I n t r odu cción La concisión, am enidad y eficacia didáct ica caract eríst icas de I saac Asim ov hacen de est a Breve Hist oria de la Quím ica un inst rum ent o inm ej orable para t odo aquel que est é int eresado en aproxim arse a est a ciencia. Asim ov t raza la evolución 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 eraciones en la nat uraleza de las sust ancias de una form a int uit iva, hast a la edad m oderna, m om ent o en el que, a t ravés de la adquisición progresiva de rigor m et odológico y la acot ación del t erreno de est udio, se va const it uyendo plenam ent e com o disciplina cient ífica. Ca pít u lo 1 La a n t igü e da d Cont enido: 1. La piedra y el fuego 2. Los m et ales 3. Grecia: los elem ent os 4. Grecia: los át om os 1 . La pie dr a y e l fu e go Los prim eros hom bres que em pezaron a ut ilizar inst rum ent os se servían de la nat uraleza t al com o la encont raban. El fém ur de un anim al de buen t am año o la ram a arrancada de un árbol eran m agníficas garrot as. Y, ¿qué m ej or proyect il que una piedra? Con el paso de los m ilenios, los hom bres prim it ivos aprendieron a t allar las piedras, dándoles un borde cort ant e o una form a que perm it iera asirlas fácilm ent e. El siguient e paso consist ió en unir la piedra a un ast il de m adera t allado para est e propósit o. Pero, de t odas form as, sus piedras t alladas seguían siendo piedras, y su m adera t allada seguía siendo m adera. Sin em bargo, había ocasiones en que la nat uraleza de las cosas sí cam biaba. Un rayo podía incendiar un bosque y reducirlo a un m ont ón de cenizas y rest os pulverizados, que en nada recordaban a los árboles que había ant es en el m ism o lugar. La carne conseguida m ediant e la caza podía est ropearse y oler m al; y el j ugo de las frut as podía agriarse con el t iem po, o convert irse en una bebida ext rañam ent e est im ulant e. Est e t ipo de alt eraciones en la nat uraleza de las sust ancias ( acom pañadas, com o a veces descubrían los hom bres, de cam bios fundam ent ales en su est ruct ura) 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 ruct ura de una sust ancia es un cam bio quím ico. La posibilidad de beneficiarse deliberadam ent e de algunos fenóm enos quím icos se hizo realidad cuando el hom bre fue capaz de producir y m ant ener el fuego ( lo que en t érm inos hist óricos se conoce com o «descubrim ient o del fuego») . Tras est e hallazgo el hom bre se convirt ió en un quím ico práct ico al idear m ét odos para que la m adera - u ot ro m at erial com bust ible- se com binase con el aire a una velocidad suficient e y producir así luz y calor, j unt o con cenizas, hum o y vapores. Había que secar la m adera y reducir a polvo una part e para ut ilizarla com o yesca; había que em plear algún m ét odo - com o el frot am ient o- para alcanzar la t em perat ura de ignición, y así sucesivam ent e. El calor generado por el fuego servía para producir nuevas alt eraciones quím icas: los alim ent os podían cocinarse, y su color, t ext ura y gust o cam biaban. El barro podía cocerse en form a de ladrillos o de recipient es. Y, finalm ent e, pudieron confeccionar cerám icas, piezas barnizadas e incluso obj et os de vidrio. Los prim eros m at eriales que usó el hom bre eran universales, en el sent ido de que se encuent ran en cualquier part e: m adera, hueso, pieles, piedras... De t odos ellos la piedra es el m ás duradero, y los út iles de piedra t allada son los docum ent os m ás claros de que disponem os act ualm ent e para conocer aquel dilat ado periodo. Por eso hablam os de la Edad de la Piedra. Aún est aba el hom bre en est a época de la piedra t allada cuando, unos 8.000 años a. de C, en la región que ahora conocem os com o Orient e Medio, se int roduj o un cam bio revolucionario en la producción de alim ent os: hast a ahora el hom bre obt enía la com ida cazando, igual que cualquier ot ro anim al. Pero a part ir de est e m om ent o aprendió a dom est icar y cuidar anim ales, disponiendo así siem pre de com ida abundant e y segura. Y, lo que es aún m ás im port ant e, aprendió a cult ivar las plant as. Com o consecuencia de la acum ulación de alim ent os que t raj eron consigo la cría de anim ales y la agricult ura, se regist ró un im port ant e aum ent o de la población. La agricult ura exige fij ar el lugar de residencia, y así nuest ros ant ecesores const ruyeron viviendas, desarrollándose poco a poco las prim eras ciudades. Est a evolución det erm ina lit eralm ent e el com ienzo de la «civilización», pues est a palabra viene del t érm ino que en lat ín significa «ciudad». Durant e los dos prim eros m ilenios de est a civilización nacient e, la piedra se m ant uvo com o m at erial caract eríst ico de los inst rum ent os, si bien se descubrieron nuevas t écnicas de m anufact ura. Est a Nueva Edad de la Piedra o Neolít ico se caract erizó por un cuidadoso pulido de la piedra. La alfarería fue ot ro de los fact ores que cont ribuyeron al desarrollo. Lent am ent e, los logros del Neolít ico superior se ext endieron fuera de la región de Orient e Medio. Hacia el año 4000 a. de C. aparecen caract eríst icas de est a cult ura en el oest e de Europa. Pero en est a época las cosas ya est aban suficient em ent e m aduras en Orient e Medio, Egipt o y Sum eria, lo que hoy es I rak, para que se produj esen nuevos cam bios. El hom bre em pezaba a servirse de unos m at eriales relat ivam ent e raros. Alent ado por las út iles propiedades de est os m at eriales, aprendió a sobrellevar las incom odidades de una búsqueda t ediosa y unos procedim ient os com plicados y llenos de cont rariedades. A est os m at eriales se les conoce por el nom bre de m et ales, palabra que expresa ella m ism a el cam bio, ya que probablem ent e deriva del vocablo griego que significa «buscar». 2 . Los m e t a le s Los prim eros m et ales debieron de encont rarse en form a de pepit as. Y con seguridad fueron t rozos de cobre o de oro, ya que ést os son de los pocos m et ales que se hallan libres en la nat uraleza. El color roj izo del cobre y el t ono am arillo del oro debieron de llam ar la at ención, y el brillo m et álico, m ucho m ás herm oso y sobrecogedor que el del suelo circundant e, incom parablem ent e dist int o del de las piedras corrient es, im pulsaban a cogerlos. I ndudablem ent e, el prim er uso que se dio a los m et ales fue el ornam ent al, fin para el que servía casi cualquier cosa que se encont rara: piedrecillas coloreadas, perlas m arinas... Sin em bargo, los m et ales present an una vent aj a sobre los dem ás obj et os llam at ivos: son m aleables, es decir, que pueden aplanarse sin que se rom pan ( la piedra, en cam bio, se pulveriza, y la m adera y el hueso se ast illan y se part en) . Est a propiedad fue descubiert a por casualidad, indudablem ent e, pero no debió pasar m ucho t iem po ent re el m om ent o del hallazgo y aquel en que un ciert o sent ido art íst ico llevó al hom bre a golpear el m at erial para darle form as nuevas que pusieran m ás de relieve su at ract ivo. Los art ífices del cobre se dieron cuent a de que a est e m et al se le podía dot ar de un filo cort ant e com o el de los inst rum ent os de piedra, y que el filo obt enido se m ant enía en condiciones en las que los inst rum ent os de piedra se m ellaban. Post eriorm ent e vieron cóm o un filo de cobre rom o podía volver a afilarse con m ás facilidad que uno de piedra. Solam ent e la escasez del cobre im pidió que su uso se ext endiera m ás, t ant o en la fabricación de herram ient as com o en la de obj et os ornam ent ales. El cobre se hizo m ás abundant e cuando se descubrió que podía obt enerse a part ir de unas piedras azuladas. Cóm o se hizo est e descubrim ient o, o dónde o cuándo, es algo que no sabem os y que probablem ent e no sabrem os j am ás. Podem os suponer que el descubrim ient o se hizo al encender un fuego de leña sobre un lecho de piedras en el que había algunos t rozos de m ineral. Después, ent re las cenizas, dest acarían pequeñas got as de cobre brillant e. Quizá est o ocurrió m uchas veces ant es de que alguien observara que si se encont raban piedras azules y se calent aban en un fuego de leña, se producía siem pre cobre. El descubrim ient o final de est e hecho pudo haber ocurrido 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 eria, lo que hoy es I rán. O quizá ocurriera sim ult áneam ent e en am bos lugares. En cualquier caso, el cobre fue lo suficient em ent e abundant e com o para que se ut ilizara en la confección de herram ient as en los cent ros m ás avanzados de la civilización. En una t um ba egipcia se ha encont rado una sart én con una ant igüedad aproxim ada de 5.200 años a. de C. En el t ercer m ilenio a. de C. se descubrió una variedad de cobre especialm ent e dura, obt enida al calent ar j unt os m inerales de cobre y de est año, casi seguro que por accident e ( fig. 1) . A la aleación ( t érm ino que designa la m ezcla de dos m et ales) de cobre y est año se le llam ó bronce, y hacia el año 2000 a. de C. ya era lo bast ant e com ún com o para ser ut ilizado en la confección de arm as y corazas. Se han hallado inst rum ent os de bronce en la t um ba del faraón egipcio I t et is, que reinó aproxim adam ent e 3.000 años a. de C. El acont ecim ient o hist órico m ás conocido de la Edad del Bronce fue la guerra de Troya, en la que soldados con arm as y corazas de bronce disparaban flechas con punt a de est e m et al cont ra sus enem igos. Un ej ércit o sin arm as de m et al est aba indefenso frent e a los «soldados de bronce», y los forj adores de aquella época gozaban de un prest igio sem ej ant e al de nuest ros físicos nucleares. Eran hom bres poderosos que siem pre t enían un puest o ent re los reyes. Y su oficio fue divinizado en la persona de Hefaist os, dios m it ológico de la fragua. I ncluso hoy día - y no por casualidad- «Sm it h, o alguno de sus equivalent es, es el apellido m ás com ún ent re los pueblos de Europa 1 . La suert e iba a favorecer de nuevo al hom bre de la Edad del Bronce, que descubrió un m et al aún m ás duro: el hierro. Por desgracia era dem asiado escaso y precioso com o para poder usarlo en gran cant idad en la confección de arm aduras. En efect o, en un principio las únicas fuent es de hierro eran los t rozos de m et eorit os, nat uralm ent e m uy escasos. Adem ás, no parecía haber ningún procedim ient o para ext raer hierro de las piedras. El problem a radica en que el hierro est á unido m ucho m ás firm em ent e, form ando m ineral, de lo que est aba el cobre. Se requiere un calor m ás int enso para fundir el hierro que para fundir el cobre. El fuego de leña no bast aba para est e propósit o, y se hizo necesario ut ilizar el fuego de carbón veget al, m ás int enso, pero que sólo arde en condiciones de buena vent ilación. El secret o de la fundición del hierro fue por fin desvelado en el ext rem o orient al de Asia Menor, y al parecer en una época t an t em prana com o 1.500 años a. de C. Los hit it as, que habían levant ado un poderoso im perio en Asia Menor, fueron los prim eros en ut ilizar corrient em ent e el hierro en la confección de herram ient as. Se conservan cart as que un rey hit it a envió a su virrey, dest acado en una región m ont añosa rica en hierro, fechadas aproxim adam ent e en el 1280 a. de C, y en las que se dan det alles inequívocos sobre la producción del m et al. El hierro puro ( hierro forj ado) no es dem asiado duro. Sin em bargo, un inst rum ent o o una arm adura de hierro m ej oraban al dej ar que una cant idad suficient e de carbón veget al form ara una aleación con ese m et al. Est a aleación - que nosot ros llam am os acero- se ext endía com o una piel sobre los obj et os som et idos a t rat am ient o y les confería una dureza superior a la del m ej or bronce, m ant eniéndose afilados durant e m ás t iem po. El descubrim ient o en t errit orio hit it a de la m anufact ura del acero m arca el punt o crucial en la m et alurgia del hierro. Un ej ércit o prot egido y arm ado con hierro duro podía enfrent arse a ot ro ej ércit o pert rechado de bronce con m uchas probabilidades de vencer. Est am os en la Edad del Hierro. 1 «Sm it h» = for j ador, herrero. ( N. del T.) Mineral de hierro y Crisol Figura 1. Crisoles prim it ivos ideados para alcanzar la t em perat ura adecuada para la reducción de los diferent es m inerales. En el horno para cobre ( a) la m ena fundía en un crisol sobre fuego de leña. La reducción del m ineral de hierro ( b) requería m ás calor, y para obt enerlo se llenaba el horno de carbón veget al, sum inist rando oxígeno m ediant e un fuelle. Los dorios, ant igua t ribu griega, equipados con arm as de hierro, invadieron la península de Grecia desde el nort e, m ás o m enos en el 1100 a. de C, y gradualm ent e fueron venciendo a los pueblos m icénicos que, pese a su m ás avanzada civilización, sólo disponían de arm am ent o de bronce. Ot ros grupos de griegos penet raron en Canaán port ando arm as de hierro. Eran los filist eos, que t an im port ant e papel j uegan en los prim eros libros de la Biblia. Frent e a ellos los israelit as perm anecieron indefensos hast a que, baj o el m ando de Saúl, fueron capaces de fabricarse sus propias arm as de hierro. El prim er ej ércit o abundant em ent e equipado con hierro de buena calidad fue el asirio, lo que le perm it ió, 900 años a. de C., form ar un poderoso im perio. Ant es de que apunt aran los días gloriosos de Grecia, las art es quím icas habían alcanzado un est ado de desarrollo bast ant e not able. Est o era part icularm ent e ciert o en Egipt o, donde los sacerdot es est aban m uy int eresados en los m ét odos de em balsam ado y conservación del cuerpo hum ano después de la m uert e. Los egipcios no sólo eran expert os m et alúrgicos, sino que sabían preparar pigm ent os m inerales y j ugos e infusiones veget ales2 . De acuerdo con ciert a t eoría, la palabra khem eia deriva del nom bre que los egipcios daban a su propio país: Kham . ( Est e nom bre se usa t am bién en la Biblia, donde, en la versión del rey Jacobo, se t ransform a en Ham .) Por consiguient e, khem eia puede ser «el art e egipcio». Una segunda t eoría, algo m ás apoyada en la act ualidad, hace derivar khem eia del griego khum os, que significa el j ugo de una plant a; de m anera que khem eia sería «el art e de ext raer j ugos». El m encionado j ugo podría ser sust it uido por m et al, de suert e que la palabra vendría a significar el «art e de la m et alurgia». Pero, sea cual sea su origen, khem eia es el ant ecedent e de nuest ro vocablo «quím ica». 3 . Gr e cia : los e le m e n t os Hacia el año 600 a. de C, el sut il e int eligent e pueblo griego dirigía su at ención hacia la nat uraleza del Universo y la est ruct ura de los m at eriales que lo com ponían. Los erudit os griegos o «filósofos» ( am ant es de la sabiduría) est aban m ás int eresados 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 aron con lo que ahora llam am os t eoría quím ica. El prim er t eórico fue Tales ( aproxim adam ent e 640- 546 a. de C) . Quizá exist ieron griegos ant eriores a Tales, e incluso ot ros hom bres ant eriores a los griegos, capaces de m edit ar correct a y profundam ent e sobre el significado de los cam bios en la nat uraleza de la m at eria, pero ni sus nom bres ni su pensam ient o han llegado hast a 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 arranca de Egipt o, por lo cual voy a lim it ar m i exposición a est a línea. Tales fue un filósofo griego nacido en Milet o ( Jonia) , región sit uada en el Egeo, la cost a oest e de lo que ahora es Turquía. Tales debió de plant earse la siguient e cuest ión: si una sust ancia puede t ransform arse en ot ra, com o un t rozo de m ineral azulado puede t ransform arse en cobre roj o, ¿cuál es la nat uraleza de la sust ancia? ¿Es de piedra o de cobre? ¿O quizá es de am bas cosas a la vez? ¿Puede cualquier sust ancia t ransform arse en ot ra m ediant e un det erm inado núm ero de pasos, de t al m anera que t odas las sust ancias no serían sino diferent es aspect os de una m at eria básica? Figura 2. La cosm ología alquim ist a incorporó los «cuat ro elem ent os» de Arist 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 grabado es original de Robert 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 respuest a a la últ im a cuest ión era afirm at iva, porque de est a m anera podía int roducirse en el Universo un orden y una sim plicidad básica. Quedaba ent onces por decidir cuál era esa m at eria básica o elem ent o 3 . Tales decidió que est e elem ent o era el agua. De t odas las sust ancias, el agua es la que parece encont rarse en m ayor cant idad. El agua rodea a la Tierra; im pregna la at m ósfera en form a de vapor; corre a t ravés de los cont inent es, y la vida es im posible sin ella. La Tierra, según Tales, era un disco plano cubiert o por la sem iesfera celest e y flot ando en un océano infinit o. La t esis de Tales sobre la exist encia de un elem ent o a part ir del cual se form aron t odas las sust ancias encont ró m ucha acept ación ent re los filósofos post eriores. No así, sin em bargo, el que est e elem ent o t uviera 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 rodea a la Tierra no es una sem iesfera, sino una esfera com plet a. La Tierra, t am bién esférica, est aba suspendida en el cent ro de la cavidad form ada por la esfera celest e. Figura 2a. Robert Fludd 3 «Elem ent o» es un vocablo lat ino de origen inciert o. Los griegos no lo ut ilizaron, pero es t an im port ant e en la quím ica m oder na que no hay m anera de ev it ar su em pleo, incluso al refer irse a Grecia. Los griegos no acept aban la noción de vacío y por t ant o no creían que en el espacio que hay ent re la Tierra y el dist ant e cielo pudiera no haber nada. Y com o en la part e de est e espacio que el hom bre conocía había aire, parecía razonable suponer que t am bién lo hubiese en el rest o. Tal pudo haber sido el razonam ient o que llevó 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 Universo. Post uló que el aire se com prim ía al acercarse hacia el cent ro, form ando así las sust ancias m ás densas, com o el agua y la t ierra ( figura 2) . Por ot ra part e, el filósofo Heráclit o ( aproxim adam ent e 540- 475 a. de C) , de la vecina ciudad de Éfeso, t om ó un cam ino diferent e. Si el cam bio es lo que caract eriza al Universo, hay que buscar un elem ent o en el que el cam bio sea lo m ás not able. Est a sust ancia, para él, debería ser el fuego, en cont inua m ut ación, siem pre diferent e a sí m ism o. La fogosidad, el ardor, presidían t odos los cam bios4 . En la época de Anaxím enes los persas invadieron las cost as j ónicas. Tras el fracaso de un int ent o de resist encia, el dom inio persa se volvió m ás opresivo, y la t radición cient ífica ent ró en decadencia; pero ant es de derrum barse, los em igrant es j onios t rasladaron est a t radición m ás al oest e. Pit ágoras de Sam os ( aproxim adam ent e 582- 497 a. de C.) , nat ural de una isla no pert enecient e a Jonian, abandonó Sam os en el 529 a. de C. para t rasladarse al sur de I t alia, donde se dedicó a la enseñanza, dej ando t ras de sí un influyent e cuerpo de doct rina. Em pédocles ( aproxim adam ent e 490- 430 a. de C) , nacido en Sicilia, fue un dest acado discípulo de Pit ágoras, que t am bién t rabaj ó en t orno al problem a de cuál es el elem ent o a part ir del que se form ó el Universo. Las t eorías propuest as por sus predecesores de la escuela j ónica lo pusieron en un com prom iso, porque no veía de qué m anera iba decidirse 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 sust it uir los t érm inos «aire», «agua», «t ierra» y «fuego» por los m uy sim ilar es de «gas», «líquido» «sólido» y «energía». Los gases pueden volv erse líquidos al enfr iarse, y sólidos si el enfriam ient o cont inúa. La sit uación es m uy sem ej ant e a la im aginada por Anaxím enes. Y la idea que Heráclit o t enía sobre el fuego result a m uy parecida a la que ahor a se t iene sobre la energía; agent e y consecuencia de las reacciones quím icas. Pero, ¿por qué un solo elem ent o? ¿Y si fueran cuat ro? Podían ser el fuego de Heráclit o, el aire de Anaxím enes, el agua de Tales y la t ierra, que añadió el propio Em pédocles. Arist ót eles ( 384- 322 a. de C) , el m ás influyent e de los filósofos griegos, acept ó est a doct rina de los cuat ro elem ent os. No consideró que los elem ent os fuesen las m ism as sust ancias que les daban nom bre. Es decir, no pensaba que el agua que podem os t ocar y sent ir fuese realm 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. Arist ót eles concibió los elem ent os com o com binaciones de dos pares de propiedades opuest as: frío y calor, hum edad y sequedad. Las propiedades opuest as no podían com binarse ent re sí. De est e m odo se form an cuat ro posibles parej as dist int as, cada una de las cuales dará origen a un elem ent o: calor y sequedad originan el fuego; calor y hum edad, el aire; frío y sequedad, la t ierra; frío y hum edad, el agua. Sobre est e esquem a avanzó t odavía un paso m ás al afirm ar que cada elem ent o t iene una serie de propiedades específicas que le son innat as. Así, es propio de la t ierra el caer, m ient ras que en la nat uraleza del fuego est á el elevarse. Sin em bargo, los cuerpos celest es present aban caract eríst icas que parecían diferent es de las de las sust ancias de la Tierra. En lugar de elevarse o caer, est os cuerpos daban la im presión de girar en círculos inalt erables alrededor de la Tierra. Arist ót eles supuso que los cielos deberían 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 «resplandecer», ya que lo m ás caract eríst ico de los cuerpos celest es es su lum inosidad) . Com o los cielos no parecían cam biar nunca, Arist ót eles consideró al ét er com o perfect o, et erno e incorrupt ible, lo que lo hacía m uy dist int o de los cuat ro elem ent os im perfect os de la t ierra. Est a t eoría de los cuat ro elem ent os im pulsó el pensam ient o de los hom bres durant e dos m il años. Si bien ahora est á ya m uert a, al m enos en lo que a la ciencia se refiere, t odavía pervive en el lenguaj e corrient e. Por ej em plo, hablam os de la «furia de los elem ent os» cuando querem os expresar que el vient o ( aire) y las nubes ( agua) se m anifiest an violent am ent e por efect o de la t orm ent a. En cuant o 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, queriendo indicar que se encuent ra en el est ado m ás puro y concent rado posible, est am os en realidad invocando la perfección arist ot élica. 4 . Gr e 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 griegos: el debat e sobre la divisibilidad de la m at eria. Los t rozos de una piedra part ida en dos, incluso reducida a polvo, siguen siendo piedra, y cada uno de los fragm ent os result ant es puede volver a dividirse. Est as divisiones y subdivisiones ¿pueden cont inuar indefinidam ent e? El j onio Leucipo ( aproxim adam ent e 450 a. de C.) parece que fue el prim ero en poner en t ela de j uicio la suposición aparent em ent e nat ural que afirm a que cualquier t rozo de m at eria, por m uy pequeño que sea, siem pre puede dividirse en ot ros t rozos aún m ás pequeños. Leucipo m ant enía que finalm ent e una de las part ículas obt enidas podía ser t an pequeña que ya no pudiera seguir dividiéndose. Su discípulo Dem ócrit o ( aproxim adam ent e 470- 380 a. de C.) , afincado en Abdera, ciudad al nort e del Egeo, cont inuó en est a línea de pensam ient o. Llam ó át om os, que significa «indivisible», a las part ículas que habían alcanzado el m enor t am año posible. Est a doct rina, que defiende que la m at eria est á form ada por pequeñas part ículas y que no es indefinidam ent e divisible, 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 form a, y que eran est as diferencias las que conferían a los elem ent os sus dist int as propiedades. Las sust ancias reales, que podem os ver y t ocar, est án com puest as de m ezclas de át om os de diferent es elem ent os, y una sust ancia puede t ransform arse en ot ra alt erando la nat uraleza de la m ezcla. Todo est o t iene para nosot ros un indudable aire de m odernidad, pero no debe olvidarse que Dem ócrit o no apeló a la experim ent ación para corroborar sus afirm aciones. ( Los filósofos griegos no hacían experim ent os, sino que llegaban a sus conclusiones argum ent ando a part ir de los «prim eros principios».) Para m uchos filósofos, y especialm ent e para Arist ót eles, la idea de una part ícula de m at eria no divisible en ot ras m enores result aba paradój ica, y no la acept aron. Por eso la t eoría at om ist a se hizo im popular y apenas se volvió a t ener en cuent a hast a dos m il años después de Dem ócrit o. Sin em bargo, el at om ism o nunca m urió del t odo. Epicuro ( 342- 270 a. de C.) lo incorporó a su línea de pensam ient o, y el epicureism o se granj eó m uchos seguidores en los siglos siguient es. Uno de ellos fue el poet a rom ano Tit o Lucrecio Caro ( 95- 55 a. de C) , conocido sim plem ent e por Lucrecio. Expuso la t eoría at om ist a de Dem ócrit o y Epicuro en un largo poem a t it ulado De Rerum Nat ura ( «Sobre la nat uraleza de las cosas») . Muchos lo consideran el m ej or poem a didáct ico j am ás escrit o. En cualquier caso, m ient ras que los t rabaj os de Dem ócrit o y Epicuro perecieron, quedando apenas unas pocas cit as suelt as, el poem a de Lucrecio sobrevivió ínt egro, preservando los hallazgos del at om ism o hast a nuest ros días, en que los nuevos m ét odos cient íficos se incorporan a la lucha y la conducen a la vict oria final. Ca pít u lo 2 La a lqu im ia Cont enido: 1. Alej andría 2. Los árabes 3. El despert ar en Europa 4. El fin de la alquim ia 1 . Ale j a n dr ía En la época de Arist ót eles, Alej andro Magno de Macedonia ( un reino sit uado al nort e de Grecia) conquist ó el vast o I m perio Persa. El im perio de Alej andro se disgregó después de su m uert e en el año 323 a. de C., pero los griegos y m acedonios m ant uvieron el cont rol de grandes áreas de Orient e Medio. Durant e varios siglos ( el «Período Heleníst ico») t uvo lugar una fruct ífera m ezcla de cult uras. Pt olom eo, uno de los generales de Alej andro, est ableció un reino en Egipt o, cuya capit al fue la ciudad de Alej andría ( fundada por Alej andro) . En Alej andría, 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 fin de lo que hoy llam aríam os un I nst it ut o de I nvest igación y una Universidad. Junt o a él se const ruyó la m ayor bibliot eca de la ant igüedad. La m aest ría egipcia en la quím ica aplicada se unió y fundió con la t eoría griega, pero est a fusión no fue t ot alm 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 uert os y el rit ual religioso. Para los egipcios, la fuent e de t odo conocim ient o era Thot , el de la cabeza de ibis, dios de la sabiduría. Los griegos, im presionados por la alt ura de los conocim ient os de los egipcios, ident ificaron a Thot con su propio Herm es y acept aron una buena dosis de m ist icism o. Los ant iguos filósofos j onios habían separado la religión de la ciencia. Est a nueva unión operada en Egipt o ent orpeció seriam ent e los post eriores avances en el conocim ient o. Com o el art e de khem eia aparecía t an est recham ent e relacionado con la religión, el pueblo llano recelaba a m enudo de quienes lo pract icaban, considerándolos adept os de art es secret as y part ícipes de un saber peligroso. ( El ast rólogo con su inquiet ant e conocim ient o del fut uro, el quím ico con su at erradora habilidad para alt erar las sust ancias, incluso el sacerdot e con sus secret os sobre la propiciación de los dioses y posibilidad de invocar cast igos servían com o m odelos de cuent os populares 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 frecuencia se crecían, conscient es de que aum ent aban su propio poder y quizá t am bién su seguridad. Después de t odo, ¿a quién se le iba a ocurrir ofender a un m ago? Est e respet o o recelo popular im pulsó a los pract icant es de la khem eia a redact 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 oscuridad. Por ej em plo, había siet e cuerpos celest es considerados «planet as» ( «errant es», porque cont inuam ent e cam biaban de posición con respect o al fondo est rellado) y t am bién eran siet e los m et ales conocidos: oro, plat a, cobre, hierro, est año, plom o y m ercurio ( véase figura 2) . Pareció at ract ivo em parej arlos, y llegó un m om ent o en que el oro se designaba com únm ent e com o «el Sol», la plat a com o «la Luna», el cobre com o «Venus» y así sucesivam ent e. Los cam bios quím icos pudieron ent onces incluirse en una corrient e m it ológica. Aún quedan recuerdos de aquella época. La denom inación del com puest o ahora llam ado nit rat o de plat a era «cáust ico lunar». Est e nom bre, ya en desuso, es un claro indicio de la ant igua relación ent re la plat a y la luna. El m ercurio debe su act ual nom bre al planet a Mercurio. El verdadero nom bre ant iguo era hydrargyrum ( «plat a líquida») , y el nom bre inglés ant iguo era el casi idént ico de «quicksilver». Est a oscuridad m ás o m enos deliberada sirvió a dos desafort unados propósit os. Prim ero, ret ardó el progreso, ya que los que t rabaj aban en est a m at eria ignoraban en part e o del t odo- lo que los ot ros est aban haciendo, de m odo que no podían beneficiarse de los errores ni aprender de la lucidez de los dem ás. En segundo lugar, perm it ió que charlat anes y engañadores - cont ando con la oscuridad del lenguaj e- se present aran a sí m ism os com o t rabaj adores serios. No podía dist inguirse al em baucador del est udioso. El prim er pract icant e de la khem eia greco- egipcia que conocem os por su nom bre fue Bolos de Mendes ( aproxim adam ent e 200 a. de C) , una población del delt a del Nilo. En sus escrit os ut ilizó el nom bre de Dem ócrit 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 convert ido en uno de los grandes problem as de la khem eia: el cam bio de un m et al en ot ro y, part icularm ent e, de plom o o hierro en oro ( t ransm ut ación) . La t eoría de los cuat ro elem ent os consideraba que las diferent es sust ancias del universo diferían únicam ent e en la nat uraleza de la m ezcla elem ent al. Est a hipót esis podría ser ciert a según se acept ase o no la t eoría at om ist a, ya que los elem ent os podrían m ezclarse com o át om os o com o una sust ancia cont inua. Realm ent e parecía razonable pensar que t odos los elem ent os eran int ercam biables ent re sí. Aparent em ent e el agua se convert ía en aire al evaporarse, y ret ornaba a la form a de agua cuando llovía. La leña, al calent arla, se t ransform aba en fuego y vapor ( una form a de aire) , y así sucesivam ent e. ¿Por qué, ent onces, considerar algunos cam bios com o im posibles? Probablem ent e t odo era cosa de dar con la t écnica apropiada. Una piedra roj iza podía convert irse en hierro gris a t ravés de un procedim ient o que aún no se había descubiert o en t iem po de Aquiles, quien t uvo que usar arm as de bronce. ¿Qué razón había para que el hierro gris no pudiera convert irse en oro am arillo m ediant e alguna t écnica aún no descubiert a en t iem po de Alej andro Magno? A t ravés de los siglos m uchos quím icos se esforzaron honradam ent e en hallar el m edio de producir oro. Sin em bargo, algunos est im aron m ucho m ás sencillo y provechoso pret ender hallarse en posesión de la t écnica y com erciar con el poder y la reput ación que ello les proporcionaba. Est e engaño se m ant uvo hast a la época m oderna, pero no voy a t rat ar de ello en est e libro. Aunque Bolos en sus escrit os da aparent em ent e det alles o t écnicas para la obt ención del oro, no podem os realm ent e considerarlo un fraude. Es posible alear cobre y cinc, por ej em plo, y obt ener lat ón, que t iene un t ono am arillo parecido al del oro, y es bast ant e probable que para los ant iguos art esanos la preparación de un m et al dorado fuese lo m ism o que la preparación de oro. Durant e la dom inación rom ana el art e de la khem eia ent ró en declive, j unt o con la decadencia general del conocim ient o griego. Después del año 100 d. de C. es práct icam ent e im posible encont rar ninguna aport ación nueva y se asist e al surgim ient o de una t endencia a volver cada vez m ás a las int erpret aciones m íst icas de los prim eros pensadores. Por ej em plo, hacia el año 300 d. de C. un t rat adist a nacido en Egipt o, Zósim o, escribió una enciclopedia en veint iocho volúm enes que abarcaba t odo el saber sobre khem eia acum ulado en los cinco o seis siglos precedent es, y en la que había m uy poco de valor. Para ser exact os, se puede encont rar ocasionalm ent e un pasaj e con alguna novedad, com o la que parece referirse al arsénico. Tam bién parece que Zósim o describió m ét odos para preparar acet at o de plom o y que t uvo conocim ient o del sabor dulce de est e com puest o venenoso ( que se ha llam ado hast a hoy «azúcar de plom o») . La m uert e final sobrevino a causa del m iedo. El em perador rom ano Diocleciano t em ía que la khem eia perm it iera fabricar con éxit o oro barat o y hundir la t am baleant e econom ía del im perio. En t iem pos de Zósim o ordenó dest ruir t odos los t rat ados sobre khem eia, lo que explica el escaso núm ero de ellos que han llegado hast a nosot ros. Ot ra razón es que, con el nacim ient o de la Crist iandad, el «pensam ient o pagano» cayó en desgracia. El m useo y la bibliot eca de Alej andría result aron gravem ent e dañados a causa de los m ot ines crist ianos ocurridos a part ir del año 400 d. de C. El art e de la khem eia, por su est recha relación con la religión del ant iguo Egipt o, se hizo part icularm ent e sospechoso, convirt iéndose práct icam ent e en clandest ino. En ciert a m anera el pensam ient o griego desapareció del m undo rom ano. La Crist iandad se había escindido en sect as; una de ellas era la de los nest orianos, así llam ados porque sus m iem bros seguían las enseñanzas del m onj e sirio Nest orio, que vivió en el siglo v. Los crist ianos ort odoxos de Const ant inopla persiguieron a los nest orianos, algunos de los cuales huyeron hacia el est e, hast a Persia. Allí los m onarcas persas los acogieron con gran deferencia ( posiblem ent e con la esperanza de ut ilizarlos cont ra Rom a) . Los nest orianos llevaron consigo a Persia el pensam ient o griego, incluyendo m uchos libros de alquim ia, y alcanzaron el cenit de su poder e influencia hacia el año 550 d. de C. 2 . Los á r a be s En el siglo VI I los árabes ent raron en escena. Hast a ent onces habían perm anecido aislados en su península desért ica, pero ahora, est im ulados por la nueva religión del I slam fundada por Mahom a, se ext endieron en t odas direcciones. Sus ej ércit os vict oriosos conquist aron ext ensos t errit orios del oest e de Asia y nort e de África. En el 641 d. de C. invadieron Egipt o y, t ras rápidas vict orias, ocuparon t odo el país; en los años siguient es Persia sufrió el m ism o dest ino. Fue especialm ent e en Persia donde los árabes encont raron los rest os de la t radición cient ífica griega, ant e la que quedaron fascinados. Est a adm iración quizá se viera t am bién increm ent ada por un com bat e de gran significación práct ica. En el año 670 d. de C, cuando sit iaron Const ant inopla ( la m ayor y m ás poderosa ciudad crist iana) , fueron derrot ados por el «fuego griego», una m ezcla quím ica que ardía con gran desprendim ient o de calor sin poder apagarse con agua, y que dest ruyó los barcos de m adera de la flot a árabe. Según la t radición la m ezcla fue preparada por Callinicus, un pract icant e de khem eia que había huido de su Egipt o nat al ( o quizás de Siria) ant e la llegada de los árabes. En árabe khem eia se convirt ió en al- kím iya, siendo al el prefij o correspondient e a «la». Finalm ent e la palabra se adopt ó en Europa com o alquim ia, y los que t rabaj aban en est e cam po eran llam ados alquim ist as. Ahora el t érm ino alquim ia se aplica a t odo el desarrollo de la quím ica ent re el 300 a. de C. y el 1600 d. de C. aproxim adam ent e, un período de cerca de dos m il años. Ent re los años 300 y 1100 d. de C. la hist oria de la quím ica en Europa es práct 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 greco- egipcia est uvo t ot alm ent e en m anos de los árabes, sit uación que perduró durant e cinco siglos. Quedan rest os de est e período en los t érm inos quím icos derivados del árabe: alam bique, álcali, alcohol, garrafa, naft a, circón y ot ros. La alquim ia árabe rindió sus m ej ores frut os en los com ienzos de su dom inación. Así, el m ás capacit ado y célebre alquim ist a m usulm án fue Jabir ibn- Hayyan ( aproxim adam ent e 760- 815 d. de C) , conocido en Europa siglos después com o Geber. Vivió en la época en que el I m perio Árabe ( con Harún al Raschid, fam oso por Las m il y una noches) se hallaba en la cúspide de su gloria. Sus escrit os fueron num erosos y su est ilo era relat ivam ent e avanzado. Muchos de los libros que llevan su firm a pueden haber sido escrit os por alquim ist as post eriores y at ribuidos a él. Describió el cloruro de am onio y enseñó cóm o preparar albayalde ( carbonat o de plom o) . Dest iló vinagre para obt ener ácido acét ico fuert e, el ácido m ás corrosivo conocido por los ant iguos. Preparó incluso ácido nít rico débil que, al m enos en pot encia, era m ucho m ás corrosivo. Sin em bargo, la m ayor influencia de Jabir reside en sus est udios relacionados con la t ransm ut ación de los m et ales. Consideraba que el m ercurio era el m et al por excelencia, ya que su nat uraleza líquida le confería la apariencia de poseer una proporción m ínim a de m at erial t erroso. Por su part e, el azufre poseía la not able propiedad de ser com bust ible ( y adem ás poseía el color am arillo del oro) . Jabir creía que los diversos m et ales est aban form ados por m ezclas de m ercurio y azufre, y solam ent e rest aba hallar algún m at erial que facilit ase la m ezcla de m ercurio y azufre en la proporción necesaria para form ar oro. La ant igua t radición sost enía que est a sust ancia act ivadora de la t ransm ut ación era un polvo seco. Los griegos lo llam aban xerion, derivado de la palabra griega correspondient e a «seco». Los árabes la cam biaron por al- iksir, y en Europa se convirt ió finalm ent e en elixir. Com o una prueba m ás de que se le at ribuían las propiedades de seca y t errosa direm os que en Europa fue llam ada vulgarm ent e la piedra filosofal. ( Recordem os que t odavía en 1800, un «filósofo» era lo que ahora llam am os un «cient ífico».) El sorprendent e elixir est aba dest inado a poseer ot ras m aravillosas propiedades, y surgió la idea de que const it uía un rem edio para t odas las enferm edades y que podía conferir la inm ort alidad. Por ello se habla del elixir de la vida, y los quím icos que t rat aban de conseguir oro podían conseguir igualm ent e la inm ort alidad ( t am bién en vano) . En efect o, durant e los siglos post eriores, la alquim ia se desarrolló según dos vías paralelas principales: una m ineral, en la que el principal obj et ivo era el oro, y ot ra m édica, en la que el fin prim ordial era la panacea. Seguidor de Jabir, y poseedor de análogos conocim ient os y reput ación, fue el alquim ist a persa Al Razi ( aproxim adam ent e 850- 925) , conocido m ás t arde en Europa com o Rhazes. Tam bién él describió cuidadosam ent e su t rabaj o, preparando, por ej em plo, em plast o de París, y describiendo el m odo en que podía em plearse para hacer enyesados que m ant uviesen en su sit io los huesos rot os. I gualm ent e est udió y describió el ant im onio m et álico. Al m ercurio ( que era volát il, est o es, form a vapor al calent arlo) y al azufre ( que era inflam able) añadió la sal com o t ercer principio en la com posición general de los sólidos, porque la sal no era ni volát il ni inflam able. Al Razi se int eresó m ás por la m edicina que Jabir, y est o dio origen a los aspect os m édicos de la alquim ia, que cont inuaron con el persa I bn Sina ( 979- 1037) , m ucho m ás conocido com o Avicena, versión lat inizada de su nom bre. En realidad, Avicena fue el m édico m ás im port ant e ent re la época del I m perio Rom ano y los orígenes de la ciencia m oderna. Había aprendido lo bast ant e de los fracasos de siglos y siglos com o para dudar de la posibilidad de form ar oro a part ir de los m et ales. Aunque en est o era, y sigue siendo, una excepción ent re los alquim ist as. 3 . El de spe r t a r e n Eur opa La ciencia árabe declinó rápidam ent e después de Avicena. Eran t iem pos difíciles para el m undo islám ico y se hicieron m ás difíciles aún com o result ado de las invasiones y vict orias de los t urcos y m ongoles, pueblos relat ivam ent e bárbaros. La palm a del liderazgo cient ífico abandonó a los árabes al cabo de t res siglos, para no volver m ás, y pasó al oest e de Europa. 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 result ado de las Cruzadas. La prim era Cruzada fue en 1096, y los crist ianos europeos conquist aron Jerusalén en 1099. Durant e casi dos siglos consecut ivos exist ió un dom inio crist iano en la cost a siria, com o una pequeña isla en el océano m usulm án. Hubo ciert a fusión de cult uras y el fluir de crist ianos que volvían a Europa occident al t raj o consigo una ciert a apreciación de la ciencia árabe. En est e m ism o período, los crist ianos españoles iban reconquist ando gradualm ent e el t errit orio que habían perdido ant e el I slam en los prim eros ocho siglos. De est a form a, t ant o ellos com o en general t oda la Europa crist iana t uvieron una nueva noción de la brillant e civilización m orisca que se había desarrollado en España. Los europeos supieron que los árabes poseían libros de profundo cont enido cient ífico que habían sido t raducidos de los originales griegos - los t rabaj os de Arist ót eles, por ej em plo- , así com o sus propias producciones - los t rabaj os de Avicena, ent re ot ros. A pesar de la relat iva aversión a m anej ar los t rabaj os de aquellos que parecían enem igos m ort ales e irreconciliables, surgió un m ovim ient o para t raducirlos al lat ín con obj et o de que pudiesen ut ilizarlos los est udiosos europeos. El hum anist a francés Gerbert ( aproxim adam ent e 940- 1003) , fut uro Papa Silvest re I I en el año 999, fue uno de los prim eros alent adores de est e m ovim ient o. El escolást ico inglés Robert de Chest er figura ent re los prim eros que t raduj eron una obra árabe de alquim ia al lat ín, acabando dicho t rabaj o en 1144. Siguieron m uchos ot ros, y el principal t raduct or fue el erudit o it aliano Gerardo de Crem ona ( aproxim adam ent e 1114- 87) . Pasó m ucho t iem po de su vida en Toledo, que había sido t om ado por las t ropas crist ianas en 1085. Traduj o novent a y dos t rabaj os árabes, algunos de ellos ext raordinariam ent e largos. Así, pues, a part ir de 1200 aproxim adam ent e los escolást icos europeos pudieron asim ilar los hallazgos alquim ist as del pasado e int ent ar avanzar con ellos, encont rándose, desde luego, con m ás callej ones sin salida que am plias vías de progreso. El prim er alquim ist a europeo im port ant e fue Albert 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 rabaj os de Arist ót eles, y fue a t ravés de él com o la filosofía arist ot élica adquirió t ant a im port ancia para la erudición de finales de la Edad Media y principios de la Moderna. Albert o Magno describió el arsénico con t ant a claridad en el t ranscurso de sus experim ent os de alquim ia, que en ocasiones se le considera com o descubridor de est a sust ancia, aunque, al m enos en form a im pura, era probablem ent e conocida por los ant iguos alquim ist as. Un cont em poráneo de Albert o Magno fue el m onj e inglés Roger Bacon ( 1214- 92) , a quien hoy día se le conoce m ej or por su creencia claram ent e expresada de que en la experim ent ación y en la aplicación de t écnicas m at em át icas a la ciencia residiría la principal esperanza de progreso. Tenía razón, pero el m undo no est aba t odavía en condiciones de acept arlo. Bacon int ent ó escribir una enciclopedia universal del saber, y en sus escrit os se encuent ra la prim era descripción de la pólvora negra. Se le considera a veces com o su descubridor, pero no lo fue; el verdadero descubridor es desconocido. En aquella época la pólvora negra cont ribuyó a dest ruir el orden m edieval de la sociedad, proporcionando a los ej ércit os un m edio de arrasar los m uros de los cast illos, y a los hom bres de a pie una oport unidad de disparar cont ra los de a caballo en el com bat e. Fue el prim er sím bolo del progreso t ecnológico que conduj o a los ej ércit os europeos a conquist ar ot ros cont inent es durant e los cinco siglos t ranscurridos ent re 1400 y 1900, conquist a que sólo en nuest ros días est á invirt iendo su signo. La alquim ia en una orient ación m ás m íst ica se encuent ra en t rabaj os at ribuidos a los españoles Arnaldo de Vilanova ( aproxim adam ent e 1235- 1311) y Raim undo Lulio ( 1235- 1315) , aunque no es seguro que fueran ellos los verdaderos aut ores. Est os escrit os est án profundam ent e apoyados en la idea de la t ransm ut ación, y se ha supuest o incluso ( por t radición) que Lulio fabricó oro para el derrochador Eduardo I I de I nglat erra. Pero el m ás im port ant e de los alquim ist as m edievales no se conoce por su nom bre, ya que escribió con el seudónim o de Geber, el alquim ist a árabe que había vivido dos siglos ant es. Nada se sabe de est e «falso Geber» except o que fue probablem ent e español y que escribió alrededor de 1300. Fue el prim ero en describir el ácido sulfúrico, la sust ancia sim ple m ás im port ant e de las ut ilizadas por la indust ria quím ica en la act ualidad ( después del agua, aire, carbón y pet róleo) . Describió t am bién la form ación de ácido nít rico fuert e. Est os ácidos se obt enían de los m inerales, m ient ras que los ácidos conocidos con ant erioridad, com o el acét ico y el vinagre, procedían del m undo orgánico. El descubrim ient o de los ácidos m inerales fuert es fue el adelant o m ás im port ant e después de la afort unada obt ención del hierro a part ir de su m ena unos t res m il años ant es. Los europeos lograron llevar a cabo m uchas reacciones quím icas y disolver num erosas sust ancias con ayuda de los ácidos m inerales fuert es, cosa que no podían conseguir los griegos ni los árabes con el vinagre, el ácido m ás fuert e de que disponían. En realidad los ácidos m inerales eran m ucho m ás im port ant es para el bienest ar de la hum anidad de lo que hubiera sido el oro, incluso de haberlo obt enido por t ransm ut ación. El valor del oro habría desaparecido t an pront o com o ést e dej ase de ser raro, m ient ras que los ácidos m inerales son t ant o m ás valiosos cuant o m ás barat os y abundant es. No obst ant e, la nat uraleza hum ana es t al, que los ácidos m inerales no causaron gran im presión, m ient ras que el oro siguió buscándose ávidam ent e. Pero ent onces, después de un prom et edor com ienzo, la alquim ia em pezó a degenerar por t ercera vez, com o había ocurrido prim ero ent re los griegos y después ent re los árabes. La caza del oro se convirt ió en dom inio casi absolut o de charlat anes, aunque los grandes erudit os ( Boyle y Newt on ent re ellos) no pudieron, 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 prohibido, m ás por m iedo al éxit o en la obt ención de oro que por indignación ant e la charlat anería. El papa Juan XXI I la declaró anat em a en 1317, y los alquim ist as honrados, obligados a t rabaj ar a escondidas, se volvieron m ás oscuros que ant es, m ient ras que, com o siem pre, florecieron los quím icos deshonest os. Nuevos vient os se agit aban cada vez con m ás violencia en Europa. Los rest 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 brut alm ent e saqueado por los cruzados del oest e de Europa, y m uchos docum ent os del saber griego, que hast a ent onces habían perm anecido int act os, al m enos en aquella ciudad, se perdieron para siem pre. Los griegos recuperaron la ciudad en 1261, pero a part ir de ent onces sólo fue una som bra de lo que había sido ant es. En los dos siglos post eriores, los ej ércit os t urcos pusieron cerco sin t regua a la ciudad y, finalm ent e, en 1453, cayó Const ant inopla, que desde ent onces ha sido t urca. Tant o ant es com o después de la caída los erudit os griegos huyeron a Europa Occident al, llevando consigo la part e de sus bibliot ecas que pudieron salvar. El m undo occident al sólo llegó a heredar rest os del saber griego, pero aun así fueron enorm em ent e est im ulant es. Est a fue t am bién la época de las grandes exploraciones, a lo que cont ribuyó en el siglo XI I I el descubrim ient o de la brúj ula. En 1497 se exploró la cost a de África y se dio la vuelt a al cont inent e. Con la posibilidad de llegar a la I ndia por m ar y evit ar el m undo islám ico, Europa podía com erciar direct am ent e con el lej ano Orient e. Aún m ás espect aculares fueron los viaj es de Crist óbal Colón ent re 1492 y 1504, gracias a los cuales pront o se reveló ( aunque el m ism o Colón nunca adm it ió est e hecho) que se había descubiert o una nueva part e del m undo. Los europeos est aban descubriendo t ant os hechos desconocidos para los grandes filósofos griegos que em pezó a cundir la idea de que, después de t odo, los griegos no eran superhom bres om niscient es. Los europeos, que habían dem ost rado ya su superioridad en la navegación, t am bién podían m ost rarse superiores en ot ros aspect os. Se dest ruyó así una especie de bloqueo psicológico, y result 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 ( aproxim adam ent e 1397- 1468) , proyect ó la prim era im prent a práct ica, ut ilizando t ipos m ovibles que podían ser desm ont ados y colocados j unt os para im prim ir cualquier libro que se desease. Por prim era vez en la Hist oria fue posible producir libros en cant idad y económ icam ent e, sin m iedo de que se produj esen errores en las copias ( aunque, por supuest o, podía haber errores en la com posición) . Gracias a la im prent a, las concepciones poco populares no se ext inguirían necesariam ent e por falt a de alguien que cargara sobre sus espaldas la laboriosa t area de copiar el libro. Uno de los prim eros que apareció en form a im presa fue el poem a de Lucrecio, que difundió la concepción at om ist a a lo largo y ancho de t oda Europa. En el año 1543 se publicaron dos libros revolucionarios que en la época ant erior a la im prent a fácilm ent e hubieran perm anecido ignorados por los pensadores ort odoxos, pero que ahora se ext endieron por t odas part es y no pudieron ignorarse. Uno de ellos había sido escrit o por un ast rónom o polaco, Nicolás Copérnico ( 1473- 1543) , quien m ant enía que la Tierra no era el cent ro del universo, com o habían dado por sent ado los ast rónom os griegos, sino que lo era el Sol. El ot ro libro est aba escrit o por un anat om ist a flam enco, Andreas Vesalius ( 1514- 1564) , quien t razó la anat om ía hum ana con una exact it ud sin precedent es. Se basaba en observaciones del propio Vesalius y rechazaba m uchas de las creencias que dat aban de las ant iguas fuent es griegas. Est e derrocam ient o sim ult áneo de la ast ronom ía y la biología griegas ( aunque las concepciones griegas m ant uvieran su influencia en algunas zonas durant e un siglo o m ás) m arcó el com ienzo de la «Revolución Cient ífica». Est a revolución sólo penet ró ligeram ent e en el m undo de la alquim ia, pero infundió algún vigor t ant o en los aspect os m ineralógicos com o m édicos de la m ism a. 4 . El fin de la a lqu im ia El nuevo espírit u hizo act o de presencia en los t rabaj 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 Agrícola, que en lat ín quiere decir cam pesino ( lo m ism o que 'Bauer' en alem án) . Se int eresó en la m ineralogía por su posible conexión con los fárm acos. De hecho, la conexión ent re la m edicina y los fárm acos y la com binación m édico- m ineralogist a fue un rasgo dest acado en el desarrollo de la quím ica durant e los dos siglos y m edio siguient es. El libro de Agrícola De Re Met allica ( «Sobre la Met alurgia») ( ver fig. 3) se publicó en 1556, y en él se reúnen t odos los conocim ient os práct icos que podían recogerse ent re los m ineros de la época. Est e libro, escrit o en un est ilo claro y con excelent es ilust raciones de m aquinaria para la m inería, se