Química moderna
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Química moderna, etapa de la química dedicada al estudio de la estructura y composición, propiedades y transformación de las sustancias. Es a esto que se dedica la Química. Dicho así, puede parecer una empresa limitada pero lejos de ello. Su ámbito de actuación lo abarca todo pues todo el mundo conocido, sea líquido, sólido, gas o plasma, está formado por elementos químicos o compuestos de los mismos. Incluidos nosotros: el cuerpo humano es un agregado de átomos y moléculas que interaccionan. Por Annia Domenech de Caos y Ciencia.
Sumario
Química medieval
La química medieval comenzó como un arte empírico, pero alrededor del siglo XIII había adquirido un cuerpo considerable de teoría, cuya finalidad era explicar los cambios de cualidad y de sustancia en las sustancias inanimadas de la región terrestre.
Desde la primera formulación de la hipótesis atómica por los filósofos de la antigua Grecia, el concepto de átomo no varió sustancialmente hasta el siglo XIX. Fue entonces cuando se pasó de la hipótesis a la teoría científica gracias a los esfuerzos de los químicos de finales del siglo XVIII y principios del XIX por interpretar los fenómenos cuantitativos de la química. La noción de átomo se identificó entonces con la de constituyente último de la materia; es decir, el elemento químico.
Cuando J. J. Thomson descubrió experimentalmente el electrón en 1897, se puso en tela de juicio la idea del átomo indivisible. Desde entonces, la investigación en química atómica no ha dejado de avanzar, y ha propuesto diversas teorías y modelos atómicos hasta llegar a la teoría cuántica, una vez reconocida la imposibilidad de explicar la estructura del átomo en el marco de la teoría clásica
Origen
Los elementos químicos tienen un origen extraterrestre. Los más básicos, elhidrógeno y el helio, se originaron en el Big Bang. El resto lo hicieron en reacciones de fusión en el interior de las estrellas (donde también se obtiene helio "quemando"hidrógeno) y, los más pesados que elhierro, en explosiones de supernova. Es a la muerte de las estrellas que los elementos "cocinados" por ellas se liberan al medio interestelar quedando a disposición de un futuro uso: asteroides, planetas, nuevas estrellas, seres humano… Sí, somos "polvo de estrellas", como afirmaba Carl Sagan, el gran divulgador y científico americano. Pero polvo que vive. La asociación de elementos químicos constituyendo primero moléculas simples que van ganando en complejidad puede comprenderse intuitivamente, sin embargo, ¿cómo surge la vida? El bioquímico ruso Oparín propuso una teoría para explicar este paso transcendental de moléculas complejas a organismos simples. Stanley Miller y H.C. Urey basándose en su teoría hicieron una "sopa" de metano, amoníaco, hidrógeno y agua, e intentaron reproducir las condiciones reinantes en la Tierra primitiva con descargas eléctricas e irradiación con rayos X. El resultado fue la aparición de aminoácidos, azúcares y bases nitrogenadas, los ladrillos necesarios para el ADN y el ARN y las proteínas. Sin ellos los seres vivos tal y como los conocemos no existirían. Pero los procesos químicos no son únicamente algo que sucede en la naturaleza sino que el ser humano ha aprendido a hacerlos en su propio beneficio. Empezó con el fuego, una reacción química, y actualmente la contribución de esta ciencia a la vida cotidiana es inconmensurable, pese a ser poco reconocida y un poco denostada en beneficio de "lo natural", como si la Naturaleza, nuestro propio organismo incluido, no fuera pura química.
La industria química responde a las necesidades de una población inconsciente de su omnipresencia. La Química está detrás del desarrollo de antibióticos y vacunas. También de la asepsia en las intervenciones quirúrgicas. Y de los detergentes para el hogar. Del grifo sale agua que podemos beber gracias al uso de agentes potabilizadores como el cloro. Ha permitido erradicar enfermedades y, también, permitir al ser humano dedicarse a otras tareas que la mera supervivencia. Por ejemplo, ir al espacio, una actividad que ha exigido el desarrollo de nuevos materiales que después han dado el salto a la vida cotidiana. O hacer deporte, donde la resistencia y la ligereza de las herramientas utilizadas son factores a tener muy en cuenta y permiten batir records continuamente. Las bicicletas actuales son pesos pluma comparadas con las de hace cien años. O el arte. Descubrir cómo trabajaban los pintores en el pasado requiere mucha química, lo mismo que la conservación del patrimonio que nos dejaron. Y la realización de fotos, películas y sistemas de reproducción musical. Afirmar que "la química está en todas partes", como suelen repetir sus incondicionales, no es sólo un bello slogan vacío de contenido. Sin ella es imposible comprender nuestro mundo.
