Introduccion A La Historia De La Quimica.pdf 5b3k4n
This document was ed by and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this report form. Report 3b7i
Overview 3e4r5l
& View Introduccion A La Historia De La Quimica.pdf as PDF for free.
More details w3441
- Words: 71,767
- Pages: 226
ISBN 84-362-4347-1
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
CUADERNOS DE LA UNED
Soledad Esteban Santos
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA
CUADERNOS DE LA UNED (35211CU01) INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del «Copyright», bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos.
© UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA - Madrid, 2001 Librería UNED: c/ Bravo Murillo, 38 Teléfs.: 91 398 75 60/73 73. E-mail: [email protected] © Soledad Esteban Santos ISBN: 84-362-4347-1 Depósito legal: M. 11.496-2002 Primera edición: septiembre de 2001 Primera reimpresión: marzo de 2002 Impreso en España - Printed in Spain Imprime: Fernández Ciudad, S. L. Catalina Suárez, 19. 28007 Madrid
ÍNDICE
PRESENTACIÓN ....................................................................................
13
TEMA 1. LOS QUÍMICOS ANTE SU HISTORIA ................................
15
1.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
1.2.
LA QUÍMICA Y LA CIENCIA ....................................................... 1.2.1. Algunos conceptos previos................................................ 1.2.2. El método científico. .........................................................
1.3.
LA EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA: RASGOS GENERALES .... 1.3.1. Orígenes y desarrollo de la química ................................. 1.3.2. Pasos en la evolución de la química ................................. 1.3.3. Evolución de la química en relación a otras ciencias .....
1.4.
ORIGEN DE LA PALABRA «QUÍMICA».....................................
1.5.
ESTRUCTURA DE ESTE TEXTO ...............................................
17 17 18 19 20 20 21 22 23 24
BLOQUE TEMÁTICO I Los primeros pasos de la Química TEMA 2. LA QUÍMICA PRIMITIVA ...................................................
29
2.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
31
2.2.
LA QUÍMICA EN LA PREHISTORIA..........................................
31
2.3.
LA QUÍMICA EN LAS PRIMERAS CIVILIZACIONES HISTÓRICAS ................................................................................
33
2.4.
LA QUÍMICA PRÁCTICA EN EXTREMO ORIENTE.................
34
2.5.
PRIMERAS TECNOLOGÍAS: CERÁMICA, VIDRIO Y ESMALTES
35
8 2.6.
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
EL TRABAJO CON METALES: LA METALURGIA ....................
36
2.6.1. Uso de los metales en la Antigüedad ................................ 2.6.2. Minerales y procesos químicos de la metalurgia.............
37 39
2.7.
PRODUCTOS QUÍMICOS SEGÚN LOS TEXTOS ANTIGUOS.
40
2.8.
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
42
TEMA 3. LAS PRIMERAS TEORIZACIONES EN QUÍMICA.........
45
3.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
47
3.2.
ESTUDIO DE LA MATERIA EN LA FILOSOFÍA NATURAL GRIEGA.........................................................................................
48
3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4.
Filósofos presocráticos...................................................... Aristóteles .......................................................................... Epicúreos ........................................................................... Estoicos ..............................................................................
48 48 50 51
3.3.
EVOLUCIÓN DE LA IDEA DE ELEMENTO..............................
51
3.4.
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
52
TEMA 4. LA ALQUIMIA ......................................................................
53
4.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
55
4.2.
ORÍGENES Y DESARROLLO DE LA ALQUIMIA .....................
56
4.3.
LA ALQUIMIA CHINA .................................................................
57
4.4.
LA ALQUIMIA GRIEGA ...............................................................
59
4.5.
LA ALQUIMIA ÁRABE .................................................................
61
4.6.
LA ALQUIMIA EN EL OCCIDENTE CRISTIANO .....................
63
4.7.
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
65
BLOQUE TEMÁTICO II Los pasos hacia la Ciencia TEMA 5. LA IATROQUÍMICA O QUÍMICA MÉDICA DEL RENACIMIENTO .................................................................
69
5.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
71
5.2.
PRIMEROS TIEMPOS DE LA QUÍMICA RENACENTISTA .....
72
5.3.
PARACELSO Y LA IATROQUÍMICA ...........................................
73
5.3.1. Paracelso: notas sobre su vida .......................................... 5.3.2. Ideas químicas de Paracelso ............................................. 5.3.3. Paracelso como médico ....................................................
73 74 74
9
ÍNDICE
DESARROLLO DE LA IATROQUÍMICA.....................................
75
5.4.1. Van Helmont: el químico de lo cuantitativo y del agua ..
76
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
79
TEMA 6. BOYLE: EL SENTIDO QUÍMICO Y EL SENTIDO RELIGIOSO ..........................................................................
81
6.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
83
6.2.
LA TEORÍA ATÓMICA EN LOS INICIOS DEL RENACIMIENTO .........................................................................
83
BOYLE: VIDA Y ACTIVIDAD CIENTÍFICA................................
84
6.3.1. 6.3.2. 6.3.3. 6.3.4. 6.3.5.
Algunos datos de su biografía........................................... Boyle y la teoría corpuscular ............................................ Boyle y la teoría ácido-base .............................................. Boyle y el estudio de los gases .......................................... Boyle y la interdisciplinaridad..........................................
84 85 87 87 89
6.4.
OTROS CIENTÍFICOS DE ESTA ÉPOCA ...................................
90
6.5.
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
90
TEMA 7. CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA ......................................................................
93
7.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
95
7.2.
NEWTON Y LA QUÍMICA ...........................................................
95
7.3.
LA TEORÍA DEL FLOGISTO.......................................................
97
7.3.1. Antecedentes históricos y científicos ............................... 7.3.2. Stahl y la teoría del flogisto ..............................................
97 98
LA QUÍMICA PNEUMÁTICA .......................................................
100
7.4.1. Inglaterra y la química pneumática: Black, Cavendish y Priestley........................................................................... 7.4.2. Otros químicos del flogisto ...............................................
100 104
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
106
TEMA 8. LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA
107
8.1.
109
5.4.
5.5.
6.3.
7.4.
7.5.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
10 8.2.
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
NOTAS SOBRE LA VIDA DE LAVOISIER..................................
109
8.2.1. Datos biográficos............................................................... 8.2.2. Formación y actividad científica ...................................... 8.2.3. Corrientes científicas en la formación de Lavoisier ........
109 110 111
LABOR CIENTÍFICA DE LAVOISIER ........................................
112
8.3.1. Trabajo sobre metales ....................................................... 8.3.2. Composición del aire......................................................... 8.3.3. Trabajos sobre el agua.......................................................
112 114 115
LA NUEVA QUÍMICA: ADIÓS AL FLOGISTO............................
116
8.4.1. Nueva química y necesidad de una nueva nomenclatura 8.4.2. Extensión a otros países....................................................
117 118
8.5.
OBRA ESCRITA DE LAVOISIER ................................................
119
8.6.
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
119
8.3.
8.4.
BLOQUE TEMÁTICO III Los pasos de la Nueva Química TEMA 9. DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA ....................................
123
9.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
125
9.2.
PRIMERAS CONSECUENCIAS DE LA QUÍMICA CUANTITATIVA.............................................................................
126
9.2.1. Richter, la ley de los números proporcionales y la estequiometría ................................................................... 9.2.2. Ley de las proporciones definidas de Proust ................... 9.2.3. Ley de las proporciones múltiples.................................... 9.2.4. Gay-Lussac y las leyes volumétricas.................................
126 127 129 130
DALTON: TRABAJO EXPERIMENTAL DE IDEAS ...................
130
9.3.1. 9.3.2. 9.3.3. 9.3.4.
Breve biografía de Dalton ................................................. Labor científica de Dalton ................................................ Dalton y la ley de volúmenes de combinación................. El «complemento» de la teoría atómica: principio de Avogadro ....................................................................... 9.3.5. Otros trabajos de Dalton ...................................................
131 132 134
BERZELIUS Y EL DESARROLLO DE LA QUÍMICA ................
136
9.4.1. Labor científica de Berzelius ............................................
137
9.5.
OTRAS APORTACIONES IMPORTANTES .................................
138
9.6.
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
139
9.3.
9.4.
134 135
11
ÍNDICE
TEMA 10. DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA.......................
141
10.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................
143
10.2. ELECTROQUÍMICA.....................................................................
144
10.3. QUÍMICA DE LAS DISOLUCIONES...........................................
146
10.4. TERMODINÁMICA ......................................................................
149
10.5. CINETOQUÍMICA Y CATÁLISIS.................................................
152
10.6. OTRAS ESPECIALIDADES .........................................................
154
10.7. REFLEXIONES FINALES ...........................................................
155
TEMA 11. CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA ....................................
157
11.1. INTRODUCCIÓN.......................................................................... 11.2. LOS GASES Y LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA .................
159 159
11.3. NECESIDAD DE UNA CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS
161
11.3.1. Primeros intentos de clasificación ................................. 11.3.2. Sistemas periódicos.........................................................
161 162
11.4. ESTRUCTURA DE LOS ÁTOMOS ..............................................
164
11.4.1. Evidencias experimentales: partículas subatómicas ..... 11.4.2. Descubrimiento de la radiactividad ............................... 11.4.3. Las aportaciones teóricas: modelos atómicos ...............
164 165 167
11.5. LA MECÁNICA CUÁNTICA .........................................................
168
11.6. ENLACES QUÍMICOS ................................................................. 11.7. REFLEXIONES FINALES ...........................................................
168 171
TEMA 12. RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA .......
173
12.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................
175
12.2. QUÍMICA ORGÁNICA «PRIMITIVA»..........................................
176
12.3. NECESIDAD DE UNA CLASIFICACIÓN ....................................
177
12.3.1. Clasificación por radicales.............................................. 12.3.2. Clasificación por tipos ....................................................
177 179
12.4. QUÍMICA ORGÁNICA ESTRUCTURAL .....................................
180
12.4.1. 12.4.2. 12.4.3. 12.4.4.
Soporte experimental ...................................................... El mundo de las ideas ..................................................... Kekulé y la química estructural...................................... La estereoquímica ...........................................................
180 181 182 183
12
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
12.5. LA SÍNTESIS ORGÁNICA ...........................................................
184
12.6. AUGE DE LA QUÍMICA ORGÁNICA: SU PRESENTE Y SU FUTURO ..............................................................................
186
12.7. REFLEXIONES FINALES ............................................................
187
TEMA 13. EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA INORGÁNICA Y DE LA QUÍMICA ANALÍTICA ..........................................
189
13.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................
191
13.2. QUÍMICA INORGÁNICA .............................................................
191
13.2.1. Descubrimiento de nuevas sustancias............................ 13.2.2. La teorización en Química Inorgánica .......................... 13.2.3. Química Inorgánica de síntesis ......................................
192 193 194
13.3. QUÍMICA ANALÍTICA..................................................................
194
13.3.1. Primeros tiempos del análisis químico .......................... 13.3.2. Desarrollo con los químicos del flogisto ........................ 13.3.3. Desarrollo desde el siglo XIX ...........................................
195 195 196
13.4. REFLEXIONES FINALES ...........................................................
198
TEMA 14. LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA /TECNOLOGÍA/SOCIEDAD .............................
199
14.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................
201
14.2. PRIMERAS INDUSTRIAS QUÍMICAS .......................................
202
14.2.1. Un ejemplo: la industria de la porcelana .......................
202
14.3. INDUSTRIAS INORGÁNICAS: ALGUNOS EJEMPLOS............
203
14.3.1. La industria del carbonato sódico.................................. 14.3.2. La industria del ácido sulfúrico......................................
203 206
14.4. INDUSTRIAS ORGÁNICAS .........................................................
208
14.4.1. Un ejemplo: la industria de los colorantes.....................
208
14.5. LAS INDUSTRIAS QUÍMICAS Y LAS GUERRAS......................
210
14.5.1. Un ejemplo: la síntesis del amoniaco .............................
210
14.6. REFLEXIONES FINALES ...........................................................
211
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................
213
ÍNDICE ALFABÉTICO DE PERSONAJES............................................
215
PRESENTACIÓN
El hecho de haberme dedicado durante mucho tiempo a la docencia de la asignatura de Química General y otras afines, principalmente, así como de haber dirigido y participado en cursos de Formación de Profesorado, me ha llevado a interesarme por el estudio de los aspectos históricos de la química. Y este interés, a su vez, me ha impulsado a escribir este texto. Las razones para ello se pueden desglosar de forma bastante sintética en las siguientes: El conocimiento de la historia de la química desde la perspectiva de la evolución de sus teorías, técnicas y procedimientos, así como de las aportaciones de los científicos más significativos protagonistas de esa historia, constituye una indudable ayuda para los estudiantes universitarios que hayan de cursar asignaturas de química. Comprender el desarrollo de las ideas favorecerá el razonamiento, lo cual redundará positivamente en el aprendizaje de los contenidos científicos de los programas de esas asignaturas y también contribuirá a que se tenga una visión más humanista de la ciencia. Pero, además, y pensando en la labor de los docentes, el conocimiento de los aspectos implicados en el devenir de la química permite a aquéllos nuevas perspectivas de enseñanza. Y sobre todo al profesorado de enseñanza secundaria, que tiene la oportunidad de poner en o a los estudiantes, por primera vez, con los contenidos científicos de la química. Le ofrece así la posibilidad de utilizar la historia de la química como un potente recurso didáctico: los ejemplos que ésta brinda sobre las relaciones entre la ciencia, la tecnología y la sociedad son muy frecuentes y evidentes, con lo cual el aprendizaje de la química resultará mucho más atractivo para sus alumnos, que podrán percibirla como algo más próximo a su mundo cotidiano. No obstante, el interés de la historia de la química no queda reducido a estudiantes universitarios o a profesores de ciencias, sino que es más amplio. De una forma más general, para todos aquéllos, científicos o no, que se sientan atraídos por el desarrollo de la ciencia, la lectura de temas relacionados con ello, como es el caso de este texto, puede resultarles un elemento eficaz para alcanzar al menos en parte ese objetivo.
14
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Al llevar a cabo la revisión bibliográfica a fin de obtener la documentación necesaria para elaborar este texto, pude darme cuenta de la cantidad tan enorme de páginas escritas en relación, más o menos directa, con la historia de la química. Su misma lectura impulsa a su vez a ampliar esa búsqueda, para tener a otras fuentes cuya conexión con la historia de la química ya es algo más lejana (historia general, filosofía, religión, sociología,…) si bien igualmente atrayentes para poder «saber algo más». Por todo ello, soy consciente de que mi contribución es modesta, viéndome obligada a acotar los límites para ajustarme a la presentación de aquellos elementos primordiales que posibiliten que el lector, por una parte, alcance una formación básica en la historia de la química y que, por otra, adquiera información para seguir profundizando en su conocimiento. Esos serían los objetivos primordiales de este texto y, además —y tal vez sobre todo— éste otro: el plantear la reflexión sobre lo que el conocimiento de los aspectos históricos de la química nos puede aportar y que, también, seamos conscientes del valor de esa aportación.
Tema 1 LOS QUÍMICOS ANTE SU HISTORIA
ESQUEMA DE CONTENIDOS 1.1. INTRODUCCIÓN 1.2. LA QUÍMICA Y LA CIENCIA 1.2.1. Algunos conceptos previos 1.2.2. El método científico 1.3. LA EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA: RASGOS GENERALES 1.3.1. Orígenes y desarrollo de la química 1.3.2. Pasos en la evolución de la química 1.3.3. Evolución de la química en relación a otras ciencias 1.4. ORIGEN DE LA PALABRA «QUÍMICA» 1.5. ESTRUCTURA DE ESTE TEXTO
1.1. INTRODUCCIÓN El estudio de los contenidos de química no consiste solamente en conocer los principios, leyes, conceptos, términos y experimentos involucrados en unas teorías científicas. Debe ser algo más, si verdaderamente pretendemos captar su sentido como ciencia. La esencia de este conocimiento radica en que logremos percibir cómo han surgido esos principios, cómo se han formulado esas leyes, cómo han sido elaboradas las teorías que los explican y, en definitiva, cuáles han sido las trayectorias teórico-experimentales que han debido seguir los científicos hasta conseguir establecerlas. Para alcanzar este objetivo es importante el estudio de la historia de la química. Pero historia no en cuanto a enumeración acumulada de datos —sean ya de carácter estrictamente químico, ya biográficos o culturales— sino más bien una historia de cómo han ido evolucionando las ideas, las técnicas, el modo de pensar y hacer de los hombres dedicados a la investigación química hasta llevarla al cuerpo doctrinal de hoy. De esta manera, puede conseguirse también que la visión que muy a menudo se tiene de la química sea más positiva. Finalmente, estudiando la historia de la química se pueden entender mejor las influencias recíprocas entre la ciencia, las innovaciones tecnológicas y los fenómenos sociales, motor tantas veces y, al mismo tiempo, resultado del devenir político, económico y cultural del hombre.
1.2. LA QUÍMICA Y LA CIENCIA La historia de la química no debe reducirse, pues, al estudio de una serie de descubrimientos, teorías, técnicas, acontecimientos o biografías de los personajes científicos, sino que debe ir acompañado de un análisis crítico en el que se atienda a la evolución de las ideas implicadas en el desarrollo de la química y a su significado. Estos últimos aspectos deben ser el eje principal de nuestro estudio, que nos descifrarán las claves que nos ayuden a comprender todos los demás.
18
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Ese análisis y evolución de las ideas cae ya más dentro del terreno filosófico. Sin embargo, los químicos, a diferencia de otros científicos —como son por ejemplo los físicos o los biólogos—, no han solido cuestionarse la filosofía subyacente en sus teorías ni los aspectos epistemológicos. Y tampoco se han interesado demasiado por la historia de la química, por su propia historia, si bien en los últimos tiempos hay una preocupación cada vez mayor por todo ello.
1.2.1. Algunos conceptos previos Antes de seguir adelante, para poder buscar y hallar las respuestas a esas cuestiones y otras que se nos plantearán a lo largo de la revisión de la historia de la química, hay que partir de unas definiciones que clarifiquen y unifiquen también nuestro lenguaje. Conviene matizar previamente, aunque sea a grandes rasgos, algunos de los conceptos que son utilizados no sólo en todas las lecturas de este tipo, sino también en otras más cotidianas, razón por lo que nos parecen tan comunes y raramente nos preguntamos su significado. Tales son los conceptos de «filosofía», «química» o «ciencia». Ante todo, la palabra filosofía significa, según su etimología, «amor a la sabiduría», del griego phileo, amar y sophia, sabiduría. Según la explicación dada en el diccionario de María Moliner, la filosofía sería el nombre genérico aplicado a los razonamientos encaminados a explicar la naturaleza, a relacionar las causas y la finalidad del mundo físico, más allá de lo perceptible por los sentidos y de los hechos espirituales. La filosofía aplicaría tan sólo el razonamiento, pero dejaría a parte la experimentación. Por otro lado, ¿qué entendemos por química? Muchas son las definiciones que podríamos dar, pero toda definición limita en cierto modo lo definido, con lo cual muchas veces se pierden matices. Por ello es difícil dar una definición completa y al mismo tiempo exacta de lo que es química. Una buena aproximación sería el considerar «el conjunto de transformaciones de la materia que el hombre ha sabido aprovechar con el fin de obtener un beneficio para su vida». En este caso abarcaría todas las teorías, así como todas las operaciones, técnicas y procedimientos utilizados para tal fin desde tiempos muy remotos hasta el presente. Esta definición es bastante amplia, pero también cabe otra mucho más estricta, considerando la química tan sólo en cuanto a «ciencia», en el sentido moderno que damos a esta palabra. Es decir, podría definirse como la «ciencia que se ocupa y estudia las reacciones de la materia y sus propiedades en relación a esas reacciones». En este segundo caso el campo queda mucho más restringido y nos acercaríamos a épocas mucho más recientes, al delimitar la química a su calidad de ciencia. Normalmente —y también en este texto— se opta por la primera de estas alternativas, considerando todo el desarrollo de la química desde las primeras manifestaciones humanas que han supuesto un hacer químico. Es decir, cuan-
LOS QUÍMICOS ANTE SU HISTORIA
19
do se habla de historia de la química se hace referencia tanto al extenso periodo en que ésta tan sólo era una actividad eminentemente práctica como a la época desde la que ya fue una ciencia. Pasó así de ser más bien una artesanía simplemente —a veces hasta casi un arte, como se decía antiguamente—, una labor de tipo más manual que intelectual en la que estaban implicados numerosísimos procedimientos prácticos, operaciones y técnicas, que fue evolucionando hasta convertirse en una verdadera ciencia. Esa evolución, que ocurrió en un tiempo larguísimo, ¿cómo ha ido transcurriendo?, ¿a qué se debe esta conversión de artesanía en ciencia? Y, por otra parte, ¿cuál ha sido ese proceso y por qué ha resultado tan largo? Para responder ello, habrá que saber a qué llamamos ciencia. La palabra ciencia tiene su origen en el término latino scientia, que a su vez proviene del verbo scire, saber. Para el mundo clásico greco-romano tenía el significado de saber, de conocimiento, diferente al que le damos actualmente. También según el diccionario de María Moliner, ciencia hace referencia al «conjunto de conocimientos poseídos por la humanidad acerca del mundo físico y del espiritual, de sus leyes y de su aplicación a la actividad humana para el mejoramiento de la vida». O también al «conjunto de conocimientos que alguien tiene, adquiridos por el estudio, la investigación o la meditación». Se trata, en cualquier caso, de un conocimiento organizado y sistematizado. Veamos cómo se pudo llegar a él en el caso de las llamadas ciencias de la naturaleza.