popularizó rápidam ent e y hoy día aún perm anece com o un not able clásico de la ciencia 5 . De Re Met allica, el m ás im port ant e t rabaj o sobre t ecnología quím ica ant erior a 1700, est ableció la m ineralogía com o ciencia. ( El libro m ás valioso sobre m et alurgia y quím ica aplicada ant erior al de Agrícola fue el del m onj e Theophilus, posiblem ent e griego, que vivió hacia el año 1000 d. de C.) 5 Es int eresant e que la única 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 Hoover, 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 rom ano que escribió sobre m edicina, y cuyas obras habían sido recient em ent e im presas. Am bos fueron obj et o de una desm edida y, en el caso de Paracelso, errónea idolat ría. Figura 3. Port ada del libro De Re Met allica, de Agrícola Paracelso, com o Avicena cinco siglos ant es, represent ó un desplazam ient o del cent ro de int erés de la alquim ia, el oro, hacia la m edicina. Paracelso m ant enía que el fin de la alquim ia no era el descubrim ient o de t écnicas de t ransm ut ación, sino la preparación de m edicam ent os que curasen las enferm edades. En la ant igüedad lo m ás frecuent em ent e usado para est os fines eran las preparaciones con plant as, pero Paracelso est aba sinceram ent e convencido de la eficacia de los m inerales com o fárm acos. Paracelso fue un alquim ist a de la viej a escuela, a pesar de su insist encia en cont ra de la t ransm ut ación. Acept ó los cuat ro elem ent os de los griegos y los t res principios ( m ercurio, azufre y sal) de los árabes. Buscó incesant em ent e la piedra filosofal en su función de elixir de la vida, e incluso insist ió en que la había encont rado. Tam bién, con m ás fundam ent o est a vez, obt uvo el m et al cinc y con frecuencia se le considera su descubridor, pese a que el cinc, en form a de m ineral o de aleación con cobre ( lat ón) , era conocido desde la ant igüedad. Paracelso siguió siendo una figura polém ica durant e m edio siglo después de su m uert e. Sus seguidores 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 apunt aba cada vez m ás hacia una et apa de claridad y racionalidad. Por ej em plo, el alquim ist a alem án Andreas Libau ( aproxim adam ent e 1540- 1616) , m ás conocido por el nom bre lat inizado de Libavius, publicó una Alquim ia en 1597. Est e libro era un resum en de los logros m edievales en alquim ia, y puede considerarse com o el prim er t ext o de quím ica de nom bre conocido, pues est aba escrit o con claridad y sin m ist icism o. De hecho, at acó con saña las oscuras t eorías de los que él llam aba «paracelsianos», si bien est aba de acuerdo con Paracelso en que la función principal de la alquim ia era la de auxiliar de la m edicina. Libavius fue el prim ero en describir la preparación del ácido clorhídrico, t et racloruro de est año y sulfat o am ónico. Tam bién describió la preparación del agua regia, una m ezcla de ácidos nít rico y clorhídrico cuyo nom bre viene de su capacidad para disolver el oro. I ncluso sugirió que las sust ancias m inerales pueden reconocerse por la form a que adopt an los crist ales originados al evaporarse sus soluciones. Sin em bargo, est aba convencido de que la t ransm ut ación era posible, y de que el descubrim ient o de m ét odos para fabricar oro era un im port 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 sobre su aut or) . At ribuyó el libro a un m onj e alem án, Basil Valenine, pero es casi seguro que est e nom bre no es sino un seudónim o. El volum en, t it ulado La carroza t riunfal del ant im onio, t rat a sobre los usos m édicos de est e m et al y sus derivados. Más t arde, un quím ico alem án, Johann Rudolf Glauber ( 1604- 68) , descubrió un m ét odo para preparar ácido clorhídrico por m edio de la acción del ácido sulfúrico sobre la sal com ún. En el proceso obt uvo un residuo, el sulfat o sódico, que act ualm ent e se sigue llam ando «sal de Glauber». Glauber se fam iliarizó con est a sust ancia, la est udió int ensivam ent e y advirt ió su act ividad laxant e. La llam ó «sal m irabile» ( «sal m aravillosa») y la consideró com o un curalot odo, casi el elixir de la vida. Glauber se dedicó a la fabricación de est e com puest o, así com o de ot ros que consideró de valor m edicinal y que t am bién result aron ser de gran valor com o m odo de ganarse la vida. Si bien est a ocupación era m enos espect acular que la fabricación de oro, result ó m ás út il y provechosa. La realidad económ ica hablaba a grit os incluso para aquellos que se m ost raban im penet rables al razonam ient o cient ífico. Había dem asiado de út il y provechoso en el conocim ient o de los m inerales y las m edicinas com o para perder el t iem po en una int erm inable carrera de locos t ras el oro. De hecho, en el curso del siglo XVI I la alquim ia ent ró en franca decadencia, y en el XVI I I se t ransform ó en lo que hoy llam am os quím ica. Ca pít u lo 3 La t r a n 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 ret rasado respect o a ot ras ram as de la ciencia. La im port ancia de las m ediciones cuant it at ivas y de la aplicación de t écnicas m at em át icas a la ast ronom ía había sido reconocida desde m uy ant iguo. Una razón para ello es que los problem as ast ronóm icos que ocupaban a los ant iguos eran relat ivam ent e sim ples, y algunos de ellos podían abordarse bast ant e bien incluso con la geom et ría plana. El cient ífico it aliano Galileo Galilei ( 1564- 1642) , que en los años 1590- 99 est udió el com port am ient o de los cuerpos durant e su caída, prot agonizó espect acularm ent e la aplicación de las m at em át icas y las m ediciones cuidadosas a la física. Los result ados de su t rabaj o conduj eron, casi un siglo después, a las im port ant es conclusiones del cient ífico inglés I saac Newt on ( 1642- 1727) . En su libro Principia Mat hem at ica, publicado en 1687, Newt on int roduj o sus t res leyes del m ovim ient o, que durant e m ás de dos siglos sirvieron com o base a la ciencia de la m ecánica. En el m ism o libro Newt on present ó su t eoría de la gravit ación, que t am bién durant e m ás de dos siglos const it uyó una explicación adecuada de las observaciones sobre el universo y que, dent ro de los lím it es de nuest ras observaciones personales y de las velocidades que podem os alcanzar, cont inúa siendo válida en la act ualidad. En relación con est a t eoría Newt on ut ilizó el cálculo infinit esim al, una nueva y poderosa ram a de las m at em át icas que él m ism o ideó. Con Newt on, la revolución cient ífica alcanzó su clím ax. Ya no quedaba ningún problem a pendient e, ni de los griegos ni de la ant igüedad en general. Europa Occident al los había superado am pliam ent e, y nunca m ás volvería a m irar hacia at rás. Pero est e cam bio de la descripción m eram ent e cualit at iva a las cuidadosas m edidas cuant it at ivas no se regist ró en la quím ica hast a un siglo después del decisivo t rabaj o de Newt on. De hecho, Newt on, m ient ras const ruía la est ruct ura de la ast ronom ía y la física con una belleza y una solidez que dej aron at ónit o al m undo de la ciencia, perm anecía inm erso en la alquim ia buscando ardient em ent e por t oda Europa recet as para fabricar oro por t ransm ut ación. Est a persist encia en el error no puede achacarse por com plet o a los quím icos. Si fueron m ás t ardos en adopt ar las t écnicas m at em át icas cuant it at ivas de Galileo y Newt on fue porque el m at erial con el que t rabaj aban result aba m ás difícil de present ar en una form a lo bast ant e sim ple com o para ser som et ido a un t rat am ient o m at em át ico. Con t odo, los quím icos hacían progresos, y ya en la época de Galileo aparecen débiles indicios de la fut ura revolución quím ica. Tales indicios surgen, por ej em plo, en los t rabaj os del m édico flam enco Jean Bapt ist e Van Helm ont ( 1577- 1644) . Cult ivó un árbol en una cant idad det erm inada de t ierra, añadiendo agua periódicam ent e y pesándolo con cuidado a m edida que crecía. Desde el m om ent o en que esperaba descubrir el origen de los t ej idos vivient es form ados por el árbol, est aba aplicando la m edición a problem as de quím ica y biología. Hast a la época de Van Helm ont , la única sust ancia aérea conocida y est udiada era el aire m ism o, que parecía lo suficient em ent e dist int o de las ot ras sust ancias com o para servir de elem ent o a los griegos. En realidad, los alquim ist as habían obt enido con frecuencia «aires» y «vapores» en sus experim ent os, pero eran sust ancias escurridizas, pesadas de est udiar y observar y fáciles de ignorar. El m ist erio de est os vapores est aba im plícit o en el nom bre que se dio a los líquidos fácilm ent e vaporizables: «espírit us», una palabra que originalm ent e significaba «suspiro» o «aire», pero que t am bién t enía un sent ido evident e de algo m ist erioso y hast a sobrenat ural. Todavía hablam os de «espírit us» para ciert os alcoholes o para la t rem 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 «spirit s» ha t erm inado por aludir específicam ent e a los licores alcohólicos. Van Helm ont fue el prim ero en considerar y est udiar los vapores que él m ism o producía. Observó que se parecían al aire en su apariencia física, pero no en t odas sus propiedades. En part icular, obt uvo los vapores de la m adera al arder, que parecían aire, pero que no se com port aban com o t al. Para Van Helm ont , est as sust ancias parecidas al aire, sin volum en ni form a det erm inados, eran algo sem ej ant e al «chaos» griego: la m at eria original, inform e y desordenada, a part ir de la cual ( según la m it ología griega) fue creado el universo. Van Helm ont aplicó a los vapores el nom bre de «chaos», que pronunciado con la fonét ica flam enca se conviert e en gas. Est e t érm ino se aplica t odavía a las sust ancias parecidas al aire. Van Helm ont llam ó al gas que obt uvo de la m adera «gas silvest re» ( «gas de m adera») . Era el que act ualm ent e llam am os dióxido de carbono. El est udio de los gases, la form a m ás sencilla de m at eria, fue el prim ero que se prest ó a las t écnicas de m edición precisa: sirvió de cam ino al m undo de la quím ica m oderna. 2 . La le y de Boyle Hacia el final de la vida de Van Helm ont , los gases - en part icular el aire, por ser el gas m ás corrient e- alcanzaron una nueva y decisiva im port ancia. El físico it aliano Evangelist a Torricelli ( 1608- 47) logró probar, en 1643, que el aire ej ercía presión. Dem ost ró que el aire podía sost ener una colum na de m ercurio de set ent a cent ím et ros de alt ura y con ello invent ó el baróm et ro. Los gases, de repent e, perdieron su m ist erio. Eran m at eriales, poseían peso, com o los líquidos y los sólidos m ás fácilm ent e est udiados. Se diferenciaban de ellos sobre t odo en su densidad m ucho m ás baj a. La presión ej ercida por el peso de la at m ósfera fue dem ost rada de m odo espect acular por el físico alem án Ot t o von Guericke ( 1602- 86) . I nvent ó una bom ba de aire con la que se podía ext raer ést e de un recipient e, de m anera que la presión del aire en el ext erior no llegaba a igualarse con la presión del aire int erior. En 1654, Guericke preparó dos sem iesferas de m et al que encaj aban m ediant e un reborde engrasado. Después de unir las dos sem iesferas y ext raer el aire que cont enían m ediant e una bom ba, la presión del aire ext erior m ant enía las sem iesferas unidas. Yunt as de caballos unidas a cada una de las dos sem iesferas y fust igadas para que t irasen lo m ás posible en direcciones opuest as, no lograron separar las sem iesferas. Sin em bargo, en cuant o se perm it ió que el aire volviese a penet rar en las sem iesferas, pudieron separarlas. Figura 4. La ley de Boyle, que est ableció la relación de proporcionalidad inversa ent re la presión y el volum en de un gas a t em perat ura const ant e, deriva del experim ent o ilust rado. El m ercurio vert ido en la ram a larga del t ubo em puj a el aire encerrado hacia la ram a cort a. Doblando la alt ura de la colum na de m ercurio, la de aire se reduce a la m it ad. La relación viene expresada en la curva de la part e superior, que es una sección de una ram a de hipérbola. Est e t ipo de dem ost raciones despert aron gran int erés por las propiedades del aire. Y excit aron en part icular la curiosidad del quím ico irlandés Robert Boyle ( 1627- 91) , quien proyect ó una bom ba de aire m ás perfeccionada que la de Guericke. En vez de, por así decir, ext raer el aire procedim ient o opuest o de com prim irlo. de un recipient e aspirándolo, probó el Edm e Mariot t e Robert Boyle En sus experim ent os, Boyle halló que el volum en de una m uest ra de aire variaba con la presión según una proporción inversa sim ple ( ver figura 4) , y lo descubrió vert iendo m ercurio got a a got a en un t ubo m uy largo, de const rucción especial, y dej ando una m uest ra de aire en el ext rem o cort o, cerrado, que se aj ust aba m ediant e una espit a. Añadiendo m ás m ercurio al ext rem o largo y abiert o podía increm ent ar la presión del aire encerrado. Si añadía suficient e m ercurio com o para som et er el aire a una presión doble ( doble peso de m ercurio) , el volum en del aire encerrado se reducía a la m it ad. Si la presión se t riplicaba, el volum en se reducía a un t ercio. Por ot ra part e, si se reducía la presión el aire se expandía. Est a relación en la que el volum en dism inuía a m edida que aum ent aba la presión se publicó por vez prim era en 1622, y t odavía nos referim os a ella com o la ley de Boyle. Est e fue el prim er int ent o de aplicar m ediciones exact as a los cam bios en una sust ancia de part icular int erés para los quím icos6 . 6 Es preciso señalar, sin em bargo, que el cam bio est udiado por Boy le no era un cam bio quím ico. El air e, t ant o si se com pr im e com o si se expande, 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 concierne a la quím ica física. Ést a no t uvo exist encia r eal hast a dos siglos después de la época de Boyle ( véase capít ulo 9) , per o él puso los cim ient os. Boyle no especificó que la t em perat ura debe m ant enerse const ant e para que dicha ley sea válida. Probablem ent e lo realizó así, y supuso que se daría por hecho. El físico francés Edm e Mariot t e ( 1630- 1684) , que descubrió independient em ent e la ley de Boyle hacia el año 1680, especificó que la t em perat ura debe m ant enerse const ant e. Por est a razón, en la Europa cont inent al se alude con frecuencia a la ley de Boyle com o la ley de Mariot t e. Los experim ent os de Boyle ofrecían un cent ro de at racción para el crecient e núm ero de at om ist as. Com o se ha dicho ant es, el poem a de Lucrecio, publicado en una edición im presa, había at raído la at ención de los hum anist as europeos hacia las opiniones griegas sobre el at om ism o. Un filósofo francés, Pierre Gassendi ( 15921655) , se convirt ió com o result ado de ello en un at om ist a convencido; y sus escrit os im presionaron t ant o a Boyle que, a raíz de ello, t am bién ést e se convirt ió al at om ism o. Mient ras la at ención se siguió cent rando en los líquidos y sólidos solam ent e, las pruebas del at om ism o no fueron m ayores en t iem po de Boyle que en el de Dem ócrit o. Los líquidos y sólidos no pueden com prim irse m ás que en proporciones 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 argum 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 prim irlos. ¿Por qué ent onces preocuparse por los át om os? Sin em bargo, el aire, com o ya se había observado en los t iem pos ant iguos y com o Boyle ponía ahora en claro espect acularm ent e, podía com prim irse con facilidad. ¿Cóm o podía ocurrir eso, a m enos que est uviese form ado por át om os m inúsculos separados por el espacio vacío? La com presión del aire significaría sim plem ent e, desde est e punt o de vist a, la supresión del espacio vacío en el volum en, colocando a los át om os en est recho cont act o. Si se acept a est a opinión sobre los gases, es m ás fácil creer que t am bién los líquidos y sólidos est án com puest os de át om os. Por ej em plo, el agua se evapora. ¿Cóm o podía ocurrir est o, a no ser que desapareciese en form a de part ículas m inúsculas? Y, ¿qué sería 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, hierve, y el vapor se form a de m odo visible. El vapor de agua t iene las propiedades físicas de una sust ancia sem ej ant e al aire y, por t ant o, es nat ural suponer que est á com puest o de át om os. Pero, 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 form a sólida de hielo? Y si est o es ciert o con el agua, ¿por qué no para t oda la m at eria? Est e t ipo de argum ent os result aban im presionant es, y por prim era vez 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 erosos adept os. Ent re ellos, por ej em plo, New t on. No obst ant e, los át om os seguían siendo un concept o nebuloso. Nada podía decirse sobre ellos, except o que si se acept aba su exist encia, era m ás fácil explicar el com port am ient o de los gases. Tuvo que pasar ot ro siglo y m edio ant es de que el at om ism o adquiriese un enfoque bien delineado. 3 . La n u e va con ce pción de los e le m e n t os Los est udios de Boyle m arcan el final de los t érm inos «alquim ia» y «alquim ist a». Boyle suprim ió la prim era sílaba del t érm ino 7 en su libro El Quím ico Escépt ico, publicado en 1661. Desde ent onces, la ciencia fue la quím ica, y los que t rabaj aban en est e cam po eran los quím icos. Boyle era «escépt ico» porque ya no est aba dispuest o a acept ar ciegam ent e las ant iguas conclusiones que se habían deducido de los prim eros principios. A Boyle le desagradaban especialm ent e los ant iguos int ent os de ident ificar los elem ent os del universo por m edio de m eros razonam ient os. En lugar de ello, definía los elem ent os de una form a real, práct ica. Un elem ent o, t al com o se había considerado siem pre desde el t iem po de Tales, era una de las sust ancias sim ples prim arias de las cuales se com ponía el universo. Pero ahora cualquier supuest o elem ent o debería ser exam inado con el fin de ver si era realm ent e sim ple. Si una sust ancia podía descom ponerse en sust ancias m ás sim ples, no se t rat aba de un elem ent o, pero las sust ancias m ás sim ples sí podían serlo, hast a el m om ent o en que los quím icos aprendiesen a descom ponerlas 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 ercera sust ancia, llam ada un com puest o, y en ese caso el com puest o debería poderse descom poner en los dos elem ent os originales. 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 cuarzo, por ej em plo, podía considerarse un elem ent o hast a el m om ent o en que los quím icos experim ent ales descubriesen el m odo de convert irla en dos o m ás sust ancias m ás sim ples t odavía. En realidad, según est a concepción, ninguna sust ancia podía ser nunca un elem ent o except o en un sent ido provisional, ya que nunca había la seguridad de que, al avanzar en los conocim ient os, no fuese posible idear un procedim ient o para descom poner un supuest o elem ent o en dos sust ancias m ás sim ples. Hast a la llegada del siglo XX no pudo definirse la nat uraleza de los elem ent os en un sent ido no provisional. El solo hecho de que Boyle exigiese un enfoque experim ent al al definir los elem ent os ( enfoque que se adopt ó post eriorm ent e) , no significa que supiese lo que eran los diversos elem ent os. Podía haber result ado, después de t odo, que el enfoque experim ent al dem ost rase que los elem ent os griegos, fuego, aire, agua y t ierra, eran elem ent os. Boyle est aba convencido, por ej em plo, de la validez del punt o de vist a alquim ist a de que los m et ales no eran elem ent os, y que un m et al podía convert irse en ot ro. En 1689 pidió al gobierno brit ánico que aboliese la ley cont ra la fabricación alquim ist a de oro ( t am bién ellos t em ían al t rast orno de la econom ía) , porque creía que form ando oro de un m et al básico, los quím icos podrían ayudar a dem ost rar la t eoría at óm ica de la m at eria. Pero Boyle se equivocó en est o; los m et ales dem ost raron ser elem ent os. En efect o, nueve sust ancias que reconocem os ahora com o elem ent os había sido conocidas por los ant iguos: los siet e m et ales ( oro, plat a, cobre, hierro, est año, plom o y m ercurio) y dos no m et ales ( carbono y azufre) . Adem ás, había cuat ro sust ancias reconocidas ahora com o elem ent os, que habían llegado a ser fam iliares para 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 preparó fósforo a part ir de orina. Sin em bargo, unos cinco o diez años ant es, el hecho había sido conseguido por un quím ico alem án, Henning Brand ( ¿aproxim adam ent e 1692) . Thom as Savery y su m áquina “ El am igo del m inero” . A Brand se le llam a a veces «el últ im o de los alquim ist as», y realm ent e su descubrim ient o t uvo lugar cuando est aba buscando la piedra filosofal, que pensaba hallaría ( de ent re t odos los sit ios) en la orina. Brand fue el prim er hom bre que descubrió un elem ent o que no se había conocido, en ninguna form a, ant es del desarrollo de la ciencia m oderna. 4 . El flogist o Los descubrim ient os del siglo XVI I relat ivos a la presión del aire y al fenóm eno insólit o que se podía llevar a cabo produciendo un vacío y dej ando act uar a la presión del aire dieron im port ant es result ados. A varias personas se les ocurrió que podía producirse un vacío sin ut ilizar la bom ba de aire. Supongam os que se hierve agua y se llena una cám ara con el vapor, enfriando después la cám ara con agua fría. El vapor que hay dent ro de la cám ara se condensará en got as de agua, y en su lugar se form ará un vacío. Si una de las paredes de la cám ara fuese m óvil, la presión del aire ext erior em puj aría ent onces la pared hacia dent ro de la cám ara. La pared m ovible podría em puj arse «de nuevo hacia afuera, form ando m ás vapor y perm it iéndole ent rar en la cám ara; y podría volver a desplazarse hacia adent ro si, una vez m ás, se condensase el vapor. Si im aginam os que la pared m ovible form a part e de un pist ón, observarem os que el pist ón se m overá hacia dent ro y hacia fuera, y que est e vaivén podría ut ilizarse, por ej em plo, para im pulsar una bom ba. El result ado de t odo est o fue que, por vez prim era, la hum anidad ya no t endría que depender m ás de sus propios m úsculos ni de la fuerza anim al. Nunca m ás habría de est ar a expensas de la fuerza favorable o desfavorable del vient o, ni de la energía localizada en algunos punt os del agua corrient e. Figura 5. La m áquina de bom beo de Newcom en, que funciona a presión at m osférica. El agua pulverizada en el int erior del cilindro condensa el vapor, creado un vacío. El pist ón desciende en el vado, para volver hast a arriba del ém bolo por una nueva inyección de vapor. En su lugar disponía de una fuent e de energía a la que podía recurrir en cualquier m om ent o y en cualquier lugar con sólo hervir agua sobre un fuego de leña o de carbón. Est e fue el fact or decisivo que señaló el com ienzo de la «Revolución I ndust rial». El crecient e int erés despert ado a part ir de 1650 por la posibilidad de encont rar nuevas aplicaciones al fuego y, por m edio de las m áquinas de vapor, obligarle a realizar los t rabaj os duros de la t ierra, llevó a los quím icos a una nueva conciencia del fuego. ¿Por qué algunas cosas arden y ot ras no? ¿Cuál es la nat uraleza de la com bust ión? Según las ant iguas concepciones griegas, t odo lo que puede arder cont iene dent ro de sí el elem ent o fuego, que se libera baj o condiciones apropiadas. Las nociones alquím icas eran sem ej ant es, salvo que se concebían los com bust ibles com o algo que cont enían el principio del «azufre» ( no necesariam ent e el azufre real) . 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 t res t ipos de «t ierra». Una de ellas la llam ó «t érra pinguis» ( «t ierra crasa») , y la int uyó com o el principio de la inflam abilidad. Georg Ernest St ahl ( 1660- 1734) Un seguidor de las doct rinas, m ás bien vagas, de Becher fue el quím ico y físico alem án Georg Ernest St ahl ( 1660- 1734) . Propuso un nom bre aún m ás nuevo para el principio de la inflam abilidad, llam ándole flogist o, de una palabra griega que significa «hacer arder». Desarrolló después un esquem a - basado en el flogist o- que pudiera explicar la com bust ión. St ahl m ant enía que los obj et os com bust ibles eran ricos en flogist o, y los procesos de com bust ión suponían la pérdida del m ism o en el aire. Lo que quedaba t ras la com bust ión no t enía flogist o y, por t ant o, 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 era análogo a la com bust ión de la m adera, y afirm ó que los m et ales cont enían flogist o, pero no así cuando est aban enm ohecidos ( o «calcinados») . La idea era im port ant e, porque perm it ió proponer una explicación razonable sobre la conversión de las m enas m inerales en m et al, el prim er gran descubrim ient o quím ico del hom bre civilizado. La explicación consist ía en est o: una m ena m ineral, pobre en flogist o, se calient a con carbón veget al, m uy rico en flogist o. El flogist o pasa desde el carbón al m ineral, es decir, el carbón veget al rico en flogist o se t ransform a en cenizas pobres en flogist o, m ient ras que con el m ineral ocurre precisam ent e lo cont rario. St ahl consideró que el aire result aba út il en la com bust ión sólo de un m odo indirect o. Servía únicam ent e com o t ransport ador, capt ando el flogist o según abandonaba la m adera o el m et al y t ransfiriéndolo a alguna ot ra cosa ( si es que la había disponible) . La t eoría de St ahl sobre el flogist o encont ró oposición al principio, en part icular la de Herm ann Boerhaave ( 1668- 1738) , un físico holandés, quien argüía que la com bust ión ordinaria y el enm ohecim ient o no podían ser diferent es versiones del m ism o fenóm eno. Est á claro que en un caso hay presencia de llam a y en el ot ro no. Pero para St ahl la explicación era que en la com bust ión de sust ancias t ales com o la m adera, el flogist o se libera t an rápidam ent e que su paso calient a los alrededores y se vuelve visible en form a de llam a. En el enm ohecim ient o, la pérdida de flogist o es m ás lent a, y no aparece llam a. A pesar de la oposición de Boerhaave, la t eoría del flogist o ganó popularidad a lo largo del siglo xviii. En la década de los set ent a era casi universalm ent e acept ada por los quím icos, desde el m om ent o en que parecía explicar t ant as cosas y t an claram ent e. Pero quedaba una dificult ad que ni St ahl ni sus seguidores lograron explicar. Las sust ancias m ás com bust ibles, com o la m adera, el papel y la grasa, parecían consum irse en gran part e al arder. El hollín o las cenizas rest ant es eran m ucho m ás ligeros que la sust ancia original, lo cual era de esperar, ya que el flogist o había abandonado la sust ancia original. Sin em bargo, cuando los m et ales se enm ohecían, t am bién perdían flogist o, de acuerdo con la t eoría de St ahl, pero el m et al enm ohecido era m ás pesado que el original ( un hecho que los alquim ist as habían observado ya en 1490) . ¿Podía el flogist o t ener peso negat ivo, de m odo que una sust ancia al perderlo 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 arder? ¿Había dos t ipos de flogist o, uno con peso posit ivo y ot ro con peso negat ivo? Est e problem a sin resolver no era t an serio en el siglo xviii com o nos parece hoy a nosot ros. Acost um brados com o est am os a m edir los fenóm enos con precisión, cualquier cam bio inexplicable en el peso nos daría que pensar. Pero los quím icos del siglo XVI I I aún no habían acept ado la im port ancia de las m ediciones cuidadosas, y no les preocupaban t ales cam bios. Mient ras la t eoría del flogist o explicase los cam bios de aspect o y las propiedades, cabía ignorar, pensaban ellos, las variaciones en el peso. Ca pít u lo 4 Los ga se s Cont enido: 1. Dióxido de carbono y nit rógeno 2. Hidrógeno y oxígeno 3. El t riunfo de la m edida 4. La com bust ión 1 . D ióx ido de ca r bon o y n it r óge n o La explicación de los enrevesados cam bios de peso durant e la com bust ión había que encont rarla, nat uralm ent e, en los gases que aparecían o desaparecían m ient ras se form aban los com puest os. Pese al paulat ino desarrollo 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 arlos en cuent a com o no fuese para reparar en su exist encia. Pensando en los cam bios de peso durant e la com bust ión, los invest igadores solam ent e t enían oj os para los sólidos y los líquidos. Las cenizas eran m ás ligeras que la m adera, pero, ¿qué ocurría con los vapores liberados por la m at eria ardient e? No se consideraban. La herrum bre era m ás pesada que el m et al, pero, ¿había t om ado la herrum bre algo del aire? No se consideraba. Ant es de poder subsanar est as deficiencias era preciso que los quím icos se fam iliarizaran m ás con los gases. Había que vencer 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 dirección correct a, a principios del siglo XVI I I , al recoger gases sobre el agua. Los vapores form ados com o result ado de una reacción quím ica pudieron conducirse, a t ravés de un t ubo, al int erior de un recipient e que se había colocado lleno de agua y boca abaj o en una j ofaina con agua. El gas burbuj eaba dent ro del recipient e, desplazando el agua y forzándola a t ravés del fondo abiert o. Al final, Hales obt uvo un recipient e del gas o gases form ados en la reacción. Hales m ism o no dist inguió ent re los diferent es gases que preparó y confinó, ni t am poco est udió sus propiedades, pero el solo hecho de haber ideado una t écnica sencilla para ret enerlos era de la m ayor im port ancia. El quím ico escocés Joseph Black ( 1728- 99) dio ot ro im port ant e paso adelant e. La t esis que le m ereció una graduación en m edicina en 1754 t rat aba sobre un problem a quím ico ( era la época en que la m edicina y la m ineralogía est aban est recham ent e int errelacionadas) , y publicó sus result ados en 1756. Lo que hizo fue calent ar fuert em ent e la piedra caliza ( carbonat o cálcico) . Est e carbonat o se descom puso, liberando un gas y dej ando cal ( óxido de calcio) t ras de sí. El gas liberado pudo recom binarse con el óxido de calcio para form ar de nuevo carbonat o cálcico. El gas ( dióxido de carbono) era idént ico al «gas silvest re» de Van Helm ont , pero Black lo llam ó «aire fij ado», porque cabía com binarlo ( «fij arlo») de t al m anera que form ase part e de una sust ancia sólida. Los descubrim ient os de Black fueron im port ant es por varias razones. En prim er lugar, m ost ró que el dióxido de carbono puede form arse calent ando un m ineral, lo m ism o que quem ando m adera; de est e m odo se est ableció una im port ant e conexión ent re los reinos anim ado e inanim ado. En segundo lugar, dem ost ró que las sust ancias gaseosas no sólo son liberadas por los sólidos y líquidos, sino que pueden com binarse con ellos para producir cam bios quím icos. Est e descubrim ient o quit ó a los gases m ucho de su m ist erio y los present ó m ás bien com o una variedad de la m at eria que poseía propiedades en com ún ( al m enos quím icam ent e) con los sólidos y líquidos m ás fam iliares. Por ot ro lado, Black dem ost ró que cuando el óxido de calcio se abandona en el aire, vuelve lent am ent e a carbonat o cálcico. De est o deduj o ( correct am ent e) que hay pequeñas cant idades de dióxido de carbono en la at m ósfera. He aquí la prim era indicación clara de que el aire no es una sust ancia sim ple y que, por lo t ant o, pese a la concepción griega, 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 diferent es, el aire ordinario y el dióxido de carbono. Est udiando el efect o del calor sobre el carbonat o cálcico, Black m idió la pérdida de peso im plicada. Tam bién m idió la cant idad de carbonat o cálcico que neut ralizaba una det erm inada cant idad de ácido. Est e fue un paso gigant e hacia la aplicación de m ediciones cuant it at ivas a los cam bios quím icos, un m ét odo de análisis que pront o iba a alcanzar su plena m adurez con Lavoisier. Est udiando las propiedades del dióxido de carbono, Black observó que una vela no podía arder en su seno. Una vela encendida en un recipient e cerrado lleno de aire ordinario t erm ina por apagarse, y el aire que queda no puede volver a m ant ener una llam a. Ést e descubrim ient o parece ciert am ent e razonable, puest o que la vela encendida ha form ado dióxido de carbono. Pero cuando el dióxido de carbono del aire encerrado se absorbe m ediant e com puest os quím icos, queda algo de aire sin absorber. Est e aire que queda y que no t iene dióxido de carbono, 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 herford ( 1749- 1819) . Rut herford m et ió un rat ón en un volum en cerrado de aire hast a que m urió. Encendió luego una vela en el gas que quedaba, hast a que se apagó. Después encendió fósforo en lo que quedaba, hast a que el fósforo dej ó de arder. A cont inuación pasó el aire a t ravés de una sust ancia capaz de absorber el dióxido de carbono. El aire rest ant e era 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 herford inform ó de est e experim ent o en 1772. Puest o que t ant o él com o Black est aban convencidos de la validez de la t eoría del flogist o, t rat aron de explicar sus result ados en t érm inos de dicha t eoría: a m edida que el rat ón respiraba y las velas y el fósforo ardían, el flogist o se liberaba y se unía al aire, j unt o con el dióxido de carbono form ado. Al absorber m ás t arde el dióxido de carbono, el aire rest ant e seguía cont eniendo m ucho flogist o, t ant o, que est aba sat urado de él; no podía acept ar m ás. Por eso los obj et os no seguían ardiendo en él. Por est e razonam ient o, Rut herford llam ó al gas que había aislado «aire flogist icado». Hoy día lo llam am os nit rógeno, y concedem os a Rut herford el crédit o de su descubrim ient o. 2 . H idr óge n o y ox íge n o Ot ros dos quím icos ingleses, am bos part idarios de la t eoría del flogist o, avanzaron aún m ás en el est udio de los gases por est a época. Uno de ellos fue Henry Cavendish ( 1731- 1810) . Era un excént rico acaudalado que invest igó en diversos cam pos, pero que se guardaba para sí los result ados de su t rabaj o y pocas veces los publicaba. Afort unadam ent e, sí publicó los result ados de sus experiencias sobre los gases. Cavendish est aba especialm ent e int eresado en un gas que se form aba cuando los ácidos reaccionaban con ciert os m et ales. Est e gas había sido aislado con ant erioridad por Boyle y Hales, y quizá por ot ros, pero Cavendish, en 1766, fue el prim ero en invest igar sus propiedades sist em át icam ent e. Por eso se le at ribuye por lo general el m érit o de su descubrim ient o. Dicho gas recibió m ás t arde el nom bre de hidrógeno. Cavendish fue el prim ero en m edir el peso de volúm enes det erm inados de diferent es gases, es decir, det erm inó la densidad de cada gas. Averiguó que el hidrógeno es ext raordinariam ent e ligero, con una densidad de sólo una cat orceava part e la del aire ( y hoy día sigue siendo el m enos denso de los gases conocidos) . Tenía una segunda propiedad ext raña: a diferencia del dióxido de carbono y del m ism o aire, era fácilm ent e inflam able. Cavendish, considerando su ext rem a ligereza 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 profundam ent e int eresado, por afición, en la quím ica. Hacia finales de 1760 se hizo cargo de una parroquia en Leeds, I nglat erra, j unt o a la que, casualm ent e, había una cervecería. La ferm ent ación del grano produce dióxido de carbono, que Priest ley podía así obt ener en abundancia para sus experim ent os. Recogiendo dióxido de carbono sobre agua, observó que una part e se disolvía y daba al agua un agradable sabor ácido. Era 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 para producir bebidas gaseosas, Priest ley puede considerarse com o el padre de la m oderna indust ria de refrescos. Priest ley em pezó a est udiar ot ros gases a com ienzos de la década 1770- 79. En esa época sólo se conocían t res gases diferent es: el aire m ism o, el dióxido de carbono de Van Helm ont y Black, y el hidrógeno de Cavendish. Rut herford añadiría el nit rógeno com o cuart o gas. Priest ley, por su part e, procedió a aislar y est udiar algunos ot ros gases. Su experiencia con el dióxido de carbono le había enseñado que los gases pueden ser solubles en agua y, para no perderlos en sus experim ent os, int ent ó recogerlos sobre m ercurio. Por est e m ét odo logró recoger y est udiar gases com o el óxido nit roso, am oniaco, cloruro de hidrógeno y dióxido de azufre ( para darles sus nom bres act uales) , t odos los cuales son dem asiado solubles en agua para resist ir el paso a su t ravés. En 1774, el uso del m ercurio en su t rabaj o con los gases dio lugar al descubrim ient o m ás im port ant e de Priest ley. El m ercurio, cuando se calient a en el aire, form a un «calcinado» de color roj o ladrillo ( que ahora llam am os óxido de m ercurio) . Priest ley puso algo de est e calcinado en un t ubo de ensayo y lo calent ó con una lent e que concent raba los rayos del sol sobre él. El calcinado se t ransform ó de nuevo en m ercurio, que aparecía com o bolit as brillant es en la part e superior del t ubo de ensayo. Adem ás, la descom posición liberaba un gas de propiedades m uy ext rañas. Los com bust ibles ardían ant es y con m ás brillo en est e gas que en el aire. Un rescoldo de m adera int roducido en un recipient e que cont uviese dicho gas ardía con llam a. Priest ley t rat ó de explicar est e fenóm eno recurriendo a la t eoría 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 liberar flogist o con ext raordinaria facilidad. ¿Cóm o podría ser eso, a m enos que el gas fuese una m uest ra de aire de la que se hubiera ext raído el flogist o, de t al m odo que acept aba un nuevo aport e con especial avidez? Así, Priest ley llam ó a est e nuevo gas «aire desflogist icado». ( Sin em bargo, pocos años después fue rebaut izado com o oxígeno, nom bre que aún conserva.) Realm ent e, el «aire desflogist icado» de Priest ley parecía ser el opuest o al «aire flogist icado» de Rut herford. Un rat ón m oría en est e últ im o, pero era part icularm ent e act ivo y j uguet ón en el prim ero. Priest ley probó a respirar algo de ese «aire desflogist icado», y se sint ió «ligero y cóm odo». Pero t ant o Rut herford com o Priest ley habían sido precedidos por un quím ico sueco, Karl Wilhelm Scheele ( 1742- 1786) , uno de los quím icos que llevaron a Suecia a la vanguardia de la ciencia en el siglo XVI I I . Uno de ellos, George Brandt ( 1694- 1730) , est udió hacia 1730 un m ineral azulado que parecía m ena de cobre, pero que, para desesperación de los m ineros, no daba cobre cuando se som et ía al t rat am ient o habit ual. Los m ineros pensaban que era m ineral em bruj ado por los espírit us de la t ierra, a los que llam aban «kobolds» ( gnom os) . Brandt logró dem ost rar que el m ineral no cont enía cobre, sino un nuevo m et al ( que parecía hierro por sus propiedades quím icas) al que llam ó cobalt o, en honor a los espírit us de la t ierra. 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 descubrim ient o de est os nuevos elem ent os por los suecos dem ost ró la avanzada m ineralogía que él pract icaba en aquella nación. Cronst edt , por ej em plo, int roduj o el soplet e en el est udio de los m inerales ( ver figura 6) . Consist ía ést e en un t ubo largo que se est rechaba hacia uno de los ext rem os y que, cuando se soplaba por el ext rem o ancho, producía un chorro de aire en el ext rem o apunt ado. Est e chorro, dirigido hacia la llam a, increm ent aba su calor. Figura 6. El soplet e, int roducido en el laborat orio por el quím ico sueco Const edt ( 1722- 1765) , fue un inst rum ent o clave de análisis durant e m ás de un siglo, y se ut iliza t odavía. El aire soplado por el t ubo aum ent a y dirige el calor de la llam a. La llam a calent ada, act uando sobre un m ineral, perm it ía obt ener inform ación acerca de la nat uraleza y com posición del m ineral a part ir del color de la llam a, de la nat uraleza de los vapores form ados, de los óxidos de sust ancias m et álicas que quedaban, et c. El soplet e se m ant uvo com o herram ient a clave de t rabaj o en análisis quím ico durant e un siglo. Mediant e las nuevas t écnicas - com o la del soplet e- se adquirió t ant o conocim ient o sobre los m inerales que Cronst edt creyó j ust ificado sugerir que debían clasificarse no sólo de acuerdo con su apariencia, sino t am bién de acuerdo con su est ruct ura quím ica. En 1758 se publicó un libro det allando est a nueva form a de clasificación. Est e t rabaj o fue superado por el de ot ro m ineralogist a sueco Torbern Olof Bergm an ( 1735- 84) . Bergm an desarrolló una t eoría para explicar por qué una sust ancia reacciona con ot ra, pero no con una t ercera. Supuso la exist encia de «afinidades» ( es decir, at racciones) en diverso grado ent re las sust ancias. Preparó esm eradam ent e unas t ablas donde se regist raban las diversas afinidades; est as t ablas fueron m uy fam osas en vida de él y aún varias décadas después. Scheele, que se inició com o aprendiz de bot icario, at raj o la at ención de Bergm an, que le favoreció y apadrinó. Scheele descubrió una serie de ácidos ent re los que se cuent an el ácido t art árico, ácido cít rico, ácido benzoico, ácido m álico, ácido oxálico y ácido gálico en el reino veget al; ácido láct ico y ácido úrico en el anim al, y ácido m olíbdico y ácido arsenioso en el m ineral. Preparó e invest igó t res gases alt am ent e venenosos: fluoruro de hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y cianuro de hidrógeno. ( Se supone que su t em prana m uert 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 norm alm ent e probaba.) Scheele part icipó en el descubrim ient o de la m ayoría de los elem ent os cuya obt ención se at ribuye a sus colegas suecos. Pero lo m ás im port ant e es que preparó oxígeno y nit rógeno en 1771 y 1772. Preparó oxigeno calent ando det erm inado núm ero de sust ancias de las que se separaba con facilidad y que incluían el óxido de m ercurio ut ilizado por Priest ley un par de años después. Scheele describió sus experim ent os cuidadosam ent e, pero por negligencia de su edit or, las descripciones no aparecieron en prensa hast a 1777. Para ent onces ya habían aparecido los t rabaj os de Rut herford y de Priest ley, que se llevaron 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 reunidos en una t eoría global, lo que ocurrió 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 principio de sus invest igaciones quím icas, Lavoisier reconoció la im port ancia de las m ediciones precisas. Así, su prim er t rabaj o im port ant e, en 1764, t rat a sobre una invest igación de la com posición del yeso: lo calent ó para ext raer el agua que cont enía, y m idió luego la cant idad de agua liberada. Se unió así a los que, com o Black y Cavendish, 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 rum ent o con el que derribar las ant iguas t eorías que, ya inservibles, no harían sino ent orpecer el progreso de la quím ica. Ant oine Laurent de Lavoiser y señora Todavía había quienes, por ej em plo, aún en 1770 se aferraban a la viej a concepción griega de los elem ent os, y m ant enían que la t ransm ut ación era posible, puest o que el agua se t ransform aba en t ierra calent ándola durant e m ucho t iem po. Est a suposición parecía razonable ( incluso, en un principio, a Lavoisier) , puest o que calent ando agua durant e varios días en un recipient e de crist al, se form aba un depósit o sólido. Lavoisier decidió exam inar est a supuest a t ransm ut ación con algo m ás que una sim ple inspección ocular. Durant e 101 días hirvió agua en un aparat o que condensaba el vapor y lo devolvía al m at raz, de m anera que en el curso del experim ent o no se perdía sust ancia alguna. Y, por supuest o, no olvidó la m edida. Pesó el agua y el recipient e, ant es y después del largo período de ebullición. El sedim ent o sí apareció, pero el agua no cam bió de peso durant e la ebullición. De form a que el sedim ent o no pudo haberse form ado a part ir del agua. Sin em bargo, el recipient e, una vez ext raído el sedim ent o result ó que había perdido peso, una pérdida que era j ust am ent e el peso del sedim ent o. En ot ras palabras, el sedim ent o no era agua convert ida en t ierra, sino m at erial del vidrio at acado por el agua calient e y precipit ado en fragm ent os sólidos. He aquí un ej em plo claro en el que la m edida pudo conducir a la dem ost ración de un hecho razonable, m ient ras que el t est im onio de los oj os sólo llevaba a una conclusión falsa. Lavoisier se int eresó en la com bust ión, prim ero, porque ést e era el gran problem a de la quím ica del siglo xviii, y segundo, porque uno de sus prim eros t riunfos fue un ensayo sobre la m ej ora de las t écnicas del alum brado público en 1760- 69. Em pezó en 1772, cuando se unió a ot ros quím icos para com prar un diam ant e que calent ó en un recipient e cerrado hast a que desapareció. La form ación de dióxido de carbono fue la prim era dem ost ración clara de que el diam ant e era una form a de carbono y, por lo t ant o, est aba est recham ent e relacionado con el carbón, m ás que con ninguna ot ra cosa. Calent ó m et ales com o el est año y el plom o en recipient es cerrados con una cant idad lim it ada de aire. Am bos m et ales desarrollaron en su superficie una capa de «calcinado» hast a un m om ent o det erm inado en que ést a no avanzaba m ás. Los part idarios de la t eoría del flogist o dirían que el aire había absorbido del m et al t odo el flogist o que podía ret ener. Pero, com o era bien sabido, el calcinado pesaba m ás que el propio m et al, y sin em bargo, cuando Lavoisier pesó t odo el recipient e ( m et al, calcinado, aire, et c.) después del calent am ient o, pesaron j ust am ent e lo m ism o que ant es de calent arlos. De est e result ado se deducía que si el m et al había ganado peso al calcinarse parcialm ent e, ent onces algo en el recipient e t enía que haber perdido una cant idad de peso equivalent e. Ese algo, al parecer, podría ser el aire, y en ese caso debería haber un vacío parcial en el recipient e. Efect ivam ent e, cuando Lavoisier abrió el m at raz, el aire se precipit ó en él, t ras lo cual com probó que el m at raz y su cont enido habían ganado peso. Lavoisier dem ost ró de est a m anera que la calcinación de un m et al no era el result ado de la pérdida del m ist erioso flogist o, sino la ganancia de algo m uy m at erial: una part e del aire. Ahora le era posible avent urar una nueva explicación sobre la form ación de los m et ales a part ir de sus m enas; la m ena era 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, form ando dióxido de carbono y dej ando t ras de sí el m et al. Así, m ient ras St ahl decía que el proceso de obt ención de un m et al por fusión del m ineral correspondient e im plicaba el paso de flogist o desde el carbón al m ineral, Lavoisier decía que lo im plicado en el proceso era el paso de gas desde el m ineral al carbón. Pero est as dos explicaciones, aunque inversas, ¿no explicaban el m ism o hecho? ¿Había alguna razón para preferir la explicación de Lavoisier a la de St ahl? Sí, la había, porque la t eoría de Lavoisier sobre la t ransferencia de gas podía explicar los cam bios de peso durant e la com bust ión. El calcinado era m ás pesado que el m et al a part ir del cual se form aba, a consecuencia del peso de la porción de aire que se incorporaba. La m adera t am bién ardía con adición de aire a su sust ancia, pero no se observaba aum ent o de peso porque la nueva sust ancia form ada ( dióxido de carbono) era a su vez un gas que se desvanecía en la at m ósfera. Las cenizas que quedaban eran m ás ligeras que la m adera original. Si se quem ara m adera en un espacio cerrado, los gases form ados en el proceso quedarían dent ro del sist em a, y ent onces podría dem ost rarse que las cenizas, m ás los vapores form ados, m ás lo que quedaba de aire, m ant endrían el peso original de la m adera m ás el aire. Lavoisier not ó, en efect o, que si en el curso de los experim ent os se t enían en cuent a t odas las sust ancias que t om aban part e en la reacción quím ica y t odos los product os form ados, nunca habría un cam bio de peso ( o, ut ilizando el t érm ino m ás preciso de los físicos, un cam bio de m asa) . Por eso, Lavoisier m ant uvo que la m asa no se creaba ni se dest ruía, sino que sim plem ent e cam biaba de unas sust ancias a ot ras. Est a es la ley de conservación de la m asa, que sirvió de piedra angular a la quím ica del siglo XI X8 . Las conclusiones a que llegó Lavoisier m ediant e el uso de la m edida fueron de t al m agnit ud, com o puede verse, que los quím icos acept aron sin reservas a part ir de est e m om ent o el uso de est e procedim ient o. 4 . La com bu st ión Lavoisier no est aba, em pero, t ot alm ent e sat isfecho. El aire se com binaba con los m et ales para form ar un calcinado y con la m adera para form ar gases, pero no t odo el aire se com binaba de est a m anera, sino que sólo lo hacía aproxim adam ent e una quint a part e. ¿Por qué ocurría de est e m odo? Priest ley, descubridor del «aire desflogist icado», visit ó París en 1774 y describió a Lavoisier sus hallazgos. Lavoisier com prendió inm ediat am ent e su significado, y en 1775 publicó sus punt os de vist a. El aire no es una sust ancia sim ple, propuso, sino una m ezcla de dos gases en una proporción de 1 a 4. Un quint o del aire era el «aire desflogist icado» de Priest ley ( si bien Lavoisier, desgraciadam ent e, olvidó conceder a Priest ley el debido m érit o) . Era est a porción del aire, y sólo ést a, la que se com binaba con los m at eriales en com bust ión o en proceso de enm ohecim ient o; la que se t ransfería desde el m ineral al carbón, la que era esencial para la vida. Fue Lavoisier quien dio a est e gas su nom bre, oxígeno, derivado de los vocablos que en griego significan «product or de ácidos», pues Lavoisier t enía la idea de que el oxígeno era un com puest o necesario de t odos los ácidos. En est o, com o se dem ost ró post eriorm ent e, est aba equivocado. Las cuat ro quint as part es rest ant es del aire, que no podían m ant ener la com bust ión ni la vida ( el aire «flogist icado» de Rut herford) , const it uían t am bién un gas diferent e. Lavoisier lo llam ó «ázoe» ( de la palabra griega que significa «sin vida») , pero post eriorm ent e lo reem plazó el t érm ino nit rógeno. Est a palabra 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 crecient e refinam ient o de la ciencia de est e siglo es m uy pequeña, y puede despreciarse en las reacciones que ordinariam ent e t ienen lugar en los laborat or ios. form a salit re», ya que se descubrió que el nit rógeno form aba part e de la sust ancia de est e m ineral. Lavoisier est aba convencido de que la vida se m ant enía por algún proceso sem ej ant e a la com bust ión 9 , puest o que lo que inspiram os es aire rico en oxígeno y pobre en dióxido de carbono, m ient ras que el que exhalam os est á em pobrecido en oxígeno y enriquecido en dióxido de carbono. Él y su colaborador, Pierre Sim ón de Laplace ( 1749- 1827) - que m ás t arde se convert iría en un fam oso ast rónom oint ent aron m edir el oxígeno t om ado y el dióxido de carbono liberado por los anim ales. Los result ados fueron algo desconcert ant es, pues part e del oxígeno inhalado no aparecía en el dióxido de carbono espirado. En 1783 Cavendish aún est aba t rabaj ando con su gas inflam able. Quem ó una m uest ra de ést e y est udió sus consecuencias, com probando que los vapores producidos al arder se condensaban para form ar un líquido que, al invest igarlo, result ó ser nada m ás y nada m enos que agua. Est e experim ent o fue de im port ancia crucial. En prim er lugar, era ot ro duro golpe a la t eoría griega de los elem ent os, porque dem ost ró que el agua no era una sust ancia sim ple, sino el product o de la com binación de dos gases. Lavoisier, ent erado del experim ent o, llam ó al gas de Cavendish hidrógeno ( «product or de agua») , y deduj o que el hidrógeno ardía por com binación con el oxígeno, y que, por t ant o, el agua era una com binación de hidrógeno y oxígeno. Tam bién consideró que la sust ancia de los alim ent os y de los t ej idos vivos cont enía una com binación de carbono e hidrógeno, de m anera que cuando se inhalaba aire, el oxígeno se consum ía form ando no sólo dióxido de carbono a part ir del carbono, sino t am bién agua a part ir del hidrógeno. Est a explicación aclaraba el hecho de que part e «del oxígeno no podía m edirse en sus prim eros experim ent os sobre la respiración 10 . 