El 2011 es el Año Internacional de la Química (International Year of Chemistry, IYC2011). Fue proclamado por la Asamblea General de la ONU en diciembre de 2008 y su lema reza: "Química: nuestra vida, nuestro futuro". Este justo enaltecimiento de esta ciencia será el marco de múltiples actividades de divulgación de la misma pues uno de sus objetivos principales es que sea conocida, y reconocida, por el gran público. Se busca destacar el importante papel que puede representar en el avance hacia un desarrollo sostenible que exige, por ejemplo, nuevos métodos de producción de energía o la obtención de materiales de bajo impacto en el medio ambiente. Retos como la reducción de las emisiones de efecto invernadero necesitan de desarrollos químicos. La alimentación de una población mundial, que se contará en 9.000 millones de personas en 2050, según estimaciones de la ONU, no será posible sin su concurso.
La química moderna es relativamente reciente. Se considera que su progenitor fue en el siglo XVIII el francés Antoine Laurent de Lavoisier, miembro desde muy joven de la reputada Academie des Sciences. Una de sus grandes aportaciones fue afirmar que la masa no se crea ni se destruye, sino que se conserva en las reacciones. Asimismo, su uso de la balanza en todos los experimentos dio un gran impulso a esta ciencia. Descubrió con ella la composición del aire y del agua y el mecanismo de las combustiones, entre otros. Su esposa, Marie-Anne Pierrete Paulze, fue una gran colaboradora de Lavoisier. Es de recibo recordarla en este Año Internacional de la Química que recuerda los logros de una científica excepcional conocida como Marie Curie.Y es que 2011 coincide con el centenario del Premio Nobel de Química a Marie Sklodowska-Curie por el descubrimiento del radio y el polonio, que pocos años antes había compartido el Premio Nobel de Física con su marido, Pierre Curie, y con Antoine Henri Becquerel. El IYQ quiere, aprovechando esta efeméride, serun reconocimiento internacional a la contribución de las mujeres al avance científico, especialmente en esta disciplina. También conmemora el siglo transcurrido desde la fundación de la International Association of Chemical Societies, precursora de la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), que junto a la Unesco se encarga de gestionar esta celebración.
En suma, una celebración que durará 365 días en los que la Química no sólo estará cotidianamente presente en nuestras vidas, esto es así queramos o no, sino que se nos recordará constantemente que está allí y sus intríngulis. Con un poco de buena voluntad acabaremos siendo un poco más sabios sobre el mundo en el que vivimos. Recuerde la próxima vez que prepare la comida, cocinar no es otra cosa que provocar reacciones químicas. Lo mismo que tantas otras cosas.
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Antoine Lavoiser: el padre de la química moderna
Los numerosos e importantes experimentos y descubrimientos hechos en relación con los gases durante casi cincuenta años tenían que ser reunidos en una teoría global, cosa que ocurrió hacia finales del siglo XVIII. El encargado fue el químico francés Antoine Laurent Lavoiser. Lavoiser nació en París en 1743. En 1766 ganó una medalla de oro en un concurso convocado por la Academia de Ciencias de su país sobre técnicas de alumbrado público.
A fines de la década de 1760, Lavoiser ya había realizado una serie de experimentos que partían de los hallazgos de Joseph Black, con los que demostró que el agua no podía transformarse en tierra. Cuando en 1774 Priestley viaja a París y le comunica a Lavoisier su descubrimiento del aire deflogistizado, al investigador francés le queda claro que el aire no es un elemento inerte que recibe o entrega el flogisto, sino que el supuesto aire deflogistizado constituye un elemento. Repite los experimentos de Priestley con el óxido de mercurio y en 1775 aísla el aire “puro”. Desarrolla la idea de que en toda combustión lo que ocurre es una destrucción del aire “puro”, y el peso del cuerpo que ardió se aumenta exactamente en la misma cantidad del aire absorbido. Se opone así Lavoisier a la teoría del flogisto sobre la combustión. En esa época, se aceptaba que cuando metales como el estaño y plomo se calentaban en un recipiente cerrado que contenía aire, se observaba el aumento del peso del “calcinado” y la constancia del peso del sistema total, al tiempo que se crea un vacío parcial en el interior del recipiente y sólo aproximadamente una quinta parte del volumen del aire se consume. La interpretación que da Lavoisier a estos hechos es bien distinta de la de colegas británicos como Priestley y Black. Los metales no liberan flogisto al calcinarse sino que se combinan con un elemento componente del aire que es el que se había identificado como aire “puro”, y de ahí su incremento de peso. A partir de entonces nombra este nuevo elemento gaseoso como oxígeno.
