el dióxido de car bono líquido se congela, pasando a dióxido de car bono sólido. Mezclando dióxido de car bono sólido con ét er , Far aday logr ó obt ener t em per at ur as de - 78° C. Per o había gases com o el oxígeno, el nit r ógeno, el hidr ógeno, el m onóxido de car bono y el m et ano, que se r esist ían a sus m ás enconados esfuer zos. Por m ucho que elev aba la pr esión en los ex per im ent os, Faraday no lograba licuar los. Estas sust ancias se llam ar on «gases per m anent es». En la década de 1860- 69, el quím ico ir landés Thom as Andr ews ( 1813- 85) est aba t r abaj ando con dióxido de car bono que había licuado sim plem ent e por pr esión. Elev ando lent am ent e la t em per at ura, anot ó el m odo en que debía incr em ent ar se la pr esión para m ant ener el dióxido de car bono en est ado líquido. Halló que a una t em per at ura de 31 ° C ningún aum ent o de presión era suficient e. En efect o, a esa t em per at ur a las fases líquida y gaseosa par ecían m ezclar se, por así decir lo, y r esult aban indist inguibles. Por tant o, Andr ew s sugir ió ( en 1869) que par a cada gas había una t em perat ura cr ít ica por encim a de la cual ningún aum ent o de pr esión podía licuar lo. Concluyó que los gases per m anent es er an sim plem ent e aquellos cuy as t em perat uras cr ít icas er an m ás baj as que las alcanzadas en los labor ator ios. Ent r e t ant o, Joule y Thom son ( véanse págs. 152 y 153) , en sus est udios sobr e el calor , habían descubier t o que los gases pueden enfr iar se a base de dej ar los ex pandir . Por lo t ant o, ex pandiendo un gas, com pr im iéndolo a cont inuación en condiciones que no le per m it an r ecuperar el calor per dido, ex pandiéndolo de nuev o, y así una y ot ra v ez, podr ían alcanzarse t em per at uras m uy baj as. Una v ez alcanzada una t em perat ura infer ior a la t em per at ur a cr ít ica del gas, la aplicación de pr esión lo licuar ía. Ut ilizando est a t écn ica, el físico fr ancés Louis Paul Caillet et ( 1832- 1913) y el quím ico r uso Raoul Pict et ( 1846- 1929) lograr on licuar gases com o el oxígeno, nit r ógeno y m onóx ido de car bono en 1877. Sin em bar go, el hidr ógeno seguía frust rando sus esfuerzos. Com o r esult ado del t r abaj o de Van der Waals, se puso en clar o que en el caso del hidrógeno, el efect o Joule- Thom son funcionaría solam ent e por debaj o de una ciert a t em per at ur a. Por tant o, había que dism inuir su t em per at ura par a poder com enzar el ciclo de expansión y cont racción. En la década de 1890- 99, el quím ico escocés Jam es Dew ar ( 1842- 1923) em pezó a t r abaj ar sobr e el pr oblem a. Pr epar ó oxígeno líquido en cant idad y lo alm acenó en una bot ella de Dew ar . Est e ar t efact o es un vaso de doble par ed con un v acío ent r e ellas. El v acío no t r ansm it e calor por conducción ni por convención, ya que am bos fenóm enos r equier en la pr esencia de m ater ia. El calor se t r ansm it e a t rav és del v acío solam ent e por el pr ocedim ient o r elat iv am ent e lent o de la r adiación. Plat eando las par edes de m odo que el calor fuese r eflej ado y no absorbido, Dew ar logró r et ar dar el pr oceso de r adiación aún m ás. (Los t erm os de uso dom ést ico son sim plem ent e bot ellas de Dew ar provist as de un t apón.) Enfr iando el hidr ógeno a t em per at ura m uy baj a por inm er sión en oxígeno líquido alm acenado en t ales bot ellas y ut ilizando luego el efect o Joule- Thom son, Dew ar pr oduj o hidr ógeno líquido en 1898. El hidr ógeno se licuó a 20° K, una t em perat ur a sólo veint e gr ados m ás alt a que el cero absolut o24 . Per o ést e no es, ni con m ucho, el punt o de licuefacción m ás baj o. En la m ism a década habían sido descubiert os los gases iner t es, y uno de ellos, el helio, licuó a una tem per at ura m ás baj a. El físico holandés Eleike Kam er lingh Onnes ( 1853- 1926) venció el últ im o obst áculo cuando, en 1908, enfr ió pr im er o helio en un baño de hidr ógeno líquido, aplicando ent onces el efect o de Joule- Thom son y consiguiendo helio líquido a una t em perat ura de 4 ° K. 24 El concept o de cero absolut o, la t em perat ura m ás baj a posible, fue propuest o por Thom pson ( Lord Kelv in) en 1848. En reconocim ient o a est a propuest a, la escala de t em perat uras absolu t as ( basada en la idea de Kelvin) se sim boliza com o ° K. En 1905, Nernst dem ost ró que la ent ropía era igual a cero en el cero absolut o ( el t ercer principio de la t erm odinám ica) . A par t ir de est o, puede deducirse que es posible acer carse a la t em perat u r a del cer o absolut o t ant o com o se quiera, pero nunca puede alcanzar se en la práct ica. Ca pít u lo 1 0 Qu ím ica or gán ica de sín t e sis Cont enido: 1. Colorant es 2. Medicam ent os 3. Pr ot eínas 4. Explosivos 5. Polím eros 1 . Color a nt e s Cuando en la pr im er a m it ad del siglo XI X hom br es com o Ber t helot em pezar on a unir m oléculas or gánicas, estaban am pliando drást icam ent e los lím it es acept ados de su ciencia. En lugar de lim it ar sus inv est igaciones al ent or no físico ex ist ent e, est aban com enzando a im it ar la cr eat iv idad de la nat ur aleza, y sobr epasar a ést a iba a ser sólo cuest ión de t iem po. En cier t o m odo, el t r abaj o de Ber thelot con algunas de sus gr asas sint ét icas m ar có un com ienzo en est e sent ido per o t odav ía quedaba m ucho por hacer . La incom plet a com pr ensión de la estr uctur a m olecular confundía a los quím icos or gánicos del siglo x ix , per o el pr ogr eso de la ciencia er a t an ir r esist ible, que al m enos en un episodio significat ivo est a deficiencia result ó ser una vent aj a. Por aquella época ( la década de 1840) ex ist ían pocos quím icos or gánicos de renom bre en Gran Br et aña, y August Wilhelm von Hofm ann ( 1818- 92) , que había t r abaj ado baj o la dir ección de Liebig, fue im por tado a Londr es desde Alem ania. Com o ayudant e se le asignó, algunos años m ás t arde, a un est udiant e m uy j oven, William Henr y Per k in ( 1838- 1907) . Un día, en pr esencia de Per k in, Hofm ann especulaba en voz alt a sobr e la posibilidad de sint et izar quinina, el v alioso ant im alár ico. Hofm ann había r ealizado invest igaciones sobr e los pr oduct os obt enidos del alquit r án de hulla ( un líquido negro y espeso obt enido al calent ar car bón en ausencia de air e) , y se pr eguntaba si ser ía posible sint et izar quinina a par t ir de un pr oduct o del alquit r án de hulla com o la anilina. La sínt esis, si pudiese llev ar se a cabo, const it uir ía un gran éx it o, decía Hofm ann; liber ar ía a Eur opa de su dependencia de los r em ot os t rópicos para el apr ovisionam ient o de quinina. Per k in, t ot alm ent e enar decido, se fue a casa ( donde t enía un pequeño labor at or io pr opio) par a em pr ender la t ar ea. Si él o Hofm ann hubiesen conocido m ej or la est r uct ur a de la m olécula de quinina, habr ían sabido que la t ar ea era im posible para las t écnicas de m ediados del siglo xix . Afor t unadam ent e, Per k in lo ignor aba y , aunque fr acasó, consiguió algo quizá m ás im por t ant e. Dur ant e las vacaciones de Pascua de 1856, había t rat ado la anilina con dicr om at o pot ásico y est aba a punt o de desechar la m ezcla r esult ant e com o si fuer a un nuev o fr acaso, cuando sus oj os percibier on un r eflej o púrpura en ella. Añadió alcohol, que disolv ió algo del pr epar ado y adquir ió un her m oso color púrpura. Per kin sospechó que t enía ant e sí un color ant e. Dej ó la escuela y ut ilizó algún diner o de la fam ilia par a m ontar un t aller . Al cabo de seis m eses, obt enía lo que llam ó «púrpura de anilina». Los t int or er os fr anceses aclam ar on el nuev o t int e y denom inar on al color «m alv a». Tan popular llegó a hacer se dicho color , que est e per íodo de la hist or ia se conoce com o «la década m alv a». Per k in, habiendo fundado la v ast a indust r ia de los color ant es sint ét icos, pudo r et ir ar se, en plena opulencia, a los t reint a y cinco años. No m ucho después de la or iginal pr oeza de Per k in, Kek ulé y sus fór m ulas est r uct ur ales pr opor cionar on a los quím icos orgánicos un m apa del t er r it or io, por así decir lo. Ut ilizando est e m apa, podían cr ear esquem as lógicos de r eacción, m ét odos r azonables par a alt er ar una fórm ula est r uctur al paso a paso, con el fin de conv er t ir una m olécula en ot r a. Se hizo posible sint et izar nuevas sust ancias quím icoor gánicas, no y a por accident e, com o el t r iunfo de Per k in, sino deliber adam ent e. Con fr ecuencia las r eacciones conseguidas recibían el nom br e de su descubr idor . Por ej em plo, un m ét odo par a añadir dos át om os de car bono a una m olécula, descubier t o por Per k in, se denom ina la r eacción de Per k in; otr o m ét odo para r om per un anillo cont eniendo un át om o de nit r ógeno, descubier t o por el m aest r o de Per k in, se llam a la degr adación de Hofm ann. Hofm ann r egr esó a Alem ania en 1864, y allí se lanzó al nuev o cam po de la quím ica or gánica de sínt esis que su j oven discípulo había inaugur ado. Cont r ibuyó a fundar lo que, hast a la Pr im er a Guerr a Mundial, siguió siendo casi un m onopolio alem án en su especialidad. Los tint es nat ur ales se duplicaban en el labor ator io. En 1867, Baeyer ( el de la «t eor ía de las t ensiones») com enzó un pr ogram a de invest igación que post er ior m ent e condujo a la sínt esis del índigo. Est a conquist a, a largo plazo, iba a desplazar del m er cado a las ex t ensas plant aciones de índigo del lej ano Oest e. En 1868 un est udiant e discípulo de Baeyer, Karl Graebe ( 1841- 1927) , sint et izó la alizar ina, ot r o im por t ant e colorant e nat ural. Sobr e t odos est os éx it os se fundar on el ar te y la t écnica de la quím ica aplicada, que en las últ im as décadas ha afect ado t an r adicalm ent e nuest r as v idas y que no dej a de pr ogr esar a pasos agigant ados. Se ha desarr ollado una ser ie int er m inable de nuev as t écnicas par a alt er ar las m oléculas or gánicas, y par a exam inar algunas de las m ás im por tant es es pr eciso que nos desviem os un poco de la cor r ient e pr incipal de la t eor ía quím ica. Hast a est e m om ento nuest r o r elat o se ha prest ado a una nar rat iv a dir ect a y una línea de desar r ollo clar a, per o en est e capít ulo y el pr óxim o t endr em os que discut ir algunos av ances indiv iduales cuy a escasa r elación m ut ua salt a a la vist a inm ediat am ent e. Toda vez que est os avances const it uyen las aplicaciones de la quím ica a las necesidades hum anas, son esenciales par a nuest r a br ev e hist or ia de est a ciencia, aunque pueda par ecer que se separan de la cor r ient e pr incipal. En los últ im os tr es capít ulos volv er em os a la clar a línea de desar r ollo t eórico. 2 . M e dicam e nt os Com puest os nat urales de com plej idad cada v ez m ayor fuer on sint et izados después de Per kin. Desde luego, la sust ancia sint ét ica no podía com pet ir económ icam ent e con el pr oduct o nat ural, ex cept o en casos r elat iv am ent e r ar os, com o el del índigo. Per o la sínt esis ser v ía nor m alm ent e par a est ablecer la est r uct ura m olecular , y est o es algo que posee siem pr e un gran int er és t eór ico ( y a veces pr áctico) . Veam os algunos ej em plos. El quím ico alem án Richard Willst át t er ( 1872- 1942) est ableció cuidadosam ent e la est r uct ur a de la clor ofila, el cat alizador v eget al que absor be la luz y hace posible la ut ilización de la ener gía solar en la pr oducción de car bohidr atos a par t ir de dióxido de carbono. Dos quím icos alem anes, Heinr ich Ot t o Wieland ( 1877- 1957) y Adolf Windaus ( 18761959) , det er m inar on la estr uct ura de los esfer oides y com puest os der iv ados. ( Ent r e los est eroides se hallan m uchas hor m onas im port ant es.) Ot r o quím ico alem án, Ot t o Wallach ( 1847- 1931) , dilucidó afanosam ent e la est r uct ur a de los t er penos, im por t ant es aceit es veget ales ( una conocida m uestr a de los cuales es el m ent ol) , m ient ras que un cuart o, Hans Fischer ( 1881- 1945) , det erm inó la est ruct ur a del hem o, la m at er ia colorant e de la sangr e. Vit am inas, hor m onas, alcaloides, t odos ellos han sido inv est igados en el siglo x ix, y en m uchos casos se det er m inó la est r uct ur a m olecular . Por ej em plo, en los años t r eint a, el quím ico suizo Paul Kar r er ( 1889- 1971) est ableció la est r uct ur a de los car ot enoides, im por t ant es pigm ent os veget ales con los que se r elaciona est recham ent e la vit am ina A. El quím ico inglés Rober t Robinson ( 1886- 1975) se dedicó sist em át icam ent e a los alcaloides. Su m ayor éx it o fue descubr ir la est r uct ur a de la m or fina ( ex cept o un át om o, que er a dudoso) en 1925, y la est r uct ura de la est r icnina en 1946. Poster ior m ent e, el t rabaj o de Robinson fue confir m ado por el quím ico am er icano Robert Burns Woodward ( 1917- 1979) , que sint et izó la est r icnina en 1954. Woodward com enzó a cosechar t riunfos en la sínt esis cuando él y su colega am er icano William v on Egger s Doer ing ( n. 1917) sint et izar on la quinina en 1944. Es ést e el com puest o cuy a búsqueda a ciegas por Per k in había dado r esult ados t an m agníficos. Woodw ar d pasó luego a sint et izar m oléculas or gánicas m ás com plicadas, ent r e las que se incluye el colest er ol ( el m ás corr ient e de los est er oides) en 1951, y la cor t isona ( una horm ona est eroidea) en el m ism o año. En 1956 sint et izó la reser pina, el pr im er tr anquilizant e, y en 1960 la clor ofila. En 1962 Woodw ar d sint et izó un com puest o com plej o r elacionado con la acr om icina, un ant ibiót ico m uy conocido. Tr abaj ando en otr a dir ección, el quím ico r uso- am er icano Phoebus Aar on Theodor Lev ene ( 1869- 1940) había deducido las est r uct ur as de los nucleót idos, que ser v ían com o ladr illos para la const r ucción de las m oléculas gigant es que son los ácidos nucleicos. ( Hoy día se sabe que los ácidos nucleicos cont r olan la act ividad quím ica del cuer po.) Sus conclusiones fuer on com plet am ent e confir m adas por el t r abaj o del quím ico escocés Alexander Robert us Todd ( n. 1907) , que sint et izó los diferent es nucleót idos, así com o com puest os derivados, en los años cuar ent a y pr incipios de los cincuent a. Algunas de est as sust ancias, especialm ent e los alcaloides, poseían pr opiedades m edicinales, y por ello se agr upan baj o el t ít ulo gener al de m edicam ent os. A pr incipios del siglo x ix se dem ost r ó que los pr oduct os ent er am ent e sint ét icos podían t ener dicha ut ilización, y de hecho se r ev elar on com o m edicam ent os valiosos. La sustancia sint ét ica ar sfenam ina fue ut ilizada en 1909 por el bact er iólogo alem án Paul Ehr lich ( 1854- 1915) com o agent e t er apéut ico cont r a la sífilis. Se consider a que est a aplicación fundó el est udio de la quim iot er apia, el t r at am ient o de las enfer m edades ut ilizando pr oduct os quím icos específicos. En 1908 fue sint et izado un nuevo com puest o denom inado sulfanilam ida, que se sum ó al gr an núm ero de pr oductos sint ét icos que se conocían per o que car ecían de usos det er m inados. En 1932, a t r avés de las invest igaciones del quím ico alem án Ger har d Dom agk ( 1895- 1964) , se descubr ió que la sulfanilam ida y algunos com puest os der iv ados podían ut ilizar se para com bat ir div er sas enfer m edades infecciosas. Per o, en est e caso, los pr oductos nat ur ales alcanzar on y sobr epasar on a los sint ét icos. El pr im er ej em plo fue la penicilina, cuya exist encia descubr ió accident alm ent e en 1928 el bact er iólogo escocés Alexander Flem ing ( 1881- 1955) . Flem ing había dej ado un cult iv o de gérm enes est afilocócicos sin cubr ir durant e algunos días, al cabo de los cuales halló que se había enm ohecido. Una cir cunst ancia inesper ada le hizo fij ar se con m ás at ención. Alr ededor de cada par t ícula de espor a del hongo apar ecía un ár ea clar a en la que el cult iv o bact er iano se había disuelt o. I nvest igó el asunt o hast a donde pudo, sospechando la pr esencia de una sust ancia ant ibact er iana, per o las dificult ades de aislar el m at er ial le der r otar on. La necesidad de m edicam ent os que com bat iesen las infecciones dur ant e la Segunda Guer ra Mundial se t radujo en un nuev o y m asiv o abordam ient o del pr oblem a. Baj o la dir ección del pat ólogo anglo- austr aliano How ar d Walt er Flor ey ( 1898- 1968) y el bioquím ico angloalem án Er nst Boris Chain ( 1906- 79) , se aisló la penicilina y se det er m inó su est r uct ur a. Era el pr im er ant ibiót ico ( «cont ra la v ida», en el sent ido de v ida m icr oscópica, desde luego) . Hacia 1945, un pr oceso de cult iv o de hongos y concent ración del pr oducto r endía m edia t onelada de penicilina al m es. Los quím icos apr endier on en 1958 a int er rum pir la form ación del hongo en su fase m edia, obt ener el núcleo cent r al de la m olécula de penicilina, y después añadir a dicho núcleo var ios gr upos or gánicos que no se habr ían for m ado de m odo nat ural. Est os pr oduct os sint ét icos t enían en algunos casos pr opiedades super ior es a las de la pr opia penicilina. Dur ant e los años cuar ent a y cincuent a se aislar on de div er sos hongos ot ros ant ibiót icos, com o la est rept om icina y la t et raciclina, que em pezaron a usar se de inm ediat o. La sínt esis de com plej os orgánicos no podía lograr se sin análisis per iódicos que sir v ier an par a ident ificar el m at er ial obt enido en difer ent es et apas del pr oceso de sínt esis. Nor m alm ent e, el m at er ial disponible par a los análisis er a m uy escaso, de m odo que los análisis er an incier t os en el m ej or de los casos, e im posibles m uchas veces. El quím ico aust r iaco Fr it z Pr egl ( 1869- 1930) r eduj o con gran acier t o el t am año del equipo ut ilizado en los análisis. Obt uv o una balanza de sum a pr ecisión, diseñó finas piezas de vidr io, y hacia 1913 había ideado una eficaz técnica de m icro análisis. Los análisis de m uest r as pequeñas, hast a ent onces im pr act icables, se conv ir t ier on ahor a en un pr oceso m uy exact o. Los m ét odos clásicos de análisis im plicaban nor m alm ent e la m edición del volum en de una sustancia consum ida en la r eacción ( análisis volum ét r icos) , o del peso de una sust ancia pr oducida en la r eacción ( análisis gr avim ét r ico) . A m edida que av anzaba el siglo xx fuer on int r oduciéndose m ét odos físicos de análisis que ut ilizaban la absor ción de la luz, los cam bios en la conduct iv idad eléct r ica y ot ras t écnicas aún m ás r efor m adas. 3 . Pr ot e ín a s Las sustancias or gánicas m encionadas en el apar tado ant er ior est án casi t odas for m adas por m oléculas que ex ist en com o unidades sim ples, que no se r om pen fácilm ent e con un t rat am ient o quím ico suave y que no se com ponen de m ás de cincuent a át om os, apr oxim adam ent e. Pero ex ist en sust ancias or gánicas form adas por m oléculas que son aut ént icos gigant es, con m iles e incluso m illones de át om os. Tales m oléculas no son nunca de nat ur aleza unit ar ia, sino que siem pr e est án for m adas a par t ir de «ladr illos» m ás pequeños. Es fácil rom per t ales m oléculas gigant es en sus unidades const it ut ivas con el fin de est udiar ést as. Lev ene lo hizo en su est udio de los nucleót idos, por ej em plo. Er a nat ur al t r atar de est udiar t am bién las m oléculas gigant es int act as, y a m ediados del siglo xix se dier on los pr im er os pasos en est e sent ido. El pr im er o en hacer lo fue el quím ico escocés Thom as Graham ( 1805- 1866) , gr acias a su int er és por la difusión, est o es, la for m a en que las m oléculas de dos sustancias que han ent r ado en cont act o se ent r em ezclan. Em pezó por est udiar la v elocidad de difusión de los gases a t rav és de aguj er os pequeños o t ubos delgados. Hacia 1831 logr ó dem ost r ar que la v elocidad de difusión de un gas er a inver sam ent e pr opor cional a la raíz cuadrada de su peso m olecular ( ley de Gr aham ) . Poster ior m ent e, Gr aham pasó a est udiar la difusión de sust ancias disuelt as y descubr ió que las soluciones de sust ancias com o sal, azúcar o sulfat o de cobr e er an capaces de at r avesar una hoj a de per gam ino ( pr obablem ent e con or ificios subm icr oscópicos) . En cam bio, ot r os m at eriales disuelt os com o la gom a arábiga, la cola o la gelat ina no at r avesaban el per gam ino. Er a clar o que las m oléculas gigant es del últ im o gr upo de sust ancias no podían pasar a t r avés de los or ificios del per gam ino. A los m at er iales que podían pasar a t r avés del per gam ino ( y que r esult ó que se obt enían fácilm ent e en for m a cr ist alina) Graham los llam ó cr ist aloides. A los que no podían, com o la cola ( en gr iego kollá) , los llam ó coloides. El est udio de las m oléculas gigant es se convirt ió en una part e im por t ant e del est udio de la quím ica de los coloides, a la que Gr aham dio or igen de est e m odo 25 . Supongam os que a un lado de la hoj a de per gam ino hay agua pur a, y al ot r o lado una solución coloidal. Las m oléculas de agua pueden ent r ar fácilm ent e en la cám ara coloidal, m ient r as que las m oléculas coloidales bloquean la salida. Por t ant o, el agua penet r a en la por ción coloidal del sist em a m ás r ápidam ent e de lo que sale, y el desequilibr io det er m ina una pr esión osm ót ica. El bot ánico alem án Wilhelm Pfeffer ( 1845- 1920) dem ost r ó en 1877 que se podía m edir est a pr esión osm ótica, y a par t ir de las m edidas det erm inar el peso m olecular 25 En 1833, Graham había est udiado las diversas form as del ácido fosfórico, y m ost ró que en algunas de ellas m ás de un át om o de hidrógeno podía reem plazarse por un m et al. Est o int r oduj o a los quím icos a la ex ist encia de los ácidos polibásicos. de las grandes m oléculas en la solución coloidal. Fue el pr im er m ét odo r azonablem ent e bueno para est im ar el t am año de dichas m oléculas. Un m ét odo aún m ej or fue ideado por el quím ico sueco Theodor Sv edberg ( 18841971) , que desar r olló la ult r a cent r ífuga en 1923. Est e apar at o hacía girar las soluciones coloidales, im pulsando a las m oléculas gigant es hacia afuer a por efect o de la enor m e fuer za cent r ífuga. Par t iendo de la v elocidad con la cual desplazaban las m oléculas gigant es podía det erm inar se el peso m olecular . El ay udant e de Sv edber g, Ar ne Wilhelm Kaur in Tiselius ( 1902- 71) , t am bién sueco, ideó en 1927 m ét odos m ej or es para separar las m oléculas gigant es en base a las dist r ibuciones de carga eléct r ica sobr e la super ficie m olecular . Est a t écnica, la elect r ofor esis, t uvo par t icular im por tancia en la separ ación y pur ificación de pr ot eínas. Aunque los m ét odos pr opor cionaban de est e m odo dat os r elat iv os a la est r uct ur a global de las m oléculas gigant es, los quím icos aspiraban a com pr ender los det alles quím icos de esa est r uct ur a. Su int er és se cent r aba especialm ent e en las pr ot eínas. Mient r as que las m oléculas gigant es com o el alm idón y la celulosa de la m adera est án for m adas por un solo t ipo de unidad que se r epit e indefinidam ent e, la m olécula pr ot eica se com pone de unas veint e unidades dist int as aunque m uy sem ej ant es; los diferent es am inoácidos. Por est a razón, las m oléculas prot eicas son t an m aleables y ofr ecen una base t an sat isfact or ia par a la sut ileza y la div er sidad de la v ida, aunque pr ecisam ent e por eso son tam bién t an difíciles de car act er izar . Em il Fischer , que había det er m inado ant er ior m ent e la est r uct ura det allada de las m oléculas de azúcar , em pezó a est udiar la m olécula pr ot eica a finales de siglo. Dem ostr ó que la por ción am ino de un am inoácido se unía a la por ción ácido de ot r o para for m ar un enlace pept ídico y lo pr obó en 1907, uniendo efectiv am ent e am inoácidos de est a form a ( j untó dieciocho de ellos) y dem ostr ando que el com puest o r esult ant e poseía algunas pr opiedades caract er íst icas de las pr ot eínas. Sin em bargo, la det er m inación del or den de los am inoácidos que for m an una cadena polipept ídica en una m olécula pr ot eica t al com o ocur r e en la nat ur aleza, t uv o que esper ar el paso de ot r o m edio siglo y el descubr im ient o de una nuev a t écnica. Dicha t écnica com enzó con el bot ánico r uso Mij ail Sem enovich Tsvet t ( 1872- 1919) . Dej ó got ear una m ezcla de pigm ent os veget ales color eados a t r av és de un t ubo de óxido de alum inio en polv o. Las difer ent es sust ancias de la m ezcla se adher ían a la super ficie de las par t ículas de polv o con difer ent e int ensidad. Al lav ar la m ezcla, los com ponent es indiv iduales se separaban para for m ar bandas de color . Tsv et t obser v ó est e efect o en 1906 y llam ó a la t écnica crom at ogr afía ( «escr it ur a en color ») . Aunque en un pr incipio pasó inadver t ido el ar t ículo donde Tsv et t publicar a sus result ados, en los años veint e Willst át t er y Richard Kuhn ( 1900- 67) , est udiant e de quím ica ger m ano- aust r iaco, r eint r oduj er on la t écnica. Ést a fue per feccionada en 1944 por los quím icos ingleses Ar cher John Por t er Mar t in ( n. 1910) y Richard Laur ence Millingt on Sy nge ( n. 1914) , quienes ut ilizar on papel de filt r o absor bent e en lugar de la colum na de polv o. La m ezcla se deslizaba a lo largo del papel de filt r o y se separ aba; est a t écnica se denom ina crom at ografía en papel. A últ im os de los años cuar ent a y pr incipios de los cincuenta, se logr ó descom poner div er sas pr ot eínas en sus am inoácidos const it uy ent es. Las m ezclas de am inoácidos fuer on después aisladas y analizadas en detalle m ediant e la cr om atogr afía en papel. De est e m odo se obt uvo el núm ero t ot al de cada uno de los am inoácidos present es en la m olécula pr ot eica, per o no el or den ex act o en que int er v enía cada uno de ellos en la cadena polipept ídica. El quím ico inglés Fr eder ick Sanger ( n. 1918) se cent r ó en el est udio de la insulina, una horm ona prot eica com puest a de unos cincuent a am inoácidos dist r ibuidos ent r e dos cadenas polipept ídicas conect adas ent r e sí. Rom pió la m olécula en cadenas m ás pequeñas, y est udió cada una de ellas por separado según la crom atografía en papel. Aunque t ar dó ocho años de t r abaj o en r esolv er sem ej ante r om pecabezas, en 1953 obt uv o el or den ex act o de los am inoácidos en la m olécula de insulina. Los m ism os m ét odos se han ut ilizado desde 1953 par a obt ener la est r uct ur a det allada de m oléculas pr ot eicas aún m ás lar gas. El siguient e paso er a confir m ar est e r esult ado sint et izando una m olécula pr ot eica dada, am inoácido por am inoácido. En 1954, el quím ico am er icano Vincent du Vigneaud ( 1901- 78) rom pió el hielo sint et izando oxit ocina, una pequeña m olécula pr ot eica com puest a de ocho am inoácidos solam ent e. Pr ont o llegar on hazañas m ás com plicadas, y se sint et izar on cadenas de docenas de am inoácidos. En 1963 se logr ó r econstr uir en el labor at or io las cadenas de am inoácidos de la propia insulina. No obst ant e, ni siquier a el orden de los am inoácidos r epr esent aba por sí m ism o t odo el conocim ient o útil r elat ivo a la est r uct ur a m olecular de las pr ot eínas, las pr ot eínas, al calent ar las suav em ent e, pier den con fr ecuencia y de m odo per m anent e las propiedades de su est ado nat ur al; se dice ent onces que han sido desnat uralizadas. Las condiciones que provocan la desnat ur alización son por lo gener al dem asiado suav es para r om per la cadena polipept ídica. Así pues, la cadena debe de ir unida a alguna est r uct ur a definida m ediant e «enlaces secundar ios» débiles. Est os enlaces secundar ios im plican nor m alm ent e un át om o de hidr ógeno sit uado ent re un át om o de nit rógeno y uno de oxígeno. La fuerza de dicho enlace de hidr ógeno es sólo la v eint eav a par t e de la de un enlace de v alencia or dinar ia. En los pr im er os años 1950, el quím ico am er icano Linus Pauling ( n. 1901) sugir ió que la cadena polipept ídica est aba ar rollada en una est r uct ur a helicoidal ( com o una «escaler a en espir al») , que se m ant enía en su sit io m ediant e enlaces de hidr ógeno. Est e concept o se m ost ró especialm ent e út il en relación con las r elat ivam ent e sim ples pr ot eínas fibr osas que com ponían la piel y el t ej ido conj unt ivo. Per o incluso las pr ot eínas globular es, de est r uct ur a m ás com plicada, r esult ar on ser t am bién helicoidales en cier t a m edida, com o dem ost rar on el quím ico angloaust r iaco Max Fer dinand Per ut z ( n. 1914) y el quím ico inglés John Cowder y Kendr ew ( n. 1917) cuando det er m inar on la est r uct ur a det allada de la hem oglobina y la m ioglobina ( las pr ot eínas por t ador as de oxígeno de la sangr e y el m úsculo, r espect iv am ent e) . En est e análisis hicier on uso de la difr acción por ray os X, t écnica en la cual un haz de r ay os X pasa a t ravés de un cr ist al y es disper sado por los át om os del m ism o. La disper sión en una dir ección y ángulo dados es ópt im a cuando los át om os están ordenados según un m odelo r egular . A par t ir de los det alles de la disper sión es posible deducir las posiciones de los át om os dent r o de la m olécula. En el caso de or denaciones com plej as, com o las que ex ist en en las m oléculas pr ot eicas de cier t a m agnit ud, la t ar ea es t er r iblem ent e t ediosa, per o en 1960 se localizó el últ im o det alle de la m olécula de m ioglobina ( com puest a de doce cent enar es de át om os) . Pauling sugir ió t am bién que su m odelo helicoidal podía ser v ir par a los ácidos nucleicos. El físico anglo- neozelandés Maur ice Hugh Fr eder ick Wilkins ( n. 1916) , en los prim eros años de la década de los cincuent a, som et ió los ácidos nucleicos a difr acción por r ay os X, y su t rabaj o sir v ió para pr obar la suger encia de Pauling. El físico inglés Fr ancis Har r y Com pton Cr ick ( n. 1916) y el quím ico am er icano Jam es Dew ey Wat son ( n. 1928) hallar on que se r equer ía una ult er ior m odificación a fin de ex plicar los r esult ados de la difr acción. Cada m olécula de ácido nucleico t enía que poseer una doble hélice, dos cadenas enr olladas alr ededor de un ej e com ún. Est e m odelo de Wat son- Cr ick, concebido en 1953, const it uyó un im port ant e avance en la com prensión de la genét ica 26 . 4 . Ex plosivos Las m oléculas gigant es t am poco escapar on a la m ano m odificador a de los quím icos. El pr im er caso ocurr ió a r aíz de un hallazgo accident al del quím ico ger m ano- suizo Chr ist ian Fr iedr ich Schónbein ( 1799- 1868) , que ant er ior m ent e se había dado a conocer por el descubr im ient o del ozono, una for m a de oxígeno. Haciendo un ex per im ent o en su casa, en 1845, der r am ó una m ezcla de ácido nít r ico y sulfúr ico y ut ilizó el delant al de algodón de su m uj er para secar lo. Colgó el delant al a secar en la est ufa, per o una vez seco det onó y desapar eció. Había conv er t ido la celulosa del delant al en nit r ocelulosa. Los gr upos nit r o ( pr ocedent es del ácido nít r ico) ser v ían com o una fuent e int er na de oxígeno, y la celulosa, al calent ar se, se oxidó por com plet o en un inst ant e. Schónbein com pr endió las posibilidades del com puest o. La pólv or a negra ordinar ia ex plot aba ent r e un hum o espeso, ennegr eciendo las ar m as, ensuciando los cañones y las ar m as pequeñas y oscur eciendo el cam po de bat alla. La nit r ocelulosa hizo posible la «pólv or a sin hum o», y por su potencial com o pr opulsor en los pr oyect iles de ar t iller ía r ecibió el nom br e de algodón pólv or a. Los pr im er os int ent os de fabr icar algodón pólv or a par a fines m ilit ar es fr acasar on, debido al peligr o de ex plosiones en las factor ías. No fue hast a 1891 cuando Dew ar y el quím ico inglés Fr eder ick August us Abel ( 1827- 1902) consiguier on pr eparar una 26 Para m ás det alles sobre el t em a, rem it o al lect or int eresado a m i libro The Genet ic Code ( Orion Press, 1963) . m ezcla segur a a base de algodón pólv or a. Debido a que la m ezcla podía pr ensarse en lar gas cuer das, se denom inó cor dit a. Y gr acias a ella y a sus der iv ados, los soldados del siglo xx han disfr ut ado de un cam po de obser v ación diáfano m ient r as daban m uert e a sus enem igos y eran m uert os por ést os. Uno de los com ponent es de la cor dit a es la nit r oglicer ina, descubier t a en 1847 por el quím ico it aliano Ascanio Sobr ero ( 1812- 88) . Er a un explosivo m uy pot ent e, incluso dem asiado delicado para la guer ra. Su em pleo en t iem po de paz par a abr ir car r et eras a t rav és de las m ontañas y par a m over t oneladas de t ier r a con div er sos pr opósit os er a t am bién peligr oso. Y el índice de m or t alidad era m ay or aún si se ut ilizaba descuidadam ent e. La fam ilia de Alfr ed Ber nhard Nobel ( 1833- 96) , un invent or sueco se dedicaba a la m anufact ur a de nit r oglicer ina. Cuando, en cier t a ocasión, una explosión m ató a uno de sus her m anos, Nobel decidió dedicar t odos sus esfuer zos a dom est icar el ex plosiv o. En 1866 halló que una t ier r a absor bent e llam ada «k ieselguhr » er a capaz de esponj ar cant idades enor m es de nit r oglicer ina. El k ieselguhr hum edecido podía m oldear se en barr as de m anej o per fect am ent e segur o, per o que conser vaban el poder explosiv o de la pr opia nit r oglicer ina. Nobel llam ó a est e ex plosiv o de segur idad dinam it a. Movido por su espír it u hum anit ar io, pensó con sat isfacción que las guer r as ser ían ahor a tan horr ibles que no habr ía m ás r em edio que optar por la paz. La int ención er a buena, per o su valor ación de la int eligencia hum ana pecaba de opt im ist a. La invención de nuevos y m ej or es explosivos hacia finales del siglo x ix fue la pr im er a cont r ibución im por tant e de la quím ica a la guerr a desde la invención de la pólv or a cinco siglos ant es; per o el desarr ollo de los gases v enenosos en la Pr im er a Guer ra Mundial dej ó bast ant e clar o que la hum anidad, en las guer ras fut ur as, cor r om per ía la ciencia aplicándola a una labor de dest r ucción. La invención del aer oplano y, post er iorm ent e, de las bom bas nuclear es dej ó las cosas t odav ía m ás clar as. La ciencia, que hast a finales del siglo XI X par ecía un inst r um ent o para cr ear la Ut opía sobr e la Tier r a, v ino a m ost rar se par a m uchos hom br es com o una m áscara de hor r ible dest ino. 5 . Polím e ros Per o había m uchos ot r os cam pos en los que pr edom inaban los usos pacíficos de las m oléculas gigant es. La celulosa com plet am ent e nit r ada era cier t am ent e un ex plosiv o, per o par cialm ent e nit r ada ( pir ox ilina) per m it ía un m anej o m ucho m ás segur o, encontr ándose im por tant es aplicaciones para ella. El inv ent or am ericano John Wesley Hyat t ( 1837- 1920) , en un int ent o de ganar la r ecom pensa ofr ecida a quien obt uviese un sust it ut o del m ar fil par a las bolas de billar , em pezó a tr abaj ar con la pir oxilina. La disolv ió en una m ezcla de alcohol y ét er , y añadió alcanfor par a hacer la m ás segur a y m aleable. Hacia 1869 había for m ado lo que llam ó celuloide, y ganó el pr em io. El celuloide fue el pr im er plást ico sint ét ico ( es decir , un m at er ial que puede m oldear se) . Per o si la pir oxilina podía m oldear se en esfer as, t am bién podía ex t r usionar se en fibr as y películas. El quím ico fr ancés Luis Mar ie Hilair e Ber nigaud, conde de Char donnet ( 1839- 1924) , obt uvo fibr as for zando soluciones de pir oxilina a t r av és de pequeños aguj eros. El disolv ent e se ev apor aba casi al inst ant e, dej ando un hilo t r as de sí. Est os hilos podían t ej er se, dando un m at er ial que t enía la suav idad de la seda. En 1884, Char donnet pat ent ó su rayón ( llam ado así porque eran t an br illant e que par ecía despedir ray os de luz) . El plást ico en for m a de película llegó por der echo pr opio, gracias al int er és del invent or am er icano George East m an ( 1854- 1932) por la fot ogr afía. Apr endió a m ezclar su em ulsión de com puest os de plata con gelat ina con el fin de hacer la seca. Est a m ezcla er a est able y no t enía que ser pr epar ada sobr e la m ar cha. En 1884 sust it uyó el v idr io plano por la película de celuloide, lo cual facilit ó t ant o las cosas, que la fot ografía, hast a ent onces pr iv ilegio de los especialist as, se pudo conv er t ir en un «hobby» al alcance de cualquier a. El celuloide, aunque no ex plosiv o, era t odav ía dem asiado com bust ible y encerr aba un peligr o const ant e de incendio. East m an em pezó a ex per im ent ar con m at er iales m enos inflam ables y halló que cuando a la celulosa, en lugar de los gr upos nit r o, se añadían gr upos de acet at o, el pr oduct o era t odav ía plást ico per o no ex cesiv am ent e inflam able. En 1924 se int roduj o la película de acet at o de celulosa, en un m om ent o en que la puj ant e indust r ia del cine necesit aba un m at er ial que r eduj ese el r iesgo de incendio. Per o los quím icos t am poco se confor m aban con las m oléculas gigant es que y a ex ist ían en la nat ur aleza. El quím ico belga- am er icano Leo Hendr ik Baek eland ( 18631944) est aba invest igando a la sazón un sucedáneo de la gom a laca. Par a est e pr opósit o buscaba una solución de una sust ancia gom osa, sem ej ant e al alquit r án, que r esult ase de la adición de pequeñas unidades m olecular es par a for m ar una m olécula gigant e. La pequeña m olécula es un m onóm ero ( «una par t e») , y el pr oduct o final un polím er o ( «m uchas par t es») . Hay que decir que la for m a en que se unen los m onóm er os para form ar m oléculas gigant es no es ningún m ist erio. Para t om ar un ej em plo sencillo, considerem os dos m oléculas de et ileno ( C2 H 4 ) . Las fórm ulas est ruct urales son Si im aginam os que un át om o de hidrógeno se t r aslada de una a ot ra y que un doble enlace se conv iert e en enlace sencillo, de m aner a que pueda usarse un nuevo enlace par a unir las dos m oléculas, obt endrem os una sust ancia de cuat r o carbonos: Tal m olécula de cuat r o car bonos t iene t odav ía un doble enlace. Por t ant o puede v olv er a com binar se con ot ra m olécula de et ileno, por m edio del desplazam ient o de un át om o de hidr ógeno y la aper tur a de un doble enlace par a for m ar una m olécula de seis car bonos con un doble enlace. El m ism o pr oceso conducirá a cont inuación a una m olécula de ocho car bonos, después a una m olécula de diez car bonos, y así hast a una m olécula casi t an lar ga com o se desee 27 . Baekeland em pezó con fenol y for m aldehído com o unidades del m onóm er o y pr oduj o un polím er o para el que no pudo encont r ar disolv ent e alguno. Se le ocur r ió ent onces que un polím ero t an duro y r esist ent e a los disolv ent es podía ser út il por esas m ism as r azones. Podía m oldear se a m edida que se form aba y solidificar en la for m a de un no conduct or de elect r icidad, dur o, r esist ent e al agua y r esist ent e a los disolv ent es, per o fácilm ent e m ecanizable. En 1909 anunció la exist encia de lo que él llam ó bakelit a, el pr im er o y t odav ía, en cier t o m odo, uno de los m ás út iles ent r e plást icos t ot alm ent e sint ét icos. Las fibras t ot alm ent e sint ét icas t am bién iban a ocupar su puest o en el m undo. El pioner o en est e cam po fue el quím ico am er icano Wallace Hum e Car ot her s ( 18961937) . En unión del quím ico belga- am er icano Julius Art hur Nieuwland ( 1878- 1936) había invest igado los polím er os r elacionados con el caucho, y que t enían algunas de las propiedades elást icas de ést e 28 . El r esult ado, en el año 1932, fue el neopr eno, uno de los «cauchos sint ét icos» o, com o se llam an ahora, elast óm eros. Car ot her s siguió t r abaj ando con ot r os polím er os. Dej ando que polim er izasen las m oléculas de cier t as diam inas y ácidos dicar boxílicos, pr oduj o fibras form adas por lar gas m oléculas que cont enían com binaciones de át om os sim ilar es a los enlaces pept ídicos en la pr ot eína de la seda. Estas fibr as sint ét icas, una vez est ir adas, const it uyen lo que ahora llam am os nylon. I nt roducido en el m ercado poco ant es de la pr em at ur a m uer t e de Carot her s, estalló luego la Segunda Guer ra Mundial, y no fue hast a después del conflict o cuando el nylon r eem plazó a la seda en casi t odos sus usos, especialm ent e en lencer ía. 27 La m edida en que ocurre est a polim erización depende del t iem po durant e el cual se perm it e a los m onóm er os reaccionar la t em perat u ra y presión baj o las cuales reaccionan, la presencia o ausen cia de ot ras sust ancias que puedan acelerar o ret rasar la reacción, et c. La quím ica m oderna, t eniendo en cuent a t odo est o, puede práct icam en t e diseñar su propio product o final. 