9 10 En est o dem ost ró est ar en lo cier t o. El quím ico ruso Mij aíl Vasilievich Lom onósov ( 1711- 65) se adelant ó en casi v eint e años a las t eorías de Lavoisier, al rechazar en 1756 la t eoría del flogist o y sugerir que los obj et os se com binan al arder con una part e del air e. 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 onósov t am bién t enía punt os de vist a sorpr endent 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 br e m uy not able que sufr ió la m ala suer t e de haber nacido en Europa Orient al en un m om ent o en que el avance cient ífico est aba concent rado en Occident e. Las nuevas t eorías de Lavoisier suponían una com plet a racionalización de la quím ica. Todos los m ist eriosos «principios» habían caído con ella. En el fut uro solam ent e int eresarían a los quím icos los m at eriales que pudieran pesarse o m edirse. Tras est ablecer est a base, Lavoisier com enzó a levant ar la superest ruct ura. Durant e la década de 1780- 89, en colaboración con ot ros t res quím icos franceses, Louis Bernard Guyt on de Morveau ( 1737- 1816) , Claude Louis Bert hollet ( 1748- 1822) y Ant oine François de Fourcroy ( 1755- 1808) , elaboró un sist em a lógico de nom enclat ura que se publicó en 1787. La quím ica no volvería a ser un fárrago de nom bres com o en los días de la alquim ia, cuando cada t rat adist a ut ilizaba su propio sist em a y confundía a los dem ás. Figura 7. Los experim ent os de Lavoisier fueron ilust rados en sus Elem ent os de Quím ica con dibuj os de Mm e. Lavoisier. Se t endría en lo sucesivo un sist em a reconocido que t odos pudieran usar; un sist em a basado sobre principios lógicos, de m odo que cualquiera pudiese deducir los elem ent os de que est aba form ado un com puest o a part ir del nom bre de ést e. Por ej em plo, el óxido de calcio est aba hecho de calcio y oxígeno; el cloruro 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 prefij os y sufij os que proporcionara alguna indicación acerca de las proporciones en las que est aban present 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 part e, el clorat o de pot asio t enía m ás oxígeno que el clorit o, m ient ras que el perclorat o t enía aún m ás que el clorat o, y el cloruro no t enía nada de oxígeno. En 1789 Lavoisier publicó un libro ( Trat ado elem ent al de Quím ica) que aport ó al m undo una visión unificada del conocim ient o quím ico en base a sus nuevas t eorías y nom enclat ura. Fue el prim er t ext o m oderno de quím ica. Ent re ot ras 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 crit erio de Boyle, y que no pudo descom poner en ot ras m ás sencillas) ( véase fig. 8) . Es un m érit o que hay que reconocer a Lavoisier el que de las 33 sust ancias enum eradas solam ent e dos est aban com plet am ent e equivocadas. Est as dos eran la «luz» y el «calórico» que, com o result ó evident e en las décadas post eriores a Lavoisier, no eran sust ancias, sino form as de energía. De las 31 rest ant es, algunas eran verdaderos elem ent os de acuerdo con los requisit os act uales. Ést os incluían sust ancias - com o el oro y el cobre- que se conocían desde ant iguo, así com o ot ras, com o el oxígeno y el m olibdeno, que se habían descubiert o pocos años ant es de la publicación del libro de Lavoisier. Ocho de las sust ancias enum eradas ( la cal y la m agnesia, por ej em plo) no se volvieron a acept ar com o elem ent os, puest o que ya en la época de Lavoisier se habían descom puest o en sust ancias m ás sencillas. Pero, en cualquier caso, una de aquellas sust ancias sim ples result ó 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) , sobre t odo por part e de ciert os part idarios acérrim os del flogist o, Priest ley ent re ellos. Pero ot ros acept aron con ent usiasm o la nueva quím ica. Bergm an, en Suecia, fue uno de ést os. En Alem ania, el quím ico Mart in Heinrich Klaprot h ( 1743- 1817) fue uno de los prim eros conversos. Su acept ación de las t eorías de Lavoisier fue im port ant e, ya que al ser St ahl alem án, había ciert a t endencia ent re los germ anos a adherirse al flogist o com o gest o pat riót ico. ( Klaprot h alcanzó la fam a después de haber descubiert o algunos elem ent os: el uranio y el circonio, en 1789.) Figura 8. List a de elem ent os reunidos por Lavoisier, aparecida en sus Elem ent os de Quím ica El m ism o año en que se publicó el libro de Lavoisier, t riunfó la Revolución Francesa, degenerando rápidam ent e en los feroces excesos del Terror. Lavoisier, por desgracia, est aba relacionado con una organización de recaudadores de im puest os que los revolucionarios consideraban un inst rum ent o de corrupción de la odiada m onarquía. Ej ecut aron en la guillot ina a t odos los funcionarios que lograron prender. Uno de ellos era Lavoisier. Así, en 1794, uno de los m ás grandes quím icos que j am ás ha exist ido, fue m uert o innecesaria 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 producir ot ra igual», dij o Joseph Lagrange, el insigne m at em át ico. Lavoisier es universalm ent e recordado en la act ualidad com o «el padre de la quím ica m oderna». 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 Avogadro 4. Pesos y sím bolos 5. Elect rólisis 1 . La le y de Pr ou st Los éxit os de Lavoisier est im ularon a los quím icos a buscar y explorar ot ras áreas en las que las m ediciones precisas pudieran ilum inar el est udio de las reacciones quím icas. Los ácidos const it uían una de est as áreas. Los ácidos form an un grupo nat ural que com part en un ciert o núm ero de propiedades. Son quím icam ent e act ivos, reaccionando con m et ales t ales com o el cinc, est año o hierro, disolviéndolos y produciendo hidrógeno. Tienen sabor agrio ( si se diluyen o rebaj an lo suficient e com o para probarlos con im punidad) , provocan m anchas y cam bian los colores de un m odo det erm inado, et c. Opuest o a los ácidos hay ot ro grupo de sust ancias llam adas bases. ( Las bases fuert es se llam an álcalis.) Son t am bién quím icam ent e act ivas, de sabor am argo, cam bian el t ono de los colores de m odo opuest o al inducido por los ácidos, et c. En part icular, las soluciones de ácidos pueden neut ralizar soluciones de bases. En ot ras palabras, si los ácidos y las bases se m ezclan en proporciones convenient es, la m ezcla m uest ra unas propiedades que no son ni de ácido ni de base. La m ezcla será 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 clorhídrico, fuert e y cáust ico, se m ezcla con la cant idad convenient e de hidróxido sódico, álcali fuert e y cáust ico, se t ransform ará en una solución de cloruro sódico, sal com ún de cocina. El quím ico alem án Jerem ías Benj am ín Richt er ( 1762- 1807) dirigió su at ención hacia est as reacciones de neut ralización y m idió la cant idad exact a de los diferent es ácidos que se precisaban para neut ralizar una cant idad det erm inada de una base part icular, y viceversa. Por m edio de m ediciones cuidadosas halló que se necesit aban cant idades fij as y definidas. No exist ía el m argen con que un cocinero puede cont ar en la cocina, donde un poco de m ás o de m enos en algunos ingredient es no es dem asiado im port ant e. En lugar de ello había algo así com o un peso equivalent e: un peso fij o de un com puest o reaccionaba con un peso fij o de ot ro. Richt er publicó su t rabaj o en 1792. Dos quím icos franceses est aban em peñados en una enconada bat alla para ver si est a suert e de exact it ud exist ía no solam ent e en la neut ralización ácido- base, sino a t ravés de t oda la quím ica. Dicho brevem ent e: si un com puest o det erm inado est aba form ado de dos elem ent os ( o t res, o cuat ro) , ¿est án esos elem ent os siem pre present es en est e com puest o en las m ism as proporciones fij as o pueden variar est as proporciones según el m ét odo de preparación del com puest o? Bert hollet , uno de los que colaboraron con Lavoisier en el est ablecim ient o de la m oderna t erm inología quím ica, pensaba lo últ im o. De acuerdo con el punt o de vist a de Bert hollet , un com puest o form ado por los elem ent os x e y podía cont ener una cant idad de x m ayor si se preparaba ut ilizando un gran exceso de x. Opuest a a los punt os de vist a de Bert hollet est aba la opinión de Joseph Louis Proust ( 1754- 1826) , quien hizo su t rabaj o en España, a salvo ( durant e algún t iem po) de las convulsiones de la Revolución Francesa. Ut ilizando análisis cuidadosos y concienzudos, Proust dem ost ró en 1799 que el carbonat o de cobre, por ej em plo, cont enía cobre, carbono y oxígeno en proporciones definidas en peso, no im port ando cóm o se hubiera preparado en el laborat orio ni cóm o se hubiera aislado de las fuent es nat urales. La proporción era siem pre de 5,3 part es de cobre por 4 de oxígeno y 1 de carbono. Proust llegó a dem ost rar que una sit uación sim ilar prevalecía t am bién para m uchos ot ros com puest os, y form uló la generalización de que t odos los com puest os cont enían elem ent os en ciert as proporciones definidas y no en ot ras com binaciones, independient em ent e de las condiciones baj o las que se hubiesen form ado. Est o se llam ó la ley de las proporciones definidas o, a veces, ley de Proust . ( Proust t am bién dem ost ró que Bert hollet , al present ar la evidencia de que ciert os com puest os variaban en su com posición de acuerdo con el m ét odo de preparación, se equivocó por culpa de los análisis poco precisos y por el uso de product os que habían sido purificados insuficient em ent e.) Durant e los prim eros años del siglo XI X quedó bast ant e claro que Proust est aba en lo ciert o. Ot ros quím icos verificaron la ley de las proporciones definidas, y ést a se convirt ió en la piedra angular de la quím ica 11 . A part ir del m om ent o en que se dio a conocer la ley de Proust em pezaron a plant earse dent ro del panoram a de la quím ica una serie de problem as m uy im port ant es. Después de t odo, ¿por qué había de ser ciert a la ley de las proporciones definidas? ¿Por qué un ciert o com puest o t enía que est ar hecho siem pre de 4 part es de x y 1 part e de y, pongam os por caso, y nunca de 4,1 part es de x o 3,9 part es de x por 1 part e de y? Si la m at eria fuese cont inua, sería difícil de ent ender est o. ¿Por qué no podrían los elem ent os m ezclarse en proporciones ligeram ent e variables? Por el cont rario, ¿qué ocurriría si la m at eria fuese de nat uraleza 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 anera. ( Tal com binación de át om os acabaría por llam arse 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 variar t ales proporciones sería necesario que un át om o de y est uviese unido a un poco m ás o un poco m enos que un át om o de x. Toda vez que un át om o, ya desde el t iem po de Dem ócrit o, se había considerado com o una part e de m at eria indivisible, no era razonable esperar que una pequeña part e pudiera abandonar un át om o, o que una fracción de un segundo át om o pudiera añadirse a él. En ot ras palabras, si la m at eria est aba form ada de át om os, ent onces la ley de las proporciones definidas se deducía com o una consecuencia nat ural. Por ot ra part e, a part ir del hecho de que la ley de las proposiciones definidas fue observada efect ivam ent e, puede deducirse que los át om os son verdaderam ent e obj et os indivisibles. 11 Es ciert o que algunas sust ancias pueden variar, dent ro de cier t os lím it es, en su const it ución fundam ent al. Son casos especiales. Los com puest os sencillos 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 pr oporciones definidas. 2 . La t e or ía de D a lt on El quím ico inglés John Dalt on ( 1766- 1844) consideró det enidam ent e est a cadena de razonam ient os, ayudado por un descubrim ient o propio. Dos elem ent os, averiguó, pueden com binarse, después de t odo, en m ás de una proporción, en cuyo caso exhiben una gran variación de proporciones de com binación y en cada variación se form 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 re ellos, hidrógeno ( 1) ; carbono ( 3) ; oxígeno ( 4) ; cobre ( 15) ; plat a ( 17) ; oro ( 19) ; agua ( 21) . Se equivocó con el agua, describiéndola com o H20 en lugar de H20, pero sus fórm ulas para el m onóxido de carbono ( 25) y dióxido de carbono ( 28) eran correct as Com o ej em plo sencillo considerem os los elem ent os carbono y oxígeno. Las m ediciones m uest ran que t res part es de carbono ( en peso) com binarán con ocho part es de oxígeno para form ar dióxido de carbono. Sin em bargo, t res part es de carbono y cuat ro part es de oxígeno producen m onóxido de carbono. En t al caso se com prueba que las diferent es cant idades de oxígeno que se com binan con una cant idad fij a de carbono est án relacionadas en la form a de núm eros ent eros sencillos. Las ocho part es present es en el dióxido de carbono son exact am ent e el doble que las cuat ro part es present es en el m onóxido de carbono. Est a es la ley de las proporciones m últ iples. Dalt on, después de observar su exist encia en una ciert a cant idad de reacciones, la publicó en 1803. La ley de las proporciones 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 pre 1- 1/ 3 veces el peso de los át om os de carbono. Si el m onóxido de carbono se form a a t ravés de la com binación de un át om o de carbono con un át om o de oxígeno, el com puest o debe const ar de t res part es en peso de carbono y cuat ro part es de oxígeno. Ent onces, si el dióxido de carbono est á form ado de un át om o de carbono y dos át om os de oxígeno, la proporción debe ser nat uralm ent e de t res part es de carbono por ocho de oxígeno. Las relaciones en form a de m últ iplos sencillos reflej arían 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 eria consist iese en pequeños át om os indivisibles, ést as serían precisam ent e las variaciones en su const it ución que esperaríam os encont rar, y la ley de las proporciones m últ iples t endría pleno sent ido. Cuando Dalt on expuso en 1803 su nueva versión de la t eoría at óm ica basada en las leyes de las proporciones definidas y de las proporciones m últ iples, reconoció su deuda con Dem ócrit o m ant eniendo el t érm ino «át om o» para las pequeñas part ículas que form aban la m at eria. En 1808 publicó Un Nuevo Sist em a de Filosofía Quím ica, en el que discut ía con gran det alle su t eoría at óm ica. En ese m ism o año su ley de las proporciones m últ iples quedó rat ificada por las invest igaciones de ot ro quím ico inglés, William Hyde Wollast on ( 1766- 1828) . A part ir de ent onces Wollast on prest ó el apoyo de su influencia a la t eoría 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 eoría at óm ica fue un golpe m ort al ( si es que hacía falt a alguno) a la creencia en la posibilidad de la t ransm ut ación en t érm inos alquím icos. Toda la evidencia parecía apunt ar hacia la posibilidad de que cada uno de los diferent 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 consideraban generalm ent e com o indivisibles e invariables, no cabía pensar en t ransform ar un át om o de plom o en ot ro de oro baj o ninguna circunst ancia. El plom o, por lo t ant o, no podría t ransm ut arse en oro 12 . Los át om os de Dalt on eran, claro est á, dem asiado pequeños com o para verse, incluso al m icroscopio; la observación direct a era im pensable. Sin em bargo, las m edidas indirect as podían aport ar inform ación sobre sus pesos relat ivos. Por ej em plo, una part e ( en peso) de hidrógeno se com binaba con ocho part es de oxígeno para form ar agua. Si se suponía que una m olécula de agua const aba de un át om o de hidrógeno y un át om o de oxígeno, ent onces podía deducirse que el át om o de oxígeno era ocho veces m ás pesado que el át om o de hidrógeno. Si se decide t om ar el peso del át om o de hidrógeno arbit rariam ent e igual a 1, ent onces el peso del át om o de oxígeno en est a escala sería 8. Por ot ra part e, si una part e de hidrógeno se com bina con cinco part es de nit rógeno para form ar am oniaco, y si se supone que la m olécula de am oniaco est á form ada de un át om o de hidrógeno y ot ro de nit rógeno, puede deducirse que el át om o de nit rógeno t iene un peso de 5. Razonando de est e m odo, Dalt on confeccionó la prim era t abla de pesos at óm icos. Est a t abla, aunque quizá sea su m ás im port ant e cont ribución individual, result ó est ar bast ant e equivocada en m uchos punt os. El principal fallo reside en la insist encia de Dalt on en que las m oléculas est aban form adas por el apaream ient o de un solo át om o de un elem ent o con un solo át om o de ot ro. Sólo se apart ó de est a posición cuando era absolut am ent e necesario. Con el t iem po se vio, sin em bargo, que esa com binación uno- a- uno no era necesariam ent e el caso m ás frecuent e. El desacuerdo se m anifest ó concret am 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 odo, t ransfor m arse en ot ros Los m ét odos usados para logr arlo, sin em bargo, eran t ales que ningún alquim ist a los im aginó j am ás, ni podr ía haberlos llevado nunca a cabo. en relación con el agua, incluso ant es de que Dalt on hubiese propuest o su t eoría at óm ica. Aquí, por vez prim era, la fuerza de la elect ricidad invadió el m undo de la quím ica. El conocim ient o de la elect ricidad dat a de los ant iguos griegos, quienes hallaron que el ám bar, al frot arlo, adquiere el poder de at raer obj et os ligeros. Siglos después, el físico inglés William Gilbert ( 1540- 1603) fue capaz de dem ost rar que no es solam ent e el ám bar el que se com port a así, sino que t am bién ot ras sust ancias adquieren poder de at racción al frot arlas. Hacia 1600 sugirió que las sust ancias de est e t ipo se llam asen «eléct ricas», de la palabra que en griego significa ám bar. En consecuencia, una sust ancia que adquiere t al poder, por frot am ient o o de ot ra m anera, se dice que lleva una carga eléct rica o que cont iene elect ricidad. El quím ico francés Charles François de Cist ernay du Fay ( 1698- 1739) descubrió en 1733 que había dos t ipos de carga eléct rica: ( «elect ricidad vit rea») una que surgía en el vidrio y ot ra que podía crearse en el ám bar ( «elect ricidad resinosa») . Las sust ancias que port aban un t ipo de carga at raían a las de t ipo cont rario, m ient ras que dos sust ancias que llevasen el m ism o t ipo de carga se repelían ent re sí. Benj am ín Franklin ( 1706- 90) , que fue el prim er gran cient ífico nort eam ericano, así com o gran est adist a y diplom át ico, sugirió en 1740 la exist encia de un solo fluido eléct rico. Cuando una sust ancia cont enía una cant idad de fluido eléct rico m ayor que la norm al, poseía uno de los dos t ipos de carga; cuando cont enía m enos cant idad que la norm al, poseía el ot ro t ipo. Franklin supuso que era el vidrio el que t enía una cant idad de fluido eléct rico superior al norm al, de m odo que le asignó una carga posit iva. La resina, según él, llevaba una carga negat iva. Los t érm inos de Franklin 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 ocurre de hecho. El físico it aliano Alessandro Volt a ( 1745- 1827) avanzó un paso m ás. En 1800 halló que dos m et ales ( separados por soluciones capaces de conducir una carga eléct rica) podían disponerse de m odo que una nueva carga se crease t an pront o com o la viej a se alej ase a lo largo de un alam bre conduct or. De est e m odo invent ó la prim era bat ería eléct rica y produj o una corrient e eléct rica. La corrient e eléct rica se m ant enía gracias a la reacción quím ica que im plicaba a los dos m et ales y a la solución int erm edia. El t rabaj o de Volt a fue la prim era indicación clara de que las reacciones quím icas t enían algo que ver con la elect ricidad, una sugerencia que no fue t ot alm ent e desarrollada hast a el siglo siguient e. Si una reacción quím ica puede producir una corrient e eléct rica, no parecía dem asiado descabellado el suponer que una corrient e eléct rica podría im plicar lo cont rario y provocar una reacción quím ica. De hecho, a las seis sem anas de describir Volt a su t rabaj o, dos quím icos ingleses, William Nicholson ( 1753- 1815) y Ant hony Carlisle ( 1768- 1840) , dem ost raron la acción cont raria. Hicieron pasar una corrient e eléct rica a t ravés del agua y hallaron que em pezaban a aparecer burbuj as de gas en las varillas de m et al conduct oras que habían int roducido en el agua. El gas que aparecía en una varilla era hidrógeno y el que aparecía en la ot ra, oxígeno. En efect o, Nicholson y Carlisle habían descom puest o el agua en hidrógeno y oxígeno; t al descom posición por una corrient e eléct rica se llam a elect rólisis. Habían realizado el experim ent o inverso al de Cavendish, en el que el hidrógeno y el oxígeno se com binaban para form ar agua. Al recoger el hidrógeno y el oxígeno en t ubos separados a m edida que burbuj eaban, result ó que se había form ado un volum en de hidrógeno j ust am ent e doble que de oxígeno. El hidrógeno era el m ás ligero en peso, con t oda seguridad, pero el m ayor volum en indicaba que podía haber m ás át om os de hidrógeno que de oxígeno en la m olécula de agua. Com o el volum en de hidrógeno era j ust o doble que el de oxígeno, result aba razonable suponer que cada m olécula de agua cont enía dos át om os de hidrógeno y uno de oxígeno, en vez de uno de cada, com o propusiera Dalt on. Pero aun así, seguía siendo ciert o que 1 part e de hidrógeno ( en peso) se com binaba con 8 part es de oxígeno. Se deduj o ent onces que un át om o de oxígeno era ocho veces m ás pesado que dos de hidrógeno j unt os, y por t ant o dieciséis veces m ás pesado que un solo át om o de hidrógeno. Si el peso del hidrógeno se considera 1, ent onces el peso at óm ico del oxígeno debería ser 16, no 8. 3 . H ipót e sis de Avoga dr o Los hallazgos de Nicholson y Carlisle se vieron reforzados por el t rabaj o de un quím ico francés, Joseph Louis Gay- Lussac ( 1778- 1850) , que invirt ió los argum ent os. Descubrió que 2 volúm enes de hidrógeno com binaban con 1 volum en de oxígeno para dar agua. Llegó a averiguar, de hecho, que cuando los gases se com binan ent re sí para form ar com puest os, siem pre lo hacen en la proporción de núm eros ent eros pequeños. Gay- Lussac dio a conocer est a ley de los volúm enes de com binación en 1808. Est a proporción de núm eros ent eros en la form ación del agua con hidrógeno y oxígeno parecía de nuevo indicar que la m olécula de agua est aba com puest a de dos át om os de hidrógeno y uno de oxígeno. Tam bién podía argüirse, siguiendo líneas de razonam ient o sim ilares, que las m oléculas de am oniaco no procedían de la com binación de un át om o de hidrógeno y ot ro de nit rógeno, sino de un át om o de nit rógeno y t res át om os de hidrógeno. Part iendo de est a evidencia podía concluirse que el peso at óm ico del nit rógeno no era aproxim adam ent e 5, sino 14. Considerem os a cont inuación el hidrógeno y el cloro. Est os dos gases se com binan para form ar un t ercero, el cloruro de hidrógeno. Un volum en de hidrógeno se com bina con un volum en de cloro, y parece razonable suponer que la m olécula de cloruro de hidrógeno est á form ada por la com binación de un át om o de hidrógeno con uno de cloro. Supongam os ahora que el gas hidrógeno const a de át om os de hidrógeno aislados y m uy separados unos de ot ros, y que el gas cloro const a de át om os de cloro, t am bién m uy separados. Est os át om os se aparean para form ar las m oléculas de cloruro de hidrógeno, m uy alej adas t am bién unas de ot ras. Vam os a suponer que em pezam os con 100 át om os de hidrógeno y 100 át om os de cloruro, dando un t ot al de 200 part ículas separadas. Los át om os se aparean para form ar 100 m oléculas de cloruro de hidrógeno. Las 200 part ículas am pliam ent e espaciadas ( át om os) se t ransform an en sólo 100 part ículas m uy separadas ( m oléculas) . Si el espaciado es siem pre igual, hallarem os que un volum en de hidrógeno m ás un volum en de cloro ( 2 volúm enes en t ot al) result arían solam ent e en un volum en de cloruro de hidrógeno. Est o, sin em bargo, no es así. A part ir de las m ediciones reales, un volum en de hidrógeno com bina con un volum en de cloro para form ar dos volúm enes de cloruro de hidrógeno. Ya que hay dos volúm enes al em pezar y dos volúm enes al acabar, debe haber el m ism o núm ero de part ículas am pliam ent e separadas ant es y después. Pero supongam os que el gas hidrógeno no consist e en át om os separados sino en m oléculas de hidrógeno, cada una form ada por dos át om os, y que el cloro est á com puest o de m oléculas de cloro, cada una con dos át om os. En est e caso, los 100 át om os de hidrógeno exist irían en la form a de 50 part ículas am pliam ent e espaciadas ( m oléculas) , y los 100 át om os de cloro en la form a de 50 part ículas separadas. Ent re los dos gases hay en t ot al 100 part ículas am pliam ent e espaciadas, la m it ad de ellas hidrógeno- hidrógeno y la ot ra m it ad cloro- cloro. Al com binarse, los dos gases se reagrupan para form ar hidrógeno- cloro, la com binación at óm ica que const it uye la m olécula de cloruro de hidrógeno. Com o hay 100 át om os de hidrógeno en t ot al y 100 át om os de cloro, hay 100 m oléculas de cloruro del hidrógeno ( cada una cont eniendo un át om o de cada t ipo) . Ahora nos encont ram os con que 50 m oléculas de hidrógeno m ás 50 m oléculas de cloro se com binan para form ar 100 m oléculas de cloruro de hidrógeno. Est o es com pat ible con lo observado en la práct ica: 1 volum en de hidrógeno m ás 1 volum en de cloro dan 2 volúm enes de cloruro de hidrógeno. El razonam ient o ant erior da por sent ado que las part ículas de los diferent es gases ya est én form adas por át om os sim ples o por com binaciones de át om os- est án en realidad igualm ent e separadas, com o hem os venido repit iendo. En ese caso, núm eros iguales de part ículas de un gas ( a una t em perat ura dada) darán siem pre volúm enes iguales, independient em ent e del gas de que se t rat e. El prim ero en apunt ar la necesidad de est e supuest o - en los gases, igual núm ero de part ículas ocupan volúm enes iguales- fue el quím ico it aliano Am adeo Avogadro ( 1776- 1856) . La suposición, propuest a en 1811, se conoce por ello com o hipót esis de Avogadro. Si se t iene en cuent a est a hipót esis, es posible dist inguir con claridad ent re át om o de hidrógeno y m oléculas de hidrógeno ( un par de át om os) , e igualm ent e ent re los át om os y las m oléculas de ot ros gases. Sin em bargo, durant e m edio siglo después de Avogadro su hipót esis perm aneció ignorada, y la dist inción ent re át om os y m oléculas de elem ent os gaseosos im port ant es no est aba definida claram ent e en el pensam ient o de m uchos quím icos, persist iendo así la incert idum bre acerca de los pesos at óm icos de algunos de los elem ent os m ás im port ant es. Afort unadam ent e, había ot ras claves para averiguar los pesos at óm icos. En 1818, por ej em plo, un quím ico francés, Pierre Louis Dulong ( 1785- 1839) , y un físico francés, Alexis Thérése Pet it ( 1791- 1820) , t rabaj ando en colaboración, hallaron una de ellas. Descubrieron que el calor específico de los elem ent os ( el aum ent o de t em perat ura que sigue a la absorción de una cant idad fij a de calor) parecía variar inversam ent e con el peso at óm ico. Es decir, si el elem ent o x t uviera dos veces el peso at óm ico del elem ent o y, la t em perat ura del elem ent o x subiría 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. Est a es la ley del calor at óm ico. Así, pues, bast a 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, siquiera aproxim ada, de dicho peso at óm ico. Est e m ét odo funcionaba sólo para elem ent os sólidos, y t am poco para t odos, pero era m ej or que nada. Por ot ra part e, un quím ico alem án, Eilhardt Mit scherlich ( 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 configuración sem ej ant e, del ot ro. De est a ley del isom orfism o se deduj o que si dos com puest os crist alizan j unt os y se conoce la est ruct ura de uno de ellos, la est ruct ura del segundo puede suponerse sim ilar. Est a propiedad de los crist ales isom orfos perm it ió a los experim ent adores corregir errores que pudieran surgir de la consideración de los pesos de com binación solam ent e, y sirvió com o guía para la corrección de los pesos at óm icos. 4 . Pe sos y sím bolos El punt o decisivo llegó con el quím ico sueco Jons Jakob Berzelius. Fue, después del m ism o Dalt on, el principal responsable del est ablecim ient o de la t eoría at óm ica. Hacia 1807, Berzelius se lanzó a det erm inar la const it ución elem ent al exact a de dist int os com puest os. Mediant e cient os de análisis, proporcionó t ant os ej em plos de la ley de las proporciones definidas que el m undo de la quím ica no podría dudar m ás de su validez y t uvo que acept ar, m ás o m enos gust osam ent e, la t eoría at óm ica que había nacido direct am ent e de dicha ley. Berzelius em pezó ent onces a det erm inar los pesos at óm icos con m ét odos m ás avanzados que los que Dalt on había sido capaz de em plear. En est e proyect o, Berzelius hizo uso de los hallazgos de Dulong y Pet it y de Mit scherlich, 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 Avogadro.) La prim era t abla de pesos at óm icos de Berzelius, publicada en 1828, puede confront arse favorablem ent e con los valores acept ados hoy día, except o en dos o t res elem ent os. Una diferencia im port ant e ent re la t abla de Berzelius y la de Dalt on fue que los valores de Berzelius no eran, por lo general, núm eros ent eros. Los valores de Dalt on, basados sobre la consideración del peso at óm ico del hidrógeno com o 1, eran t odos ent eros. Est o conduj o al quím ico inglés William Prout ( 1785- 1850) a sugerir, en 1815, que t odos los elem ent os est aban en definit iva com puest os de hidrógeno ( sugerencia que hizo en un principio anónim am ent e) . Según él, los diversos elem ent os t enían dist int os pesos porque est aban com puest os de diferent e núm ero de át om os de hidrógeno aglut inados. Est o llegó a llam arse la hipót esis de Prout . La t abla de Berzelius pareció acabar con est a at ract iva hipót esis ( at ract iva porque reducía el crecient e núm ero de elem ent os a una sust ancia fundam ent al, a la m anera de los griegos, y parecía así increm ent ar el orden y la sim et ría del universo) . Sobre una base de hidrógeno- igual- a- 1, el peso at óm ico del oxígeno era aproxim adam ent e igual a 15,9, y difícilm ent e podría visualizarse al oxígeno com o form ado por quince át om os de hidrógeno m ás nueve décim as part es de ot ro át om o de hidrógeno. Durant e el siglo siguient e se publicaron cada vez m ej ores t ablas de pesos at óm icos, y el descubrim ient o de Berzelius 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 Servais St as ( 1813- 91) det erm inó los pesos at óm icos con m ás exact it ud que Berzelius. Más t arde, a com ienzos del siglo xx, el quím ico am ericano Theodore William Richards ( 1869- 1928) , t om ando fant ást icas precauciones, encont ró valores que podrían represent ar la últ im a aproxim ación posible por m ét odos puram ent e quím icos. Si el t rabaj o de Berzelius había dej ado plant eadas algunas dudas, el de St as y Richards no. Los valores no ent eros de los pesos at óm icos sim plem ent e habían de ser acept ados, y la hipót esis de Prout parecía m orir un poco m ás a cada golpe. Sin em bargo, no había Richards t erm inado de com plet ar sus exact ísim os result ados cuando la cuest ión volvió a plant earse en t oda su am plit ud. Había que revisar de nuevo t odo el significado de los pesos at óm icos, y la hipót esis de Prout renació 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 sobre el t apet e la cuest ión del pat rón adecuado con el que m edir los pesos. Parecía lógico asignar al hidrógeno un peso at óm ico igual a 1, y t ant o Dalt on com o Berzelius lo probaron. Pero est e pat rón daba una vez m ás al oxígeno el irregular e inconvenient e peso at óm ico de 15,9. Después de t odo, era el oxígeno el que se usaba para det erm inar las proporciones en que se com binaban los diferent 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 rón hidrógeno = 1, su peso se t ransform ó de 15, A en 16,0000. Sobre est e pat rón oxígeno = 16, el peso at óm ico del hidrógeno era aproxim adam ent e igual a 1,008. El pat rón oxígeno = 16 se m ant uvo hast a m ediados del siglo xx, en que se acept ó uno m ás lógico, realizando m uy ligeros cam bios en el peso at óm ico. Una vez acept ada la t eoría at óm ica podían represent arse las sust ancias com o com puest as de m oléculas con un núm ero fij o de át om os de diferent es elem ent os. Parecía m uy nat ural int ent ar represent ar t ales m oléculas dibuj ando el núm ero convenient e de pequeños círculos 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. Represent 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 hidrógeno; con una línea vert ical un át om o de nit rógeno; un círculo negro un át om o de carbono, y así sucesivam ent e. Pero com o result aba difícil invent ar círculos suficient em ent e diferent es para cada elem ent o, Dalt on dej ó algunos indicados con una let ra apropiada. Así, el azufre era un círculo cont eniendo una S, el fósforo uno que t enía una P, et cét era. Berzelius vio que los círculos eran superfluos y que bast aban las iniciales solas. Sugirió, por t ant o, que cada elem ent o t uviese un sím bolo válido t ant o para represent ar el elem ent o en general com o para un át om o del elem ent o, y que est e nom bre consist iese en principio en la inicial del nom bre lat ino del elem ent o. Si dos o m ás elem ent os poseían la m ism a inicial, podía añadirse una de las let ras siguient es del nom bre. Así se const it uyeron 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, hidrógeno, oxígeno, nit rógeno, fósforo y azufre son C, H, O, N, P y S, respect ivam ent e. Los sím bolos quím icos del calcio y cloro ( con preferencia del carbono sobre la m ayúscula única) son Ca y Cl, respect ivam ent e. Los sím bolos son m enos obvios cuando los nom bres lat inos difieren de los cast ellanos. Así, los sím bolos quím icos de la plat a, el m ercurio y el sodio son Ag ( «argent um ») , Hg ( «hidrargirium ») y Na ( «nat rium ») , respect ivam ent e. Es fácil ut ilizar est os sím bolos para indicar el núm ero de át om os en una m olécula. Si la m olécula de hidrógeno est á form ada por dos át om os de hidrógeno, es H2. Si la m olécula de agua cont iene dos át om os de hidrógeno y uno de oxígeno, es H20 ( los sím bolos sin núm ero represent an un solo át om o) . El dióxido de carbono es C02 y el ácido sulfúrico S04H2, m ient ras que el cloruro de hidrógeno es ClH. Las fórm ulas quím icas de est os com puest os sencillos se explican por sí m ism as. Las fórm ulas quím icas pueden com binarse para form ar ecuaciones quím icas y describir una reacción. Si querem os expresar el hecho de que el carbono se com bina con el oxígeno para form ar dióxido de carbono, podem os escribir: C + O2 —> CO2 . Tales ecuaciones deben cuidar de que la ley de conservación de m asas de Lavoisier se cum pla para 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 ( carbono) y dos át om os de O ( la m olécula de oxígeno) y se acaba con un át om o de C y dos át om os de O ( la m olécula de dióxido de carbono) . Pero supongam os que se quiere expresar que el hidrógeno se com bina con el cloro para form ar cloruro de hidrógeno. Si escribim os sencillam ent e H 2 + Cl 2 —> HCl podría deducirse que hay dos át om os de hidrógeno y dos de cloro al em pezar, per o solam ent e uno de cada al final. Para escribir una ecuación quím ica aj ust ada, debe ponerse: H 2 + Cl 2 —> 2 HCl. Del m ism o m odo, para describir la com binación del hidrógeno y el oxígeno para form ar agua, podem os form ular una ecuación aj ust ada: 2 H 2 + 0 2 —> 2 H2 0. 5 . Ele ct r ólisis Mient ras t ant o, la corrient e eléct rica, que había sido ut ilizada con t an buen result ado por Nicholson y Carlisle, produj o result ados aún m ás espect aculares 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 fueron descubiert as cant idades asom brosas de sust ancias calificadas com o elem ent os según esa definición. Y, lo que era m ás frust rant 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 liberar el elem ent o era necesario elim inar el oxígeno. Si se int roduj ese un segundo elem ent o con una afinidad m ás fuert e por el oxígeno, quizá ést e abandonase el prim er elem ent o para unirse al segundo. Se halló que el m ét odo funcionaba, siendo el carbono el que a m enudo desem peñaba est e papel. Así, el m ineral de hierro, que es fundam ent alm ent e óxido de hierro, puede calent arse con coque ( una form a de carbono relat ivam ent e pura) . El carbono puede com binarse con el oxígeno para form ar m onóxido de carbono y dióxido de carbono, quedando at rás el hierro m et álico. Pero considerem os ahora la cal. Por sus propiedades, la cal parece ser t am bién un óxido. Sin em bargo, no se conoce ningún elem ent o que form e cal al com binarse con oxígeno, y puede concluirse que la cal es un com puest o de un elem ent o desconocido con oxígeno. Para aislar ese elem ent o desconocido cabe calent ar la cal con coque; pero así no ocurre nada. El elem ent o desconocido se une al oxígeno t an firm em ent e que los át om os de carbono son im pot ent es para elim inar los át om os de oxígeno. Tam poco hay ningún ot ro com puest o que pueda liberar a la cal de su oxígeno. A un quím ico inglés, Hum phry Davy ( 1778- 1829) , se le ocurrió que lo que no podía separarse por com puest os quím icos podría ser forzado por el ext raño poder de la corrient e eléct rica, que lograba escindir la m olécula de agua con facilidad cuando los com puest os quím icos result aban t ot alm ent e ineficaces. Davy procedió a const ruir una bat ería eléct rica con m ás de 250 placas m et álicas, la m ás pot ent e const ruida hast a el m om ent o. Envió int ensas corrient es procedent es de est a bat ería a t ravés 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 procedent es del agua. Evident em ent e, t enía que elim inar el agua. Sin em bargo, cuando usó las propias sust ancias sólidas, no logró hacer pasar la corrient e a t ravés de ellas. Finalm ent e se le ocurrió fundir los com puest os y hacer pasar la corrient e a t ravés de la sust ancia fundida. Trat ó, por así decirlo, de obt ener un líquido conduct or sin usar agua. La idea era buena. El 6 de oct ubre de 1807, Davy hizo pasar una corrient e a t ravés de pot asa fundida ( carbonat o pot ásico) y liberó pequeños glóbulos de un m et al que inm ediat am ent e llam ó pot asio. ( Era t an act ivo que liberaba al oxígeno del agua desprendiendo hidrógeno con energía suficient e com o para provocar su com bust ión con llam a.) Una sem ana después, Davy aisló sodio del carbonat 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 sugerido por Berzelius, Davy aisló varios m et ales de sus óxidos: m agnesio de la m agnesia, est roncio de la est roncianit a, bario de la barit ina y calcio de la cal. Ent re ot ras cosas, Davy t am bién m ost ró que un ciert o gas verdoso, que Scheele había descubiert o en la generación ant erior y había pensado que era un óxido, era en realidad un elem ent o. Davy sugirió el nom bre de cloro, del vocablo griego «verde». Davy t am bién dem ost ró que el ácido clorhídrico, aunque era un ácido fuert e, no cont enía ningún át om o de oxígeno en su m olécula, desest im ando la sugerencia de Lavoisier de que el oxígeno era un com ponent e necesario de los ácidos. El t rabaj o de Davy sobre la elect rólisis fue am pliado por su ayudant e y prot egido Michael Faraday ( 1791- 1867) , quien llegó a superar en valía cient ífica a su m aest ro. Figura 10. La acción elect rolít ica fue explicada por Faraday según la línea sugerida en est e dibuj o esquem át ico. Los let reros expresan la nom enclat ura que él invent ó. Faraday, t rabaj ando en elect roquím ica, int roduj o una serie de t érm inos que se ut ilizan t odavía en la act ualidad ( ver fig. 10) . Fue, por ej em plo, quien propuso el nom bre de elect rólisis para la rupt ura de m oléculas por una corrient e eléct rica. A sugerencia del erudit o inglés William Whewell ( 1794- 1866) , Faraday llam ó elect rolit os a los com puest os o soluciones capaces de t ransport ar una corrient e eléct rica. Las placas o varillas de m et al int roducidas en la sust ancia fundida o solución recibieron el nom bre de elect rodos; el elect rodo que llevaba una carga posit iva era el ánodo, el que llevaba una carga negat iva era el cát odo. La corrient e eléct rica era t ransport ada a t ravés del m at erial fundido o la solución por ent idades que Faraday denom inó iones ( de la palabra griega que significa «viaj ero») . Los iones que viaj aban al ánodo eran aniones; los que viaj aban al cát odo eran cat iones. En 1832 pudo proclam ar la exist encia de ciert as relaciones cuant it at ivas en elect roquím ica. Su prim era ley de la elect rólisis est ableció que la m asa de sust ancia liberada en un elect rodo durant e la elect rólisis es proporcional a la cant idad de elect ricidad que se hace pasar a t ravés de la solución. Su segunda ley de la elect rólisis afirm a que el peso de m et al liberado por una cant idad dada de elect ricidad es proporcional al peso equivalent e del m et al. Así, si con una cant idad det erm inada de oxígeno puede com binarse 2,7 veces m ás plat a que pot asio, para una cant idad dada de elect ricidad se liberará de sus com puest os 2,7 veces m ás plat a que pot asio. Las leyes de la elect ricidad de Faraday parecían indicar, según la opinión de algunos quím icos, que la elect ricidad podía subdividirse en pequeñas unidades definidas, igual que la m at eria. En ot ras palabras, había «át om os de elect ricidad». Supongam os que cuando la elect ricidad pasa a t ravés de una solución los át om os de la m at eria son arrast rados, bien hacia el cát odo, bien hacia el ánodo, por «át om os de elect ricidad». Y supongam os t am bién que en la m ayor part e de los casos un «át om o de elect ricidad» bast e para m anej ar un át om o de m at eria, pero que a veces hagan falt a dos y hast a t res «át om os de elect ricidad». En ese caso, las leyes de Faraday podrían explicarse fácilm ent e. Aún no había t erm inado el siglo XI X cuando quedó est ablecida est a opinión, y los «át om os de elect ricidad» fueron localizados. El m ism o Faraday, sin em bargo, nunca fue un ent usiast a de los «át om os de elect ricidad» ni, ciert am ent e, del at om ism o en general. Ca pít u lo 6 Qu ím ica or gá n ica Cont enido: 1. La crisis del vit alism o 2. Los ladrillos con los que se const ruye la vida 3. I sóm eros y radicales 1 . La cr isis de l vit a lism o Desde el descubrim ient o del fuego, el hom bre est uvo inevit ablem ent e suj et o a dividir las sust ancias en dos clases, según ardiesen o no. Los principales com bust ibles de la ant igüedad fueron la m adera y las grasas o aceit es. La m adera era un product o del m undo veget al, m ient ras que la grasa y el aceit e eran product os del reino anim al o del veget al. En su m ayor part e, los m at eriales del m undo m ineral, t ales com o el agua, la arena y las rocas, no ardían. Tienden, m ás bien, a apagar el fuego. La idea inm ediat a era que las dos clases de sust ancias - com bust ibles y no com bust ibles- podían considerarse convenient em ent e com o las que provenían solam ent e de cosas vivient es y las que no provenían de ést as. ( Por supuest o, hay excepciones a est a regla. El carbón y el azufre, que parecen product os de la part e no vivient e de la t ierra, son com bust ibles.) El crecient e conocim ient o del siglo XVI I m ost ró a los quím icos que el m ero hecho de la com bust ibilidad no era t odo lo que separaba a los product os de la vida de los de la no- vida. Las sust ancias caract eríst icas del m edio no- vivo pueden soport ar t rat am ient os enérgicos, m ient ras que las sust ancias provenient es de la m at eria viva - o que est uvo viva- no pueden. El agua podía hervirse y recondensarse de nuevo; el hierro o la sal podían fundirse y re- solidificarse sin cam biar. El aceit e de oliva o el azúcar, sin em bargo, sí se calent aban ( incluso baj o condiciones que evit asen la com bust ión) , procedían a hum ear y carbonizarse. Lo que quedaba no era ni aceit e de oliva ni azúcar, y a part ir de est os residuos no podían form arse de nuevo las sust ancias originales. Las diferencias parecían fundam ent ales y, en 1807, Berzelius sugirió que las sust ancias com o el aceit e de oliva o el azúcar, product os caract eríst icos de los organism os, se llam asen orgánicas. Las sust ancias com o el agua o la sal, caract eríst icas del m edio no- vivient e, eran inorgánicas. Un punt o que no dej ó de im presionar a los quím icos fue que las sust ancias orgánicas eran fácilm ent e convert ibles, por calent am ient o u ot ro t rat am ient o enérgico, en sust ancias inorgánicas. El cam bio inverso, de inorgánico a orgánico, era sin em bargo desconocido, al m enos a com ienzos del siglo XI X. Muchos quím icos de aquella época consideraban la vida com o un fenóm eno especial que no obedecía necesariam ent e las leyes del universo t al com o se aplicaban a los obj et os inanim ados. La creencia en est a posición especial de la vida se llam a vit alism o, y había sido int ensam ent e predicada un siglo ant es por St ahl, el invent or del flogist o. A la luz del vit alism o, parecía razonable suponer que era precisa alguna influencia especial ( una «fuerza vit al») , operando solam ent e sobre los t ej idos vivos, para convert ir los m at eriales inorgánicos en orgánicos. Los quím icos, t rabaj ando con sust ancias y t écnicas ordinarias y sin ser capaces de m anej ar una fuerza vit al en su t ubo de ensayo, no podrían alcanzar est a conversión. Por est a razón, se argum ent aba, las sust ancias inorgánicas pueden encont rarse en t odas part es, t ant o en el dom inio de la vida com o en el de la no- vida, al igual que el agua puede encont rarse t ant o en el océano com o en la sangre. Las sust ancias orgánicas, que precisan de la fuerza vit al, solam ent e pueden encont rarse en conexión con la vida. Est a opinión fue subvert ida por vez prim era en 1828 por el t rabaj o de Friedrich Wöhler ( 1800- 82) , un quím ico alem án que había sido discípulo de Berzelius. Wöhler, int eresado part icularm ent e por los cianuros y com puest os relacionados con ellos, calent ó en ciert a ocasión un com puest o llam ado cianat o am ónico ( considerado en aquella época com o una sust ancia inorgánica, sin ningún t ipo de conexión con la m at eria viva) . En el curso del calent am ient o, Wöhler descubrió que se est aban form ando crist ales parecidos a los de la urea, un product o de desecho elim inado en cant idades considerables en la orina de m uchos anim ales, incluido el hom bre. Est udios m ás precisos m ost raron que los crist ales eran indudablem ent e urea, un com puest o claram ent e orgánico, sin duda. Wöhler repit ió el experim ent o un ciert o núm ero de veces y halló que podía convert ir una sust ancia inorgánica ( cianat o am ónico) en una sust ancia orgánica ( urea) a volunt ad. Com unicó est e descubrim ient o a Berzelius, y aquel hom bre t erco ( que raram ent e condescendía a abandonar sus posiciones) se vio obligado a acept ar que la línea que había t razado ent re lo inorgánico y lo orgánico no era t an nít ida com o había pensado. La im port ancia del t rabaj o de Wöhler no debe ser sobres- t im ada. En sí m ism o no era m uy significat ivo. Había fundam ent os para argüir que el cianat o am ónico no era verdaderam ent e inorgánico y, aunque lo fuera, la t ransform ación de cianat o am ónico en urea ( com o finalm ent e se puso en claro) era sim plem ent e el result ado de una alt eración de la posición de los át om os dent ro de la m olécula. La m olécula de urea no est aba, en ningún sent ido real, const ruida a part ir de sust ancias com plet am ent e dist int as. Pero t am poco puede despreciarse el hallazgo de Wöhler. Si bien era, realm ent e, un hecho m enor en sí m ism o, sirvió no obst ant e para rom per la influencia del vit alism o sobre el pensam ient o de aquella época 13 , y para anim ar a los quím icos a int ent ar la sínt esis de sust ancias orgánicas, cuando de ot ro m odo hubieran dirigido 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 orgánica. Más adelant e lo sint et izó por un m ét odo que m ost ró que puede t razarse una línea definida de t ransform ación quím ica desde los elem ent os const it uyent es, carbono, hidrógeno y oxígeno, hast a el product o final, ácido acét ico. Est a sínt esis a part ir de los elem ent os o sínt esis t ot al es lo m áxim o que puede pedírsele a la quím ica. Si la sínt esis de la urea por Wöhler no dej ó resuelt a la cuest ión de la fuerza vit al, la sínt esis de Kolbe sí. Quien llevó las cosas aún m ás lej os fue el quím ico francés Pierre Eugéne Marcelin Bert helot ( 1827- 1907) . Durant e la década de 1850 efect uó sist em át icam ent e la 13 En realidad sólo fue una derrot a inicial del vit alism o, que m ant uvo su influencia en ot ras par t es de la quím ica. Pese a su lent o debilit am ient o a lo largo del siglo xix, el v it alism o no ha m uer t o com plet am ent e ni siquiera hoy día. Para una descr ipción m ás com plet a de las diversas et apas de la caída del vit 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 port 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 inorgánico y lo orgánico dej ó de ser una avent urada incursión en lo «prohibido» para convert irse en algo puram ent e rut inario. 