1.2.2. El método científico En un principio los hombres observaban simplemente los fenómenos ocurridos en la naturaleza. Después, comenzaron a intentar reproducirlos. Al observarlos más detenidamente, se dieron cuenta de que había tipos de fenómenos que se repetían y que podían por tanto agruparse según unas determinadas regularidades. Estas regularidades las enunciaron como leyes y, muchas veces, las formularon en un lenguaje matemático. El paso siguiente, que marcó el gran avance en el conocimiento científico, tuvo lugar cuando empezaron a aplicar la razón para tratar de explicar esas leyes. Esas explicaciones constituían en realidad hipótesis, puesto que era necesario comprobarlas. A partir de ellas se podían hacer predicciones que habían de verificarse experimentalmente. Si había una concordancia, la hipótesis era aceptada y se llegaba al final del camino a una teoría, de carácter mucho más amplio, ya que una teoría engloba diversas leyes e hipótesis. Estos son, de forma muy simplista y a grandes rasgos, las etapas fundamentales del método científico, que mediante la dialéctica teoría/empiria permite establecer teorías científicas, las cuales dan la posibilidad de predecir nuevos hechos. Esta es la manera en que se avanza en el conocimiento científico. Y así ocurre también con la química. De este modo, para que el mero conocimiento de nuestro mundo físico pasase a constituir una ciencia —en el sentido que entendemos actualmente—
20
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
fue y es necesario aplicar la observación y además el razonamiento. En un principio se observaban los fenómenos, bien los ocurridos espontáneamente en la naturaleza o bien los provocados en los laboratorios, y se intentaba describirlos lo más fielmente posible para después, si así convenía, intentar repetirlos. Pero cuando se comenzó a pretender explicarlos a través de la mente humana, aplicando la razón para hallar una respuesta al cómo y porqué tenían lugar, es cuando la química empezó a transformarse en ciencia.
1.3. EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA: RASGOS GENERALES El hombre ha estudiado desde siempre la materia. ¿Por qué se ha preocupado en conocerla, en analizar su comportamiento y en tratar de transformarla? La respuesta parece bastante sencilla: resulta evidente que los seres humanos sintieran curiosidad, atracción y preocupación por el mundo natural que les rodeaba, del que debían extraer sus medios de vida. Por esto intentarían conocerlo mejor y, también por esta razón, la materia ha sido objeto de estudio de muy distintos ámbitos, desde la filosofía a la química y las otras ciencias de la naturaleza, pasando incluso por las ciencias ocultas. Por otra parte, ciertos saberes —como la astronomía, la física, la biología, la medicina o las matemáticas— han existido como tales desde tiempos muy antiguos. Los clásicos les dedicaron profunda atención e incluso los definieron y les adjudicaron un nombre, de tal manera que aun hoy se conserva mucho de esa terminología. Sin embargo, con la química no ocurrió del mismo modo, no le dieron mucha importancia y ni siquiera la nombraron, pues a pesar de que algunos historiadores han encontrado en la palabra griega chemia un antecedente de la palabra «química», parece ser que ambos términos sólo tienen una relación muy lejana (algo más adelante, en este mismo tema, se analizará con más detalle la etimología de esta palabra).
1.3.1. Orígenes y desarrollo de la química Los orígenes más inmediatos de la química y de su historia habría que buscarlos más bien en el desarrollo y evolución de la alquimia. Pero es necesario ir aun más lejos, retroceder en el tiempo, hasta lo que puede llamarse química práctica de la Antigüedad, bastante rica desde un punto de vista técnico pero desprovista de un cuerpo teórico que la sustentara. Además, hay que contar con una contribución importante por parte de la filosofía natural y a veces, incluso, de la ontología o ciencia del ser, puesto que se trata en definitiva del estudio del ser en cuanto a su relación con el mundo en el que está inmerso. Y por supuesto, con las aportaciones importantísimas de la física, con personajes tales como Descartes (1564-1642) o Bacon (1561-1626) que, con sus ideas y su metodología, ayudaron a que éstas fueran incorporadas en el terreno de la química. Recordemos al primero con su obra El Discurso del Método y su célebre frase «pienso, luego existo», que proclama por sí sola la importancia que daba al razonamiento, o al segundo, quien trataba de impul-
LOS QUÍMICOS ANTE SU HISTORIA
21
sar el conocimiento humano a través del método experimental. Ambos, en su conjunto, representan las claves del método científico, razonamiento y observación. Comenzando desde la Prehistoria, pasando por la Antigüedad y por la alquimia medieval, tras un lento desarrollo se alcanza el siglo XVII, en el que con Boyle se introduce ya plenamente el razonamiento en la interpretación de los fenómenos químicos, proceso que culminará en la figura de Lavoisier. Éste protagonizará —aunque con ciertas reservas— el momento de la revolución química, como se analizará en el Tema 8. Boyle, por su parte, sería el primer personaje fundamental con el que se inicia esa etapa de transición inmediatamente anterior a la de la revolución química, que podría llamarse «química precientífica». En cualquier caso, toda la química anterior a Lavoisier está íntimamente ligada muchas veces a la historia de la farmacopea, de la medicina e, incluso, de la biología. Por tanto, es necesario integrar todos esos estudios junto con los de filosofía, alquimia y química práctica. El estudio íntegro de la química se caracteriza, pues, por su marcadísima interdisciplinaridad, hecho que se sigue produciendo como una constante mucho después, a lo largo también del siglo XVIII e, incluso, del XIX, y al contrario de la química de nuestros días, en la que existe una marcada especialización. Muy a menudo se ha olvidado esa interacción entre la química y la medicina, olvido que puede ser debido en gran manera a la preocupación casi exclusiva por la química inorgánica hasta el siglo XIX. Cuando a finales del siglo XVIII tiene lugar la revolución química, fue como resultado de las investigaciones llevadas a cabo con muchísimas sustancias que en su mayoría pertenecían al reino mineral. En aquellos momentos lo inanimado se estudiaba desde una perspectiva química, mientras que el mundo orgánico se dirigía más hacia la medicina, la farmacia y la biología. Es un siglo después, ya en el XIX, cuando se produce un giro en esta situación y la orgánica toma las riendas como una de las protagonistas principales en el desarrollo de la química.
1.3.2. Pasos en la evolución de la química Tradicionalmente se señalan unos determinados momentos históricos, puntos clave en esta evolución y que se corresponden casi siempre con una personalidad científica. Tal es el caso tan conocido de Lavoisier, con el que se marca el de la química a categoría de ciencia. Si bien esto no deja de ser cierto, hay que considerar que esta evolución y estos cambios no se han producido a saltos, bruscamente, sino que siguieron camino que no suele ser una línea recta y continua, sino más bien quebrada, con pasos hacia adelante y hacia atrás pero que en su conjunto tiene un sentido ascendente hacia su meta, el establecimiento de la verdad científica. Así también, ciertos descubrimientos que se tienen como básicos no han sido totalmente innovadores, sino que han crecido en el campo de cultivo creado al abrigo de ideas de otros hombres dedicados a la química.
22
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Por otra parte, es cierto que ha habido largas épocas de un acentuado oscurantismo en la práctica y en el pensamiento químico. Pero no pueden desecharse, pues en cualquier caso han contribuido a que se llegase a esa «verdad». Tampoco deben menospreciarse teorías que con el tiempo resultaron erróneas: la elaboración de una teoría —falsa o verdadera— fomenta la discusión y el debate, y éstos, a su vez, promueven la realización de nuevos experimentos para demostrar la postura defendida, para ratificarla o para rebatirla. Asimismo, cuando se analiza la evolución de las ideas en química se observa con frecuencia un hecho que, por otra parte, no es en absoluto ajeno al desarrollo de cualquier otra disciplina, ya sea experimental o no. Se trata de las grandes barreras que se alzan ante el surgimiento de hechos y doctrinas que pueden contradecir, aunque sólo sea en parte, lo que ya está establecido y aceptado por la comunidad científica. Es en definitiva, la resistencia al cambio, que aparece casi como una constante en todas las ramas del saber, en todas las culturas y en casi todas las manifestaciones del hombre en cuanto a ser social. Por ello, esta reacción ante lo nuevo tiene, en realidad, una dimensión mucho más amplia. Esta resistencia al cambio nos demuestra que el trabajo científico implica una tarea que exige no sólo paciencia, meticulosidad, imaginación, perspicacia o intuición, sino también valentía y tesón. Valentía para exponer unas ideas tantas veces rechazadas por la sociedad y tesón para insistir en ellas hasta lograr que sean aceptadas por esa misma sociedad. Camino tortuoso que han debido seguir tantos científicos y que muy a menudo no se han visto coronados por el éxito hasta mucho tiempo después, incluso con posterioridad a su muerte.
1.3.3. Evolución de la química en relación a otras ciencias La química alcanza su carácter científico mucho después que otras disciplinas, como la física, la astronomía o la fisiología. Éstas fueron gestando su «revolución científica» durante los siglos XVI y XVII para culminar en este último con personajes como Galileo, Copérnico, Kepler, Descartes, Bacon, Newton o Harvey, protagonistas de ese cambio. Sin embargo, en química se produjo con un retraso de más de cien años respecto a la de estas otras ciencias. La causa de ello muy probablemente se deba a la falta de un lenguaje químico común y sistematizado, a la carencia de una clasificación racional y de un criterio de la pureza de las sustancias y, sobre todo, a la gran complejidad de los fenómenos químicos, de sus técnicas y de sus instrumentos. Todo ello impidió que se estableciesen generalizaciones y que sus procesos se sistematizaran, por lo cual tampoco era posible formular una teoría que los justificase racionalmente. Durante un larguísimo periodo de tiempo sólo interesaban los resultados experimentales, era una química empírica en la que el fundamento teórico se desdeñaba. Si bien fueron enunciándose algunas teorías, éstas tenían muy a
LOS QUÍMICOS ANTE SU HISTORIA
23
menudo un armazón básico muy débil y resultaban, incluso, irracionales. Este hecho, unido a la espectacularidad de muchos fenómenos químicos, condujo a que la práctica química se considerase durante muchísimo tiempo como una pseudociencia, más próxima a la magia, a lo esotérico y a lo sobrenatural que al mundo de lo racional. Su secretismo y su frecuente lenguaje alegórico impidió asimismo la información y la comunicación de las ideas, lo cual contribuyó igualmente a inhibir su desarrollo.
1.4. ORIGEN DE LA PALABRA «QUÍMICA» Ya hemos mencionado la existencia de una palabra griega chemia (o también según las transcripciones chemeia o chymia), a la que se le puede atribuir ser el antecedente más probable de nuestra palabra «química». Ese término estaba relacionado con la metalurgia y significaba fusión o colada de un metal, si bien no fue empleado hasta aproximadamente el año 300 d. C. Por esta razón, los escritores del mundo clásico, griegos o romanos, no utilizaron esa palabra; aunque se refiriesen a la química, no tenían una palabra especial para nombrarla. La primera vez que aparece la palabra chemia es en ciertos textos de alquimia de Zósimo (alquimista griego que vivió en los alrededores del 300 d. C. y del que se tratará en el Tema 4). Éste hace referencia a dicha palabra cuando habla del arte sagrado realizado en el templo de Menfis dedicado a Phta, dios egipcio del fuego y del trabajo de los metales. Este arte sagrado no era otra cosa que alquimia. Sin embargo, el origen de ese término griego no está tampoco muy claro. Para algunos historiadores podría derivar de la palabra copta khem o chamé, que significaba «negro» y se asociaba a la tierra negra de Egipto, en el valle del Nilo, tierra que era utilizada en la Antigüedad en procesos metalúrgicos, en tintes y en farmacia. Incluso a Egipto se le llamó en ciertos momentos Chemia y Chamia (país de Cham o país de esta «tierra negra»). Otros le atribuyen un origen chino, bien de la palabra kim-iya, que significaba «jugo que produce oro», o bien de chin, término relacionado con el proceso de la transmutación. En definitiva, en ambos casos estaba relacionada con el arte de fabricar oro, y desde China se podría haber extendido hasta los griegos para después ser recibida por los árabes. Estos últimos antepusieron su artículo «al» a ese término, resultando al Kimiya o alkymia. De aquí proviene la palabra «alquimia», con la cual se hizo referencia al hacer químico de los siglos IV al XVI, manteniendo esa idea de «arte sagrado». Ya en el siglo XVI se latinizó esa palabra y empezó a aparecer en los textos de química —o más bien de alquimia— de la época sin el prefijo al-. Así, en los escritos de Paracelso, Agrícola o Libavius cada vez son más frecuentes los términos chymia, chymista, chymicus..., de los que derivan las palabras chimie, chimica, chemistry, chemie o química en diferentes idiomas. La palabra alquimia, por su parte, se fue relegando poco a poco para designar las prácticas de carácter esotérico.
24
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
1.5. ESTRUCTURA DE ESTE TEXTO El conocimiento de la historia de la química concebida de esta manera es —o así debiera ser— de interés en un principio para los químicos y los demás científicos. Y resulta en cierto modo esencial para los estudiantes universitarios que cursen asignaturas de química, siendo incluso importante que vayan adquiriendo esta visión ya en las distintas etapas de enseñanza media, desde sus primeros os con el mundo de la química. Por este motivo este texto fue dirigido en principio para profesores de las distintas áreas de ciencias de nivel de enseñanza secundaria, así como para estudiantes universitarios. No obstante, tiene también una dirección más general, hacia docentes tanto científicos como no científicos que tengan interés por el estudio de la historia de la química. Interés que puede hacerse extensivo a un público mucho más amplio, a todo aquél que sienta inquietud y curiosidad por el desarrollo de la química y por su incidencia social. Estudiando la historia de la química se podrán entender mejor las relaciones ciencia/tecnología/sociedad que aproximan los fenómenos científicos a nuestra vida cotidiana, contribuyendo a que su aprendizaje resulte más ameno. Y conociendo la labor tan constante, meticulosa y de entrega, tantas veces casi absoluta, de todos esos hombres que se dedicaron a «hacer» y estudiar la química, se podrá estimular el respeto, iración e, incluso, atracción por la investigación. En consecuencia y en relación a los profesores, sería conveniente así que cuando en el aula se impartan los contenidos correspondientes en las asignaturas de química, se diese un enfoque en el sentido de hacer una conexión —no siempre, pero al menos en algunos momentos determinados— con la historia de la química y con la evolución de sus ideas. Pero un enfoque en el sentido apuntado, en el que se relacionen esas ideas con los aspectos científicos y sociales para que no resulte meramente una acumulación memorística de datos. Sin embargo, tampoco hay que rechazar éstos, ya que la vida personal del científico y el contexto social en que se movió —entendiendo como tal la política, economía, cultura, religión, etc... de la época y lugar en que vivió— son piezas imprescindibles para poder comprender en su totalidad la evolución de sus teorías y el alcance y trascendencia de sus descubrimientos. Incluso, los aspectos de carácter anecdótico ayudan a situar al científico en su momento histórico y a comprender mejor la trayectoria de su obra. Pensando en otro tipo de lectores, el lenguaje y la terminología científica han tratado de ser sencillos para que el texto resulte comprensible para cualquier persona de una cultura media. No obstante, los contenidos teóricos no se han desarrollado, sólo se han esbozado, por lo que el lector en caso de duda puede recurrir a textos de química para consultarlos o ampliar sus conocimientos. El texto se ha dividido en catorce temas, este primer tema de carácter introductorio y los trece restantes organizados en tres bloques temáticos. Se dedica el primer bloque a revisar las etapas iniciales de la química, desde los
LOS QUÍMICOS ANTE SU HISTORIA
25
momentos en los que el hombre empezó a realizar una la actividad química en la Prehistoria, pasando por la Antigüedad y concluyendo en alquimia medieval. En el segundo bloque se aborda el tránsito hacia la química científica, hasta llegar a ella, y en el tercero, el desarrollo de lo que podría llamarse química «moderna», haciendo una revisión general de sus distintas ramas e implicaciones más relevantes con la industria. Se han tratado de distribuir los contenidos en temas que se correspondan con etapas más o menos homogéneas del desarrollo de la química, de su práctica y teoría. En cada una de estas etapas se han señalado aquellos acontecimientos y personalidades científicas que han supuesto un salto en la trayectoria de la evolución de las ideas de la química como ciencia. Se ha tratado de hacer en la medida de lo posible referencia al entramado constituido por esas ideas científicas, los avances tecnológicos y su impacto social, con el objetivo primordial de aproximar la química a nuestro entorno cotidiano más próximo. Y esto, especialmente, dirigido a los docentes para la posible aplicación en el aula de los conocimientos adquiridos a lo largo de los temas anteriores, pero dándoles ese enfoque, resaltando aquellos aspectos sobre los que debería incidirse expresamente a los alumnos.
Otros aspectos de la presentación: • Frecuentemente se ha procurado explicar el sentido de muchos términos en función de su etimología, con la intención de que así sea más fácil entender su significado y con ello recordarlos mejor. • Se han incluido generalmente las fechas de nacimiento y muerte de los científicos que aparecen en el texto, al menos de aquéllos de mayor trascendencia en los aspectos tratados. Otras veces, en algunos acontecimientos, se señala el año aproximado o al menos el siglo. Todo ello no es con el fin de que se memoricen, sino para ubicarlos en su momento histórico. • Se han introducido algunas anécdotas que, aunque a primera vista resulten superfluas, pueden contribuir a fijar la atención del lector. • A veces se han incluido en forma de recuadros ciertos comentarios, bien para señalar un momento oportuno para la reflexión (enmarcado en un recuadro gris), bien para incidir en las relaciones ciencia/tecnología/sociedad (enmarcado en un recuadro blanco, encabezado con las siglas C/T/S) o bien para realizar algún otro comentario que se ha juzgado adecuado al desarrollo de lo que se esté tratando (enmarcado en un recuadro blanco). No obstante, no se ha pretendido dirigir demasiado estos comentarios, sino más bien se incluyen a modo de sugerencia, para que el lector marque él mismo sus propios «recuadros».