En 1789, casi coincidiendo con la Revolución Francesa, Lavoisier publicó su Tratado elemental de química. Este libro fijaba los fundamentos de la química como una disciplina genuinamente científica, y los químicos suelen considerarlo como el equivalente en química de lo que fueron los Principia Matemática de Newton. Lavoiser expone en este libro el método cuantitativo para interpretar las reacciones químicas y propone el primer sistema de nomenclatura para los compuestos químicos, del que aún perduran por ejemplo, la clasificación de los compuestos binarios del oxígeno. Además, proporcionaba detalladas descripciones de las técnicas utilizadas, incluido el equipamiento y el tipo de experimentos realizados.
Por otro lado, estableció la definición más clara de lo que era un elemento químico, poniendo por fin en práctica la idea que había tenido Robert Boyle durante la década de 1660, relegando definitivamente a los cuatro elementos de los griegos. Se entiende por elemento toda aquella sustancia que no puede descomponerse en otras más sencillas. Además, presentó la primera tabla de los elementos que, aunque muy incompleta, se puede considerar como la base a partir de la cual surgió la tabla periódica moderna.
El listado de las 33 sustancias simples presentando por Lavoisier tiene el siguiente encabezamiento: “Sobre la tabla de las sustancias simples o, al menos, de aquellas que el estado actual de nuestros conocimientos nos obliga a considerar como tales”, e incluye, entre otras, la luz y el calórico. Los nombres dados a las sustancias hasta entonces pretendían identificar cada sustancia según alguna de sus propiedades. Así, por ejemplo, las denominaciones asignadas se referían al color, al sabor, a una propiedad medicinal o al nombre del descubridor. Los compuestos se clasificaban por familias según los elementos que los constituían, adoptándose el acuerdo de nombrar en primer lugar la familia a la que pertenecían y en segundo lugar su rasgo específico (óxido de hierro). La proporción entre dos elementos que formaban más de un compuesto se indicaría cambiando la terminación del nombre específico. Las sales tomarían el nombre genérico del ácido y el específico de la base. La química adquiría así un lenguaje analítico, metódico y preciso, que permitía nombrar a cualquier nueva sustancia que se descubriese. Además, facilitó enormemente la tarea de los químicos a la hora de comunicarse los descubrimientos los unos a los otros.
El oxígeno forma parte del aire
Tenemos que agradecer a Lavoisier que introdujera el uso de la balanza como instrumento de medida en el laboratorio. También descubrió el oxígeno y demostró que este gas es un componente del aire. Algunos de sus experimentos examinaron la naturaleza de la combustión, demostrando que es un proceso en el que se produce la combinación de una sustancia con oxígeno, y que habitualmente se manifiesta por una llama. También reveló el papel del oxígeno en la respiración de los animales y las plantas. ¿Y esa nomenclatura química que sirve de base para el estudio de la química? Pues también la concibió él, junto con otro químico francés, Claude Louis Berthollet.
Lavoisier escribió varios libros, entre ellos Tratado elemental de química (1789), donde aclara el concepto de elemento como una sustancia simple que no se puede dividir mediante ningún método de análisis químico conocido.Una mente tan inquieta acabó con problemas. Estuvo metido en política, intentando introducir reformas en el sistema monetario y tributario francés. Además fue dirigente de los campesinos. Cuando estaba trabajando en el cobro de las contribuciones, fue arrestado. Esto ocurrió en 1793. Algunas personas intentaron salvarle, pero el Tribunal Revolucionario decidió guillotinarlo. No hubo vuelta atrás y Lavoisier murió de esta manera el 8 de mayo de 1794. Tenía 51 años. Un famoso matemático, Lagrange, dijo que habrían de pasar 100 años antes de que naciera otra cabeza igual.Un científico explicó al tribunal todos los trabajos de Lavoisier y se dice que el presidente del tribunal pronunció una famosa frase: “La República no necesita sabios”.
