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Joseph Black (16 de abril de 1728 – 6 de diciembre de 1799) fue un físico y químico escocés, conocido por sus descubrimientos sobre el magnesio, el calor latente, el calor específico y el dióxido de carbono. Fue catedrático de Anatomía y Química en la Universidad de Glasgow durante 10 años a partir de 1756, y luego catedrático de Medicina y Química en la Universidad de Edimburgo desde 1766, donde impartió clases y conferencias durante más de 30 años.
Los edificios de Química de las universidades de Edimburgo y Glasgow llevan el nombre de Black.
Infancia y educación
Black era hijo del comerciante expatriado del Ulster John Black y de su esposa, Margaret Gordon, nacida en Aberdeen. A los 12 años, Black fue enviado a la escuela en Belfast, y unos años más tarde se trasladó a la Universidad de Glasgow para estudiar arte. Más tarde, el padre de Black le exigió que eligiera una carrera que le condujera a una profesión.
Como eligió medicina, Black cayó bajo la influencia de un innovador profesor de química, William Cullen, e, inusual para un joven estudiante, empezó a realizar experimentos químicos en el laboratorio de su profesor. Black no se licenció en medicina en Glasgow porque se sintió atraído por la Universidad de Edimburgo, donde la facultad de medicina gozaba de más prestigio. Para graduarse, los estudiantes tenían que preparar una tesis. Black era especialmente asiduo (muchos estudiantes no se tomaban en serio su trabajo) y realizó una serie de experimentos sobre las propiedades químicas de un álcali, en concreto, la magnesia alba, hoy conocida como carbonato de magnesio. El trabajo debía tener una conexión médica, así que Black describió la aplicación de esta sustancia a trastornos digestivos menores. Obtuvo el título de médico en 1754.
Desarrollo de una balanza analítica
Hacia 1750, siendo aún estudiante, Black desarrolló la balanza analítica basada en una viga de peso ligero equilibrada sobre un fulcro en forma de cuña. Cada brazo llevaba un platillo en el que se colocaba la muestra o el peso patrón. Superaba con creces la precisión de cualquier otra balanza de la época y se convirtió en un importante instrumento científico en la mayoría de los laboratorios de química.
Investigación sobre la alcalinidad y el «aire fijo”
La investigación sobre la naturaleza de la alcalinidad, que Black llevó a cabo para su tesis, sentó las bases del artículo más importante de su carrera, «Experiments upon Magnesia Alba, Quicklime, and Some Other Alcaline Substances», presentado a la Sociedad Filosófica de Edimburgo en 1755. La primera serie de experimentos para su tesis se llevó a cabo con sal de magnesio y, por primera vez, consistió en una serie cíclica planificada de experimentos cuantitativos en los que se utilizó una balanza en todas las etapas.
Comprobó que, con los ácidos, la magnesia alba se comportaba de forma similar a la creta (carbonato cálcico), desprendiendo un gas. A continuación, calentó una muestra del compuesto inicial y comprobó que el producto, la magnesia usta (ahora conocida como óxido de magnesio), al igual que la cal viva (óxido de calcio), no efervescía con los ácidos.
Sin embargo, a diferencia de la cal viva, no era cáustica ni soluble en agua. Black planteó la hipótesis de que la pérdida de peso durante el calentamiento se debía al gas generado. Entonces añadió una solución de potasa (carbonato potásico) a la magnesia usta y demostró que el producto pesaba lo mismo que su muestra original de magnesia alba. La diferencia entre la alba y la usta era, por tanto, el gas, que Black denominó «aire fijo». Podía introducirse en esta última para recrear la primera por medio de la potasa.
Black amplió sus experimentos y llevó sus conclusiones a un estadio superior en su artículo de 1756 a la Sociedad Filosófica. Se concentró en las sales de calcio más que en las de magnesio, demostrando que, cuando se calienta fuertemente la creta hasta convertirla en cal viva, se desprende un gas, y concluyó que este gas procede de la creta y no del fuego del horno; éste había sido un punto de controversia entre los profesores de Edimburgo.
El gas pudo sustituirse añadiendo solución de potasa a la cal viva, lo que demostró que el aire fijado está contenido en el álcali. Black demostró entonces que el gas no es una versión del aire atmosférico. Fue así el primer químico que demostró que los gases podían ser sustancias químicas en sí mismas y no, como se había pensado hasta entonces, aire atmosférico en diferentes estados de pureza.