Bloque temático I LOS PRIMEROS PASOS DE LA QUÍMICA
Tema 2 LA QUÍMICA PRIMITIVA
ESQUEMA DE CONTENIDOS 2.1. INTRODUCCIÓN 2.2. LA QUÍMICA EN LA PREHISTORIA 2.3. LA QUÍMICA EN LAS PRIMERAS CIVILIZACIONES HISTÓRICAS 2.4. LA QUÍMICA PRÁCTICA EN EXTREMO ORIENTE 2.5. PRIMERAS TECNOLOGÍAS: CERÁMICA, VIDRIO Y ESMALTES 2.6. EL TRABAJO CON METALES: LA METALURGIA 2.6.1. Uso de los metales en la Antigüedad 2.6.2. Minerales y procesos químicos de la metalurgia 2.7. PRODUCTOS QUÍMICOS SEGÚN LOS TEXTOS ANTIGUOS 2.8. REFLEXIONES FINALES
2.1. INTRODUCCIÓN La especie humana desde los primeros momentos de su existencia aprendió a ir transformando la materia para su propio beneficio. Es decir, aprendió a explotar los fenómenos químicos que la ayudaban no sólo a sobrevivir, sino también a mejorar sus condiciones de vida. De esta manera, el hombre aprovechó las transformaciones de la materia para muchas de sus actividades cotidianas y básicas, como cocinar, calentarse y hasta defenderse de los ataques de animales y... de otros hombres, y también para otras más rias, como las meramente ornamentales. Fabricaba sus utensilios domésticos y de defensa, elaboraba sus joyas o preparaba pigmentos para pintar las rocas, para teñir sus ropas o para maquillar sus rostros. Desde sus necesidades vitales más simples y primarias hasta la expresión a sus sueños y mitos a través de su arte. Para todo ello, utilizaba los productos de la tierra que tenía a su alcance bien directamente, bien transformándolos en procesos cada vez más complejos a medida que iban evolucionando las sociedades humanas. En definitiva, aplicaba la química, aunque evidentemente no supiera lo que ésta era ni le hubiera dado un nombre. Por tanto, la química práctica —que también suele llamarse química temprana o técnica química— ha existido siempre, paralela a la vida del hombre. Aunque la química en sentido moderno, como ciencia, no surgió hasta hace en realidad relativamente poco tiempo.
2.2. LA QUÍMICA EN LA PREHISTORIA Ya en la Prehistoria se encuentran muchas pruebas de la actividad química del hombre. Descubre el fuego desde tiempos muy tempranos, hace unos 300.000 años, en pleno Paleolítico inferior y antes del último periodo glacial.
32
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Conociendo el fuego podía cocer sus alimentos, fabricar cerámica, preparar pinturas y perfumes, obtener metales....
Comienza a trabajar la piedra, tallándola y, después, en el Paleolítico superior (hace de 40.000 a 11.000 años) es cuando empiezan a surgir sus primeras manifestaciones artísticas, o al menos las que nos han llegado, como pinturas en el interior de las cuevas que habita. En estas pinturas rupestres queda también reflejada su habilidad para obtener pigmentos aplicando diferentes materiales naturales e, incluso, mezclándolos en procesos ya algo más sofisticados (utiliza principalmente el ocre de los óxidos de hierro y los morados del óxido de manganeso). Ésta es, al fin y al cabo, una clara manifestación de hacer química. En el neolítico, entre el 5000 y el 3500 a. C., se sabe con seguridad quefabrica objetos de cerámica, calentando el barro, otra actividad de tipo químico. Pero tal vez sea durante el periodo siguiente cuando tiene lugar uno de los avances químico/tecnológicos más significativos en la historia de la humanidad: la metalurgia, es decir, la fabricación de metales, que se inicia posiblemente con el cobre, pues en el calcolítico sabía cómo fundirlo, seguido del bronce. Da esto lugar a una nueva etapa, la llamada por este motivo Edad del Bronce, que ya en algunas zonas geográficas corresponde a épocas históricas y en otras sigue siendo prehistoria. El bronce, aleación de cobre y estaño, se comienza a fabricar desde lo que se designa como Edad de Bronce Pleno (1800-1100 a. C.). Esta innovación trae consigo un importante cambio económico, ya que la manufactura y utilización del bronce requiere un aprovisionamiento de los metales y una especialización para realizar el trabajo metalúrgico. C/T/S Todo lo cual da lugar, entre otros fenómenos sociales, a la creación y desarrollo de un comercio para intercambiar los objetos fabricados con esa aleación. Esto, a su vez, tiene una serie de importantes consecuencias, como son el aumento de densidad de población y el establecimiento de relaciones sociales más complejas.
Al final de la Edad del Bronce (1100-650 a. C.) se conoció el hierro, produciéndose con ello otro avance químico/tecnológico aun más importante que el anterior, con el que se inicia la Edad del Hierro, que en muchos lugares cae dentro de la Protohistoria. Por ejemplo, en España los productos de hierro datan aproximadamente del 650 a. C. y son traídos a la Península por griegos y fenicios, introduciéndolos a través de Cataluña, principalmente. El hierro se destina sobre todo para la fabricación de aparatos agrícolas y para armas, mientras que el bronce se deja a partir de entonces tan sólo para objetos de ornamento y para material quirúrgico.
LA QUÍMICA PRIMITIVA
33
2.3. LA QUÍMICA EN LAS PRIMERAS CIVILIZACIONES HISTÓRICAS ¿Qué productos químicos eran utilizados por el hombre en la antigüedad? Es interesante constatar que las sociedades primitivas conocían ya muchos productos químicos y los utilizaban en su vida cotidiana a causa de algunas de sus propiedades. Por ejemplo, la sal está ya presente en la dieta alimentaria humana sobre el año 6000 a. C., cuando el hombre deja de ser nómada y se asienta en comunidades agrícolas. En cuanto al carbón, su fabricación no tiene lugar hasta mucho después, cuando empieza a desarrollarse la metalurgia. Así, la muestra más antigua que se ha encontrado (hasta el momento) de carbón fue la hallada en la barca solar de Tutankhamon (aprox. 1350 a. C.). Sin embargo, el precedente de la sal común en Egipto era otra sal, el natrón, que se conseguía en los lagos secos de la región del Nilo, cerca de Alejandría, y que estaba constituido principalmente por carbonato sódico. Se utilizaba junto con el yeso y la sal común para embalsamar y también para conservar alimentos. Las primeras evidencias del uso del natrón se remontan al 5000-4000 a. C., que corresponde a la etapa más antigua de la civilización egipcia, habiéndose encontrado incluso la palabra natrón en la escritura jeroglífica (como ntr, pronunciado «neter»). Precisamente, el símbolo del sodio, Na, tiene aquí su origen: se tomó del término latino «natrium», que a su vez provenía de «natrón».
Los egipcios sabían extraer un gran número de metales, entre ellos el oro y la plata. Practicaban la técnica de los tintes, utilizando tanto los de origen vegetal (índigo, tornasol, pastel) o animal (púrpura y carmesí) como otros de origen mineral (minio, verdigrís, lazulita, ocre de hierro, oropimente, cinabrio, realgar...). También utilizaban minerales en el terreno de la cosmética: las egipcias utilizaban para colorear sus ojos y cejas la estibina o sulfuro de antimonio, de color gris metálico —y al que también se le atribuían propiedades curativas—, el cual aun actualmente las mujeres de los países árabes siguen empleando muchísimo (es el kohol, que cualquiera que haya visitado Marruecos, por ejemplo, habrá tenido oportunidad de observar). En Egipto, asimismo, había una gran habilidad en la extracción y preparación de aceites y esencias para perfumes, tradición que continúa hasta hoy (en este país sigue existiendo una gran producción de perfumes, hecho fácil de percibir por los turistas). Conocían la lanolina, la esencia de trementina y el almidón y fabricaban la cerveza y el vino, con lo cual también sabían del vinagre, que tal vez sea el ácido orgánico más antiguamente utilizado. A este respecto hay que recordar los relatos de la época que narraban cómo Cleopatra disolvía perlas en vinagre de vino.
34
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Los egipcios también preparaban medicamentos no sólo partiendo de organismos, sino también del mundo mineral, como de carbonato sódico, de litargirio (PbO, rojo), de alumbre, de verdigris (carbonato de cobre hidratado), de oropimente (sulfuro de arsénico, amarillo vivo). Preparaban así bálsamos, ungüentos, píldoras e, incluso, vermífugos, tan útiles para sus técnicas de embalsamamiento. Resulta interesante, si va a Berlín, visitar en el museo egipcio de esta ciudad la reproducción de una farmacia, con materiales originales que datan del año 2000 a. C.
Y, además, tenían gran destreza en la técnica de la cerámica, lo que se tratará más detenidamente en otro apartado de este mismo tema, junto con la de los países mesopotámicos, a los que se puede aplicar más o menos lo discutido para los egipcios. Ya en territorio europeo, en el mundo griego y romano eran muy importantes la industria y la artesanía relacionadas con la actividad química. Fabricaban cerámica y vidrio y extraían metales de sus minas (oro, cobre o hierro, principalmente). Las técnicas de perfumería eran practicadas ya por los micenos mediante procesos que aun siguen utilizándose básicamente en la actualidad (extracción por presión, maceración, etc.). Así, en escritos sobre la guerra de Troya se mencionan los perfumes de Grecia (1250 a. C.). También practicaban operaciones tan habituales en los laboratorios químicos como la decantación o la condensación.
2.4. LA QUÍMICA PRÁCTICA EN EXTREMO ORIENTE No se ha prestado mucha atención por parte de los historiadores a la química práctica del Extremo Oriente (China e India), a pesar de que hay manifestaciones de ella desde tiempos muy antiguos. Así, en China se conocía la metalurgia, la pólvora y se elaboraba cerámica desde tiempos muy remotos. Asimismo, los chinos eran muy diestros en la fabricación de porcelana, al igual que Japón. Por otra parte utilizaban muchos productos naturales, como sal marina, sal gema, azúcares, índigo, azufre, arsénico, alumbre, carbón... y sabían preparar muchos otros productos y objetos que, en definitiva, implicaban procesos químicos (remedios medicinales, cal, aguardiente de grano, esencias, espejos, etc.). En cuanto a la India, sobre todo en el valle del río Indo, existía una civilización bastante cultivada y se supone con bastante seguridad que habría actividad química ya alrededor del 3000 a. C. Y también se sabe que en la filosofía budista había una teoría atómica desde hace muchísimo tiempo, aunque bastante primitiva (por lo que a veces se discute si, incluso, los griegos pudieron tomar esa idea de los hindúes o la desarrollaron de forma independien-
LA QUÍMICA PRIMITIVA
35
te). Sin embargo, es difícil encontrar indicios de la química práctica anteriores a la época alejandrina (327 a. C.). Y aunque en Extremo Oriente hubiera una filosofía natural, una química práctica e, incluso, una alquimia (como veremos en el Tema 4), el origen de la química como ciencia, de la química actual, hay que buscarlo más al oeste. Por todo ello, resulta de mayor interés para nosotros continuar con la química primitiva del Oriente Medio, sobre todo en Egipto y en Mesopotamia.
2.5. PRIMERAS TECNOLOGÍAS: CERÁMICA, VIDRIO Y ESMALTES Hay ciertos vestigios, aunque no demasiado claros, de cerámica fabricada en el Neolítico europeo (8000-6000 a. C.) mediante un proceso de cocción en un fuego sin llama, parecido al del proceso de obtención de carbón vegetal. Con algo de mayor seguridad en cuanto a su adjudicación, se han encontrado restos de cerámica al fuego —en esta caso a fuego «normal»— en Mesopotamia (4000-3000 a. C.) y en Palestina (aprox. 4500 a. C.). No obstante, lo que sí se puede dar como enteramente cierto es la fecha del 2500 a. C., cuando los ladrillos cocidos al fuego sustituyeron a aquéllos más primitivos en los que el barro se secaba simplemente al sol. Todo esto son señales inequívocas de utilización del fuego por el hombre en procesos termoquímicos (aunque, como ya se ha dicho, se conociese el fuego desde muchísimo antes). También por esa época se empezaron a preparar morteros artificiales, el yeso cocido —también llamado yeso mate— y la caliza cocida —es decir, cal viva—, los cuales se añadían a los morteros naturales, arcilla y bitumen. Así, en el Egipto de épocas predinásticas se utilizaba el yeso, antes del 3400 a. C., y en Babilonia se preparaba la cal antes del 2500 a. C. Sin embargo, la fabricación del vidrio es bastante posterior a la cerámica, ya que los restos más antiguos datan de aproximadamente el 2500 a. C. El vidrio más simple consistía en piedras naturales de carácter vítreo —cuarzo o esteatita, un tipo de talco tosco— que se «pintaban» con carbonato sódico o agua de cal y se calentaban después (se han encontrado cuentas de este tipo en Egipto y en Mesopotamia, de antes del 4000 a. C.). Siguiendo en complejidad aparece poco después la «faience», una especie de mayólica, cuyos primeros restos se hallaron en Egipto y que se preparaba mezclando cuarzo pulverizado con carbonato sódico o agua de cal y calentando esa mezcla. Tuvieron que transcurrir más de 1500 años para que el hombre fuera capaz de preparar el vidrio verdadero, mediante fusión de sílice (arena) con 1-2% de cal y 15-20% de carbonato sódico o «sosa» (natrón), según indican los restos más antiguos encontrados en Egipto y después en Mesopotamia (aprox. 2500 a. C.).
36
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Interdisciplinaridad La arqueología ha prestado un enorme servicio a la historia de la química con estos descubrimientos. Servicio que ha sido devuelto por la química mediante su aportación sobre el desarrollo de técnicas para datar la antigüedad de los restos arqueológicos encontrados, así como los análisis para determinar su composición.
Una variante de la técnica del vidrio, aunque mucho más complicada, es la cerámica vidriada, que apareció unos mil años después: aplicaban esa mezcla de sosa-cal-arena a la superficie porosa del barro y calentaban hasta que se produjera su fusión, con lo que se formaba una superficie de vidrio, incolora, sobre el barro. Sin embargo, con anterioridad a esa fecha ya se había utilizado en Egipto una mezcla parecida en forma de frito, un pigmento azul de composición química definida (CaO-CuO-4SiO2), con lo que se trataría del pigmento sintético más antiguo encontrado hasta el momento, ya que hasta entonces se habían empleado pigmentos naturales, ya fueran minerales o de origen orgánico. Otro interesante pigmento sintético de la antigüedad se halló en Asiria (aprox. 800 a. C.), en un esmalte amarillo constituido por antimoniato de plomo (conocido mucho después como «amarillo de Nápoles»). Se obtenía calentando una mezcla de óxido o de carbonato de plomo y óxido de antimonio. Otros esmaltes parecidos muy importantes son los de los ladrillos vidriados y azulejos encontrados también en Asiria (época de Sargón II, aprox. 700 a. C.) y en Babilonia (aprox. 600 a. C., de la época de Nabucodonosor). Investigaciones bastante recientes dan a Mesopotamia mayor antigüedad que la de Egipto en esta tecnología química, aunque después Persia se convirtiera en una seria competidora. Comienza de esta forma una larga tradición en esmaltes, que naciendo en esa área geográfica se extiende después al mundo árabe (prueba de ello son bellísimos azulejos de color azul de las mezquitas de Isfahan, por ejemplo, aunque muy posteriores).
2.6. EL TRABAJO CON METALES: LA METALURGIA A pesar de que todas las tecnologías químicas anteriores son en general más antiguas, las de mayor trascendencia para el desarrollo social, económico y cultural de la humanidad fueron, sin duda alguna, las técnicas metalúrgicas. Aunque existían metales en estado natural, en general no había grandes cantidades de ellos, por lo que se hacía necesaria su producción —tanto la de éstos como la de todos aquellos que no se encontraban en forma nativa— partiendo de determinados minerales de la corteza terrestre; es decir, de lo que llamamos menas. Al conjunto de estos procesos es a lo que se denomina metalurgia. Esta técnica consiste fundamentalmente en una transformación química del mineral ocasionada al calentarlo en una atmósfera reductora, la cual se creaba normalmente en o con el combustible. Esta sería una explica-
37
LA QUÍMICA PRIMITIVA
ción, en líneas muy generales, aunque después y en cada caso particular haya variaciones de un metal a otro. La metalurgia se inicia en la antigüedad en el 4300 a. C., muy probablemente con el cobre, y se completa con la producción de latón —aleación de cobre y cinc— en el 300 a. C., es decir, unos 4000 años después.
2.6.1. Uso de los metales en la Antigüedad Se piensa que el metal conocido desde hace más tiempo sea el oro, debido probablemente a que al aparecer muchas veces en las arenas de los ríos en forma nativa, su brillante color amarillo llamaría la atención de los hombres y así empezaron a utilizarlo. Y poco a poco fueron conociendo otros metales. Pero es interesante saber para qué los utilizaban. Por ejemplo, hasta el 4000 a. C. los metales, incluido el oro, el electrum (aleación natural de oro y plata) y el cobre se utilizaban para fabricar objetos de uso común más que como metales «preciosos». Se empleaban en el comercio, lo mismo que posteriormente el plomo, la plata, la aleación cobre/estaño o bronce (un milenio después), el hierro y el estaño (en el 2000 y 1000 a. C.) y la aleación cobre/cinc o latón (ya en el principio de la era cristiana). Desde las más antiguas civilizaciones se conocían los metales, los siete metales como se decía —oro, plata, hierro, mercurio, estaño, cobre y plomo— que eran los metales básicos, que se asociaban con los planetas y que dieron, incluso, nombre a los siete días de la semana: Oro / sol / domingo (Sunday, en inglés; Sonntag, en alemán) Plata / Luna / Lunes Hierro / Marte / Martes Mercurio / Mercurio / Miércoles Estaño / Júpiter / Jueves Cobre / Venus / Viernes
Plomo / Saturno / Sábado (Saturday, en inglés)
¿Cómo se conseguían todos estos metales y las aleaciones? Aunque algunos existían en estado metálico en la naturaleza, puede afirmarse que se producían artificialmente de sus menas por procesos metalúrgicos, con excepción del oro y el electrum (Fig. 2.1). Hasta el momento parece ser que el primer metal obtenido artificialmente fue el cobre, correspondiendo su más antigua producción a Egipto y Mesopotamia (sobre el 4000 a. C.). Se han encontrado así algunos objetos de cobre en el Sinaí y al norte de Mesopotamia y también en Irán. En este último caso, la técnica fue traída probablemente por las poblaciones sumerias emigradas desde Mesopotamia al oeste de Irán, zona de mucha mayor riqueza en menas de cobre que Egipto y la misma Mesopotamia. Parece ser que el plomo empezó a obtenerse 2000 años después (aprox. 2000 a. C.), según muestran algunos vestigios hallados en Egipto. Sin embargo, algunos objetos de plomo hallados en Mesopotamia y datados en el 4000 a. C. pueden conceder a este metal la máxima antigüedad, mayor aun que la
38
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
del cobre. La explicación a esto podría encontrarse en el hecho de que se obtenía a partir de la galena (sulfuros de plomo y plata) y que en este caso es posible conseguirlo por simple calentamiento, sin necesidad de un agente reductor. Por esta razón, tal vez se hubiera fabricado plomo ya en el neolítico, simplemente con el mismo fuego de cocinar.
FIGURA 2.1. Representación egipcia de artesanos trabajando con el oro: lo lavan, funden y pesan.
Por otra parte, hay que resaltar un factor que contribuyó en gran manera al desarrollo de la metalurgia y del trabajo con metales. Los metales se utilizaban no sólo por una razón de supervivencia, como es la fabricación de utensilios de agricultura, de cocina, de armas..., sino para conseguir algo mucho más rio, lo ornamental. En este sentido, no puede olvidarse la importancia de la orfebrería y de los joyeros en la historia de la química.
Al elaborar las piezas de joyería estos artesanos se interesaban por el aspecto y propiedades de los metales, sobre todo por su color. Intentaban, además, que se parecieran al oro, de donde nacieron las técnicas de la aurificción, que tanta influencia tuvieron posteriormente en la alquimia (como se verá en el Tema 4). Se desarrolló así una verdadera industria de joyería de imitación, sobre todo en Egipto y Siria, mediante la que se trataba de imitar los metales y piedras preciosas, con fórmulas y recetas más o menos complicadas, algunas de las cuales han llegado hasta nosotros.
El conocimiento de las industrias químicas de la Antigüedad nos da la oportunidad de observar las piezas expuestas en los museos arqueológicos con una nueva mirada.