28 El cau cho es un polím ero nat ural produ cido por ciert as plant as t r opicales. En su est ado nat ural es, o bien dem asiado viscoso en t iem po calient e, o bien dem asiado duro en t iem po frío, com o para ser t ot alm ent e út il. El inv ent or am ericano Charles Goody ear ( 1800- 60 ) descubrió, en part e por accident e, que el caucho calent ado con azufre perm anecía seco y flex ible en una am plia gam a de t em per at ur as. Pat ent ó su cau cho vulcanizado en 1844. El caucho adquirió realm ent e derecho de ciudadanía en el siglo x x , con el desarrollo del aut om óv il y la necesidad de neum át icos en inm ensas cant idades. Al pr incipio, los polím er os sint ét icos se obt enían por pr ocesos de ensay o y er r or , pues se sabía poco sobr e la est r uct ur a de las m oléculas gigant es o los det alles de las r eacciones necesar ias. Un pioner o en los est udios de la est r uct ur a de polím er os, que acabó con gr an par t e de la incer t idum br e, fue el quím ico alem án Her m ann St audinger ( 1881- 1965) . Gr acias a sus tr abaj os llegar on a com pr enderse algunas de las deficiencias de los polím er os sint ét icos. Una de ellas pr ovenía de la posibilidad de que los m onóm er os se uniesen ent r e sí al azar, de m aner a que los gr upos at óm icos cont enidos en ellos quedasen or ient ados en difer ent es dir ecciones a lo largo de la cadena. Est a disposición al azar t endía a debilit ar el pr oduct o final, al no per m it ir a las cadenas m olecular es em paquet ar se cor r ectam ent e. Las cadenas podían incluso r am ificar se, lo cual em peor aba aún m ás las cosas. El quím ico alem án Kar l Ziegler ( 1898- 1973) descubr ió en 1953 que ut ilizando cier t a r esina ( un polím er o v eget al nat ural) podía unir a ella át om os de alum inio, t it anio o lit io com o cat alizador es. Est os catalizador es perm it ían conseguir una com binación de m onóm eros m ás ordenada, elim inando las r am ificaciones. Gr acias a un t r abaj o sim ilar llev ado a cabo por el quím ico it aliano Giulio Nat t a ( 1903- 79) , se logr ó disponer las agr upaciones at óm icas de for m a ordenada a lo lar go de la cadena polím er a. En sum a, el ar t e de la polim er ización llegó a tal per fección, que los plást icos, películas y fibr as podían pr oducir se práct icam ent e por encar go, cum pliendo pr opiedades especificadas de ant em ano. Una im por tant e fuent e de sust ancias orgánicas básicas necesar ias par a producir los nuev os pr oduct os sint ét icos en las inm ensas cant idades r equer idas era el pet r óleo. Est e fluido er a y a conocido en la ant igüedad, per o su em pleo en gr andes cant idades t uv o que esper ar al desar r ollo de t écnicas de ex t r acción par a acceder a las gr andes r eser v as subt er r áneas. Edw in Laur ent ine Dr ak e ( 1819- 80) , un invent or am er icano, fue el pr im er o en per forar en busca de pet r óleo, en 1859. En el siglo t ranscurr ido desde Dr ake, el pet r óleo, com o t odo el m undo sabe, se ha conver t ido en el elem ent o pr incipal de nuest r a sociedad: la fuent e m ás im por t ant e de sust ancias or gánicas, de calor par a uso dom ést ico y de pot encia par a ar t efact os m óviles, desde aer oplanos y aut om óviles hast a m ot ociclet as y cor t adoras de césped. El car bón, aunque solem os olv idar lo en est a er a del m ot or de com bust ión int er na, es una fuent e aún m ás abundant e de sust ancias orgánicas. El quím ico ruso Vladim ir Nikolaev ich I pat ieff ( 1867- 1952) , en las post r im er ías del pasado siglo y com ienzos del act ual, em pezó a invest igar las r eacciones de los hidr ocar bur os com plej os en el pet r óleo y en el alquit r án de hulla a elev adas t em per at uras. El quím ico alem án Fr iedr ich Kar l Rudolf Ber gius ( 1884- 1949) ut ilizó los hallazgos de I pat ieff par a idear en 1912 m ét odos pr áct icos par a el t r at am ient o del car bón y de los aceit es pesados con hidr ógeno, con vist as a fabr icar gasolina. Per o las ex ist encias m undiales t ot ales de com bust ibles fósiles ( car bón y pet róleo) es lim it ada y, en m uchos aspect os, ir r em plazable. Según los est udios llev ados a cabo hast a el pr esent e, el agot am ient o t ot al de las r eser vas se pr ev é para un día que se est im a no dem asiado lej ano. Aunque el siglo xx se halla a cubier t o de est e r iesgo, hay r azones par a suponer que ello afect ar á al pr óxim o siglo sobr e t odo a la v ist a de la r ápida ex pansión de la especie hum ana y el consiguient e incr em ent o de la dem anda. Ca pít u lo 1 1 Qu ím ica inor gá nica Cont enido: 1. La nueva m et alurgia 2. Nit rógeno y flúor 3. La fr ont er a ent r e lo or gánico y lo inor gánico 1 . La n ue va m e t a lu r gia Si el siglo XI X, sobr e t odo su segunda m it ad, par ece fundam ent alm ent e la er a de la quím ica or gánica, la quím ica inorgánica estaba lej os de haber se det enido. Ya m encionam os la fot ografía com o una im por tant e aplicación de la quím ica inor gánica en el siglo XI X, per o en lo que se r efier e a su im por t ancia para la econom ía o el bienest ar de la sociedad debe consider ar se, desde luego, com o una cont r ibución secundaria. Ot ra de est as pequeñas cont ribuciones, que norm alm ent e se pasan por alt o, per o que poseen no obstant e su im por tancia, fue un avance en la t écnica de hacer fuego. A lo lar go de la hist or ia, la hum anidad había encendido fuego fr iccionando obj et os com o la m ader a, que t enía que calent ar se a alt as t em per at ur as par a poder arder , o haciendo salt ar chispas que dur aban sólo un inst ant e, lo que se logr aba con peder nal y hier r o. Per o con el t iem po el hom br e em pezó a ex per im ent ar con product os quím icos que ardían a baj as t em perat uras, lo que podía conseguir se con una liger a fr icción. En 1827, el inv ent or inglés John Walk er ( 1781- 1859) ideó la pr im er a cer illa de fósfor o pr áct ica. Aunque después de un siglo y m edio ha ex per im ent ado m uchas m ej or as, el pr incipio sigue siendo el m ism o. La fot ogr afía y la cer illa de fósfor o son sólo dos ej em plos de ent r e los num er osos av ances práct icos conseguidos en quím ica inor gánica, que m er ecer ían algo m ás que una sim ple m ención en una hist or ia ex t ensa y det allada, pero en est e br ev e t r abaj o no hay m ás r em edio que cent rar nos en los t em as m ás am plios. El pr ogr eso m ás espect acular en la quím ica aplicada del siglo XI X se oper ó en los m etales, ent r e los cuales el acer o er a, y cont inúa siendo, el m ás im por tant e par a nuest ra econom ía. El pet r óleo es el alim ent o y com bust ible de nuest r a sociedad, per o el acer o, en sus dist int as for m as, const it uye su esquelet o. Aunque, com o hem os vist o, el t r abaj o del acer o era cor r ient e hace y a tr escient os años, hasta m ediados del siglo XI X no se ideó una t écnica para pr oducir lo económ icam ent e y en las inm ensas cant idades necesar ias par a cubr ir las necesidades de la sociedad m oder na. El nom br e que sobr esale aquí es el de Henr y Bessem er ( 1813- 1898) . Bessem er , un m et alúr gico inglés, est aba intent ando diseñar un pr oyect il de ar tiller ía que gir ase sobr e su ej e dur ant e el v uelo y se desplazase según una t r ayect or ia pr edecible con ex act it ud. Para ello necesit aba un cañón est r iado, es decir , con sur cos espirales t allados en el ánim a del cañón desde el por t illo hast a la boca. El cañón t enía que est ar hecho de acer o especialm ent e fuer t e, que sopor t ase las alt as pr esiones necesar ias par a for zar el proyect il cont r a las m uescas espir ales, im pr im iéndole así una r apidísim a r ot ación. Los cañones ordinar ios no est r iados, com o los que se usaban ent onces, podían const r uir se con un m at er ial m ás débil, y por otr o lado el acer o r esult aba bast ant e car o. Así, pues, a m enos que se invent ase alguna solución, el cañón est r iado de Bessem er no er a dem asiado pr áct ico. El hier r o, t al com o se pr oducía, er a hier r o fundido, r ico en carbono (pr ocedent e del coque o del car bón m iner al ut ilizados para fundir la m ena) . El hier r o fundido era m uy dur o, pero quebr adizo. El car bono podía elim inar se, con esfuer zo, para form ar hier r o dulce, que er a r esist ent e, per o algo blando. Luego se v olv ía a int r oducir la cant idad de carbono necesar ia par a for m ar acer o, que er a t an r esist ent e com o dur o. Bessem er buscaba un m ét odo de obt ener hier r o con la cant idad exacta de car bono para for m ar acer o, sin pasar por la cost osa etapa de hier ro dulce. Para elim inar el ex ceso de car bono en el hier r o fundido, hizo pasar una cor r ient e de air e a tr av és del m et al líquido. Est e air e no enfr iaba y solidificaba el m et al, sino que, por el cont r ar io, el calor de com binación del car bono con el ox ígeno aum ent aba la t em perat ur a. I nt er r um piendo la corr ient e de aire en el m om ent o pr eciso, Bessem er logr ó obt ener acer o. En 1856 dio a conocer su alt o hor no. Al pr incipio, los int ent os de r epet ir su t r abaj o fr acasaron, debido a que su m ét odo r equer ía el uso de una m ena libr e de fósfor o. Com pr endido est o, las cosas fuer on com o la seda, el acer o se abarat ó, y la Edad del Hier r o dio finalm ent e paso a la Edad del Acer o. ( Post er ior m ent e se int r oduj er on t écnicas super ior es a la de Bessem er en el pr oceso de pr oducción del acer o.) La dur eza y t enacidad del acer o ha posibilit ado la constr ucción de los m oder nos r ascacielos y puent es colgant es; fue el acer o el que per m it ió acor azar bar cos de guer ra y pr opor cionó m onst r uosas piezas de ar t iller ía, y es acer o sobr e lo que corren los t renes. Figura 19. El conver t idor de Bessem er r evolucionó la producción de acer o. Est e m odelo est á en exhibición en Pit t sbur g; a la der echa, Henr y Bessem er, cr eador del pr oceso Bessem er . Per o la fabr icación de aceros no se det uv o en la com binación de car bono y hier r o. El m et alúr gico inglés Rober t Abbot Hadfield ( 1858- 1940) est udió las pr opiedades del acer o a m edida que le iba añadiendo m et ales en difer ent es cantidades. La adición de m anganeso par ecía v olv er quebr adizo el acer o, per o Hadfield añadió m ás cant idad de la que habían pr obado hasta ent onces los m et alúrgicos. A par t ir del m om ent o en que el acer o t enía un 12 por 100 de m anganeso perdía ese car áct er quebradizo. Calent ándolo a 1.000° C y t em plándolo en agua a cont inuación se v olv ía m ucho m ás duro que el acer o or dinar io. Hadfield pat ent ó su acer o al m anganeso en 1882, m om ent o que m ar ca el com ienzo del t r iunfo del acer o de aleación. Ot r os m et ales cuy a adición al acer o dier on buenos r esult ados fuer on el cr om o, el m olibdeno, el v anadio, el t ungst eno y el niobio, obt eniéndose v ar iedades de acer o de aleación adecuadas a fines específicos. En 1919 el invent or am er icano Elw oor Haynes ( 1857- 1925) pat ent ó el acero inoxidable, que cont enía cr om o y níquel. En 1916 el m et alúr gico j aponés Kot ar o Honda ( 1870- 1954) vio que añadiendo cobalt o al acer o al t ungst eno se pr oducía una aleación capaz de for m ar un im án m ás pot ent e que el acer o ordinar io. Est e descubr im ient o abr ió el cam ino a la obt ención de aleaciones m agnét icas m ás pot ent es t odav ía. Sim ult áneam ent e ent rar on en uso nuevos m et ales. El alum inio, por ej em plo, es m ás abundant e en el suelo t err est re que el hier ro, y de hecho es el m et al m ás com ún. Sin em bargo, se encuent r a siem pr e com binado en for m a de com puest os. Mient r as que el hier r o ha sido conocido y pr epar ado a par t ir de sus m enas desde los t iem pos pr ehist ór icos, el alum inio ni siquiera fue reconocido com o m et al hast a que Wóhler aisló una m uest r a im pur a en 1827. Fue en 1855, gr acias al quím ico francés Henr y Et ienne Saint e- Claire Deville ( 181881) , cuando se elabor ó un m ét odo adecuado para pr epar ar alum inio m ás o m enos pur o en cant idades m oderadas. Per o incluso ent onces siguió siendo m ucho m ás car o que el acer o, de m odo que se ut ilizaba sólo par a ador nos com o el sonaj er o del hij o de Napoleón I I I o la corona del m onum ent o a Washingt on. En 1886, sin em bar go, el j oven est udiant e de quím ica am er icano Char les Mar t in Hall ( 1863- 1914) , oyendo a su pr ofesor decir que quien descubr iese un m edio bar at o de fabr icar alum inio se har ía r ico y fam oso, decidió em pr ender la t ar ea. Trabaj ando en el labor at or io de su casa, descubr ió que el óxido de alum inio podía disolv er se en un m iner al fundido llam ado criolit a. Una vez que el óxido est aba en solución, la elect r ólisis pr oducía el pr opio alum inio. En el m ism o año, el m et alúr gico fr ancés Paul Louis Toussaint Hér oult ( 1863- 1914) ideó en esencia el m ism o m ét odo para pr oducir el m et al. El m ét odo de Hall- Hér oult abarat ó el alum inio y lo puso al alcance de los usos m ás vulgares, com o son las cacerolas de cocina. El m áx im o valor del alum inio r eside en su liger eza ( un t er cio del peso del acer o) . Est a dualidad lo hace especialm ent e indicado par a la indust r ia de la av iación, que dev or a t am bién cant idades de m agnesio, un m et al aún m ás liger o. En la década de los t r eint a se idear on m ét odos par a ext raer m agnesio de las sales disuelt as en el océano proporcionándonos a part ir de ent onces una fuent e práct icam ent e inagot able de est e m et al. ( El br om o y el y odo - por no hablar ya de la pr opia sal- se ex t r aen hoy día t am bién del agua. Un pr oblem a de cr ecient e im por t ancia par a el fut ur o es el de ex t r aer agua pot able del océano.) Los m et ales com o el t it anio const it uy en t am bién una prom esa. El t it anio es un m et al com ún, alt am ent e resist ent e a los ácidos, de ligereza int erm edia ent re el alum inio y el acer o y, si se pr epar a cor r ectam ent e, el m ás fuer t e de los m et ales, en r elación con su peso. El circonio es sem ej ant e, pero abunda m enos y es m ás pesado. Las per spect iv as para el fut ur o del t it anio son par t icular m ent e br illant es en lo que se refiere a los aviones supersónicos que se diseñan y const ruyen hoy día. I ncluso v olando por las capas m ás alt as de la at m ósfera, un av ión que se m ueva a v elocidades equiv alent es a var ias veces la del sonido, ex per im ent a una fr icción br ut al por par t e del air e. Su super ficie ext er na debe sopor tar alt as t em perat ur as, y es aquí donde est á indicado especialm ent e el t it anio, ya que en dichas condiciones m ant iene su r esist encia m ej or que los dem ás m et ales. 2 . N it róge no y flúor Si bien es cier t o que el nit r ógeno nos r odea por t odas par t es en la atm ósfer a, allí est á pr esent e en for m a de elem ent o, cuando para la m ay or ía de los or ganism os sólo es út il en for m a de com puest os. Per o ocur r e que el nit r ógeno es casi iner t e y difícilm ent e r eacciona par a for m ar com puest os. Así pues, a pesar de la om nipr esencia del air e, el suelo es con fr ecuencia pobr e en nit r at os ( el t ipo de com puest o de nit r ógeno m ás cor r ient e) y ést os deben aplicar se en for m a de abonos anim ales o fert ilizant es quím icos. Los nit rat os son t am bién com ponent es de la pólv or a, y se ut ilizan indir ect am ent e en la form ación de los m ás m oder nos explosiv os, com o la nit r ocelulosa y la nit r oglicer ina. Las r eser vas de nit r at os de la t ier r a se m ant ienen gr acias a la act iv idad de las t or m ent as. El nit r ógeno y el ox ígeno del air e se com binan en la pr oxim idad de las chispas eléct ricas para form ar com puest os. Est os com puest os se disuelven en las got as de lluvia y son t r anspor t ados a t ier r a. Por ot r o lado, cier t os t ipos de bact er ias ut ilizan el nit r ógeno elem ent al del air e par a pr oducir com puest os nit r ogenados. Per o a m edida que aum ent ar on las necesidades hum anas de nit r at os, tant o par a fert ilizant es com o para explosivos, fue cada vez m ás difícil depender exclusivam ent e de las fuent es natur ales. El quím ico alem án Fr it z Haber ( 1868- 1934) invest igó m ét odos par a com binar el nit r ógeno at m osfér ico con el hidr ógeno par a form ar am oniaco, que luego podía conv er t ir se fácilm ent e en nit r at os. En 1908 Haber consiguió su pr opósit o, som et iendo nit r ógeno e hidr ógeno a alt as pr esiones y ut ilizando hier r o com o cat alizador. Dur ant e la Pr im er a Guer ra Mundial, el bloqueo de la flot a br it ánica cor t ó a Alem ania el sum inist ro de nit rat o nat ur al pr ocedent e del desiert o de Chile ( la m ej or fuent e nat ur al) . Per o para ent onces el quím ico alem án Kar l Bosch ( 1874- 1940) había conseguido t ransform ar el proceso de Haber de una exper im ent ación de laborat or io en una oper ación industr ial, y hacia la m it ad de la guer ra est aba produciendo ya t odos los com puest os nit r ogenados que Alem ania necesit aba. Exact am ent e opuest o er a el caso del flúor : debido a su gran act iv idad, ex ist e sólo en for m a de com puest os, desafiando así en aquella época los esfuer zos de los quím icos par a pasar lo a su for m a libr e. Sin em bar go, desde la época de Lavoisier , los quím icos est aban seguros de que el elem ent o ex ist ía; t ant o es así, que New lands y Mendeleiev lo incluy er on en sus t ablas per iódicas ( figur as 13 y 16) , aunque ningún hom br e lo había v ist o siquier a. Cier t am ent e, la elect r ólisis separ aba el flúor de sus diver sos com puest os m olecular es, per o tan pront o com o el gas se hallaba en for m a de elem ent o, r eaccionaba con la sust ancia m ás cer cana, form ando de nuevo par t e de un com puest o. ( El flúor es el m ás act ivo de t odos los elem ent os quím icos.) Después de Dav y, m uchos fuer on los quím icos que abor dar on el pr oblem a en el siglo xix . El éx it o le est aba r eser vado al quím ico fr ancés Fer dinand Fr édér ic Henr i Moissan ( 1852- 1907) . Moissan decidió que com o el plat ino er a una de las pocas sust ancias que podía r esist ir al flúor , no había ot r a solución que pr epar ar t odo el equipo de plat ino, sin r epar ar en gast os. Y lo que es m ás, enfr ió t odo a - 50° C, par a am or t iguar la gr an r eact iv idad del flúor . En 1886 hizo pasar una corr ient e eléct r ica a t r avés de una solución de fluor ur o pot ásico en ácido fluor hídr ico, en su equipo de plat ino, y consiguió su pr opósit o. Al fin se había aislado el flúor , un gas am ar illo pálido. Aunque er a una gran hazaña, Moissan se hizo m ás fam oso t odav ía por ot ra conquist a que en r ealidad no er a tal. El carbón y el diam ant e son am bos form as de car bono, y se difer encian en que los át om os de carbono en el diam ant e est án unidos de for m a m uy com pacta. Se deduce de ello que si se ej er ce una gr an pr esión sobr e el car bón, los át om os podr án disponer se de for m a m ás com pacta par a form ar diam ant e. Moissan t rat ó de conseguir lo disolv iendo car bón en hier r o fundido y dej ando que el car bón cr ist alizase a m edida que el hier r o se enfr iaba. En 1893 le par eció que había tr iunfado. Obt uvo var ios diam ant es m inúsculos e im pur os j unt o con un pedazo de diam ant e aut ént ico, de m edio m ilím et ro de longit ud aproxim adam ent e. Sin em bargo, es posible que Moissan fuese v íct im a de un engaño, y que algún ayudant e int roduj ese el diam ant e en el hierr o. Act ualm ent e sabem os, par t iendo de consideraciones t eór icas, que en las condiciones en que oper ó Moissan er a im posible for m ar diam ant es. Un invent or am ericano, Edward Goodr ich Acheson ( 1856- 1931) , int ent ó t am bién la for m ación de diam ant e a par t ir de for m as m ás or dinar ias de carbono. Fr acasó, pero en el pr oceso, m ient r as calent aba int ensam ent e carbón en pr esencia de ar cilla, obt uvo una sustancia ext r em adam ent e dur a que denom inó car bor undum . Result ó ser carbur o de sílice ( un com puest o de silicio y carbono) y const it uía un excelent e abrasiv o. Para form ar diam ant es t enían que ut ilizar se pr esiones m ás alt as que las disponibles en el siglo x ix , j unt o con alt as t em per at ur as que posibilit asen el cam bio de posición de los át om os con r azonable facilidad. El físico am er icano Per cy William Br idgm an ( 1882- 1961) invirt ió m edio siglo, desde 1905, en idear un equipo capaz de conseguir pr esiones cada vez m ás alt as. Diversos elem ent os y com puest os adquir ían nuev as for m as, en la que los átom os y las m oléculas se or ganizaban en disposiciones anor m alm ent e com pact as. Se obt uvier on así, por ej em plo, var iedades de hielo m ucho m ás densas que el agua y con un punt o de fusión m ás alt o que el punt o de ebullición del agua a pr esiones or dinar ias 29 . En 1955, ut ilizando las t écnicas de Br igm an, se produj eron v er dader os diam ant es sint ét icos. 29 Tales for m as de alt a presión rev iert en por lo general a las form as ordinarias t an pront o com o se aligera l a presión. El diam ant e es una ex cepción . 