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 relat ivam ent e sim ples. Lo m ás caract eríst ico de la vida eran las sust ancias m ucho m ás com plej as, com o el alm idón, grasas y prot eínas. Ést os eran m enos fáciles de m anej ar; su exact a com posición elem ent al no era t an fácil de det erm inar y en general present aban el incipient e reino de la quím ica orgánica com o un problem a realm ent e form idable. Todo lo que podía decirse al principio de est as com plej as sust ancias era que podían escindirse en unidades o «ladrillos» relat ivam ent e sim ples, calent ándolas con ácidos o bases diluidas. El pionero en est e cam po fue un quím ico ruso, Got t lieb Sigism und Kirchhoff ( 1764- 1833) . En 1812 logró convert ir alm idón ( calent ándolo con ácido) en un azúcar sim ple que llam ó finalm ent e glucosa. En 1820, el quím ico francés Henri Braconnot t rat ó de la m ism a m anera la gelat ina y obt uvo el com puest o glicina. Se t rat a de un ácido orgánico que cont iene nit rógeno y pert enece a un grupo de sust ancias que Berzelius llam ó am inoácidos. La m ism a glicina no fue sino el precursor de unos veint e am inoácidos diferent es, t odos los cuales fueron aislados de prot eínas durant e el siglo siguient e. Tant o el alm idón com o las prot eínas poseían m oléculas gigant es que est aban hechas ( com o finalm ent e se supo) de largas cadenas de unidades de glucosa o de am inoácidos, respect ivam ent e. Los quím icos del siglo xix pudieron hacer poco en el sent ido de const ruir en el laborat orio t an largas cadenas. El caso fue dist int o con las grasas. El quím ico francés Michel Eugéne Chevreul ( 1786- 1889) pasó la prim era part e de una vida profesional increíblem ent e larga invest igando las grasas. En 1809 t rat ó j abón ( fabricado por calent am ient o de grasa con álcali) con ácido, y aisló lo que ahora se llam an ácidos grasos. Más t arde m ost ró que cuando las grasas se t ransform an en j abón, el glicerol se separa de la grasa. El glicerol posee una m olécula relat ivam ent e sim ple sobre la que hay t res punt os lógicos de anclaj e para grupos de át om os adicionales. Hacia la década de 1840, por t ant o, pareció bast ant e lógico suponer que m ient ras el alm idón y las prot eínas est aban form adas por un gran núm ero de unidades m uy sencillas, no ocurría lo m ism o con las grasas. Podían const ruirse grasas con sólo cuat ro unidades, una m olécula de glicerol, m ás t res de ácidos grasos. Aquí int ervino Bert helot . En 1854 calent ó glicerol con ácido est eárico, uno de los ácidos grasos m ás com unes obt enidos de las grasas, y se encont ró con una m olécula form ada por una unidad de glicerol unida a t res unidades de ácido est eárico. Era la t riest earina, que dem ost ró ser idént ica a la t riest earina obt enida a part ir de grasas nat urales. Est e fue el product o nat ural m ás com plicado sint et izado en aquella época. Bert helot procedió a dar un paso aún m ás espect acular. En lugar de ácido est árico t om ó ácidos que eran sem ej ant es, pero que no se habían obt enido a part ir de grasas nat urales. Calent ó est os ácidos con glicerol y obt uvo sust ancias m uy parecidas a las grasas ordinarias pero dist int as a t odas las grasas conocidas en la nat uraleza. Est a sínt esis m ost ró que el quím ico podía hacer algo m ás que reproducir los product os de los t ej idos vivos14 . Podía ir m ás allá y preparar com puest os análogos a los orgánicos en t odas sus propiedades, pero que no eran ninguno de los product os orgánicos producido en los t ej idos vivos. Durant e la segunda m it ad del siglo xix est os aspect os de la quím ica orgánica fueron llevados a alt uras verdaderam ent e asom brosas. ( Ver capít ulo 10.) No es de ext rañar que hacia m ediados del siglo xx la división de los com puest os en orgánicos e inorgánicos sobre la base de la act ividad de los t ej idos vivos se quedase ant icuada. Exist ían com puest os orgánicos que nunca habían sido sint et izados por un organism o. No obst ant e, la división era t odavía út il, puest o que quedaban 14 El quím ico no ha reproducido los product os m ás com plicados de los t ej idos vivos ni siquiera hoy día. Sin em bargo se acept a generalm ent e que, en principio, 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 iva de t iem po y de esfuerzo) . im port ant es diferencias ent re las dos clases, t an im port ant es que las t écnicas de la quím ica orgánica eran t ot alm ent e diferent es de las de la quím ica inorgánica. Em pezó a verse cada vez m ás claro que la diferencia residía en la est ruct ura quím ica, puest o que parecían est ar im plicados dos t ipos de m oléculas t ot alm ent e dist int os. La m ayoría de las sust ancias inorgánicas que m anej aban los quím icos del siglo XI X poseían pequeñas m oléculas form adas por dos a ocho át om os. Había m uy pocas m oléculas inorgánicas que alcanzasen una docena de át om os. Hast a las m ás sencillas de las sust ancias orgánicas t enían m oléculas form adas por una docena de át om os o m ás; la m ayoría por varias docenas. En cuant o a las sust ancias com o el alm idón y las prot eínas, poseían lit eralm 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 ext rañar, pues, que las com plej as m oléculas orgánicas pudieran rom perse fácilm ent e y de m odo irreversible incluso por fuerzas rupt oras poco enérgicas, 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 result ó cada vez m ás necesario señalar que t odas las sust ancias orgánicas, 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 hidrógeno. Com o el carbono y el hidrógeno eran inflam ables, no result aba sorprendent e que los com puest os de los que form an una part e t an im port ant e fueran t am bién inflam ables. Fue el quím ico alem án Friedrich August Kekulé von St radonit z ( 1829- 86) , generalm ent e conocido com o Kekulé, quien dio el paso lógico. En un libro de t ext o publicado en 1861 definió la quím ica orgánica sim plem ent e com o la quím ica de los com puest os de carbono. La quím ica inorgánica era ent onces la quím ica de los com puest os que no cont enían carbono, definición que ha sido generalm ent e acept ada. Sigue siendo ciert o, no obst ant e, que algunos com puest os de carbono, ent re ellos el dióxido de carbono y el carbonat o cálcico, se parecen m ás a los com puest os t ípicos inorgánicos que a los orgánicos. Tales com puest os de carbono se t rat an generalm ent e en los libros de quím ica inorgánica. 3 . I sóm e r os y r a dica le s Los com puest os inorgánicos sencillos im plicados en los grandes avances quím icos del siglo xviii recibieron fácil int erpret ación en t érm inos at óm icos. Parecía suficient e indicar los dist int os t ipos de át om os present es en cada m olécula y el núm ero de cada uno de ellos. Podía escribirse la m olécula de oxígeno com o 0 2 , el cloruro 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 fórm ulas, que no dan m ás que el núm ero de át om os de cada t ipo present es en la m olécula, se llam an fórm ulas em píricas ( la palabra «em pírico» significa «det erm inado por experim ent ación») . Era nat ural creer, en la prim era m it ad del siglo xix, que cada com puest o t enía una fórm ula em pírica propia, y que dos com puest os dist int os no podían t ener la m ism a fórm ula em pírica. Las sust ancias orgánicas, con sus grandes m oléculas, result aron engorrosas desde el principio. La fórm ula em pírica de la m orfina ( un com puest o orgánico bast ant e sim ple si se lo com para, por ej em plo, con las prot eínas) se sabe ahora que es C17 H 19 N0 3 . Con las t écnicas de principios del siglo xviii habría sido m uy difícil, quizás incluso im posible, decidir si la correct a era esa o, digam os, C16 H 20 NO3 . La fór m ula em pírica del ácido acét ico, m ucho m ás sim ple ( C2 H 4 0 2 ) que la de la m orfina, provocó grandes cont roversias en la prim era m it ad del siglo XI X. Sin em bargo, para aprender algo acerca de la est ruct ura m olecular de las sust ancias orgánicas, los quím icos t enían que em pezar por las fórm ulas em píricas. En 1780, Lavoisier t rat ó de det erm inar las proporciones relat ivas de carbono e hidrógeno en com puest os orgánicos quem ándolos y pesando el dióxido de carbono y el agua que producían. Sus result ados no fueron m uy precisos. En los prim eros años del siglo XI X, Gay- Lussac, descubridor 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 ora. Mezclaron la sust ancia orgánica con un agent e oxidant e, t al com o el clorat o de pot asio. Al calent arla, est a com binación produj o oxígeno que, ínt im am ent e m ezclado con la sust ancia orgánica, provocó su m ás rápida y com plet a com bust ión. Recogiendo el dióxido de carbono y el agua form ados, Gay- Lussac y Thénard pudieron det erm inar las proporciones relat ivas de carbono y de hidrógeno en el com puest o original. Con la t eoría de Dalt on recién present ada, est a proporción podía expresarse en t érm inos at óm icos. Muchos com puest os orgánicos est án form ados únicam ent e por carbono, hidrógeno y oxígeno. Una vez m edidos el carbono y el hidrógeno y dando por supuest a la presencia de oxígeno para explicar cualquier residuo, podía det erm inarse a m enudo la fórm ula em pírica. Hacia 1811 Gay- Lussac había obt enido, por ej em plo, las fórm ulas em píricas de algunos azúcares sim ples. Est e procedim 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 uvo com o result ado fórm ulas em píricas claram ent e fiables15 . Poco después, en 1833, el quím ico francés Jean Bapt ist e André Dum as ( 1800- 84) ideó una m odificación del m ét odo que perm it ía al quím ico recoger t am bién el nit rógeno ent re los product os de com bust ión. De est a m anera podían det ect arse las proporciones de nit rógeno en una sust ancia orgánica. Est os pioneros del análisis orgánico obt uvieron en el curso de sus invest igaciones result ados que acabaron con la creencia en la im port ancia de la fórm ula em pírica. Ocurrió de est a m anera: En 1824, Liebig est udió un grupo de com puest os, los fulm inat os, m ient ras Wöhler ( que después sería ínt im o am igo de Liebig y que pront o sint et izaría la urea, est aba est udiando ot ro grupo de com puest os, los cianat os. Am bos enviaron inform es de su t rabaj o a una revist a edit ada por Gay- Lussac. Gay- Lussac not ó que las fórm ulas em píricas dadas para est os com puest os eran idént icas y que, sin em bargo, las propiedades descrit as eran m uy diferent 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, carbono, nit rógeno y oxígeno. Gay- Lussac com unicó est a observación a Berzelius, a la sazón el quím ico m ás fam oso del m undo; pero Berzelius descubrió que dos com puest os orgánicos, el ácido racém ico y el ácido t art árico, si bien poseían propiedades diferent es, parecían t ener la m ism a fórm ula em pírica ( que ahora se sabe es G4 H 6 0 6 ) . Com o los elem ent os est aban present 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 odos los t iem pos. Enseñó en la univ ersidad de Giessen, donde est ableció el prim er curso real de laborat orio quím ico. Num erosas quím icos est udiaron y aprendieron con él t écnicas de laborat orio. Liebig fue uno de los que influyeron para que la quím ica, de m ar cado predom inio francés en el siglo XVI I I , se convirt iese casi en un m onopolio alem án en el XI X. ( de la palabra griega que significa «iguales proporciones») , y la sugerencia fue adopt ada. En las décadas siguient es se descubrieron ot ros casos de isom ería. Parecía claro 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 diferencia debería residir en el m odo com o los át om os est aban enlazados dent ro 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 fuera posible un ordenam ient o de los át om os en la m olécula. Por esa razón, no podían darse isóm eros, y la fórm ula em pírica sería suficient e. Así, H2 0 sería agua y nada m ás que agua. Sin em bargo, en las m oléculas orgánicas m ás com plicadas, había lugar para diferent es ordenam ient os y, por t ant o, para isóm eros. En el caso de los cianat os y fulm inat os, los diferent es ordenam ient os son fáciles de descubrir, pues cada m olécula no cont iene m ás que unos pocos át om os. El cianat o de plat a puede escribirse AgOCN, m ient ras 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 t an grande que es realm ent e difícil decidir cuál de ellos corresponde a cada com puest o. I ncluso el caso del ácido racém ico y el ácido t art árico, con dieciséis át om os en sus m oléculas, eran dem asiado difícil de m anej ar en la prim era m it ad del siglo XI X. La sit uación se volvería sim plem ent e im posible ( así debió parecer ent onces) al considerar m oléculas aún m ayores. El problem a de la est ruct ura m olecular t endría que haber sido abandonado sin esperanza, t an pront o com o se det ect ó la verdadera nat uraleza del problem a, de no haber surgido una posibilidad de sim plificación. A part ir de 1810 Gay- Lussac y Thénard t rabaj aron con cianuro de hidrógeno ( CNH) , dem ost rando que era un ácido, aunque no cont enía oxígeno ( est o, j unt o con el descubrim ient o casi sim ult áneo de Davy sobre el m ism o hecho referido al ácido clorhídrico, refut aba la creencia de Lavoisier de que el oxígeno era el elem ent o caract eríst ico de los ácidos) , Gay- Lussac y Thénard hallaron que la com binación CN ( el grupo cianuro) podía desplazarse de un com puest o a ot ro sin que se separasen los át om os de carbono y nit rógeno. En efect o, la com binación CN act uaba del m ism o m odo que un át om o aislado de cloro, brom o, et c., hast a el punt o de que el cianuro sódico ( CNNa) t enía algunas propiedades en com ún con el cloruro sódico ( CI Na) y el brom uro sódico ( BrNa) 16 . Tal grupo de dos ( o m ás) át om os que perm anecían com binados al pasar de una m olécula a ot ra se denom inó un radical, vocablo que proviene de la palabra lat ina que significa «raíz». La razón de est e nom bre est aba en la creencia de que las m oléculas podían const ruirse a part ir de un núm ero lim it ado de com binaciones de át om os pequeños. Los radicales serían ent onces las «raíces» a part ir de las cuales la m olécula crecería, por así decirlo. Desde luego, el grupo CN era m uy sencillo, pero Wöhler y Liebig, t rabaj ando j unt os, describieron un caso m ucho m ás com plej o. Descubrieron que el grupo benzoílo podía t raspasarse de una m olécula a ot ra sin ser dest ruido. La fórm ula em pírica del grupo benzoílo se sabe act ualm ent e que es C7 H 5 0. En resum en, com enzó a verse que para resolver el m ist erio est ruct ural de las grandes m oléculas había que resolver prim ero las est ruct uras de det erm inado núm ero de radicales diferent es. Las m oléculas podrían después const ruirse sin m ucha dificult ad ( así se esperaba) a part ir de los radicales. ¡Las cosas prosperaban! 16 «Algunas propiedades» no significa, desde luego, t odas las propiedades. El cloruro sódico es esencial para la vida, el brom uro sódico es levem ent e t óx ico y el cianuro sódico es un veneno 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 e or ía de los t ipos Berzelius hizo suya la idea de que los radicales podían ser las unidades a part ir de las cuales se const ruyesen las m oléculas orgánicas. Creía que las m oléculas orgánicas est aban form adas de radicales, igual que las m oléculas inorgánicas est aban form adas de át om os individuales, y llegó a pensar que los radicales eran casi t an indivisibles e inm ut ables com o los propios át om os. Berzelius m ant uvo que la fuerza que une a los át om os en una m olécula inorgánica o en un radical orgánico era de nat uraleza eléct rica ( lo que finalm ent e acabaría siendo ciert o) . Cada m olécula, pues, debía cont ener una part e posit iva y una part e negat iva, ya que sólo exist ía at racción ent re los elem ent os de cargas opuest as. Para las sust ancias inorgánicas sim ples com o el cloruro sódico, est e concept o de posit ivo y negat ivo dem ost ró finalm ent e concordar con los hechos. Para que est o se cum pliese en las sust ancias orgánicas, Berzelius t uvo que insist ir en que los radicales consist ían en carbono e hidrógeno solam ent e, siendo el carbono negat ivo y el hidrógeno posit ivo. Por t ant o, m ant uvo que el radical benzoílo ( C7 H 5 0) no cont enía ni podía cont ener oxígeno, lo que se cont radecía con los est udios realizados sobre est e radical. Berzelius est aba seguro t am bién de que era im posible sust it uir un elem ent o negat ivo por ot ro posit ivo sin cam biar drást icam ent e las propiedades del com puest o. Rápidam ent e se dem ost ró que est aba equivocado en est a últ im a afirm ación. Dum as era un ent usiast a defensor de Berzelius, pero 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 hidrógeno exist ent es en la m olécula de alcohol et ílico. Est e experim ent o asest ó el golpe m ort al a la t eoría de Berzelius, ya que el cloro se consideraba negat ivo y el hidrógeno posit ivo, y sin em bargo se podía sust it uir el uno por el ot ro sin que cam biasen de form a drást ica las propiedades del com puest o. Adem ás, en est e com puest o clorado el carbono debía est ar unido direct am ent e al cloro y, si am bos eran át om os negat ivos, ¿cóm o era ello posible? Las cargas eléct ricas negat ivas se repelían ent re sí. Siguiendo el m ism o razonam ient o, ¿cóm o podían unirse dos át om os de cloro para form ar una m olécula de cloro? Est as cuest iones no se clarificaron hast a un siglo m ás t arde, com o verem os m ás adelant e. Berzelius, t est arudo y ext rem adam ent e conservador en sus últ im os años, rehusó cam biar sus ideas. Al ent erarse del inform e de Laurent , at acó fieram ent e los nuevos hallazgos. El m ism o Dum as, en 1839, había sust it uido cloro en el lugar ocupado por t res át om os de hidrógeno en el ácido acét ico. No obst ant e, ant e la oposición de Berzelius, Dum as se ret ract ó cobardem ent e y no reconoció el t rabaj o de Laurent . Pero Laurent se m ant uvo firm e y cont inuó acum ulando pruebas en el sent ido de que los radicales no eran t an indest ruct ibles, t an est ables, com o Berzelius creía, y de que no se debía sobreest im ar la cuest ión de lo posit ivo y lo negat ivo. La ira de Berzelius alej ó a Laurent de los laborat orios m ás fam osos, y, m ient ras Berzelius vivió, su versión de la t eoría de los radicales siguió exist iendo por la sola fuerza de su personalidad. A la m uert e de Berzelius en 1848, su t eoría m urió y la de Laurent ganó popularidad. Laurent dej ó por com plet o de insist ir en las fuerzas eléct ricas. Creía que una m olécula orgánica t enía un núcleo ( que podía ser un solo át om o) al que se enlazaban los diferent es radicales. Las m oléculas orgánicas podían agruparse así en fam ilias o t ipos ( de ahí el nom bre de t eoría de los t ipos) . Todos los m iem bros de un t ipo t endrían un núcleo idént ico al cual podía unirse cualquiera de una serie de radicales sem ej ant es; y dent ro de los radicales exist ían m uchas posibilidades de variación. Un det erm inado t ipo m olecular podía incluso ext enderse al reino de lo inorgánico. Por ej em plo, la m olécula de agua ( H2 0) podía considerarse form ada por un át om o cent ral de oxígeno ( el núcleo) al que est aban unidos dos át om os de hidrógeno. Si se sust it uye un át om o de hidrógeno por los dist int os radicales de una serie, se form ará un t ipo de com puest o que incluirá ent re sus m iem bros al agua, así com o a diversas m oléculas orgánicas. Si un át om o de hidrógeno se sust it uye por un grupo m et ilo ( CH3 ) o un grupo et ilo ( C2 H 5 ) , se t endría CH3 OH ( alcohol m et ílico) y C2 H 5 OH ( alcohol et ílico) , respect ivam ent e. Muchos ot ros alcoholes podrían const ruirse del m ism o m odo. Y en realidad los alcoholes no sólo t ienen m uchas sem ej anzas ent re sí, sino que, com o clase, m anifiest an t am bién ciert 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 proporción. El m et al sodio reacciona con los alcoholes del m ism o m odo que con el agua, aunque m ás lent am ent e, et c. Ent re los años 1850 y 1852, el quím ico inglés Alexander William William son ( 18241904) dem ost ró que la fam ilia de com puest os orgánicos llam ada ét eres podía t am bién form arse según el «t ipo agua». En est e caso los dos hidrógenos del agua eran sust it uidos por radicales orgánicos. El ét er com ún, que com enzaba ent onces a ut ilizarse com o anest ésico, t iene am bos hidrógenos reem plazados por grupos et ilo, de m anera que su fórm 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 grupo de com puest os relacionados con el am oniaco y que recibieron el nom bre de am inas. Dem ost ró que pert enecían a un t ipo con un núcleo de nit rógeno. En el am oniaco, un át om o de nit rógeno est aba unido a t res át om os de hidrógeno. En las am inas, uno o m ás de est os hidrógenos est aban reem plazados por radicales orgánicos. La t eoría de los t ipos ganó popularidad debido a que podía usarse para organizar el núm ero cada vez m ayor de com puest os orgánicos que se est aban est udiando. El quím ico ruso- germ ano Friedrich Konrad Beilst ein ( 1838- 1906) publicó en 1880 un vast o com pendio de com puest os orgánicos y ut ilizó la t eoría de los t ipos de Laurent para organizar dichos com puest os dent ro de un orden racional. No obst ant e, la t eoría, t al com o surgió del t rabaj o de Laurent , era incom plet a. Todavía ut ilizaba los radicales com o unidades y, m ás que resolver la cuest ión de la est ruct ura m olecular, la evadía. Para resolverla correct am ent e había que enfrent arse a la pregunt a: ¿cuál es la disposición at óm ica real dent ro de los m ism os radicales? 2 . Va le n cia La t eoría de los t ipos im presionó a algunos quím icos por el hecho de que el át om o de oxígeno se com binaba siem pre con ot ros dos át om os o radicales. Podía com binarse con dos át om os de hidrógeno para form ar agua, con un át om o de hidrógeno y un radical orgánico para form ar un ét er. Pero en cualquier caso el át om o de oxígeno se unía a dos ent idades. De m anera sim ilar, el át om o de nit rógeno siem pre se com binaba con t res át om os o radicales. Kolbe y ot ros quím icos em pezaron a escribir fórm ulas para los com puest os orgánicos en las que se daba por supuest a t al const ancia en el núm ero de enlaces del oxígeno o del nit rógeno. El hecho fue generalizado por el quím ico inglés Edward Frankland ( 1825- 99) , el prim ero en int eresarse por los com puest os organo- m et álicos, en los cuales agrupaciones orgánicas se enlazan a át om os de m et ales com o el cinc17 . Aquí est aba m uy claro que cada át om o m et álico podía enlazarse sólo a det erm inado núm ero de grupos orgánicos y que est e núm ero variaba para los diferent es m et ales. Los át om os de cinc, por ej em plo, se com binaban exact am ent e con dos agrupaciones orgánicas. En 1852 Frankland propuso lo que después llegaría a conocerse com o t eoría de la valencia ( de la palabra lat ina que significa «poder») : cada át om o t iene un poder de com binación fij o. Por ej em plo, en condiciones norm ales, un át om o de hidrógeno solam ent e se com binará con ot ro át om o. Est o es t am bién ciert o para el sodio, cloro, plat a, brom o y pot asio. Todos ellos t ienen una valencia de 1. Los át om os de oxígeno pueden com binarse con dos át om os diferent es, igual que los de calcio, azufre, m agnesio y bario. Todos est os elem ent os t ienen una valencia de 2. El nit rógeno, fósforo, alum inio y oro t ienen una valencia de 3. El hierro puede t ener una valencia de 2 ó de 3, y así sucesivam ent e. A la larga, la cuest ión de la valencia reveló que no era ni m ucho m enos t an sim ple com o parecía 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 unido a un át om o de carbono. Los com puest os com o el acet at o de cinc ( un t ipo de sust ancia conocido ant es de la época de Frankland) 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 oxígeno, y ést os no se consideran aut ént icos com puest os organom et álicos. principio, pero incluso est a versión sim plificada de la t eoría encerraba ya un valor inest im able. Ent re ot ras cosas, el concept o de valencia ayudó a clarificar la diferencia ent re peso at óm ico y peso equivalent e de un elem ent o. Todavía a m ediados del siglo xix, m uchos quím icos confundían am bos concept os. Experim ent alm ent e se puede dem ost rar que una part e de hidrógeno se com bina con 35,5 part es de cloro, puest o que un át om o de hidrógeno se une a un át om o de cloro para form ar cloruro de hidrógeno, y el át om o de cloro es 35,5 veces m ás pesado que el de hidrógeno. Es decir, el cloro t iene un peso at óm ico de 35,5. Pero una part e de hidrógeno no se com binará con t odos los elem ent os en proporción a sus pesos at óm icos. Por ej em plo, el oxígeno t iene un peso at óm ico de 16, pero cada át om o de oxígeno se une a dos át om os de hidrógeno, al t ener el oxígeno una valencia de 2. Por lo t ant o, 16 part es de oxígeno se com binan con 2 part es de hidrógeno. El peso equivalent e del oxígeno es la cant idad de oxígeno que se com bina con una part e de hidrógeno, es decir, 16/ 2 u 8. Del m ism o m odo, el át om o de nit rógeno, con un peso at óm ico de 14 y una valencia de 3, se com bina con t res át om os de hidrógeno. El peso equivalent e del nit rógeno es, en consecuencia, 14/ 3, o aproxim adam ent e 4,7. En general, el peso equivalent e de un át om o será igual a su peso at óm ico dividido por su valencia. Por ot ra part e, la segunda ley de la elect rólisis de Faraday est ablece que el peso de m et al liberado por una cant idad det erm inada de corrient e eléct rica es proporcional al peso equivalent e de dicho m et al. Est o significa que una cant idad det erm inada de corrient e eléct rica liberará com o m ucho sólo la m it ad en peso de un m et al de valencia 2 frent e a un m et al de valencia 1 de igual peso at óm ico. La sit uación puede explicarse suponiendo que es preciso «un át om o de elect ricidad» para t ransport ar un át om o univalent e, m ient ras que hacen falt a dos para un át om o bivalent e. Sin em bargo, est a conexión ent re valencia y «át om os de elect ricidad» no fue reconocida del t odo hast a m edio siglo después. 3 . Fór m u la s e st r u ct ur a le s Kekulé aplicó la noción de valencia con especial int erés a la est ruct ura de las m oléculas orgánicas. Em pezó con la sugerencia de que el carbono t iene una valencia de 4, y procedió en 1858 a elaborar sobre est a base la est ruct ura de las m oléculas orgánicas m ás sim ples, así com o la de los radicales. La represent ación gráfica de est e concept o se debe al quím ico escocés Archibald Scot t Couper ( 18311892) , quien sugirió represent ar esas fuerzas com binadas ent re át om os ( enlaces, com o se las llam a norm alm ent e) en form a de pequeños t razos. De est a m anera, las m oléculas orgánicas podían const ruirse com o verdaderas est ruct uras de «m ecano». Est a represent ación perm it ió ver m uy claram ent e por qué las m oléculas orgánicas eran, en general, m ucho m ás grandes y com plej as que las m oléculas inorgánicas. De acuerdo con la idea de Kekulé, los át om os de carbono podían enlazarse unos con ot ros por m edio de uno o m ás de sus cuat ro enlaces de valencia, para form ar largas cadenas, lineales o ram ificadas. Ningún ot ro át om o parecía disfrut ar de esa propiedad en un grado t an m arcado com o el carbono. Así, los t res hidrocarburos ( m oléculas form adas solam ent e por át om os de carbono y de hidrógeno) m ás sim ples, que son m et ano ( CH4 ) , et ano ( C2 H 6 ) y propano ( C3 H 8 ) , pueden represent arse con cada át om o de carbono provist o de cuat ro enlaces, y cada át om o de hidrógeno provist o de uno, t al com o sigue: Est a serie puede cont inuarse añadiendo át om os de carbono hast a la longit ud que se desee, práct icam ent e. Añadiendo oxígeno, con dos enlaces, y nit rógeno, con t res, puede represent arse 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 fórm ulas est ruct urales pueden hacerse m ás flexibles si se perm it e la exist encia de dos enlaces ( un doble enlace) o t res enlaces ( un t riple enlace) ent re dos át om os adyacent es. Así, el et ileno ( C2 H 4 ) , acet ileno ( C2 H 2 ) , el cianuro de m et ilo ( C2 H 3 N) , acet ona ( C3 H 6 0) , y ácido acét ico ( C2 H 4 0 2 ) pueden represent arse com o sigue: Las fórm ulas est ruct urales hacían gala de una ut ilidad t an obvia que m uchos quím icos las acept aron inm ediat am ent e, quedando desfasados por com plet o t odos los int ent os de represent ar las m oléculas orgánicas com o est ruct uras const ruidas a part ir de radicales. Ahora podría const ruirse nada m enos que una represent ación át om o por át om o. En part icular, un quím ico ruso, Alexander Mij ailovich But lerov ( 1828- 86) , apoyó el nuevo sist em a. Durant e la década de 1860 señaló cóm o el uso de las fórm ulas est ruct urales podía explicar la exist encia de isóm eros. Por ej em plo, para ut ilizar un caso m uy sencillo, el alcohol et ílico y el ét er dim et ílico, si bien poseen propiedades m uy diferent es, t ienen la m ism a fórm ula em pírica: C2 H 6 0. Las fórm 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 propiedades m uy diferent es. En el caso del alcohol et ílico, uno de los seis át om os de hidrógeno est á enlazado a un át om o de oxígeno, m ient ras que en el ét er dim et ílico los seis est án fij ados a át om os de carbono. Los át om os de hidrógeno se fij an al át om o de oxígeno m ás débilm ent e que al carbono, de m odo que el sodio m et álico añadido al alcohol et ílico desplaza exact am ent e un sext o del cont enido de hidrógeno. Si se añade sodio al ét er dim et ílico, no desplaza nada de hidrógeno. Así, la reacción quím ica sirve com o guía para la fórm ula est ruct ural, y las fórm ulas por su part e sirven com o guía para reacciones desconocidas. But lerov t rat ó específicam ent e con un t ipo de isom ería llam ada t aut om ería, en la que ciert as sust ancias aparecían siem pre com o m ezcla de dos com ponent es. Si uno de est os com ponent es se aislaba en form a pura, podría t ransform arse rápidam 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 carbono cercano ( y a la inversa) . El benceno, un hidrocarburo sim ple cuya fórm ula em pírica es C6 H 6 , supuso un problem a capit al en los prim eros años de las fórm ulas est ruct urales. Ninguna fórm ula est ruct ural parecía sat isfacer los requisit os de valencia, y al m ism o t iem po explicar la gran est abilidad del com puest o. Est o es, las fórm ulas est ruct urales que se sugirieron al principio se parecían a las de ot ros com puest os que eran m uy inest ables. De nuevo fue Kekulé quien salvó la sit uación. Un día de 1865 ( según el m ism o Kekulé) , m edio dorm ido en un óm nibus, le pareció ver át om os ej ecut ando una danza. De pront o, la cola de una cadena se unió a su cabeza y form ó un anillo circular. Hast a ent onces, las fórm ulas est ruct urales se habían form ado solam ent e con cadenas de át om os de carbono, pero ahora Kekulé pensó t am bién en la posibilidad de anillos de carbono. Sugirió la siguient e fórm ula est ruct ural para el benceno: La explicación fue acept ada, y la idea de las fórm ulas est ruct urales descansó sobre bases m ás firm es que nunca 18 . 4 . I sóm e r os ópt icos Pese a su ut ilidad, las fórm ulas est ruct urales de Kekulé no t erm inaban de explicar un t ipo de isom ería part icularm ent e sut il, en la que int ervenía la luz. Considerém osla brevem ent e. 18 No obst ant e, la presencia de t res dobles enlaces en el benceno cr eaba un problem a, ya que los com puest os con dobles enlaces sufrían norm alm ent e det er m inados t ipos de reacciones que el benceno no solía sufr ir. Pasaron casi t res cuart os de siglo ant es de que encont rase explicación al rom pecabezas de los dobles enlaces que no act úan com o dobles enlaces. En 1801, el inglés Thom as Young ( 1773- 1829) , personaj e ext raordinario que fue el prim ero en ent ender la fisiología del oj o, había efect uado experim ent os que dem ost raban que la luz se com port aba com o si consist iese en pequeñas ondas. Más t arde, hacia 1814, el físico francés August in Jean Fresnel ( 1788- 1827) m ost ró que las ondas de luz pert enecen a un t ipo part icular conocido com o ondas t ransversales. Est as ondas oscilan perpendicularm ent e a la dirección en la que viaj a la onda en conj unt o. La sit uación se visualiza m ej or en relación con las olas del agua, t am bién de nat uraleza t ransversal. Cada part ícula de agua se m ueve vert icalm ent e, m ient r as las olas se desplazan horizont alm ent e. Las ondas lum inosas no est án lim it adas a una superficie, de m anera que no se m ueven sim plem ent e hacia arriba y hacia abaj o. Pueden m overse a izquierda y derecha, o de nordest e a suroest e, o de noroest e a sudest e. De hecho, hay un núm ero infinit o de direcciones en que las ondas de luz pueden oscilar en ángulo rect o a la dirección de su desplazam ient o. En un rayo de luz ordinaria, algunas ondas est án oscilando en una dirección, ot ras en ot ra, et c. No hay una dirección preferent e. Pero si ese rayo de luz at raviesa ciert os crist ales, el ordenam ient o de los át om os dent ro de los crist ales fuerza al rayo de luz a oscilar en un plano det erm inado, un plano que perm it irá a la luz deslizarse a t ravés de y ent re las hileras de át om os. A la luz que oscila en un solo plano se la llam a luz polarizada, nom bre propuest o en 1808 por el físico francés Et ienne Louis Malus ( 1775- 1812) . Por esa época, la t eoría ondulat oria no había sido aún acept ada, y Malus creía que la luz const aba de part ículas con polos nort e y sur, y que en la luz polarizada t odos los polos est aban orient ados en la m ism a dirección. Est a t eoría desapareció rápidam ent e, pero la expresión quedó, y t odavía se usa. Hast a 1815, las propiedades y el com port am ient o de la luz polarizada parecían pert enecer exclusivam ent e al dom inio de la física. En ese año, el físico francés Jean Bapt ist e Biot ( 1774- 1867) m ost ró que si la luz polarizada pasa a t ravés de det erm inados crist ales, el plano en que las ondas vibran experim ent a un giro. Unas veces gira en el sent ido de las aguj as del reloj ( dext rógiro) y ot ras en sent ido cont rario ( levógiro) . Ent re los crist ales que present aban est a propiedad de act ividad ópt ica est aban los de los com puest os orgánicos. Adem ás, algunos de est os com puest os orgánicos, com o son det erm inados azúcares, m ost raban act ividad ópt ica incluso cuando no est aban en form a crist alina, sino en solución. Tal com o acabó por descubrirse, había sust ancias que diferían solam ent e en sus propiedades ópt icas. I dént icas en lo dem ás, una de ellas podía girar el plano de luz polarizada en el sent ido de las aguj as del reloj , y la ot ra en el sent ido cont rario. En ocasiones, una t ercera podía no girarlo en absolut o. Los isóm eros ácido racém ico y ácido t art árico, que Berzelius había descubiert o, diferían en propiedades ópt icas. Tales isóm eros ópt icos no quedaban bien explicados por las fórm ulas est ruct urales de Kekulé. El prim er indicio de com prensión de la act ividad ópt ica apareció en 1848, cuando el quím ico francés Louis Past eur ( 1822- 95) em pezó a t rabaj ar con crist ales de t art rat o am ónico sódico. Past eur observó que los crist ales eran asim ét ricos: es decir, un lado del crist al t enía una pequeña cara que no se present aba en el ot ro. En algunos crist ales, la cara se present aba en el lado derecho, en ot ros en el izquierdo. Ut ilizando un crist al de aum ent o, separó cuidadosam ent e con pinzas los crist ales, y disolvió cada grupo por separado. Las propiedades de cada grupo parecían idént icas, except uando la act ividad ópt ica. Una solución era dext rógira, la ot ra levógira. Parecía, pues, que la act ividad ópt ica era el result ado de la asim et ría. Y parecía t am bién que el hecho de que el plano de la luz polarizada fuera girado en una dirección o en ot ra dependía de que los crist ales, por lo dem ás idént icos, t uvieran una asim et ría de «m ano derecha» o de «m ano izquierda». Est a t eoría result aba sat isfact oria en el caso de los crist ales, pero ¿qué decir acerca de la act ividad ópt ica en soluciones? En solución las sust ancias no exist en com o crist ales, sino com o m oléculas individuales flot ando al azar. Si la act ividad ópt ica im plicaba asim et ría, ent onces dicha asim et ría debía exist ir en la m ism a est ruct ura m olecular. Las fórm ulas est ruct urales de Kekulé no m ost raban la necesaria asim et ría, pero est a falt a no invalidaba necesariam ent e la relación ent re asim et ría y act ividad ópt ica. Después de t odo, las fórm ulas est ruct urales de Kekulé est aban escrit as en dos dim ensiones sobre la superficie plana de la pizarra o de un t rozo de papel. Y, nat uralm ent e, no era de esperar que en realidad las m oléculas orgánicas fuesen bidim ensionales. Parecía ciert o que los át om os en una m olécula hubieran de dist ribuirse en t res dim ensiones, y en ese caso su disposición podría present ar la asim et ría precisa para exhibir act ividad ópt ica. Sin em bargo ¿cóm o aplicar la necesaria t ridim ensionalidad a la m olécula? Los át om os j am ás habían sido vist os, y su verdadera exist encia podía ser sim plem ent e una ficción convenida, ut ilizada para explicar las reacciones quím icas. ¿Podía t om arse confiadam ent e su exist encia t an lit eralm ent e que pudieran dist ribuirse en t res dim ensiones? Hacía falt a un hom bre j oven para dar el paso siguient e, alguien que no hubiese adquirido t odavía la sabía prudencia que viene con los años. 5 . M olé cu la s t r idim e n sion a le s Est a persona fue el j oven quím ico danés Jacobus Hendricus Van't Hoff ( 1852- 1911) . En 1874, sin t erm inar aún su t esis para el doct orado, sugirió at revidam ent e que los cuat ro enlaces del carbono est aban dist ribuidos en las t res dim ensiones del espacio hacia los cuat ro vért ices de un t et raedro. Figura 11. El enlace t et raédrico de los át om os de carbono perm it e dos configuraciones de los át om os en los com puest os, siendo una de ellas la im agen especular de la ot ra. Est e m odelo m uest ra las disposiciones en im agen especular de la m olécula de ácido láct ico, CH 3 , CHOCCO2 H. Para ver est o, im aginem os que t res de los enlaces del carbono est án colocados com o las pat as de un t rípode aplast ado, m ient ras que el cuart o enlace apunt a direct am ent e hacia arriba. Cada enlace equidist a ent onces de los ot ros t res, y el ángulo ent re un enlace y cualquiera de sus vecinos es de aproxim adam ent e 109° ( véase figura 11) . Los cuat ro enlaces del át om o de carbono est án colocados sim ét ricam ent e alrededor del át om o, y la asim et ría se int roduce solam ent e cuando cada uno de los cuat ro enlaces est á fij ado a un t ipo de át om o o grupo de át om os diferent es. Los cuat ro enlaces pueden disponerse ent onces exact am ent e de dos m aneras dist int as, siendo una la im agen especular de la ot ra. Est e m odelo aport aba precisam ent e el t ipo de asim et ría que Past eur había encont rado en los crist ales. Casi sim ult áneam ent e, el quím ico francés Joseph Achille Le Bel ( 1847- 1930) publicó una sugerencia sim ilar. El át om o de carbono t et raédrico es conocido a veces com o t eoría de Van’t Hoff- LeBel. El át om o t et raédrico explicaba t ant as cosas y de form a t an clara que fue rápidam ent e acept ado. Cont ribuyó a ello el libro publicado en 1887 por el quím ico alem án Johannes Adolf Wislicenus ( 1835- 1902) , que colocaba la aut oridad de un ant iguo y m uy respet ado cient ífico en apoyo de la t eoría. Y sobre t odo, no había enm ascaram ient o de los hechos. Los com puest os que poseían át om os de carbono asim ét ricos ( los que est aban enlazados a cuat ro grupos diferent es) poseían act ividad ópt ica, m ient ras que los que no poseían t ales át om os, carecían de ella. Adem ás, el núm ero de isóm eros ópt icos era siem pre igual al núm ero predicho por la t eoría de Vant Hoff- LeBel. En las últ im as décadas del siglo XI X la concepción t ridim ensional de los enlaces se ext endió m ás allá de los át om os de carbono. El quím ico alem án Vikt or Meyer ( 1848- 97) m ost ró que los enlaces de los át om os de nit rógeno, concebidos en t res dim ensiones, podían explicar t am bién ciert os t ipos de isom erías ópt icas. Por su part e, el quím ico inglés William Jackson Pope ( 1870- 1939) m ost ró que lo m ism o era aplicable a ot ros át om os t ales com o los de azufre, selenio y est año, el germ ano- suizo Alfred Werner ( 1866- 1919) añadió el cobalt o, crom o, rodio y ot ros m et ales. ( A com ienzos de 1891, Werner desarrolló una t eoría de la coordinación de la est ruct ura m olecular. Est a idea, según él, le vino en sueños, despert ándole a las dos de la m adrugada con un sobresalt o. Esencialm ent e, est a t eoría m ant iene que las relaciones est ruct urales ent re át om os no t ienen por qué est ar rest ringidas a los enlaces ordinarios de valencia, sino que - part icularm ent e en ciert as m oléculas inorgánicas relat ivam ent e com plej as- los grupos de át om os podrían dist ribuirse alrededor de algún át om o cent ral, de acuerdo con ciert os principios geom ét ricos que no parecen t ener en cuent a el enlace de valencia ordinario. 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 Frankland y Kekulé, com o los com puest os de coordinación de Werner.) La idea de est ruct ura t ridim ensional llevó rápidam ent e a ult eriores avances. Vikt or Meyer había dem ost rado que si bien las agrupaciones de át om os ordinariam ent e pueden girar en libert ad alrededor de un único enlace que las une al rest o de la m olécula, el t am año de los grupos de át om os cercanos podría im pedir a veces t al rot ación. Est a sit uación, llam ada im pedim ent o esférico, puede com pararse a la de una puert a que norm alm ent e gira librem ent e sobre sus goznes, pero que queda bloqueada por algún obst áculo colocado det rás de ella. Pope llegó a m ost rar que a consecuencia del im pedim ent o est érico era posible que una m olécula fuera asim ét rica. Podría ent onces m ost rar act ividad 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 Friedrich Wilhelm Adolf von Baeyer ( 1835- 1917) ut ilizó en 1885 la represent ación t ridim ensional para dibuj ar át om os de carbono fij os a anillos planos. Si los cuat ro enlaces de los át om os de carbono apunt an hacia los cuat ro vért ices de un t et raedro, el ángulo ent re dos cualesquiera de ellos es aproxim adam ent e de 109,5°. Baeyer ar gum ent ó que en cualquier com puest o orgánico hay una t endencia a perm it ir que los át om os de carbono se conect en de m odo t al que los enlaces conserven sus ángulos nat urales. Si el ángulo es obligado a variar, el át om o se encont rará som et ido a un esfuerzo. Tres át om os de carbono enlazado en anillo form arían un t riángulo equilát ero, con el ángulo ent re cada par de enlaces igual a 60°. Est a separación es m uy diferent e del ángulo nat ural de 109,5°, y por est a razón los anil los de 3 carbonos son difíciles de form ar y, una vez form ados, fáciles de rom per. Un anillo de 4 carbonos form ará un cuadrado, con ángulos de 90°; un anillo de 5 carbonos form ará un pent ágono con ángulos de 108°; un anillo de 6 carbonos form ará un hexágono, con ángulos de 120°. Parece qu e un anillo de 5 carbonos no im plica virt ualm ent e ninguna fuerza sobre los enlaces del át om o de carbono, y un anillo de 6 carbonos im plica sólo una fuerza pequeña. La t eoría de las t ensiones de Baeyer parecía explicar, por t ant o, la preponderancia de t ales anillos en la nat uraleza sobre los anillos de m ás de 6 ó m enos de 5 át om os19 . El m ás espect acular de t odos los t rabaj os fue quizás el realizado en 1880 por el quím ico alem án Em il Fischer ( 1852- 1919) sobre la quím ica de los azúcares sim ples. Varios azúcares bien conocidos com part en la m ism a fórm ula em pírica C6 H 12 0 6 . Tam bién t ienen m uchas propiedades en com ún, pero se diferencian en ot ras, especialm ent e en la m agnit ud de su act ividad ópt ica. Fischer dem ost ró que cada uno de est os azúcares t enía cuat ro át om os de carbonos asim ét ricos, y que en base a la t eoría de Van’t Hoff- Le Bel habría ent onces dieciséis isóm eros ópt icos. Est os isóm eros se dispondrían en ocho pares; en cada par un isóm ero giraría el plano de la luz polarizada en el sent ido de las aguj as del reloj , exact am ent e con la m ism a m agnit ud con que el ot ro isóm ero la giraría en el sent ido cont rario. Fischer procedió a est ablecer la disposición exact a de los át om os en cada uno de los dieciséis isóm eros. El hecho de haberse hallado precisam ent e dieciséis isóm eros de azúcares con seis carbonos, divididos en ocho pares, const it uye una fuert e prueba en favor de la validez de la t eoría de Van’t Hoff- Le Bel. Est a m ism a precisión en las predicciones se da en el caso de los ot ros t ipos de azúcares, de am inoácidos y de cualquier ot ro t ipo de com puest os. Hacia 1900 la descripción de la est ruct ura m olecular en t res dim ensiones, habiendo dem ost rado su validez, fue universalm ent e acept ada 19 La t eoría de las t ensiones de Baeyer 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 exist e est a rest r icción. 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 e le m e n t os e n de sor de n Hay un curioso paralelism o ent re las hist orias de la quím ica orgánica y de la inorgánica, a lo largo del siglo XI X. Las prim eras décadas del siglo pasado cont em plaron una desesperant e proliferación en el núm ero de com puest os orgánicos, y t am bién en el núm ero de elem ent os. El t ercer cuart o de siglo vio el m undo de los com puest os orgánicos puest o en orden, gracias a las fórm ulas est ruct urales de Kekulé. Tam bién vio ordenado el m undo de los elem ent os, y al m enos part e del m érit o de am bos cam bios se debió a det erm inada reunión int ernacional de quím icos. Pero em pecem os con el desorden exist ent e a com ienzos de siglo. El descubrim ient o de nuevos elem ent os, adem ás de los nueve conocidos por los ant iguos y los cuat ro est udiados por los alquim ist as m edievales, se ha m encionado en el capít ulo 4. Los elem ent os gaseosos, nit rógeno, hidrógeno, oxígeno y cloro, habían sido descubiert 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, uranio, t it anio y crom o. En la prim era década del siglo xix se añadieron a la list a no m enos de cat orce nuevos elem ent os. Ent re los quím icos ya m encionados en est e libro, Davy había aislado al m enos seis por m edio de la elect rólisis. Guy- Lussac y Thénard habían aislado boro; Wollast on había aislado paladio y rodio, m ient ras que Berzelius había descubiert o el cerio. El quím ico inglés Sm it hson Tennant ( 1761- 1815) , para el que Wollast on había t rabaj ado com o ayudant e, descubrió t am bién el osm io y el iridio. Ot ro quím ico inglés, Charles Hat chet t ( aproxim adam ent e 1765- 1847) , aisló el colom bio ( ahora llam ado oficialm ent e niobio) , m ient ras que el quím ico sueco Anders Gust af Ekeberg ( 1767- 1813) descubrió el t ánt alo. Figura 12. List a 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, pero el núm ero de elem ent os cont inuó en aum ent o. Berzelius, por ej em plo, descubrió cuat ro elem ent os m ás: selenio, silicio, circonio y t orio ( véase fig. 12) . Luis Nicolas Vauquelin, en 1797, descubrió el berilio. Hacia 1830 se conocían cincuent a y cinco elem ent os diferent es, un buen paso desde los cuat ro elem ent os de la ant igua t eoría. De hecho, el núm ero era dem asiado grande para no inquiet ar a los quím icos. Los elem ent os variaban ext ensam ent e en sus propiedades, y parecía exist ir poco orden ent re ellos. ¿Por qué había t ant os? Y ¿cuánt os m ás quedaban t odavía por descubrir? ¿Diez? ¿Cien? ¿Mil? ¿Un núm ero 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 anera podría encont rarse alguna razón que explicase su núm ero, y alguna m anera de j ust ificar la variación de las propiedades que poseían. El prim ero en capt ar un at isbo de orden fue el quím ico alem án Johann Wolfgang Dóbereiner ( 1780- 1849) . En 1829 observó que el elem ent o brom o, descubiert o t res años ant es por el quím ico francés Ant oine Jéróm e Balard ( 1802- 76) , parecía t ener propiedades que est aban j ust o a m it ad de cam ino ent re las del cloro y las del yodo. ( El yodo había sido descubiert o por ot ro quím ico francés, Bernard Court ois [ 17771838] , en 1811.) El cloro, brom o y yodo no sólo m ost raban una progresiva gradación en propiedades com o color y react ividad, sino que el peso at óm ico del brom o parecía est ar j ust o a m edio cam ino ent re los del cloro y el yodo. ¿Sería una coincidencia? Dóbereiner llegó a encont rar ot ros dos grupos de t res elem ent os que exhibían claras gradaciones de propiedades: calcio, est roncio y bario; y azufre, selenio y t elurio. En am bos grupos el peso at óm ico del segundo elem ent o est aba a m it ad de cam ino ent re los de los ot ros dos. ¿Se t rat aba de una nueva coincidencia? Dóbereiner llam ó a est os grupos «t ríadas», y buscó ot ras infruct uosam ent e. El hecho de que cinco sext as part es de los elem ent os conocidos no pudieran colocarse en ninguna t ríada hizo que los quím icos decidieran que los hallazgos de Dóbereiner eran m era coincidencia. Adem ás, el m odo en que los pesos at óm icos encaj aban con las propiedades quím icas ent re los elem ent os de las t ríadas de Dóbereiner no im presionó generalm ent e a los quím icos. En la prim era m it ad del siglo xix, los pesos at óm icos t endían a subest im arse. Result aban convenient es para hacer cálculos quím icos, pero no parecía haber ninguna razón para usarlos en la confección de list as de elem ent os, por ej em plo. I ncluso era dudoso que los pesos at óm icos fueran út iles en los cálculos quím icos. Algunos quím icos no dist inguían con det alle el peso at óm ico del peso m olecular; ot ros no dist inguían ent re peso at óm ico y peso equivalent e. Así, el peso equivalent 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 equivalent e, 8, es el m ás socorrido; ¿por qué usar ent onces el núm ero 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 desorganizadora no sólo a la cuest ión de la list a de elem ent os, sino al est udio de la quím ica en general. Los desacuerdos sobre los pesos relat ivos que debían at ribuirse a los diferent es át om os conduj eron a desacuerdos sobre el núm ero de át om os de cada elem ent o que había en una m olécula dada. Kekulé, poco después de haber publicado sus sugerencias conducent es a las fórm ulas est ruct urales, se dio cuent a de que est a idea quedaría en nada si los quím icos no se ponían de acuerdo, para em pezar, acerca de las fórm ulas em píricas. Por lo t ant o propuso una conferencia de quím icos im port ant es de t oda Europa para discut ir el asunt o. Com o result ado de ello se convocó la prim era reunión cient ífica int ernacional de la hist oria. Se llam ó Prim er Congreso I nt ernacional de Quím ica y se reunió en 1860 en la ciudad de Karlsruhe, en Alem ania. Asist ieron cient o cuarent 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 rabaj o de su com pat riot a Avogadro. Com prendió que la hipót esis de Avogadro podía ut ilizarse para dist inguir ent re peso at óm ico y peso m olecular de los elem ent os gaseosos im port ant es, y que est a dist inción serviría para aclarar la cuest ión de los pesos at óm icos de los elem ent os en general. Adem ás, com prendió la im port ancia de dist inguir cuidadosam ent e el peso at óm ico del peso equivalent 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 explicaba con det alle sus argum ent os. Lent a y laboriosam ent e, sus opiniones ganaron adept os en el m undo de la quím ica. A part ir de ent onces, se clarificó la cuest ión del peso at óm ico, y se apreció la im port ancia de la t abla de pesos at óm icos de Berzelius. Para la quím ica orgánica, est e desarrollo significaba que los cient íficos podían ahora ent enderse sobre las fórm ulas em píricas y seguir añadiendo det alles a la fórm ula est ruct ural, prim ero en dos dim ensiones y después en t res. La form a en que est o se llevó a cabo ha sido descrit a en el capít ulo ant erior. Para la quím ica inorgánica los result ados fueron igualm ent e fruct íferos, dado que ahora exist ía un orden racional para ordenar los elem ent os según su peso at óm ico crecient e. Una vez hecho est o, los quím icos podrían m irar la t abla periódica con nuevos oj os. 2 . La or ga n iza ción de los e le m e n t os En 1864, el quím ico inglés John Alexander Reina Newlands ( 1837- 98) ordenó los elem ent os conocidos según sus pesos at óm icos crecient es, y observó que est a ordenación t am bién colocaba las propiedades de los elem ent os en un orden, al m enos parcial ( ver fig. 13) . Al disponer los elem ent os en colum nas vert icales de siet e, los que eran sem ej ant es t endían a quedar en la m ism a fila horizont al. Así, el pot asio quedó cerca del sodio m uy sem ej ant e a él; el selenio quedó en la m ism a línea que el azufre, m uy parecido; el calcio próxim o al m agnesio, y así sucesivam ent e. Y efect ivam ent e, las t res t ríadas de Dóbereiner se hallaban en dichas filas. Newlands llam ó a est o la ley de las oct avas ( en m úsica, siet e not as form an una oct ava, siendo la oct ava not a casi un duplicado de la prim era y principio de una nueva oct ava) . Desgraciadam ent e, m ient ras unas filas de est a t abla cont enían elem ent os sem ej ant es, ot ras cont enían elem ent os enorm em ent e dispares. Los dem ás quím icos pensaron que lo que Newlands t rat aba de dem ost rar era m ás una coincidencia que algo significat ivo. No pudo conseguir que su t rabaj o fuese publicado. Dos años ant es, el geólogo francés Alexandre Em ile Beguyer de Chancourt ois ( 1820- 86) t am bién había ordenado los elem ent os según su peso at óm ico crecient e y los había dist ribuido en una especie de gráfico cilíndrico. Tam bién aquí los elem ent os sem ej ant es t endían a coincidir en colum nas vert icales. Publicó su t rabaj o, pero no su gráfico, y sus est udios pasaron t am bién inadvert idos ( véase figura 14) . Más éxit o t uvo el quím ico alem án Julius Lot har Meyer ( 1830- 95) . Meyer consideró el volum en ocupado por det erm inados pesos fij os de los diversos elem ent os. En t ales condiciones, cada peso cont enía el m ism o núm ero de át om os de su elem ent o. Est o significaba que la razón de los volúm enes de los diversos elem ent os era equivalent e a la razón de los volúm 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 represent ar los volúm enes at óm icos de los elem ent os en función de los pesos at óm icos, se obt enían una serie de ondas que alcanzaban valores m áxim os en los m et ales alcalinos: sodio, pot asio, rubidio y cesio. Cada descenso y subida a un m áxim o o m ínim o correspondería a un período en la t abla de elem ent os. En cada período, t am bién descendían y subían ot ras propiedades físicas, adem ás del volum en at óm ico ( véase figura 15) . Figura 13. La «ley de las oct avas», publicada en 1864 por J. A. R. Newlands, fue una precursora de la t abla periódica de Mendeleiev. El hidrógeno, el prim ero de la list a de elem ent os ( porque t iene el peso at óm ico m ás baj o) , es un caso especial, y puede considerarse que const it uye él solo el prim er período. El segundo y t ercer periodos de la t abla de Meyer com prendían siet e elem ent os cada uno, y repet ían la ley de Newlands de las oct avas. Sin em bargo, las dos ondas siguient es com prendían m ás de siet e elem ent os, y est o dem ost raba claram ent e que New lands había com et ido un error. No se podía forzar a que la ley de las oct avas se cum pliese est rict 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 largos que los prim eros. Meyer publicó su t rabaj o en 1870, pero llegó dem asiado t arde. Un año ant es, el quím ico ruso Dim it ri I vanovich Mendeleiev ( 1834- 1907) había descubiert o t am bién el cam bio en la longit ud de los períodos de los elem ent os, pasando luego a dem ost rar las consecuencias de m anera part icularm ent e espect acular. Figura 14. Un t razo en espiral fue el result ado que obt uvo Beguyer de Chancourt ois, en 1862, al ordenar los elem ent os por su peso at óm ico y relacionar los que poseían propiedades análogas. Mendeleiev est aba escribiendo su t esis en Alem ania en la época en que se celebró el Congreso de Karlsruhe, y fue uno de los que escuchó y oyó a Cannizzaro sus opiniones sobre el peso at óm ico. De vuelt a a Rusia, com enzó t am 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 vist a de la valencia. Observó que los prim eros elem ent os de la list a m ost raban un cam bio progresivo en sus valencias. Es decir, el hidrógeno t enía una valencia de 1, el lit io de 1, el berilio de 2, el boro de 3, el carbono de 4, el nit rógeno de 3, el azufre 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 fósforo de 3, el oxígeno de 2, el cloro de 1, y así sucesivam ent e. La valencia subía y baj aba est ableciendo períodos: en prim er lugar, el hidrógeno solo; después, dos períodos de siet e elem ent os cada uno; a cont inuación, períodos que cont enían m ás de siet e elem ent os. Mendeleiev ut ilizó su inform ación para const ruir no un gráfico, com o Meyer y Beguyer de Chancourt ois habían hecho, sino una t abla com o la de Newlands. Figura 15. El gráfico de Meyer represent aba los volúm enes de un peso fij o de los dist int os elem ent os. Dicha t abla periódica de elem ent os era m ás clara y llam at iva que un gráfico, y Mendeleiev evit ó el error de Newlands de insist ir en la repet ición de períodos iguales. Mendeleiev publicó su t abla en 1869, un año ant es de que Meyer publicase su t rabaj o ( véase figura 16) . Pero la razón de que la m ayor part e del m érit o en el descubrim ient o de la t abla periódica se le haya at ribuido a él y no a los dem ás cont ribuyent es, no es sólo una cuest ión de prioridad, sino que reside en el uso espect acular que Mendeleiev hizo de su t abla. Figura 16. Prim era edición de la t abla periódica de los elem ent os de Mendeleiev, aparecida en el Journal 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 ligeram ent e superior delant e de ot ro de peso at óm ico inferior. Así, el t elurio ( peso at óm ico 17.6, valencia 2) t uvo que colocarlo delant e del yodo ( peso at óm ico 126,9, valencia 1) con el fin de m ant ener el t eluro en la colum na de valencia 2 y el yodo en la colum na de valencia 1 20 . Por si est o fuera poco, descubrió que era necesario dej ar huecos ent eros en su t abla. En lugar de considerar est os huecos com o im perfecciones de la t abla, Mendeleiev los t om ó int répidam ent e com o represent ant es de elem ent os t odavía no descubiert os. En 1871 se fij ó de m odo especial en t res huecos: los que quedaban j unt o a los elem ent os boro, 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 iócorrespondían a aquellos huecos: eka- boro, eka- alum inio, eka- silicio ( «eka» es la palabra sánscrit a que significa «uno») . Tam bién predij o varias propiedades de t ales elem ent os, est im ando que la predicción debía hacerse a part ir de las propiedades 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 razonam ient o de Dóbereiner. El m undo de la quím ica seguía siendo escépt ico, y quizá hubiese cont inuado siéndolo si las audaces predicciones de Mendeleiev no se hubiesen verificado de m odo espect acular. Est e hecho se debió en prim er lugar al uso de un nuevo inst rum ent o quím ico: el espect roscopio. 