LA QUÍMICA PRIMITIVA
39
2.6.2. Minerales y procesos químicos de la metalurgia En el neolítico no se conocía la técnica de calentamiento en atmósfera reductora sino que se hacía a fuego abierto, como el empleado para cocinar, como ya se ha mencionado. ¿Cuál pudo ser la evolución de esta forma de calentar a fuego abierto a la otra en un horno en atmósfera reductora? ¿Por qué al hombre se le ocurrió ese cambio? Probablemente se deba a algún suceso accidental, pero hasta ahora este «accidente» nos es desconocido. Una posible explicación, un tanto especulativa, sea tal vez que ese cambio se produjo durante los procesos de obtención de cerámica vidriada. Se ha propuesto así una teoría según la cual los minerales de los que se obtenían los metales habían sido usados primero como pigmentos; después fue evolucionando la técnica hacia su utilización como menas metálicas. En este sentido, se han hallado numerosos vestigios arqueológicos consistentes en óxidos metálicos —y muchos óxidos metálicos son menas, al fin y al cabo— aparecidos en muchos pigmentos, lo cual avalaría esa teoría. Por ejemplo, ya en las pinturas rupestres prehistóricas había óxidos de hierro. Los minerales más empleados para la producción de cobre eran la malaquita y la azurita (químicamente, carbonatos hidratados de cobre), mientras que el plomo, como ya se ha dicho, se obtenía a partir de galena (sulfuros de plomo y de plata). Por otra parte, también hay un misterio en cómo surgió la producción del siguiente metal, o mejor dicho, aleación, la de cobre y estaño, el bronce (aprox. 3000 a. C.). El estaño se obtenía a partir de casiterita, su mena (dióxido de estaño), la cual curiosamente nunca fue empleada en los pigmentos. Probablemente la producción de bronce tuvo también su origen en la misma región de Irán donde se empezó a obtener el cobre. El mineral de estaño era muy escaso y se ha llegado a pensar que se obtenía en las Islas Británicas (o Islas Casitérides), en la costa de Cornualles, de donde los fenicios lo transportaban en sus barcos hasta las regiones de oriente. El estaño también se producía al calentar su mena adicionando un agente reductor. Es interesante constatar que se han encontrado restos de óxido de estaño en pigmentos aparecidos en el palacio de Sargón II, en Khorsabad, que datan del 700 a. C. En cuanto al hierro, fue el último de los metales de la Antigüedad, debido con gran seguridad a que requería condiciones mucho más vigorosas y al mismo tiempo más delicadas. Exigía además un tratamiento posterior a su obtención para mejorar sus propiedades, técnica que no fue conseguida hasta aproximadamente el 1400 a. C. por los hititas, en la península de Anatolia. Se piensa, por otra lado, que parte del hierro utilizado en los primeros momentos por los egipcios era de origen meteorítico. Ya posteriormente, en la época de la civilización greco-romana, aparecieron nuevos minerales como menas en la obtención de metales. Para la preparación de la plata la mena más importante, según Plinio, no era la galena,
40
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
sino la argentita (sulfuro de plata) y para la del cobre, la calcopirita (pirita de hierro y cobre). Por otra parte, muchas veces se trataba de obtener plata partiendo de minerales que en realidad eran óxidos de plomo, ya que por el aspecto de esos minerales se les confundía con la plata. Tengamos en cuenta que no se podía saber en aquellos momentos nada de la verdadera composición de las sustancias, puesto que se trataba de un conocimiento meramente empírico, basado muy a menudo tan sólo en su apariencia. Por otra parte, los textos romanos señalan el descubrimiento del latón y del mercurio (o «plata rápida»), que son sus verdaderas innovaciones en este terreno, aunque éste último se obtenía ya en el año 400 a. C., como describe Teofrasto, agitando cinabrio en vinagre o bien por simple calefacción de aquél. Por otra parte, al principio se tomó al latón como un tipo de cobre y no como lo que realmente era, su aleación con cinc.
2.7. PRODUCTOS QUÍMICOS SEGÚN LOS TEXTOS ANTIGUOS Aparte de la información transmitida a través de los restos «reales» hallados en las excavaciones arqueológicas, es también muy interesante conocer algo de lo que los testimonios escritos aportan sobre la química práctica y sobre los productos químicos conocidos en la Antigüedad. En este sentido, son importantísimas dos tablillas halladas en Oriente Medio: una sobre medicinas, la tablilla de Nippur, del 2100 a. C. (actualmente en el Museo de la Universidad de Pennsylvania, USA), y otra tablilla del 1700 a. C. sobre la coloración del vidrio (expuesta en el Museo Británico). En la primera se menciona el salitre (cuyo conocimiento por los alquimistas árabes y europeos no llegó hasta el siglo XII d. C.) y en la segunda, el plomo, el cobre, la cal, el vinagre, el acetato de cobre y de nuevo el salitre. Otros interesantes documentos sobre este tema son proporcionados por los restos de la biblioteca de Assurbanipal (Asiria), que datan del 900-800 a. C. y que mencionan las sales amónicas, el cinabrio, el latón y el ácido sulfúrico fumante como conocidos por la civilización asiria, aunque esto no significa que también fuesen conocidos en lugares próximos. Por otra parte, uno de los papiros más valiosos de los encontrados en Egipto sobre medicamentos es el llamado papiro de Ebers (aprox. del 1550 a. C.): describe un gran número de medicamentos y de recetas de química práctica, aunque no cita los materiales que aparecen en los textos asirios (Fig. 2.2). A este respecto, llama la atención el hecho de la gran cantidad de compuestos inorgánicos aparecidos en los escritos de medicina antigua, aunque en realidad no tuvieran propiedades medicinales. Se les incluía por poseer alguna utilidad de tipo práctico, cualquiera que ésta fuese; por ejemplo, se hablaba de las gemas. Esto vuelve a repetirse en los textos griegos sobre farmacopea, como es el de Dioscórides (Materia Medica, del siglo I d. C.)
LA QUÍMICA PRIMITIVA
41
FIGURA 2.2. Fragmento de un papiro egipcio sobre mecicina, en su transcripción jeroglífica.
En este punto, recuérdese la «gemoterapia», tan de moda actualmente, que trata sobre las propiedades curativas de las piedras preciosas y semipreciosas: el ópalo, antiespasmódico y beneficioso para la actividades gastrointestinales; el topacio, activador del metabolismo y del riego sanguíneo; el ámbar, mucolítico y para problemas respiratorios...
Otros testimonios sumamente interesantes son otros dos papiros, también egipcios aunque escritos en griego y ya muy posteriores, de alrededor del año 300 d. C.: el papiro de Leyden y el papiro de Estocolmo, llamados así por estar depositados en dos museos de esas ciudades, respectivamente. Fueron hallados en unas tumbas de Tebas y no tratan de medicina, sino que contienen recetas sobre joyería, sobre procedimientos de aurificción y de coloración de piedras para darles la apariencia de piedras preciosas. Así que resultan, hasta el momento, los más antiguos papiros que tratan directamente sobre química. Si nos introducimos en los textos griegos (desde el año aprox. 500 a. C.), se observa que las referencias dedicadas a la química práctica son escasas, mientras que su atención se dirige más a establecer una ciencia general de la materia por medio de la filosofía natural (como se verá en el Tema 3). Sin embargo, en los filósofos presocráticos (como Anaximandro, Empédocles o Demócrito) se encuentran referencias a determinados materiales (natrón, alumbre, acetato de cobre, carbonato de cinc, plomo...aunque, naturalmente, con otros nombres). Aristóteles, por su parte, escribió una filosofía natural, donde hizo un desarrollo del mundo animal. Pero es a su discípulo Teofrasto a quien se debe la obra más antigua griega con una mayor relación con la química: se trata del texto Sobre las piedras (aprox. del 300 a. C.), y que puede considerarse como el primer tratado sobre química práctica. En él hace una descripción de las piedras y las clasifica en metales (como el oro y la pla-
42
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
ta), piedras y tierras. También las diferencia según una serie de propiedades, generalmente físicas, como color, fragilidad, dureza, inflamabilidad y poder de atracción (es decir, propiedades magnéticas, como el ámbar). Siguiendo en esta línea de Teofrasto, la literatura romana y la helenística hacen sus aportaciones más sobresalientes con la Historia Natural de Plinio y Materia Medica de Dioscórides (de la que ya hemos tratado), respectivamente, ambas del siglo I d. C. Tanto Teofrasto como Plinio y Dioscórodes conocían, aunque de forma empírica, muchos óxidos empleados en la metalurgia, por ejemplo el óxido de plomo y el de cobre, así como otros minerales que aparecían también en las minas, como el cinabrio. Es interesante cómo sabían de productos obtenidos en disoluciones en vinagre —es decir, acetatos—, como el de cobre (o verdigris). También conocían muchos sulfatos, a los que llamaban vitriolos. Otro importante tipo de compuestos eran los alumbres (sulfatos dobles de aluminio y un metal alcalino), aunque muchas veces confundían los vitriolos con los alumbres. Estos últimos eran ya usados en medicina desde mucho tiempo atrás (2000 a. C.) como astringentes —y también como mordientes para fijar colorantes— aunque en realidad los romanos daban el nombre de «alumen» a toda sustancia de sabor astringente. Por otra parte, los romanos consiguieron la obtención de carbonatos alcalinos (principalmente de sodio y de potasio) a partir de plantas de distinta ubicación geográfica, quemándolas y tratando sus cenizas, lo cual en definitiva constituyó otra importante fuente de álcalis, ya que por tradición el más conocido era el natron proveniente de Egipto. También obtenían sales nitrogenadas (como sales amoniacales y salitre) de excrementos de animales domésticos, sales que después en la Edad Media tuvieron una enorme trascendencia en los experimentos alquímicos. No obstante, a pesar de ser capaces de obtener éstas y otras sales del mismo tipo, en relación a las llamadas sales blancas, más bien, incoloras —como nitratos, carbonatos o sulfatos— hay que hacer notar que no podían distinguirlas claramente unas de otras. Es lógico, si pensamos en su aspecto y muchas propiedades químico-físicas tan similares. También llegaron a preparar hidróxido sódico (la sosa cáustica) tratando el natron con cal viva. Plinio describe este proceso, así como la gran «causticidad» de esa sustancia —o más bien reactividad química, como diríamos en nuestro lenguaje actual—, propiedad que hasta aquel momento sólo era conocida en la cal viva (ésta última utilizada desde el 1600 a. C.). La sosa cáustica se empleó en la Antigüedad sobre todo para fabricar el jabón, como describe el médico latino Galeno (aprox. 300 d. C.), proceso que parece ser fue descubierto por los galos.
2.8. REFLEXIONES FINALES En cualquier caso, cuánto tiempo debe de haber necesitado el hombre para llegar a esos descubrimientos sobre las propiedades de esos materiales y sobre la forma de conseguirlos y obtenerlos.
LA QUÍMICA PRIMITIVA
43
Dejando aparte las manifestaciones químicas de la Prehistoria, ¿cuál es la verdadera cuna de la química? China, India, Mesopotamia, Egipto... Sin embargo, esta cuestión no es la más importante, porque en todos esos lugares la actividad química tiene unos rasgos comunes: los dogmas religiosos están en íntima conexión con la ciencia y también con el arte, y la práctica química va raramente asociada a la reflexión. En cuanto a los griegos y romanos tampoco progresaron demasiado en sus experiencias a pesar de haber teorizado, pues sus teorías rechazaban la comprobación experimental. Sin esa colaboración entre la teoría y la experimentación resulta que: La química deja de progresar y con ella la teorización, hasta llegar a la Edad Media en la que, con los árabes y gracias a la contribución indispensable de la escuela de Alejandría, comienza a resurgir lenta pero infatigablemente.
Tema 3 LAS PRIMERAS TEORIZACIONES EN QUÍMICA ESQUEMA DE CONTENIDOS 3.1. INTRODUCCIÓN 3.2. ESTUDIO DE LA MATERIA EN LA FILOSOFÍA NATURAL GRIEGA 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4.
Filósofos presocráticos Aristóteles Epicúreos Estoicos
3.3. EVOLUCIÓN DE LA IDEA DE ELEMENTO 3.4. REFLEXIONES FINALES
3.1. INTRODUCCIÓN En aquel larguísimo tiempo de la química práctica primitiva, ¿había verdaderamente alguna teoría que justificase los fenómenos y propiedades de la materia? En Oriente Medio, especialmente en Mesopotamia y Egipto, puede llegarse a la conclusión de una química práctica ajena a cualquier contenido teórico, al menos según los vestigios que nos han llegado hasta el momento. Es decir, de la época anterior a los griegos no se ha hallado ningún testimonio que justifique lo contrario ni en los papiros egipcios ni en las tablillas mesopotámicas de escritura cuneiforme. No puede afirmarse lo mismo de las culturas del Lejano Oriente, ya que en la filosofía budista india —como ya se ha mencionado en el Tema 2— se han encontrado rastros de una especie de teoría atómica primitiva, si bien pudiera haber surgido por influencia del pensamiento griego a través de la llegada de Alejandro Magno. No obstante, este falta de información directa no significa que no existieran teorías sino que puede suceder que simplemente se hubieran perdido, como señala el antropólogo e historiador de religiones Mircea Eliade. En este sentido, es muy interesante la teoría sobre los metales o metalurgia animista sobre prácticas metalúrgicas y explicación a las mismas que este investigador ha encontrado en ciertos pueblos primitivos contemporáneos y que posiblemente puedan extrapolarse a las de los tiempos de la Antigüedad. Si bien dicha explicación cae más bien dentro del mundo de la mitología del ser humano que de la teorización racional. Es en el mundo griego dónde primeramente el hombre se cuestiona la idea de universo, de naturaleza y de su composición, intentando encontrar una respuesta a estas cuestiones por medio del razonamiento. Y también es aquí donde surge la noción de elemento, aunque con un sentido muy distinto del que le damos actualmente.
48
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
3.2. ESTUDIO DE LA MATERIA EN LA FILOSOFÍA NATURAL GRIEGA En la cultura griega —origen por otra parte de la nuestra— sus pensadores intentaron encontrar una explicación al mundo y a la vida, lo que les condujo a formular una teoría sobre la materia con la que justificar sus cambios y propiedades y que también sirviera para ordenar y clasificar las distintas sustancias de la naturaleza. Estos son a grandes rasgos los fundamentos de la filosofía de la naturaleza o filosofía natural, que fue desarrollándose en el tiempo y dio lugar a diversas escuelas o corrientes.
3.2.1. Filósofos presocráticos Siguiendo un orden cronológico, los más antiguos son los filósofos presocráticos (siglo VI a.C.), cuya temática central puede expresarse mediante la pregunta ¿de qué está hecho el mundo? Partían de que todo tiene un orden y que este orden se podría comprender por medio de la razón. Es decir, suponían que la explicación a esa pregunta era puramente materialista y racional. Consideraban que existía una materia primitiva a partir de la cual se generarían las demás materias. Así, Tales de Mileto (aprox. 624-547 a.C.), geómetra, astrónomo y al que se les suele considerar como padre de la filosofía griega, inicia la concepción de ésta como intuición general del universo, intentando buscar una explicación causal a los fenómenos naturales. itía como principio general del universo el agua, idea que también aparece en el libro bíblico del Génesis y que vuelve a surgir en bastantes científicos muy posteriores. Todo en el universo provendría del agua como materia o elemento más simple: iría evolucionando a partir de ella, dando lugar a objetos más complejos. Esta idea de materia u objeto primario del que derivarían los demás, tras muchos siglos de evolución daría paso en química al concepto actual de elemento y en física, al de energía. Los sucesores de Tales, partiendo de esta idea, la fueron modificando primeramente en el sentido de sustituir al agua como único principio por otros principios diferentes, aunque también únicos, como el fuego, el espíritu, el ser, el devenir. Es decir, serían elementos de un alto contenido abstracto más que físicamente «reales». Empédocles, en el siglo V a.C., defendió la existencia de cuatro elementos, fuego, aire, tierra y agua, que se mezclarían entre sí en proporciones diferentes para originar las sustancias que percibimos en el mundo. Con el tiempo se fue pasando de estos sistemas unitarios a un sistema dualista (el bien y el mal, el amor y el odio, etc.), según los cuales el mundo se formaría por la acción de dos principios opuestos.
3.2.2. Aristóteles Posteriormente, en el siglo IV A.C., primero para Platón (aprox. 427-347 a.C.) y después para Aristóteles (384-322 a.C.) la materia sería algo informe
49
LAS PRIMERAS TEORIZACIONES EN QUÍMICA
y amorfo, sin ningún atributo, pero a lo que se le podía comunicar e infundir las cualidades o propiedades de calor, frío, sequedad y humedad para obtener los cuatro elementos de Empédocles. Es decir, Aristóteles pensó que aquello que debía ser considerado como principios o elementos de los objetos eran en realidad las propiedades más generales de los mismos, debido a que es precisamente por sus propiedades por lo que esos objetos son reconocidos y diferenciados unos de otros. Encontró así que existían esas cuatro propiedades, las cuales podían aplicarse a todas las cosas, con lo que adoptó en el fondo la forma de un doble dualismo. De esta manera, combinando estas cuatro propiedades de dos en dos se obtendrían los distintos tipos de objetos: el agua resultaría de la combinación frío y húmedo; el aire, del tipo húmedo y caliente; la tierra, de frío y seco, y el fuego, del tipo seco y caliente. A su vez, al analizar todas las sustancias materiales se encontrarían en ellas esos cuatro componentes. Los cuatro elementos de Empédocles —agua, aire, tierra y fuego— se unirían entre sí por un principio de cohesión, el cual sería a su vez una de esas propiedades, concretamente la «humedad». Se representa esta idea en forma de diagrama, un cuadrilátero en el que en cada vértice se encuentra un elemento, teniendo los elementos adyacentes una propiedad común, por lo que serían intercambiables:
TIERRA
seco
frío AGUA
FUEGO caliente
húmedo
AIRE
En definitiva, la naturaleza sería la que «transmuta» la materia básica o materia primaria en las distintas sustancias que percibimos. La teoría de Aristóteles de los cuatro elementos, llamados elementos peripatéticos, fue elaborada —al igual que las otras teorías griegas sobre la materia— por un proceso mental, por un conocimiento intuitivo de la naturaleza y no como fruto de una experimentación.
Pertenece, pues, al ámbito del saber filosófico. Tuvo trascendental influencia en la Edad Media, a través de la filosofía escolástica y perduró en realidad hasta el siglo XVIII, siendo la base de la química teórica de todo ese largo periodo. Es el origen de la doctrina de la transmutación de los elementos. Todas sus
50
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
ideas fundamentales, en definitiva, se han manifestado en la mayoría de los filósofos hasta tiempos muy posteriores (así, el principio de los opuestos dos a dos en Kant o en Hegel, o las mismas ideas sobre la simetría). ¿A qué se debe su aceptación durante tanto tiempo? Probablemente a que proporciona una fácil explicación de lo que percibimos por nuestros sentidos, a través de los cuales nos llegan las distintas apariencias de todas las sustancias. Anteriormente, Demócrito (aprox. 460-370 a.C.), discípulo de Leucipo, había formulado una teoría atómica de la materia, según la cual explicaba que esas apariencias diversas de las sustancias eran debidas a las diferentes formas y tamaños de unas partículas homogéneas e indivisibles, los átomos, últimos componentes de la materia. Sin embargo, para Aristóteles esta teoría no podía justificar la enorme variedad de las sustancias de la naturaleza. Además, habría que itir la idea de «vacío», como también proponía Demócrito, pero en el vacío no se podía justificar el movimiento. Y sin movimiento, no habría cambio, idea que era otro de los pilares de la teoría aristotélica. No obstante, en su obra Meteorológica Aristóteles retoma, a su manera, la teoría atómica mediante la isión de un tipo de corpúsculos o partículas, los mínima naturalia, que serían más o menos el equivalente a las moléculas en sentido moderno. También en esa misma obra —cuyo título, paradójicamente, no tiene nada que ver con la meteorología— Aristóteles propone que la física de la esfera terrestre estaría en oposición a la física de la esfera celeste y expone además una curiosa explicación sobre el origen de los metales. Acepta y defiende la idea primitiva de que los metales se gestan y crecen en el interior de la tierra. De esta manera, los metales menos perfectos van creciendo y evolucionando hacia los metales más perfectos o metales nobles, de los que el oro sería su máxima expresión. Esta teoría fue recogida por los alquimistas, tanto griegos, como árabes y los del occidente cristiano, teniendo importantísimas repercusiones en la Edad Media, incluso sociopolíticas, como se analizará posteriormente en su momento.