3 . La front e ra e n t re lo or gá n ico y lo in or gá n ico Con la llegada del siglo XX com enzó a r ev elar se una ext ensa zona en la fr ont er a ent r e la quím ica or gánica y la quím ica inor gánica. El quím ico inglés Fr eder ick St anley Kipping ( 1863- 1949) em pezó a invest igar en 1899 sobr e los com puest os orgánicos que cont enían el elem ent o silicio, que, j unt o con el oxígeno, es el elem ent o m ás com ún en la cort eza t errest re. Durant e un per íodo de cuar enta años consiguió sint et izar un gr an núm er o de com puest os orgánicos que cont enían uno o var ios de est os át om os, t an caract eríst icos del m undo inorgánico. De hecho, era posible obt ener cadenas infinit am ent e lar gas for m adas por át om os de silicio y oxígeno alt er nat iv am ent e. Est e t r abaj o podr ía catalogar se en pr incipio com o pur am ent e inor gánico, per o lo cier t o es que cada átom o de silicio t iene cuat r o valencias, de las que sólo dos se ut ilizan par a com binar se con el oxígeno. Las ot ras dos pueden enlazar se a cualquier a de los difer ent es gr upos orgánicos. En la Segunda Guerr a Mundial y a par t ir de ella, t ales siliconas or gánico- inor gánicas alcanzar on im por t ancia com o lubricant es, fluidos hidr áulicos, cauchos sint ét icos, product os hidrófugos, et c. Los com puest os orgánicos or dinar ios est án for m ados por át om os de carbono a los que se encuent r an unidos otr os át om os. En gener al, la m ay or ía de esos «otr os át om os» son hidr ógeno, de m odo que los com puest os orgánicos pueden definir se com o hidr ocarbur os y der iv ados. El át om o de flúor , sin em bargo, es casi t an pequeño com o el át om o de hidr ógeno, y cabr á en cualquier par t e donde quepa ést e. Er a de esper ar , pues, que ex ist iese una fam ilia com plet a de fluor ocar bur os y der iv ados. Uno de los pr im eros invest igador es de los com puest os fluor o- or gánicos fue el quím ico am er icano Thom as Midgley , Jr . ( 1889- 1944) . En 1930 pr epar ó el fr eón con una m olécula que consist ía en un átom o de car bono al que estaban unidos dos át om os de clor o y dos átom os de flúor . Se licua fácilm ent e, de m odo que puede usar se com o un r efr iger ant e en lugar de los ot r os gases fácilm ent e licuables, com o el am oniaco y el dióx ido de azufr e. A difer encia de ellos, el fr eón es inodor o y at óx ico, y adem ás com plet am ent e ininflam able. Act ualm ent e se usa casi de m odo univ er sal en los r efr iger ador es dom ést icos y en los acondicionador es de air e. Dur ant e la Segunda Guerr a Mundial, el flúor y los com puest os fluorados se ut ilizar on en r elación con los t r abaj os sobr e el ur anio y la bom ba at óm ica. Se necesit aban lubr icant es que no fuesen atacados por el flúor y con est e pr opósit o se ut ilizar on fluor ocar buros, ya que ést os habían sopor t ado ya ( por así decir lo) un at aque m áx im o por par t e del flúor . El flúor for m a con el car bono un enlace m uy r esist ent e, y las cadenas de fluor ocarbur o son m ás estables y m ás iner tes que las cadenas de hidr ocarburos. Los polím er os de fluor ocarburo son sust ancias cer osas, hidr ófugas, r epelent es de los disolvent es y eléct ricam ent e aislant es. El t eflón, un fluorocarburo plást ico, com enzó a ut ilizar se en los años sesent a com o r ecubr im ient o de sar t enes, con lo que no se necesit a gr asa par a fr eír en ellas. La com plej idad inor gánica no pr ecisa en absolut o del át om o de carbono, en cier t os casos. El quím ico alem án Alfr ed St ock ( 1876- 1946) com enzó a est udiar los hidr ur os de bor o ( com puest os de bor o e hidrógeno) en 1909 y halló que podían for m ar se com puest os ex t raordinar iam ent e com plicados, análogos en algunos sent idos a los hidr ocar buros. Desde la Segunda Guer ra Mundial los hidr uros de bor o han alcanzado un uso inesper ado com o adit iv os del com bust ible de los cohet es, a fin de incr em ent ar el em puj e que pr oyect a la nave hacia las capas super ior es de la at m ósfer a y al espacio ex t er ior . Adem ás, los hidr ur os de bor o r esult ar on ser de int er és t eór ico, debido a que las fór m ulas or dinar ias del pr im er t ipo ideado por Kek ulé se m ost r ar on inadecuadas par a ex plicar su est r uct ur a. Pero t odos est os éxit os, aunque conseguidos cost osa e ingeniosam ent e, así y esenciales par a la v ida m oder na, eran ext r años a los asunt os m ás ser ios de la quím ica del siglo XX. El cient ífico pur o se hallaba exper im ent ando baj o la super ficie del át om o, y para ver lo que encont r ó allí v olver em os en el r est o del libr o a la línea de desarr ollo fundam ent al de nuest r o r elat o. Ca pít u lo 1 2 Ele ct ron e s Cont enido: 1. Rayos catódicos 2. El efect o fot oeléct r ico 3. Radiactividad 1 . Ra y os ca tódicos Cuando Leucipo y su discípulo Dem ócr it o pr opusier on por vez pr im era la noción de át om o lo concibier on com o la par t ícula últ im a e indiv isible de la m at er ia. Dalt on, unos dos m il años después, m ant uvo esa opinión. Parecía necesar io suponer que, por definición, el át om o no t enía est r uct ura int er na. Si el át om o podía div idir se en ent idades aún m enor es, ¿no serían ent onces dichas ent idades m enores los v er dader os át om os? A t r avés del siglo xix per sist ió est a concepción del át om o com o par t ícula car ent e de fisonom ía, car ent e de est ruct ura e indivisible. Cuando est a t eor ía se vino finalm ent e abaj o, fue com o consecuencia de una línea de ex per im ent ación que no er a en absolut o de nat uraleza quím ica. Muy al cont r ar io, sucedió m ediant e est udios de la cor r ient e eléct r ica. Si en un lugar exist e una concent ración de car ga eléct rica posit iva, y en ot ro una concent r ación de carga eléct r ica negat iv a, ent r e los dos se est ablece un pot encial eléct r ico. Baj o la fuer za im pulsora de est e pot encial eléct r ico, fluye una cor r ient e eléct r ica desde un punt o al ot r o, t endiendo est a cor r ient e a igualar la concent ración. La cor r ient e fluye m ás fácilm ent e a t r av és de unos m at er iales que de ot r os. Los m et ales, por ej em plo, son conduct ores, y bast a incluso con un pequeño pot encial eléct r ico par a or iginar una corr ient e a t r avés de ellos. Las sust ancias com o el v idr io, la m ica y el azufr e son no- conduct or es o aislant es, y se pr ecisan pot enciales eléct r icos enor m es par a im pulsar a tr av és de ellas aun las cor r ient es m ás pequeñas. No obstant e, part iendo de un pot encial eléct rico suficient e, puede cr earse una cor r ient e a t r avés de cualquier m at er ial, sólido, líquido o gaseoso. Algunos líquidos ( una solución salina, por ej em plo) conducen corrient es eléct ricas con bast ant e facilidad, com o ya sabían, de hecho, los pr im er os ex per im ent ador es. Un ray o t am bién represent a una corrient e eléct rica que se t raslada casi inst ant áneam ent e a t r avés de m illas de air e. A los ex per im ent ador es del siglo xix les par ecía r azonable avanzar un paso m ás e int ent ar conducir una corr ient e eléct r ica a t r avés del v acío. Sin em bar go, para obt ener r esult ados significat iv os, se pr ecisaba un vacío lo bast ant e per fect o com o para per m it ir que la cor r ient e cr uzase ( si es que lo hacía) sin int er fer encias significat iv as por par t e de la m at er ia. Los int ent os de Far aday para dir igir elect r icidad a t rav és del v acío fr acasar on por falt a de un v acío suficient em ent e per fect o. Per o en 1855, un soplador de v idr io alem án, Heinr ich Geissler ( 1814- 79) , ideó un m ét odo par a pr oducir v acíos m ás alt os que los que se habían obt enido hast a ent onces. Pr epar ó r ecipient es de v idr io, haciendo el vacío en ellos. Un am igo suyo, el físico alem án Julius Plücker ( 1801- 68) ut ilizó est os t ubos de Geissler en sus experim ent os eléct ricos. Plücker int roduj o dos elect rodos en t ales t ubos, est ableció un pot encial eléct rico ent r e ellos, y consiguió hacer pasar una corr ient e a t r avés de los t ubos. La corr ient e pr oducía efect os lum iniscent es dent r o del t ubo, y dichos efectos var iaban pr ecisam ent e de acuer do con el grado de v acío. Si el v acío er a m uy alt o, la lum iniscencia desapar ecía, per o el v idr io del t ubo despedía una luz v er de alr ededor del ánodo. El físico inglés William Cr ookes ( 1832- 1919) ideó en 1875 un t ubo con un vacío m ás per fect o ( un t ubo de Cr ookes) , que per m it ía est udiar con m ay or facilidad el paso de la cor rient e eléct r ica a t r av és del v acío. Par ecía bast ant e clar o que la corr ient e eléct r ica se originaba en el cát odo y v iaj aba hast a el ánodo, donde chocaba con el v idr io que est aba j unt o a él y pr oducía lum iniscencia. Cr ookes dem ostr ó est o colocando un t rozo de m et al en el t ubo, y m ostr ando que proyect aba una som br a sobr e el v idr io en el lado opuest o al cát odo 30 . Sin em bargo, en aquella época los físicos no sabían en qué podr ía consist ir la cor r ient e eléct r ica, ni podían decir con segur idad qué er a lo que se est aba m oviendo 30 Los experim ent adores en elect ricidad de los siglos XVI I I y XI X, em pezando por Benj am ín Frank lin, supusier on que la corrien t e fluía desde la concent ración llam ada arbit rariam ent e posit iva hacia la llam ada negat iv a. Cr ook es dem ost ró ahor a que, en realidad, la suposición est aba equivocada y el fluj o iba desde la negat iv a a la posit iva. desde el cát odo al ánodo. Fuese lo que fuese, viaj aba en línea r ect a ( puest o que ar roj aba som br as nít idas) , de m odo que, sin com prom et er se par a nada acer ca de su nat ur aleza, podían hablar de una «r adiación». En r ealidad, en 1876, el físico alem án Eugen Goldst ein ( 1850- 1930) llam ó al fluj o r ayos cat ódicos. Par ecía nat ur al suponer que los r ayos cat ódicos podían ser una for m a de luz, y est ar for m ados por ondas. Las ondas viaj aban en línea r ect a, com o la luz, y , lo m ism o que ést a, no par ecían afect adas por la gr av edad. Por otr a par t e, podía igualm ent e infer ir se que los r ayos cat ódicos consist ían en par t ículas veloces, que, al ser t an liger as o m ov er se t an r ápidam ent e ( o am bas cosas a la v ez) , no eran en absolut o afect adas por la gr av edad o lo er an en cant idad inapr eciable. El asunt o fue m ot iv o de consider able cont r ov er sia durant e algunas décadas, est ando los físicos alem anes fuer t em ent e inclinados hacia la concepción ondulat or ia, y los físicos ingleses hacia la cor puscular . Un m odo de decidir ent r e las dos alt er nat iv as ser ía av er iguar si los r ayos cat ódicos er an desviados por la acción de un im án. Las par t ículas podían ser m agnét icas, o podían llev ar una car ga eléct r ica, y en cualquier caso ser ían m ucho m ás fácilm ent e desviadas por un cam po que si fuesen ondas. El m ism o Plück er había m ost r ado que est e efect o ex ist ía, y Cr ookes había hecho lo pr opio independient em ent e. Sin em bar go, t odav ía quedaba una cuest ión. Si los r ay os cat ódicos estaban form ados por par t ículas car gadas, un cam po eléct r ico podr ía desv iar las, aunque al pr incipio no se det ect ó est e efect o. En 1897, el físico inglés Joseph John Thom son ( 1856- 1940) , t r abaj ando con t ubos de alt o v acío, logr ó finalm ent e dem ostr ar la deflex ión de los r ayos cat ódicos en un cam po eléct r ico ( ver fig. 20) . Ese fue el eslabón final en la cadena de pr uebas, y a par t ir de ent onces hubo que aceptar que los r ayos cat ódicos eran cor r ient es de par t ículas que t ranspor t aban una car ga eléct r ica negat iv a. La m agnit ud de la desviación de una par t ícula de ray os cat ódicos en un cam po m agnét ico de fuer za dada v iene det er m inada por su m asa y por el t am año de su car ga eléct r ica. Thom son logró t am bién m edir el cocient e ent r e la m asa y la carga, si bien no pudo m edir cada una por separado. La m asa m ás pequeña conocida er a la del át om o de hidr ógeno, y si las par t ículas de los r ayos cat ódicos se suponían de esa m ism a m asa, deber ían t r anspor tar una car ga eléct r ica cient os de v eces m ayor que la m enor car ga conocida ( la del ion hidr ógeno) . Si, por otr a par t e, se suponía que las par t ículas de los r ayos cat ódicos t enían la m enor car ga obser vada en los iones, ent onces su m asa deber ía ser sólo una pequeña fr acción de la del át om o de hidr ógeno. Una de est as dos alt er nat iv as deber ía de cum plir se necesar iam ent e, según la det er m inación de Thom son de la r elación m asa/ carga. Figura 20. El t ubo de r ayos cat ódicos per m itió a Thom son m edir la desviación de los haces elect rónicos en cam pos eléct ricos de int ensidad conocida. El haz pasaba ent r e las placas, cuyo cam po desviaba a los elect r ones, desplazando sus punt os de choque a lo lar go de la escala. Había buenas razones par a pr efer ir la últ im a alt er nat iv a y suponer que las par t ículas de los r ayos cat ódicos eran m ucho m enor es que cualquier át om o. Hacia 1911 quedó est o definit iv am ent e pr obado por el físico am er icano Rober t Andr ew s Millik an ( 18681953) , que m idió con bast ant e ex act it ud la m ínim a car ga eléct r ica que podía t r anspor t ar una par t ícula. Si est a car ga era t r anspor t ada por una part ícula de r ayos cat ódicos, su m asa ser ía solam ent e 1/ 1837 de la del hidr ógeno. En consecuencia, se t r ataba de la pr im era par t ícula subat óm ica descubier t a. Desde la época de las ley es de Far aday sobr e la elect r ólisis se había pensado que la elect r icidad podía ser t ranspor t ada por par tículas. En 1891, el físico ir landés Geor ge Johnst one St oney ( 1826- 1911) había incluso suger ido un nom bre para la unidad fundam ent al de elect r icidad, fuese o no una par t ícula. Sugir ió el nom br e de elect rón. Ahor a apar ecía, por fin, en for m a de par tícula de r ayos cat ódicos, el «át om o de elect r icidad», acer ca del cual habían especulado los hom br es a lo lar go de m edio siglo. Esas par t ículas acabar on llam ándose elect r ones, com o St oney había suger ido, y J. T. Thom son se consider a, por t ant o, com o el descubr idor del elect r ón. 2 . El e fe ct o fot oe lé ct rico Quedaba ahor a por det er m inar si ex ist ía alguna r elación ent r e el elect r ón y el át om o. El elect r ón podía ser la par t ícula de elect r icidad, y el át om o la par t ícula de m at er ia; y am bas podían car ecer , quizá, de est r uct ur a, ser par t ículas esenciales, com plet am ent e independient es la una de la ot r a. Pero est aba bast ant e claro que la independencia acaso fuese t ot al. Arrhenius, en los años 1880- 89, había pr opuest o su t eor ía de la disociación iónica y había ex plicado el com por t am ient o de los iones suponiendo que er an át om os o gr upos de át om os car gados eléct r icam ent e. En aquel m om ent o, la m ay or ía de los quím icos t achar on la idea de absurda, per o ahora las cosas er an dist int as. I m aginem os un elect rón ligado a un átom o de cloro. Tendríam os ent onces un át om o de clor o por tador de una sola carga negat iv a, lo que const it uir ía el ion clor ur o. Si dos elect r ones se uniesen a un gr upo at óm ico com puest o de un át om o de azufr e y cuat r o át om os de oxígeno, el r esult ado ser ía un ion sulfat o doblem ent e car gado, y así sucesivam ent e. De est e m odo se podr ían explicar fácilm ent e t odos los iones car gados negat iv am ent e. Per o ¿cóm o ex plicar los iones cargados posit iv am ent e? El ion sodio, por ej em plo, er a un át om o de sodio por t ador de una car ga posit iv a. Por aquel ent onces no se conocía ninguna par t ícula car gada posit iv am ent e que se par eciese al elect r ón, de m odo que no se podía ut ilizar el r ecur so de suponer que los át om os se unir ían a t ales par t ículas de carga posit iv a. Ot r a posibilidad er a que la car ga posit iv a se cr eara quit ándole uno o dos elect r ones al át om o: ¡elect r ones que habían ex ist ido com o par t e del m ism o átom o! Est a r ev olucionar ia posibilidad er a t ant o m ás plausible debido a un fenóm eno obser v ado por pr im er a v ez en 1888 por el físico alem án Heinr ich Rudolf Her t z ( 1857- 1894) , en el cur so de unos ex per im ent os en los que descubr ió las ondas de r adio. Mient r as enviaba una chispa eléct r ica a t r avés de un espacio de air e de un elect r odo a ot r o, Her t z halló que cuando en el cát odo incidía una luz ult r av iolet a, la chispa salt aba m ás fácilm ent e. Est o, j unt o con ot ros fenóm enos eléct ricos pr ovocados por la incidencia de la luz sobr e el m et al, se denom inó post er iorm ent e efect o fot oeléct rico. En 1902, el físico alem án Philipp Eduard Ant ón Lenard ( 1862- 1947) , que en sus pr im er os años había t r abaj ado de ay udant e en el labor at or io de Her t z, dem ost r ó que el efect o fot oeléct r ico se pr oducía por la em isión de elect r ones por par t e del m et al. Eran m uchos los m etales que exhibían efect os fot oeléct ricos; t odos ellos em it ían elect r ones baj o el im pact o de la luz, incluso cuando no ex ist ía cor r ient e eléct r ica o car ga eléct r ica en las pr oxim idades. En consecuencia, par ecía r azonable suponer que los át om os m et álicos ( y probablem ent e todos los át om os) cont enían elect rones. Per o los át om os en su est ado norm al no poseían carga eléct r ica. Si cont enían elect rones cargados negat ivam ent e, debían cont ener t am bién una carga posit iva que lo cont r arr est ase. Lenard pensó que los át om os podían consist ir en agr upaciones t ant o de par t ículas posit iv as com o negat iv as, iguales en t odos los aspect os salv o en la car ga. Esta posibilidad, sin em bargo, par ecía bast ant e im pr obable, ya que de ser así ¿por qué no em it ía nunca el át om o par t ículas de car ga posit iv a? ¿Por qué er an siem pr e elect r ones y solam ent e elect r ones? J. J. Thom son sugir ió ent onces que el átom o er a una esfer a sólida de m at er ial car gado posit iv am ent e, con elect r ones cargados negat iv am ent e incr ust ados en ella, com o las pasas de una t ar t a. En el át om o ordinar io, la car ga negat iv a de los elect r ones neut r alizaba ex act am ent e a la car ga posit iv a del pr opio át om o. La adición de nuev os elect r ones pr opor cionaba al át om o una car ga negat iv a, m ient r as que la pér dida de algunos de los elect r ones or iginar ios le pr opor cionaba una car ga posit iv a. Sin em bargo, el concept o de un át om o sólido, car gado posit iv am ent e, no logr ó pr ev alecer . Mient r as que las par t ículas con carga posit iv a y ex act am ent e com parables a un elect r ón siguier on siendo desconocidas en las pr im er as décadas del siglo XX, se descubr ier on otr os t ipos de par t ículas posit iv as. En 1886, Goldst ein ( que había dado su nom br e a los r ayos cat ódicos) r ealizó algunos experim ent os con un cát odo perforado en un t ubo en el que había hecho el v acío. Cuando se provocaban r ay os cat ódicos en un sent ido hacia el ánodo, ot r os r ay os se abr ían paso a tr av és de los aguj er os del cát odo, y er an despedidos en el sent ido cont r ar io. Com o est os nuev os r ayos viaj aban en el sent ido cont r ar io al de los r ayos cat ódicos car gados negat iv am ent e, par ecía que debían est ar com puest os por par t ículas car gadas posit iv am ent e. Est a hipót esis se confir m ó al est udiar la form a en la que se desviaban en un cam po m agnét ico. En 1907, J. J. Thom son los llam ó r ayos posit ivos. Los r ay os posit iv os se difer enciaban de los elect r ones en algo m ás que la car ga. Todos los elect r ones t enían la m ism a m asa, pero no así las par t ículas de los r ay os posit iv os, donde la m asa dependía de los gases que est uvier an pr esent es ( en t r azas) en el t ubo de vacío. Adem ás, m ient r as que los elect r ones er an sólo 1/ 1837 de la m asa del át om o m ás liger o, las part ículas de los r ayos posit iv os t enían la m ism a m asa que los át om os. Hasta la m ás liger a par t ícula de los r ayos posit iv os t enía una m asa tan grande com o la del át om o de hidr ógeno. El físico neozelandés Er nest Rut her for d ( 1871- 1937) decidió finalm ent e acept ar el hecho de que la unidad de car ga posit iv a er a una par t ícula bast ant e difer ent e del elect r ón, que er a la unidad de car ga negat iv a. Sugir ió en 1914 que la par t ícula m ás pequeña de los r ayos posit iv os, la que t enía la m asa del át om o de hidr ógeno, fuese acept ada com o la unidad fundam ent al de car ga posit iv a. Sus opiniones se v ier on confir m adas por sus post er ior es ex per im ent os sobr e r eacciones nuclear es en lo que frecuent em ent e vio que obt enía una part ícula idént ica a un núcleo de hidrógeno. En 1920, Rut her for d sugir ió que su par t ícula posit iv a fundam ent al se denom inase prot ón. 3 . Ra dia ct iv ida d Al descubr im ient o de las par t ículas car gadas posit iv am ent e se llegó t am bién a t r avés de una línea de exper im ent ación com plet am ent e difer ent e. El físico alem án Wilhelm Konr ad Roent gen ( 1845- 1923) se hallaba int er esado en la capacidad de los r ay os cat ódicos para pr ov ocar la lum iniscencia de det er m inadas sust ancias quím icas. Con el fin de observ ar la m or t ecina luz que se pr oducía, oscur eció la habit ación y envolvió su t ubo de vacío en una cart ulina negra y fina. Tr abaj ando en 1895 con dicho t ubo obser v ó un dest ello de luz que no pr ovenía de ést e. A bastant e dist ancia del t ubo se hallaba una hoj a de papel cubier t a con un pr oduct o quím ico, que es lo que r esplandecía. Pero sólo r esplandecía cuando est aban act uando los r ayos cat ódicos, y no en ot r o m om ent o. Figura 21. El aparat o de rayos X ut ilizado por Roent gen consist ía en: ( A) bobina induct or a de alt o voltaj e; ( B) papel pint ado con plat ino- cianur o bárico, que r esplandecía al ser alcanzado por los rayos; ( C) t ubo r odeado