3 . Re lle n a n do los h u e cos En 1814, un ópt ico alem án, Joseph von Fraunhofer ( 1787- 1826) , est aba experim ent ando los excelent es prism as que él m ism o fabricaba. Hacía que la luz pasase prim ero a t ravés de una rendij a, y a cont inuación a t ravés de sus prism as t riangulares de vidrio. Halló que la luz form aba un espect ro de colores, cruzado por 20 El inst int o de Mendeleiev a est e r espect o le guió correct am ent e, aunque la razón de ello no se supo hast a cerca de m edio siglo después. una serie de líneas oscuras. Cont ó unas seiscient as de est as líneas, anot ando cuidadosam ent e sus posiciones. Est as líneas est aban dest inadas a proporcionar una sorprendent e inform ación a finales de la década de 1850, gracias al físico alem án Gust av Robert Kirchhoff ( 1824- 87) , t rabaj ando en colaboración con el quím ico alem án Robert 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 laborat orio quím ico. Est e ingenio quem a una m ezcla de gas y aire para producir 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, ardieron con luz de diferent es colores. Al pasar est a luz a t ravés del prism a se separaba en líneas lum inosas. Figura 17. El espect roscopio, que se ut ilizó en el descubrim ient o de diversos elem ent os, capacit ó a los invest igadores para com parar los espect ros de líneas lum inosas de los m et ales incandescent es. Cada elem ent o, m ost ró Kirchhoff, produce un m odelo caract eríst ico de líneas lum inosas cuando se calient a hast a la incandescencia, un m odelo que es diferent e del de cualquier ot ro 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 producía al calent arlo. Una vez que los elem ent os fueron ident ificados, pudo dar la vuelt a a su razonam ient o y deducir los elem ent os de un crist al desconocido a part ir de las líneas brillant es del espect ro producido por ést e. El ingenio ut ilizado para analizar los elem ent os de est a m anera se llam ó espect roscopio ( ver figura 17) . Com o sabem os en la act ualidad, la luz se produce com o result ado de ciert 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 part icular. Por lo t ant o, cada elem ent o em it irá luz de una ciert a longit ud de onda y no de ot ra. Al incidir luz sobre vapor, esos m ism os fenóm enos que t ienen lugar dent ro de los át om os del vapor ocurren a la inversa. La luz de ciert a longit ud de onda es ent onces absorbida en vez 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 rario en el ot ro) , las longit udes de onda de la luz absorbida por el vapor en un conj unt o de condiciones det erm inado son exact am ent e las m ism as que las que ese vapor part icular em it iría baj o ot ro conj unt o de condiciones. Las líneas oscuras del espect ro de la luz solar eran debidas m uy probablem ent e a la absorción de la luz del cuerpo incandescent e del Sol por los gases de su relat ivam ent e fría at m ósfera. Los vapores de la at m ósfera solar absorbían luz, y de la posición de las líneas oscuras result ant es podría deducirse qué elem ent os est aban present es en la at m ósfera solar. El espect roscopio se usó para m ost rar que el Sol ( así com o las est rellas y el m at erial gaseoso int erest elar) est aba form ado por elem ent os idént icos a los de la Tierra. Est a conclusión desbarat ó finalm ent e la creencia de Arist ót eles de que los cuerpos celest es est aban hechos de sust ancias de nat uraleza dist int a a aquellas de las que est á form ada la Tierra. El espect roscopio ofrecía un nuevo y poderoso m ét odo para la det ección de nuevos elem ent os. Si un m ineral incandescent e revelaba líneas espect rales pert enecient es a un elem ent o no conocido, parecía razonable 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, exam inaron un m ineral con líneas espect rales desconocidas y em pezaron a est udiarlo por si se t rat aba de un nuevo elem ent o. Encont raron el elem ent o y probaron que era un m et al alcalino, relacionado en sus propiedades con el sodio y el pot asio. Lo llam aron cesio, del vocablo lat ino que significa «azul cielo», debido al color de la línea m ás prom inent e de su espect ro. En 1861 repit ieron su t riunfo al descubrir ot ro m et al alcalino m ás, el rubidio, de la palabra lat ina que significa roj o, de nuevo por el color de la línea del espect ro. Ot ros quím icos em pezaron a hacer uso de est a nueva herram ient a. Uno de ellos fue el quím ico francés Paul Em ile Lecoq de Boisbaudran ( 1838- 1912) , que pasó quince años est udiando los m inerales de su Pirineo nat al por m edio del espect roscopio. En 1875 rast reó ciert as líneas desconocidas y halló un nuevo elem ent o en el m ineral de cinc. Lo llam ó galio, de Galia ( Francia) . Algún t iem po después preparó una cant idad suficient e del nuevo elem ent o para est udiar sus propiedades. Mendeleiev leyó la com unicación de Lecoq de Boisbaudran 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 erior confirm ó la ident ificación; la predicción de Mendeleiev de las propiedades del eka- alum inio correspondía en t odo a las del galio. Los ot ros dos elem ent os predichos por Mendeleiev se encont raron por m edio de viej as t écnicas. En 1879, un quím ico sueco, Lars Fredrick Nilson ( 1840- 99) , descubrió un nuevo elem ent o al que llam ó escandio ( de Escandinavia) . Cuando sus propiedades fueron publicadas, uno de los colegas de Nilson, el quím ico sueco Per Theodor Cleve ( 1840- 1905) , señaló inm ediat am ent e su parecido con la descripción del eka- boro de Mendeleiev. Por últ im o, en 1866, un quím ico alem án, Clem ens Alexander Winkler ( 1838- 1904) , analizando un m ineral de plat a, 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 que llam ó germ anio ( de Alem ania) . Ést e venía a ser el eka- silicio de Mendeleiev. Así, dent ro de los quince años siguient es a la descripción por Mendeleiev de t res elem ent os desconocidos, t odos habían sido descubiert os y se halló que sus descripciones coincidían con asom brosa exact it ud. Nadie podía dudar, después de est o, de la validez o ut ilidad de la t abla periódica. 4 . Los n u e vos e le m e n t os por gr u pos El sist em a de Mendeleiev aún t enía que resist ir el im pact o del descubrim ient o de nuevos elem ent os adicionales, para los que podría, o no podría, encont rarse sit io en la t abla periódica. Ya en 1794, por ej em plo, el quím ico finlandés Johan Gadolin ( 1760- 1852) había descubiert o un nuevo óxido m et álico ( o t ierra) en un m ineral obt enido de la cant era de Yt t erby, cerca de Est ocolm o, Suecia. Com o la nueva t ierra era m ucho m enos corrient e que ot ras com o la sílice, caliza y m agnesia, se le dio el nom bre de t ierra rara. Gadolin llam ó a su óxido it erbio, por la cant era de procedencia; quince años después, se obt uvo el elem ent o it erbio. Los m inerales de t ierras raras se analizaron a m ediados del siglo xix y se averiguó que cont enían t odo un grupo de elem ent os, los llam ados t ierras raras. El quím ico sueco Carl Gust av Mosander ( 1797- 1858) , por ej em plo, descubrió no m enos de cuat ro t ierras raras a finales de los años 30 y com ienzo de los 40 del pasado siglo. Eran el lant ano, erbio, t erbio y didim io. En realidad eran cinco, puest o que cuarent a años después, en 1885, el quím ico aust riaco Carl Auer, Barón von Welsbach ( 1858- 1929) , halló que el didim io era una m ezcla de dos elem ent os, que llam ó praseodim io y neodim io. Lecoq de Boisbaudran descubrió ot ros dos, el sam ario, en 1879, y el disprosio en 1886. Cleve t am bién descubrió dos: holm io y t ulio, am bos en 1879. Hacia 1907, cuando el quím ico francés Georges Urbain ( 1872- 1938) descubrió la t ierra rara lut ecio, se había descubiert o ya un t ot al de cat orce de t ales elem ent os. Las t ierras raras poseían propiedades quím icas m uy sim ilares, y t odas t enían una valencia de 3. Cabría suponer que deberían ent rar t odas en una única colum na de la t abla periódica. Pero t al ordenam ient o era im posible. Ninguna colum na era suficient em ent e larga para cont ener cat orce elem ent os. Adem ás, las cat orce t ierras raras t enían unos pesos at óm icos m uy próxim os. Sobre la base de los pesos at óm icos debían colocarse t odas ellas en una sola fila horizont al, en un solo período. Podía hacerse sit io para ellas en el sext o período, que era m ás largo que el cuart o y el quint o, igual que ést os eran m ás largos que el segundo y el t ercero. La sim ilit ud en propiedades de las t ierras raras perm aneció, no obst ant e, sin explicar hast a 1920. Hast a ent onces, esa falt a de explicación arroj ó ciert as som bras sobre la t abla periódica. Había ot ro grupo de elem ent os cuya exist encia era com plet am ent e inesperada en t iem po de Mendeleiev, y que no causaron t ant os problem as. En realidad, encaj aron perfect am ent e en la t abla periódica. El conocim ient o relat ivo a ellos llegó con el t rabaj o del físico inglés John William St rut t , lord Rayleigh ( 1842- 1919) , en 1880, quien est aba m idiendo con gran cuidado los pesos at óm icos del oxígeno, hidrógeno y nit rógeno. En el caso del nit rógeno halló que el peso at óm ico variaba con la fuent e del gas. El nit rógeno del aire parecía t ener un peso at óm ico ligeram ent e m ás alt o que el nit rógeno de los com puest os del suelo. Un quím ico escocés, William Ram say ( 1852- 1916) , se int eresó en est e problem a y recordó que Cavendish, en un experim ent o olvidado hacía m ucho, había t rat ado de com binar el nit rógeno del aire con el oxígeno. Halló que al final se liberaban unas burbuj as de un gas que no podía com binarse con el oxígeno en ninguna circunst ancia. Esas burbuj as finales podrían no haber sido nit rógeno. ¿Sería que el nit rógeno, t al com o se ext rae norm alm ent e del aire, cont iene ot ro gas levem ent e m ás denso a m odo de im pureza, y que fuese ese gas el que hacía que el nit rógeno del aire pareciese un poco m ás pesado de lo que cabría esperar? 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 burbuj as finales de gas que no podía reaccionar, y est udió las líneas lum inosas de su espect ro. 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 alrededor del 1 por 100 del volum en de la at m ósfera. Era quím icam ent e inert e y no se le podía hacer reaccionar con ningún ot ro elem ent o, así que fue denom inado argón, de la palabra griega que significa «inert e». El argón result ó t ener un peso at óm ico j ust o por debaj o de 40. Est o significaba que debía encaj arse en alguna part e de la t abla periódica hacia la región de los siguient es elem ent os: azufre ( peso at óm ico 32) , cloro ( 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 argón fuese la sola condición a t ener en cuent a, el nuevo elem ent o debería haber ido ent re el pot asio y el calcio. Pero Mendeleiev había est ablecido el principio de que la valencia era m ás im port ant e que el peso at óm ico. Ya que el argón no se com binaba con ningún elem ent o, podía decirse que t enía una valencia de 0. ¿Cóm o encaj ar est o? La valencia del azufre es 2, la del cloro 1, la del pot asio 1, y la del calcio 2. La progresión de la valencia en esa región de la t abla periódica es 2, 1, 1,2. Una valencia de 0 encaj aría claram ent e ent re los dos unos: 2, 1, 0, 1, 2. Por t ant o el argón no podía exist ir solo. Tenía que haber una fam ilia de gases inert es, cada uno de ellos con una valencia de 0. Tal fam ilia encaj aría lim piam ent e ent re la colum na que cont iene los halógenos ( cloro, brom 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 t abla periódica ordena los elem ent os por su núm ero at óm ico ( el núm ero de prot ones exist ent es en el núcleo) e incluye los elem ent os descubiert os desde la época de Mendeleiev, y los producidos art ificialm ent e desde la Segunda Guerra Mundial. Ram say em pezó a invest igar. En 1895 supo que en los Est ados Unidos se habían obt enido m uest ras de un gas ( que se había t om ado por nit rógeno) a part ir de un m ineral de uranio. Ram say repit ió el t rabaj o y halló que el gas, exam inado al espect roscopio, m ost raba líneas que no pert enecían ni al nit rógeno ni al argón. Lo m ás sorprendent e era que en lugar de ellos se t rat aba de las líneas que había observado en el espect ro solar el ast rónom o francés Pierre Jules César Janssen ( 1824- 1907) durant e un eclipse solar ocurrido en 1868. En aquel ent onces, el ast rónom o inglés Joseph Norm an Lockyer ( 1836- 1920) las había at ribuido a un nuevo elem ent o que denom inó helio, de la palabra griega que significa Sol. Los quím icos habían prest ado en general poca at ención en aquel t iem po al descubrim ient o de un elem ent o desconocido en el Sol, basado en una prueba t an frágil com o la espect roscopia. Pero el t rabaj o de Ram say dem ost ró que ese m ism o elem ent o exist ía en la Tierra, y m ant uvo el nom bre dado por Lockyer. El helio es el m ás ligero de los gases nobles, y, después del hidrógeno, el elem ent o de m enor peso at óm ico. En 1898, Ram say hirvió aire líquido cuidadosam ent e buscando m uest ras de gases inert es, que él esperaba burbuj easen prim ero. Encont ró t res, que llam ó neón ( «nuevo») , cript ón ( «ocult o») y xenón ( «ext ranj ero») . Los gases inert es fueron considerados al principio com o m era curiosidad, de int erés solam ent e para quím icos encerrados en su t orre de m arfil. Pero en invest igaciones que com enzaron en 1910, el quím ico francés Georges Claude ( 1870- 1960) m ost ró que una corrient e eléct rica forzada a t ravés de ciert os gases com o el neón producía una luz suave y coloreada. Los t ubos llenos con dicho gas podían m oldearse form ando las let ras del alfabet o, palabras o dibuj os. En la década de 1940, las bom billas de luz incandescent e de la celebrada Great Whit e Way y ot ros cent ros de diversión sem ej ant es de la ciudad de Nueva York, fueron reem plazadas por luces de neón. Ca pít u lo 9 Qu ím ica física Cont enido: 1. Calor 2. Term odinám ica quím ica 3. Cat álisis 4. Disociación iónica 5. Más sobre los gases 1 . Ca lor En los siglos XVI I y XVI I I , los m undos de la quím ica y la física parecían m ut uam ent e bien delim it ados. La quím ica era el est udio de aquellos cam bios que im plicaban alt eraciones en la est ruct ura m olecular. La física era el est udio de los cam bios que no im plicaban dichas alt eraciones. En la prim era part e del siglo XI X, m ient ras Davy se ocupaba en alt erar la ordenación m olecular de los com puest os inorgánicos y Bert helot en alt erar 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 erm odinám ica ( de las palabras griegas que significan «m ovim ient o de calor») . Sobresalient es en est e cam po fueron el físico inglés Jam es Prescot t Joule ( 1818- 89) y los físicos alem anes Julius Robert von Mayer ( 1814- 78) y Herm ann Ludwig Ferdinand von Helm holt z ( 1821- 94) . En la década de 1840 su t rabaj o puso en claro que en las vicisit udes sufridas por el calor y ot ras form as de energía, no se dest ruye ni se crea energía. Est e principio se llam ó la ley de conservación de le energía, o prim er principio de la t erm odinám ica. Vinieron después los t rabaj os del físico francés Nicolás Léonard Sadi Carnot ( 17961832) , del físico inglés William Thom son, post eriorm ent e Lord Kelvin ( 1824- 1907) , y del físico alem án Rudolf Julius Em anuel Clausius ( 1822- 88) . Se dem ost ró que el calor, abandonado a sí m ism o, fluye espont áneam ent e desde un punt o a m ayor t em perat ura hacia ot ro a m enor t em perat ura, y que a part ir del calor se puede obt ener t rabaj o solam ent e cuando exist e t al fluj o de calor a t ravés de una diferencia de t em perat uras. Est a inferencia fue generalizada para aplicarla a cualquier form a de energía que fluye desde un punt o de m ayor int ensidad hacia ot ro de m enor int ensidad. Clausius ideó en 1850 el t érm ino ent ropía para designar la proporción ent re 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 espont áneo de energía la ent ropía del sist em a se increm ent a. Est e principio se llam ó segundo principio de la t erm odinám ica. Tales avances en el t erreno de la física no podían aislarse de la quím ica. Después de t odo, apart e del Sol, la m ayor fuent e de calor en el m undo del siglo XI X residía en reacciones quím icas com o la com bust ión de la m adera, carbón o pet róleo. Ot ras reacciones quím icas t am bién desarrollaban calor, com o por ej em plo, la neut ralización de ácidos por bases. De hecho, t odas las reacciones quím icas im plican algún t ipo de t ransferencia t érm ica, bien de em isión de calor ( y a veces de luz) al ent orno, bien de absorción de calor ( y a veces de luz) desde el ent orno. En 1840 los m undos de la quím ica y de la física se unieron y com enzaron a m archar j unt os con el t rabaj o de un quím ico ruso- suizo, Germ ain Henri Hess ( 1802- 1850) . Hess dio a conocer los result ados de cuidadosas m edidas que había t om ado sobre la cant idad de calor desarrollada en las reacciones quím icas ent re cant idades fij as de algunas sust ancias. Logró dem ost rar que la cant idad de calor producida ( o absorbida) en el paso de una sust ancia a ot ra era siem pre la m ism a, no im port ando por qué rut a quím ica había ocurrido el cam bio, ni en cuánt as et apas. Debido a est a generalización ( ley de Hess) , Hess es considerado en ocasiones com o el fundador de la t erm oquím ica ( quím ica del calor) . Basándose en la ley de Hess, parecía alt am ent e probable que la ley de conservación de la energía se aplicase t ant o a los cam bios quím icos com o a los cam bios físicos. En realidad, generalizando m ás, las leyes de la t erm odinám ica debían cum plirse probablem ent e t ant o en la quím ica com o en la física. Est a línea de experim ent ación y razonam ient o sugería que las reacciones quím icas com o los procesos físicos- t ienen una dirección inherent e y espont ánea en la que la ent ropía crece. Pero la ent ropía es una cant idad difícil de m edir direct am ent e, y los quím icos buscaron ot ro crit erio m ás sim ple que pudiera servir com o m edida de esa «fuerza im pulsora». En los años 1860- 69, Bert helot , que había hecho t an im port ant es t rabaj os en sínt esis orgánica, volvió su at ención hacia la t erm oquím ica. I deó m ét odos para efect uar reacciones quím icas dent ro de cám aras cerradas rodeadas por agua a t em perat ura conocida. A part ir del increm ent o en la t em perat ura del agua circundant e al finalizar la reacción, podía m edirse la cant idad de calor desarrollada por la m ism a. Ut ilizando est e t ipo de calorím et ro ( de la palabra lat ina que significa «m edida de calor») , Bert helot obt uvo det erm inaciones cuidadosas de la cant idad de calor desarrollada por cient os de diferent es reacciones 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. Bert helot pensaba que las reacciones que liberaban calor eran espont áneas, m ient ras que aquellas que absorbían calor no lo eran. Puest o que t oda reacción que liberaba calor t enía que absorberlo al desarrollarse en dirección cont raria ( Lavoisier y Laplace) , fueron los prim eros en expresar t ales opiniones) , cualquier reacción quím ica sólo podría ocurrir espont áneam ent e en una dirección, liberando calor en el proceso. Com o ej em plo digam os que cuando se com binan hidrógeno y oxígeno para form ar agua, la reacción libera una gran cant idad de calor. Est a reacción es espont ánea, y, una vez iniciada, llega rápidam ent e a su fin, a veces con violencia explosiva. Por el cont rario, la reacción inversa de descom posición del agua en hidrógeno y oxígeno requiere una aport ación de energía. La energía puede sum inist rarse en form a de calor, o m ej or aún de elect ricidad. No obst ant e, dicha rupt ura de la m olécula de agua no es espont ánea. No parece que ocurra nunca a m enos que se sum inist re energía, e incluso en ese caso la reacción cesa en el m om ent o en que se int errum pe el fluj o de energía. Pero aunque la generalización de Bert helot parece plausible a prim era vist a, es errónea. En prim er lugar, no t odas las reacciones espont áneas liberan calor. Algunas absorben t ant o calor que m ient ras se llevan a cabo la t em perat ura del m edio am bient e desciende. En segundo lugar, exist en reacciones reversibles. En ést as, las sust ancias A y B pueden reaccionar 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 espont áneam ent e, reaccionar en sent ido inverso, hast a llegar a A y B. Y t odo ello ocurre a pesar de que el calor liberado en la reacción que t ranscurre en un sent ido debe absorberse en la reacción inversa. Un ej em plo sim ple es el del yoduro de hidrógeno, que se descom pone en una m ezcla de hidrógeno y yodo. La m ezcla es capaz de recom binarse para form ar yoduro de hidrógeno. Est o puede escribirse en form a de ecuación: 2HI < = = > H 2 + I 2 . La doble flecha indica que es una reacción reversible. Las reacciones reversibles se conocían ya en el t iem po de Bert helot . Fueron cuidadosam ent e est udiadas por prim era 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 form aban las sust ancias C y D. Si en lugar de ello em pezaba con una m ezcla de C y D, se form aban las sust ancias A y B. En cualquiera de los casos, exist iría al final una m ezcla de A, B, C y D, en proporciones aparent em ent e fij as. La m ezcla est aría en equilibrio. Pero William son no creía que porque la com posición de la m ezcla fuese aparent em ent e fij a, no sucediera nada. Creyó que A y B reaccionaban para form ar C y D, m ient ras que C y D reaccionaban para form ar A y B. Am bas reacciones se hallaban progresando cont inuam ent e, pero cada una neut ralizaba los efect os de la ot ra, dando la ilusión de un equilibrio. Est a condición era un equilibrio dinám ico. El t rabaj o de William son m arcó el com ienzo del est udio de la cinét ica quím ica, est o es, el est udio de las velocidades de las reacciones quím icas. A part ir del t rabaj o de William son est aba bast ant e claro que algo m ás que la m era evolución del calor dict aba la espont aneidad de una reacción quím ica. Est e «algo m ás» est aba siendo invest igado ya en la época en que Bert helot y Thom sen realizaban sus innum erables m ediciones calorim ét ricas, pero desgraciadam ent e el t em a perm aneció ent errado baj o una lengua poco conocida. 2 . Te r m odin á m ica qu ím ica En 1863 los quím icos noruegos Cat o Maxim ilian Guldberg ( 1836- 1902) y Pet er Waage ( 1833- 1900) publicaron un follet o que t rat aba del sent ido de las reacciones espont áneas. Volvían a la sugerencia, hecha m edio siglo ant es por Bert hollet , de que el sent ido de una reacción dependía de la m asa de las sust ancias individuales que t om aban part e en ella. Guldberg y Waage pensaban que la sola m asa no const it uía t oda la respuest a. Más bien era cuest ión de la cant idad de m asa de una sust ancia det erm inada que se acum ulaba en un volum en dado de la m ezcla reaccionant e, en ot ras palabras, de la concent ración de la sust ancia. Supongam os que A y B pueden reaccionar para form ar C y D, y que asim ism o C y D pueden hacerlo para form ar A y B. Est a doble reacción puede represent arse de est a form a: A+ B< = = > C + D. Tal sit uación es un ej em plo de una de las reacciones reversibles de William son, y llega al equilibrio en unas condiciones en que A, B, C y D se encuent ran t odas ellas en el sist em a. El punt o de equilibrio depende de la velocidad a la que reaccionan A y B ( velocidad 1) com parada con la velocidad a la que reaccionan 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 reaccionarán rápidam ent e, produciendo una cant idad considerable de C y D, m ient ras que C y D reaccionarán lent am ent e y producirán una cant idad pequeña de A y B. En poco t iem po, la m ayor part e de A y B se habrá convert ido en C y D, pero no así a la inversa. Cuando la reacción alcance el equilibrio, C y D predom inarán en la m ezcla. Fij ándonos en la ecuación ant erior podrem os decir que el punt o de equilibrio est á «desplazado hacia la derecha». Lo cont rario se cum ple cuando la velocidad 2 es m ucho m ayor que la 1. En est e caso, C y D reaccionarán para producir A y B m ucho m ás rápidam ent e de lo que reaccionarán A y B para producir C y D. En el equilibrio, A y B dom inarán en la m ezcla. El punt o de equilibrio est ará ent onces «desplazado hacia la izquierda». Pero la velocidad 1 depende de la frecuencia con que una m olécula de A colisiona con una m olécula de B, ya que sólo en base a est a colisión puede ocurrir la reacción, y ni siquiera ent onces ocurrirá siem pre. Asim ism o, la velocidad 2 depende de la frecuencia 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 ración de A o B ( o am bas) ha aum ent ado, y exist e ahora una m ayor probabilidad de colisión ent re ellas ( del m ism o m odo que exist e una m ayor probabilidad de colisión de aut om óviles cuando una aut opist a est á llena a una hora punt a que cuando est á relat ivam ent e vacía a m edia m añana) . Así, pues, al increm ent ar la concent ración de A o de B o de am bas, increm ent a la velocidad 1; al dism inuir la concent ración dism inuirá la velocidad del m ism o m odo, un increm ent o en la concent ración de C o D, o de am bas, aum ent ará la velocidad 2. Alt erando la velocidad 1 o la 2, se puede alt erar la com posición de la m ezcla en equilibrio. Si se alt era la concent ración de cualquiera de las sust ancias part icipant es, cam biará la posición del punt o de equilibrio. Aunque las concent raciones de A, B, C y D en el equilibrio podían m odificarse en la m edida en que uno o m ás de dichos com ponent es se añadiesen o se ext raj esen de la m ezcla, Guldberg y Waage hallaron que podía definirse un fact or invariable. En el equilibrio, la razón ent re el product o de las concent raciones de las sust ancias exist ent es a un lado de la doble flecha y el product o de las concent raciones al ot ro lado de la doble flecha, perm anece const ant e. Supongam os que represent am os la concent ración de una sust ancia dada con el sím bolo de ést a ent re corchet es. Podem os decir ent onces, respect o a la reacción que est am os t rat ando, que en el equilibrio: C  D   K A B  El sím bolo K represent a la const ant e de equilibrio, caract eríst ica de una reacción reversible dada que se desarrolla a t em perat ura fij a. La ley de acción de m asas de Guldberg y Waage fue una guía adecuada para la com prensión de las reacciones reversibles, m ucho m ás que lo fuera la falsa sugerencia de Bert helot . Desgraciadam ent e, Guldberg y Waage publicaron su t rabaj o en noruego, y perm aneció desconocido hast a 1879, año en que se t raduj o al alem án. Ent re t ant o, el físico am ericano Josiah Willard Gibbs ( 1839- 1903) est aba aplicando sist em át icam ent e las leyes de la t erm odinám ica a las reacciones quím icas y publicó una serie de largos t rabaj os sobre el t em a ent re los años 1876 y 1878. Gibbs desarrolló el concept o de energía libre, una m agnit ud que incorporaba en sí m ism a t ant o el cont enido de calor com o la ent ropía. En cualquier reacción quím ica la energía libre del sist em a cam biaba. Cuando la energía libre descendía, la ent ropía aum ent aba siem pre, y la reacción era espont ánea. ( La ut ilidad de la energía libre reside en el hecho de que su variación es m ás fácil de m edir que la variación de ent ropía.) El cam bio en el cont enido de calor dependía de la cant idad exact a en que la energía libre descendía en una reacción espont ánea, de m odo que se liberaba calor. Pero ocasionalm ent e el cam bio de energía libre y ent ropía era t al que el cont enido de calor aum ent aba, y ent onces la reacción, aunque espont ánea, absorbía energía. Gibbs t am bién dem ost ró que la energía libre de un sist em a cam biaba algo al variar la concent ración de las sust ancias que com ponían el sist em a. Supongam os que la energía libre de A + B no es m uy diferent e de la de C + D. En ese caso, las pequeñas m odificaciones int roducidas por cam bios en la concent ración pueden ser suficient es para hacer la energía libre de A + B m ayor que la de C + D a det erm inadas concent raciones, y m enor a ot ras. La reacción puede avanzar espont áneam ent e en un sent ido para una serie de concent raciones, y en el sent ido opuest o para ot ras ( t am bién espont áneam ent e) . La velocidad de variación de la energía libre varía a m edida que la concent ración de una sust ancia det erm inada es el pot encial quím ico de dicha sust ancia, y Gibbs logró dem ost rar que era el pot encial quím ico el que act uaba com o «fuerza direct ora» en las reacciones quím icas. Una reacción quím ica variaba espont áneam ent e desde un punt o de alt o pot encial quím ico a ot ro de baj o pot encial, así com o el calor fluía espont áneam ent e desde un punt o de alt a t em perat ura a ot ro de baj a t em perat ura. De est e m odo, Gibbs dio significado a la ley de acción de m asas, ya que dem ost ró que en el equilibrio la sum a de los pot enciales quím icos de t odas las subst ancias im plicadas era m ínim a. Si se com enzaba con A + B, la «cim a» de pot encial quím ico descendía a m edida que se form aba C + D. Si se em pezaba con C + D, aquélla descendía a m edida que se form aba A + B. En el equilibrio, se había alcanzado la part e m ás baj a del «valle de energía» ent re las dos «cim as». Gibbs cont inuó aplicando los principios de la t erm odinám ica a los equilibrios ent re fases diferent 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 vapor de agua ( un com ponent e, dos fases) pueden exist ir j unt os a diferent es t em perat uras y presiones, pero si se fij a la t em perat ura, la presión queda fij ada t am bién. El agua líquida, el vapor de agua y el hielo ( un com ponent e, t res fases) pueden exist ir j unt os solam ent e a una t em perat ura y presión det erm inadas. Gibbs elaboró una ecuación sim ple, la regla de las fases, que perm it ía predecir la form a en que la t em perat ura, la presión y las concent raciones de los dist int os com ponent es podían variarse en t odas las com binaciones de com ponent es y fases. Así se fundó la t erm odinám ica quím ica, con t al det alle y perfección que poco les quedaba por hacer a los sucesores de Gibbs21 . No obst ant e, a pesar de la im port ancia fundam ent al y la not able elegancia del t rabaj o de Gibbs, no fue reconocido inm ediat am ent e en Europa, ya que se publicó en una revist a am ericana ignorada por los especialist as europeos en la m at eria. 3 . Ca t á lisis En el últ im o cuart 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 port ant e en est e cam po de la quím ica física fue el quím ico ruso- germ ano Friedrich Wilhelm Ost wald ( 1853- 1932) . Gracias a él m ás que a ninguna ot ra persona, la quím ica física llegó a ser reconocida com o una disciplina con derecho propio. Hacia 1887 había escrit o el prim er libro de t ext o sobre el t em a, y fundó la prim era revist a dedicada exclusivam ent e a la m at eria. 21 Sin em bargo, un ej em plo de una adición im port ant e fue la int roducida por el quím ico am er icano Gilbert New t on Lewis ( 1875- 1946) . En 1923, en un libro clásico de t erm odinám ica, int roduj o el concept o de act iv idad. La act iv idad de una sust ancia no es idént ica a su concent ración, pero est á relacionada con ella. Las ecuaciones de la t er m odinám ica quím ica pueden hacerse m ás precisas y «ext enderse sobr e un dom inio m ás am plio si se sust it uye la act ividad por la concent ración. Nada m ás lógico que Ost wald se hallara ent re los prim eros europeos que descubrieron y apreciaron el t rabaj o de Gibbs, t raduciendo sus com unicaciones sobre t erm odinám ica quím ica al alem án en 1892. Ost wald procedió casi inm ediat am ent e a poner en práct ica las t eorías de Gibbs en relación con el fenóm eno de la cat álisis. Cat álisis ( una palabra sugerida por Berzelius en 1835) es un proceso en el cual la velocidad de una reacción quím ica det erm inada es acelerada, en ocasiones enorm em ent e, por la presencia de pequeñas cant idades de una sust ancia que no parece t om ar part e en la reacción. Así, el polvo de plat ino cat aliza la adición del hidrógeno al oxígeno y a diversos com puest os orgánicos, t al com o descubrió Davy ( el que aisló el sodio y el pot asio) en 1816. Por ot ro lado, un ácido cat aliza la descom posición en unidades sim ples de varios com puest os orgánicos, com o dem ost ró por prim era vez G. S. Kirchhoff en 1812. Al final de la reacción, el plat ino o el ácido est án t odavía present es en la cant idad original. En 1894, Ost wald preparó un resum en de un t rabaj o de ot ro aut or sobre el calor de com bust ión de los alim ent os y lo publicó en su propia revist a. Discrepaba t ot alm ent e de las conclusiones del aut or, y para reforzar su desacuerdo discut ía la cat álisis. Apunt aba que las t eorías de Gibbs hacían suponer que los cat alizadores aceleraban esas reacciones sin alt erar las relaciones energét icas de las sust ancias im plicadas y m ant enía que el cat alizador debía com binarse con las sust ancias reaccionant es para form ar un com puest o int erm edio que se descom ponía, dando el product o final. La rupt ura del com puest o int erm edio liberaría el cat alizador, que recuperaría así su form a original. Sin la presencia de est e com puest o int erm edio form ado con el cat alizador, la reacción se produciría m ucho m ás lent am ent e, a veces t ant o que sería im percept ible. Por consiguient e, el efect o del cat alizador era acelerar la reacción sin consum irse él m ism o. Adem ás, com o una m ism a m olécula de cat alizador se ut ilizaba una y ot ra vez, bast aba con una pequeña cant idad de ést e para acelerar la reacción de una cant idad m uy grande de reaccionant es. Est e concept o de la cat álisis sigue t odavía en pie y ha cont ribuido a explicar la act ividad de los cat alizadores prot eicos ( o enzim as) que cont rolan las reacciones quím icas en los t ej idos vivos 22 . Ost wald fue un seguidor de los principios del físico y filósofo aust riaco Ernst Mach ( 1838- 1916) , quien creía que los cient íficos debían t rat ar sólo de m at erias que fuesen direct am ent e m ensurables, y no debían crear «m odelos» basados en pruebas indirect as. Por est a razón, Ost wald rehusó acept ar la realidad de los át om os, ya que no exist ían pruebas direct as de su exist encia. Fue el últ im o cient ífico im port ant e que se resist ió a la t eoría 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 rápido e irregular de pequeñas part ículas suspendidas en agua, fue observado por prim era vez en 1827 por un bot ánico escocés, Robert Brow n ( 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 ribuirse al bom bardeo de las part ículas por m oléculas de agua. Com o en un m om ent o dado puede haber m ás m oléculas golpeando desde una dirección que desde ot ra, las part ículas serán im pulsadas ahora hacia acá, ahora hacia allá. Einst ein elaboró una ecuación para calcular el t am año real de las m oléculas de agua después de m edir ciert as propiedades de las part ículas en m ovim ient o. Un físico francés, Jean Bapt ist e Perrin ( 1870- 1942) , hizo las m edidas necesarias en 1908, y obt uvo la prim era est im ación segura del diám et ro de las m oléculas y, por t ant o, de los át om os. Dado que el m ovim ient o browniano era una observación razonablem ent e direct a de los efect os de las m oléculas individuales, hast a el m ism o Ost vald t uvo que abandonar su oposición a la t eoría at óm ica 23 . 22 El avance del conocim ient o en el cam po de la bioquím ica ( est o es, las reacciones quím icas, ordinar iam ent e cont roladas por enzim as, que ocurren en los t ej idos vivos) es t rat ado solam ent e de pasada en est e libr o. Se discut e con m ás det alle en m i libro A Short Hist ory of Biology. 23 Las pruebas en favor de la exist encia de los át om os ( apr oxim adam ent e 1/ 100.000.000 cent ím et ros de diám et ro) e incluso de part ículas m ás pequeñas, han cont inuado acum 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 r es capít ulos de est e libro. Com o culm inación de la hist oria que em pezó con Dem ócr it o, el físico ger m ano- am er icano Er win Wilhelm Mueller ( 1911- 77) invent ó el Tam poco fue Ost wald el único que reconoció el valor de Gibbs en la década de 1890- 99. El físico- quím ico holandés Hendrik Willem Bakhuis Roozebom m ( 18541907) difundió la regla de las fases de Gibbs por t oda Europa, y lo hizo del m odo m ás eficaz. Adem ás, el t rabaj o de Gibbs fue t raducido al francés en 1899 por Henri 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 regla, que se conoce t odavía com o el principio de Le Chat elier. Est a regla puede est ablecerse 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 reducir al m ínim o el cam bio original. En ot ras palabras, si se increm ent a la presión en un sist em a en equilibrio, ést e se reaj ust a de m anera que ocupe el m enor espacio posible y dism inuya así la presión. Si se eleva la t em perat ura, sobreviene un cam bio que absorbe calor, y por consiguient e baj a la t em perat ura. Com o se puso de m anifiest o, la t erm odinám ica quím ica de Gibbs explicaba lim piam ent e el principio de Le Chat elier. El t ardío descubrim ient o de Gibbs por los europeos no im pidió el cabal desarrollo de la física quím ica, pues m uchos de los descubrim ient os de Gibbs fueron hechos independient em ent e, durant e la década de 1880- 89, por Van't Hoff, que previam ent e se había dado a conocer en el m undo de la quím ica con el át om o de carbono t et raédrico. A Van't Hoff sólo le avent aj aba Ost wald en el cam po de la quím ica física. Trabaj ó en especial sobre problem as de soluciones. Hacia 1886 logró dem ost rar que las m oléculas de sust ancias disuelt as, m oviéndose al azar a t ravés de la m asa de líquido, se com port an en ciert o sent ido de acuerdo con las reglas que rigen el com port am ient o de los gases. El nuevo est udio de la quím ica física relacionaba las reacciones quím icas no sólo con el calor, sino m ás bien con la energía en general. La elect ricidad, por ej em plo, podía producirse por reacciones quím icas y originar, a su vez, reacciones quím icas. m icroscopio de em isión de cam po. A m ediados de la década de los cincuent a se t om aron con ayuda de él fot ografías, hoy clásicas, que hicieron realm ent e v isible la ordenación de los át om os indiv iduales en el ex t rem o de una aguj a m et álica. Walt her Herm ann Nernst , un alem án ( 1864- 1941) , aplicó los principios de la t erm odinám ica a las reacciones quím icas que ocurrían en una bat ería. En 1889 dem ost ró que las caract eríst icas de la corrient e producida pueden usarse para calcular el cam bio de energía libre en las reacciones quím icas que producen corrient e. La luz era ot ra form a de energía que podía producirse en una reacción quím ica y, com o se descubrió incluso ant es del siglo xix, podía a su vez inducir reacciones quím icas. En part icular, la luz podía descom poner algunos com puest os de plat a, liberando granos negros de plat a m et álica. El est udio de t ales reacciones 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 sobre la plat a había perm it ido desarrollar una t écnica para grabar im ágenes. Una carga de un com puest o de plat a sobre un vidrio plano ( post eriorm ent e sobre una película flexible) se expone brevem 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 expuest os a diferent es cant idades de luz, de acuerdo con la cant idad reflej ada desde est e o aquel punt o de la escena. La breve exposición a la luz increm ent a la t endencia del com puest o de plat a a reducirse a plat a m et álica; cuant o m ás brillant e es la luz, t ant o m ás m arcada es esa t endencia. El com puest o de plat a se t rat a después con react ivos que llevan a cabo la reducción a plat a m et álica. La región expuest a a luz brillant e com plet a la reducción m ucho m ás rápidam ent e. Si el «revelado» se det iene en el m om ent o correct o, el crist al plano quedará cubiert o por zonas oscuras ( granos de plat a) 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 ravés de post eriores procesos ópt icos y quím icos que no necesit an describirse aquí se obt iene finalm ent e una represent ación gráfica real de la escena. El proceso se llam ó fot ografía ( «escrit ura con luz») . Muchos hom bres cont ribuyeron a la nueva t écnica, figurando ent re ellos el físico francés Joseph Nicéphore Niepcé ( 17651833) , el art ist a francés Louis Jacques Mandé Daguerre ( 1789- 1851) y el invent or inglés William Henry Fox Talbot ( 1800- 77) . Sin em bargo, lo m ás int eresant e era que la luz podía com port arse casi com o un cat alizador. Una pequeña cant idad de luz era capaz de inducir a una m ezcla de hidrógeno y cloro a reaccionar con violencia explosiva, m ient ras que en la oscuridad no ocurría ninguna reacción. La explicación de est a drást ica diferencia de com port am ient o fue finalm ent e propuest a por Nernst en 1918. Una pequeña cant idad de luz bast a para rom per una m olécula de cloro en dos át om os de cloro. Un át om o de cloro ( m ucho m ás act ivo solo que form ando part e de una m olécula) quit a un át om o de hidrógeno a la m olécula de hidrógeno, para form ar una m olécula de cloruro de hidrógeno. El ot ro át om o de hidrógeno, aislado, arrebat a un át om o de cloro de una m olécula de cloro; el át om o de cloro que queda arranca un hidrógeno de una m olécula de hidrógeno, y así sucesivam ent e. La pequeñísim a cant idad originaria de luz es así responsable de una reacción fot oquím ica en cadena, que conduce a la form ación explosiva de una gran cant idad de m oléculas de cloruro de hidrógeno. 4 . D isocia ción ión ica Junt o a Ost wald y Van't Hoff est aba ot ro m aest ro de la nacient e quím ica física, el quím ico sueco Svant e August Arrhenius ( 1859- 1927) . Siendo est udiant e, Arrhenius dirigió su at ención a los elect rolit os: est o es, a aquellas disoluciones capaces de t ransport ar una corrient e eléct rica. Faraday había est ablecido las leyes de la elect rólisis, y a j uzgar por ellas parecía que la elect ricidad, igual que la m at eria, podía exist ir en form a de pequeñas part ículas. Faraday había hablado de iones, que podían considerarse com o part ículas que t ransport aban elect ricidad a t ravés de una disolución. Sin em bargo, durant e el m edio siglo siguient e, ni él ni nadie m ás, se avent uró a t rabaj ar seriam ent e sobre la nat uraleza de aquellos iones. Lo cual no significó, sin em bargo, que no se hiciese ningún t rabaj o valioso. En 1853, el físico alem án Johann Wilhelm Hit t orf ( 1824- 1914) señaló que algunos iones viaj aban m ás rápidam ent e que ot ros. Est a observación conduj o al concept o de núm ero de t ransport e, la velocidad a la que los dist int os iones t ransport aban la corrient e eléct rica. Pero el cálculo de est a velocidad no resolvía la cuest ión de la nat uraleza de los iones. Arrhenius encont ró la m anera de abordar el asunt o gracias al t rabaj o del quím ico francés François Marie 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 presión de vapor parcial del solvent e en equilibrio con una disolución es direct am ent e proporcional a la fracción m olar del solvent e. Sin ent rar en la definición de fracción m olar, bast e decir que est a regla perm it ió est im ar el núm ero relat ivo de part ículas ( ya fueran át om os, m oléculas, o los m ist eriosos 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 curso de est a invest igación, Raoult había m edido los punt os de congelación de las disoluciones. Tales punt os de congelación eran siem pre m ás baj os que el punt o de congelación del disolvent e puro. Raoult logró m ost rar que el punt o de congelación descendía en proporción al núm ero de part ículas de solut o present es en la disolución. Pero aquí surgía un problem a. Era razonable suponer que cuando una sust ancia se disuelve en agua, pongam os por caso, dicha sust ancia se rom pe en m oléculas separadas. Efect ivam ent e, en el caso de no- elect rolit os com o el azúcar, el descenso del punt o de congelación cum plía dicha suposición. Sin em bargo, cuando se disolvía un elect rolit o com o la sal com ún ( ClNa) , el descenso del punt o de congelación era el doble de lo que cabía esperar. El núm ero de part ículas present es era el doble del núm ero de m oléculas de sal. Si se disolvía cloruro bárico ( Cl 2 Ba) , el núm ero de part ículas present es era t res veces el núm ero de m oléculas. La m olécula de cloruro sódico est á form ada por dos át om os, y la de cloruro bárico por t res. Así pues, Arrhenius pensó que al disolver det erm inadas m oléculas en un disolvent e com o el agua, se descom ponían en át om os separados. Adem ás, puest o que t ales m oléculas, una vez rot as, conducían una corrient e eléct rica ( pero no así las m oléculas com o el azúcar, que no se descom ponen) , Arrhenius sugirió que las m oléculas no se rom pían ( o «disociaban») en át om os ordinarios, sino en át om os que llevaban una carga eléct rica. Arrhenius propuso que los iones de Faraday eran sim plem ent e át om os ( o grupos de át om os) que llevan una carga eléct rica posit iva o negat iva. Los iones, o eran los «át om os de elect ricidad», o port aban a los «át om os de elect ricidad». ( La últ im a alt ernat iva dem ost ró post eriorm ent e ser la correct a.) Arrhenius ut ilizó su t eoría de la disociación iónica para dar cuent a de num erosos hechos de elect roquím ica. Las ideas de Arrhenius, propuest as en su t esis doct oral en 1884, chocaron con una resist encia considerable; su t esis est uvo a punt o de ser rechazada. Pero Ost wald, im presionado, ofreció un puest o a Arrhenius y le anim ó a proseguir su t rabaj o en quím ica física. En 1889, Arrhenius hizo ot ra fruct ífera sugerencia. Señaló que las m oléculas, al chocar, no t enían por qué reaccionar, a no ser que chocasen con una ciert a energía m ínim a, una energía de act ivación. Cuando est a energía de act ivación es baj a, las reacciones ocurren rápida y fácilm ent e. En cam bio, una elevada energía de act ivación m ant endría la reacción a una velocidad ínfim a. Pero 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 recibieran la necesaria energía de act ivación, la reacción procedería súbit a y rápidam ent e, a veces con violencia explosiva. La explosión de una m ezcla de hidrógeno y oxígeno cuando se alcanza la t em perat ura de ignición const it uye un ej em plo de ello. Ost wald ut ilizó est e concept o provechosam ent e para elaborar su t eoría de la cat álisis. Señaló que la form ación de un com puest o int erm edio a part ir del cat alizador requería una m enor energía de act ivación que la necesaria para la form ación direct a del product o final. 