Flogisto
La chapuza del flogisto estuvo vigente hasta apareció la figura de Antoine Lavoiser (Agosto de 1743 – Mayo de 1794), químico francés que sacó la química de ese callejón sin salida enterrando el flogisto para siempre junto con la teoría de los cuatro elementos y dando luz con ello a la nueva Química Moderna. Junto con su mujer, que tenía una inteligencia arrolladora y un interés por la ciencia apasionante, rescataron las ideas de Wayner, realizando un experimento con un recipiente de vidrio cerrado en el que se encontraba una muestra de estaño y aire. Observaron, que después del calentamiento, la masa del recipiente con la muestra era la misma antes y después de aplicarle el calor.
Siguiendo con esta linea de experimentos, Lavoisier y su mujer descubrieron que el producto de la reacción, el estaño calentado (óxido de estaño), estaba compuesto por estaño original junto con parte del aire. En 1786 publicó en los Procedimientos de la Academia su abandono de la teoría del Flogisto que había hecho perder tanto tiempo a los científicos, defendiendo dos principios:
1.Existe una verdadera combustión, pero sólo mientras el cuerpo combustible esté rodeado y en contacto con el oxígeno; la combustión no puede tener lugar en cualquier otro tipo de aire o en el vacío, y los cuerpos ardientes que se zambullan en cualquiera de estos dos casos se extinguirán tan ciertamente como si se sumergieran en agua.
2.En toda combustión se produce un aumento de peso en el cuerpo quemado; y este aumento es exactamente igual al peso del aire absorbido.
Con estos dos principios, se dio un paso de gigante para la química, estancada en el flogisto, y llevó a la formulación de la ley de conservación de la masa en 1774.
Ley de conservación de la masa
En toda reacción química la masa se conserva, es decir, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos. Esto tiene una importancia fundamental ya que permite extraer componentes específicos de cualquier materia prima sin tener que desechar el resto; también es importante debido a que nos permite obtener elementos puros, cosa que sería imposible si la materia se destruyera.
A parte de sus descubrimientos, su manera de trabajar estableció la química como una disciplina científica: Determinó que las conclusiones científicas solo pueden alcanzarse mediante un experimento cuidadosamente preparado y una exacta medición. Descubrió que el agua estaba formada por oxígeno y hidrogeno, hizo del equilibrio químico el árbitro de la verdad científica, definió muchos conceptos que luego fueron indispensables para el desarrollo de la química; investigo la luz como fuente para iniciar la combustión usando lentes; fue más allá que Boyle y trazó la distinción entre compuesto y elemento en el sentido que hoy conocemos de esos términos. Fue pionero en los precisos métodos de análisis que, junto con sus conceptos, hicieron que el sigo XIX se convirtiera en la edad de Oro de la Química.
Cuando Lavoisier trabajaba para la Real Academia de Ciencias informando sobre los temas de actualidad científicas, realizo una serie de comentarios despectivos en 1780 sobre un joven científico Jean Paul Marat y sus erróneas teorías sobre la combustión. Al estallar la revolución, Lavoisier se colocó en el punto de mira por ser miembro de la Férme Generale y haber participado con tanto entusiasmo en el levantamiento del muralla que rodeaba París, y para su desdicha, Marat se había convertido en una de las voces de la Asamblea Nacional. Aún enfadado por las críticas que había recibido, Marat denunció a Lavoisier en 1791 indicando que debía haber sido ejecutado desde hacia mucho tiempo. Poco después una joven llamada Charlotte Corday asesino a Marat en la bañera. En octubre del 1793, fue enviada Maria Antonieta a la guillotina y al mes siguiente Lavoisier fue detenido cuando intentaba huir con su esposa a Escocia. Cuando pidió que se le permitieran dos semanas para poder completar algunos trabajos antes de su desdicha, el Juez le respondió con:
La revolución francesa no necesita científicos
Varias horas más tarde, el 8 de mayo de 1794, a sus 53 años, acabó en la guillotina de lo que ahora es la Plaza de la Concordia. En palabras de Josep Louis Lagrange (matemático y astrónomo): “Solo tardaron un instante en cortarle la cabeza, pero dudo que Francia no produzca otra como la suya en todo el siglo.”