Tras los experimentos fundamentales de Black, en la segunda mitad del siglo XVIII se caracterizaron químicamente otros gases, como el oxígeno (al que llamó aire desflogisticado) por el clérigo y científico inglés Joseph Priestley, el nitrógeno por Daniel Rutherford (alumno de Black) y el hidrógeno por el físico y químico inglés Henry Cavendish.
Investigación sobre el calor
Black pasó un par de años tras su graduación trabajando como médico. En 1756, Cullen fue nombrado catedrático de química en Edimburgo y Black ocupó la vacante creada en Glasgow, convirtiéndose en profesor de anatomía y profesor de química. Cullen se había interesado especialmente por el descenso de temperatura que resulta de la evaporación de los líquidos. Black se interesó también por los fenómenos térmicos y se planteó preguntas como: ¿Por qué el agua no hierve repentinamente cuando la temperatura alcanza el punto de ebullición? ¿Por qué el hielo no se derrite repentinamente cuando la temperatura supera el punto de congelación?
Black distinguió entre la cantidad de calor en un cuerpo y su intensidad, o temperatura, dándose cuenta de que los termómetros pueden utilizarse para determinar la cantidad de calor si la temperatura se mide durante un periodo de tiempo mientras el cuerpo se calienta o se enfría.
Tomó dos frascos de vidrio similares, vertió la misma cantidad de agua en ambos y los colocó en una mezcla helada. En uno había añadido un poco de alcohol para evitar la congelación. A continuación, los sacó del baño, uno congelado y el otro líquido, aunque a la misma temperatura. Se dejaron calentar de forma natural.
La temperatura del agua más el alcohol subió varios grados, mientras que el hielo permaneció en su punto de congelación. Como los matraces tenían que estar absorbiendo calor al mismo ritmo, Black demostró que el calor absorbido por el hielo en 10 horas habría elevado la temperatura de la misma cantidad de agua en 78 °C (140 °F). Este era el calor latente de fusión del agua. Los experimentos se ampliaron para medir el calor latente de vaporización del agua.
Black y James Watt
Durante su estancia en Glasgow, Black entró en contacto con el inventor escocés James Watt, que trabajaba como constructor de instrumentos para la universidad. Watt trabajaba en el desarrollo de mejoras de la máquina de vapor, y su versión de doble cilindro reconocía esencialmente el fenómeno del calor latente. Sin embargo, los dos hombres, que llegaron a ser grandes amigos, se esforzaban en declarar que sus investigaciones se llevaban a cabo de forma independiente. Watt siguió desarrollando la fábrica Soho de máquinas de vapor y otros productos en Birmingham, en colaboración con Matthew Boulton. Aunque Black y Watt se vieron poco después del periodo de Black en Glasgow, su separación dio lugar a una rica correspondencia entre ellos, de la que se conserva gran parte.
Consultor industrial y aporte de Black al desarrollo de Escocia
A mediados de la década de 1760, se produjeron poderosos movimientos para que Black regresara a Edimburgo. Cullen fue trasladado a otra cátedra de medicina para permitir que su antiguo alumno se convirtiera en profesor de química en 1766.
En este punto de su carrera, se produjo un cambio en el enfoque que Black tenía de la química. En lugar de seguir dedicándose a los conceptos fundamentales, Black se dedicó casi por completo a la enseñanza y a asesorar a terratenientes y empresarios sobre cómo podían desarrollarse en Escocia (y a veces más lejos) las industrias basadas en la química.
No cabe duda de que algunos pensaban que no se tomaba suficientemente en serio su responsabilidad como químico académico. Sin duda, Black parece haber tenido aversión a publicar sus investigaciones; por ejemplo, no escribió nada sobre sus teorías del calor para su publicación. Su trabajo se hizo muy conocido gracias al gran número de estudiantes (a veces más de 300) que se inscribían en su curso anual de conferencias y difundían sus conceptos por toda Gran Bretaña, Europa y Estados Unidos. Algunos de sus trabajos fueron publicados por otros.