3.2.3. Epicúreos Tras la muerte de Aristóteles, Epicuro (341-272 a.C.) vuelve a la teoría atómica de Demócrito y la perfecciona, sosteniendo que los átomos eran las partículas mínimas de la materia, ya que no se podían dividir. Estos átomos se moverían a causa de su gravedad, al caer en el vacío, y no lo harían de forma predeterminada, sino que irían cambiando en su movimiento; es decir, se moverían al azar. En su caída podrían sufrir de repente un viraje o desviación, lo que hacía posible que se combinaran unos con otros. Las ideas de Epicuro más que buscar una explicación científica a la constitución de la materia se inclinaban hacia una filosofía ética, para despojar al hombre de sus miedos y ansiedades, producto muchas veces de la superstición y de la influencia de las religiones, para que alcanzara con ello la felicidad. Había que huir de las pasiones y de los excesos. Se debería ser tolerante y mesurado, poniendo un coto a las acciones y a los deseos, valorando la
LAS PRIMERAS TEORIZACIONES EN QUÍMICA
51
amistad sobre todas las cosas y menospreciando la competitividad. El saber habría de servir básicamente para hacer feliz al individuo, para su propia satisfacción, pero no para competir y destacar sobre los demás. El hombre sería libre y sujeto de su propio destino, a diferencia del pensamiento de Aristóteles, según el cual el hombre vendría determinado por su propia naturaleza. Las desviaciones de los átomos al caer en el vacío y combinarse entre sí representaban, en realidad, la voluntad libre del hombre. El mundo sería finito y, en definitiva, una combinación de átomos, producto del azar, y no habría una separación del alma y el cuerpo, por lo que el alma no sería inmortal. Con todo esto lo que pretendía esta doctrina era despojar a la naturaleza de lo terrorífico en un mundo como el de aquella época, lleno de religiones mistéricas. Y así, ya que no habría que temer ni a los dioses ni a la muerte. De todos los escritos de Epicuro, unos trescientos, queda muy poco. Sus ideas son conocidas a través del texto del latino Lucrecio, De rerum natura (aprox. 55 a.C.), que recoge sus teorías. Fue una de las doctrinas más combatidas, no sólo por otras corrientes filosóficas, como la estoica, sino también por algunas religiosas, como el cristianismo y el judaísmo. El motivo hay que buscarlo en su materialismo y en su actitud hacia la idea de dios y del alma humana. Esos ataques al epicureísmo fueron causa, a su vez, de que en la ciencia se abandonara el atomismo hasta el siglo XVII, en que se retomaron sus pensamientos básicos aunque con profundas modificaciones, con lo cual se dio un impulso decisivo al avance científico.
3.2.4. Estoicos Otra escuela filosófica postaristotélica es la del estoicismo, fundado por Zenón de Kitión (aprox.342-270 a.C.), en el siglo IV a.C. y desarrollado en la época romana por Séneca en el siglo I d.C. Adoptó en gran parte la filosofía aristotélica y sostiene así que la materia era divisible hasta el infinito. Sin embargo, al contrario que Aristóteles, defendió la analogía entre la física del cielo y la de la tierra, el macrocosmos y el microcosmos. Es muy importante la distinción que hacía entre materia inerte y una forma activa, el pneuma o espíritu vital (de esa misma palabra griega, que significa «aire»), siendo éste último el que produciría tanto los procesos de corrupción como los de generación. Volviendo a los cuatro elementos aristotélicos, los calientes (fuego y aire) serían más activos que los húmedos y fríos (agua y tierra). El fuego y el aire serían, pues, formas de pneuma, y éste sería la fuerza que cohesionaría las formas más pasivas (tierra y agua) en las diferentes sustancias complejas. Estas ideas sirvieron posteriormente como fundamento para interpretar la destilación, como se verá en el Tema 4.
3.3. EVOLUCIÓN DE LA IDEA DE ELEMENTO Como acabamos de analizar, en la filosofía griega aparece la noción de elemento. Pero esta idea de elemento no tiene nada que ver con el concep-
52
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
to muy posterior de elemento químico, tal y como lo tenemos actualmente. Además: Cuando se hablaba de elementos u objetos ni siquiera se trataba de algo tangible, sino más bien de determinadas propiedades. Para muchos filósofos, el sentido de elemento era el de un principio general, que generaría los demás objetos del universo.
Así, para Tales era sólo uno, el agua, con Empédocles pasaron a cuatro, etc. Hasta llegar a Aristóteles, con el que ya toma esa idea de cualidades o propiedades, como se ha expuesto. Tras la caída del mundo antiguo, y con ello de la cultura greco-romana, los árabes conocen las ideas de Aristóteles a través de las traducciones de los textos clásicos. Pero, grandes experimentadores al contrario que los griegos, necesitaban otro tipo de elementos que estuvieran más acordes con los resultados de sus experiencias. A lo largo de la Edad Media comienza un largo proceso en el mundo de la química en el que una de sus grandes metas era la transformación de los metales en oro, como se analizará más detenidamente después al tratar la Alquimia en el Tema 4. De ahí la importancia que se dio al estudio de los metales y, en consecuencia, los alquimistas árabes eligieron otros elementos: el mercurio, que representaba al metal (en cuanto a propiedad metálica), el azufre, que simbolizaba la combustibilidad, la tierra, que personificaba los minerales no metálicos y la sal, que significaba la solubilidad en el agua. Es decir, los elementos seguían también representando propiedades, por lo que es de comprender que los químicos de aquellas épocas pensaran que se podía comunicar a un metal determinado las propiedades de otro a través de una serie de operaciones y técnicas, con lo cual se justificaba la idea de que era posible la obtención de oro a partir de otro metal, es decir, la transmutación.
3.4. REFLEXIONES FINALES La idea de la filosofía griega de elemento en cuanto a propiedad proporcionó una base teórica para la creencia en la transmutación de los alquimstas y también de muchos químicos. Será con Lavoisier cuando se llega al concepto de elemento tal y como es hoy en día. No obstante, hasta llegar a ese momento, finales del siglo XVIII, las ideas de filosofía griega sobre la noción de elemento estarán siempre presentes, de una manera u otra, perviviendo en el pensamiento de alquimistas y químicos en mayor e menor grado. Así, el agua volvería a representar el principio universal para un químico de la talla de van Helmont.
Tema 4 LA ALQUIMIA
ESQUEMA DE CONTENIDOS 4.1. INTRODUCCIÓN 4.2. ORÍGENES Y DESARROLLO DE LA ALQUIMIA 4.3. LA ALQUIMIA CHINA 4.4. LA ALQUIMIA GRIEGA 4.5. LA ALQUIMIA ÁRABE 4.6. LA ALQUIMIA EN EL OCCIDENTE CRISTIANO 4.7. REFLEXIONES FINALES
4.1. INTRODUCCIÓN Aunque muchísimos científicos e historiadores han despreciado la alquimia, otros, incluso algunos muy ilustres, no han tenido esa actitud. Por ejemplo, para Liebig la alquimia era la inmediata precursora de la química, porque produjo un sinfín de observaciones y de experiencias que desencadenaron procedimientos y técnicas que, a su vez, facilitaron el perfeccionamiento de la química. Casi siempre que se habla de la alquimia se piensa en la búsqueda de la piedra filosofal y del elixir de la vida, pero sus objetivos no se quedaban ahí. Realmente habría que situarlos a mucha mayor profundidad, en las eternas preguntas del hombre de dónde venimos, a dónde vamos y, en definitiva, cuál es el origen y el sentido del universo. Por ello, la alquimia tiene un alto contenido de espiritualidad, característica común a las distintas formas alquímicas, aunque correspondan a culturas y épocas diferentes. Así, en la alquimia hay que distinguir dos tipos, según sus actividades, prácticas y rituales: la exotérica o material, que buscaría la perfección de nuestra materia y la esotérica o espiritual, que buscaría la perfección del espíritu. Y es importante el factor tiempo, porque todos los procesos requieren su tiempo, aunque la alquimia puede encontrar el medio para acelerarlos. Hay teorías que suponen que la alquimia surgió en casi todas las culturas antiguas de forma independiente, si bien después hubiera entre ellas una intercomunicación, con lo que todas tenían bastantes rasgos análogos, aunque no todos. Por ejemplo, la idea del elixir de la vida se encuentra en la alquimia china e india, pero no en la griega. Este hecho parece demostrar que la alquimia llegó a Europa procedente del mundo árabe, que recibe esa idea a su vez de extremo oriente. También a causa de esa espiritualidad es por lo que para alcanzar sus objetivos primarios —transformar los metales en oro o llegar a la inmortalidad— era necesario no sólo realizar unas prácticas en el laboratorio, sino
56
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
adquirir el conocimiento a través de la revelación o de la iluminación. Por todos estos motivos es por lo que la alquimia adquiere para algunos historiadores una dimensión de arte cósmico. Todas estas ideas enlazan con la hipótesis propuesta por Mircea Eliade acerca de los metales, como ya tratamos en el Tema 1. Los metales se formarían en la tierra como en un proceso de gestación: crecerían como un embrión o semilla en el interior de aquélla, que equivaldría a un vientre materno. Por esto también el trabajo de los metalúrgicos antiguos iba acompañado de ciertos ritos y ceremonias, parecidos en cierto modo a los de un parto. Las prácticas alquímicas enlazan así con el mundo de los mitos del ser humano. Y los metales juegan un papel fundamental en el desarrollo de la alquimia y, en definitiva, de la química. No obstante, como rasgo común y fundamental hay que destacar las operaciones de la aurificción y de la aurifacción. La primera consistía en dar a ciertos metales la apariencia de oro, con lo cual en última instancia sería la falsificación del oro. Por su parte, la aurifacción sería la fabricación de oro, de un oro conseguido artificialmente y que sería indistinguible del oro natural. Por este motivo, el arte de la joyería ha contribuido también enormemente al desarrollo de la alquimia, así como de toda la química práctica de los primeros tiempos (puede consultar el Tema 2). Para los alquimistas, que recogieron la teoría aristotélica de los cuatro elementos, las distintas sustancias eran mezclas de esos elementos en proporciones variables. El eje central de los alquimistas, la transmutación, consistiría no en lo que actualmente se tiene por un cambio químico —es decir, un cambio en las proporciones de los elementos integrantes y nuevas disposiciones de los mismos—, sino en una transformación de las cualidades de los elementos. Un elemento se transformaría en otro elemento. Por eso, cualquier metal podía convertirse en oro si se le despojaba de sus cualidades, con lo que su materia básica quedaba libre y en ella se podían introducir las cualidades de aquél.
4.2. ORÍGENES Y DESARROLLO DE LA ALQUIMIA El origen de la alquimia puede atribuirse con gran seguridad a la química práctica, como legado, sobre todo, de la época helenística —o período alejandrino— que enlaza ya con la cultura romana. Los árabes la toman directamente, con gran probabilidad, de los textos de la biblioteca de Alejandría, hacia mediados del siglo VII d.C. y después la extienden a Europa a través de España y de Italia. Es decir, su recorrido va de oriente a occidente: nace en el oriente musulmán y llega al occidente cristiano, donde se desarrolla poderosamente después, durante los siglos XII y XIII. Sin embargo, también hubo una importante alquimia en extremo oriente, en India y sobre todo en China.
LA ALQUIMIA
57
Podría decirse de la alquimia que, para el mundo árabe y para la Europa cristiana, es la química práctica de la Edad Media. Pero, ¿qué características particulares pueden atribuirse a la alquimia que la diferencian de la química práctica anterior? No es en absoluto que la alquimia buscase una justificación o teorización a los fenómenos con los que trabajaba, lo cual también faltaba en general en la química práctica. En la alquimia se aceptaban los principios que la regían sin cuestionarlos ni verificarlos seriamente. Pero una característica propia de la alquimia era su proximidad al secretismo, al saber llamado «hermético», reservado sólo para los iluminados (como se analizará después), falto de sentido crítico y, en consecuencia, completamente ajeno al método científico. ¿A qué se debía ese secretismo? Hay dos razones fundamentales. En primer lugar, los fines últimos que perseguían los alquimistas era encontrar, por una parte, la piedra filosofal y, por otra, el elixir de la vida. Porque con la piedra filosofal era posible fabricar oro partiendo de otros metales, con lo cual se conseguía la riqueza, mientras que con el elixir de la vida —llamado también «panacea universal» y que no era otra cosa que la piedra filosofal en estado líquido— se podía prolongar la juventud y tener una vida más larga y saludable y, en definitiva, alcanzar la inmortalidad. Parece bastante evidente que el poseer la clave de esos inestimables valores fuera una importante causa de ese secretismo. En segundo lugar, hay que tener en cuenta también que durante esos siglos medievales, de una gran inestabilidad, la alquimia fuese considerada a veces como una especie de brujería y, por tanto, su práctica resultase peligrosa. Tal vez sea ésta razón la principal responsable de su hermetismo y de que no se divulgasen apenas sus hallazgos. Por otra parte, había una gran diferencia entre el mundo árabe y la Europa cristiana en cuanto al sujeto depositario del saber. En la segunda el conocimiento se quedó relegado a la Iglesia no sólo como depositaria, sino también como transmisora del mismo, mientras que entre los árabes, al coincidir en la figura del califa la jefatura política y religiosa, se hizo posible un desarrollo mucho mayor de las artes y de las ciencias y, con esto, también de la alquimia.
4.3. LA ALQUIMIA CHINA El primer texto escrito sobre las técnicas y pensamiento de la aurifacción en China data del siglo VI a.C. Se trata del texto Tao Te Ching, de Lao Tsé. Estaba muy influido por la filosofía taoísta, que interpretaba el universo en términos de dos principios contrarios: el yin, principio femenino, frío, oscuro y negativo, y el yang, principio masculino, caliente, luminoso y positivo (Fig. 4.1). Del combate entre ambos resultan los cinco elementos (agua, fuego, tierra, madera y metal) que compondrían todos los distintos objetos de la materia.
58
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
FIGURA 4.1. Símbolos de los dos principios chinos de la vida: el yin (femenino, negro, línea quebrada) y el yang (masculino, blanco, línea continua).
Para los chinos, no obstante, mucho más importante que la fabricación de oro a partir de otros metales era la preparación de elixires con los que el hombre pudiera alcanzar la perfección y la inmortalidad. En esto se diferenciaba de la alquimia griega (de la que trataremos después), a pesar de que la filosofía estoica, posterior al taoísmo, también creyera en esa lucha de contrarios como origen de los elementos. La búsqueda de esos elixires se basaba en la idea de que para alcanzar la perfección del alma era necesario alcanzar el equilibrio dentro del cuerpo en cuanto a las proporciones del yin y el yang. Así, eran ricos en yang el cinabrio rojo (HgS), el jade, el oro, el azufre,...y en yin, el salitre, entre otros. Esto exigía a los alquimistas delicados estudios empíricos de muchas reacciones químicas, realizadas con el orden y la meticulosidad tan característicos del trabajo de los chinos, lo cual tuvo importantes consecuencias —muchas de ellas llegadas de forma indirecta— desde el punto de vista químico y también médico, ya que la alquimia china se desarrolló en estrecha conexión con la medicina. Así, en el área de la medicina y biología se prepararon gran cantidad de remedios farmacéuticos y se estudiaron numerosos procesos de fermentación, siendo importante la obtención de medicamentos con alto contenido en hormonas sexuales. En cuanto a la química, realizan los chinos un descubrimiento tan trascendental en la historia como es el de la pólvora, obtenida por reacción del salitre (nitrato potásico) con el azufre, uno rico en yin y en el otro en yang, respectivamente. C/T/S La pólvora es un ejemplo clásico de influencia de un producto químico, fruto del saber del hombre, en la vida política de éste. Cuando llegó la pólvora a Occidente y se utilizó en el armamento bélico, modificó el equilibrio de fuerzas de los poderes políticos a favor de aquéllos que la poseían.
LA ALQUIMIA
59
Con el tiempo van surgiendo distintas formas de alquimia china. La forma wai tan (siglo IV d.C.) propugnaba el consumo de oro potable como elixir, lo cual produjo numerosos envenenamientos. Por este motivo apareció otra forma de alquimia, la nai tan o alquimia fisiológica, muy importante a partir del siglo VI d.C. Buscaba un elixir interno, que el mismo cuerpo humano produciría mediante una serie de ejercicios respiratorios, gimnásticos y actividades sexuales y cuya bebida proporcionaría la inmortalidad. Esto dio lugar al estudio de los fluidos orgánicos, sobre todo de la orina, de la cual los chinos lograron aislar hormonas sexuales. La alquimia china fue haciéndose con el tiempo sumamente esotérica y se rodeó de complicados rituales, lo cual unido al hecho de que con frecuencia fueran apareciendo entre los alquimistas chinos gran cantidad de falsificadores, motivó a que su decadencia se hiciera inevitable, a pesar de sus grandes éxitos.
4.4. LA ALQUIMIA GRIEGA Aunque se la conoce con este nombre, tal vez el más apropiado fuese el de alquimia helenística o egipcio-helenística, ya que surge y se desarrolla en Egipto durante la época helenística de la cultura griega (del aprox. 300 a.C. al siglo I d.C.), extendiéndose hasta mediados del siglo VII d.C., cuando Egipto fue invadido por los árabes. Tras la decadencia de la cultura griega clásica a la muerte de Alejandro Magno en el año 323 a.C., se abre el periodo llamado helenístico, cuyo epicentro fue precisamente la ciudad de Alejandría. Allí convergen la filosofía griega y las filosofías orientales, la astrología y el gnosticismo, unido todo ello a la magia, a la mística y al hermetismo, a lo cual hay que añadir después el cristianismo. Es importante ante todo conocer, al menos en síntesis, algunas de esas corrientes de pensamiento. El gnosticismo, doctrina religiosa proveniente de Babilonia, se fundamentaba sobre unas bases que eran, por una parte, el dualismo entre lo bueno y lo malo, la luz y la oscuridad (recuérdese también en el taoismo) y, por otra, la creencia de que el conocimiento o gnosis (del griego, «conocimiento») se alcanzaba únicamente a través de una iluminación interior y no por la fe ni la razón. Esta idea de la iluminación interior tuvo gran influencia en algunas corrientes alquímicas, como veremos después, pero a su vez el gnosticismo estaba muy influido por la alquimia en cuanto al lenguaje. Por ejemplo, utilizaba metáforas de los procesos de sublimación, destilación, refinado, purificación, filtrado... para referirse a determinados tránsitos del alma humana. El hermetismo, o doctrina hermética, era una mezcla de platonismo, estoicismo, astrología babilónica y religión egipcia. Su nombre proviene de Hermes Trimegisto, forma griega de Tot —el dios egipcio de todo el saber escrito— y al que se le atribuían los libros llamados herméticos, recopilados principalmente en Egipto (siglo II a.C.).
60
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
En cuanto al misticismo, englobaba una serie de prácticas religiosas y mágicas, en principio bastante irracionales y alejadas del cientifismo. Es uno de los mayores responsables de la atribución dada a la alquimia de pseudociencia, pues un importante grupo de alquimistas tendió a ir abandonando la observación y la experiencia para buscar el conocimiento por medio de la revelación religiosa y el misticismo. Uno de los aspectos más sobresalientes de la alquimia griega son sus conocimientos farmacológicos, tratando minerales y plantas para elaborar bálsamos y otras medicinas. De hecho, la palabra griega pharmakon se utilizaba para designar a los reactivos químicos. En su práctica fue fundamental la idea de la «transmutación» y, además, siempre estuvo subyacente la mezcla de ciencia y religión, como queda reflejado en su lenguaje, alegórico y repleto de símbolos. Por ejemplo, con los procesos metalúrgicos había una simbología entre la muerte, resurrección y perfeccionamiento de los metales —recuérdese la mitología sobre la metalurgia— para reflejar los de Jesucristo y, en último término, los del alma humana. Se crea un verdadero vocabulario que se fue haciendo cada vez más secreto para impedir el a los no iniciados en las técnicas alquímicas, sobre todo en las referido a la conversión de metales en oro. Pero, por otra parte, este secretismo convenía muchas veces a los dirigentes políticos, debido a la implicación de los procesos de transmutación en oro con fines claramente lucrativos. Por esto mismo, en algunos momentos de la historia los alquimistas estuvieron protegidos por los monarcas y la nobleza, los cuales también llegaban incluso a sufragar los gastos de sus investigaciones. La alquimia exotérica se une, pues, a la esotérica. Pero a pesar de este oscurantismo, dónde realiza la alquimia una aportación importantísima —en el sentido de la evolución de la química— es en el terreno práctico, con la invención y desarrollo de técnicas experimentales que aun hoy en día, muchas de ellas, continúan utilizándose. Tal es el caso del baño maría, llamado así por su inventora, la conocida alquimista María la Hebrea. Tenían que llevar a cabo multitud de experimentos, movidos principalmente por esa idea central de la alquimia, la fabricación de oro. Una de sus teorías más curiosas en relación a esto era la de «plantar» una pepita de oro, a modo de semilla, sobre un metal o materia informe (plomo, generalmente), esperando que a base de calor y humedad germinase y creciese. Esto les obligaba a realizar muchísimos ensayos que requerían utilizar e ir desarrollando muy diferentes aparatos —alambiques, hornos, retortas, baños, etc.— y técnicas, sobre todo la de destilación (Fig. 4.2). Y para interpretar ésta última, seguían la teoría filosófica griega de los estoicos sobre el pneuma: identificaban como pneuma a los productos de la destilación, tanto los «aéreos» (es decir, los vapores o gases) como los líquidos. Aparte de esta gran importancia de la alquimia griega en el terreno experimental, también existía alguna teorización sobre la materia, como es la isión de la idea de partículas a través de los minima naturalia de Aristóteles.