5 . M á s sobr e los ga se s Las propiedades de los gases sufrieron una nueva y profunda revisión durant e el surgim ient o de la quím ica física a fines del siglo XI X. Tres siglos ant es, Boyle había propuest o la ley que lleva su nom bre, est ableciendo que la presión y el volum en de una cant idad det erm inada de gas variaban inversam ent e ( con t al de que, com o después se m ost ró, la t em perat ura se m ant enga const ant e) . Sin em bargo, se vio que est a ley no era t ot alm ent e ciert a. El quím ico francogerm ano Henri Víct or Regnault ( 1810- 78) hizo m et iculosas m edidas de volúm enes y presiones de gas a m ediados del siglo XI X, y m ost ró que, sobre t odo al elevar la presión o baj ar la t em perat ura, los gases no seguían del t odo la ley de Boyle. Aproxim adam ent e por la m ism a época, el físico escocés Jam es Clerk Maxwell ( 183179) y el físico aust riaco Ludwig Bolt zm ann ( 1844- 1906) habían analizado el com port am ient o de los gases, suponiendo que ést os eran un conj unt o de infinidad de part ículas m oviéndose al azar ( la t eoría cinét ica de los gases) . Lograron derivar la ley de Boyle sobre est a base, haciendo para ello dos suposiciones m ás: 1, que no había fuerza de at racción ent re las m oléculas del gas, y 2, que las m oléculas del gas eran de t am año igual a cero. Los gases que cum plen est as condiciones se denom inan gases perfect os. Ninguna de las dos suposiciones es del t odo correct a. Exist en pequeñas at racciones ent re las m oléculas de un gas, y si bien est as m oléculas son enorm em ent e pequeñas, su t am año no es igual a cero. Por lo t ant o, ningún gas real es «perfect o», aunque el hidrógeno y el recién descubiert o helio casi lo eran. Teniendo en cuent a est os hechos, el físico holandés Johannes Diderik Van der Waals ( 1837- 1923) elaboró en 1873 una ecuación que relacionaba la presión, el volum en y la t em perat ura de los gases. Est a ecuación incluía dos const ant es, a y b ( diferent es para cada gas) , cuya exist 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 prensión de las propiedades de los gases ayudó a resolver el problem a de licuarlos. Ya en 1799 se había licuado el gas am oníaco, enfriándolo baj o presión. ( Al elevar la presión se eleva la t em perat ura a la que el gas se licua, facilit ando m ucho el proceso.) Faraday fue especialm ent e act ivo en est e cam po de invest igación, y hacia 1845 había sido capaz de licuar una serie de gases, ent re ellos el cloro y el dióxido de azufre. Al liberar un gas licuado de la presión a que est á som et ido, com ienza a evaporarse rápidam ent e. Sin em bargo, el proceso de evaporación absorbe calor, y la t em perat ura del líquido rest ant e desciende drást icam ent e. En est as condiciones, el dióxido de carbono líquido se congela, pasando a dióxido de carbono sólido. Mezclando dióxido de carbono sólido con ét er, Faraday logró obt ener t em perat uras de - 78° C. Pero había gases com o el oxígeno, el nit rógeno, el hidrógeno, el m onóxido de carbono y el m et ano, que se resist ían a sus m ás enconados esfuerzos. Por m ucho que elevaba la presión en los experim ent os, Faraday no lograba licuarlos. Est as sust ancias se llam aron «gases perm anent es». En la década de 1860- 69, el quím ico irlandés Thom as Andrews ( 1813- 85) est aba t rabaj ando con dióxido de carbono que había licuado sim plem ent e por presión. Elevando lent am ent e la t em perat ura, anot ó el m odo en que debía increm ent arse la presión para m ant ener el dióxido de carbono en est ado líquido. Halló que a una t em perat ura de 31 ° C ningún aum ent o de presión era suficient e. En efect o, a esa t em perat ura las fases líquida y gaseosa parecían m ezclarse, por así decirlo, y result aban indist inguibles. Por t ant o, Andrews sugirió ( en 1869) que para cada gas había una t em perat ura crít ica por encim a de la cual ningún aum ent o de presión podía licuarlo. Concluyó que los gases perm anent es eran sim plem ent e aquellos cuyas t em perat uras crít icas eran m ás baj as que las alcanzadas en los laborat orios. Ent re t ant o, Joule y Thom son ( véanse págs. 152 y 153) , en sus est udios sobre el calor, habían descubiert o que los gases pueden enfriarse a base de dej arlos expandir. Por lo t ant o, expandiendo un gas, com prim iéndolo a cont inuación en condiciones que no le perm it an recuperar el calor perdido, expandiéndolo de nuevo, y así una y ot ra vez, podrían alcanzarse t em perat uras m uy baj as. Una vez alcanzada una t em perat ura inferior a la t em perat ura crít ica del gas, la aplicación de presión lo licuaría. Ut ilizando est a t écnica, el físico francés Louis Paul Caillet et ( 1832- 1913) y el quím ico ruso Raoul Pict et ( 1846- 1929) lograron licuar gases com o el oxígeno, nit rógeno y m onóxido de carbono en 1877. Sin em bargo, el hidrógeno seguía frust rando sus esfuerzos. Com o result ado del t rabaj o de Van der Waals, se puso en claro 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 perat ura. Por t ant o, había que dism inuir su t em perat ura para poder com enzar el ciclo de expansión y cont racción. En la década de 1890- 99, el quím ico escocés Jam es Dewar ( 1842- 1923) em pezó a t rabaj ar sobre el problem a. Preparó oxígeno líquido en cant idad y lo alm acenó en una bot ella de Dewar. Est e art efact o es un vaso de doble pared con un vacío ent re ellas. El vacío no t ransm it e calor por conducción ni por convención, ya que am bos fenóm enos requieren la presencia de m at eria. El calor se t ransm it e a t ravés del vacío solam ent e por el procedim ient o relat ivam ent e lent o de la radiación. Plat eando las paredes de m odo que el calor fuese reflej ado y no absorbido, Dewar logró ret ardar el proceso de radiación aún m ás. ( Los t erm os de uso dom ést ico son sim plem ent e bot ellas de Dewar provist as de un t apón.) Enfriando el hidrógeno a t em perat ura m uy baj a por inm ersión en oxígeno líquido alm acenado en t ales bot ellas y ut ilizando luego el efect o Joule- Thom son, Dewar produj o hidrógeno líquido en 1898. El hidrógeno se licuó a 20° K, una t em perat ura sólo veint e grados m ás alt a que el cero absolut o 24 . Pero 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 inert es, y uno de ellos, el helio, licuó a una t em perat ura m ás baj a. El físico holandés Eleike Kam erlingh Onnes ( 1853- 1926) venció el últ im o obst áculo cuando, en 1908, enfrió prim ero helio en un baño de hidrógeno 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 pr opuest 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 absolut as ( basada en la idea de Kelvin) se sim boliza com o °K. En 1905, Ner nst dem ost ró que la ent ropía era igual a cero en el cero absolut o ( el t ercer principio de la t er m odinám ica) . A part ir de est o, puede deducir se que es posible acercarse a la t em perat ura del cero absolut o t ant o com o se quier a, pero nunca puede alcanzar se en la práct ica. Ca pít u lo 1 0 Qu ím ica or gá n ica de sín t e sis Cont enido: 1. Colorant es 2. Medicam ent os 3. Prot eínas 4. Explosivos 5. Polím eros 1 . Color a n t e s Cuando en la prim era m it ad del siglo XI X hom bres com o Bert helot em pezaron a unir m oléculas orgánicas, est aban am pliando drást icam ent e los lím it es acept ados de su ciencia. En lugar de lim it ar sus invest igaciones al ent orno físico exist ent e, est aban com enzando a im it ar la creat ividad de la nat uraleza, y sobrepasar a ést a iba a ser sólo cuest ión de t iem po. En ciert o m odo, el t rabaj o de Bert helot con algunas de sus grasas sint ét icas m arcó un com ienzo en est e sent ido pero t odavía quedaba m ucho por hacer. La incom plet a com prensión de la est ruct ura m olecular confundía a los quím icos orgánicos del siglo xix, pero el progreso de la ciencia era t an irresist 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) exist ían pocos quím icos orgánicos de renom bre en Gran Bret aña, y August Wilhelm von Hofm ann ( 1818- 92) , que había t rabaj ado baj o la dirección de Liebig, fue im port ado a Londres 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 Henry Perkin ( 1838- 1907) . Un día, en presencia de Perkin, Hofm ann especulaba en voz alt a sobre la posibilidad de sint et izar quinina, el valioso ant im alárico. Hofm ann había realizado invest igaciones sobre los product os obt enidos del alquit rán de hulla ( un líquido negro y espeso obt enido al calent ar carbón en ausencia de aire) , y se pregunt aba si sería posible sint et izar quinina a part ir de un product o del alquit rán de hulla com o la anilina. La sínt esis, si pudiese llevarse a cabo, const it uiría un gran éxit o, decía Hofm ann; liberaría a Europa de su dependencia de los rem ot os t rópicos para el aprovisionam ient o de quinina. Perkin, t ot alm ent e enardecido, se fue a casa ( donde t enía un pequeño laborat orio propio) para em prender la t area. Si él o Hofm ann hubiesen conocido m ej or la est ruct ura de la m olécula de quinina, habrían sabido que la t area era im posible para las t écnicas de m ediados del siglo xix. Afort unadam ent e, Perkin lo ignoraba y, aunque fracasó, consiguió algo quizá m ás im port ant e. Durant e las vacaciones de Pascua de 1856, había t rat ado la anilina con dicrom at o pot ásico y est aba a punt o de desechar la m ezcla result ant e com o si fuera un nuevo fracaso, cuando sus oj os percibieron un reflej o púrpura en ella. Añadió alcohol, que disolvió algo del preparado y adquirió un herm oso color púrpura. Perkin sospechó que t enía ant e sí un colorant e. Dej ó la escuela y ut ilizó algún dinero de la fam ilia para m ont ar un t aller. Al cabo de seis m eses, obt enía lo que llam ó «púrpura de anilina». Los t int oreros franceses aclam aron el nuevo t int e y denom inaron al color «m alva». Tan popular llegó a hacerse dicho color, que est e período de la hist oria se conoce com o «la década m alva». Perkin, habiendo fundado la vast a indust ria de los colorant es sint ét icos, pudo ret irarse, en plena opulencia, a los t reint a y cinco años. No m ucho después de la original proeza de Perkin, Kekulé y sus fórm ulas est ruct urales proporcionaron a los quím icos orgánicos un m apa del t errit orio, por así decirlo. Ut ilizando est e m apa, podían crear esquem as lógicos de reacción, m ét odos razonables para alt erar una fórm ula est ruct ural paso a paso, con el fin de convert ir una m olécula en ot ra. Se hizo posible sint et izar nuevas sust ancias quím icoorgánicas, no ya por accident e, com o el t riunfo de Perkin, sino deliberadam ent e. Con frecuencia las reacciones conseguidas recibían el nom bre de su descubridor. Por ej em plo, un m ét odo para añadir dos át om os de carbono a una m olécula, descubiert o por Perkin, se denom ina la reacción de Perkin; ot ro m ét odo para rom per un anillo cont eniendo un át om o de nit rógeno, descubiert o por el m aest ro de Perkin, se llam a la degradación de Hofm ann. Hofm ann regresó a Alem ania en 1864, y allí se lanzó al nuevo cam po de la quím ica orgánica de sínt esis que su j oven discípulo había inaugurado. Cont ribuyó a fundar lo que, hast a la Prim era Guerra Mundial, siguió siendo casi un m onopolio alem án en su especialidad. Los t int es nat urales se duplicaban en el laborat orio. En 1867, Baeyer ( el de la «t eoría de las t ensiones») com enzó un program a de invest igación que post eriorm ent e conduj o a la sínt esis del índigo. Est a conquist a, a largo plazo, iba a desplazar del m ercado a las ext 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 alizarina, ot ro im port ant e colorant e nat ural. Sobre t odos est os éxit os se fundaron el art e y la t écnica de la quím ica aplicada, que en las últ im as décadas ha afect ado t an radicalm ent e nuest ras vidas y que no dej a de progresar a pasos agigant ados. Se ha desarrollado una serie int erm inable de nuevas t écnicas para alt erar las m oléculas orgánicas, y para exam inar algunas de las m ás im port ant es es preciso que nos desviem os un poco de la corrient e principal de la t eoría quím ica. Hast a est e m om ent o nuest ro relat o se ha prest ado a una narrat iva direct a y una línea de desarrollo clara, pero en est e capít ulo y el próxim o t endrem os que discut ir algunos avances individuales cuya escasa relación 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 para nuest ra breve hist oria de est a ciencia, aunque pueda parecer que se separan de la corrient e principal. En los últ im os t res capít ulos volverem os a la clara línea de desarrollo t eórico. 2 . M e dica m e n t os Com puest os nat urales de com plej idad cada vez m ayor fueron sint et izados después de Perkin. Desde luego, la sust ancia sint ét ica no podía com pet ir económ icam ent e con el product o nat ural, except o en casos relat ivam ent e raros, com o el del índigo. Pero la sínt esis servía norm alm ent e para est ablecer la est ruct ura m olecular, y est o es algo que posee siem pre un gran int erés t eórico ( y a veces práct ico) . 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 ruct ura de la clorofila, el cat alizador veget al que absorbe la luz y hace posible la ut ilización de la energía solar en la producción de carbohidrat os a part ir de dióxido de carbono. Dos quím icos alem anes, Heinrich Ot t o Wieland ( 1877- 1957) y Adolf Windaus ( 18761959) , det erm inaron la est ruct ura de los esferoides y com puest os derivados. ( Ent re los est eroides se hallan m uchas horm onas im port ant es.) Ot ro quím ico alem án, Ot t o Wallach ( 1847- 1931) , dilucidó afanosam ent e la est ruct ura de los t erpenos, im port ant es aceit es veget ales ( una conocida m uest ra 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 ura del hem o, la m at eria colorant e de la sangre. Vit am inas, horm onas, alcaloides, t odos ellos han sido invest igados en el siglo xix, y en m uchos casos se det erm inó la est ruct ura m olecular. Por ej em plo, en los años t reint a, el quím ico suizo Paul Karrer ( 1889- 1971) est ableció la est ruct ura de los carot enoides, im port ant es pigm ent os veget ales con los que se relaciona est recham ent e la vit am ina A. El quím ico inglés Robert Robinson ( 1886- 1975) se dedicó sist em át icam ent e a los alcaloides. Su m ayor éxit o fue descubrir la est ruct ura de la m orfina ( except o un át om o, que era dudoso) en 1925, y la est ruct ura de la est ricnina en 1946. Post eriorm ent e, el t rabaj o de Robinson fue confirm ado por el quím ico am ericano Robert Burns Woodward ( 1917- 1979) , que sint et izó la est ricnina en 1954. Woodward com enzó a cosechar t riunfos en la sínt esis cuando él y su colega am ericano William von Eggers Doering ( n. 1917) sint et izaron la quinina en 1944. Es ést e el com puest o cuya búsqueda a ciegas por Perkin había dado result ados t an m agníficos. Woodward pasó luego a sint et izar m oléculas orgánicas m ás com plicadas, ent re las que se incluye el colest erol ( el m ás corrient e de los est eroides) en 1951, y la cort isona ( una horm ona est eroidea) en el m ism o año. En 1956 sint et izó la reserpina, el prim er t ranquilizant e, y en 1960 la clorofila. En 1962 Woodward sint et izó un com puest o com plej o relacionado con la acrom icina, un ant ibiót ico m uy conocido. Trabaj ando en ot ra dirección, el quím ico ruso- am ericano Phoebus Aaron Theodor Levene ( 1869- 1940) había deducido las est ruct uras de los nucleót idos, que servían com o ladrillos para la const rucción de las m oléculas gigant es que son los ácidos nucleicos. ( Hoy día se sabe que los ácidos nucleicos cont rolan la act ividad quím ica del cuerpo.) Sus conclusiones fueron com plet am ent e confirm adas por el t rabaj 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 cuarent a y principios de los cincuent a. Algunas de est as sust ancias, especialm ent e los alcaloides, poseían propiedades m edicinales, y por ello se agrupan baj o el t ít ulo general de m edicam ent os. A principios del siglo xix se dem ost ró que los product os ent eram ent e sint ét icos podían t ener dicha ut ilización, y de hecho se revelaron com o m edicam ent os valiosos. La sust ancia sint ét ica arsfenam ina fue ut ilizada en 1909 por el bact eriólogo alem án Paul Ehrlich ( 1854- 1915) com o agent e t erapéut ico cont ra la sífilis. Se considera que est a aplicación fundó el est udio de la quim iot erapia, el t rat am ient o de las enferm edades ut ilizando product os quím icos específicos. En 1908 fue sint et izado un nuevo com puest o denom inado sulfanilam ida, que se sum ó al gran núm ero de product os sint ét icos que se conocían pero que carecían de usos det erm inados. En 1932, a t ravés de las invest igaciones del quím ico alem án Gerhard Dom agk ( 1895- 1964) , se descubrió que la sulfanilam ida y algunos com puest os derivados podían ut ilizarse para com bat ir diversas enferm edades infecciosas. Pero, en est e caso, los product os nat urales alcanzaron y sobrepasaron a los sint ét icos. El prim er ej em plo fue la penicilina, cuya exist encia descubrió accident alm ent e en 1928 el bact eriólogo escocés Alexander Flem ing ( 1881- 1955) . Flem ing había dej ado un cult ivo de gérm enes est afilocócicos sin cubrir durant e algunos días, al cabo de los cuales halló que se había enm ohecido. Una circunst ancia inesperada le hizo fij arse con m ás at ención. Alrededor de cada part ícula de espora del hongo aparecía un área clara en la que el cult ivo bact eriano se había disuelt o. I nvest igó el asunt o hast a donde pudo, sospechando la presencia de una sust ancia ant ibact eriana, pero las dificult ades de aislar el m at erial le derrot aron. La necesidad de m edicam ent os que com bat iesen las infecciones durant e la Segunda Guerra Mundial se t raduj o en un nuevo y m asivo abordam ient o del problem a. Baj o la dirección del pat ólogo anglo- aust raliano Howard Walt er Florey ( 1898- 1968) y el bioquím ico angloalem án Ernst Boris Chain ( 1906- 79) , se aisló la penicilina y se det erm inó su est ruct ura. Era el prim er ant ibiót ico ( «cont ra la vida», en el sent ido de vida m icroscópica, desde luego) . Hacia 1945, un proceso de cult ivo de hongos y concent ración del product o rendía m edia t onelada de penicilina al m es. Los quím icos aprendieron en 1958 a int errum pir la form ación del hongo en su fase m edia, obt ener el núcleo cent ral de la m olécula de penicilina, y después añadir a dicho núcleo varios grupos orgánicos que no se habrían form ado de m odo nat ural. Est os product os sint ét icos t enían en algunos casos propiedades superiores a las de la propia penicilina. Durant e los años cuarent a y cincuent a se aislaron de diversos hongos ot ros ant ibiót icos, com o la est rept om icina y la t et raciclina, que em pezaron a usarse de inm ediat o. La sínt esis de com plej os orgánicos no podía lograrse sin análisis periódicos que sirvieran para ident ificar el m at erial obt enido en diferent es et apas del proceso de sínt esis. Norm alm ent e, el m at erial disponible para los análisis era m uy escaso, de m odo que los análisis eran inciert os en el m ej or de los casos, e im posibles m uchas veces. El quím ico aust riaco Frit z Pregl ( 1869- 1930) reduj o con gran aciert o el t am año del equipo ut ilizado en los análisis. Obt uvo una balanza de sum a precisión, diseñó finas piezas de vidrio, y hacia 1913 había ideado una eficaz t écnica de m icro análisis. Los análisis de m uest ras pequeñas, hast a ent onces im pract icables, se convirt ieron ahora en un proceso m uy exact o. Los m ét odos clásicos de análisis im plicaban norm alm ent e la m edición del volum en de una sust ancia consum ida en la reacción ( análisis volum ét ricos) , o del peso de una sust ancia producida en la reacción ( análisis gravim ét rico) . A m edida que avanzaba el siglo xx fueron int roduciéndose m ét odos físicos de análisis que ut ilizaban la absorción de la luz, los cam bios en la conduct ividad eléct rica y ot ras t écnicas aún m ás reform adas. 3 . Pr ot e ín a s Las sust ancias orgánicas m encionadas en el apart ado ant erior est án casi t odas form adas por m oléculas que exist en com o unidades sim ples, que no se rom 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, aproxim adam ent e. Pero exist en sust ancias orgánicas 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 uraleza unit aria, sino que siem pre est án form adas a part ir de «ladrillos» 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. Levene lo hizo en su est udio de los nucleót idos, por ej em plo. Era nat ural t rat ar de est udiar t am bién las m oléculas gigant es int act as, y a m ediados del siglo xix se dieron los prim eros pasos en est e sent ido. El prim ero en hacerlo fue el quím ico escocés Thom as Graham ( 1805- 1866) , gracias a su int erés por la difusión, est o es, la form a en que las m oléculas de dos sust ancias que han ent rado en cont act o se ent rem ezclan. Em pezó por est udiar la velocidad de difusión de los gases a t ravés de aguj eros pequeños o t ubos delgados. Hacia 1831 logró dem ost rar que la velocidad de difusión de un gas era inversam ent e proporcional a la raíz cuadrada de su peso m olecular ( ley de Graham ) . Post eriorm ent e, Graham pasó a est udiar la difusión de sust ancias disuelt as y descubrió que las soluciones de sust ancias com o sal, azúcar o sulfat o de cobre eran capaces de at ravesar una hoj a de pergam ino ( probablem ent e con orificios subm icroscópicos) . En cam bio, ot ros m at eriales disuelt os com o la gom a arábiga, la cola o la gelat ina no at ravesaban el pergam ino. Era claro que las m oléculas gigant es del últ im o grupo de sust ancias no podían pasar a t ravés de los orificios del pergam ino. A los m at eriales que podían pasar a t ravés del pergam ino ( y que result ó que se obt enían fácilm ent e en form a crist alina) Graham los llam ó crist aloides. A los que no podían, com o la cola ( en griego kollá) , los llam ó coloides. El est udio de las m oléculas gigant es se convirt ió en una part e im port ant e del est udio de la quím ica de los coloides, a la que Graham dio origen de est e m odo 25 . Supongam os que a un lado de la hoj a de pergam ino hay agua pura, y al ot ro lado una solución coloidal. Las m oléculas de agua pueden ent rar fácilm ent e en la cám ara coloidal, m ient ras que las m oléculas coloidales bloquean la salida. Por t ant o, el agua penet ra en la porción coloidal del sist em a m ás rápidam ent e de lo que sale, y el desequilibrio det erm ina una presión osm ót ica. El bot ánico alem án Wilhelm Pfeffer ( 1845- 1920) dem ost ró en 1877 que se podía m edir est a presión osm ót ica, y a part ir de las m edidas det erm inar el peso m olecular 25 En 1833, Graham había est udiado las diversas for m as del ácido fosfórico, y m ost ró que en algunas de ellas m ás de un át om o de hidrógeno podía r eem plazarse por un m et al. Est o int roduj o a los quím icos a la exist encia de los ácidos polibásicos. de las grandes m oléculas en la solución coloidal. Fue el prim er m ét odo razonablem 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 Svedberg ( 18841971) , que desarrolló la ult ra cent rífuga en 1923. Est e aparat o hacía girar las soluciones coloidales, im pulsando a las m oléculas gigant es hacia afuera por efect o de la enorm e fuerza cent rífuga. Part iendo de la velocidad con la cual desplazaban las m oléculas gigant es podía det erm inarse el peso m olecular. El ayudant e de Svedberg, Arne Wilhelm Kaurin Tiselius ( 1902- 71) , t am bién sueco, ideó en 1927 m ét odos m ej ores para separar las m oléculas gigant es en base a las dist ribuciones de carga eléct rica sobre la superficie m olecular. Est a t écnica, la elect roforesis, t uvo part icular im port ancia en la separación y purificación de prot eínas. Aunque los m ét odos proporcionaban de est e m odo dat os relat ivos a la est ruct ura global de las m oléculas gigant es, los quím icos aspiraban a com prender los det alles quím icos de esa est ruct ura. Su int erés se cent raba especialm ent e en las prot eínas. Mient ras que las m oléculas gigant es com o el alm idón y la celulosa de la m adera est án form adas por un solo t ipo de unidad que se repit e indefinidam ent e, la m olécula prot 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 ofrecen una base t an sat isfact oria para la sut ileza y la diversidad de la vida, aunque precisam ent e por eso son t am bién t an difíciles de caract erizar. Em il Fischer, que había det erm inado ant eriorm ent e la est ruct ura det allada de las m oléculas de azúcar, em pezó a est udiar la m olécula prot eica a finales de siglo. Dem ost ró que la porción am ino de un am inoácido se unía a la porción ácido de ot ro para form ar un enlace pept ídico y lo probó en 1907, uniendo efect ivam ent e am inoácidos de est a form a ( j unt ó dieciocho de ellos) y dem ost rando que el com puest o result ant e poseía algunas propiedades caract eríst icas de las prot eínas. Sin em bargo, la det erm inación del orden de los am inoácidos que form an una cadena polipept ídica en una m olécula prot eica t al com o ocurre en la nat uraleza, t uvo que esperar el paso de ot ro m edio siglo y el descubrim ient o de una nueva t écnica. Dicha t écnica com enzó con el bot ánico ruso Mij ail Sem enovich Tsvet t ( 1872- 1919) . Dej ó got ear una m ezcla de pigm ent os veget ales coloreados a t ravés de un t ubo de óxido de alum inio en polvo. Las diferent es sust ancias de la m ezcla se adherían a la superficie de las part ículas de polvo con diferent e int ensidad. Al lavar la m ezcla, los com ponent es individuales se separaban para form ar bandas de color. Tsvet t observó est e efect o en 1906 y llam ó a la t écnica crom at ografía ( «escrit ura en color») . Aunque en un principio pasó inadvert ido el art ículo donde Tsvet t publicara sus result ados, en los años veint e Willst át t er y Richard Kuhn ( 1900- 67) , est udiant e de quím ica germ ano- aust riaco, reint roduj eron la t écnica. Ést a fue perfeccionada en 1944 por los quím icos ingleses Archer John Port er Mart in ( n. 1910) y Richard Laurence Millingt on Synge ( n. 1914) , quienes ut ilizaron papel de filt ro absorbent e en lugar de la colum na de polvo. La m ezcla se deslizaba a lo largo del papel de filt ro y se separaba; est a t écnica se denom ina crom at ografía en papel. A últ im os de los años cuarent a y principios de los cincuent a, se logró descom poner diversas prot eínas en sus am inoácidos const it uyent es. Las m ezclas de am inoácidos fueron después aisladas y analizadas en det alle m ediant e la crom at ografía 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 prot eica, pero no el orden exact o en que int ervenía cada uno de ellos en la cadena polipept ídica. El quím ico inglés Frederick Sanger ( n. 1918) se cent ró en el est udio de la insulina, una horm ona prot eica com puest a de unos cincuent a am inoácidos dist ribuidos ent re dos cadenas polipept ídicas conect adas ent re sí. Rom pió la m olécula en cadenas m ás pequeñas, y est udió cada una de ellas por separado según la crom at ografía en papel. Aunque t ardó ocho años de t rabaj o en resolver sem ej ant e rom pecabezas, en 1953 obt uvo el orden exact o de los am inoácidos en la m olécula de insulina. Los m ism os m ét odos se han ut ilizado desde 1953 para obt ener la est ruct ura det allada de m oléculas prot eicas aún m ás largas. El siguient e paso era confirm ar est e result ado sint et izando una m olécula prot eica dada, am inoácido por am inoácido. En 1954, el quím ico am ericano Vincent du Vigneaud ( 1901- 78) rom pió el hielo sint et izando oxit ocina, una pequeña m olécula prot eica com puest a de ocho am inoácidos solam ent e. Pront o llegaron hazañas m ás com plicadas, y se sint et izaron cadenas de docenas de am inoácidos. En 1963 se logró reconst ruir en el laborat orio las cadenas de am inoácidos de la propia insulina. No obst ant e, ni siquiera el orden de los am inoácidos represent aba por sí m ism o t odo el conocim ient o út il relat ivo a la est ruct ura m olecular de las prot eínas, las prot eínas, al calent arlas suavem ent e, pierden con frecuencia y de m odo perm anent e las propiedades de su est ado nat ural; se dice ent onces que han sido desnat uralizadas. Las condiciones que provocan la desnat uralización son por lo general dem asiado suaves para rom per la cadena polipept ídica. Así pues, la cadena debe de ir unida a alguna est ruct ura definida m ediant e «enlaces secundarios» débiles. Est os enlaces secundarios im plican norm alm ent e un át om o de hidrógeno sit uado ent re un át om o de nit rógeno y uno de oxígeno. La fuerza de dicho enlace de hidrógeno es sólo la veint eava part e de la de un enlace de valencia ordinaria. En los prim eros años 1950, el quím ico am ericano Linus Pauling ( n. 1901) sugirió que la cadena polipept ídica est aba arrollada en una est ruct ura helicoidal ( com o una «escalera en espiral») , que se m ant enía en su sit io m ediant e enlaces de hidrógeno. Est e concept o se m ost ró especialm ent e út il en relación con las relat ivam ent e sim ples prot eínas fibrosas que com ponían la piel y el t ej ido conj unt ivo. Pero incluso las prot eínas globulares, de est ruct ura m ás com plicada, result aron ser t am bién helicoidales en ciert a m edida, com o dem ost raron el quím ico angloaust riaco Max Ferdinand Perut z ( n. 1914) y el quím ico inglés John Cowdery Kendrew ( n. 1917) cuando det erm inaron la est ruct ura det allada de la hem oglobina y la m ioglobina ( las prot eínas port adoras de oxígeno de la sangre y el m úsculo, respect ivam ent e) . En est e análisis hicieron uso de la difracción por rayos X, t écnica en la cual un haz de rayos X pasa a t ravés de un crist al y es dispersado por los át om os del m ism o. La dispersión en una dirección y ángulo dados es ópt im a cuando los át om os est án ordenados según un m odelo regular. A part ir de los det alles de la dispersión es posible deducir las posiciones de los át om os dent ro de la m olécula. En el caso de ordenaciones com plej as, com o las que exist en en las m oléculas prot eicas de ciert a m agnit ud, la t area es t erriblem ent e t ediosa, pero en 1960 se localizó el últ im o det alle de la m olécula de m ioglobina ( com puest a de doce cent enares de át om os) . Pauling sugirió t am bién que su m odelo helicoidal podía servir para los ácidos nucleicos. El físico anglo- neozelandés Maurice Hugh Frederick Wilkins ( n. 1916) , en los prim eros años de la década de los cincuent a, som et ió los ácidos nucleicos a difracción por rayos X, y su t rabaj o sirvió para probar la sugerencia de Pauling. El físico inglés Francis Harry Com pt on Crick ( n. 1916) y el quím ico am ericano Jam es Dewey Wat son ( n. 1928) hallaron que se requería una ult erior m odificación a fin de explicar los result ados de la difracción. Cada m olécula de ácido nucleico t enía que poseer una doble hélice, dos cadenas enrolladas alrededor de un ej e com ún. Est e m odelo de Wat son- Crick, 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 escaparon a la m ano m odificadora de los quím icos. El prim er caso ocurrió a raíz de un hallazgo accident al del quím ico germ ano- suizo Christ ian Friedrich Schónbein ( 1799- 1868) , que ant eriorm ent e se había dado a conocer por el descubrim ient o del ozono, una form a de oxígeno. Haciendo un experim ent o en su casa, en 1845, derram ó una m ezcla de ácido nít rico y sulfúrico y ut ilizó el delant al de algodón de su m uj er para secarlo. Colgó el delant al a secar en la est ufa, pero una vez seco det onó y desapareció. Había convert ido la celulosa del delant al en nit rocelulosa. Los grupos nit ro ( procedent es del ácido nít rico) servían com o una fuent e int erna de oxígeno, y la celulosa, al calent arse, se oxidó por com plet o en un inst ant e. Schónbein com prendió las posibilidades del com puest o. La pólvora negra ordinaria explot aba ent re un hum o espeso, ennegreciendo las arm as, ensuciando los cañones y las arm as pequeñas y oscureciendo el cam po de bat alla. La nit rocelulosa hizo posible la «pólvora sin hum o», y por su pot encial com o propulsor en los proyect iles de art illería recibió el nom bre de algodón pólvora. Los prim eros int ent os de fabricar algodón pólvora para fines m ilit ares fracasaron, debido al peligro de explosiones en las fact orías. No fue hast a 1891 cuando Dewar y el quím ico inglés Frederick August us Abel ( 1827- 1902) consiguieron preparar una 26 Para m ás det alles sobr e el t em a, rem it o al lect or int eresado a m i libro The Genet ic Code ( Orion Pr ess, 1963) . m ezcla segura a base de algodón pólvora. Debido a que la m ezcla podía prensarse en largas cuerdas, se denom inó cordit a. Y gracias a ella y a sus derivados, los soldados del siglo xx han disfrut ado de un cam po de observación diáfano m ient ras daban m uert e a sus enem igos y eran m uert os por ést os. Uno de los com ponent es de la cordit a es la nit roglicerina, descubiert a en 1847 por el quím ico it aliano Ascanio Sobrero ( 1812- 88) . Era un explosivo m uy pot ent e, incluso dem asiado delicado para la guerra. Su em pleo en t iem po de paz para abrir carret eras a t ravés de las m ont añas y para m over t oneladas de t ierra con diversos propósit os era t am bién peligroso. Y el índice de m ort alidad era m ayor aún si se ut ilizaba descuidadam ent e. La fam ilia de Alfred Bernhard Nobel ( 1833- 96) , un invent or sueco se dedicaba a la m anufact ura de nit roglicerina. Cuando, en ciert a ocasión, una explosión m at ó a uno de sus herm anos, Nobel decidió dedicar t odos sus esfuerzos a dom est icar el explosivo. En 1866 halló que una t ierra absorbent e llam ada «kieselguhr» era capaz de esponj ar cant idades enorm es de nit roglicerina. El kieselguhr hum edecido podía m oldearse en barras de m anej o perfect am ent e seguro, pero que conservaban el poder explosivo de la propia nit roglicerina. Nobel llam ó a est e explosivo de seguridad dinam it a. Movido por su espírit u hum anit ario, pensó con sat isfacción que las guerras serían ahora t an horribles que no habría m ás rem edio que opt ar por la paz. La int ención era buena, pero su valoración de la int eligencia hum ana pecaba de opt im ist a. La invención de nuevos y m ej ores explosivos hacia finales del siglo xix fue la prim era cont ribución im port ant e de la quím ica a la guerra desde la invención de la pólvora cinco siglos ant es; pero el desarrollo de los gases venenosos en la Prim era Guerra Mundial dej ó bast ant e claro que la hum anidad, en las guerras fut uras, corrom pería la ciencia aplicándola a una labor de dest rucción. La invención del aeroplano y, post eriorm ent e, de las bom bas nucleares dej ó las cosas t odavía m ás claras. La ciencia, que hast a finales del siglo XI X parecía un inst rum ent o para crear la Ut opía sobre la Tierra, vino a m ost rarse para m uchos hom bres com o una m áscara de horrible dest ino. 5 . Polím e r os Pero había m uchos ot ros cam pos en los que predom inaban los usos pacíficos de las m oléculas gigant es. La celulosa com plet am ent e nit rada era ciert am ent e un explosivo, pero parcialm ent e nit rada ( piroxilina) perm it ía un m anej o m ucho m ás seguro, encont rándose im port ant es aplicaciones para ella. El invent or am ericano John Wesley Hyat t ( 1837- 1920) , en un int ent o de ganar la recom pensa ofrecida a quien obt uviese un sust it ut o del m arfil para las bolas de billar, em pezó a t rabaj ar con la piroxilina. La disolvió en una m ezcla de alcohol y ét er, y añadió alcanfor para hacerla m ás segura y m aleable. Hacia 1869 había form ado lo que llam ó celuloide, y ganó el prem io. El celuloide fue el prim er plást ico sint ét ico ( es decir, un m at erial que puede m oldearse) . Pero si la piroxilina podía m oldearse en esferas, t am bién podía ext rusionarse en fibras y películas. El quím ico francés Luis Marie Hilaire Bernigaud, conde de Chardonnet ( 1839- 1924) , obt uvo fibras forzando soluciones de piroxilina a t ravés de pequeños aguj eros. El disolvent e se evaporaba casi al inst ant e, dej ando un hilo t ras de sí. Est os hilos podían t ej erse, dando un m at erial que t enía la suavidad de la seda. En 1884, Chardonnet pat ent ó su rayón ( llam ado así porque eran t an brillant e que parecía despedir rayos de luz) . El plást ico en form a de película llegó por derecho propio, gracias al int erés del invent or am ericano George East m an ( 1854- 1932) por la fot ografía. Aprendió a m ezclar su em ulsión de com puest os de plat a con gelat ina con el fin de hacerla seca. Est a m ezcla era est able y no t enía que ser preparada sobre la m archa. En 1884 sust it uyó el vidrio plano por la película de celuloide, lo cual facilit ó t ant o las cosas, que la fot ografía, hast a ent onces privilegio de los especialist as, se pudo convert ir en un «hobby» al alcance de cualquiera. El celuloide, aunque no explosivo, era t odavía dem asiado com bust ible y encerraba un peligro const ant e de incendio. East m an em pezó a experim ent ar con m at eriales m enos inflam ables y halló que cuando a la celulosa, en lugar de los grupos nit ro, se añadían grupos de acet at o, el product o era t odavía plást ico pero no excesivam 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 ria del cine necesit aba un m at erial que reduj ese el riesgo de incendio. Pero los quím icos t am poco se conform aban con las m oléculas gigant es que ya exist ían en la nat uraleza. El quím ico belga- am ericano Leo Hendrik Baekeland ( 18631944) est aba invest igando a la sazón un sucedáneo de la gom a laca. Para est e propósit o buscaba una solución de una sust ancia gom osa, sem ej ant e al alquit rán, que result ase de la adición de pequeñas unidades m oleculares para form ar una m olécula gigant e. La pequeña m olécula es un m onóm ero ( «una part e») , y el product o final un polím ero ( «m uchas part es») . Hay que decir que la form a en que se unen los m onóm eros 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 raslada de una a ot ra y que un doble enlace se conviert e en enlace sencillo, de m anera que pueda usarse un nuevo enlace para unir las dos m oléculas, obt endrem os una sust ancia de cuat ro carbonos: Tal m olécula de cuat ro carbonos t iene t odavía un doble enlace. Por t ant o puede volver a com binarse con ot ra m olécula de et ileno, por m edio del desplazam ient o de un át om o de hidrógeno y la apert ura de un doble enlace para form ar una m olécula de seis carbonos con un doble enlace. El m ism o proceso conducirá a cont inuación a una m olécula de ocho carbonos, después a una m olécula de diez carbonos, y así hast a una m olécula casi t an larga com o se desee 27 . Baekeland em pezó con fenol y form aldehído com o unidades del m onóm ero y produj o un polím ero para el que no pudo encont rar disolvent e alguno. Se le ocurrió ent onces que un polím ero t an duro y resist ent e a los disolvent es podía ser út il por esas m ism as razones. Podía m oldearse a m edida que se form aba y solidificar en la form a de un no conduct or de elect ricidad, duro, resist ent e al agua y resist ent e a los disolvent es, pero fácilm ent e m ecanizable. En 1909 anunció la exist encia de lo que él llam ó bakelit a, el prim ero y t odavía, en ciert o m odo, uno de los m ás út iles ent re 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 pionero en est e cam po fue el quím ico am ericano Wallace Hum e Carot hers ( 18961937) . En unión del quím ico belga- am ericano Julius Art hur Nieuwland ( 1878- 1936) había invest igado los polím eros relacionados con el caucho, y que t enían algunas de las propiedades elást icas de ést e 28 . El result ado, en el año 1932, fue el neopreno, uno de los «cauchos sint ét icos» o, com o se llam an ahora, elast óm eros. Carot hers siguió t rabaj ando con ot ros polím eros. Dej ando que polim erizasen las m oléculas de ciert as diam inas y ácidos dicarboxílicos, produj o fibras form adas por largas m oléculas que cont enían com binaciones de át om os sim ilares a los enlaces pept ídicos en la prot eína de la seda. Est as fibras sint ét icas, una vez est iradas, const it uyen lo que ahora llam am os nylon. I nt roducido en el m ercado poco ant es de la prem at ura m uert e de Carot hers, est alló luego la Segunda Guerra Mundial, y no fue hast a después del conflict o cuando el nylon reem plazó a la seda en casi t odos sus usos, especialm ent e en lencería. 27 La m edida en que ocurre est a polim er ización depende del t iem po durant e el cual se perm it e a los m onóm eros reaccionar la t em perat ura y presión baj o las cuales r eaccionan, la pr esencia o ausencia de ot ras sust ancias que puedan aceler ar o ret rasar la r eacción, et c. La quím ica m oderna, t eniendo en cuent a t odo est o, puede práct icam ent e diseñar su propio product o final. 28 El caucho es un polím ero nat ural producido por ciert as plant as t ropicales. En su est ado nat ural es, o bien dem asiado v iscoso 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 invent or am ericano Charles Goodyear ( 1800- 60) descubrió, en part e por accident e, que el caucho calent ado con azufre per m anecía seco y flexible en una am plia gam a de t em perat uras. Pat ent ó su caucho vulcanizado en 1844. El caucho adquir ió realm ent e derecho de ciudadanía en el siglo xx, con el desarrollo del aut om óvil y la necesidad de neum át icos en inm ensas cant idades. Al principio, los polím eros sint ét icos se obt enían por procesos de ensayo y error, pues se sabía poco sobre la est ruct ura de las m oléculas gigant es o los det alles de las reacciones necesarias. Un pionero en los est udios de la est ruct ura de polím eros, que acabó con gran part e de la incert idum bre, fue el quím ico alem án Herm ann St audinger ( 1881- 1965) . Gracias a sus t rabaj os llegaron a com prenderse algunas de las deficiencias de los polím eros sint ét icos. Una de ellas provenía de la posibilidad de que los m onóm eros se uniesen ent re sí al azar, de m anera que los grupos at óm icos cont enidos en ellos quedasen orient ados en diferent es direcciones a lo largo de la cadena. Est a disposición al azar t endía a debilit ar el product o final, al no perm it ir a las cadenas m oleculares em paquet arse correct am ent e. Las cadenas podían incluso ram ificarse, lo cual em peoraba aún m ás las cosas. El quím ico alem án Karl Ziegler ( 1898- 1973) descubrió en 1953 que ut ilizando ciert a resina ( un polím ero veget al nat ural) podía unir a ella át om os de alum inio, t it anio o lit io com o cat alizadores. Est os cat alizadores perm it ían conseguir una com binación de m onóm eros m ás ordenada, elim inando las ram ificaciones. Gracias a un t rabaj o sim ilar llevado a cabo por el quím ico it aliano Giulio Nat t a ( 1903- 79) , se logró disponerlas agrupaciones at óm icas de form a ordenada a lo largo de la cadena polím era. En sum a, el art e de la polim erización llegó a t al perfección, que los plást icos, películas y fibras podían producirse práct icam ent e por encargo, cum pliendo propiedades especificadas de ant em ano. Una im port ant e fuent e de sust ancias orgánicas básicas necesarias para producir los nuevos product os sint ét icos en las inm ensas cant idades requeridas era el pet róleo. Est e fluido era ya conocido en la ant igüedad, pero su em pleo en grandes cant idades t uvo que esperar al desarrollo de t écnicas de ext racción para acceder a las grandes reservas subt erráneas. Edwin Laurent ine Drake ( 1819- 80) , un invent or am ericano, fue el prim ero en perforar en busca de pet róleo, en 1859. En el siglo t ranscurrido desde Drake, el pet róleo, com o t odo el m undo sabe, se ha convert ido en el elem ent o principal de nuest ra sociedad: la fuent e m ás im port ant e de sust ancias orgánicas, de calor para uso dom ést ico y de pot encia para art efact os m óviles, desde aeroplanos y aut om óviles hast a m ot ociclet as y cort adoras de césped. El carbón, aunque solem os olvidarlo en est a era del m ot or de com bust ión int erna, es una fuent e aún m ás abundant e de sust ancias orgánicas. El quím ico ruso Vladim ir Nikolaevich I pat ieff ( 1867- 1952) , en las post rim erías del pasado siglo y com ienzos del act ual, em pezó a invest igar las reacciones de los hidrocarburos com plej os en el pet róleo y en el alquit rán de hulla a elevadas t em perat uras. El quím ico alem án Friedrich Karl Rudolf Bergius ( 1884- 1949) ut ilizó los hallazgos de I pat ieff para idear en 1912 m ét odos práct icos para el t rat am ient o del carbón y de los aceit es pesados con hidrógeno, con vist as a fabricar gasolina. Pero las exist encias m undiales t ot ales de com bust ibles fósiles ( carbón y pet róleo) es lim it ada y, en m uchos aspect os, irrem plazable. Según los est udios llevados a cabo hast a el present e, el agot am ient o t ot al de las reservas se prevé para un día que se est im a no dem asiado lej ano. Aunque el siglo xx se halla a cubiert o de est e riesgo, hay razones para suponer que ello afect ará al próxim o siglo sobre t odo a la vist a de la rápida expansión de la especie hum ana y el consiguient e increm ent o de la dem anda. Ca pít u lo 1 1 Qu ím ica inor gá n ica Cont enido: 1. La nueva m et alurgia 2. Nit rógeno y flúor 3. La front era ent re lo orgánico y lo inorgánico 1 . La n u e va m e t a lu r gia Si el siglo XI X, sobre t odo su segunda m it ad, parece fundam ent alm ent e la era de la quím ica orgánica, la quím ica inorgánica est aba lej os de haberse det enido. Ya m encionam os la fot ografía com o una im port ant e aplicación de la quím ica inorgánica en el siglo XI X, pero en lo que se refiere a su im port ancia para la econom ía o el bienest ar de la sociedad debe considerarse, desde luego, com o una cont ribución secundaria. Ot ra de est as pequeñas cont ribuciones, que norm alm ent e se pasan por alt o, pero que poseen no obst ant e su im port ancia, fue un avance en la t écnica de hacer fuego. A lo largo de la hist oria, la hum anidad había encendido fuego friccionando obj et os com o la m adera, que t enía que calent arse a alt as t em perat uras para poder arder, o haciendo salt ar chispas que duraban sólo un inst ant e, lo que se lograba con pedernal y hierro. Pero con el t iem po el hom bre em pezó a experim ent ar con product os quím icos que ardían a baj as t em perat uras, lo que podía conseguirse con una ligera fricción. En 1827, el invent or inglés John Walker ( 1781- 1859) ideó la prim era cerilla de fósforo práct ica. Aunque después de un siglo y m edio ha experim ent ado m uchas m ej oras, el principio sigue siendo el m ism o. La fot ografía y la cerilla de fósforo son sólo dos ej em plos de ent re los num erosos avances práct icos conseguidos en quím ica inorgánica, que m erecerían algo m ás que una sim ple m ención en una hist oria ext ensa y det allada, pero en est e breve t rabaj o no hay m ás rem edio que cent rarnos en los t em as m ás am plios. El progreso m ás espect acular en la quím ica aplicada del siglo XI X se operó en los m et ales, ent re los cuales el acero era, y cont inúa siendo, el m ás im port ant e para nuest ra econom ía. El pet róleo es el alim ent o y com bust ible de nuest ra sociedad, pero el acero, en sus dist int as form as, const it uye su esquelet o. Aunque, com o hem os vist o, el t rabaj o del acero era corrient e hace ya t rescient os años, hast a m ediados del siglo XI X no se ideó una t écnica para producirlo económ icam ent e y en las inm ensas cant idades necesarias para cubrir las necesidades de la sociedad m oderna. El nom bre que sobresale aquí es el de Henry Bessem er ( 1813- 1898) . Bessem er, un m et alúrgico inglés, est aba int ent ando diseñar un proyect il de art illería que girase sobre su ej e durant e el vuelo y se desplazase según una t rayect oria predecible con exact it ud. Para ello necesit aba un cañón est riado, es decir, con surcos espirales t allados en el ánim a del cañón desde el port illo hast a la boca. El cañón t enía que est ar hecho de acero especialm ent e fuert e, que soport ase las alt as presiones necesarias para forzar el proyect il cont ra las m uescas espirales, im prim iéndole así una rapidísim a rot ación. Los cañones ordinarios no est riados, com o los que se usaban ent onces, podían const ruirse con un m at erial m ás débil, y por ot ro lado el acero result aba bast ant e caro. Así, pues, a m enos que se invent ase alguna solución, el cañón est riado de Bessem er no era dem asiado práct ico. El hierro, t al com o se producía, era hierro fundido, rico en carbono ( procedent e del coque o del carbón m ineral ut ilizados para fundir la m ena) . El hierro fundido era m uy duro, pero quebradizo. El carbono podía elim inarse, con esfuerzo, para form ar hierro dulce, que era resist ent e, pero algo blando. Luego se volvía a int roducir la cant idad de carbono necesaria para form ar acero, que era t an resist ent e com o duro. Bessem er buscaba un m ét odo de obt ener hierro con la cant idad exact a de carbono para form ar acero, sin pasar por la cost osa et apa de hierro dulce. Para elim inar el exceso de carbono en el hierro fundido, hizo pasar una corrient e de aire a t ravés del m et al líquido. Est e aire no enfriaba y solidificaba el m et al, sino que, por el cont rario, el calor de com binación del carbono con el oxígeno aum ent aba la t em perat ura. I nt errum piendo la corrient e de aire en el m om ent o preciso, Bessem er logró obt ener acero. En 1856 dio a conocer su alt o horno. Al principio, los int ent os de repet ir su t rabaj o fracasaron, debido a que su m ét odo requería el uso de una m ena libre de fósforo. Com prendido est o, las cosas fueron com o la seda, el acero se abarat ó, y la Edad del Hierro dio finalm ent e paso a la Edad del Acero. ( Post eriorm ent e se int roduj eron t écnicas superiores a la de Bessem er en el proceso de producción del acero.) La dureza y t enacidad del acero ha posibilit ado la const rucción de los m odernos rascacielos y puent es colgant es; fue el acero el que perm it ió acorazar barcos de guerra y proporcionó m onst ruosas piezas de art illería, y es acero sobre lo que corren los t renes. Figura 19. El convert idor de Bessem er revolucionó la producción de acero. Est e m odelo est á en exhibición en Pit t sburg; a la derecha, Henry Bessem er, creador del proceso Bessem er. Pero la fabricación de aceros no se det uvo en la com binación de carbono y hierro. El m et alúrgico inglés Robert Abbot Hadfield ( 1858- 1940) est udió las propiedades del acero a m edida que le iba añadiendo m et ales en diferent es cant idades. La adición de m anganeso parecía volver quebradizo el acero, pero Hadfield añadió m ás cant idad de la que habían probado hast a ent onces los m et alúrgicos. A part ir del m om ent o en que el acero t enía un 12 por 100 de m anganeso perdía ese caráct er quebradizo. Calent ándolo a 1.000° C y t e m plándolo en agua a cont inuación se volvía m ucho m ás duro que el acero ordinario. Hadfield pat ent ó su acero al m anganeso en 1882, m om ent o que m arca el com ienzo del t riunfo del acero de aleación. Ot ros m et ales cuya adición al acero dieron buenos result ados fueron el crom o, el m olibdeno, el vanadio, el t ungst eno y el niobio, obt eniéndose variedades de acero de aleación adecuadas a fines específicos. En 1919 el invent or am ericano Elwoor Haynes ( 1857- 1925) pat ent ó el acero inoxidable, que cont enía crom o y níquel. En 1916 el m et alúrgico j aponés Kot aro Honda ( 1870- 1954) vio que añadiendo cobalt o al acero al t ungst eno se producía una aleación capaz de form ar un im án m ás pot ent e que el acero ordinario. Est e descubrim ient o abrió el cam ino a la obt ención de aleaciones m agnét icas m ás pot ent es t odavía. Sim ult áneam ent e ent raron en uso nuevos m et ales. El alum inio, por ej em plo, es m ás abundant e en el suelo t errest re que el hierro, y de hecho es el m et al m ás com ún. Sin em bargo, se encuent ra siem pre com binado en form a de com puest os. Mient ras que el hierro ha sido conocido y preparado a part ir de sus m enas desde los t iem pos prehist óricos, el alum inio ni siquiera fue reconocido com o m et al hast a que Wóhler aisló una m uest ra im pura en 1827. Fue en 1855, gracias al quím ico francés Henry Et ienne Saint e- Claire Deville ( 181881) , cuando se elaboró un m ét odo adecuado para preparar alum inio m ás o m enos puro en cant idades m oderadas. Pero incluso ent onces siguió siendo m ucho m ás caro que el acero, de m odo que se ut ilizaba sólo para adornos com o el sonaj ero del hij o de Napoleón I I I o la corona del m onum ent o a Washingt on. En 1886, sin em bargo, el j oven est udiant e de quím ica am ericano Charles Mart in Hall ( 1863- 1914) , oyendo a su profesor decir que quien descubriese un m edio barat o de fabricar alum inio se haría rico y fam oso, decidió em prender la t area. Trabaj ando en el laborat orio de su casa, descubrió que el óxido de alum inio podía disolverse en un m ineral fundido llam ado criolit a. Una vez que el óxido est aba en solución, la elect rólisis producía el propio alum inio. En el m ism o año, el m et alúrgico francés Paul Louis Toussaint Héroult ( 1863- 1914) ideó en esencia el m ism o m ét odo para producir el m et al. El m ét odo de Hall- Héroult 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 áxim o valor del alum inio reside en su ligereza ( un t ercio del peso del acero) . Est a dualidad lo hace especialm ent e indicado para la indust ria de la aviación, que devora t am bién cant idades de m agnesio, un m et al aún m ás ligero. En la década de los t reint a se idearon m ét odos para 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 brom o y el yodo - por no hablar ya de la propia sal- se ext raen hoy día t am bién del agua. Un problem a de crecient e im port ancia para el fut uro es el de ext raer agua pot able del océano.) Los m et ales com o el t it anio const it uyen 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 acero y, si se prepara correct am ent e, el m ás fuert e de los m et ales, en relación con su peso. El circonio es sem ej ant e, pero abunda m enos y es m ás pesado. Las perspect ivas para el fut uro del t it anio son part icularm ent e brillant es en lo que se refiere a los aviones supersónicos que se diseñan y const ruyen hoy día. I ncluso volando por las capas m ás alt as de la at m ósfera, un avión que se m ueva a velocidades equivalent es a varias veces la del sonido, experim ent a una fricción brut al por part e del aire. Su superficie ext erna debe soport ar alt as t em perat uras, y es aquí donde est á indicado especialm ent e el t it anio, ya que en dichas condiciones m ant iene su resist encia m ej or que los dem ás m et ales. 2 . N it r óge n o y flú or Si bien es ciert o que el nit rógeno nos rodea por t odas part es en la at m ósfera, allí est á present e en form a de elem ent o, cuando para la m ayoría de los organism os sólo es út il en form a de com puest os. Pero ocurre que el nit rógeno es casi inert e y difícilm ent e reacciona para form ar com puest os. Así pues, a pesar de la om nipresencia del aire, el suelo es con frecuencia pobre en nit rat os ( el t ipo de com puest o de nit rógeno m ás corrient e) y ést os deben aplicarse en form a de abonos anim ales o fert ilizant es quím icos. Los nit rat os son t am bién com ponent es de la pólvora, y se ut ilizan indirect am ent e en la form ación de los m ás m odernos explosivos, com o la nit rocelulosa y la nit roglicerina. Las reservas de nit rat os de la t ierra se m ant ienen gracias a la act ividad de las t orm ent as. El nit rógeno y el oxígeno del aire se com binan en la proxim 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 ransport ados a t ierra. Por ot ro lado, ciert os t ipos de bact erias ut ilizan el nit rógeno elem ent al del aire para producir com puest os nit rogenados. Pero a m edida que aum ent aron las necesidades hum anas de nit rat os, t ant o para fert ilizant es com o para explosivos, fue cada vez m ás difícil depender exclusivam ent e de las fuent es nat urales. El quím ico alem án Frit z Haber ( 1868- 1934) invest igó m ét odos para com binar el nit rógeno at m osférico con el hidrógeno para form ar am oniaco, que luego podía convert irse fácilm ent e en nit rat os. En 1908 Haber consiguió su propósit o, som et iendo nit rógeno e hidrógeno a alt as presiones y ut ilizando hierro com o cat alizador. Durant e la Prim era Guerra Mundial, el bloqueo de la flot a brit ánica cort ó a Alem ania el sum inist ro de nit rat o nat ural procedent e del desiert o de Chile ( la m ej or fuent e nat ural) . Pero para ent onces el quím ico alem án Karl Bosch ( 1874- 1940) había conseguido t ransform ar el proceso de Haber de una experim ent ación de laborat orio en una operación indust rial, y hacia la m it ad de la guerra est aba produciendo ya t odos los com puest os nit rogenados que Alem ania necesit aba. Exact am ent e opuest o era el caso del flúor: debido a su gran act ividad, exist e sólo en form a de com puest os, desafiando así en aquella época los esfuerzos de los quím icos para pasarlo a su form a libre. Sin em bargo, desde la época de Lavoisier, los quím icos est aban seguros de que el elem ent o exist ía; t ant o es así, que Newlands y Mendeleiev lo incluyeron en sus t ablas periódicas ( figuras 13 y 16) , aunque ningún hom bre lo había vist o siquiera. Ciert am ent e, la elect rólisis separaba el flúor de sus diversos com puest os m oleculares, pero t an pront o com o el gas se hallaba en form a de elem ent o, reaccionaba con la sust ancia m ás cercana, form ando de nuevo part 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 Davy, m uchos fueron los quím icos que abordaron el problem a en el siglo xix. El éxit o le est aba reservado al quím ico francés Ferdinand Frédéric Henri Moissan ( 1852- 1907) . Moissan decidió que com o el plat ino era una de las pocas sust ancias que podía resist ir al flúor, no había ot ra solución que preparar t odo el equipo de plat ino, sin reparar en gast os. Y lo que es m ás, enfrió t odo a - 50° C, para am ort iguar la gran react ividad del flúor. En 1886 hizo pasar una corrient e eléct rica a t ravés de una solución de fluoruro pot ásico en ácido fluorhídrico, en su equipo de plat ino, y consiguió su propósit o. Al fin se había aislado el flúor, un gas am arillo pálido. Aunque era una gran hazaña, Moissan se hizo m ás fam oso t odavía por ot ra conquist a que en realidad no era t al. El carbón y el diam ant e son am bos form as de carbono, y se diferencian en que los át om os de carbono en el diam ant e est án unidos de form a m uy com pact a. Se deduce de ello que si se ej erce una gran presión sobre el carbón, los át om os podrán disponerse de form a m ás com pact a para form ar diam ant e. Moissan t rat ó de conseguirlo disolviendo carbón en hierro fundido y dej ando que el carbón crist alizase a m edida que el hierro se enfriaba. En 1893 le pareció que había t riunfado. Obt uvo varios diam ant es m inúsculos e im puros 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 víct im a de un engaño, y que algún ayudant e int roduj ese el diam ant e en el hierro. Act ualm ent e sabem os, part iendo de consideraciones t eóricas, que en las condiciones en que operó Moissan era im posible form ar diam ant es. Un invent or am ericano, Edward Goodrich Acheson ( 1856- 1931) , int ent ó t am bién la form ación de diam ant e a part ir de form as m ás ordinarias de carbono. Fracasó, pero en el proceso, m ient ras calent aba int ensam ent e carbón en presencia de arcilla, obt uvo una sust ancia ext rem adam ent e dura que denom inó carborundum . Result ó ser carburo de sílice ( un com puest o de silicio y carbono) y const it uía un excelent e abrasivo. Para form ar diam ant es t enían que ut ilizarse presiones m ás alt as que las disponibles en el siglo xix, j unt o con alt as t em perat uras que posibilit asen el cam bio de posición de los át om os con razonable facilidad. El físico am ericano Percy William Bridgm an ( 1882- 1961) invirt ió m edio siglo, desde 1905, en idear un equipo capaz de conseguir presiones cada vez m ás alt as. Diversos elem ent os y com puest os adquirían nuevas form as, en la que los át om os y las m oléculas se organizaban en disposiciones anorm alm ent e com pact as. Se obt uvieron así, por ej em plo, variedades 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 presiones ordinarias29 . En 1955, ut ilizando las t écnicas de Brigm an, se produj eron verdaderos diam ant es sint ét icos. 29 Tales form as de alt a presión reviert en por lo general a las for m as ordinarias t an pront o com o se aligera la presión. El diam ant e es una excepción . 