por una envolt ura cilíndrica de car t ón negr o; ( D) el cát odo, que em it ía elect r ones. Der echa, Wilhelm Konr ad Roent gen Roent gen sacó la conclusión de que cuando los rayos cat ódicos chocaban con el ánodo se cr eaba alguna for m a de radiación que podía pasar a t r avés del v idr io del t ubo y del car t ón que lo r odeaba, y chocar con los m ater iales cir cundant es. En efect o, si t r asladaba el papel t rat ado quím icam ent e a la habit ación de al lado, seguía r esplandeciendo cuando act uaban los r ayos cat ódicos, de m odo que había que deducir que la radiación era capaz de at r avesar las par edes. Roent gen llam ó a est a penet r ant e r adiación r ayos X, denom inación que se ha conser v ado hast a la act ualidad. ( Poster ior m ent e se det er m inó que los r ay os X eran de la m ism a nat ur aleza que las ondas lum inosas, per o m ucho m ás ener gét icas.) ( Véase fig. 21.) El m undo de la física se int er esó en seguida por los r ayos X, y ent r e los que com enzaron a experim ent ar con ellos se encont r aba el físico francés Ant oine Henr i Becquer el ( 1852- 1908) . I nt er esado en la capacidad de algunos pr oduct os quím icos para r esplandecer con una luz car act er íst ica pr opia ( fluor escencia) al ser ex puest os a la luz del sol, se plant eó la pr egunt a de si el r esplandor fluor escent e cont enía o no r ayos X. En 1896, Becquer el envolvió una película fot ográfica en un papel negro y la colocó a la luz del sol, con un cr ist al de cier t o com puest o de ur anio encim a. El cr ist al er a una sust ancia fluorescent e; y si la luz em it ida fuese sim plem ent e luz ordinaria, no pasar ía a t r avés del papel negr o ni afect aría a la película fot ogr áfica. Si ex ist iesen en ella r ay os X, pasar ían a t r avés del papel y oscur ecer ían la película. Becquer el obser v ó que la película se había v elado. Per o descubr ió que aunque el cr ist al no est uviese ex puest o a la luz - no habiendo, pues, fluor escencia- oscur ecía de t odos m odos la película fot ográfica. En r esum en, ¡los cr ist ales em it ían una radiación penet rant e en t odo m om ent o! Mar ie Sk lodow sk a Cur ie ( 1867- 1934) , la pr im er a m uj er cient ífica de r enom br e, dio a est e fenóm eno el nom br e de radiact ividad. Det erm inó que no era t odo el com puest o de ur anio, sino específicam ent e el át om o de ur anio, el que er a r adiact iv o. Tant o si el át om o se hallaba en su for m a de elem ent o, com o si form aba par t e de un com puest o, era radiact iv o. En 1898 descubr ió que el t or io, un m et al pesado, er a t am bién radiact iv o. Madam e Cur ie, polaca de nacim ient o, llev ó a cabo sus invest igaciones con la ay uda de su m ar ido el fr ancés Pier r e Cur ie, físico not able. La r adiación em it ida por el ur anio y el t or io se m anifest ó r ápidam ent e com o de nat ur aleza bast ant e com plej a. Cuando un haz de dicha r adiación se hacía pasar a t r avés de un cam po m agnét ico, par t e se desviaba liger am ent e en un sent ido, par t e se desviaba fuer t em ent e en el sent ido cont r ar io, y par t e r esult aba inafect ada. Rut her for d dio a est os t r es com ponent es de la r adiación los nom br es de ray os alfa, r ay os bet a y ray os gam m a, r espect iv am ent e, t om ados de las tr es pr im er as let r as del alfabet o gr iego. Com o los r ay os gam m a no r esult aban desviados por el cam po m agnét ico, se decidió que er a una r adiación sem ej ante a la luz, com o los r ayos X, pero aún m ás ener gét icos. Los r ayos bet a eran desviados en el m ism o sent ido y en la m ism a pr opor ción que los ray os cat ódicos; Becquer el det er m inó que est os r ayos se com ponían de elect r ones r ápidos. Los elect r ones indiv iduales em it idos por las sust ancias r adiact iv as se designan, por t ant o, con el nom br e de par t ículas bet a. Quedaba por det er m inar t odav ía la nat ur aleza de los r ayos alfa. Los ex per im ent os con r ay os alfa en cam pos m agnét icos m ostrar on una desv iación opuest a a la de los r ay os bet a. Así pues, los r ayos alfa t enían que est ar car gados posit iv am ent e. Result aban desviados sólo m uy liger am ent e, por lo que debían t ener una m asa m uy gr ande; en efect o, r esult ó que t enían cuat r o veces la m asa de las par t ículas que Rut her for d había denom inado pr ot ones. Est a propor ción de pesos par ecía indicar que los r ayos alfa podían consist ir en par t ículas com puest as de cuatr o pr ot ones cada una. Per o en ese caso, cada par t ícula deber ía poseer una carga posit iva igual a la de cuat r o pr ot ones; sin em bargo, tal com o se descubr ió, su carga solam ent e er a igual a la de dos pr ot ones. Por est a r azón hubo que suponer que la par t ícula alfa, j unto con los cuat r o pr ot ones, cont enía t am bién dos elect rones. Est os elect rones neut ralizar ían dos de las car gas posit iv as sin añadir práct icam ente ninguna m asa. Dur ant e cer ca de t r eint a años se cr ey ó que est a com binación de pr ot ones y elect r ones const it uía la est r uct ur a de las par t ículas alfa y que com binaciones par ecidas form ar ían otr as par t ículas de carga posit iv a. Sin em bar go, est a deducción plant eaba pr oblem as. Ex ist ían r azones t eór icas para dudar de que la par t ícula alfa pudiese est ar for m ada de hasta seis par t ículas m ás pequeñas. En 1932, durant e los ex per im ent os suger idos por Rut her for d, el físico inglés Jam es Chadw ick ( 1891- 1974) descubr ió una part ícula que t enía ex act am ent e la m ism a m asa que el pr ot ón, per o que no poseía ninguna car ga eléct r ica. Debido a que er a eléct ricam ent e neut ra, se denom inó neut rón. Wer ner Kar l Heisenber g ( 1901- 76) , un físico alem án, sugir ió en seguida que no er an com binaciones de pr ot ón- elect r ón las que for m aban las par t ículas car gadas posit ivam ent e, sino com binaciones de prot ón- neut r ón. La part ícula alfa, según est a suger encia, est ar ía com puest a de dos pr ot ones y dos neut r ones, con una car ga posit iva t ot al de dos, y una m asa t ot al cuat ro veces super ior a la de un solo prot ón. Los físicos hallar on que una par t ícula alfa for m ada por cuatr o par t ículas subatóm icas en lugar de seis se aj ust aba m ar av illosam ent e a sus t eor ías. Desde ent onces se ha acept ado la est ruct ura prot ón- neut rón. Ca pít u lo 1 3 El á t om o nu clea do Cont enido: 1. Núm ero at óm ico 2. Capas elect r ónicas 3. Resonancia 4. Vida m edia 5. I sótopos 1 . N ú m e ro a t óm ico 3 1 Las r adiaciones pr oducidas por el ur anio y el t or io er an bastant e débiles, y r esult aba difícil t r abajar con ellas. Est a sit uación fue r em ediada por Mm e. Cur ie. Al invest igar la r adiact iv idad de los m iner ales de ur anio, halló algunas m uest ras de m iner al con baj o cont enido en ur anio, que no obst ant e eran int ensam ent e r adiact ivas, incluso m ás que el ur anio pur o. Llegó a la conclusión de que el m iner al debía cont ener algún elem ent o radiact iv o dist int o del ur anio. Com o conocía t odos los com ponent es del m ineral que se hallaban en cant idades significat iv as, y com o se sabía que todos ellos er an nor adiact iv os, el elem ent o desconocido debía est ar pr esent e en cant idades m uy pequeñas y, en consecuencia, ser ext rem adam ent e radiact ivo. Dur ant e el año 1898, ella y su m ar ido t r abaj ar on int ensam ent e con gr andes cant idades del m iner al, tr at ando de concent r ar la radiact iv idad y de aislar el nuev o elem ent o. En j ulio de ese año logr ar on su pr opósit o, y llam ar on al nuevo elem ent o polonio, debido al or igen polaco de Mm e. Cur ie. En diciem br e se localizó un segundo elem ent o, el r adio. El r adio er a ex t r em adam ent e r adiact iv o, em it iendo r adiaciones 300.000 v eces m ay or es que las pr oducidas por el m ism o peso de ur anio. Adem ás, er a m uy rar o. A par t ir de t oneladas de m ineral, los Cur ie sólo pudier on obt ener apr oxim adam ent e 1/ 300 de onza de r adio. 31 Est os núm er os se basan en un conv enio por el cual la carg a de un prot ón se iguala arbit rariam ent e a + 1, y la de un elect rón a - 1 Ot ros elem ent os fuert em ent e radiact ivos se descubr ieron en t razas m inúsculas. En 1899, el quím ico fr ancés André Louis Debierne ( 1874- 1949) descubrió el act inio. En 1900, el físico alem án Friedr ich Er nst Dorn ( 1848- 1916) descubrió un gas r adiact iv o, que post er iorm ent e r ecibió el nom br e de r adón. Era uno de los gases nobles y encaj aba debaj o del x enón en la t abla per iódica. Finalm ent e, en 1917, los quím icos alem anes Ot t o Hahn ( 1879- 1968) y Lise Meit ner ( 1878- 1968) descubr ier on el pr ot act inio. Est os elem ent os r ar os per o ex t r em adam ent e r adiact iv os ser v ían com o «cañones de par t ículas». El plom o absorbe la r adiación. Si se coloca una por ción de m at er ial que cont enga algunos de est os elem ent os en una caja forr ada de plom o con un or ificio, casi t odas las par t ículas que salen despedidas quedan absor bidas por el plom o, pero algunas atr av esar án el aguj er o y form ar án un delgado fluj o de m uchas par t ículas m uy ener gét icas que pueden dir igir se cont ra un blanco. Fue Rut her for d quien ut ilizó t ales «cañones de par t ículas» con m ás eficacia. Com enzó en 1906, bom bardeando delgadas lám inas de m et al ( or o, por ej em plo) , con par t ículas alfa r ápidas. La m ay or ía de las par t ículas alfa pasaban lim piam ent e a su t r avés sin ser afect adas ni desviadas, quedando r egist radas en una placa fot ográfica colocada det rás. Per o había ot r as que sí se desviaban, incluso con ángulos grandes. Com o la lám ina de or o que ser v ía de blanco t enía un espesor de dos m il át om os, y com o la m ay or ía de las par t ículas alfa pasaban a tr av és de ella sin chocar con nada, daba la im pr esión de que los át om os estaban const it uidos en su m ayor par t e por espacio vacío. Ahor a bien, el hecho de que algunas par t ículas alfa se desviasen enor m em ent e significaba que en alguna par t e del át om o debía de ex ist ir una r egión m uy m asiv a, cargada posit iv am ent e, capaz de r epeler las par t ículas alfa tam bién car gadas posit iv am ent e. Rut herfor d elaboró ent onces la t eoría del núcleo at óm ico. El át om o, dij o, cont iene en su cent ro un núcleo m uy dim inut o, que est á cargado posit ivam ent e y qu e cont iene t odos los prot ones ( y, com o se descubrió m ás t arde, t am bién los neut rones) . El núcleo at óm ico t iene que ser pequeñísim o, para j ust ificar la pequeña fr acción de par t ículas alfa que se desviaban, per o tam bién t iene que cont ener pr áct icam ent e t oda m asa del át om o. En las zonas m ás ex t er nas del át om o est án los elect r ones car gados negat iv am ent e, que son dem asiado liger os para form ar una im por t ant e barr er a ant e el paso de las par t ículas alfa. Aunque los pr ot ones y las par t ículas alfa t ienen una m asa análoga a la de los át om os, son en r ealidad sim ples núcleos at óm icos. Ocupan t an poco espacio en com par ación con el át om o que, a pesar de su m asa, t am bién pueden consider ar se com o par t ículas subat óm icas. El át om o nuclear de Rut her ford m at izó aún m ás la cuest ión de la indiv isibilidad del át om o. El núcleo cent r al, que er a el cor azón del át om o, est aba r odeado y pr ot egido por una nube de elect r ones. Per m anecía im pecable e int act o a pesar de t odos los cam bios quím icos. Fue est a apar ent e per m anencia del núcleo la que conduj o a que t odas las pr uebas ex per im ent ales pr ev ias a los años 1890- 99 sugir iesen la idea de un át om o indivisible. Sin em bar go, el át om o sí sufr ía cam bios en las r eacciones quím icas ordinar ias. Gran par t e de la nube elect r ónica per m anecía int act a, per o no t oda. Algunos elect r ones podían ser elim inados de la «super ficie» del át om o, o añadidos a ella. De est e m odo, el pr oblem a de los iones, que había desconcer t ado a t r es gener aciones de quím icos, quedó finalm ent e resuelt o. Si se acept a el núcleo at óm ico, la siguient e pr egunt a es: ¿en que se difer encia el núcleo at óm ico de un elem ent o del de ot ro? Desde los t iem pos de Dalt on se sabía que los diversos át om os se diferenciaban en la m asa, per o ¿cóm o se r eflej a est a difer encia en las par t ículas subat óm icas que com ponen el núcleo at óm ico? Los pr im er os indicios de una posible r espuest a provinier on del est udio de los r ayos X. El físico alem án Max Theodor Félix von Laue ( 1879- 1960) com enzó en 1909 a bom bardear cr ist ales con ray os X. Est os ex per im ent os clásicos est ablecier on dos hechos fundam ent ales: los crist ales consist en en át om os or denados en una est r uct ur a geom ét r ica de capas r egular es, y est as capas disper san los r ay os X según un m odelo fij o. Según la form a en que son desviados ( o difr actados) los r ay os X, puede det er m inar se el t am año ( longit ud de onda) de las m inúsculas ondas que com ponen los rayos X. A cont inuación, el físico ing lés Char les Glover Bar kla ( 1877- 1944) descubr ió en 1911 que cuando los r ay os X son desviados por det er m inados elem ent os, pr oducen haces que penet r an la m at er ia en cant idades caract er íst icas. Cada elem ent o da lugar a una ser ie det er m inada de ray os X caract er íst icos. Ot r o físico inglés, Henr y Gw yn- Jeffr eys Moseley ( 1887- 1915) ut ilizó el m ét odo de Laue para det erm inar la longit ud de onda de est os r ay os X caract er íst icos. En 1913 halló que su longit ud de onda dism inuía lent am ent e a m edida que aum ent aba el peso at óm ico de los elem ent os que los em it ían. Est a pr opor ción inver sa, ar guy ó Moseley , dependía de la m agnit ud de la carga posit iva exist ent e en el núcleo del át om o. Cuant o m ayor fuese la car ga, m ás cor t a ser ía la longit ud de onda de los r ayos X car act er íst icos. En r ealidad, a par t ir de la longit ud de onda era posible calcular cuál debía ser la car ga de los át om os de un elem ent o det er m inado. De m odo que, com o se dem ost r ó post er ior m ent e, el hidr ógeno t enía una carga nuclear de + 1, el helio + 2, el lit io + 3, y así sucesivam ent e hast a llegar al uranio, con + 921. La m agnit ud de la carga nuclear se denom ina el núm er o at óm ico. Por pr im er a v ez se com pr endió que, cuando Mendeleiev había or denado sus elem ent os en or den a lo que se pensó er a el peso at óm ico, en r ealidad los est aba or denando en orden a su núm er o at óm ico. En el par de casos en que había colocado los át om os de m ay or m asa delant e de los de m enor m asa, ést os t enían no obst ant e un núm er o at óm ico m ay or, debido a r azones que discut ir em os en br ev e. Por fin se podía sust it uir la definición oper acional que dier a Boyle del concept o «elem ent o» ( com o una sust ancia que no pedía descom ponerse en sust ancias m ás sim ples) por una definición est r uct ur al. La definición de elem ent o, en el siglo XX, sería: un elem ent o es una sust ancia que se com pone de át om os que poseen t odos unos núm eros atóm icos idént icos y caract eríst icos. Tam bién por pr im era v ez fue posible pr edecir ex act am ent e cuánt os elem ent os quedaban por descubr ir . Todos los núm er os at óm icos desde el 1 al 92 est aban y a ocupados por elem ent os conocidos en 1913, except o siet e: los núm eros at óm icos 43, 61, 72, 75, 85,87 y 91. En 1917 se descubrió el pr ot act inio ( núm er o at óm ico 91) . En 1923 se descubr ió el hafnio ( núm er o at óm ico 72) , y en 1925, el r enio ( núm er o at óm ico 75) . Quedaban ent onces exact am ent e cuatro huecos en la tabla per iódica: los cor r espondient es a los núm er os at óm icos 43, 61, 85 y 87. Par ecía que sólo quedaban cuatr o elem ent os por descubr ir ; pero lo cier t o es que los huecos per sist ier on hast a bien ent r ados los años t reint a. Puest o que el pr ot ón es la única par t ícula car gada posit iv am ent e del núcleo, el núm ero at óm ico es igual al núm ero de protones exist ent e en el núcleo. El alum inio, con un núm ero at óm ico de 13, deberá cont ener 13 prot ones en el núcleo. Pero com o su peso at óm ico es 27, deber á cont ener t am bién ( com o se descubr ió m ás t ar de) 14 neut r ones en el núcleo. Los neut r ones apor t an m asa per o no carga. Del m ism o m odo, un át om o de sodio con un núm er o at óm ico de 11 y un peso atóm ico de 23 debe poseer un núcleo de 11 pr ot ones y 12 neut r ones ( com o t ant o los pr ot ones com o los neut rones se encuent ran en el núcleo, se agrupan baj o el nom bre de nucleones) . El át om o, en su est ado norm al, es eléct ricam ent e neut ro. Est o significa que por cada pr ot ón que ex ist a en el núcleo debe haber un elect r ón en la per ifer ia. En consecuencia, el núm ero de elect rones del át om o neut ro es igual al núm ero at óm ico. Un át om o de hidr ógeno cont iene 1 elect rón, un át om o de sodio 11 elect rones, un át om o de uranio 92 elect r ones, y así sucesivam ent e 32 . 2 . Ca pa s ele ct r ón ica s Cuando dos át om os chocan y reaccionan, se unen com par t iendo det erm inado núm er o de elect r ones, o bien se separ an de nuev o después de haber cedido uno o m ás elect r ones al ot r o át om o. Est e com par t ir o ceder elect r ones es lo que se t r aduce en los cam bios de las pr opiedades obser v adas en sus sustancias que sufr en reacciones quím icas. A par t ir de los cuidadosos t rabaj os con los r ayos X car act er íst icos com enzó a em er ger un cier t o orden r elat iv o a la for m a de dichos cam bios elect r ónicos. De tales t r abaj os surgió la idea de que dent ro del át om o los elect r ones ex ist ían en gr upos que solían descr ibir se com o capas elect r ónicas. Podem os im aginar que las capas envuelv en al núcleo com o las hoj as de una cebolla donde cada capa es capaz de cont ener m ás elect r ones que la ant er ior . Las capas se designar on con las let r as K, L, M, N, et c. 32 Por supuest o, los iones posit ivos han perdido elect rones, y los iones negat iv os los han ganado. Por t ant o, un ion sodio t iene m enos elect rones que su núm ero at óm ico, m ient ras que un ion cloruro t iene m ás elect rones que su núm ero at óm ico. La capa m ás int er na, la K, puede cont ener sólo dos elect r ones, la capa L puede encer r ar ocho, la capa M hasta dieciocho, y así sucesiv am ent e. Est e concept o sir v ió finalm ent e par a ex plicar la t abla per iódica. Los t r es elect r ones del át om o de lit io, por ej em plo, est án or denados en la form a 2,1 a lo lar go de las capas elect r ónicas; los once elect r ones del át om o de sodio est án dispuest os en for m a 2, 8, 1; los diecinueve elect r ones de los átom os de pot asio se disponen 2, 8, 8, 1; y así sucesivam ent e. Cada uno de los m et ales alcalinos t iene los elect r ones de sus át om os dispuest os de t al m odo que la capa elect r ónica m ás ext erna cont iene sólo un elect rón. Com o es la capa elect rónica m ás ext erna la que ent ra en cont act o en las colisiones ent r e át om os, es de esper ar que sea el núm er o de elect r ones de dicha capa el que det er m ine la act iv idad quím ica de un elem ent o. Elem ent os difer ent es que t engan las capas elect r ónicas m ás ex t er nas sem ej ant es, t endr án pr opiedades par ecidas. Por est a r azón es por lo que los div er sos m et ales alcalinos t ienen pr opiedades t an sem ej ant es. Del m ism o m odo, los elem ent os alcalino- t ér r eos ( m agnesio, calcio, est roncio y bar io) son t odos sem ej antes, y a que cada uno posee dos elect r ones en la capa m ás ext erna. Los halógenos ( flúor, cloro, brom o y yodo) poseen t odos siet e elect rones en su capa m ás ext erna; m ient ras que los gases nobles ( neón, argón, cr ipt ón y xenón) poseen t odos ocho. En r ealidad, Mendeleiev , al or denar su t abla per iódica, había colocado - sin saber lo, desde luego- los elem ent os en filas y colum nas de acuer do con la disposición de sus át om os en las capas elect rónicas. Com o el núm er o de elect r ones aum ent a a m edida que los át om os son m ás pesados, llega un m om ent o en que las capas elect r ónicas com ienzan a solapar se. Hay át om os de núm er os at óm icos consecut iv os que incor por an elect r ones a capas int er nas, m ient r as que el núm er o de elect r ones de la capa ex t er na per m anece const ant e. Est a configuración ocur r e especialm ent e en los elem ent os de t ier r as raras, cuyos núm eros at óm icos oscilan del 57 al 71 inclusive. Mient ras que hallam os un incr em ent o en el núm er o de elect r ones de las capas int er nas a m edida que av anzam os en la t abla per iódica, t odas las t ier r as r ar as conser v an tr es elect r ones en la capa m ás ex t er na. Est a sem ej anza de las capas m ás ex t er nas ex plicaba, al fin, por qué los elem ent os de est e gr upo eran t an ext rañam ent e sem ej ant es en sus pr opiedades. Mendeleiev había or denado su t abla per iódica en base a la valencia de los difer ent es elem ent os, y no a sus disposiciones elect rónicas, que