LA ALQUIMIA
61
En la alquimia griega la figura más importante es la de Zósimo, de comienzos del siglo IV d.C, que ha dejado las mejores referencias escritas de la alquimia de este periodo y en las que hace mención, entre otros temas, a muchas técnicas de laboratorio. Como ya se dijo en el Tema 1, a él también se debe con gran probabilidad el origen de la palabra química. Otro alquimista bastante conocido es Esteban de Alejandría, del siglo VII d.C., del que se conoce que era firme partidario de la transmutación y que atacaba por otra parte las prácticas de la aurificción, como dejó escrito en su texto Del gran y sagrado arte, o de la fabricación del oro. Asimismo llegó a ser muy famosa otra mujer alquimista, llamada Cleopatra.
FIGURA 4.2. Aparatos para destilar representados por Zósimo y otros alquimistas griegos.
4.5. LA ALQUIMIA ÁRABE Los alquimistas griegos se expandieron por todo oriente, probablemente debido en gran parte a las persecuciones que sufrieron por los romanos en tiempos del emperador Diocleciano, quien en el 292 d.C. publicó un edicto en contra de ellos. Así fue llegando su saber hasta los árabes, los cuales ya estaban en posesión de muchas técnicas y conocimientos de los alquimistas de extremo oriente, principalmente de chinos e hindúes. Por ejemplo, las ideas del elixir de la vida y de la piedra filosofal, que tan arraigadas estuvieron entre los alquimistas árabes y posteriormente entre los europeos, provenían de los chinos, ya que por el contrario los alquimistas griegos no las tenían. La alquimia árabe se extiendió del siglo VII al XIII. Los árabes desarrollaron en gran manera las ciencias y las artes, con lo que en su época florecieron las matemáticas, la filosofía y la astronomía. Sus propios califas eran ejemplo de ello (como Haroun-Al-Rachid, tan conocido de los lectores de Las mil y una noches, Al-Mansour o Al-Mamoun). Los árabes conocieron los textos griegos cuando conquistaron los antiguos territorios helénicos. Tal fue el caso de Alejandría y su famosa biblioteca, con lo que mucho del saber del mundo clásico fue recogido y asimilado por los árabes, que posterior-
62
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
mente lo transmitieron al mundo cristiano (la misma palabra «alquimia» es claramente de origen árabe, lo mismo que «elixir», de al-axir, o alambique, etc.). Sus bibliotecas se enriquecieron, pues, no sólo con sus producciones propias sino con las traducciones de esos textos griegos. Así, cuando continuaron expandiéndose y llegaron hasta Italia y España, la Universidad de Córdoba constituyó una buena prueba de ello al contar con una biblioteca de más de 250.000 volúmenes. Desgraciadamente casi todos fueron quemados por la Inquisición tras la culminación de la Reconquista con la toma de Granada. En el ámbito que nos ocupa de las transformaciones de la materia, los árabes se inclinaron más hacia la medicina y la farmacia. Por ejemplo, la primera farmacia pública fue creada en Bagdad a fines del siglo VIII, mientras que la de Salerno (Italia) es la más antigua de Europa (siglo XI). Entre los alquimistas árabes hay que destacar dos importantísimos, autores además de gran cantidad de escritos traducidos después, en el siglo XI, al latín. Por esta razón, es a partir de ese momento cuando se desarrolló la alquimia en occidente. El primero de todos esos alquimistas es sin duda alguna el que se conoce con el nombre latinizado de Geber o Xeber (Djabir Ibn Ajan en árabe, del siglo VIII, 780-840). Se le atribuye la autoría de muchísimos textos (más de dos mil), aunque en gran parte son apócrifos. Su obra cumbre es Summa Perfectionis, si bien en realidad el texto que nos ha llegado es una traducción al latín de una compilación de sus escritos. A Geber le debemos la descripción de importantes técnicas y operaciones básicas del laboratorio químico —tales como la destilación, la obtención de aceites vegetales, la purificación de muchos metales, el lavado con álcalis, etc.— así como numerosos aparatos. También utilizó por vez primera determinadas palabras para referirse a ciertas especies químicas, como álcali (se nota fácilmente el origen árabe de esta palabra), sal amoniacal (nuestro NH4Cl), vitriolo ( nuestro H2SO4) u oropimente (As2S3), entre otros términos. Geber explica muchas propiedades de los metales partiendo de la teoría aristotélica de los minima naturalia (o «moléculas», en nuestro lenguaje actual), basándolas en la mayor o menor proximidad de las partículas constituyentes. Asimismo, introduce la idea del mercurio, principio acuoso, que se combinaría con el azufre, principio ígneo y humeante, que al mezclarse en el interior de la tierra generarían los metales. Como siempre, reaparece esta idea de la «gestación» de los metales que ya propusiera Aristóteles, a la que se une la teoría de los estoicos de la cohesión de los metales entre un alma (el azufre) y un espíritu (el mercurio). Otros alquimistas árabes describieron reacciones químicas básicas, origen a su vez de procedimientos de síntesis muy importantes. De esta manera, Rhases (Al-Razi, 860-940), el otro gran alquimista árabe, describe la formación del alcohol —también palabra árabe— o «espíritu del vino» por destilación de vino, que es como se obtuvo por vez primera en occidente en la escuela de medicina
LA ALQUIMIA
63
de Salerno, famosísima en la Edad Media. También explica la deshidratación del alcohol con cal. Asimismo, Rhases descubrió la síntesis de ácido sulfúrico a partir de sulfato de hierro. En su obra El secreto de los secretos describe cuidadosamente multitud de técnicas básicas, aparatos y procedimientos de laboratorio y también señala una clasificación de las sustancias. En el mundo árabe hay otros alquimistas que, a pesar de que su mayor renombre lo deban a otras ramas de la ciencia, no deben olvidarse. Por ejemplo, Avicena (Ibn Sina, 980-1036), que destacó en filosofía, astronomía, matemáticas y mayormente en medicina. Escribió el Canon de la medicina, obra maestra en este campo. En relación a la alquimia, su texto Tratado de las piedras es de gran valor por la clasificación que introduce de los metales y por su teoría sobre el origen de las montañas. En este mismo sentido, Averroes (Ibn Ruchd, 1126-1198) fue además de alquimista, filósofo y médico. Teorizó sobre la naturaleza de la materia en cuanto a su «eternidad» y movimiento en sus Comentarios sobre Aristóteles. Se inclinó hacia el materialismo y el panteísmo, por lo que sus escritos fueron posteriormente rechazados por SantoTomás de Aquino y condenados públicamente por la Iglesia en la Universidad de París (1240).
4.6. LA ALQUIMIA EN EL OCCIDENTE CRISTIANO Destruido el mundo clásico con la caída del Imperio Romano (toma de Roma por los bárbaros en el 476 d.C.), el mundo occidental pierde el conocimiento científico y con él el de la alquimia. Pero poco a poco lo va recuperando, va rehaciéndose, a través de tres vías. En primer lugar, a partir del siglo XI la Academia de Córdoba jugó un papel importantísimo en la transmisión de la ciencia a la Europa cristiana. Así, a través de los árabes, sobre todo los de España y también de Italia, la alquimia se fue desarrollando en Francia, Inglaterra y Alemania, principalmente. Este hecho se vio reforzado con las Cruzadas, que tuvieron una enorme repercusión no sólo en el aspecto científico, sino también en las artes, en las letras e, incluso, en las costumbres. Pero también, y aunque de menor importancia, hay que considerar una tercera vía: en algunos casos en Europa se tuvo conocimiento de los textos clásicos por la recuperación y traducción de los mismos realizadas por los monjes. Es ejemplo de ello el monje Teófilo (siglo X), con la obra Schedula diversium artium (El libro de las diferentes artes), texto del occidente cristiano más antiguo en el que se muestra una receta química. El florecimiento de la alquimia cristiana medieval transcurre a lo largo de los siglos XIII y XIV, en los que ya van apareciendo grandes figuras. Una de ellas —y muy conocida por los químicos, ya que es su patrón— es Alberto Magno o San Alberto Magno (1193-1280), dominico alemán, maestro también de Santo Tomás de Aquino. Fue el primero en introducir la idea de «afi-
64
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
nidad química». En su obra De mineralibus expone sus teorías, de raíz aristotélica y también árabe, y hace asimismo muy buenas descripciones de técnicas básicas, como destilación, sublimación, calefacción al baño maría (recordar que fue su creadora María la Hebrea, ver apdo. 4.4) y también del montaje de aparatos de laboratorio. Es partidario de la transmutación si bien, con gran clarividencia, delata el peligro de los falsificadores de oro. Otro discípulo de Alberto Magno en sus aulas de París y también gran alquimista fue el inglés Roger Bacon (no confundir con el físico Francis Bacon, bastante posterior). Vivió del 1220 a 1292 e inició sus estudios en Oxford. También fue monje, en este caso franciscano, por lo que tuvo ciertos problemas para practicar la alquimia. Se dedicó al estudio de las ciencias en general. En óptica descubrió las leyes de la reflexión y el fenómeno de la refracción. También observó el efecto sobre la visión del empleo de ciertos vidrios o de cristales naturales, como el cuarzo, por lo que se le puede considerar como el inventor de las gafas. Su pensamiento tuvo en algunos aspectos ideas verdaderamente revolucionarias. Así, en química explicó el fenómeno de la combustión y fue el primero en proponer que el aire era el alimento del fuego. También habló de técnicas clave en la alquimia, proponiendo entre otras la solidificación, la disolución, la purificación, la destilación o la calcinación. Pero tal vez su mayor éxito sea el atribuir a las matemáticas un papel esencial en las ciencias y el proponer el estudio inductivo de la naturaleza. Acusado de magia y brujería sufrió la cárcel durante largo tiempo, muriendo finalmente en ella. En la alquimia no puede olvidarse al italiano Santo Tomás de Aquino (1225-1274). En su Summa teologica intenta fusionar el pensamiento clásico racional de Aristóteles y el cristiano basado en la revelación de San Agustín. Aunque famoso sobre todo como teólogo, también tiene un importante escrito sobre química, Tratado sobre la esencia de los minerales, en el que realiza una fuerte defensa de la transmutación como obra de la naturaleza que ocurre espontáneamente y que se produce si transcurre el tiempo suficiente, y también llega a describir la fabricación de piedras preciosas. Durante los siglos XIII, XIV y XV no hubo aportaciones verdaderamente interesantes en la alquimia, salvo algunos hechos aislados y más bien curiosos muchas veces. Éste es el caso de los ensayos sobre absorción de sales de antimonio con fines curativos (por ejemplo, para curar enfermedades venéreas, entre otros males), llevados a cabo por un monje benedictino alquimista, el alemán Basilio Valentín —según se dice— en el siglo XV. Y, precisamente, fueron sus mismos compañeros de congregación, con los que a veces experimentaba estas sales, los que le dieron irónicamente el nombre de «anti-moine», es decir, antimonje (de la palabra «moine», monje en francés), de donde derivaría la palabra antimonio —también esto, según se dice— para el elemento correspondiente, que sustituyó al nombre latino de stibium. Sin embargo, hay muchas dudas sobre la existencia real de este alquimista y se piensa que sólo fue un personaje ficticio creado por el alemán Johann Tholde, fabricante de sal, aunque este hecho no excluye que el libro El carro triunfal del antimonio, donde se publicaron estos trabajos, constituya un valiosísimo texto de alquimia.
LA ALQUIMIA
65
En cuanto al mundo cristiano correspondiente a lo que después sería el territorio español hay que destacar dos importantes personajes que contribuyeron al desarrollo de la alquimia. En primer lugar, el mallorquín Ramón Lull o también Raimundo Lulio (1235-1315), médico y alquimista, de vida azarosa (muere lapidado en África en su labor de predicación de los Evangelios). Es autor de numerosos escritos —aunque muchos son apócrifos—, destacando entre todos el Ars Magna (Gran Arte), a través del cual se aprecia su mérito de ser el primero en utilizar una especie de nomenclatura química (con círculos, triángulos y cuadrados para representar determinadas sustancias) y de tratar de realizar una ordenación sistemática de los descubrimientos, recetas e invenciones alquímicas. Otra figura interesante es la de Arnaldo de Vilanova (o Arnauld de Villeneuve, como era llamado en Francia), médico y alquimista catalán (12451314), gran viajero, autor de bastantes obras que se publicaron mucho después de su muerte. Así es suyo un tratado alquímico que constituye el más antiguo de los publicados en Francia y que contiene recetas de transmutación repletas de alegorías y en las que mezcla la alquimia con contenidos religiosos.
4.7. REFLEXIONES FINALES Conociendo algo más sobre la alquimia es casi imposible poner en duda su contribución al surgimiento de la química y a su posterior evolución para ser ciencia. Todas sus búsquedas de la piedra filosofal y del elixir de la vida obligaron a los alquimistas a realizar gran numero de ensayos y experimentos y a llevar a cabo una amplísima gama de reacciones. Por ello, podemos afirmar con Liebig que, en cierto modo, la alquimia fue el antecedente directo de nuestra química.
Bloque temático II LOS PASOS HACIA LA CIENCIA
Tema 5 LA IATROQUÍMICA O QUÍMICA MÉDICA DEL RENACIMIENTO ESQUEMA DE CONTENIDOS 5.1. INTRODUCCIÓN 5.2. PRIMEROS TIEMPOS DE LA QUÍMICA RENACENTISTA 5.3. PARACELSO Y LA IATROQUÍMICA. 5.3.1. Paracelso: notas sobre su vida 5.3.2. Ideas químicas de Paracelso 5.3.3. Paracelso como médico 5.4. DESARROLLO DE LA IATROQUÍMICA 5.4.1. Van Helmont: el químico de lo cuantitativo y del agua 5.5. REFLEXIONES FINALES
Paracelso, según una pintura de Rubens.
5.1. INTRODUCCIÓN Nos adentramos en el siglo XV, a mediados del cual —en 1453— los historiadores marcan el inicio de la Edad Moderna con la toma de Constantinopla por los turcos y, con ella, la caída del Imperio Romano de Oriente. En esas fechas también tiene lugar otra serie de acontecimientos trascendentales para la historia del hombre y también para la de la ciencia. Así, en 1450 se inventa la imprenta, hecho que marcará una profunda revolución en todos los campos por las posibilidades que abrió de divulgar el conocimiento a través de los textos impresos. Se conocen y leen los textos de la cultura greco-latina clásica. Comienza así lo que en arte, literatura y cultura se conoce como Renacimiento, uno de cuyos más importantes efectos es una vuelta al humanismo y a la razón del mundo clásico y que desde el siglo XV se extiende hasta el XVII. C/T/S Esta es una muestra de estas relaciones: el invento de una nueva tecnología, la imprenta, tiene una repercusión fundamental para la sociedad en muchos aspectos y, por supuesto, también en la ciencia. Y gracias a la imprenta se difunden las ideas, tanto las científicas como las no científicas.
Por otra parte, tiene lugar el descubrimiento de América en 1492, que también influyó muy sensiblemente en todos los aspectos sociales (políticos, económicos y culturales). Por ejemplo y concretándonos a las ciencias naturales, es fácil imaginar el impacto provocado por los numerosos minerales, vegetales y animales encontrados en esas nuevas tierras. Este «renacer» va a repercutir en todos los ámbitos de las ideas. En religión se traduce en la Reforma Protestante. En física y en astronomía, en su desarrollo como ciencias. Y en el caso que nos ocupa, en la alquimia, por su evolución hacia lo que hoy conocemos como química, aunque este tránsito ocurra bastante despacio ¿Y por qué ocurre? Porque se acude a la razón para
72
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
explicar los hechos observados en los experimentos. Y al acudir a la razón se abandonará el carácter misterioso y mágico de la alquimia, sustituyéndolo por una reafirmación de que la experiencia es la que proporciona la información y no la revelación ni la iluminación personal. Este tránsito es en cierto modo equivalente a la sustitución en la arquitectura del estilo gótico, sublime y hasta a veces fantástico, por las formas sobrias en sus líneas rectas y curvas de los edificios renacentistas. No obstante, desde el punto de la química se pueden distinguir dos etapas claramente delimitadas durante el Renacimiento. Una primera con claros vestigios medievales, es decir, alquímicos, que se extendería hasta la mitad del siglo XVI, aproximadamente, en la que el hecho más importante es el surgimiento de la iatroquímica. Una segunda, en la que se va entrando en ese dominio de la razón característico del Renacimiento y que llega hasta mediados del siglo XVII, de la que su mejor representante es Boyle. Después de estas etapas, la evolución de la química precientífica continuará a lo largo del siglo XVIII hasta alcanzar la revolución química a finales de ese siglo, coincidiendo, curiosamente, con el comienzo del siguiente periodo de la historia de la humanidad, la llamada Edad Contemporánea.
5.2. PRIMEROS TIEMPOS DE LA QUÍMICA RENACENTISTA En esta primera etapa, aunque exista un predominio del pensamiento de la alquimia, se produce una lenta pero constante transición hacia el razonamiento. Hay algunos nombres que no se pueden omitir. Tales son Agrícola y Bernard Palissy, predecesores de una química más técnica. Georg Bauer o Agrícola, como se le conoce (1494-1555), nace en Sajonia, estudia en Leipzig y enseña en la universidad de Bolonia. Se dedica sobre todo a la técnica minera y el arte de la fundición, por lo que se le considera como «padre» de la mineralogía. Realizó un profundo estudio práctico del tratamiento de minerales, separación de metales preciosos y purificación del azufre, estudio que ha dejado plasmado en sus escritos, que por ello resultan una fuente interesantísima para conocer la historia de la tecnología. En cuanto a Bernard Palissy (1499-1589) alcanzó gran fama por sus trabajos en cerámica y esmaltes, a los que llegó partiendo de su oficio de alfarero. Obtuvo la protección de la reina Catalina de Médicis, llegando a impartir la enseñanza en las Tullerías, labor en la que también destacó, siendo el primer profesor de química que hubo en Francia. Pero el más grande y prestigioso de todos los químicos de esta etapa es Paracelso.
LA IATROQUÍMICA O QUÍMICA MÉDICA DEL RENACIMIENTO
73
5.3. PARACELSO Y LA IATROQUÍMICA Paracelso fue el creador de la llamada iatroquímica, cuyo fundamento puede resumirse en esta idea básica: los fenómenos psicológicos y patológicos son debidos a reacciones químicas, con un sentido muy moderno que enlaza en cierto modo con la bioquímica actual.