En el siglo XVIII, Escocia se industrializó rápidamente, partiendo de una base baja. Parte del mérito se debe a la Junta de Fideicomisarios para las Manufacturas de Escocia. Tras el Acta de Unión de 1707, que unió los parlamentos inglés y escocés, se reservó una suma anual de dinero para fomentar el desarrollo industrial. Al principio no se estableció ningún mecanismo para la distribución de los fondos, pero en 1727 se creó un consejo de administración y el primer año se destinaron 6.000 libras a las industrias del arenque, el lino y la lana. Más tarde, Black y sus colegas de la Universidad de Edimburgo participaron activamente en la evaluación de las propuestas presentadas al patronato. En particular, evaluaron propuestas para el desarrollo de planes para mejorar el blanqueo del lino.
Blanqueo de lino
El lino era un producto importante y en expansión en Escocia e Irlanda. Había surgido una crisis porque el agente utilizado en el blanqueo, la potasa hecha de cenizas de madera había subido de precio un 50% entre 1750 y 1770 en respuesta a la escasez de madera. La alternativa habitual, la leche agria, tardaba semanas más en hacer efecto. Francis Home, colega universitario de Black, sugirió que, en lugar de leche agria, se utilizara ácido sulfúrico diluido.
La contribución de Black consistió en aumentar el poder blanqueador de la potasa añadiéndole cal. Esto dio lugar a la única publicación sustancial de Black relativa a un proceso industrial, «An Explanation of the Effect of Lime upon Alkaline Salts«, que se publicó en Home’s Experiments on Bleaching (1771).
Otro enfoque del problema del blanqueo era buscar una forma más barata de fabricar potasa. Cullen se dedicó a ello y fue recompensado por la junta por su propuesta de quemar coníferas en las zonas más remotas de las Highlands escocesas, y especuló sobre si los helechos o las algas marinas serían una fuente económicamente favorable del álcali. Black se interesó y analizó algas marinas quemadas obtenidas de distintas fuentes de la costa escocesa. Demostró que el rendimiento del álcali podía variar considerablemente de un lugar a otro.
Química industrial
La habilidad de Black para juzgar la viabilidad de nuevas propuestas de procesos industriales se hizo célebre. Después de que juzgara magistralmente los beneficios financieros de establecer una fábrica de alquitrán, Sir John Dalrymple, procurador de la Junta de Impuestos Especiales, describió a Black como «el mejor juez, quizá de Europa, del mérito de tales inventos». No cabe duda de que Black era muy solicitado por sus opiniones, ya que era consultado por un número considerable de industriales sobre una gama extraordinariamente amplia de temas.
En la correspondencia conservada se incluyen el refinado del azúcar, la producción de álcalis, el blanqueo, el vidriado de cerámica, el teñido, la fabricación de cerveza, la corrosión de metales, la extracción de sal, la fabricación de vidrio, la composición mineral, el análisis del agua, la fabricación de vinagre y la construcción de hornos. Además, se le pedía su opinión sobre diversos asuntos agrícolas.
Últimos años de Joseph Black
Existen relativamente pocas pistas sobre la vida social y las relaciones de Black. Al parecer, era muy sociable y era miembro de los clubes Poker y Oyster, donde cenaba con sus amigos varones. En sus últimos años recibió en Edimburgo a visitantes influyentes, como el diplomático estadounidense Benjamin Franklin. Nunca se casó, aunque disfrutaba de la compañía de mujeres intelectuales de la epoca. A veces cantaba en reuniones sociales; sabía tocar la flauta y dibujaba con habilidad. Su salud nunca fue robusta, y cuidaba su dieta.
La enseñanza de la química de Black, en sus primeros años, reflejaba las últimas ideas de la época; hacia el final de su carrera, sus puntos de vista empezaron a parecer anticuados. Sobre todo en lo que se refiere a la naturaleza de la combustión. La teoría del flogisto del siglo XVII, según la cual las sustancias ardientes emiten una sustancia invisible e ingrávida llamada flogisto, fue superada por las opiniones del químico francés Antoine-Laurent Lavoisier, que propuso su teoría del oxígeno a partir de 1775.
Black se mostró reticente a adoptar esta teoría, aunque sus alumnos la defendieron enérgicamente. Finalmente, Black mantuvo correspondencia con Lavoisier en 1790 y cedió ante lo inevitable. A partir de 1795, Black abandonó casi por completo la enseñanza, aunque conservó su título. Black tuvo una muerte célebre: su criado lo encontró con una taza de leche entre las rodillas, sin derramar ni una gota. Se comentó que este hecho estaba totalmente en consonancia con la naturaleza ordenada de su vida y, además, que reflejaba la perfección de sus procedimientos experimentales.
Para más información Joseph Black (1728-1799)
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