Llegados a este punto, me gustaría hacer un breve inciso en el químico suizo Carl Wilhem Schelee, ideo un proceso para obtener Fósforo a escala industrial puesto que aún se hacia de la orina de los soldados, costando unos 440 euros los 30 gramos; y descubrió ocho elementos: el Cloro, el Flúor, el Manganeso, el Bario, el Molibdeno, el Tungsteno, el Nitrógeno y el Oxígeno, aunque no se le llegó a honrar por ninguno de ellos. También descubrió compuestos como el amoniaco, la glicerina y el ácido tánico y el ácido prúsico, compuestos que más adelante hicieron ricas a muchas personas. Pero Schelee tenía un problema, le gustaba probar todas las substancias que pasaban por su laboratorio: ya fuese el mercurio o el ácido cianhídrico (la toxina del experimento mental y felino de Schrödinger) entre otros. En 1786, con sólo 43 años lo encontraron muerto en su banco de trabajo, rodeado de substancias químicas; una de ellas, seguramente el mercurio, fue la causante de su muerte.
La química que había dejado Lavoisier fue el punto de partida para muchos científicos que no tardaron en dar sus frutos. Joseph Proust (1754 – 1826) químico francés que desarrolló la mayor parte de su carrera científica academias y laboratorios Españoles (Real Seminario de Vergara, Real Academia de Artillería de Segovia, Laboratorio Real de Madrid, …) realizó numerosos experimentos en los que estudiaba la composición de diferentes carbonatos de cobre, óxidos de estaño y sulfuros de hierro”.
En 1799, Proust estableció :
Cien libras de cobre, disuelto en ácido sulfúrico o nítrico y precipitado por carbonato de sodio, producen invariablemente 180 libras de carbonato de color verde. Junto con otras muchas observaciones similares, Proust fue observando que la cantidad de masa de cada uno de los componentes en una reacción (por ejemplo, cobre,carbono y oxígeno en los carbonatos de cobre) se mantenía constante en el compuesto final, independientemente de si era un carbonato natural o artificial o de las condiciones de la reacción. Dos compuestos se diferenciaban entre sí por las proporciones de los elementos que lo formaban sin apreciarse composiciones intermedias. Por ejemplo, el Carbonato de cobre (I) Cu2CO3 y el Carbonato de cobre (II) CuCO3. Sus numerosas observaciones lo llevaron a postular, en 1799, la ley de Proust, también conocida como Ley de las proporciones definidas o Ley de la composición constante:
Ley de composición constante
Cuando se combinan dos o más elementos para dar un determinado compuesto, siempre lo hacen en una relación de masas constantes. El porcentaje de cada uno de los elementos que forman un compuesto siempre va a ser igual, ya sean 10 g o 100 toneladas. Por ejemplo nuestra preciada agua esta formada, como hemos comentado antes, por un 88,81% de oxígeno y un 11,20% de hidrógeno.
La química moderna y el medio ambiente
Desde fines del siglo pasado la Química se ha ido enriqueciendo hasta convertirse en una Ciencia Natural imprescindible, que cumple con un papel central en proyectos interdisciplinarios. La misma Química ha contribuido a su protagonismo al establecer la necesidad de que las estrategias de trabajo, , tengan presente que el efecto sobre el Medio Ambiente, sea el menor posible – así se generó la llamada Química Verde o Química Benigna.
En campos tradicionales de la Química se observa como se inspiran, utilizan y complementan con otras disciplinas. Así se advierte la utilización creciente de la matemática estadística en la química analítica, de la física y de la ingeniería conjuntamente con la química de los materiales y con la descripción detallada de procesos químicos a nivel atómico-molecular. Además, la biología tiene una creciente relación con la síntesis de medicamentos y la detección de tóxicos, las técnicas de simulación numérica también han tenido gran importancia para complementar resultados experimentales en distintos aspectos de la fisicoquímica.
En resumen, hoy, la Química es la ciencia de la comunicación, el reconocimiento y el comportamiento a nivel molecular, y que, como tal, su contribución es central en las actividades científico-tecnológicas interdisciplinarias.
Enlaces externos
Fuentes
- C. Schorlemmer, Ursprung und Entwicklung der Organischen Chemie (Origen y desarollo de la química orgánica), Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig, Leipzig, 1984
- BROWN, T. L., H.E. Y BURSTEN, B.E. (1993). Química la ciencia central. México: Prentice-Hail. Hispanoamericana. Quinta Edición.
- Chang, Raymond. (1998). Química. México: McGraw-Hill. Sexta Edición.
- Ebbing, Darrell D. (1996). Química General. México. McGraw-Hill. Quinta edición
- Whitten, K. W., Davis R.E. y Peck, M. L. (1998). Química General. España: McGraw-Hill. Quinta edición
- Petrucci, R. H. (1977). Quimica general. México: Fondo Educativo Interamericano