5.3.1. Paracelso: notas sobre su vida Era médico y también alquimista, como ocurría frecuentemente en aquella época. Su verdadero nombre era Philippus Aureolus Theofrastus Bombest von Hohenheim (1493-1541), pero se dio a sí mismo el nombre de Paracelso, en recuerdo de Celso, el famoso médico romano del siglo II. De espíritu aventurero, viajó por muchos países europeos, entre ellos España, recogiendo todas las recetas de medicina o alquimia que encontraba. Practicaba la medicina, sanando y vendiendo remedios. También fue profesor y llegó a ocupar la primera cátedra de química del mundo, en Basilea (Suiza). Era un ser contradictorio, lleno de fantasías —creía en la posibilidad de fabricar artificialmente un ser humano, el humúnculo—, a veces casi un charlatán de feria y... hasta mago, pero también tuvo interesantes aciertos y observaciones. Fue asimismo el primero en emplear en un texto la palabra chemy en lugar de «alquimia». Es, pues, un evidente representante de la química de aquellos momentos de transición entre la alquimia medieval y los nuevos tiempos que se avecinaban para la química y que culminaron en su modernidad dos siglos después; de tránsito entre un mundo oscuro, tenebroso y mágico y el mundo de la razón que se abrió con el Renacimiento. Paracelso nació en Suiza, cerca de Zurich, en una época en que estos territorios estaban dominados por los austriacos, ya que formaban parte del Sacro Imperio Germánico. Se formó en alquimia y se especializó en metalurgia en las minas y talleres del Tirol. También tomó estudios de medicina en Italia y en la ciudad suiza de Basilea, donde consiguió el título de médico. Por su temperamento contestatario e incluso provocador empezó a atacar a la medicina tradicional, por considerar las teorías del mundo clásico como paganas y heréticas. Incluso esta posición le llevó a dar sus clases en alemán en lugar de usar el latín, como se hacía entonces en las universidades. Tenía siempre una postura extravagante que acabó por llevarle a una vida aventurera, rodeado tanto de alquimistas, boticarios y médicos, como de astrólogos, mineros, gitanos y gentes dedicadas a la magia y al ocultismo. También en sus doctrinas era contradictorio, pues igual que aceptaba la alquimia esotérica —que era para él una verdadera vocación religiosa, considerando que la química no se podía enseñar en las aulas y que sólo se accedería a su conocimiento a través de la inspiración propia de un mago— poseía también ciertas dosis de racionalismo y, desde luego, de empirismo. Aunque de un empirismo siempre controlado por la doctrina cristiana: el universo era obra de un químico y se regía por leyes químicas, con lo que la descripción de
74
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
la creación del mundo según la Biblia —el Génesis— la interpretaba como una alegoría también química. Ciencia y Religión Esta íntima unión entre las ideas religiosas y las científicas —con su influencia mutua— va a ser muy común en diversos momentos de la historia de la ciencia, como se podrá observar en muchos investigadores.
5.3.2. Ideas químicas de Paracelso Adopta los cuatro elementos aristotélicos (tierra, fuego, aire y agua), a los que suma tres elementos alquímicos: azufre, mercurio y sal. Es decir, introduce en sus ideas sobre la materia la doctrina llamada de los tria prima o tres principios. Éstos eran cualidades universales que al ser depositados sobre los cuatro elementos aristotélicos —que hacían las veces de receptáculos— conferían la forma y propiedades características de cada sustancia (fueran éstas metales o no, orgánicas o inorgánicas). Estos tres principios eran la sal o cuerpo, el azufre o alma y el mercurio o espíritu, según: SAL
Principio de incombustibilidad y no volatilidad
AZUFRE
Principio de inflamabilidad
MERCURIO
Principio de fusibilidad y volatilidad
En esta teoría se aprecia la influencia directa de la teoría alquímica árabe del azufre-mercurio sobre los metales. El ejemplo paradigmático de Paracelso era el de la destilación de la madera: el mercurio equivaldría a los humos y la parte volátil; el azufre correspondería a la luz y el destello del fuego, y la sal, a las cenizas y demás residuos sólidos. O de otra manera, el mercurio era el principio de lo líquido y de lo volátil; el azufre sería el principio de la combustión y del calor, y la sal, el de la solubilidad en el agua y la resistencia al fuego. Creía en la vieja idea alquimista de la transmutación, aunque en su sentido más amplio, ya que todo en la naturaleza sufría una transformación, desde los alimentos en la cocina a cualquier proceso químico o fisiológico.
5.3.3. Paracelso como médico En su faceta de médico realizó asimismo interesantes aportaciones, las mayores en realidad. Era ferviente defensor de las medicinas minerales, los arcana, de origen inorgánico, en contraposición a los medicamentos grecoromanos, de origen orgánico.
LA IATROQUÍMICA O QUÍMICA MÉDICA DEL RENACIMIENTO
75
En este sentido es el fundador de la llamada iatroquímica, que con términos actuales podríamos definir como una especie de química médica, química farmacéutica y toxicología, ya que Paracelso consideraba que la medicina debía apoyarse en la química. Según él, había una unión entre el macrocosmos (los cielos) y el microcosmos (la tierra y todo lo que contenía). En el macrocosmos existían los astra, estrellas visibles unas e invisibles otras que, al llegar al microcosmos, impregnaban la materia y le daban sus distintas formas y propiedades, características de cada cuerpo. Las enfermedades podían ser curadas mediante una «esencia astral» específica, que debía ser determinada por el químico —es decir, por el médico alquimista— a través de la experimentación. Para obtener los medicamentos adecuados el alquimista debía conseguir esa esencia y obtenerla pura, para lo cual la separaba de sus impurezas mediante el fuego y el proceso de destilación. Lo que importaba eran, precisamente, los restos de esa destilación: así, al destilar materiales orgánicos, como eran las plantas, quedaban unos residuos inorgánicos, lo más interesante para los iatroquímicos. Por esta razón, el conocimiento sobre la tecnología de la destilación aportada por los alquimistas medievales prestó una enorme ayuda a estos nuevos médicos. Su teoría de los tria prima le proporcionaba su idea sobre las medicinas minerales. Los tres principios de Paracelso estarían presentes en todos los cuerpos del reino animal, vegetal y mineral, aunque en proporciones diferentes de unos a otros. Cuando la proporción con que aparecían en un cuerpo determinado se alteraba, entonces se producía la enfermedad y la curación venía por la istración del producto químico adecuado. Tales eran las sales de metales pesados, como las de mercurio, que resultaron muy eficaces para combatir la sífilis.
5.4. DESARROLLO DE LA IATROQUÍMICA La iatroquímica tuvo desde sus primeros momentos muchos adeptos y rápido desarrollo. Mientras los inmediatos seguidores de Paracelso afirmaban que el conocimiento en química sólo podía adquirirse mediante la inspiración, cuando entra en escena el luterano Andreas Libavio (1540-1616) estas ideas cambian. Aunque recoge muchas teorías de Paracelso, le contradice en muchas otras. Así, mantiene que la química se puede enseñar como otras muchas disciplinas. Pero para ello se hacía necesario organizar sus contenidos, lo cual implicaba tres aspectos fundamentales: • Clasificación de las técnicas y experimentos de laboratorio, incluyendo la descripción cuidadosa de aparatos. • Elaboración de manuales con recetas sencillas y claras que facilitaran la preparación de remedios medicinales. • Creación de un lenguaje sistemático y estandarizado de las sustancias químicas para que sus nombres no fueran confusos ni equívocos y permitieran reconocer fácilmente las sustancias.
76
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Este último punto, el del lenguaje químico, tuvo sobre todo gran trascendencia para el desarrollo de la química como ciencia. Es el inicio del reconocimiento por parte de los químicos de la necesidad de una nomenclatura. Por otra parte, todas las experiencias debían analizarse con sentido crítico para determinar su fiabilidad y poder preparar así los fármacos y demás sustancias químicas de tal manera que sus propiedades fuesen repetibles. En la iatroquímica primaba, pues, la práctica sobre la teoría
Libavio realiza una interesantísima clasificación de los metales en dos categorías: los metales verdaderos (oro, plata, hierro, cobre, plomo, mercurio y estaño) y los semimetales (arsénico, antimonio, zinc, bismuto). Además estudió las propiedades de algunos ácidos como remedios medicinales (como el canfórico y el arsenioso). A través de la enseñanza, la iatroquímica se extiende rápidamente por Europa, principalmente por Gran Bretaña y Francia. Allí toma gran arraigo y prestigio esta disciplina, que forma un nuevo tipo de médicos —en realidad, híbridos de médico/químico/boticarios—, independientes de los médicos tradicionales de las universidades. Es a Libavio precisamente a quien se debe el primer manual de química Alchemia (1597), de gran trascendencia posterior. Se fueron escribiendo otros muchos manuales (algunos, incluso, plagiados de la Alchemia de Libavio). Otros se tradujeron a otras lenguas y también al latín, como el del francés Nicolás Lemery (1645-1715), cuyo Cours de Chimie (1675) resultó ser durante mucho tiempo el manual tradicional para la enseñanza de la química (ver pág. 79). Se debe, pues, a la iniciativa de Libavio y a todo el resto de iatroquímicos posteriores el que la química se constituyera en una disciplina didáctica, enseñada en las escuelas. Lo cual contribuyó enormemente a la modernización de la química.
A pesar de todas estas contribuciones de Libavio, el iatroquímico más importante es van Helmont un científico interesantísimo, que merece hacer capítulo aparte.
5.4.1. Van Helmont: el químico de lo cuantitativo y del agua Joan Baptista van Helmont (1577-1644) nació en Flandes durante el dominio español, dentro de una familia perteneciente a la aristocracia flamenca. Se dedicó a la medicina y a la química, actividades por las que fue condenado por la Inquisición española por hereje, quedando desde aquel momento en arresto domiciliario hasta el fin de su vida. Era seguidor de Paracelso, aunque no siempre estuviera de acuerdo con él, rechazando por
LA IATROQUÍMICA O QUÍMICA MÉDICA DEL RENACIMIENTO
77
ejemplo la teoría de éste de los tria prima. Estudió filosofía natural y tampoco aceptó la teoría de los cuatro elementos de Aristóteles, elaborando su propia teoría de la materia. Según su idea, el mundo de lo material sería debido a la materia o sustrato de los cuerpos y al fermento primitivo o principio organizativo activo. Para van Helmont, la materia estaría compuesta de dos sustancias fundamentales, el agua y el aire. El aire era un medio físico, independiente, mientras que el agua sí era la que intervenía en las transmutaciones, transformándose en todas las distintas sustancias de la naturaleza. La tierra sería así resultado de la acción de los fermentos sobre el agua, mientras que el fuego sería tan sólo un agente transformador, pero no un elemento (por eso también se le llamó «filósofo del fuego»). De esta manera, las propiedades y formas de las sustancias eran debidas al agua y al fermento. Era, en realidad, un místico y su misticismo le llevó en gran parte a esta teoría, que estaba influida por el Génesis —hay que recordar la influencia de esta lectura bíblica también en Paracelso—, puesto que desde el primer día de la Creación ya se formó el agua. Van Helmont realizó multitud de cuidadosos experimentos, tanto con organismos vivos como con materiales inorgánicos. Su gran aportación es el control cuantitativo que llevó a cabo mediante la pesada con la balanza (en esto fue un claro precursor de Lavoisier). Son famosos sus experimentos sobre el crecimiento de un sauce mediante la acción del agua y el de la fusión de arena con álcali para formar vidrio o «agua de vidrio», como él decía, ambos para probar la conversión del agua en materia, o viceversa. Con todos esos experimentos van Helmont marca para la química una nueva metodología experimental que favoreció el que en los laboratorios de química se fuera asumiendo un control meticuloso de sus operaciones y la realización de medidas cuantitativas.
También su idea de la importancia de la disposición espacial de los elementos constitutivos de las sustancias sobre las propiedades de éstas, fue un precedente de la estereoquímica. Además, se interesó por los gases o «sustancias aéreas» que se desprendían en muchas reacciones químicas. Sin embargo, para van Helmont esas sustancias aéreas no eran aire, paradójicamente, sino que eran agua que iba a la atmósfera; por ejemplo, se condensaban a vapor y caían después como lluvia. Él mismo los bautizó con esa palabra, gases, de la palabra griega chaos, debido a que no tenían forma. También clasificó los gases según sus propiedades físicas, ya que químicamente no se podían distinguir en esa época por no haberse ideado aun aparatos para recogerlos y analizarlos (esto lo consiguieron los químicos «pneumáticos», como se tratará en el Tema 7). De esta manera, demostró que el gas de las fermentaciones, el gas obtenido al quemar el carbón vegetal y el gas producido al tratar conchas de moluscos con vinagre era el mismo (el spiritus sil-
78
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
vester o espíritu silvestre, que no era otro que el CO2), distinguió otro gas, el desprendido en las minas y en algunas cuevas (es decir, el CO2) o reconoció la combustibilidad de ciertos gases, como el caso del gas de los pantanos y el gas desprendido al disolver hierro en ácido (que se trataba del hidrógeno, cuyas propiedades fueron determinadas de forma definitiva posteriormente por Cavendish, como puede comprobar en el Tema 7). Para van Helmont la materia tenía un alma de la que no se podía separar, defendiendo el carácter panteísta de la naturaleza. Además, la iluminación personal tenía una importancia mucho mayor que la razón, en la que no tenía ninguna confianza, al contrario que su coetáneo Descartes. Ese aspecto atrajo a ciertos grupos religiosos en Inglaterra, concretamente a los puritanos, que justificaron su revolución político-religiosa (la «Gloriosa», liderada por Cromwell) a través de esa iluminación personal. C/T/S Estos hechos ponen de manifiesto nuevamente estas interrelaciones: en el caso presente muestra una evidente influencia de las ideas de la ciencia en los fenómenos religiosos y, a su vez, en los políticos y sociales.
Posteriormente, cuando los puritanos fueron derrotados y desaparecieron de la escena política, la idea de la iluminación personal fue atacada en Inglaterra y con ello las doctrinas de van Helmont y sus seguidores. Vence, en su lugar, la filosofía mecanicista de Descartes (1564-1642), de Boyle (16271691) y de Newton (1642-1727). Es decir, lo racional frente a las ideas en gran parte antirracionales de muchos iatroquímicos, sobre todo de Paracelso y de van Helmont. No deja de ser interesante contrastar las ideas tan opuestas de todos estos personajes que vivieron casi todos ellos —excepto Paracelso (1493-1541)— en épocas muy próximas. No obstante, los iatroquímicos marcaron profundos avances en la trayectoria de la química, y más que ninguno van Helmont, con sus trabajos sobre gases, sus mediciones cuantitativas y muchos de sus experimentos en iatroquímica. Aunque escribió muchísimo, no publicó casi ninguno de sus trabajos en vida y fue su hijo quien realizó esta labor después de su muerte. Pese a ello, ejercieron una enorme influencia en la química de su época. Tal es el caso de su aportación a la teoría ácido-alcalina, de inestimable valor. Ácido/base son opuestos, en constante guerra, teoría dualista con claras reminiscencias de la teoría dualista de Empédocles o del yin y el yang de Lao Tsé (ver Temas 3 y 4). Demostró que la digestión era, en definitiva, un proceso químico de fermentación, en el que intervenía un ácido. También demostró que los organismos segregaban unos productos de tipo alcalino, las bilis. Pero con todo, estos procesos estaban impregnados de una esencia sobrenatural, ya que los ácidos de la digestión estaban gobernados por un proceso astral, siguiendo la terminología de Paracelso.
LA IATROQUÍMICA O QUÍMICA MÉDICA DEL RENACIMIENTO
79
Todas estas ideas fueron recogidas y perfeccionadas por Silvio (16141672), discípulo de van Helmont y profesor de medicina, y por Tachenio (1620-1690), a su vez discípulo de Silvio: como se sabía que las sustancias ácidas producían efervescencia cuando reaccionaban con un álcali, pensaron que la digestión era como una lucha entre ácidos y álcalis, lucha que terminaría con una neutralización, pero que ya sería un proceso completamente natural. Extendieron esta teoría a otros procesos vitales y tan fuerte fue su aceptación por médicos y farmacéuticos que, incluso, se esbozó una especie de teoría de la materia, la teoría de los dos elementos, según la cual el carácter básico o alcalino de toda sustancia sería fundamental para justificar sus propiedades químicas.
5.5. REFLEXIONES FINALES En los iatroquímicos pervive la idea de la alquimia antigua y medieval de los principios universales. No obstante, se va avanzando no sólo en la práctica de la química, sino también en la construcción de un cuerpo teórico. Se clasifica, se empieza a sistematizar el lenguaje químico y, como uno de los hechos más relevantes, se va construyendo la didáctica de la química en las aulas y a través de «manuales» cuidadosamente estructurados. Y, sobre todo, el razonamiento, fruto del espíritu imperante en el Renacimiento, comienza a proyectarse también en el saber químico.
Algunos aparatos de laboratorio dibujados por Lemery en su Cours de Chimie.
Tema 6 BOYLE: EL SENTIDO QUÍMICO Y EL SENTIDO RELIGIOSO ESQUEMA DE CONTENIDOS 6.1. INTRODUCCIÓN 6.2. LA TEORÍA ATÓMICA EN LOS INICIOS DEL RENACIMIENTO 6.3. BOYLE: VIDA Y ACTIVIDAD CIENTÍFICA 6.3.1. 6.3.2. 6.3.3. 6.3.4. 6.3.5.
Algunos datos de su biografía Boyle y la teoría corpuscular Boyle y la teoría ácido-base Boyle y el estudio de los gases Boyle y la interdisciplinaridad
6.4. OTROS CIENTÍFICOS DE ESTA ÉPOCA 6.5. REFLEXIONES FINALES
Portada del original de El químico escéptico, de Robert Boyle.
6.1. INTRODUCCIÓN Es en estos momentos cuando hay que dirigir nuestra atención a la figura de Boyle, el gran químico del siglo XVII, de ideas y trayectoria tan diferentes a los anteriores, aunque no por eso dejara de estar influido en parte por ellos. Con él se introduce la razón en el pensar químico, consecuencia de la nueva corriente cultural que supuso el Renacimiento y que también trasciende al terreno de la química. Con Boyle comienza, pues, una etapa de lo que podríamos llamar precientifismo químico. Y esto porque a una cuidada experimentación une la observación y el razonamiento. Pero, ante todo, cuando se analiza el trabajo científico de Boyle hay que hacer una referencia directa a la teoría atómica de la materia, por lo que es conveniente realizar una revisión de la misma a lo largo de la Edad Media para situarla después en los primeros tiempos del Renacimiento.
6.2. LA TEORÍA ATÓMICA EN LOS INICIOS DEL RENACIMIENTO El alquimista árabe Geber —como ya se comentó en el Tema 4— había recogido la doctrina de los minima naturalia (o partículas químicas más pequeñas) de Aristóteles en su obra Summa Perfectionis, muy difundida en la Edad Media. Por otra parte, hay que tener en cuenta que en el Renacimiento se redescubren los textos del mundo clásico. Así, en 1473 se publica el poema de Lucrecio De rerum natura, que contenía las ideas de la corriente filosófica de los epicúreos. Y en 1575, la Pneumatica de Herón, en la que se expone una teoría atómica no epicúrea, según la cual entre las partículas de la materia existirían unos pequeños vacíos que justificarían las propiedades de las distintas sustancias: al existir esos espacios las partículas podrían agitarse, lo que permitiría explicar también la noción de
84
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
calor. Ello confiere un gran interés a esta teoría como alternativa a la filosofía epicúrea, uno de cuyos pilares básicos era la aceptación del vacío absoluto (puede revisar el Tema 3). A esto hay que añadir la difusión de los textos que permitió la invención de la imprenta, a lo que ya se ha aludido anteriormente. Todo esto conlleva a que de una manera o de otra, ya en los primeros años del Renacimiento, la idea de la materia constituida por corpúsculos fuese familiar para los filósofos naturales, si bien más en la línea de los minima naturalia de Aristóteles. Dicha idea fue utilizada tanto por físicos, como Galileo, Descartes y Bacon, o por químicos, como el mismo van Helmont. Así, para Descartes en la materia habría tres grados: la materia terrestre; la materia celeste, más sutil y que llenaba los huecos de la materia terrestre, y una materia aun más sutil o corpúsculos, que seguirían llenando los huecos más pequeños. Posteriormente, un filósofo francés Pierre Gassendi (1592-1655) da un impulso realmente novedoso a esta postura de la filosofía natural: defiende la idea del vacío y con ella la teoría atómica epicúrea frente a las ideas aristotélicas, lo cual tendrá una influencia decisiva en los trabajos de Boyle. Tal es la situación cuando Boyle irrumpe en el mundo científico. Es decir, en definitiva se han ido fraguando los principios de una filosofía mecanicista con la aceptación de átomos o corpúsculos, que le proporcionará una base teórica, fundamental para la explicación de sus cuidados experimentos.