3 . La fr on t e r a e n t r e lo or gá n ico y lo in or gá n ico Con la llegada del siglo XX com enzó a revelarse una ext ensa zona en la front er a ent re la quím ica orgánica y la quím ica inorgánica. El quím ico inglés Frederick St anley Kipping ( 1863- 1949) em pezó a invest igar en 1899 sobre 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 período de cuarent a años consiguió sint et izar un gran núm ero de com puest os orgánicos que cont enían uno o varios 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 largas form adas por át om os de silicio y oxígeno alt ernat ivam ent e. Est e t rabaj o podría cat alogarse en principio com o puram ent e inorgánico, pero lo ciert o es que cada át om o de silicio t iene cuat ro valencias, de las que sólo dos se ut ilizan para com binarse con el oxígeno. Las ot ras dos pueden enlazarse a cualquiera de los diferent es grupos orgánicos. En la Segunda Guerra Mundial y a part ir de ella, t ales siliconas orgánico- inorgánicas alcanzaron im port ancia com o lubricant es, fluidos hidráulicos, cauchos sint ét icos, product os hidrófugos, et c. Los com puest os orgánicos ordinarios est án form ados por át om os de carbono a los que se encuent ran unidos ot ros át om os. En general, la m ayoría de esos «ot ros át om os» son hidrógeno, de m odo que los com puest os orgánicos pueden definirse com o hidrocarburos y derivados. El át om o de flúor, sin em bargo, es casi t an pequeño com o el át om o de hidrógeno, y cabrá en cualquier part e donde quepa ést e. Era de esperar, pues, que exist iese una fam ilia com plet a de fluorocarburos y derivados. Uno de los prim eros invest igadores de los com puest os fluoro- orgánicos fue el quím ico am ericano Thom as Midgley, Jr. ( 1889- 1944) . En 1930 preparó el freón con una m olécula que consist ía en un át om o de carbono al que est aban unidos dos át om os de cloro y dos át om os de flúor. Se licua fácilm ent e, de m odo que puede usarse com o un refrigerant e en lugar de los ot ros gases fácilm ent e licuables, com o el am oniaco y el dióxido de azufre. A diferencia de ellos, el freón es inodoro y at óxico, y adem ás com plet am ent e ininflam able. Act ualm ent e se usa casi de m odo universal en los refrigeradores dom ést icos y en los acondicionadores de aire. Durant e la Segunda Guerra Mundial, el flúor y los com puest os fluorados se ut ilizaron en relación con los t rabaj os sobre el uranio y la bom ba at óm ica. Se necesit aban lubricant es que no fuesen at acados por el flúor y con est e propósit o se ut ilizaron fluorocarburos, ya que ést os habían soport ado ya ( por así decirlo) un at aque m áxim o por part e del flúor. El flúor form a con el carbono un enlace m uy resist ent e, y las cadenas de fluorocarburo son m ás est ables y m ás inert es que las cadenas de hidrocarburos. Los polím eros de fluorocarburo son sust ancias cerosas, hidrófugas, repelent es de los disolvent es y eléct ricam ent e aislant es. El t eflón, un fluorocarburo plást ico, com enzó a ut ilizarse en los años sesent a com o recubrim ient o de sart enes, con lo que no se necesit a grasa para freír en ellas. La com plej idad inorgánica no precisa en absolut o del át om o de carbono, en ciert os casos. El quím ico alem án Alfred St ock ( 1876- 1946) com enzó a est udiar los hidruros de boro ( com puest os de boro e hidrógeno) en 1909 y halló que podían form arse com puest os ext raordinariam ent e com plicados, análogos en algunos sent idos a los hidrocarburos. Desde la Segunda Guerra Mundial los hidruros de boro han alcanzado un uso inesperado com o adit ivos del com bust ible de los cohet es, a fin de increm ent ar el em puj e que proyect a la nave hacia las capas superiores de la at m ósfera y al espacio ext erior. Adem ás, los hidruros de boro result aron ser de int erés t eórico, debido a que las fórm ulas ordinarias del prim er t ipo ideado por Kekulé se m ost raron inadecuadas para explicar su est ruct ura. Pero t odos est os éxit os, aunque conseguidos cost osa e ingeniosam ent e, así y esenciales para la vida m oderna, eran ext raños a los asunt os m ás serios de la quím ica del siglo XX. El cient ífico puro se hallaba experim ent ando baj o la superficie del át om o, y para ver lo que encont ró allí volverem os en el rest o del libro a la línea de desarrollo fundam ent al de nuest ro relat o. Ca pít u lo 1 2 Ele ct r on e s Cont enido: 1. Rayos cat ódicos 2. El efect o fot oeléct rico 3. Radiact ividad 1 . Ra yos ca t ódicos Cuando Leucipo y su discípulo Dem ócrit o propusieron por vez prim era la noción de át om o lo concibieron com o la part ícula últ im a e indivisible de la m at eria. Dalt on, unos dos m il años después, m ant uvo esa opinión. Parecía necesario suponer que, por definición, el át om o no t enía est ruct ura int erna. Si el át om o podía dividirse en ent idades aún m enores, ¿no serían ent onces dichas ent idades m enores los verdaderos át om os? A t ravés del siglo xix persist ió est a concepción del át om o com o part ícula carent e de fisonom ía, carent e de est ruct ura e indivisible. Cuando est a t eoría se vino finalm ent e abaj o, fue com o consecuencia de una línea de experim ent ación que no era en absolut o de nat uraleza quím ica. Muy al cont rario, sucedió m ediant e est udios de la corrient e eléct rica. Si en un lugar exist e una concent ración de carga eléct rica posit iva, y en ot ro una concent ración de carga eléct rica negat iva, ent re los dos se est ablece un pot encial eléct rico. Baj o la fuerza im pulsora de est e pot encial eléct rico, fluye una corrient e eléct rica desde un punt o al ot ro, t endiendo est a corrient e a igualar la concent ración. La corrient e fluye m ás fácilm ent e a t ravés de unos m at eriales que de ot ros. Los m et ales, por ej em plo, son conduct ores, y bast a incluso con un pequeño pot encial eléct rico para originar una corrient e a t ravés de ellos. Las sust ancias com o el vidrio, la m ica y el azufre son no- conduct ores o aislant es, y se precisan pot enciales eléct ricos enorm es para im pulsar a t ravés de ellas aun las corrient es m ás pequeñas. No obst ant e, part iendo de un pot encial eléct rico suficient e, puede crearse una corrient e a t ravés de cualquier m at erial, 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 prim eros experim ent adores. Un rayo t am bién represent a una corrient e eléct rica que se t raslada casi inst ant áneam ent e a t ravés de m illas de aire. A los experim ent adores del siglo xix les parecía razonable avanzar un paso m ás e int ent ar conducir una corrient e eléct rica a t ravés del vacío. Sin em bargo, para obt ener result ados significat ivos, se precisaba un vacío lo bast ant e perfect o com o para perm it ir que la corrient e cruzase ( si es que lo hacía) sin int erferencias significat ivas por part e de la m at eria. Los int ent os de Faraday para dirigir elect ricidad a t ravés del vacío fracasaron por falt a de un vacío suficient em ent e perfect o. Pero en 1855, un soplador de vidrio alem án, Heinrich Geissler ( 1814- 79) , ideó un m ét odo para producir vacíos m ás alt os que los que se habían obt enido hast a ent onces. Preparó recipient es de vidrio, 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 re ellos, y consiguió hacer pasar una corrient e a t ravés de los t ubos. La corrient e producía efect os lum iniscent es dent ro del t ubo, y dichos efect os variaban precisam ent e de acuerdo con el grado de vacío. Si el vacío era m uy alt o, la lum iniscencia desaparecía, pero el vidrio del t ubo despedía una luz verde alrededor del ánodo. El físico inglés William Crookes ( 1832- 1919) ideó en 1875 un t ubo con un vacío m ás perfect o ( un t ubo de Crookes) , que perm it ía est udiar con m ayor facilidad el paso de la corrient e eléct rica a t ravés del vacío. Parecía bast ant e claro que la corrient e eléct rica se originaba en el cát odo y viaj aba hast a el ánodo, donde chocaba con el vidrio que est aba j unt o a él y producía lum iniscencia. Crookes dem ost ró est o colocando un t rozo de m et al en el t ubo, y m ost rando que proyect aba una som bra sobre el vidrio en el lado opuest o al cát odo 30 . Sin em bargo, en aquella época los físicos no sabían en qué podría consist ir la corrient e eléct rica, ni podían decir con seguridad qué era lo que se est aba m oviendo 30 Los experim ent adores en elect r icidad de los siglos XVI I I y XI X, em pezando por Benj am ín Franklin, supusieron que la corrient e fluía desde la concent ración llam ada arbit rariam ent e posit iva hacia la llam ada negat iva. Crookes dem ost ró ahor a que, en realidad, la suposición est aba equivocada y el fluj o iba desde la negat iva a la posit iva. desde el cát odo al ánodo. Fuese lo que fuese, viaj aba en línea rect a ( puest o que arroj aba som bras nít idas) , de m odo que, sin com prom et erse para nada acerca de su nat uraleza, podían hablar de una «radiación». En realidad, en 1876, el físico alem án Eugen Goldst ein ( 1850- 1930) llam ó al fluj o rayos cat ódicos. Parecía nat ural suponer que los rayos cat ódicos podían ser una form a de luz, y est ar form ados por ondas. Las ondas viaj aban en línea rect a, com o la luz, y, lo m ism o que ést a, no parecían afect adas por la gravedad. Por ot ra part e, podía igualm ent e inferirse que los rayos cat ódicos consist ían en part ículas veloces, que, al ser t an ligeras o m overse t an rápidam ent e ( o am bas cosas a la vez) , no eran en absolut o afect adas por la gravedad o lo eran en cant idad inapreciable. El asunt o fue m ot ivo de considerable cont roversia durant e algunas décadas, est ando los físicos alem anes fuert em ent e inclinados hacia la concepción ondulat oria, y los físicos ingleses hacia la corpuscular. Un m odo de decidir ent re las dos alt ernat ivas sería averiguar si los rayos cat ódicos eran desviados por la acción de un im án. Las part ículas podían ser m agnét icas, o podían llevar una carga eléct rica, y en cualquier caso serían m ucho m ás fácilm ent e desviadas por un cam po que si fuesen ondas. El m ism o Plücker había m ost rado que est e efect o exist ía, y Crookes había hecho lo propio independient em ent e. Sin em bargo, t odavía quedaba una cuest ión. Si los rayos cat ódicos est aban form ados por part ículas cargadas, un cam po eléct rico podría desviarlas, aunque al principio no se det ect ó est e efect o. En 1897, el físico inglés Joseph John Thom son ( 1856- 1940) , t rabaj ando con t ubos de alt o vacío, logró finalm ent e dem ost rar la deflexión de los rayos cat ódicos en un cam po eléct rico ( ver fig. 20) . Ese fue el eslabón final en la cadena de pruebas, y a part ir de ent onces hubo que acept ar que los rayos cat ódicos eran corrient es de part ículas que t ransport aban una carga eléct rica negat iva. La m agnit ud de la desviación de una part ícula de rayos cat ódicos en un cam po m agnét ico de fuerza dada viene det erm inada por su m asa y por el t am año de su carga eléct rica. Thom son logró t am bién m edir el cocient e ent re la m asa y la carga, si bien no pudo m edir cada una por separado. La m asa m ás pequeña conocida era la del át om o de hidrógeno, y si las part ículas de los rayos cat ódicos se suponían de esa m ism a m asa, deberían t ransport ar una carga eléct rica cient os de veces m ayor que la m enor carga conocida ( la del ion hidrógeno) . Si, por ot ra part e, se suponía que las part ículas de los rayos cat ódicos t enían la m enor carga observada en los iones, ent onces su m asa debería ser sólo una pequeña fracción de la del át om o de hidrógeno. Una de est as dos alt ernat ivas debería de cum plirse necesariam ent e, según la det erm inación de Thom son de la relación m asa/ carga. Figura 20. El t ubo de rayos cat ódicos perm it ió 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 re las placas, cuyo cam po desviaba a los elect rones, desplazando sus punt os de choque a lo largo de la escala. Había buenas razones para preferir la últ im a alt ernat iva y suponer que las part ículas de los rayos cat ódicos eran m ucho m enores que cualquier át om o. Hacia 1911 quedó est o definit ivam ent e probado por el físico am ericano Robert Andrews Millikan ( 18681953) , que m idió con bast ant e exact it ud la m ínim a carga eléct rica que podía t ransport ar una part ícula. Si est a carga era t ransport ada por una part ícula de rayos cat ódicos, su m asa sería solam ent e 1/ 1837 de la del hidrógeno. En consecuencia, se t rat aba de la prim era part ícula subat óm ica descubiert a. Desde la época de las leyes de Faraday sobre la elect rólisis se había pensado que la elect ricidad podía ser t ransport ada por part ículas. En 1891, el físico irlandés George Johnst one St oney ( 1826- 1911) había incluso sugerido un nom bre para la unidad fundam ent al de elect ricidad, fuese o no una part ícula. Sugirió el nom bre de elect rón. Ahora aparecía, por fin, en form a de part ícula de rayos cat ódicos, el «át om o de elect ricidad», acerca del cual habían especulado los hom bres a lo largo de m edio siglo. Esas part ículas acabaron llam ándose elect rones, com o St oney había sugerido, y J. T. Thom son se considera, por t ant o, com o el descubridor del elect rón. 2 . El e fe ct o fot oe lé ct r ico Quedaba ahora por det erm inar si exist ía alguna relación ent re el elect rón y el át om o. El elect rón podía ser la part ícula de elect ricidad, y el át om o la part ícula de m at eria; y am bas podían carecer, quizá, de est ruct ura, ser part ículas esenciales, com plet am ent e independient es la una de la ot ra. Pero est aba bast ant e claro que la independencia acaso fuese t ot al. Arrhenius, en los años 1880- 89, había propuest o su t eoría de la disociación iónica y había explicado el com port am ient o de los iones suponiendo que eran át om os o grupos de át om os cargados eléct ricam ent e. En aquel m om ent o, la m ayoría de los quím icos t acharon la idea de absurda, pero ahora las cosas eran dist int as. I m aginem os un elect rón ligado a un át om o de cloro. Tendríam os ent onces un át om o de cloro port ador de una sola carga negat iva, lo que const it uiría el ion cloruro. Si dos elect rones se uniesen a un grupo at óm ico com puest o de un át om o de azufre y cuat ro át om os de oxígeno, el result ado sería un ion sulfat o doblem ent e cargado, y así sucesivam ent e. De est e m odo se podrían explicar fácilm ent e t odos los iones cargados negat ivam ent e. Pero ¿cóm o explicar los iones cargados posit ivam ent e? El ion sodio, por ej em plo, era un át om o de sodio port ador de una carga posit iva. Por aquel ent onces no se conocía ninguna part ícula cargada posit ivam ent e que se pareciese al elect rón, de m odo que no se podía ut ilizar el recurso de suponer que los át om os se unirían a t ales part ículas de carga posit iva. Ot ra posibilidad era que la carga posit iva se creara quit ándole uno o dos elect rones al át om o: ¡elect rones que habían exist ido com o part e del m ism o át om o! Est a revolucionaria posibilidad era t ant o m ás plausible debido a un fenóm eno observado por prim era vez en 1888 por el físico alem án Heinrich Rudolf Hert z ( 1857- 1894) , en el curso de unos experim ent os en los que descubrió las ondas de radio. Mient ras enviaba una chispa eléct rica a t ravés de un espacio de aire de un elect rodo a ot ro, Hert z halló que cuando en el cát odo incidía una luz ult raviolet a, la chispa salt aba m ás fácilm ent e. Est o, j unt o con ot ros fenóm enos eléct ricos provocados por la incidencia de la luz sobre el m et al, se denom inó post eriorm ent e efect o fot oeléct rico. En 1902, el físico alem án Philipp Eduard Ant ón Lenard ( 1862- 1947) , que en sus prim eros años había t rabaj ado de ayudant e en el laborat orio de Hert z, dem ost ró que el efect o fot oeléct rico se producía por la em isión de elect rones por part e del m et al. Eran m uchos los m et ales que exhibían efect os fot oeléct ricos; t odos ellos em it ían elect rones baj o el im pact o de la luz, incluso cuando no exist ía corrient e eléct rica o carga eléct rica en las proxim idades. En consecuencia, parecía razonable suponer que los át om os m et álicos ( y probablem ent e t odos los át om os) cont enían elect rones. Pero los át om os en su est ado norm al no poseían carga eléct rica. Si cont enían elect rones cargados negat ivam ent e, debían cont ener t am bién una carga posit iva que lo cont rarrest ase. Lenard pensó que los át om os podían consist ir en agrupaciones t ant o de part ículas posit ivas com o negat ivas, iguales en t odos los aspect os salvo en la carga. Est a posibilidad, sin em bargo, parecía bast ant e im probable, ya que de ser así ¿por qué no em it ía nunca el át om o part ículas de carga posit iva? ¿Por qué eran siem pre elect rones y solam ent e elect rones? J. J. Thom son sugirió ent onces que el át om o era una esfera sólida de m at erial cargado posit ivam ent e, con elect rones cargados negat ivam ent e incrust ados en ella, com o las pasas de una t art a. En el át om o ordinario, la carga negat iva de los elect rones neut ralizaba exact am ent e a la carga posit iva del propio át om o. La adición de nuevos elect rones proporcionaba al át om o una carga negat iva, m ient ras que la pérdida de algunos de los elect rones originarios le proporcionaba una carga posit iva. Sin em bargo, el concept o de un át om o sólido, cargado posit ivam ent e, no logró prevalecer. Mient ras que las part ículas con carga posit iva y exact am ent e com parables a un elect rón siguieron siendo desconocidas en las prim eras décadas del siglo XX, se descubrieron ot ros t ipos de part ículas posit ivas. En 1886, Goldst ein ( que había dado su nom bre a los rayos cat ódicos) realizó algunos experim ent os con un cát odo perforado en un t ubo en el que había hecho el vacío. Cuando se provocaban rayos cat ódicos en un sent ido hacia el ánodo, ot ros rayos se abrían paso a t ravés de los aguj eros del cát odo, y eran despedidos en el sent ido cont rario. Com o est os nuevos rayos viaj aban en el sent ido cont rario al de los rayos cat ódicos cargados negat ivam ent e, parecía que debían est ar com puest os por part ículas cargadas posit ivam ent e. Est a hipót esis se confirm 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 rayos posit ivos. Los rayos posit ivos se diferenciaban de los elect rones en algo m ás que la carga. Todos los elect rones t enían la m ism a m asa, pero no así las part ículas de los rayos posit ivos, donde la m asa dependía de los gases que est uvieran present es ( en t razas) en el t ubo de vacío. Adem ás, m ient ras que los elect rones eran sólo 1/ 1837 de la m asa del át om o m ás ligero, las part ículas de los rayos posit ivos t enían la m ism a m asa que los át om os. Hast a la m ás ligera part ícula de los rayos posit ivos t enía una m asa t an grande com o la del át om o de hidrógeno. El físico neozelandés Ernest Rut herford ( 1871- 1937) decidió finalm ent e acept ar el hecho de que la unidad de carga posit iva era una part ícula bast ant e diferent e del elect rón, que era la unidad de carga negat iva. Sugirió en 1914 que la part ícula m ás pequeña de los rayos posit ivos, la que t enía la m asa del át om o de hidrógeno, fuese acept ada com o la unidad fundam ent al de carga posit iva. Sus opiniones se vieron confirm adas por sus post eriores experim ent os sobre reacciones nucleares en lo que frecuent em ent e vio que obt enía una part ícula idént ica a un núcleo de hidrógeno. En 1920, Rut herford sugirió que su part ícula posit iva fundam ent al se denom inase prot ón. 3 . Ra dia ct ivida d Al descubrim ient o de las part ículas cargadas posit ivam ent e se llegó t am bién a t ravés de una línea de experim ent ación com plet am ent e diferent e. El físico alem án Wilhelm Konrad Roent gen ( 1845- 1923) se hallaba int eresado en la capacidad de los rayos cat ódicos para provocar la lum iniscencia de det erm inadas sust ancias quím icas. Con el fin de observar la m ort ecina luz que se producía, oscureció la habit ación y envolvió su t ubo de vacío en una cart ulina negra y fina. Trabaj ando en 1895 con dicho t ubo observó un dest ello de luz que no provenía de ést e. A bast ant e dist ancia del t ubo se hallaba una hoj a de papel cubiert a con un product o quím ico, que es lo que resplandecía. Pero sólo resplandecía cuando est aban act uando los rayos cat ódicos, y no en ot ro m om ent o. Figura 21. El aparat o de rayos X ut ilizado por Roent gen consist ía en: ( A) bobina induct ora de alt o volt aj e; ( B) papel pint ado con plat ino- cianuro bárico, que resplandecía al ser alcanzado por los rayos; ( C) t ubo rodeado por una envolt ura cilíndrica de cart ón negro; ( D) el cát odo, que em it ía elect rones. Derecha, Wilhelm Konrad Roent gen Roent gen sacó la conclusión de que cuando los rayos cat ódicos chocaban con el ánodo se creaba alguna form a de radiación que podía pasar a t ravés del vidrio del t ubo y del cart ón que lo rodeaba, y chocar con los m at eriales circundant es. En efect o, si t rasladaba el papel t rat ado quím icam ent e a la habit ación de al lado, seguía resplandeciendo cuando act uaban los rayos cat ódicos, de m odo que había que deducir que la radiación era capaz de at ravesar las paredes. Roent gen llam ó a est a penet rant e radiación rayos X, denom inación que se ha conservado hast a la act ualidad. ( Post eriorm ent e se det erm inó que los rayos X eran de la m ism a nat uraleza que las ondas lum inosas, pero m ucho m ás energét icas.) ( Véase fig. 21.) El m undo de la física se int eresó en seguida por los rayos X, y ent re los que com enzaron a experim ent ar con ellos se encont raba el físico francés Ant oine Henri Becquerel ( 1852- 1908) . I nt eresado en la capacidad de algunos product os quím icos para resplandecer con una luz caract eríst ica propia ( fluorescencia) al ser expuest os a la luz del sol, se plant eó la pregunt a de si el resplandor fluorescent e cont enía o no rayos X. En 1896, Becquerel envolvió una película fot ográfica en un papel negro y la colocó a la luz del sol, con un crist al de ciert o com puest o de uranio encim a. El crist al era una sust ancia fluorescent e; y si la luz em it ida fuese sim plem ent e luz ordinaria, no pasaría a t ravés del papel negro ni afect aría a la película fot ográfica. Si exist iesen en ella rayos X, pasarían a t ravés del papel y oscurecerían la película. Becquerel observó que la película se había velado. Pero descubrió que aunque el crist al no est uviese expuest o a la luz - no habiendo, pues, fluorescencia- oscurecía de t odos m odos la película fot ográfica. En resum en, ¡los crist ales em it ían una radiación penet rant e en t odo m om ent o! Marie Sklodowska Curie ( 1867- 1934) , la prim era m uj er cient ífica de renom bre, dio a est e fenóm eno el nom bre de radiact ividad. Det erm inó que no era t odo el com puest o de uranio, sino específicam ent e el át om o de uranio, el que era radiact ivo. Tant o si el át om o se hallaba en su form a de elem ent o, com o si form aba part e de un com puest o, era radiact ivo. En 1898 descubrió que el t orio, un m et al pesado, era t am bién radiact ivo. Madam e Curie, polaca de nacim ient o, llevó a cabo sus invest igaciones con la ayuda de su m arido el francés Pierre Curie, físico not able. La radiación em it ida por el uranio y el t orio se m anifest ó rápidam ent e com o de nat uraleza bast ant e com plej a. Cuando un haz de dicha radiación se hacía pasar a t ravés de un cam po m agnét ico, part e se desviaba ligeram ent e en un sent ido, part e se desviaba fuert em ent e en el sent ido cont rario, y part e result aba inafect ada. Rut herford dio a est os t res com ponent es de la radiación los nom bres de rayos alfa, rayos bet a y rayos gam m a, respect ivam ent e, t om ados de las t res prim eras let ras del alfabet o griego. Com o los rayos gam m a no result aban desviados por el cam po m agnét ico, se decidió que era una radiación sem ej ant e a la luz, com o los rayos X, pero aún m ás energét icos. Los rayos bet a eran desviados en el m ism o sent ido y en la m ism a proporción que los rayos cat ódicos; Becquerel det erm inó que est os rayos se com ponían de elect rones rápidos. Los elect rones individuales em it idos por las sust ancias radiact ivas se designan, por t ant o, con el nom bre de part ículas bet a. Quedaba por det erm inar t odavía la nat uraleza de los rayos alfa. Los experim ent os con rayos alfa en cam pos m agnét icos m ost raron una desviación opuest a a la de los rayos bet a. Así pues, los rayos alfa t enían que est ar cargados posit ivam ent e. Result aban desviados sólo m uy ligeram ent e, por lo que debían t ener una m asa m uy grande; en efect o, result ó que t enían cuat ro veces la m asa de las part ículas que Rut herford había denom inado prot ones. Est a proporción de pesos parecía indicar que los rayos alfa podían consist ir en part ículas com puest as de cuat ro prot ones cada una. Pero en ese caso, cada part ícula debería poseer una carga posit iva igual a la de cuat ro prot ones; sin em bargo, t al com o se descubrió, su carga solam ent e era igual a la de dos prot ones. Por est a razón hubo que suponer que la part ícula alfa, j unt o con los cuat ro prot ones, cont enía t am bién dos elect rones. Est os elect rones neut ralizarían dos de las cargas posit ivas sin añadir práct icam ent e ninguna m asa. Durant e cerca de t reint a años se creyó que est a com binación de prot ones y elect rones const it uía la est ruct ura de las part ículas alfa y que com binaciones parecidas form arían ot ras part ículas de carga posit iva. Sin em bargo, est a deducción plant eaba problem as. Exist ían razones t eóricas para dudar de que la part ícula alfa pudiese est ar form ada de hast a seis part ículas m ás pequeñas. En 1932, durant e los experim ent os sugeridos por Rut herford, el físico inglés Jam es Chadwick ( 1891- 1974) descubrió una part ícula que t enía exact am ent e la m ism a m asa que el prot ón, pero que no poseía ninguna carga eléct rica. Debido a que era eléct ricam ent e neut ra, se denom inó neut rón. Werner Karl Heisenberg ( 1901- 76) , un físico alem án, sugirió en seguida que no eran com binaciones de prot ón- elect rón las que form aban las part ículas cargadas posit ivam ent e, sino com binaciones de prot ón- neut rón. La part ícula alfa, según est a sugerencia, est aría com puest a de dos prot ones y dos neut rones, con una carga posit iva t ot al de dos, y una m asa t ot al cuat ro veces superior a la de un solo prot ón. Los físicos hallaron que una part ícula alfa form ada por cuat ro part ículas subat óm icas en lugar de seis se aj ust aba m aravillosam ent e a sus t eorías. 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 n u cle a do Cont enido: 1. Núm ero at óm ico 2. Capas elect rónicas 3. Resonancia 4. Vida m edia 5. I sót opos 1 . N ú m e r o a t óm ico 3 1 Las radiaciones producidas por el uranio y el t orio eran bast ant e débiles, y result aba difícil t rabaj ar con ellas. Est a sit uación fue rem ediada por Mm e. Curie. Al invest igar la radiact ividad de los m inerales de uranio, halló algunas m uest ras de m ineral con baj o cont enido en uranio, que no obst ant e eran int ensam ent e radiact ivas, incluso m ás que el uranio puro. Llegó a la conclusión de que el m ineral debía cont ener algún elem ent o radiact ivo dist int o del uranio. Com o conocía t odos los com ponent es del m ineral que se hallaban en cant idades significat ivas, y com o se sabía que t odos ellos eran noradiact ivos, el elem ent o desconocido debía est ar present e en cant idades m uy pequeñas y, en consecuencia, ser ext rem adam ent e radiact ivo. Durant e el año 1898, ella y su m arido t rabaj aron int ensam ent e con grandes cant idades del m ineral, t rat ando de concent rar la radiact ividad y de aislar el nuevo elem ent o. En j ulio de ese año lograron su propósit o, y llam aron al nuevo elem ent o polonio, debido al origen polaco de Mm e. Curie. En diciem bre se localizó un segundo elem ent o, el radio. El radio era ext rem adam ent e radiact ivo, em it iendo radiaciones 300.000 veces m ayores que las producidas por el m ism o peso de uranio. Adem ás, era m uy raro. A part ir de t oneladas de m ineral, los Curie sólo pudieron obt ener aproxim adam ent e 1/ 300 de onza de radio. 31 Est os núm eros se basan en un convenio por el cual la carga de un prot ón se iguala ar bit rar iam ent e a + 1, y la de un elect rón a - 1 Ot ros elem ent os fuert em ent e radiact ivos se descubrieron en t razas m inúsculas. En 1899, el quím ico francés André Louis Debierne ( 1874- 1949) descubrió el act inio. En 1900, el físico alem án Friedrich Ernst Dorn ( 1848- 1916) descubrió un gas radiact ivo, que post eriorm ent e recibió el nom bre de radón. Era uno de los gases nobles y encaj aba debaj o del xenón en la t abla periódica. Finalm ent e, en 1917, los quím icos alem anes Ot t o Hahn ( 1879- 1968) y Lise Meit ner ( 1878- 1968) descubrieron el prot act inio. Est os elem ent os raros pero ext rem adam ent e radiact ivos servían com o «cañones de part ículas». El plom o absorbe la radiación. Si se coloca una porción de m at erial que cont enga algunos de est os elem ent os en una caj a forrada de plom o con un orificio, casi t odas las part ículas que salen despedidas quedan absorbidas por el plom o, pero algunas at ravesarán el aguj ero y form arán un delgado fluj o de m uchas part ículas m uy energét icas que pueden dirigirse cont ra un blanco. Fue Rut herford quien ut ilizó t ales «cañones de part ículas» con m ás eficacia. Com enzó en 1906, bom bardeando delgadas lám inas de m et al ( oro, por ej em plo) , con part ículas alfa rápidas. La m ayoría de las part ículas alfa pasaban lim piam ent e a su t ravés sin ser afect adas ni desviadas, quedando regist radas en una placa fot ográfica colocada det rás. Pero había ot ras que sí se desviaban, incluso con ángulos grandes. Com o la lám ina de oro que servía de blanco t enía un espesor de dos m il át om os, y com o la m ayoría de las part ículas alfa pasaban a t ravés de ella sin chocar con nada, daba la im presión de que los át om os est aban const it uidos en su m ayor part e por espacio vacío. Ahora bien, el hecho de que algunas part ículas alfa se desviasen enorm em ent e significaba que en alguna part e del át om o debía de exist ir una región m uy m asiva, cargada posit ivam ent e, capaz de repeler las part ículas alfa t am bién cargadas posit ivam ent e. Rut herford 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 que 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 fracción de part ículas alfa que se desviaban, pero t am bién t iene que cont ener práct icam ent e t oda m asa del át om o. En las zonas m ás ext ernas del át om o est án los elect rones cargados negat ivam ent e, que son dem asiado ligeros para form ar una im port ant e barrera ant e el paso de las part ículas alfa. Aunque los prot ones y las part ículas alfa t ienen una m asa análoga a la de los át om os, son en realidad sim ples núcleos at óm icos. Ocupan t an poco espacio en com paración con el át om o que, a pesar de su m asa, t am bién pueden considerarse com o part ículas subat óm icas. El át om o nuclear de Rut herford m at izó aún m ás la cuest ión de la indivisibilidad del át om o. El núcleo cent ral, que era el corazón del át om o, est aba rodeado y prot egido por una nube de elect rones. Perm anecía im pecable e int act o a pesar de t odos los cam bios quím icos. Fue est a aparent e perm anencia del núcleo la que conduj o a que t odas las pruebas experim ent ales previas a los años 1890- 99 sugiriesen la idea de un át om o indivisible. Sin em bargo, el át om o sí sufría cam bios en las reacciones quím icas ordinarias. Gran part e de la nube elect rónica perm anecía int act a, pero no t oda. Algunos elect rones podían ser elim inados de la «superficie» del át om o, o añadidos a ella. De est e m odo, el problem a de los iones, que había desconcert ado a t res generaciones de quím icos, quedó finalm ent e resuelt o. Si se acept a el núcleo at óm ico, la siguient e pregunt a es: ¿en que se diferencia 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, pero ¿cóm o se reflej a est a diferencia en las part ículas subat óm icas que com ponen el núcleo at óm ico? Los prim eros indicios de una posible respuest a provinieron del est udio de los rayos X. El físico alem án Max Theodor Félix von Laue ( 1879- 1960) com enzó en 1909 a bom bardear crist ales con rayos X. Est os experim ent os clásicos est ablecieron dos hechos fundam ent ales: los crist ales consist en en át om os ordenados en una est ruct ura geom ét rica de capas regulares, y est as capas dispersan los rayos X según un m odelo fij o. Según la form a en que son desviados ( o difract ados) los rayos X, puede det erm inarse el t am año ( longit ud de onda) de las m inúsculas ondas que com ponen los rayos X. A cont inuación, el físico inglés Charles Glover Barkla ( 1877- 1944) descubrió en 1911 que cuando los rayos X son desviados por det erm inados elem ent os, producen haces que penet ran la m at eria en cant idades caract eríst icas. Cada elem ent o da lugar a una serie det erm inada de rayos X caract eríst icos. Ot ro físico inglés, Henry Gwyn- Jeffreys Moseley ( 1887- 1915) ut ilizó el m ét odo de Laue para det erm inar la longit ud de onda de est os rayos X caract eríst 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 proporción inversa, arguyó 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 carga, m ás cort a sería la longit ud de onda de los rayos X caract eríst icos. En realidad, a part ir de la longit ud de onda era posible calcular cuál debía ser la carga de los át om os de un elem ent o det erm inado. De m odo que, com o se dem ost ró post eriorm ent e, el hidrógeno 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 ero at óm ico. Por prim era vez se com prendió que, cuando Mendeleiev había ordenado sus elem ent os en orden a lo que se pensó era el peso at óm ico, en realidad los est aba ordenando en orden a su núm ero at óm ico. En el par de casos en que había colocado los át om os de m ayor m asa delant e de los de m enor m asa, ést os t enían no obst ant e un núm ero at óm ico m ayor, debido a razones que discut irem os en breve. Por fin se podía sust it uir la definición operacional que diera 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 ruct ural. 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 at óm icos idént icos y caract eríst icos. Tam bién por prim era vez fue posible predecir exact am ent e cuánt os elem ent os quedaban por descubrir. Todos los núm eros at óm icos desde el 1 al 92 est aban ya 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 prot act inio ( núm ero at óm ico 91) . En 1923 se descubrió el hafnio ( núm ero at óm ico 72) , y en 1925, el renio ( núm ero at óm ico 75) . Quedaban ent onces exact am ent e cuat ro huecos en la t abla periódica: los correspondient es a los núm eros at óm icos 43, 61, 85 y 87. Parecía que sólo quedaban cuat ro elem ent os por descubrir; pero lo ciert o es que los huecos persist ieron hast a bien ent rados los años t reint a. Puest o que el prot ón es la única part ícula cargada posit ivam ent e del núcleo, el núm ero at óm ico es igual al núm ero de prot ones 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, deberá cont ener t am bién ( com o se descubrió m ás t arde) 14 neut rones en el núcleo. Los neut rones aport an m asa pero no carga. Del m ism o m odo, un át om o de sodio con un núm ero at óm ico de 11 y un peso at óm ico de 23 debe poseer un núcleo de 11 prot ones y 12 neut rones ( com o t ant o los prot 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 prot ón que exist a en el núcleo debe haber un elect rón en la periferia. 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 hidrógeno cont iene 1 elect rón, un át om o de sodio 11 elect rones, un át om o de uranio 92 elect rones, y así sucesivam ent e32 . 2 . Ca pa s e le ct r ón ica s Cuando dos át om os chocan y reaccionan, se unen com part iendo det erm inado núm ero de elect rones, o bien se separan de nuevo después de haber cedido uno o m ás elect rones al ot ro át om o. Est e com part ir o ceder elect rones es lo que se t raduce en los cam bios de las propiedades observadas en sus sust ancias que sufren reacciones quím icas. A part ir de los cuidadosos t rabaj os con los rayos X caract eríst icos com enzó a em erger un ciert o orden relat ivo a la form a de dichos cam bios elect rónicos. De t ales t rabaj os surgió la idea de que dent ro del át om o los elect rones exist ían en grupos que solían describirse com o capas elect rónicas. Podem os im aginar que las capas envuelven al núcleo com o las hoj as de una cebolla donde cada capa es capaz de cont ener m ás elect rones que la ant erior. Las capas se designaron con las let ras K, L, M, N, et c. 32 Por supuest o, los iones posit ivos han perdido elect rones, y los iones negat ivos 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 clor uro t iene m ás elect rones que su núm ero at óm ico. La capa m ás int erna, la K, puede cont ener sólo dos elect rones, la capa L puede encerrar ocho, la capa M hast a dieciocho, y así sucesivam ent e. Est e concept o sirvió finalm ent e para explicar la t abla periódica. Los t res elect rones del át om o de lit io, por ej em plo, est án ordenados en la form a 2,1 a lo largo de las capas elect rónicas; los once elect rones del át om o de sodio est án dispuest os en form a 2, 8, 1; los diecinueve elect rones de los át om 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 rones de sus át om os dispuest os de t al m odo que la capa elect rónica 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 re át om os, es de esperar que sea el núm ero de elect rones de dicha capa el que det erm ine la act ividad quím ica de un elem ent o. Elem ent os diferent es que t engan las capas elect rónicas m ás ext ernas sem ej ant es, t endrán propiedades parecidas. Por est a razón es por lo que los diversos m et ales alcalinos t ienen propiedades t an sem ej ant es. Del m ism o m odo, los elem ent os alcalino- t érreos ( m agnesio, calcio, est roncio y bario) son t odos sem ej ant es, ya que cada uno posee dos elect rones 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, cript ón y xenón) poseen t odos ocho. En realidad, Mendeleiev, al ordenar su t abla periódica, había colocado - sin saberlo, desde luego- los elem ent os en filas y colum nas de acuerdo con la disposición de sus át om os en las capas elect rónicas. Com o el núm ero de elect rones 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 rónicas com ienzan a solaparse. Hay át om os de núm eros at óm icos consecut ivos que incorporan elect rones a capas int ernas, m ient ras que el núm ero de elect rones de la capa ext erna perm anece const ant e. Est a configuración ocurre especialm ent e en los elem ent os de t ierras raras, cuyos núm eros at óm icos oscilan del 57 al 71 inclusive. Mient ras que hallam os un increm ent o en el núm ero de elect rones de las capas int ernas a m edida que avanzam os en la t abla periódica, t odas las t ierras raras conservan t res elect rones en la capa m ás ext erna. Est a sem ej anza de las capas m ás ext ernas explicaba, al fin, por qué los elem ent os de est e grupo eran t an ext rañam ent e sem ej ant es en sus propiedades. Mendeleiev había ordenado su t abla periódica en base a la valencia de los diferent es elem ent os, y no a sus disposiciones elect rónicas, que le eran desconocidas. Así, parecía razonable suponer que la valencia de un elem ent o era det erm 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 rónica especialm ent e est able. Los át om os de un gas noble no t enían t endencia a aum ent ar ni dism inuir su núm ero de elect rones, y por eso no part icipaban en las reacciones quím icas. Se deducía que ot ros át om os podían ceder o acept ar elect rones con el fin de alcanzar la configuración de gases nobles. Los once elect rones del sodio est án dispuest os en la form a 2, 8, 1, m ient ras que los diecisiet e elect rones del cloro son 2, 8,7. Si el sodio cede un elect rón y el cloro acept a uno, el prim ero alcanza la configuración de 2,8 del neón, y el últ im o la configuración de 2, 8, 8 del argón. Nat uralm ent e, el át om o de sodio, al ceder un elect rón cargado negat ivam ent e, se queda con una carga posit iva, y se conviert e en ion sodio. El át om o de cloro, al ganar un elect rón, gana una carga negat iva, y se conviert e en ion cloro. Los dos t ienden a unirse en virt ud de la at racción eléct rica ent re las cargas de dist int o signo, com o había sospechado Berzelius un siglo ant es. Se deduce de est a consideración que el sodio t endrá una valencia de 1. No puede ceder m ás de un elect rón sin rom per su disposición est able de 2, 8. Tam poco el át om o de cloro puede acept ar m ás de un elect rón. Por ot ra part e, el calcio, con una disposición de 2, 8, 8, 2, t iende a ceder dos elect rones, y el oxígeno, con una disposición de 2,6, t iende a acept ar dos elect rones. Nat uralm ent e, am bos elem ent os t endrán una valencia de 2. Son est os desplazam ient os elect rónicos, dicho sea de paso, los que hacen posibles las concent raciones de carga en un lugar o en ot ro, de m odo que las reacciones quím icas pueden servir com o fuent es de corrient e eléct rica, t al com o había descubiert o Volt a un siglo ant es. Desde el punt o de vist a elect rónico, el peso equivalent e result aba ser igual a los pesos relat ivos de los elem ent os im plicados en un solo desplazam ient o elect rónico de est e t ipo. El peso equivalent e es, después de t odo, el peso at óm ico dividido por la valencia o, en ot ras palabras, el peso at óm ico dividido por el núm ero de elect rones t ransferidos. Sin em bargo, la sugerencia de Abegg consideraba solam ent e las t ransferencias com plet as de elect rones de un át om o a ot ro, cuyo result 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 rovalencia. Dos quím icos am ericanos, Gilbert Newt on Lewis ( 18751946) e I rving Langm uir ( 1881- 1957) , propagaron de m odo independient e est a idea en los años siguient es a 1916. Ent re ot ras cosas sugirieron una explicación para la est ruct ura de la m olécula del cloro, en la que dos át om os de cloro est án est recham ent e unidos ent re sí. Ciert am ent e, no exist e ninguna razón para que un át om o de cloro t ransfiera un elect rón a ot ro át om o de cloro, y desde luego no podrían m ant enerse j unt os por at racción elect rost át ica ordinaria. Tant o la t eoría de Berzelius com o la de Abegg sobre la at racción int erat óm ica fallan en est e punt o. En cam bio, la sugerencia de Lewis- Lagm uir era que cada át om o podía aport ar un elect rón a un fondo com ún. Los dos elect rones del fondo com ún est arían en la capa elect rónica m ás ext erna de am bos át om os. La disposición elect rónica en la m olécula de cloro podía describirse ent onces com o: 2, 8,6, 11, 6, 8, 2, incluyéndose am bos elect rones com unes en el t ot al elect rónico de cada át om o. Cada át om o t endría así la configuración 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 cloro aislados. Por est a razón, la m olécula de cloro es m ucho m ás est able que los át om os libres. Con el fin de m ant ener t odos los elect rones en la capa elect rónica m ás ext erna, los dos át om os han de perm anecer en cont act o, y se precisa una energía considerable para separarlos. Cada uno de los elect rones aport ados al fondo com ún represent a una valencia de 1 para el át om o del que procede. Dicha valencia, al precisar la acción de dos át om os en colaboración, es una covalencia. La t eoría de Lewis- Langm uir result aba especialm ent e apt a para los com puest os orgánicos, ya que los enlaces ent re un át om o de carbono y ot ro, o ent re un át om o de carbono y un át om o de hidrógeno, se explicaban fácilm ent e de est a form a. En consecuencia, la m ayoría de las m oléculas orgánicas podían represent arse fácilm ent e m ediant e fórm ulas elect rónicas en las cuales, por lo general, el viej o t racit o de la fórm ula de Kekulé era reem plazado por un par elect rónico com part ido. De hecho, el quím ico inglés Nevil Vincent Sidgwick ( 1873- 1952) logró am pliar en los años veint e el concept o de covalencia por pares elect rónicos a los com puest os inorgánicos. En part icular, lo aplicó a los com puest os de coordinación de Werner en los que las represent aciones ordinarias de Kekulé eran 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 prot egidos en el núcleo cent ral. El caso excepcional es el del hidrógeno, que t iene un núcleo form ado por un solo prot ón. Si el át om o de hidrógeno result a ionizado m ediant e la pérdida de su único elect rón, el prot ón queda al descubiert o 33 . En 1923, el quím ico danés Johannes Nicolaus Bronst ed ( 1879- 1947) int roduj o un nuevo punt o de vist a acerca de los ácidos y las bases. Un ácido se definía com o un com puest o que t endía a ceder un prot ón ( o ion hidrógeno) , m ient ras que una base era un com puest o propenso a com binarse con un prot ón. Est e nuevo punt o de vist a explicaba t odos los hechos que ya habían sido sat isfact oriam ent e explicados por la ant igua t eoría. Pero adem ás proporcionaba una m ayor flexibilidad que hacía posible ext ender las nociones de ácido- base a cam pos en los que la ant igua t eoría result aba incorrect a. 3 . Re son a n cia Las relat ivam ent e pequeñas m oléculas y las rápidas reacciones iónicas de la quím ica inorgánica se habían m ost rado relat ivam ent e fáciles de est udiar. Los quím icos, ya desde la época de Lavoisier, podían predecir el curso de t ales reacciones y la form a de m odificarlas para aj ust arse a necesidades part iculares. Las com plej as m oléculas y lent as reacciones de la quím ica orgánica eran m ucho m ás difíciles de analizar. 