le eran desconocidas. Así, par ecía r azonable suponer que la valencia de un elem ent o er a det er m inada por su disposición elect rónica. El quím ico alem án Richard Abegg ( 1869- 1910) había señalado, en 1904, que los gases nobles debían poseer una configuración elect r ónica especialm ent e est able. Los átom os de un gas noble no t enían t endencia a aum entar ni dism inuir su núm ero de elect r ones, y por eso no par t icipaban en las r eacciones quím icas. Se deducía que ot r os át om os podían ceder o acept ar elect r ones con el fin de alcanzar la configur ación de gases nobles. Los once elect r ones del sodio est án dispuest os en la for m a 2, 8, 1, m ient r as que los diecisiet e elect r ones del clor o son 2, 8,7. Si el sodio cede un elect r ón y el clor o acept a uno, el pr im er o alcanza la configur ación de 2,8 del neón, y el últ im o la configur ación de 2, 8, 8 del ar gón. Nat ur alm ent e, el át om o de sodio, al ceder un elect r ón car gado negat iv am ent e, se queda con una car ga posit iv a, y se conv ier t e en ion sodio. El át om o de clor o, al ganar un elect r ón, gana una carga negat iv a, y se conv ier t e en ion clor o. Los dos t ienden a unir se en v ir t ud de la at r acción eléct r ica ent r e las car gas de dist int o signo, com o había sospechado Berzelius un siglo ant es. Se deduce de est a consider ación que el sodio t endr á una valencia de 1. No puede ceder m ás de un elect r ón sin r om per su disposición est able de 2, 8. Tam poco el át om o de clor o puede aceptar m ás de un elect r ón. Por ot ra par t e, el calcio, con una disposición de 2, 8, 8, 2, t iende a ceder dos elect r ones, y el oxígeno, con una disposición de 2,6, t iende a acept ar dos elect r ones. Nat uralm ent e, am bos elem ent os t endr án una valencia de 2. Son est os desplazam ient os elect r ónicos, dicho sea de paso, los que hacen posibles las concent r aciones de car ga en un lugar o en ot r o, de m odo que las r eacciones quím icas pueden ser v ir com o fuent es de cor r ient e eléct r ica, t al com o había descubiert o Volt a un siglo ant es. Desde el punt o de v ist a elect r ónico, el peso equiv alent e r esult aba ser igual a los pesos r elat ivos de los elem ent os im plicados en un solo desplazam ient o elect r ónico de est e t ipo. El peso equiv alent e es, después de t odo, el peso atóm ico div idido por la v alencia o, en ot r as palabras, el peso at óm ico div idido por el núm er o de elect r ones t r ansfer idos. Sin em bargo, la suger encia de Abegg consider aba solam ent e las t r ansfer encias com plet as de elect r ones de un át om o a ot r o, cuy o r esult ado eran iones cargados eléct ricam ent e que se m ant enían unidos por at racción elect rost át ica. En est e caso se habla de elect r ovalencia. Dos quím icos am er icanos, Gilber t New t on Lew is ( 18751946) e I r v ing Langm uir ( 1881- 1957) , pr opagar on de m odo independient e est a idea en los años siguient es a 1916. Ent r e ot r as cosas sugir ier on una ex plicación para la est r uct ur a de la m olécula del clor o, en la que dos át om os de clor o est án est recham ent e unidos ent re sí. Ciert am ente, no exist e ninguna razón para que un át om o de cloro t ransfier a un elect r ón a ot r o át om o de clor o, y desde luego no podr ían m ant ener se j unt os por atr acción elect r ost át ica ordinar ia. Tant o la t eor ía de Ber zelius com o la de Abegg sobr e la at r acción int er at óm ica fallan en est e punt o. En cam bio, la suger encia de Lew is- Lagm uir er a que cada át om o podía apor tar un elect rón a un fondo com ún. Los dos elect rones del fondo com ún est ar ían en la capa elect r ónica m ás ex t er na de am bos átom os. La disposición elect r ónica en la m olécula de clor o podía descr ibir se ent onces com o: 2, 8,6, 11, 6, 8, 2, incluyéndose am bos elect r ones com unes en el t ot al elect r ónico de cada át om o. Cada át om o t endr ía así la configur ación de 2, 8, 8 en lugar de la disposición m ucho m enos est able de 2, 8, 7 de los át om os de clor o aislados. Por est a razón, la m olécula de clor o es m ucho m ás est able que los át om os libr es. Con el fin de m ant ener t odos los elect rones en la capa elect rónica m ás ext erna, los dos átom os han de perm anecer en cont acto, y se pr ecisa una ener gía consider able para separ ar los. Cada uno de los elect r ones apor tados al fondo com ún r epr esent a una v alencia de 1 para el át om o del que pr ocede. Dicha v alencia, al pr ecisar la acción de dos átom os en colaboración, es una covalencia. La t eor ía de Lew is- Langm uir r esult aba especialm ent e apta par a los com puest os or gánicos, ya que los enlaces ent r e un át om o de car bono y ot r o, o ent r e un át om o de car bono y un át om o de hidr ógeno, se ex plicaban fácilm ent e de est a for m a. En consecuencia, la m ay or ía de las m oléculas or gánicas podían r epr esent ar se fácilm ent e m ediant e fór m ulas elect r ónicas en las cuales, por lo general, el v iej o t r acit o de la fór m ula de Kek ulé er a r eem plazado por un par elect r ónico com par t ido. De hecho, el quím ico inglés Nev il Vincent Sidgw ick ( 1873- 1952) logr ó am pliar en los años veint e el concept o de covalencia por pares elect rónicos a los com puest os inor gánicos. En par t icular , lo aplicó a los com puest os de coordinación de Wer ner en los que las r epr esent aciones or dinar ias de Kek ulé er an difíciles de aplicar . En t odos est os cam bios quím icos sólo se t rasladaban los elect rones. Los prot ones ( en t odos los casos except o en uno) quedan perfect am ent e pr ot egidos en el núcleo cent r al. El caso ex cepcional es el del hidr ógeno, que t iene un núcleo for m ado por un solo pr ot ón. Si el át om o de hidr ógeno r esult a ionizado m ediant e la pér dida de su único elect rón, el pr ot ón queda al descubiert o 33 . En 1923, el quím ico danés Johannes Nicolaus Bronst ed ( 1879- 1947) int roduj o un nuev o punt o de vist a acer ca de los ácidos y las bases. Un ácido se definía com o un com puest o que t endía a ceder un pr ot ón ( o ion hidr ógeno) , m ient r as que una base era un com puest o propenso a com binar se con un prot ón. Est e nuevo punt o de vist a ex plicaba t odos los hechos que y a habían sido satisfact or iam ent e ex plicados por la ant igua t eor ía. Pero adem ás pr opor cionaba una m ay or flex ibilidad que hacía posible ex t ender las nociones de ácido- base a cam pos en los que la ant igua t eor ía r esult aba incor r ect a. 3 . Re son a n cia Las r elat iv am ent e pequeñas m oléculas y las r ápidas r eacciones iónicas de la quím ica inor gánica se habían m ost rado r elat iv am ent e fáciles de est udiar . Los quím icos, y a desde la época de Lav oisier , podían pr edecir el cur so de t ales r eacciones y la for m a de m odificar las par a aj ust ar se a necesidades par t icular es. Las com plej as m oléculas y lent as r eacciones de la quím ica or gánica er an m ucho m ás difíciles de analizar . 33 Tal prot ón desnudo es m uy act iv o, y no perm anece m u cho t iem po de ese m odo. En solu ción acuosa se un e inm ediat am ent e a una m olécula de agua, añadiendo un át om o de hidrógeno posit ivam en t e cargado a esa m olécula. Así se form a el ion oxonio ( H 3 O+ ) . Con fr ecuencia ex ist ían var ias for m as en que podían r eaccionar dos sustancias; guiar la r eacción según una v ía deseada er a cuest ión de ar t e y de int uición ant es que de conocim ient o ciert o. Sin em bar go, el át om o elect r ónico ofr eció a los quím icos orgánicos una nueva visión de su pr opio cam po. A finales de la década de los v eint e, hom br es com o el quím ico inglés Chr ist opher I ngold ( n. 1893) com enzar on a trat ar de int er pr et ar las r eacciones or gánicas en t ér m inos de desplazam ient os de elect r ones de un punt o a ot r o dentr o de una m olécula. Com enzar on a aplicar se int ensiv am ent e los m ét odos de la quím ica física, en un int ent o de int er pr et ar las dir ecciones y t endencias de t ales desplazam ient os. La quím ica or gánica física se conv ir t ió en una disciplina im por t ant e. Result aban insuficient es, no obst ant e, los int ent os de int erpr et ar las reacciones or gánicas en t érm inos de elect r ones pequeños y duros m oviéndose de un lado a ot ro, pero est a sit uación no se prolongó m ucho t iem po. Dur ant e el pr im er cuar t o de siglo post er ior al descubr im ient o del elect r ón, se dio por sent ado que la par t ícula er a una esfer a sólida y m inúscula. Per o en 1923, Louis Víct or , Pr íncipe de Br oglie, un físico fr ancés ( 1892- 1987) , apor t ó razones t eór icas para consider ar que los elect r ones ( así com o t odas las dem ás par t ículas) poseían pr opiedades de car act er íst icas de una onda. Ant es de que finalizase la década de los veint e est a opinión quedó confirm ada experim ent alm ent e. Pauling, el pr im er o en suger ir la est r uct ur a helicoidal de las pr ot eínas y los ácidos nucleicos, desarr olló a pr incipios de los años t r eint a m ét odos que per m it ían t ener en cuent a la nat uraleza ondulat or ia de los elect r ones al consider ar las r eacciones or gánicas. Dem ostr ó que los elect r ones com par t idos de Lew is- Langm uir podían int er pr et ar se com o int er acciones de onda. Las ondas elect r ónicas se apar eaban r efor zándose, r esonando una con ot r a para for m ar una sit uación m ás est able j unt as que separadas. Est a t eor ía de la r esonancia fue especialm ent e út il par a est ablecer la est r uct ur a del benceno, que había sido m ot iv o de desconcier t o en los días de Kek ulé y que seguía t eniendo punt os dudosos desde ent onces. Tal y com o se describe norm alm ent e, la est r uct ur a del benceno es la de un hex ágono con enlaces sencillos y dobles alt er nados. Según el sist em a de Lew is- Langm uir , alt er naban gr upos de dos y de cuat r o elect r ones com par t idos. Sin em bar go, el benceno car ecía casi por com plet o de las pr opiedades caract er íst icas de los dem ás com puest os que cont enían dobles enlaces ( cuat ro elect rones com part idos). Pauling dem ostr ó que si los elect r ones se consider aban com o for m as ondulat or ias, los elect rones individuales no t enían que concebirse com o reducidos a un solo punt o, sino que podían ex t ender se, difum inados, en un ár ea consider able. En ot r as palabr as, las «ondas elect r ónicas» podían ocupar ár eas m ucho m ayor es que las que ocupar ía un m inúsculo elect r ón en form a de «bola de billar ». La t endencia a diluir se de est e m odo se acent uaba cuando la m olécula er a bastant e plana y sim ét r ica. La m olécula de benceno es plana y sim ét r ica, y Pauling dem ostr ó que los elect r ones se «descent r alizaban» de t al m odo que los seis át om os de carbono del anillo bencénico se hallaban enlazados del m ism o m odo. Los enlaces que los unían no podían represent arse ni com o enlaces sencillos ni com o dobles enlaces, sino com o una especie de pr om edio par t icular m ent e est able, o híbr ido de r esonancia, ent r e los dos ext rem os. Apar t e de la estr uct ura del benceno quedaron clar ificados otr os punt os con la t eor ía de la r esonancia. Por ej em plo, los cuat r o elect r ones de la capa m ás ex t er na del át om o de car bono no son todos equiv alent es desde el punt o de v ist a de sus caract er íst icas ener gét icas. Cabr ía suponer ent onces que se for m ar ían enlaces de t ipos liger am ent e difer ent es ent r e un át om o de car bono y su vecino, dependiendo de cuáles fuesen los elect r ones del car bono im plicados. A pesar de ello, podía dem ost r ar se que los cuat r o elect r ones, com o form as ondulat or ias, int er accionaban ent r e sí y for m aban cuatr o enlaces «pr om edio» que er an ex act am ent e equiv alent es, y est aban dir igidos hacia los vér t ices de un t et r aedr o. Así, el át om o t et r aédr ico de Van't Hoff- Le Bel ( véanse págs. 125- 26) result ó explicado en t érm inos elect rónicos. La r esonancia t am bién cont r ibuía a ex plicar un gr upo de com puest os ex t r años con los que se había t opado la quím ica a com ienzos del siglo xx. En 1900, el quím ico r uso- am er icano Moses Gom ber g ( 1866- 1947) est aba t r atando de pr epar ar el hexafenilet ano, un com puest o con una m olécula que consist ía en dos át om os de car bono a los que est aban unidos seis anillos bencénicos ( t r es a cada át om o de carbono) . En lugar de ello, obt uvo una solución coloreada de un com puest o m uy react ivo. Por v ar ias r azones, se v io obligado a deducir que había obt enido t r ifenilm et ilo, una «sem im olécula» consist ent e en un át om o de carbono con tres anillos bencénicos unidos a él. El cuar t o enlace de v alencia del át om o de car bono per m anecía v acant e. Dicho com puest o, que r ecordaba a uno de los viej os r adicales liber ados por una m olécula, r ecibió el nom br e genér ico de r adical libr e. Recur r iendo a la concepción elect r ónica del át om o se pr opuso que un r adical libr e com o el t r ifenilm et ilo cont enía un elect r ón desapar eado allí donde la viej a concepción de Kek ulé habr ía sit uado un enlace sin ut ilizar . Nor m alm ent e, t al elect r ón desapar eado es m uy inest able. Sin em bargo, cuando la m olécula es plana y m uy sim ét r ica, com o es el caso del t r ifenilm et ilo, el elect r ón sin ut ilizar puede ser «r epar t ido» por t oda la m olécula. De est e m odo se est abiliza el r adical libr e. Al est udiar las r eacciones or gánicas en t ér m inos elect r ónicos, r esult ó ev ident e que había norm alm ent e et apas en las que t enía que for m ar se un r adical libr e. Tales r adicales libr es, gener alm ent e no est abilizados por r esonancia, podían ex ist ir sólo m om ent áneam ent e y no se form aban sino con dificult ad. Est a dificult ad en la for m ación de r adicales libr es int er m edios er a la que hacía t an lent as la m ay or ía de las reacciones orgánicas. En el segundo cuar t o del siglo XX, los quím icos or gánicos em pezaron a adquir ir una v isión bast ant e pr ofunda de los dist int os pasos que com ponían las r eacciones or gánicas: el m ecanism o de la r eacción, en ot r as palabras. Ha sido esta v isión, m ás que ninguna ot r a cosa, la que ha guiado a los quím icos or gánicos cont em poráneos en su t r abaj o de sínt esis, y la que ha conducido a la constr ucción de m oléculas cuya com plej idad había v encido a las generaciones ant er ior es. Per o las consider aciones sobr e r esonancia no se lim it aban a la quím ica or gánica. Los hidr ur os de bor o poseían m oléculas que no podían r epr esent ar se sat isfact or iam ent e desde ot ros puntos de vist a. El átom o de boro no poseía suficient es enlaces de v alencia ( elect r ones) para est e pr opósit o. Sin em bar go, descent ralizando los elect r ones cor r ect am ent e com o for m as de onda, podía pr oponer se una est r uct ura m olecular r azonable. Pauling sugir ió en 1932 que los át om os de un gas noble podían no ser t an r esist ent es a la for m ación de enlaces com o se había supuest o durant e el t er cio de siglo t ranscurrido desde su descubrim ient o. A suficient e pr esión y con un át om o ex t r em adam ent e r eact iv o com o el át om o de flúor , podr ían for m ar com puest os. Est a suger encia de Pauling no fue escuchada al pr incipio, per o en 1962 se logr ó obt ener fluor ur o de x enón haciendo r eaccionar dicho gas noble con flúor . Poco después se for m ar on diver sos com puest os de xenón con flúor y con oxígeno, así com o uno o dos de radón y de cript ón. 4 . Vida m e dia Si bien los est udios de la est r uct ur a at óm ica int er na habían llev ado a nuev as concepciones y com pr ensiones, t am bién plant ear on una ser ie de pr oblem as. En 1900, Cr ookes descubr ió que los com puest os de ur anio pur o r ecién pr eparados er an sólo débilm ent e r adiact iv os, pero que su r adiact iv idad se r efor zaba con el t iem po. En 1902, Rut her for d y un colabor ador suy o, el quím ico inglés Fr eder ick Soddy ( 1877- 1956) , pr opusier on que cuando un át om o de uranio cedía una par t ícula alfa, su nat ur aleza cam biaba. Se conv er t ía en un nuev o t ipo de át om o, con difer ent es car act er íst icas r adiact iv as, pr oduciendo r adiaciones m ás fuer t es que las del pr opio ur anio (aj ust ándose así a la obser v ación de Cr ookes). Est e segundo át om o se descom ponía a su v ez, for m ando un t er cer t ipo de át om o. De hecho, el át om o de ur anio er a el padr e de una ser ie com plet a de elem ent os r adiact iv os, una ser ie r adiact iv a, que incluía el r adio y el polonio y acababa finalm ent e en el plom o, que no er a r adiact iv o. Por est a r azón, el r adio, polonio y ot r os elem ent os r adiact iv os r ar os se dan en los m iner ales de ur anio. Con el ur anio em pieza t am bién una segunda ser ie r adiact iv a y una t er cer a con el t or io. Según la definición de elem ent o de Boyle, est a t r ansm ut ación del uranio en plom o podr ía hacer necesar io consider ar que el uranio no es un elem ent o, pero no así por la nueva definición de núm ero at óm ico. Después de t odo, com o los elem ent os no son part ículas r ealm ent e indivisibles, t am poco t ienen por qué ser t ot alm ent e invar iables. ( Est o r epr esent a un r et or no -en un niv el m ucho m ás av anzado- a la v iej a concepción alquím ica.) . Es r azonable pr egunt ar se cóm o es que, si los elem ent os r adiact iv os est án const ant em ent e t ransm ut ándose, puede seguir exist iendo alguno. Fue Rut herfor d quien, en 1904, r esolv ió est a cuest ión. Est udiando la v elocidad de desint egr ación r adiact iv a, dem ost r ó que, al cabo de un cier t o per íodo, difer ent e para cada elem ent o, se ha desint egr ado la m it ad de cualquier cant idad dada de un cier t o elem ent o r adiact iv o. Est e per íodo, caract er íst ico par a cada t ipo de sustancia r adiact iv a, lo llam ó Rut her ford v ida m edia. ( Véase figur a 22.) Figura 22. La vida m edia del r adón se det erm ina m idiendo las cant idades de m at er ial que quedan al cabo de int er valos de t iem po iguales. La r epr esent ación es la cur va exponencial asint ót ica, y = e - ax La v ida m edia del r adio, por ej em plo, es algo m enor de m il seiscient os años. Al cabo de v ar ias er as geológicas no quedar ía nada de r adio en la cor t eza t er r est r e, de no ser porque se for m an constant em ent e nuev as r eser v as a tr av és de la desint egr ación del ur anio. Est o m ism o es cier t o para otr os pr oduct os de la t ransm utación del ur anio, cuyas vidas m edias equiv alen en algunos casos a fracciones de segundo solam ent e. En cuant o al pr opio ur anio, t iene una v ida m edia de 4.500.000.000 de años. Se t r at a de un per íodo de t iem po enorm e, y en t oda la hist or ia de la Tier r a sólo una par t e de la r eser va or iginal de ur anio ha tenido posibilidades de desint egr ar se. El t or io se desint egra aún m ás lent am ent e, siendo su vida m edia de 14.000.000.000 de años. Tales ex t ensiones de t iem po pueden det er m inar se cont ando el núm er o de par t ículas alfa pr oducidas por una m asa det erm inada de ur anio ( o t or io) , cosa que hizo Rut her for d a base de obser var los pequeños r elám pagos que pr oducían al chocar cont r a una pantalla de sulfuro de cinc ( lo que const it uía un cont ador de cent elleo) . Cada par t ícula alfa liber ada significaba un át om o de uranio desint egr ado, de m odo que Rut her for d pudo det er m inar cuánt os át om os se desint egr aban por segundo. A par t ir de la m asa de uranio que est aba m anej ando, deduj o el núm er o t ot al de át om os de uranio pr esent es. Con est a inform ación pudo calcular fácilm ent e cuánt o t iem po har ía falt a par a que se desint egrar an la m it ad de los át om os de ur anio pr esent es, y r esult ó ser del or den de m iles de m illones de años. Tan const ant e y caract eríst ica es la lent a y m aj est uosa desint egración del uranio, que puede usar se par a m edir la edad de la Tier r a. En 1907, el quím ico am er icano Ber t ram Bor den Bolt w ood ( 1870- 1927) sugir ió que el cont enido en plom o de los m iner ales de uranio podía ser v ir com o guía a est e r espect o. Si se suponía que todo el plom o del m iner al se or iginaba a par t ir de la desint egr ación del ur anio, ser ía fácil calcular cuánt o t iem po deber ía haber t r anscur r ido para dar lugar a esa cant idad de plom o. Finalm ent e se calculó de est e m odo que la cor t eza sólida de la Tier r a debe haber ex ist ido desde hace por lo m enos cuat r o m il m illones de años. Mient r as t anto, Soddy había descr it o el m odo ex act o en que un át om o cam bia al em it ir par t ículas subatóm icas. Si un át om o per día una par t ícula alfa, con una car ga + 2, la car ga t otal de su núcleo dism inuía en dos. El át om o se t rasladaba dos puest os hacia la izquier da en la t abla per iódica. Si un át om o per día una par t ícula bet a ( un elect r ón con una car ga de - 1) , el núcleo ganaba una car ga posit iv a adicional 34 , y el elem ent o av anzaba un puest o hacia la der echa