33 Tal prot ón desnudo es m uy act ivo, y no perm anece m ucho t iem po de ese m odo. En solución acuosa se une inm ediat am ent e a una m olécula de agua, añadiendo un át om o de hidrógeno posit ivam ent e cargado a esa m olécula. Así se form a el ion oxonio ( H3 O+ ) . Con frecuencia exist ían varias form as en que podían reaccionar dos sust ancias; guiar la reacción según una vía deseada era cuest ión de art e y de int uición ant es que de conocim ient o ciert o. Sin em bargo, el át om o elect rónico ofreció a los quím icos orgánicos una nueva visión de su propio cam po. A finales de la década de los veint e, hom bres com o el quím ico inglés Christ opher I ngold ( n. 1893) com enzaron a t rat ar de int erpret ar las reacciones orgánicas en t érm inos de desplazam ient os de elect rones de un punt o a ot ro dent ro de una m olécula. Com enzaron a aplicarse int ensivam ent e los m ét odos de la quím ica física, en un int ent o de int erpret ar las direcciones y t endencias de t ales desplazam ient os. La quím ica orgánica física se convirt ió en una disciplina im port ant e. Result aban insuficient es, no obst ant e, los int ent os de int erpret ar las reacciones orgánicas en t érm inos de elect rones pequeños y duros m oviéndose de un lado a ot ro, pero est a sit uación no se prolongó m ucho t iem po. Durant e el prim er cuart o de siglo post erior al descubrim ient o del elect rón, se dio por sent ado que la part ícula era una esfera sólida y m inúscula. Pero en 1923, Louis Víct or, Príncipe de Broglie, un físico francés ( 1892- 1987) , aport ó razones t eóricas para considerar que los elect rones ( así com o t odas las dem ás part ículas) poseían propiedades de caract eríst 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 prim ero en sugerir la est ruct ura helicoidal de las prot eínas y los ácidos nucleicos, desarrolló a principios de los años t reint a m ét odos que perm it ían t ener en cuent a la nat uraleza ondulat oria de los elect rones al considerar las reacciones orgánicas. Dem ost ró que los elect rones com part idos de Lewis- Langm uir podían int erpret arse com o int eracciones de onda. Las ondas elect rónicas se apareaban reforzándose, resonando una con ot ra para form ar una sit uación m ás est able j unt as que separadas. Est a t eoría de la resonancia fue especialm ent e út il para est ablecer la est ruct ura del benceno, que había sido m ot ivo de desconciert o en los días de Kekulé y que seguía t eniendo punt os dudosos desde ent onces. Tal y com o se describe norm alm ent e, la est ruct ura del benceno es la de un hexágono con enlaces sencillos y dobles alt ernados. Según el sist em a de Lewis- Langm uir, alt ernaban grupos de dos y de cuat ro elect rones com part idos. Sin em bargo, el benceno carecía casi por com plet o de las propiedades caract eríst icas de los dem ás com puest os que cont enían dobles enlaces ( cuat ro elect rones com part idos) . Pauling dem ost ró que si los elect rones se consideraban com o form as ondulat orias, los elect rones individuales no t enían que concebirse com o reducidos a un solo punt o, sino que podían ext enderse, difum inados, en un área considerable. En ot ras palabras, las «ondas elect rónicas» podían ocupar áreas m ucho m ayores que las que ocuparía un m inúsculo elect rón en form a de «bola de billar». La t endencia a diluirse de est e m odo se acent uaba cuando la m olécula era bast ant e plana y sim ét rica. La m olécula de benceno es plana y sim ét rica, y Pauling dem ost ró que los elect rones se «descent ralizaban» 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 prom edio part icularm ent e est able, o híbrido de resonancia, ent re los dos ext rem os. Apart e de la est ruct ura del benceno quedaron clarificados ot ros punt os con la t eoría de la resonancia. Por ej em plo, los cuat ro elect rones de la capa m ás ext erna del át om o de carbono no son t odos equivalent es desde el punt o de vist a de sus caract eríst icas energét icas. Cabría suponer ent onces que se form arían enlaces de t ipos ligeram ent e diferent es ent re un át om o de carbono y su vecino, dependiendo de cuáles fuesen los elect rones del carbono im plicados. A pesar de ello, podía dem ost rarse que los cuat ro elect rones, com o form as ondulat orias, int eraccionaban ent re sí y form aban cuat ro enlaces «prom edio» que eran exact am ent e equivalent es, y est aban dirigidos hacia los vért ices de un t et raedro. Así, el át om o t et raédrico de Van't Hoff- Le Bel ( véanse págs. 125- 26) result ó explicado en t érm inos elect rónicos. La resonancia t am bién cont ribuía a explicar un grupo de com puest os ext raños con los que se había t opado la quím ica a com ienzos del siglo xx. En 1900, el quím ico ruso- am ericano Moses Gom berg ( 1866- 1947) est aba t rat ando de preparar el hexafenilet ano, un com puest o con una m olécula que consist ía en dos át om os de carbono a los que est aban unidos seis anillos bencénicos ( t res 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 varias razones, se vio obligado a deducir que había obt enido t rifenilm et ilo, una «sem im olécula» consist ent e en un át om o de carbono con t res anillos bencénicos unidos a él. El cuart o enlace de valencia del át om o de carbono perm anecía vacant e. Dicho com puest o, que recordaba a uno de los viej os radicales liberados por una m olécula, recibió el nom bre genérico de radical libre. Recurriendo a la concepción elect rónica del át om o se propuso que un radical libre com o el t rifenilm et ilo cont enía un elect rón desapareado allí donde la viej a concepción de Kekulé habría sit uado un enlace sin ut ilizar. Norm alm ent e, t al elect rón desapareado es m uy inest able. Sin em bargo, cuando la m olécula es plana y m uy sim ét rica, com o es el caso del t rifenilm et ilo, el elect rón sin ut ilizar puede ser «repart ido» por t oda la m olécula. De est e m odo se est abiliza el radical libre. Al est udiar las reacciones orgánicas en t érm inos elect rónicos, result ó evident e que había norm alm ent e et apas en las que t enía que form arse un radical libre. Tales radicales libres, generalm ent e no est abilizados por resonancia, podían exist ir sólo m om ent áneam ent e y no se form aban sino con dificult ad. Est a dificult ad en la form ación de radicales libres int erm edios era la que hacía t an lent as la m ayoría de las reacciones orgánicas. En el segundo cuart o del siglo XX, los quím icos orgánicos em pezaron a adquirir una visión bast ant e profunda de los dist int os pasos que com ponían las reacciones orgánicas: el m ecanism o de la reacción, en ot ras palabras. Ha sido est a visión, m ás que ninguna ot ra cosa, la que ha guiado a los quím icos orgánicos cont em poráneos en su t rabaj o de sínt esis, y la que ha conducido a la const rucción de m oléculas cuya com plej idad había vencido a las generaciones ant eriores. Pero las consideraciones sobre resonancia no se lim it aban a la quím ica orgánica. Los hidruros de boro poseían m oléculas que no podían represent arse sat isfact oriam ent e desde ot ros punt os de vist a. El át om o de boro no poseía suficient es enlaces de valencia ( elect rones) para est e propósit o. Sin em bargo, descent ralizando los elect rones correct am ent e com o form as de onda, podía proponerse una est ruct ura m olecular razonable. Pauling sugirió en 1932 que los át om os de un gas noble podían no ser t an resist ent es a la form ación de enlaces com o se había supuest o durant e el t ercio de siglo t ranscurrido desde su descubrim ient o. A suficient e presión y con un át om o ext rem adam ent e react ivo com o el át om o de flúor, podrían form ar com puest os. Est a sugerencia de Pauling no fue escuchada al principio, pero en 1962 se logró obt ener fluoruro de xenón haciendo reaccionar dicho gas noble con flúor. Poco después se form aron diversos 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 ruct ura at óm ica int erna habían llevado a nuevas concepciones y com prensiones, t am bién plant earon una serie de problem as. En 1900, Crookes descubrió que los com puest os de uranio puro recién preparados eran sólo débilm ent e radiact ivos, pero que su radiact ividad se reforzaba con el t iem po. En 1902, Rut herford y un colaborador suyo, el quím ico inglés Frederick Soddy ( 1877- 1956) , propusieron que cuando un át om o de uranio cedía una part ícula alfa, su nat uraleza cam biaba. Se convert ía en un nuevo t ipo de át om o, con diferent es caract eríst icas radiact ivas, produciendo radiaciones m ás fuert es que las del propio uranio ( aj ust ándose así a la observación de Crookes) . Est e segundo át om o se descom ponía a su vez, form ando un t ercer t ipo de át om o. De hecho, el át om o de uranio era el padre de una serie com plet a de elem ent os radiact ivos, una serie radiact iva, que incluía el radio y el polonio y acababa finalm ent e en el plom o, que no era radiact ivo. Por est a razón, el radio, polonio y ot ros elem ent os radiact ivos raros se dan en los m inerales de uranio. Con el uranio em pieza t am bién una segunda serie radiact iva y una t ercera con el t orio. Según la definición de elem ent o de Boyle, est a t ransm ut ación del uranio en plom o podría hacer necesario considerar 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 realm ent e indivisibles, t am poco t ienen por qué ser t ot alm ent e invariables. ( Est o represent a un ret orno - en un nivel m ucho m ás avanzado- a la viej a concepción alquím ica.) . Es razonable pregunt arse cóm o es que, si los elem ent os radiact ivos est án const ant em ent e t ransm ut ándose, puede seguir exist iendo alguno. Fue Rut herford quien, en 1904, resolvió est a cuest ión. Est udiando la velocidad de desint egración radiact iva, dem ost ró que, al cabo de un ciert o período, diferent e para cada elem ent o, se ha desint egrado la m it ad de cualquier cant idad dada de un ciert o elem ent o radiact ivo. Est e período, caract eríst ico para cada t ipo de sust ancia radiact iva, lo llam ó Rut herford vida m edia. ( Véase figura 22.) Figura 22. La vida m edia del radón se det erm ina m idiendo las cant idades de m at erial que quedan al cabo de int ervalos de t iem po iguales. La represent ación es la curva exponencial asint ót ica, y = e - ax La vida m edia del radio, por ej em plo, es algo m enor de m il seiscient os años. Al cabo de varias eras geológicas no quedaría nada de radio en la cort eza t errest re, de no ser porque se form an const ant em ent e nuevas reservas a t ravés de la desint egración del uranio. Est o m ism o es ciert o para ot ros product os de la t ransm ut ación del uranio, cuyas vidas m edias equivalen en algunos casos a fracciones de segundo solam ent e. En cuant o al propio uranio, t iene una vida m edia de 4.500.000.000 de años. Se t rat a de un período de t iem po enorm e, y en t oda la hist oria de la Tierra sólo una part e de la reserva original de uranio ha t enido posibilidades de desint egrarse. El t orio se desint egra aún m ás lent am ent e, siendo su vida m edia de 14.000.000.000 de años. Tales ext ensiones de t iem po pueden det erm inarse cont ando el núm ero de part ículas alfa producidas por una m asa det erm inada de uranio ( o t orio) , cosa que hizo Rut herford a base de observar los pequeños relám pagos que producían al chocar cont ra una pant alla de sulfuro de cinc ( lo que const it uía un cont ador de cent elleo) . Cada part ícula alfa liberada significaba un át om o de uranio desint egrado, de m odo que Rut herford pudo det erm inar cuánt os át om os se desint egraban por segundo. A part ir de la m asa de uranio que est aba m anej ando, deduj o el núm ero t ot al de át om os de uranio present es. Con est a inform ación pudo calcular fácilm ent e cuánt o t iem po haría falt a para que se desint egraran la m it ad de los át om os de uranio present es, y result ó ser del orden 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 usarse para m edir la edad de la Tierra. En 1907, el quím ico am ericano Bert ram Borden Bolt wood ( 1870- 1927) sugirió que el cont enido en plom o de los m inerales de uranio podía servir com o guía a est e respect o. Si se suponía que t odo el plom o del m ineral se originaba a part ir de la desint egración del uranio, sería fácil calcular cuánt o t iem po debería haber t ranscurrido para dar lugar a esa cant idad de plom o. Finalm ent e se calculó de est e m odo que la cort eza sólida de la Tierra debe haber exist ido desde hace por lo m enos cuat ro m il m illones de años. Mient ras t ant o, Soddy había descrit o el m odo exact o en que un át om o cam bia al em it ir part ículas subat óm icas. Si un át om o perdía una part ícula alfa, con una carga + 2, la carga t ot al de su núcleo dism inuía en dos. El át om o se t rasladaba dos puest os hacia la izquierda en la t abla periódica. Si un át om o perdía una part ícula bet a ( un elect rón con una carga de - 1) , el núcleo ganaba una carga posit iva adicional 34 , y el elem ent o avanzaba un puest o hacia la derecha en la t abla periódica, cuando un át om o em it ía un rayo gam m a ( sin carga) , se alt eraba su cont enido energét ico pero no cam biaba el núm ero de part ículas, de m odo que cont inuaba siendo el m ism o elem ent o. Ut ilizando est as reglas com o guía, los quím icos pudieron obt ener los det alles de varias series radiact ivas. 34 En la época de Soddy se creía que había m uchos elect r ones en el núcleo y que la pérdida de una part ícula 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 iva. 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 rón se conviert e en prot ón, ya que la adquisición de una carga posit iv a equivale a la pérdida, por expulsión, de una carga negat iva 5 . I sót opos Pero t odo est o creaba un serio problem a. ¿Qué hacer con los diversos product os de desint egración del uranio y del t orio? Había docenas de ellos, pero com o m ucho exist ían nueve sit ios en la t abla periódica ( desde el polonio de núm ero at óm ico 84 hast a el uranio de núm ero at óm ico 92) donde colocarlos. Com o ej em plo específico, digam os que el át om o de uranio ( núm ero at óm ico 92) em it ía una part ícula alfa y el núm ero at óm ico de lo que quedaba del át om o se convert ía por t ant o en 90, según la regla de Soddy. Est o significaba que se había form ado un át om o de t orio. Sin em bargo, m ient ras que el t orio producido a part ir del uranio t enía una vida m edia de veint icuat ro días, el t orio ordinario t enía una vida m edia de cat orce m il m illones de años. Soddy propuso la int répida sugerencia de que un m ism o lugar de la t abla periódica podía est ar ocupado por m ás de un t ipo de át om o. El lugar núm ero 90 podía encerrar diferent es variedades de t orio, el lugar núm ero 82 diferent es variedades de plom o, y así sucesivam ent e. Denom inó a est as variedades at óm icas que ocupaban el m ism o lugar isót opos, de la palabra griega que significa «m ism o lugar». Los diferent es isót opos en un lugar dado de la t abla t endrían el m ism o núm ero at óm ico, y en consecuencia el m ism o núm ero de prot ones en el núcleo y el m ism o núm ero de elect rones en la periferia. Los isót opos de un elem ent o t endrían las m ism as propiedades quím icas, al depender dichas propiedades del núm ero y la disposición de los elect rones en los át om os. Pero en ese caso, ¿cóm o explicar las diferencias en las propiedades radiact ivas y en el peso at óm ico? El peso at óm ico podría represent ar la clave de la diferencia. Cien años ant es, Prout había propuest o su fam osa hipót esis de que t odos los át om os est aban com puest os de hidrógeno, de m odo que t odos los elem ent os t endrían un peso at óm ico ent ero. El hecho de que la m ayoría de los pesos at óm icos no sean ent eros parecía haber dest ruido est a hipót esis. Pero ahora el át om o, en su nueva apariencia nuclear, t enía que est ar form ado por prot ones ( y neut rones) . Los prot ones y los neut rones t ienen aproxim adam ent e la m ism a m asa, y por t ant o t odos los át om os deben t ener pesos que sean m últ iplos ent eros del peso del hidrógeno ( form ado de un solo prot ón) . La hipót esis de Prout fue rest ablecida, y en cam bio se proyect aron nuevas dudas sobre los pesos at óm icos. En 1912, J. J. Thom son ( el descubridor del elect rón) había som et ido haces de iones de neón cargados posit ivam ent e a la acción de un cam po m agnét ico. El cam po desviaba los iones de neón y los hacía incidir sobre una placa fot ográfica. Si t odos los iones hubiesen t enido una m asa idént ica, habrían sido desviados t odos en la m ism a m edida, y habría aparecido una sola m ancha sobre la película fot ográfica. Sin em bargo, se localizaron dos m anchas, una de ellas aproxim adam ent e diez veces m ás oscura que la ot ra. Un colaborador suyo, Francis William Ast on ( 1877- 1945) , m ej oró m ás t arde el m ecanism o y confirm ó los result ados, que eran sem ej ant es para ot ros 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 rógrafo de m asas. La m agnit ud de la desviación de iones de carga idént ica por un cam po m agnét ico depende de la m asa del ion; cuant o m ayor es ést a, m enos se desvía. Los result ados obt enidos por Thom son y Ast on parecían indicar que exist ían dos t ipos de át om os de neón, uno con m ás m asa que el ot ro. Uno de ellos t enía un núm ero m úsico de 20, y el ot ro de 22. Com o el neón- 20 era diez veces m ás abundant e que el neón- 22, a j uzgar por las respect ivas oscuridades de las m anchas ( en los últ im os años se localizaron t am bién m uy pequeñas cant idades de neón- 21) parecía razonable que el peso at óm ico del neón fuese aproxim adam ent e 20,2. En ot ras palabras, los át om os individuales t enían m asas que eran un m últ iplo ent ero de la del át om o de hidrógeno 35 , pero un elem ent o det erm inado, al est ar form ado por át om os de diferent es m asas, t endría un peso at óm ico que sería un prom edio del peso de dichos ent eros, y en consecuencia no t enía que ser necesariam ent e un núm ero ent ero. El prom edio del peso de los isót opos de un át om o det erm inado puede ser m ayor, en algunos casos, que el prom edio del peso de un át om o con m ayor núm ero at óm ico. 35 No exact am ent e un m últ iplo, en realidad. Las pequeñas desviaciones en la m asa no t ienen im port ancia en quím ica, pero son un reflej o de las enor m es energías im plicadas en las fuerzas nucleares, energías que han sido puest as de m anifiest o en las bom bas nucleares. Por ej em plo, el t elurio, con un núm ero at óm ico de 52, posee siet e isót opos. De ést os, los dos isót opos de m ás m asa, t elurio 126 y t elurio 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 ero at óm ico inm ediat am ent e superior, el 53, pero est á form ado por yodo- 127 solam ent e, y por t ant o su peso at óm ico es 127. Cuando Mendeleiev colocó el yodo después del t eluro en su t abla periódica, invirt iendo el orden correspondient e al peso at óm ico, sin saberlo se est aba guiando, en su lugar, por el núm ero at óm ico; y era la form a correct a de hacerlo. Veam os ot ro ej em plo. El pot asio ( núm ero at óm ico 19) est á form ado por t res isót opos, el pot asio- 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 abundant e. En consecuencia, el peso at óm ico del pot asio es 39,1. El argón t iene un núm ero at óm ico inferior ( 18) y est á form ado t am bién de t res isót opos, argón- 36, argón- 38 y argón- 40. Pero en est e caso es el isót opo de m ás m asa, argón- 40, el que m ás abunda. Así, pues, el peso at óm ico del argón es aproxim adam ent e de 40. Cuando Ram say colocó el argón ant es del pot asio y no después, cont radiciendo a los pesos at óm icos, t am bién sin saberlo se est aba guiando por el núm ero at óm ico, y t am bién est aba act uando correct am ent e. El uso del espect rógrafo de m asas perm it ió det erm inar el peso at óm ico m idiendo de hecho la m asa de cada isót opo y la cant idad exist ent e de cada uno de ellos, y t om ando luego el prom edio. Est e m ét odo superaba en exact it ud a los m ét odos quím icos para la m edición del peso at óm ico. Los diferent es isót opos de un elem ent o dado poseen el m ism o núm ero at óm ico pero 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 bargo, el neón- 20 t iene un núcleo con 10 prot ones m ás 10 neut rones; el neón- 21, uno con 10 prot ones m ás 11 neut rones; y el neón- 22, uno con 10 prot ones m ás 12 neut rones. La m ayoría de los elem ent os ( pero no t odos) pueden dividirse de est e m odo en isót opos. En 1935, el físico canadiense- am ericano Art hur Jeffrey Dem pst er ( 18861950) halló, por ej em plo, que el uranio, t al com o se present aba en la nat uraleza, era una m ezcla de dos isót opos, a pesar de que su peso at óm ico ( 238,07) se aproxim aba a un núm ero ent ero. Se debía precisam ent e a que uno de los isót opos exist ía en una proporción m ucho m ayor. Un 99,3 por 100 de los át om os de uranio t enían núcleos form ados por 92 prot ones y 146 neut rones, o lo que es lo m ism o, un núm ero m ásico t ot al de 238. Se t rat aba de los át om os de uranio- 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 propiedades radiact ivas dependen de la const it ución de los núcleos at óm icos, y no de la disposición elect rónica, los isót opos de un elem ent o podían ser quím icam ent e sem ej ant es, pero bast ant e diferent es desde el punt o de vist a de su radiact ividad. Así, m ient ras que el uranio- 238 t enía una vida m edia de cuat ro 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 padres de series radiact ivas diferent es. Exist ían razones t eóricas para suponer que el propio hidrógeno, el elem ent o m ás sim ple, podía est ar com puest o de un par de isót opos. Los át om os de hidrógeno ordinarios, con núcleos form ados por un solo prot ón, const it uyen el hidrógeno- 1. Pero en 1931 el quím ico am ericano Harold Clayt on Urey ( 1893- 1981) evapor ó lent am ent e cuat ro lit ros de hidrógeno líquido; en el supuest o de que si exist ía algún isót opo de hidrógeno m ás pesado, t endría un punt o de ebullición m ás alt o, y evaporaría m ás lent am ent e, con lo que se acum ularía en el residuo. 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 prot ón m ás un neut rón. El hidrógeno- 2 recibió el nom bre especial de deut erio. Tam poco el oxígeno se libraba. En 1929, el quím ico am ericano William Francis Clauque ( n. 1895) logró dem ost rar que el oxígeno est aba form ado de t res isót opos. La variedad m ás abundant e, que com prendía cerca 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 era casi t odo oxígeno- 18 ( 8 prot ones m ás 10 neut rones) , con un residuo 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 vidas m edias del t or io nat ural ( t or io- 232) y el t orio form ado a part ir de la escisión del uranio ( t orio- 234) , que cont iene dos neut rones adicionales en cada núcleo. Est o creaba un problem a. Ya desde el t iem po de Berzelius, los pesos at óm icos se habían basado en la asignación arbit raria de un peso de 16,0000 al át om o de oxígeno. Pero el peso at óm ico del oxígeno podía ser solam ent e el prom edio de peso de los t res isót opos, y la proporción de los isót opos en el oxígeno podía variar ligeram ent e de unas m uest ras a ot ras. Los físicos procedieron a det erm inar los pesos at óm icos est ableciendo el de oxígeno- 16 com o igual a 16,0000, y est o les proporcionó una serie de valores ( el peso at óm ico físico) que eran uniform em ent e m ayores, en m uy pequeña cant idad, que los valores que se habían est ado ut ilizando y perfeccionando gradualm ent e a lo largo del siglo XI X ( los pesos at óm icos quím icos) . Pero en 1961, las organizaciones int ernacionales, t ant o de quím icos com o de físicos, acordaron adopt ar un peso at óm ico est ándar, el del carbono 12, com o exact am ent e igual a 12,0000. Est e nuevo valor est ándar era casi exact am ent e el de los ant iguos pesos at óm icos quím icos, y sin em bargo est aba vinculado a un solo isót opo, y no al prom edio de varios de ellos. Ca pít u lo 1 4 Re a ccion e s n u cle a r e s Cont enido: 1. La nueva t ransm ut ación 2. Radiact ividad art ificial 3. Elem ent os t ransuránicos 4. Bom bas nucleares 1 . La n u e va t r a nsm u t a ción Habiendo quedado claro que el át om o est aba form ado por part ículas m ás pequeñas, que se reordenaban espont áneam ent e en las t ransform aciones radiact ivas, el siguient e paso parecía práct icam ent e obligado. El hom bre podía reordenar deliberadam ent e la est ruct ura at óm ica de las m oléculas en reacciones quím icas ordinarias. ¿Por qué no reordenar ent onces los prot 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 ro de las m oléculas, y los m ét odos que servían para llevar a cabo las reacciones ordinarias no bast arán para las reacciones nucleares; pero los hom bres que habían resuelt o el rom pecabezas de la radiact ividad, se hallaban en el lum inoso cam ino del éxit o. Fue Rut herford quien dio el prim er paso. Bom bardeó diversos gases con part ículas alfa, y halló que en ocasiones una part ícula alfa golpeaba el núcleo de un át om o y lo desordenaba ( véase fig. 23) . De hecho, Rut herford dem ost ró en 1919 que las part ículas alfa podían arrancar prot ones de los núcleos de nit rógeno, y fusionarse 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 prot ones y 7 neut rones. Quit em os un prot ón y añadam os los 2 prot ones y los 2 neut rones de la part ícula alfa, y nos encont rarem os con un núcleo que posee 8 prot ones y 9 neut rones. Se t rat a del oxígeno- 17. La part ícula alfa puede considerarse com o un helio- 4, y el prot ón com o un hidrógeno- 1. Se deduce ent onces que Rut herford llevó t riunfalm ent e a cabo la prim era reacción nuclear hecha por el hom bre: 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 ro. En ciert o m odo era la culm inación de los viej os anhelos alquim ist as, pero, desde luego, im plicaba elem ent os y t écnicas con los cuales los alquim ist as no habían ni siquiera soñado. Durant e los cinco años siguient es, Rut herford llevó a cabo m uchas ot ras reacciones nucleares m anej ando part ículas alfa. Lo que podía hacer, no obst ant e, era lim it ado, ya que los elem ent os radiact ivos proporcionaban part ículas alfa de baj a energía. Para conseguir m ás, se requerían part ículas m ás energét icas. Figura 23. El experim ent o de Rut herford conduj o al concept o de núcleo, y abrió las puert as a la m oderna física nuclear. Las part ículas alfa em it idas por la fuent e radiact iva se desviaban al pasar a t ravés de un pan de oro. El grado de desviación quedaba regist rado cuando las part ículas chocaban con la placa fot ográfica. Los físicos se dedicaron a la t area de diseñar m ecanism os para acelerar las part ículas cargadas en un cam po eléct rico, obligándolas a m overse cada vez m ás rápido, y a poseer, por t ant o, cada vez m ás energía. El físico inglés John Douglas Cockcroft ( 1897- 1967) y su colaborador, el físico irlandés Ernest Thom as Sint on Walt on ( n. 1903) , fueron los prim eros en diseñar un acelerador capaz de producir part ículas lo bast ant e energét icas com o para llevar a cabo una reacción nuclear, lo que consiguieron en 1929. Tres años m ás t arde, bom bardearon át om os de lit io con prot ones acelerados, y produj eron part ículas alfa. La reacción nuclear era: hidrógeno 1 + lit io 7 —> helio 4 + helio 4 En el aparat o de Cockcroft - Walt on, y en ot ros que se est aban proyect ando, las part ículas se aceleraban en línea rect a, y era difícil const ruir aparat os lo bast ant e largos para producir energías m uy alt as. En 1930, el físico am ericano Ernest Orlando Lawrence ( 1901- 58) diseñó un acelerador que obligaba a las part ículas a m overse según una espiral que se am pliaba lent am ent e. Un ciclot rón relat ivam ent e pequeño de est e t ipo podía producir part ículas energét icas. El prim ero y m inúsculo ciclot rón de Lawrence fue el ant ecesor de los enorm es inst rum ent os act uales de m edia m illa de circunferencia, que se han ut ilizado para t rat ar de responder a las pregunt as fundam ent ales relat ivas a la est ruct ura de la m at eria. En 1930, el físico inglés Paul Adrien Maurice Dirac ( 1902) había propuest o razones t eóricas para suponer que t ant o los prot ones com o los elect rones debían poseer aut ént icos cont rarios ( ant i part ículas) . El ant i- elect rón debía poseer la m asa de un elect rón pero est ar cargado posit ivam ent e, m ient ras que el ant i- prot ón t endría la m asa de un prot ón, pero est aría cargado negat ivam ent e. El ant i- elect rón fue det ect ado efect ivam ent e en 1932 por el físico am ericano Cari David Anderson ( n. 1905) en su est udio sobre los rayos cósm icos37 . Cuando las part ículas de los rayos cósm icos chocan con los núcleos at óm icos en la at m ósfera, se producen algunas part ículas que giran en un cam po m agnét ico exact am ent e igual que los elect rones, pero en sent ido cont rario. Anderson denom inó posit rón ala part ícula de est e t ipo. El ant i- prot ón se resist ió a ser det ect ado durant e ot ro cuart o de siglo. Com o el ant iprot ón es 1.836 veces m ás pesado que el ant i- elect rón, se requiere 1.836 veces 37 Los rayos cósm icos consist en en par t ículas que ent ran en la at m ósfera t errest re procedent es del espacio ext er ior . Las par t ículas ( en su m ayor part e prot ones) son im pulsadas hast a energías casi inim aginables por aceleración a t ravés de cam pos eléct ricos asociados a las est r ellas y a la m ism a galax ia. m ás energía para su form ación. Las energías necesarias no se originaron en disposit ivos creados por el hom bre hast a la década de los 50. Ut ilizando aceleradores gigant es, el físico it alo- am ericano Em ilio Segré ( n. 1905- 89) y su colaborador el físico am ericano Owen Cham berlain ( n. 1920) lograron 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 cargados negat ivam ent e, cont eniendo ant i- prot ones, est én rodeados por posit rones cargados posit ivam ent e. Tal ant im at eria no podría exist ir m ucho t iem po sobre la t ierra o, quizás, en ninguna part e de nuest ra galaxia, ya que, a su cont act o am bas, m at eria y ant im at eria, serían aniquiladas en una gran explosión de energía. Sin em bargo, los ast rónom os se pregunt an si podrán exist ir galaxias ent eras form adas por ant im at eria. Si así fuese, serían m uy difíciles de det ect ar. 2 . Ra dia ct ivida d a r t ificia l Las prim eras reacciones nucleares llevadas a cabo con éxit o produj eron isót opos que ya se sabía exist ían en la nat uraleza. Pero no siem pre 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 uraleza, t al com o un siglo ant es se habían producido m oléculas orgánicas que t am poco se daban en la nat uraleza. Est e fenóm eno se consiguió de hecho en 1934, por el equipo de físicos franceses, m arido y m uj er, Frédéric Joliot - Curie ( 1900- 58) e I rene Joliot - Curie ( 1897- 1956) , est a últ im a hij a de los Curie ( pág. 217) , fam osos por sus t rabaj os sobre el radio. Los Joliot - Curie est aban bom bardeando alum inio con part ículas alfa. Después de int errum pir el bom bardeo descubrieron que el alum inio cont inuaba irradiando part ículas por sí m ism o. Descubrieron que habían em pezado con alum inio- 27 ( 13 prot ones m ás 14 neut rones) , y t erm inaron con fósforo- 30 ( 15 prot ones m ás 15 neut rones) . Pero el fósforo, t al com o se present a en la nat uraleza, est á const it uido por una sola variedad at óm ica, el fósforo- 31( 15 prot ones m ás 16 neut rones) . Así, pues, el fósforo- 30 era un isót opo art ificial, que no se present aba en la nat uraleza. La razón por la que no se hallaba en ést a era evident e; era radiact ivo, con una vida m edia de solam ent e cat orce días. Su radiact ividad era la fuent e de la cont inua radiación de part ículas que los Joliot - Curie habían observado. Los Joliot - Curie habían producido el prim er caso de radiact ividad art ificial. Desde 1934 se han form ado m iles de isót opos no exist ent es en la nat uraleza, y t odos ellos son radiact ivos. Cada elem ent o posee uno o m ás isót opos radiact ivos. I ncluso el hidrógeno t iene uno, el hidrógeno- 3 ( llam ado t am bién t rit io) con una vida m edia de doce años. Un isót opo de carbono radiact ivo poco com ún, el carbono 14, fue descubiert o en 1940 por el quím ico am ericano- canadiense Mart in D. Kam en ( n. 1913) . Part e de est e isót opo se form a por bom bardeo de los rayos cósm icos sobre el nit rógeno en la at m ósfera. Est o significa que est am os cont inuam ent e respirando algo de carbono14, e incorporándolo a nuest ros t ej idos, igual que t odas las form as de vida. Una vez que la form a viva m uere, la incorporación cesa y el carbono- 14 ya present e se t ransm ut a lent am ent e. El carbono- 14 t iene una vida m edia de unos cinco m il años, de m odo que las cant idades significat ivas que subsist an en un m at erial ( m adera, t ext iles) se rem ont an a los t iem pos prehist óricos. El quím ico am ericano Willard Frank Libby ( 1908- 80) ideó una t écnica para hallar la edad de los rest os arqueológicos por su cont enido en carbono- 14, del m ism o m odo que la edad de la cort eza t errest re puede obt enerse a part ir de sus cont enidos en uranio y plom o. Así, la quím ica ha pasado a t ener una aplicación direct a para los hist oriadores y arqueólogos. Los com puest os quím icos pueden sint et izarse con isót opos poco corrient es, incorporados en lugar de los ordinarios. Ést os podrían ser, por ej em plo, los raros isót opos est ables ( hidrógeno- 2 en lugar del hidrógeno- 1, carbono- 13 en lugar del carbono- 12, nit rógeno- 15 en lugar del nit rógeno- 14, y oxígeno- 18 en lugar del oxígeno- 16) . Si los anim ales ingieren t ales com puest os m arcados 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 proporcionarán una inform ación significat iva. Result a así posible deducir m ecanism os de reacción dent ro del t ej ido vivo, que de ot ro m odo pasarían inadvert idos. Un innovador en est e t ipo de t rabaj o fue el bioquím ico germ anoam ericano Rudolf Schoenheim er ( 1898- 1941) , quien realizó im port ant es invest igaciones sobre grasas y prot eínas ut ilizando hidrógeno- 2 y nit rógeno- 15 en los años post eriores a 1935. El uso de los isót opos radiact ivos hace posible reconst ruir las reacciones aún m ás exact am ent e, pero hast a después de la Segunda Guerra Mundial no se llegó a disponer de dichos isót opos en cant idad. Un ej em plo de lo que puede realizarse con los isót opos fue el t rabaj o del bioquím ico am ericano 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 reacciones im plicadas en el proceso de la fot osínt esis. Y lo llevó a cabo con un det alle que sólo veint e años ant es se habría j uzgado com plet am ent e im posible. No sólo se form aron isót opos art ificiales, sino t am bién elem ent os art ificiales. En 1937, Law rence, el invent or del ciclot rón, había bom bardeado una m uest ra de m olibdeno ( núm ero at óm ico 42) con deut erones ( núcleos de hidrógeno- 2) enviando la m uest ra bom bardeada a Segré, a Rom a. ( Más adelant e Segré volvería a los Est ados Unidos, y en su nueva residencia descubriría el ant i- prot 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 ero at óm ico era 43. Por ent onces, aquel elem ent o no había sido descubiert o en la nat uraleza ( a pesar de algunas falsas alarm as) y por eso se llam ó t ecnecio, de una palabra griega que significa «art ificial». Post eriorm ent e se llenaron los t res huecos rest ant es de la t abla periódica. En 1939 y 1940 se descubrieron los elem ent os núm ero 87 ( francio) y núm ero 85 ( as- t at o) , y en 1947 se rellenó el últ im o hueco, el correspondient e al elem ent o núm ero 61 ( prom ecio) . Todos est os elem ent os son radiact ivos. El ast at o y el francio se form an a part ir del uranio 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 form an en cant idades aún m ás pequeñas, y su rareza reside 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 r a n sur á n icos Las prim eras part ículas ut ilizadas para bom bardear los núcleos at óm icos est aban cargadas posit ivam ent e: el prot ón, el deut erón y la part ícula alfa. Tales part ículas cargadas posit ivam ent e son rechazadas por los núcleos at óm icos cargados posit ivam ent e, ya que las cargas eléct ricas del m ism o signo se repelen ent re sí. Hace falt a m ucha energía para obligar a las part ículas rápidas a vencer la repulsión y chocar con los núcleos, y por eso las reacciones nucleares eran bast ant e difíciles de conseguir. El descubrim ient o del neut rón abrió nuevas posibilidades. Com o los neut rones no poseían carga, los núcleos at óm icos no los repelerían. Un neut rón 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 dirección correct a. El prim ero que invest igó en det alle el bom bardeo con neut rones fue el físico it aliano Enrico Ferm i ( 1901- 1954) . Com enzó su t rabaj o casi inm ediat am ent e después de ent erarse del descubrim ient o del neut rón. Halló que un haz de neut rones era part icularm ent e eficaz para iniciar reacciones nucleares, si prim ero se hacía pasar a t ravés de agua o parafina. Los át om os ligeros de est os com puest os absorbían part e de la energía de los neut rones en cada colisión, y lo hacían sin absorber a los propios neut rones. De est e m odo, los neut rones eran frenados hast a que se m ovían sólo con la velocidad norm al de las m oléculas a la t em perat ura am bient e. Tales neut rones t érm icos perm anecían en las proxim idades de un núcleo det erm inado durant e una fracción de segundo m ás larga, y eran absorbidos con m ás probabilidad que los neut rones rápidos. Cuando un neut rón es absorbido por un núcleo at óm ico, dicho núcleo no se conviert e necesariam ent e en un nuevo elem ent o. Puede convert irse 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) , pasaría a oxígeno- 17. Sin em bargo, al ganar un neut rón un elem ent o puede convert irse en un isót opo radiact ivo. En ese caso, se descom pondrá em it iendo por lo general una part ícula bet a, lo que según la regla de Soddy significaría que habría pasado a ser un elem ent o sit uado un puest o m ás alt o en la t abla periódica. Así, si el oxígeno- 18 ganase un neut rón, pasaría a oxígeno- 19 radiact ivo. Est e isót opo em it iría una part ícula bet a y se convert iría en flúor- 19 est able. De est e m odo, el oxígeno se habría convert ido en ot ro elem ent o ( un núm ero at óm ico m ayor) por bom bardeo neut rónico. En 1934 se le ocurrió a Ferm i bom bardear el uranio con neut rones, para ver si podía producir át om os m ás pesados que el uranio ( elem ent os t ransuránicos) . En aquella época el uranio t enía el m ayor núm ero at óm ico de la t abla periódica, pero ello podía significar sim plem ent e que los elem ent os de núm ero at óm ico m ayor t uviesen vidas m edias dem asiado cort as para haber sobrevivido al largo pasado hist órico de la Tierra. Al principio, Ferm i creyó realm ent e que había sint et izado el elem ent o núm ero 93, pero los result ados que obt uvo eran confusos y conduj eron a algo m ucho m ás espect acular, com o se describirá en breve. Est os ot ros hallazgos dist raj eron la at ención, durant e algunos años, de la posible form ación de elem ent os t ransuránicos. Sin em bargo, en 1940, el físico am ericano Edwin Mat t ison McMillan ( n. 1907) y su colaborador el quím ico Philip Hauge Abelson ( n. 1913) , en su t rabaj o sobre el bom bardeo neut rónico del uranio, det ect aron de hecho un nuevo t ipo de át om o. Al ser est udiado, result ó corresponder al de núm ero at óm ico 93, y lo denom inaron nept unio. I ncluso el isót opo del nept unio de m ás larga vida, el nept unio- 237, t enía una vida m edia ligeram ent e superior a dos m illones de años, no lo bast ant e larga com o para perm it irle sobrevivir a t ravés de la larga hist oria de la Tierra. El nept unio- 237 era el ant ecesor de una cuart a serie radiact iva. A McMillan se le unió ent onces el físico am ericano Glenn Theodore Seaborg ( n. 1912) , y j unt os form aron e ident ificaron el plut onio, elem ent o núm ero 94, en 1941. Baj o la dirección de Seaborg, un grupo de cient íficos de la Universidad de California, durant e los siguient es diez años, aisló una m edia docena de nuevos elem ent os: am ericio ( núm ero 95) , curio ( núm ero 96) , berkelio ( núm ero 97) , californio ( núm ero 98) , einst enio ( núm ero 99) y ferm io ( núm ero 100) . No parecía haber razones para suponer que ningún núm ero at óm ico represent ase un m áxim o absolut o. Sin em bargo, cada elem ent o era m ás difícil de form ar que el ant erior, y se producía en cant idades m ás pequeñas. Y lo que es m ás, las vidas m edias se hacían t an cort as que lo que se form aba se desvanecía cada vez m ás rápidam ent e. No obst ant e, en 1955 se form ó el m endelevio ( núm ero 101) ; en 1957, el nobelio ( núm ero 102) , y en 1961 el laurencio ( núm ero 103) . En 1964 los físicos rusos publicaron la obt ención del elem ent o núm ero 104 en cant idades m uy pequeñas. Seaborg y su grupo descubrieron que los elem ent os t ransuránicos eran t an sem ej ant es ent re sí com o las t ierras raras, y por la m ism a razón. Nuevos elect rones se añaden a una capa elect rónica int erna, dej ando a la capa elect rónica m ás ext erna con un cont enido const ant 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 ero at óm ico 57) , el de los lant ánidos, m ient ras que el m ás m oderno, que com ienza con el act inio ( núm ero at óm ico 89) , es el de los act ínidos. Con el descubrim ient o del laurencio se habían form ado t odos los act ínidos. Se espera que el elem ent o núm ero 104 t enga propiedades bast ant e diferent es a las de los act ínidos. 4 . Bom ba s n u cle a r e s Pero ¿qué fue del t rabaj o original de Ferm i sobre el bom bardeo del uranio con neut rones? Su sospecha de que se había form ado el elem ent o núm ero 93 no pudo confirm arse ent onces, ya que t odos los físicos que t rabaj aban para aislarlo fracasaron. Ent re los que se habían unido a la invest igación se hallaban Hahn y Meit ner, los descubridores del prot act inio veint e años ant es. Trat aron el uranio bom bardeado con bario, lo que al precipit ar originó det erm inada fracción de un m at erial fuert em ent e radiact ivo. Est a reacción les hizo suponer que uno de los product os del bom bardeo era radio. El radio es quím icam ent e m uy sem ej ant e al bario, y era de esperar que acom pañase al bario en cualquier m anipulación quím ica. Sin em bargo no se pudo obt ener radio de las fracciones que cont enían bario. Hacia 1938, Hahn com enzó a pregunt arse si no sería un isót opo radiact ivo del propio bario el que se había form ado a part ir del uranio en el curso del bom bardeo neut rónico. Ese bario radiact ivo se fusionaría con el bario ordinario, y los dos com puest os no podrían separarse después m ediant e las t écnicas quím icas ordinarias. No obst ant e, t al com binación parecía im posible. Todas las reacciones nucleares conocidas hast a 1938 habían im plicado cam bios de sólo 1 o 2 unidades en el núm ero at óm ico. Cam biar el uranio en bario significaba un descenso, en el núm ero at óm ico, ¡de 36! Sería com o pensar que el át om o de uranio se hubiese part ido aproxim adam ent e por la m it ad ( fisión del uranio) . Hahn se resist 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 ria. Lise Meit ner, aust riaca, se vio obligada a exiliarse debido a su origen j udío. Desde su lugar de exilio en Suecia, los peligros que había pasado debieron hacer que los relacionados con el riesgo de com et er un error cient ífico pareciesen realm ent e pequeños, y publicó la t eoría de Hahn de que los át om os de uranio, al ser bom bardeados con neut rones, sufrían una fisión. Est e art ículo creó una gran excit ación debido a las horribles posibilidades que suscit aba. Si un át om o de uranio, al absorber un neut rón, se rom 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 ros át om os de uranio, ést os t am bién sufrirían una escisión, y em it irían t odavía m ás neut rones. Cada át om o de uranio escindido provocaría la escisión de varios m ás, en una reacción nuclear en cadena, con un result ado sem ej ant e al de la reacción quím ica en cadena del hidrógeno y el cloro. Pero com o las reacciones nucleares im plicaban int ercam bios energét icos m ucho m ayores que las reacciones quím icas, los result ados de una reacción nuclear en cadena serían m ucho m ás form idables. Part iendo de unos cuant os neut rones, con una insignificant e inversión de energía, podrían liberarse reservas colosales de energía. La Segunda Guerra Mundial est aba a punt o de est allar. El Gobierno de los Est ados Unidos, t em iendo que las t rem endas energías de los núcleos at óm icos pudiesen ser desencadenadas por los nazis, lanzó un program a de invest igación para obt ener dicha reacción en cadena y colocar el arm a en sus propias m anos. Las dificult ades eran m uchas. Había que hacer chocar con el uranio t ant os neut rones com o fuese posible, ant es de que abandonasen el uranio t ot alm ent e. Por est a razón el uranio t enía que encont rarse en cant idades bast ant e grandes ( el t am año necesario es la m asa crít ica) , con el fin de dar la oport unidad necesaria a 38 En general, cuant o m ayor es la m asa de un át om o, m ayor es el núm ero de neut rones que requiere en proporción a su núm ero m ásico. Así, el calcio- 40 cont iene 20 neut rones, un 50 por 100 de su núm ero m ásico, m ient ras que el uranio- 238 cont iene 146 neut rones, un 65 por 100 de su núm 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 ret ardar neut rones a fin de aum ent ar la probabilidad que fuesen absorbidos por el uranio. Est o significaba el em pleo de un m oderador, una sust ancia con át om os ligeros ant e la cual los neut rones rebot arían. Dicho m oderador podía consist ir en bloques de grafit o o agua pesada. Para m ayor dificult ad, no t odos los át om os de uranio experim ent aban una fisión al absorber un neut rón, sino sólo el isót opo bast ant e raro uranio- 235, lo cual obligó a idear m ét odos para aislar y concent rar el uranio- 235. Era una labor sin precedent es, ya que nunca hast a ent onces se había llevado a cabo la separación de isót opos a gran escala. Un m ét odo con éxit o era el que hacía uso del hexafluoruro de uranio, que requería un enorm e avance en el m anej o de los com puest os de flúor. El plut onio, elem ent o creado por el hom bre, se com probó que t am bién era fisionable, y t ras su descubrim ient o en 1941 hubo que esforzarse en producirlo en grandes cant idades. Ferm i, que había abandonado I t alia en 1938 y había m archado a los Est ados Unidos, fue encargado de est a t area. El 2 de diciem bre de 1942, una pila at óm ica de uranio, óxido de uranio y grafit o alcanzó el t am año «crít ico». La reacción en cadena se m ant enía, produciendo energía a t ravés de la fisión de uranio. Hacia 1945 se fabricaron ciert os disposit ivos en los que al explot ar una pequeña carga de explosivo se j unt an dos t rozos de uranio. Cada t rozo por separado se hallaba por debaj o de la m asa crít ica, pero j unt as la superaban. A causa del bom bardeo con rayos cósm icos, la at m ósfera cont iene siem pre neut rones perdidos, de m odo que en la m asa crít ica de uranio se origina inst ant áneam ent e una reacción nuclear en cadena, que explot a con furia hast a ent onces inim aginable. En j ulio de 1945 se hizo explot ar en Alam ogordo, Nuevo Méj ico, la prim era «bom ba at óm ica» o «bom ba- A» ( m ás exact am ent e denom inada una bom ba de fisión) . Un m es después se fabricaron e hicieron explot ar dos bom bas m ás sobre Hiroshim a y Nagasaki, en Japón, al final de la Segunda Guerra Mundial. Sin em bargo, la fisión del uranio no se ut iliza exclusivam ent e para dest ruir. Cuando la producción de energía se logra m ant ener const ant e y a un nivel seguro, la fisión puede ut ilizarse con fines const ruct ivos. Las pilas at óm icas, rebaut izadas m ás exact am ent e com o react ores nucleares, han proliferado durant e los años 50 y 60. Se ut ilizan para propulsar subm arinos y barcos de superficie, y t am bién para producir energía, en form a de elect ricidad, con fines civilizados. Apart e de la fisión de át om os pesados t am bién puede obt enerse energía de la unión de dos núcleos at óm icos ligeros en uno algo m ás pesado ( fusión nuclear) . En part icular, se pueden obt ener energías colosales si se fusionan núcleos de hidrógeno y de helio. Con el fin de provocar la unión de los át om os de hidrógeno, superando la prot ección que supone el elect rón que rodea al núcleo, deben adm inist rarse energías alt ísim as. Tales energías se alcanzan en el cent ro del sol y de las dem ás est rellas. La radiación solar ( que llega a la Tierra en cant idades que no han dism inuido a lo largo de m iles de m illones de años) es la energía producida por la fusión nuclear de m illones de t oneladas de hidrógeno en cada segundo. En los años 50, la energía necesaria podía conseguirse t am bién haciendo explot ar una bom ba de fisión, y se idearon m ét odos para ut ilizar est a bom ba com o det onant e de una variedad de bom ba nuclear t odavía m ayor y m ás dest ruct iva. El result ado fue lo que se conoce indist int am ent e con el nom bre de «bom ba de hidrógeno», «bom ba H», «ingenio t erm onuclear», o m ás exact 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 ruct ivo de las prim eras bom bas de fisión que dest ruyeron dos ciudades en el Japón. Una sola bom ba de fusión podría dest ruir com plet am ent e la ciudad m ás grande, y si t odas las bom bas de fusión exist ent es en la act ualidad se hiciesen explot ar sobre diversas ciudades, es posible que se ext inguiera la vida por la explosión y el fuego direct os y por la radiact ividad dispersada ( lluvia radiact iva) . Pero incluso la bom ba de fusión puede t ener aplicaciones aj enas a t odo t ipo de dest rucción. Ent re los t rabaj os experim ent ales m ás im port ant es que se est án realizando en la act ualidad, se encuent ra el int ent o de producir t em perat uras ext rem adam ent e alt as, de m iles de m illones de grados, en form a cont rolada ( y no en el cent ro de una bom ba de fisión en explosión) , y de m ant ener dichas t em perat uras lo bast ant e com o para act ivar una reacción de fusión. Si se consigue luego que dicha reacción de fusión se desarrolle a una velocidad cont rolada, pueden obt enerse cant idades fant ást icas de energía. El com bust ible sería el deut erio, o hidrógeno pesado, que se encuent ra en cant idades t rem endas en los océanos, cant idades suficient es para durarnos m illones de años. Hast a ahora, la especie hum ana j am ás se había t enido que enfrent ar con la posibilidad de una ext inción t ot al con una guerra de bom bas de fusión, com o t am poco había t enido ocasión de confiar en una prosperidad sin precedent es al dom inar esa m ism a bom ba de fusión. Cualquiera de est os dest inos podría result ar de una sola ram a del avance cient ífico. Est am os adquiriendo conocim ient o; la ciencia nos lo proporciona. A part ir de ahora precisam os t am bién cordura.