en la t abla per iódica, cuando un átom o em it ía un ray o gam m a ( sin carga) , se alt er aba su cont enido ener gét ico per o no cam biaba el núm er o de par t ículas, de m odo que cont inuaba siendo el m ism o elem ent o. Ut ilizando est as r eglas com o guía, los quím icos pudier on obt ener los det alles de v ar ias ser ies r adiact iv as. 34 En la época de Soddy se creía que había m u chos elect ron es en el núcleo y que la pérdida de una part ícu la bet a del núcleo dej aba un prot ón adicional sin neut ralizar eléct ricam ent e. A consecuencia de ello nacía la carga posit iv a. Hoy día se sabe que el núcleo cont iene solam ent e prot ones y neut rones, pero que se form a y elim ina un elect rón cuando un neut r ón se conv iert e en prot ón, y a que la adquisición de una carga posit iva equivale a la pérdida, por ex pulsión, de una carga negat iva 5 . I sót opos Per o t odo est o cr eaba un ser io pr oblem a. ¿Qué hacer con los div er sos pr oduct os de desint egr ación del uranio y del t or io? Había docenas de ellos, per o com o m ucho ex ist ían nuev e sit ios en la t abla per iódica ( desde el polonio de núm er o at óm ico 84 hast a el ur anio de núm er o at óm ico 92) donde colocar los. Com o ej em plo específico, digam os que el át om o de ur anio ( núm er o at óm ico 92) em it ía una par t ícula alfa y el núm er o at óm ico de lo que quedaba del át om o se conv er t ía por tant o en 90, según la r egla de Soddy. Esto significaba que se había for m ado un át om o de t or io. Sin em bar go, m ient r as que el t or io pr oducido a par t ir del ur anio t enía una v ida m edia de veint icuat r o días, el t or io ordinar io t enía una v ida m edia de cat or ce m il m illones de años. Soddy pr opuso la int r épida suger encia de que un m ism o lugar de la t abla per iódica podía estar ocupado por m ás de un t ipo de átom o. El lugar núm ero 90 podía encer r ar difer ent es var iedades de t or io, el lugar núm er o 82 difer ent es var iedades de plom o, y así sucesiv am ent e. Denom inó a est as var iedades at óm icas que ocupaban el m ism o lugar isót opos, de la palabr a gr iega que significa «m ism o lugar». Los difer ent es isót opos en un lugar dado de la tabla t endr ían el m ism o núm er o at óm ico, y en consecuencia el m ism o núm er o de pr ot ones en el núcleo y el m ism o núm er o de elect r ones en la per ifer ia. Los isót opos de un elem ent o t endr ían las m ism as pr opiedades quím icas, al depender dichas pr opiedades del núm er o y la disposición de los electrones en los át om os. Per o en ese caso, ¿cóm o ex plicar las difer encias en las pr opiedades r adiact iv as y en el peso at óm ico? El peso at óm ico podr ía r epr esent ar la clav e de la difer encia. Cien años ant es, Prout había pr opuest o su fam osa hipót esis de que t odos los át om os est aban com puest os de hidr ógeno, de m odo que t odos los elem ent os t endr ían un peso at óm ico ent er o. El hecho de que la m ay or ía de los pesos at óm icos no sean ent er os par ecía haber dest r uido est a hipót esis. Per o ahora el át om o, en su nuev a apar iencia nuclear , t enía que estar for m ado por pr ot ones ( y neut rones) . Los prot ones y los neut rones t ienen apr oxim adam ent e la m ism a m asa, y por tant o t odos los át om os deben t ener pesos que sean m últ iplos ent er os del peso del hidr ógeno ( form ado de un solo pr ot ón) . La hipót esis de Pr out fue r est ablecida, y en cam bio se pr oyect ar on nuev as dudas sobr e los pesos at óm icos. En 1912, J. J. Thom son ( el descubr idor del elect r ón) había som et ido haces de iones de neón car gados posit iv am ent e a la acción de un cam po m agnét ico. El cam po desviaba los iones de neón y los hacía incidir sobr e una placa fot ogr áfica. Si t odos los iones hubiesen t enido una m asa idént ica, habr ían sido desviados t odos en la m ism a m edida, y habr ía apar ecido una sola m ancha sobr e la película fot ogr áfica. Sin em bar go, se localizar on dos m anchas, una de ellas apr oxim adam ent e diez veces m ás oscur a que la ot r a. Un colaborador suyo, Fr ancis William Ast on ( 1877- 1945) , m ej or ó m ás t arde el m ecanism o y confir m ó los r esult ados, que er an sem ej ant es para otr os elem ent os. Debido a que est e m ecanism o separaba iones quím icam ent e sem ej ant es en una especie de espect ro de m anchas oscuras, se denom inó espect r ógr afo de m asas. La m agnit ud de la desviación de iones de car ga idént ica por un cam po m agnét ico depende de la m asa del ion; cuant o m ay or es ést a, m enos se desvía. Los r esult ados obt enidos por Thom son y Ast on par ecían indicar que ex ist ían dos t ipos de át om os de neón, uno con m ás m asa que el ot r o. Uno de ellos t enía un núm er o m úsico de 20, y el ot r o de 22. Com o el neón- 20 era diez veces m ás abundant e que el neón- 22 , a j uzgar por las r espect iv as oscur idades de las m anchas ( en los últ im os años se localizar on t am bién m uy pequeñas cant idades de neón- 21) par ecía r azonable que el peso at óm ico del neón fuese aproxim adam ent e 20,2. En ot r as palabras, los át om os indiv iduales t enían m asas que er an un m últ iplo ent er o de la del át om o de hidr ógeno 35 , per o un elem ent o det er m inado, al est ar for m ado por át om os de difer ent es m asas, t endr ía un peso at óm ico que ser ía un pr om edio del peso de dichos ent eros, y en consecuencia no t enía que ser necesariam ent e un núm ero ent ero. El pr om edio del peso de los isót opos de un át om o det er m inado puede ser m ay or , en algunos casos, que el pr om edio del peso de un át om o con m ay or núm er o at óm ico. 35 No ex act am ent e un m últ iplo, en realidad. Las pequeñas desviaciones en la m asa no t ienen im port an cia en quím ica, pero son un reflej o de las enorm es energías im plicadas en las fuerzas nu cleares, energías que han sid o puest as de m anifiest o en las bom bas nucleares. Por ej em plo, el t elur io, con un núm er o atóm ico de 52, posee siet e isót opos. De ést os, los dos isót opos de m ás m asa, telur io 126 y t elur io 128, son los m ás abundant es. Por t ant o, el peso at óm ico del t eluro se conviert e en 127,6. El yodo t iene el núm er o at óm ico inm ediat am ent e super ior , el 53, pero est á for m ado por yodo- 127 solam ent e, y por t anto su peso at óm ico es 127. Cuando Mendeleiev colocó el y odo después del t elur o en su t abla per iódica, invir t iendo el or den cor r espondient e al peso at óm ico, sin saber lo se est aba guiando, en su lugar , por el núm er o at óm ico; y er a la form a cor r ect a de hacer lo. Veam os ot r o ej em plo. El pot asio ( núm ero at óm ico 19) est á for m ado por t r es isót opos, el potasio- 39, el pot asio- 40 y el pot asio- 41, pero el isót opo m ás ligero, pot asio- 39, es con m ucho el m ás abundante. En consecuencia, el peso at óm ico del pot asio es 39,1. El argón t iene un núm ero at óm ico infer ior ( 18) y est á form ado t am bién de t r es isót opos, ar gón- 36, argón- 38 y ar gón- 40. Pero en est e caso es el isót opo de m ás m asa, ar gón- 40, el que m ás abunda. Así, pues, el peso at óm ico del ar gón es aproxim adam ent e de 40. Cuando Ram say colocó el ar gón ant es del pot asio y no después, contr adiciendo a los pesos at óm icos, tam bién sin saber lo se est aba guiando por el núm er o at óm ico, y t am bién est aba act uando corr ect am ent e. El uso del espect r ógr afo de m asas per m it ió det er m inar el peso at óm ico m idiendo de hecho la m asa de cada isót opo y la cant idad ex ist ent e de cada uno de ellos, y t om ando luego el pr om edio. Est e m ét odo superaba en ex act it ud a los m ét odos quím icos para la m edición del peso at óm ico. Los difer ent es isót opos de un elem ent o dado poseen el m ism o núm er o at óm ico per o diferent es núm eros m ásicos. Los diferent es isót opos t endrán el m ism o núm ero de prot ones en sus núcleos, pero diferent e núm ero de neut rones. Así, el neón- 20, neón- 21 y neón- 22 t ienen t odos ellos 10 prot ones en su núcleo, de m odo que t odos t ienen un núm ero at óm ico de 10, y una disposición elect rónica de 2,8. Sin em bar go, el neón- 20 t iene un núcleo con 10 pr ot ones m ás 10 neut r ones; el neón- 21, uno con 10 pr ot ones m ás 11 neut rones; y el neón- 22, uno con 10 prot ones m ás 12 neut rones. La m ay or ía de los elem ent os (per o no t odos) pueden div idir se de est e m odo en isót opos. En 1935, el físico canadiense- am er icano Ar t hur Jeffr ey Dem pst er ( 18861950) halló, por ej em plo, que el ur anio, tal com o se pr esent aba en la nat ur aleza, er a una m ezcla de dos isót opos, a pesar de que su peso at óm ico ( 238,07) se aproxim aba a un núm er o ent er o. Se debía pr ecisam ent e a que uno de los isót opos ex ist ía en una pr opor ción m ucho m ay or. Un 99,3 por 100 de los át om os de ur anio t enían núcleos for m ados por 92 prot ones y 146 neut rones, o lo que es lo m ism o, un núm er o m ásico t ot al de 238. Se t r at aba de los át om os de ur anio- 238. El 0,7 por 100 rest ant e, en cam bio, poseía t res neut rones m enos, y const it uían los át om os de uranio- 235. Puest o que las pr opiedades radiact iv as dependen de la const it ución de los núcleos at óm icos, y no de la disposición elect r ónica, los isót opos de un elem ent o podían ser quím icam ent e sem ej ant es, per o bast ant e difer ent es desde el punt o de vist a de su r adiact iv idad. Así, m ient r as que el ur anio- 238 t enía una v ida m edia de cuat r o m il quinient os m illones de años, la del uranio-235 era sólo de set ecient os m illones de años36 . Adem ás, am bos son padr es de ser ies r adiact iv as difer ent es. Exist ían r azones t eór icas par a suponer que el pr opio hidr ógeno, el elem ent o m ás sim ple, podía est ar com puest o de un par de isót opos. Los átom os de hidr ógeno ordinar ios, con núcleos form ados por un solo prot ón, const it uyen el hidr ógeno- 1. Per o en 1931 el quím ico am er icano Harold Clay t on Ur ey ( 1893- 1981) ev apor ó lent am ent e cuat ro lit ros de hidr ógeno líquido; en el supuest o de que si ex ist ía algún isót opo de hidr ógeno m ás pesado, t endr ía un punt o de ebullición m ás alt o, y ev aporar ía m ás lent am ent e, con lo que se acum ular ía en el r esiduo. Efect ivam ent e, en el cent ím et ro cúbico final de hidrógeno, Urey pudo det ect ar signos inequívocos de la exist encia de hidrógeno- 2, cuyo núcleo se com ponía de un pr ot ón m ás un neut r ón. El hidr ógeno- 2 r ecibió el nom br e especial de deut er io. Tam poco el oxígeno se libr aba. En 1929, el quím ico am er icano William Fr ancis Clauque ( n. 1895) logr ó dem ostr ar que el oxígeno est aba form ado de t r es isót opos. La v ar iedad m ás abundant e, que com pr endía cer ca del 99,8 por 100 del t ot al de át om os, era el oxígeno- 16. Su núcleo cont enía 8 prot ones m ás 8 neut rones. El rest o er a casi t odo oxígeno- 18 ( 8 prot ones m ás 10 neut r ones) , con un r esiduo de oxígeno- 17 ( 8 prot ones m ás 9 neut rones) . 36 Est o cont ribuy e t am bién a la diferencia, m encionada ant es, en las v idas m edias del t orio nat ural ( t orio- 23 2) y el t orio form ado a part ir de la escisión del uranio ( t orio- 234) , q ue cont iene dos neut rones adicionales en cada núcleo. Est o cr eaba un problem a. Ya desde el t iem po de Ber zelius, los pesos at óm icos se habían basado en la asignación arbit r ar ia de un peso de 16,0000 al át om o de oxígeno. Per o el peso at óm ico del ox ígeno podía ser solam ent e el pr om edio de peso de los t r es isót opos, y la pr opor ción de los isót opos en el oxígeno podía var iar liger am ent e de unas m uest r as a ot ras. Los físicos pr ocedier on a det er m inar los pesos at óm icos est ableciendo el de oxígeno- 16 com o igual a 16,0000, y est o les pr opor cionó una ser ie de v alor es ( el peso at óm ico físico) que er an unifor m em ent e m ay or es, en m uy pequeña cant idad, que los valor es que se habían est ado ut ilizando y per feccionando gr adualm ent e a lo largo del siglo XI X ( los pesos at óm icos quím icos) . Per o en 1961, las or ganizaciones int er nacionales, t ant o de quím icos com o de físicos, acordar on adopt ar un peso at óm ico est ándar , el del car bono 12, com o ex actam ent e igual a 12,0000. Est e nuev o valor est ándar er a casi ex act am ent e el de los ant iguos pesos at óm icos quím icos, y sin em bar go est aba vinculado a un solo isót opo, y no al pr om edio de v ar ios de ellos. Ca pít u lo 1 4 Re a ccione s nu cle a re s Cont enido: 1. La nueva t ransm utación 2. Radiactividad ar t ificial 3. Elem ent os t r ansur ánicos 4. Bom bas nuclear es 1 . La n ue va t ra n sm u t a ción Habiendo quedado claro que el át om o est aba for m ado por par t ículas m ás pequeñas, que se r eor denaban espont áneam ent e en las t r ansfor m aciones r adiact iv as, el siguient e paso par ecía pr áct icam ent e obligado. El hom br e podía r eordenar deliber adam ente la est r uct ur a at óm ica de las m oléculas en r eacciones quím icas or dinar ias. ¿Por qué no r eor denar ent onces los pr ot ones y neut rones del núcleo at óm ico en reacciones nucleares? Ciert am ent e, los prot ones y los neut rones se unen por fuerzas m ucho m ayores que las que unen a los át om os dent r o de las m oléculas, y los m ét odos que ser v ían par a llev ar a cabo las r eacciones or dinar ias no bast ar án par a las r eacciones nuclear es; per o los hom br es que habían r esuelt o el r om pecabezas de la r adiact iv idad, se hallaban en el lum inoso cam ino del éxit o. Fue Rut her for d quien dio el pr im er paso. Bom bar deó div er sos gases con par t ículas alfa, y halló que en ocasiones una par t ícula alfa golpeaba el núcleo de un át om o y lo desor denaba ( v éase fig. 23) . De hecho, Rut her for d dem ostr ó en 1919 que las par t ículas alfa podían ar rancar pr ot ones de los núcleos de nit r ógeno, y fusionar se con lo que quedaba. El isót opo m ás abundant e del nit rógeno es el nit rógeno- 14, que t iene un núcleo form ado por 7 pr ot ones y 7 neut r ones. Quit em os un pr ot ón y añadam os los 2 pr ot ones y los 2 neut rones de la part ícula alfa, y nos encont rarem os con un núcleo que posee 8 pr ot ones y 9 neut r ones. Se tr at a del oxígeno- 17. La par t ícula alfa puede considerarse com o un helio- 4, y el pr ot ón com o un hidr ógeno- 1. Se deduce ent onces que Rut her for d llev ó t r iunfalm ent e a cabo la pr im er a r eacción nuclear hecha por el hom br e: nit rógeno 14 + helio 4 - - > oxígeno 17 + hidrógeno 1 Est o es un aut ént ico ej em plo de t ransm ut ación, de conversión de un elem ent o en ot r o. En cier t o m odo er a la culm inación de los v iej os anhelos alquim ist as, per o, desde luego, im plicaba elem ent os y t écnicas con los cuales los alquim ist as no habían ni siquier a soñado. Durant e los cinco años siguient es, Rut herfor d llevó a cabo m uchas ot ras r eacciones nuclear es m anej ando par t ículas alfa. Lo que podía hacer , no obst ant e, era lim it ado, y a que los elem ent os r adiact iv os pr opor cionaban par t ículas alfa de baj a energía. Para conseguir m ás, se r equer ían par t ículas m ás ener gét icas. Figura 23. El experim ent o de Rut herford conduj o al concept o de núcleo, y abr ió las puer t as a la m oder na física nuclear. Las part ículas alfa em it idas por la fuent e r adiactiva se desviaban al pasar a t ravés de un pan de or o. El gr ado de desviación quedaba r egist rado cuando las par t ículas chocaban con la placa fot ogr áfica. Los físicos se dedicar on a la tar ea de diseñar m ecanism os par a aceler ar las par t ículas cargadas en un cam po eléct r ico, obligándolas a m over se cada v ez m ás r ápido, y a poseer, por tant o, cada v ez m ás ener gía. El físico inglés John Douglas Cockcr oft ( 1897- 1967) y su colabor ador , el físico ir landés Er nest Thom as Sint on Walt on ( n. 1903) , fuer on los pr im er os en diseñar un aceler ador capaz de pr oducir par t ículas lo bast ant e ener gét icas com o par a llev ar a cabo una r eacción nuclear , lo que consiguier on en 1929. Tr es años m ás tar de, bom bar dear on át om os de lit io con pr ot ones aceler ados, y pr oduj er on par t ículas alfa. La r eacción nuclear er a: hidr ógeno 1 + lit io 7 —> helio 4 + helio 4 En el apar at o de Cockcr oft - Walt on, y en ot r os que se est aban pr oyect ando, las par t ículas se aceler aban en línea r ect a, y er a difícil const r uir aparat os lo bast ant e lar gos par a pr oducir ener gías m uy alt as. En 1930, el físico am er icano Er nest Or lando Lawr ence ( 1901- 58) diseñó un aceler ador que obligaba a las par t ículas a m over se según una espiral que se am pliaba lent am ent e. Un ciclot r ón r elat iv am ent e pequeño de est e t ipo podía producir par t ículas ener gét icas. El pr im er o y m inúsculo ciclot r ón de Law rence fue el ant ecesor de los enor m es inst r um ent os act uales de m edia m illa de cir cunfer encia, que se han ut ilizado par a t r at ar de r esponder a las pr egunt as fundam ent ales r elat iv as a la est r uct ur a de la m at er ia. En 1930, el físico inglés Paul Adr ien Maur ice Dir ac ( 1902) había pr opuest o r azones t eór icas par a suponer que t ant o los prot ones com o los elect r ones debían poseer aut ént icos cont r ar ios (ant i par t ículas) . El ant i- elect r ón debía poseer la m asa de un elect r ón per o est ar car gado posit iv am ent e, m ient r as que el ant i- pr ot ón t endr ía la m asa de un pr otón, pero est ar ía car gado negat iv am ent e. El ant i- elect r ón fue det ect ado efect iv am ent e en 1932 por el físico am er icano Car i David Anderson ( n. 1905) en su est udio sobr e los rayos cósm icos 37 . Cuando las par t ículas de los rayos cósm icos chocan con los núcleos at óm icos en la at m ósfera, se pr oducen algunas par t ículas que gir an en un cam po m agnét ico ex act am ent e igual que los elect r ones, per o en sent ido cont r ar io. Ander son denom inó posit r ón ala par t ícula de est e t ipo. El ant i- pr ot ón se r esist ió a ser det ect ado dur ant e ot r o cuar t o de siglo. Com o el ant ipr ot ón es 1.836 veces m ás pesado que el ant i- elect r ón, se r equier e 1.836 v eces 37 Los ray os cósm icos consist en en part ículas que ent ran en la at m ósfera t errest re procedent es del espacio ext erior . Las part ícu las ( en su m ay or part e prot ones) son im pulsad as hast a energías casi inim aginables por aceleración a t rav és de cam pos eléct ricos asociados a las est rellas y a la m ism a galax ia. m ás ener gía para su for m ación. Las ener gías necesar ias no se or iginar on en disposit iv os cr eados por el hom br e hast a la década de los 50. Ut ilizando aceler ador es gigant es, el físico it alo- am er icano Em ilio Segr é ( n. 1905- 89) y su colaborador el físico am er icano Ow en Cham ber lain ( n. 1920) lograr on producir y det ect ar el ant i- prot ón en 1955. Se ha apunt ado que m uy bien pueden exist ir át om os en los que los núcleos car gados negat iv am ent e, cont eniendo ant i- pr ot ones, est én r odeados por posit r ones car gados posit iv am ent e. Tal ant im at er ia no podr ía exist ir m ucho t iem po sobr e la t ier r a o, quizás, en ninguna par t e de nuest ra galax ia, y a que, a su contact o am bas, m at er ia y ant im at er ia, ser ían aniquiladas en una gran ex plosión de ener gía. Sin em bargo, los astr ónom os se pr egunt an si podr án ex ist ir galax ias ent er as for m adas por ant im at er ia. Si así fuese, ser ían m uy difíciles de det ect ar . 2 . Ra dia ct iv ida d a r t ificia l Las pr im eras r eacciones nuclear es llev adas a cabo con éx it o pr oduj er on isót opos que y a se sabía ex ist ían en la nat ur aleza. Per o no siem pr e t enía que ser así. Supongam os que se consiguiera una com binación de neut rón- prot ón no exist ent e en la nat ur aleza, t al com o un siglo antes se habían producido m oléculas or gánicas que t am poco se daban en la nat ur aleza. Est e fenóm eno se consiguió de hecho en 1934, por el equipo de físicos fr anceses, m ar ido y m uj er , Fr édér ic Joliot - Cur ie ( 1900- 58) e I rene Joliot - Cur ie ( 1897- 195 6) , est a últ im a hij a de los Curie ( pág. 217) , fam osos por sus t r abaj os sobr e el r adio. Los Joliot - Cur ie est aban bom bardeando alum inio con par t ículas alfa. Después de int er r um pir el bom bardeo descubr ier on que el alum inio cont inuaba ir r adiando par t ículas por sí m ism o. Descubr ier on que habían em pezado con alum inio- 27 ( 13 pr ot ones m ás 14 neut rones) , y t erm inaron con fósforo- 30 ( 15 prot ones m ás 15 neut rones) . Per o el fósfor o, tal com o se pr esent a en la nat ur aleza, está const it uido por una sola v ar iedad at óm ica, el fósfor o- 31( 15 pr otones m ás 16 neut r ones) . Así, pues, el fósfor o- 30 er a un isót opo ar t ificial, que no se present aba en la nat uraleza. La r azón por la que no se hallaba en ést a era evident e; er a r adiact iv o, con una v ida m edia de solam ent e cat or ce días. Su r adiact iv idad er a la fuent e de la cont inua r adiación de par t ículas que los Joliot - Cur ie habían obser vado. Los Joliot - Cur ie habían pr oducido el pr im er caso de r adiact iv idad ar t ificial. Desde 1934 se han for m ado m iles de isót opos no exist ent es en la nat ur aleza, y t odos ellos son r adiact iv os. Cada elem ent o posee uno o m ás isót opos radiact iv os. I ncluso el hidr ógeno tiene uno, el hidr ógeno- 3 ( llam ado t am bién t r it io) con una vida m edia de doce años. Un isót opo de carbono radiact iv o poco com ún, el car bono 14, fue descubier t o en 1940 por el quím ico am er icano- canadiense Mar t in D. Kam en ( n. 1913) . Par t e de est e isót opo se for m a por bom bardeo de los r ayos cósm icos sobr e el nit r ógeno en la at m ósfera. Est o significa que est am os cont inuam ent e r espir ando algo de carbono14, e incor porándolo a nuestr os t ej idos, igual que t odas las for m as de v ida. Una v ez que la for m a v iv a m uer e, la incor por ación cesa y el car bono- 14 ya pr esent e se t ransm ut a lent am ent e. El car bono- 14 t iene una v ida m edia de unos cinco m il años, de m odo que las cant idades significat iv as que subsist an en un m at er ial ( m ader a, t ex t iles) se r em ont an a los t iem pos pr ehist ór icos. El quím ico am er icano Willar d Fr ank Libby ( 1908- 80) ideó una t écnica par a hallar la edad de los r est os ar queológicos por su cont enido en car bono- 14, del m ism o m odo que la edad de la cor t eza t err est r e puede obt ener se a par t ir de sus cont enidos en ur anio y plom o. Así, la quím ica ha pasado a t ener una aplicación dir ect a para los hist or iador es y ar queólogos. Los com puest os quím icos pueden sint et izarse con isót opos poco corr ient es, incor porados en lugar de los or dinar ios. Ést os podr ían ser, por ej em plo, los r ar os isót opos est ables ( hidr ógeno- 2 en lugar del hidr ógeno- 1, carbono- 13 en lugar del car bono- 12, nit r ógeno- 15 en lugar del nit r ógeno- 14, y ox ígeno- 18 en lugar del oxígeno- 16) . Si los anim ales ingier en t ales com puest os m ar cados y a cont inuación se sacrifican y se analizan sus t ej idos, los com puest os en los que se encuent ren los isót opos pr oporcionarán una infor m ación significat iv a. Result a así posible deducir m ecanism os de r eacción dent r o del t ej ido viv o, que de ot r o m odo pasar ían inadver t idos. Un innovador en est e t ipo de tr abaj o fue el bioquím ico ger m anoam er icano Rudolf Schoenheim er ( 1898- 1941) , quien r ealizó im por t ant es invest igaciones sobr e grasas y pr ot eínas ut ilizando hidr ógeno- 2 y nit r ógeno- 15 en los años post er ior es a 1935. El uso de los isót opos radiact iv os hace posible r econst r uir las r eacciones aún m ás ex act am ent e, per o hast a después de la Segunda Guer ra Mundial no se llegó a disponer de dichos isót opos en cant idad. Un ej em plo de lo que puede r ealizar se con los isót opos fue el t r abaj o del bioquím ico am er icano Melvin Calvin ( n. 1911) . Ut ilizó el carbono- 14 durant e los años cincuent a para seguir la pist a a m uchas de las r eacciones im plicadas en el pr oceso de la fot osínt esis. Y lo llevó a cabo con un det alle que sólo veint e años ant es se habr ía j uzgado com plet am ent e im posible. No sólo se for m ar on isót opos ar t ificiales, sino t am bién elem ent os ar t ificiales. En 1937, Lawr ence, el invent or del ciclot r ón, había bom bar deado una m uestr a de m olibdeno ( núm ero atóm ico 42) con deut erones ( núcleos de hidrógeno- 2) enviando la m uest r a bom bardeada a Segr é, a Rom a. ( Más adelant e Segr é volv er ía a los Est ados Unidos, y en su nuev a r esidencia descubr ir ía el ant i- pr ot ón) . Segré, en un int enso est udio, halló que la m uest ra cont enía rest os de una nueva sust ancia radiact iva, que result ó consist ir en át om os del elem ent o cuyo núm er o at óm ico er a 43. Por ent onces, aquel elem ent o no había sido descubier t o en la nat ur aleza ( a pesar de algunas falsas alarm as) y por eso se llam ó t ecnecio, de una palabr a gr iega que significa «ar t ificial». Poster ior m ent e se llenar on los t r es huecos r est ant es de la t abla per iódica. En 1939 y 1940 se descubrier on los elem ent os núm er o 87 ( fr ancio) y núm er o 85 ( as- tat o) , y en 1947 se r ellenó el últ im o hueco, el cor r espondient e al elem ent o núm er o 61 ( prom ecio) . Todos est os elem ent os son radiact ivos. El ast at o y el fr ancio se for m an a par t ir del ur anio sólo en m ínim as cant idades, y su escasez explica por qué no se habían descubiert o ant es. El t ecnecio y el prom ecio se for m an en cant idades aún m ás pequeñas, y su r ar eza r eside en el hecho de que son los únicos elem ent os de núm ero at óm ico inferior a 84 que no poseen ningún isót opo est able. 3 . Ele m e n t os t ra n sur á nicos Las pr im eras par t ículas ut ilizadas par a bom bar dear los núcleos at óm icos estaban car gadas posit iv am ent e: el pr ot ón, el deut er ón y la par t ícula alfa. Tales par t ículas car gadas posit iv am ent e son r echazadas por los núcleos at óm icos cargados posit iv am ent e, y a que las cargas eléct r icas del m ism o signo se r epelen ent r e sí. Hace falt a m ucha ener gía par a obligar a las par t ículas r ápidas a v encer la r epulsión y chocar con los núcleos, y por eso las reacciones nucleares eran bast ant e difíciles de conseguir . El descubr im ient o del neut rón abrió nuevas posibilidades. Com o los neut rones no poseían carga, los núcleos at óm icos no los r epeler ían. Un neut r ón podía chocar fácilm ent e con un núcleo at óm ico, sin resist encia, si el neut rón acert aba a m overse en la dir ección cor r ect a. El pr im er o que inv est igó en det alle el bom bar deo con neut r ones fue el físico it aliano Enr ico Fer m i ( 1901- 1954) . Com enzó su t rabaj o casi inm ediat am ent e después de ent erar se del descubr im ient o del neut rón . Halló que un haz de neut rones era par t icularm ent e eficaz par a iniciar r eacciones nuclear es, si pr im er o se hacía pasar a t r avés de agua o par afina. Los át om os ligeros de est os com puest os absor bían par t e de la ener gía de los neutr ones en cada colisión, y lo hacían sin absor ber a los pr opios neut r ones. De est e m odo, los neut r ones er an fr enados hasta que se m ovían sólo con la v elocidad nor m al de las m oléculas a la t em per at ura am bient e. Tales neut r ones t ér m icos perm anecían en las pr oxim idades de un núcleo det er m inado dur ant e una fr acción de segundo m ás lar ga, y er an absor bidos con m ás probabilidad que los neut r ones r ápidos. Cuando un neut rón es absorbido por un núcleo at óm ico, dicho núcleo no se convier t e necesar iam ent e en un nuevo elem ent o. Puede conver t ir se sim plem ent e en un isót opo m ás pesado. Así, si el oxígeno- 16 ganase un neut rón ( con un núm ero de m asa de 1) , pasar ía a oxígeno- 17. Sin em bargo, al ganar un neut r ón un elem ent o puede conv er t ir se en un isót opo radiact iv o. En ese caso, se descom pondrá em it iendo por lo gener al una par t ícula bet a, lo que según la r egla de Soddy significar ía que habr ía pasado a ser un elem ent o sit uado un puest o m ás alt o en la t abla per iódica. Así, si el oxígeno- 18 ganase un neut r ón, pasar ía a oxígeno- 19 r adiact iv o. Est e isót opo em it ir ía una par t ícula bet a y se conv er t ir ía en flúor - 19 est able. De est e m odo, el oxígeno se h abr ía conver t ido en ot r o elem ent o ( un núm er o at óm ico m ayor ) por bom bardeo neut r ónico. En 1934 se le ocur r ió a Fer m i bom bar dear el ur anio con neut r ones, par a ver si podía pr oducir átom os m ás pesados que el uranio ( elem ent os t r ansur ánicos) . En aquella época el ur anio t enía el m ay or núm er o at óm ico de la t abla per iódica, per o ello podía significar sim plem ent e que los elem ent os d e núm ero at óm ico m ayor t uviesen vidas m edias dem asiado cor tas par a haber sobrev iv ido al lar go pasado hist ór ico de la Tier r a. Al pr incipio, Fer m i cr ey ó r ealm ent e que había sint et izado el elem ent o núm er o 93, per o los r esult ados que obt uv o er an confusos y conduj er on a algo m ucho m ás espect acular , com o se descr ibirá en br eve. Estos otr os hallazgos dist r aj er on la at ención, durant e algunos años, de la posible for m ación de elem ent os t ransuránicos. Sin em bar go, en 1940, el físico am er icano Edw in Mat t ison McMillan ( n. 1907) y su colaborador el quím ico Philip Hauge Abelson ( n. 1913) , en su t r abaj o sobr e el bom bardeo neut rónico del uranio, det ect aron de hecho un nuevo t ipo de át om o. Al ser est udiado, r esult ó cor r esponder al de núm er o at óm ico 93, y lo denom inar on nept unio. I ncluso el isót opo del nept unio de m ás larga vida, el nept unio- 237, t enía una v ida m edia liger am ent e super ior a dos m illones de años, no lo bast ant e lar ga com o para per m it ir le sobr ev iv ir a t r avés de la lar ga hist or ia de la Tier r a. El nept unio- 237 er a el ant ecesor de una cuar ta ser ie r adiact iv a. A McMillan se le unió ent onces el físico am er icano Glenn Theodor e Seabor g ( n. 1912) , y j unt os form aron e ident ificar on el plut onio, elem ent o núm ero 94, en 1941. Baj o la dir ección de Seaborg, un gr upo de cient íficos de la Univ er sidad de Califor nia, dur ant e los siguientes diez años, aisló una m edia docena de nuevos elem ent os: am er icio ( núm er o 95), cur io ( núm er o 96) , ber k elio ( núm er o 97) , califor nio ( núm er o 98) , einst enio ( núm ero 99) y fer m io ( núm ero 100) . No par ecía haber razones para suponer que ningún núm er o at óm ico r epr esent ase un m áx im o absolut o. Sin em bar go, cada elem ent o er a m ás difícil de for m ar que el ant er ior , y se pr oducía en cant idades m ás pequeñas. Y lo que es m ás, las vidas m edias se hacían t an cor tas que lo que se for m aba se desvanecía cada v ez m ás r ápidam ent e. No obst ant e, en 1955 se for m ó el m endelevio ( núm er o 101) ; en 1957, el nobelio ( núm ero 102) , y en 1961 el laurencio ( núm ero 103) . En 1964 los físicos r usos publicaron la obt ención del elem ent o núm ero 104 en cant idades m uy pequeñas. Seabor g y su gr upo descubr ier on que los elem ent os t r ansur ánicos eran t an sem ej antes ent r e sí com o las t ier r as r ar as, y por la m ism a r azón. Nuev os elect r ones se añaden a una capa elect r ónica int er na, dej ando a la capa elect r ónica m ás ext erna con un cont enido constant e de t res elect rones. Los dos grupos de elem ent os sem ej ant es se diferencian denom inando al m ás ant iguo, que com ienza con el lant ano ( núm er o at óm ico 57) , el de los lant ánidos, m ient ras que el m ás m oder no, que com ienza con el act inio ( núm er o at óm ico 89) , es el de los act ínidos. Con el descubr im ient o del laur encio se habían for m ado t odos los act ínidos. Se esper a que el elem ent o núm er o 104 t enga pr opiedades bast ant e difer ent es a las de los act ínidos. 4 . Bom ba s nu clea re s Per o ¿qué fue del t r abaj o or iginal de Fer m i sobr e el bom bardeo del ur anio con neut r ones? Su sospecha de que se había for m ado el elem ent o núm er o 93 no pudo confir m arse ent onces, ya que t odos los físicos que t r abaj aban para aislar lo fr acasaron. Ent r e los que se habían unido a la invest igación se hallaban Hahn y Meit ner , los descubr idor es del pr otact inio veint e años ant es. Tr atar on el ur anio bom bardeado con bar io, lo que al pr ecipit ar or iginó det er m inada fr acción de un m at er ial fuer t em ent e r adiact iv o. Esta r eacción les hizo suponer que uno de los product os del bom bardeo er a r adio. El r adio es quím icam ent e m uy sem ej ante al bar io, y era de esper ar que acom pañase al bar io en cualquier m anipulación quím ica. Sin em bar go no se pudo obt ener r adio de las fracciones que cont enían bar io. Hacia 1938, Hahn com enzó a pr egunt ar se si no ser ía un isót opo r adiact iv o del pr opio bar io el que se había for m ado a part ir del ur anio en el cur so del bom bar deo neut r ónico. Ese bar io radiact iv o se fusionar ía con el bar io ordinar io, y los dos com puest os no podr ían separar se después m ediant e las t écnicas quím icas or dinar ias. No obst ant e, tal com binación par ecía im posible. Todas las r eacciones nuclear es conocidas hast a 1938 habían im plicado cam bios de sólo 1 o 2 unidades en el núm er o at óm ico. Cam biar el ur anio en bar io significaba un descenso, en el núm er o at óm ico, ¡de 36! Ser ía com o pensar que el át om o de ur anio se hubiese par t ido apr oxim adam ent e por la m it ad ( fisión del ur anio) . Hahn se r esist ía incluso a especular con t al posibilidad, por lo m enos en público. En 1938, la Alem ania nazi invadió y se anexionó Aust r ia. Lise Meit ner , aust r iaca, se v io obligada a ex iliar se debido a su or igen judío. Desde su lugar de ex ilio en Suecia, los peligr os que había pasado debier on hacer que los r elacionados con el r iesgo de com et er un er r or cient ífico par eciesen r ealm ent e pequeños, y publicó la t eor ía de Hahn de que los át om os de ur anio, al ser bom bar deados con neut r ones, sufr ían una fisión. Est e ar t ículo cr eó una gr an ex cit ación debido a las hor r ibles posibilidades que suscit aba. Si un átom o de ur anio, al absor ber un neut r ón, se r om pe en dos át om os m ás pequeños, ést os necesit arán m enos neut rones que los que exist ían originalm ent e en el át om o de uranio 38 . Est os neut rones superfluos serían em it idos, y al ser absorbidos por ot r os át om os de ur anio, ést os t am bién sufr ir ían una escisión, y em it irían t odavía m ás neut r ones. Cada át om o de ur anio escindido pr ovocar ía la escisión de v ar ios m ás, en una r eacción nuclear en cadena, con un r esult ado sem ej ante al de la r eacción quím ica en cadena del hidr ógeno y el clor o. Per o com o las r eacciones nuclear es im plicaban int ercam bios energét icos m ucho m ayores que las reacciones quím icas, los r esult ados de una r eacción nuclear en cadena ser ían m ucho m ás form idables. Part iendo de unos cuant os neutrones, con una insignificant e inversión de energía, podr ían liber ar se r eser v as colosales de ener gía. La Segunda Guerr a Mundial est aba a punto de est allar . El Gobier no de los Est ados Unidos, t em iendo que las tr em endas ener gías de los núcleos at óm icos pudiesen ser desencadenadas por los nazis, lanzó un pr ogr am a de invest igación par a obt ener dicha r eacción en cadena y colocar el ar m a en sus pr opias m anos. Las dificult ades er an m uchas. Había que hacer chocar con el ur anio t ant os neut rones com o fuese posible, ant es de qu e abandonasen el uranio t ot alm ent e. Por est a r azón el uranio t enía que encont r arse en cant idades bast ant e grandes ( el t am año necesar io es la m asa cr ít ica) , con el fin de dar la opor t unidad necesar ia a 38 En general, cuant o m ay or es la m asa de un át om o, m ay or es el núm ero de neut r ones que requiere en propor ción a su núm ero m ásico. Así, el calcio- 40 cont iene 20 neu t rones, un 50 por 1 00 de su núm ero m ásico, m ient ras que el uranio- 238 cont iene 146 neut r ones, un 65 por 100 de su nú m ero m ásico. los neut rones. Sin em bargo, cuando em pezó la invest igación se disponía de m uy poco uranio, ya que la sust ancia apenas t enía aplicaciones ant es de 1940. A cont inuación había que r et ardar neut r ones a fin de aum entar la pr obabilidad que fuesen absorbidos por el ur anio. Est o significaba el em pleo de un m oderador , una sust ancia con át om os liger os ant e la cual los neut r ones r ebot ar ían. Dicho m oderador podía consist ir en bloques de grafit o o agua pesada. Para m ay or dificult ad, no t odos los át om os de ur anio ex per im ent aban una fisión al absor ber un neut rón, sino sólo el isót opo bast ant e rar o ur anio- 235, lo cual obligó a idear m ét odos para aislar y concent r ar el ur anio- 235. Er a una labor sin pr ecedent es, y a que nunca hast a ent onces se había llev ado a cabo la separ ación de isót opos a gr an escala. Un m ét odo con éx it o er a el que hacía uso del hex afluor ur o de ur anio, que r equer ía un enor m e av ance en el m anej o de los com puest os de flúor . El plut onio, elem ent o cr eado por el hom br e, se com probó que t am bién er a fisionable, y t r as su descubr im ient o en 1941 hubo que esfor zar se en pr oducir lo en gr andes cant idades. Fer m i, que había abandonado I t alia en 1938 y había m ar chado a los Est ados Unidos, fue encar gado de est a t ar ea. El 2 de diciem br e de 1942, una pila at óm ica de ur anio, óxido de ur anio y gr afit o alcanzó el t am año «cr ít ico». La r eacción en cadena se m ant enía, produciendo ener gía a t r avés de la fisión de ur anio. Hacia 1945 se fabr icar on cier t os disposit iv os en los que al ex plot ar una pequeña car ga de ex plosiv o se j unt an dos tr ozos de ur anio. Cada tr ozo por separ ado se hallaba por debaj o de la m asa cr ít ica, per o j unt as la superaban. A causa del bom bardeo con ray os cósm icos, la at m ósfer a cont iene siem pr e neut r ones per didos, de m odo que en la m asa cr ít ica de uranio se or igina inst ant áneam ent e una r eacción nuclear en cadena, que ex plot a con fur ia hast a ent onces inim aginable. En j ulio de 1945 se hizo exp lot ar en Alam ogordo, Nuevo Méj ico, la pr im er a «bom ba at óm ica» o «bom ba- A» ( m ás ex act am ent e denom inada una bom ba de fisión) . Un m es después se fabr icar on e hicier on ex plot ar dos bom bas m ás sobr e Hir oshim a y Nagasak i, en Japón, al final de la Segunda Guer ra Mundial. Sin em bar go, la fisión del ur anio no se ut iliza ex clusiv am ent e par a destr uir . Cuando la pr oducción de ener gía se logr a m ant ener const ant e y a un niv el segur o, la fisión puede ut ilizar se con fines const r uct iv os. Las pilas at óm icas, r ebaut izadas m ás ex act am ent e com o r eact or es nuclear es, han pr olifer ado durant e los años 50 y 60. Se ut ilizan par a pr opulsar subm ar inos y bar cos de super ficie, y t am bién para pr oducir ener gía, en for m a de elect r icidad, con fines civ ilizados. Apar t e de la fisión de át om os pesados tam bién puede obt ener se ener gía de la unión de dos núcleos at óm icos liger os en uno algo m ás pesado ( fusión nuclear ) . En par t icular, se pueden obt ener ener gías colosales si se fusionan núcleos de hidr ógeno y de helio. Con el fin de pr ovocar la unión de los át om os de hidr ógeno, super ando la pr ot ección que supone el elect r ón que r odea al núcleo, deben adm inist r ar se ener gías alt ísim as. Tales ener gías se alcanzan en el cent r o del sol y de las dem ás est r ellas. La r adiación solar ( que llega a la Tier r a en cant idades que no han dism inuido a lo lar go de m iles de m illones de años) es la ener gía pr oducida por la fusión nuclear de m illones de t oneladas de hidr ógeno en cada segundo. En los años 50, la ener gía necesar ia podía conseguir se t am bién haciendo ex plot ar una bom ba de fisión, y se idear on m ét odos par a ut ilizar est a bom ba com o det onant e de una var iedad de bom ba nuclear t odav ía m ay or y m ás dest r uct iv a. El result ado fue lo que se conoce indist int am ent e con el nom br e de « bom ba de hidr ógeno», «bom ba H», «ingenio t er m onuclear », o m ás ex act am ent e bom ba de fusión. Se han const ruido y hecho explot ar bom bas de fusión que t ienen m iles de veces el pot encial dest r uct iv o de las pr im er as bom bas de fisión que dest r uyer on dos ciudades en el Japón. Una sola bom ba de fusión podr ía destr uir com plet am ent e la ciudad m ás grande, y si t odas las bom bas de fusión ex ist ent es en la act ualidad se hiciesen explot ar sobr e div er sas ciudades, es posible que se ex t inguier a la v ida por la ex plosión y el fuego dir ect os y por la radiact iv idad disper sada ( lluvia r adiact iv a) . Per o incluso la bom ba de fusión puede t ener aplicaciones aj enas a t odo t ipo de dest r ucción. Ent r e los t r abaj os ex per im ent ales m ás im por tant es que se est án r ealizando en la act ualidad, se encuent r a el int ent o de pr oducir t em per at ur as ex t r em adam ent e alt as, de m iles de m illones de gr ados, en for m a contr olada ( y no en el cent r o de una bom ba de fisión en ex plosión) , y de m ant ener dichas t em per at ur as lo bast ant e com o par a act iv ar una r eacción de fusión. Si se consigue luego que dicha r eacción de fusión se desar r olle a una v elocidad cont r olada, pueden obt ener se cant idades fant ást icas de energía. El com bust ible ser ía el deut er io, o hidr ógeno pesado, que se encuent r a en cant idades tr em endas en los océanos, cant idades suficient es par a dur ar nos m illones de años. Hasta ahor a, la especie hum ana j am ás se había t enido que enfr ent ar con la posibilidad de una ex t inción t ot al con una guer ra de bom bas de fusión, com o t am poco había t enido ocasión de confiar en una pr osper idad sin pr ecedent es al dom inar esa m ism a bom ba de fusión. Cualquier a de est os dest inos podr ía r esult ar de una sola r am a del av ance cient ífico. Est am os adquir iendo conocim ient o; la ciencia nos lo pr opor ciona. A par tir de ahor a pr ecisam os t am bién cor dur a.