6.3. BOYLE: VIDA Y ACTIVIDAD CIENTÍFICA Aunque siempre es importante analizar los más significativos datos biográficos de los científicos, en el caso de Boyle este interés se convierte casi en una necesidad, a fin de poder explicarnos su formación y su obra.
6.3.1. Algunos datos de su biografía Robert Boyle (1627-1691), de origen aristocrático, nace en Irlanda y después estudia en Inglaterra, viaja por Europa y, tras su vuelta a Inglaterra, se interesa por la química, no tanto por el valor de ésta en sí misma, sino porque le podía permitir comprender mejor a Dios y la naturaleza. Boyle vive en un ambiente en el que las ideas de van Helmont estaban en pleno éxito y en el que aun existían muchos fervientes seguidores de la alquimia. Por otra parte y si tenemos en cuenta que durante unos años vivió en Oxford —donde había un importante grupo de filósofos naturales que defendían los principios mecanicistas—, Boyle tuvo una fuerte influencia de unos y otros. Pero, además, hay que unir a esta formación científica «mixta» el espíritu profundamente religioso y devoto de Boyle, que le llevó a pretender realizar un nexo entre ciencia y religión.
BOYLE: EL SENTIDO QUÍMICO Y EL SENTIDO RELIGIOSO
85
6.3.2. Boyle y la teoría corpuscular Boyle hace una profunda crítica a los conceptos de Aristóteles (teoría de los cuatro elementos) y también a los de Paracelso (teoría de los tres elementos fundamentales, sal, mercurio y azufre), en cuanto a la idea de la preexistencia de unas formas y cualidades responsables de las propiedades de cada una de las sustancias de la naturaleza. Esta crítica la plasma en su obra cumbre, El químico escéptico (publicada en 1661), escrita en forma de una conversación entre cuatro personajes más o menos ficticios. Boyle fue un escritor extraordinariamente fecundo, autor de numerosos escritos, con una literatura muy interesante, pero confusa y de difícil lectura. Aunque a primera vista parece una escritura desorganizada, leyendo más despacio en una revisión más profunda se observa que el autor sí sigue un sistema. El químico escéptico tiene también esas características, por lo que no es muy fácil de leer por su gran cantidad de divagaciones, pero resulta importantísimo para el desarrollo del cuerpo teórico de la química debido a las conclusiones hacia las que Boyle apunta. Propone que muchos de los cuerpos que tomamos como elementos no son tales, sino que son compuestos o «cuerpos mixtos», como él los llama.
Las dos herramientas clave de los estudios de Boyle fueron su gran sentido crítico, por una parte, y la meticulosidad y cuidado con los que llevaba a cabo todos sus experimentos. Boyle va dudando de todas las propuestas —de ahí su escepticismo— y exige su evidencia experimental. Otro de sus grandes méritos fue, pues, éste: que había de comprobarse experimentalmente toda propuesta que se hiciera.
Una prueba muy frecuente en aquellos tiempos para demostrar la existencia de los cuatro elementos era el llamado «análisis del fuego». Tras analizar numerosísimos materiales con esta técnica —sobre todo son sumamente importantes sus experimentos de combustión de la madera— es cómo llegó Boyle a sus conclusiones: en caso de que existieran esos principios elementales, podrían separarse y recombinarse de diferente manera en la misma prueba del fuego, resultando de ello nuevos cuerpos que constituirían esos «cuerpos mixtos», con lo cual pone en duda que ésa fuera una prueba fidedigna de la demostración de la composición última de los cuerpos. Y aunque no fueran del todo originales, ya que Gassendi también las había manifestado con anterioridad, tal vez el mayor éxito de las propuestas de Boyle sea su aceptación de una teoría corpuscular: los corpúsculos como integrantes de los principios de un cuerpo. Respecto a la idea de van Helmont de la existencia de un solo elemento, el agua, aunque en principio pudiese parecer que Boyle la apoyaba, no era así sin embargo. Opinaba que con gran probabilidad el agua era una aglomeración de partículas y que, en definitiva, no actuaría como elemento generador único de todos los demás. A esta conclusión le llevan de nuevo meticulosos
86
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
experimentos realizados tanto con organismos vivos (semillas o plantas, como su repetición del famoso experimento del sauce de van Helmont, etc.) como con productos de origen orgánico (néctares, perfumes...) o inorgánico (minerales y metales). Para Boyle, como químico y también filósofo mecanicista, la explicación final de la naturaleza de la materia (o propiedades químicas de las sustancias) residiría en principios mecánicos —de movimiento— y también geométricos —de tamaño y forma— de sus partículas constituyentes. Y éstos últimos, más bien tomados en el sentido de que las propiedades químicas, dependerían de la manera en que las partículas de un cuerpo estuvieran dispuestas para reaccionar con las de otro cuerpo. Esos corpúsculos estarían en continuo movimiento, que iría aumentando con la temperatura. Pero las propiedades de los cuerpos no podían justificarse tan sólo por esas características mecánicas y geométricas de sus corpúsculos, como pretendía la filosofía mecanicista clásica. Por ejemplo, para Descartes la forma geométrica en sí misma era lo fundamental: los tres elementos de Paracelso serían en realidad tres formas, la irregular (equivalente al azufre), la masiva y sólida (la sal) y la larga y delgada (el mercurio). Para Boyle lo esencial era que esos corpúsculos o minima naturalia (moléculas en nuestro lenguaje actual) interaccionarían entre sí, plasmándose su interacción en los fenómenos químicos. Es decir, para él serían muy importantes esas interacciones, existiendo un «algo» que uniría esos corpúsculos entre sí, con lo cual hizo en cierto modo una predicción del enlace químico. Conjugaba todas esas ideas científicas con la religión, alegando que Dios era el que había dotado a esas partículas de su movimiento, tamaño y forma. Este aspecto era importante, pues la teoría corpuscular clásica había sido considerada hasta ese momento como atea (recuerde lo comentado en el Tema 3). Gracias a su contribución, la filosofía mecanicista o corpuscular fue aceptada y tenida en cuenta en el mundo científico, como después ya en el siglo XVIII se le reconoció oficialmente. Porque aunque ésta sea una de las teorías de la materia más antiguas —sus principios datan del siglo IV a.C.— permaneció olvidada durante muchísimo tiempo y sólo fue aceptada por la comunidad científica hasta mediados del siglo XVII. C/T/S En este punto hay que estacar también un notable hecho perteneciente al ámbito de la tecnología: se trata del desarrollo del microscopio compuesto, llevado a cabo por Robert Hooke, ayudante de Boyle, lo cual contribuyó enormemente a que se aceptase la teoría corpuscular. ¿Por qué? Sencillamente porque permitió percibir lo diminuto y, con ello, que el hombre aceptara la existencia de aquello que no podía ver a simple vista. He aquí otro ejemplo de la estrecha relación entre la tecnología y la ciencia.
En su opinión, al igual que Descartes —y aunque «sus» corpúsculos no coincidieran con la idea de partículas de éste último— en la naturaleza todos
BOYLE: EL SENTIDO QUÍMICO Y EL SENTIDO RELIGIOSO
87
los fragmentos de materia estarían en comunicación con los demás, sometidos a diversas fuerzas. Es decir, las distintas materias no estarían aisladas sino constituyendo un conjunto, un todo, como «una gran obra de reloj» en la que, para Boyle, Dios sería el gran relojero. Con este sistema de filosofía mecanicista y corpuscular Boyle podía explorar e interpretar muchísimos fenómenos y, además, verificarlos por medio de experimentos. Abrió el camino así a la dialéctica teoría/experimentación. Con esta sencilla teoría corpuscular de Boyle no era necesario recurrir a ninguna de las teorías de elementos aristotélicos ni de principios químicos. Por el contrario, el término de elemento adquiere una nueva dimensión, un nuevo significado, que implica una noción de utilidad para el manejo del químico en el laboratorio, pues ya no tenía por qué ser una sustancia omnipresente en la naturaleza, sino que serían simplemente aquellos cuerpos que ya no se podían descomponer en otros. Con esto es predecesor de la futura definición de elemento de Lavoisier (que se tratará en el Tema 8). Con Boyle también puede decirse que la química entra dentro de la filosofía natural y es considerada como algo «serio», con lo que abandona sus hábitos de misterio, secretismo y oscurantismo de ciencia oculta. Pero en cuanto a la química práctica, del hacer en un laboratorio, los químicos no hicieron tanto caso a la teoría corpuscular puesto que, aunque explicaba las reacciones, no era capaz de predecirlas ni de dar una diferenciación en el plano de lo real entre sustancias simples y sustancias complejas. Por esta razón muchos químicos siguieron aceptando la teoría de los elementos en el sentido aristotélico como se venía haciendo desde las épocas alquimistas, aunque itieron que podían ser más de cuatro, con lo que su número fue aumentando poco a poco.
6.3.3. Boyle y la teoría ácido-base En la química de ácidos y bases jugó Boyle un importante papel al dar una nuevo sentido al concepto de ácido a partir de que él mismo obtuviera un indicador, el concentrado o jarabe de violetas, el cual tomaba coloración roja con los ácidos y verde con los álcalis. Definió así y caracterizó los ácidos en virtud del color rojo que hicieran tomar a ese indicador, terminando con la prueba de acidez tan antigua y confusa como era la de la efervescencia. Realizó también una clasificación experimental de las disoluciones ácidas, alcalinas y neutras, que resultó de gran valor para los analistas químicos. Siguiendo en el terreno de la química analítica, introdujo nuevos reactivos para caracterizar ciertas sustancias: gas amoniaco (para el clorhídrico) o nitrato de plata (para los cloruros).
6.3.4. Boyle y el estudio de los gases Interesado en estudiar los fenómenos de la combustión y de la respiración, Boyle en 1658 construye —ayudado por su joven colaborador Robert
88
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Hooke— una variación de la máquina pneumática inventada por el alemán von Gericke poco antes. Otto von Gericke, en la ciudad de Magdeburgo hacia 1650, es donde dio a conocer públicamente esta máquina mediante una interesantísima demostración. Con esa máquina extrajo el aire del interior de una esfera metálica constituida por dos semiesferas unidas, aunque separables; sin embargo, estos hemisferios no lograron ser separados entre sí ni por la fuerza de dieciséis caballos. Con este espectacular experimento logró demostrar lo que ya había descubierto en su laboratorio, la fuerza de compresión que la atmósfera ejercía sobre esa esfera. En muchos museos de ciencia suele existir un modelo de este experimento
El invento de esta máquina pneumática (de la palabra griega pneuma, aire), que en realidad no es otra cosa que una bomba de vacío —cuyo desarrollo publicó von Gericke en 1657— tuvo unos resultados verdaderamente revolucionarios: en el terreno teórico, demostró la existencia del vacío, con lo cual evidenció el error de la filosofía aristotélica sobre la materia, y en el terreno práctico abrió un camino experimental fundamental para poder trabajar con gases. C/T/S Este invento de la bomba de vacío muestra de nuevo las repercusiones de la técnica en el mundo de la investigación científica.
Volviendo a Boyle, realizó un sinnúmero de experimentos en los que intervenía el aire, tanto con ratones y pájaros como con velas, y observó que parte del aire desaparecía —es decir, se consumía— durante los procesos de respiración de esos animales o en la combustión de las velas. Consideró asimismo que el aire transportaba las impurezas desde los pulmones al exterior. Pero lo más importante de esos experimentos con aire fue que le condujeron a enunciar la ley sobre la comprensibilidad de los gases y que lleva su nombre, la ley de Boyle. Esta ley, con la que relacionó la presión con el volumen ocupado por el aire, fue publicada por Boyle en 1660 al observar en múltiples experimentos que siempre se cumplía una relación inversamente proporcional entre ambas variables, introduciendo así una expresión matemática que expresaba dicha relación. Sin embargo, de manera totalmente independiente fue también descubierta por el monje francés Edmé Mariotte (1620-1684), tan sólo dieciséis años después, por lo que muchas veces recibe el nombre de ley de Boyle-Mariotte.
BOYLE: EL SENTIDO QUÍMICO Y EL SENTIDO RELIGIOSO
89
Ciencia y Tecnología En cualquier caso, este descubrimiento pudo ser llevado a cabo por la utilización en esos experimentos del tubo en U que el italiano Torricelli (1608-1647) puso a punto cuando construyó en 1643 el primer barómetro.
6.3.5. Boyle y la interdisciplinaridad Como acabamos, de ver, los estudios de Boyle sobre el aire y sus conclusiones fueron fruto de sus experimentos para estudiar los fenómenos de combustión y de respiración. Esto muestra cómo en aquellos tiempos era muy común el estudio de los procesos de la naturaleza, ya fuesen del ámbito estricto del química, de la biología, de la física, de la fisiología o de la medicina. Otro ejemplo de ello lo constituyen los estudios de Boyle sobre el papel de la sangre en los pulmones, que para comprenderlos mejor es conveniente hacer un breve análisis histórico: El fenómeno de la circulación de la sangre había sido demostrado en 1628 por William Harvey, médico del rey Carlos I. Cuando éste fue depuesto, hecho prisionero y ejecutado por Cromwell y los puritanos durante la guerra civil inglesa, muchos intelectuales partidarios del rey sufrieron también la represión puritana, con lo que se vieron obligados a exiliarse en Oxford, ciudad que los acogió abiertamente. De esta manera en la Universidad de Oxford confluyeron, pues, gran número de hombres ilustres, desde médicos como Harvey hasta arquitectos como Christopher Wren. Esta concentración de científicos, filósofos y artistas fomentó el intercambio de ideas y abrió una época brillantísima para esa ciudad, que se convirtió así en un centro de enorme relevancia, tanto en las letras como, y sobre todo, en las ciencias. Prueba de esto último es la fundación en 1661 de la Royal Society, una de las primeras sociedades científicas, que promueve la comunicación de los avances y novedades en las diferentes ciencias. Recordemos también cómo Boyle llega a Oxford y vive allí en aquellos momentos. Su presencia hace aumentar el interés por la química de todos aquellos intelectuales, de tal manera que buscan en ella la explicación a los fenómenos fisiológicos, como era el papel de la sangre en el organismo, estudios que la muerte de Harvey habían dejado inconclusos. Esto supuso, de forma algo indirecta, un gran impulso para el desarrollo de la química. Discípulos de Boyle, como Peter Stahl (no confundir con Georg Stahl, creador de la teoría del flogisto, que se tratará en el tema siguiente), John Mayow o Robert Hooke imparten clases de química o siguen investigando, sobre todo en los fenómenos de combustión. Así, Robert Hooke (1635-1701) desarrolla una teoría de la combustión influida por la teoría ácido-alcalina de Silvio: se trata de la curiosa teoría nitroaérea, que relaciona con la pólvora, por una parte, la combustión y, por otra, los fenómenos meteorológicos de las tormentas. Los truenos serían semejantes a
90
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
la explosión de la pólvora y los relámpagos, a la luminosidad que se produce en el fogonazo correspondiente. Hooke suponía que en el aire, disolvente universal, existiría, además de cuerpos sulfurosos, una sustancia muy similar a la que existe en el nitro o salitre (en esto no se equivocó, ya que evidentemente previó la presencia en el aire de lo que se conocería después como «oxígeno»). Otro discípulo de Boyle, John Mayow (1641-1679) continuó con esta teoría, explicando con ella muchos fenómenos químicos, ambientales y fisiológicos. El azufre y el nitro serían los principios responsables de esos fenómenos, con lo que resultaba en el fondo una teoría dual —como la de los chinos—, por lo que es en cierto modo una vuelta hacia atrás.
6.4. OTROS CIENTÍFICOS DE ESTA ÉPOCA Hay también otros científicos que, aunque menos sobresalientes y conocidos, por diversos aspectos han representado un importante papel en la evolución de la química. Por su interés, aunque más bien de tipo coyuntural, hay que citar: En Francia a Jean Rey (1583-1645), médico francés que observó el aumento de peso en los metales tras el proceso de su calcinación, observación que afirmó rotundamente y que le hizo ser precursor de Lavoisier en este aspecto. Pero por lo que la Historia de la Química debe reconocerle su mayor mérito es como iniciador del principio de conservación de la materia. Aunque es atribuido normalmente a Lavoisier, por tomarlo siempre como hipótesis de trabajo y por verificarlo con sus precisos y cuidados experimentos, fue Rey quien con un siglo de antelación se anticipó en esta idea. En España a Alonso Barba (n.1569) que llevó a cabo trabajos de metalurgia relacionados con las minas de las colonias españolas de América, concretamente las de Perú. Escribió textos sobre sus yacimientos y los procesos metalúrgicos de extracción a partir de sus ricos minerales, siendo el más importante el Arte de los metales. El hecho de que muy pocos químicos del siglo XVII se preocupasen por la metalurgia aumenta el interés de este científico.
6.5. REFLEXIONES FINALES Con Boyle se entra, pues, en la época de cambio profundo en la evolución de la química, tanto que hay autores que le atribuyen el comienzo de lo que suele llamarse revolución química. Él mismo es el «químico escéptico», que no cree de antemano nada para preguntarse el porqué, comprobarlo experimentalmente, razonar los resultados y hallar así la respuesta. Y no sólo introduce el razonamiento, sino también las matemáticas como medio para expresar ciertos fenómenos, fruto del comportamiento químico de la materia.
BOYLE: EL SENTIDO QUÍMICO Y EL SENTIDO RELIGIOSO
91
No obstante, muchos de los principios y estudios alquímicos siguieran subsistiendo, incluso en él mismo. En el fondo sentía respeto por la alquimia y, paradójicamente, creía en las transmutaciones, pero como un proceso impregnado de una idea sobrenatural. Por otra parte, Boyle perteneció a esa «raza» de científicos dotados de un espíritu universal, que trataban y abarcaban tantas áreas de la ciencia.
Tema 7 CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA ESQUEMA DE CONTENIDOS 7.1. INTRODUCCIÓN 7.2. NEWTON Y LA QUÍMICA 7.3. LA TEORÍA DEL FLOGISTO 7.3.1. Antecedentes históricos y científicos 7.3.2. Stahl y la teoría del flogisto 7.4. LA QUÍMICA PNEUMÁTICA 7.4.1. Inglaterra y la química pneumática: Black, Cavendish y Priestley 7.4.2. Otros químicos del flogisto 7.5. REFLEXIONES FINALES
7.1. INTRODUCCIÓN El siglo XVIII es testigo del gran salto de la química, la cual de consistir básicamente en un conjunto de técnicas con algunas teorías —aunque encasilladas muchas veces en lo esotérico, en lo mágico y en el mundo desconocido— pasa a entrar en el camino de la ciencia. Pero es ya bien transcurrida la segunda mitad de ese siglo cuando se produce ese cambio, cuyo agente central fue Lavoisier. No obstante, no pueden olvidarse otros muchos investigadores que también tuvieron un gran protagonismo en la evolución de la química Además, tampoco se debe omitir la discusión de una importante teoría que a pesar de ser errónea contribuyó, sobre todo por sus métodos y avances experimentales, a que se produjera ese cambio. Se trata de la teoría del flogisto, de sus defensores y de sus detractores y de todas las implicaciones químicas que esto conllevó. Antes de tratarlo es conveniente prestar atención a otros momentos y personajes también de esa época relacionados en cierto grado con la química y con aquella teoría.
7.2. NEWTON Y LA QUÍMICA Newton (Isaac Newton, 1642-1727) hizo importantes incursiones en el mundo de la química, aunque sin embargo su obra capital corresponda a su labor como físico y como matemático. No obstante, incluso en sus textos sobre estas últimas ciencias, como son Principia Matemática (1687) y Optica (1704), incluye algunos importantes pasajes e ideas sobre química. Pero Newton se sintió atraído no sólo por la química propiamente dicha, sino también por la alquimia. Y tanto de una como de otra se ha encontrado un enorme número de manuscritos, recopilados y dados a conocer, curiosamente, por el economista americano John M. Keynes hace relativamente poco tiempo, en 1936. Así se ha llegado a conocer el interés que sintió Newton por los experimentos de química y por su teorización.
96
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
La explicación a esta faceta de Newton podría darse en función de que él también intentase hallar respuesta a las eternas cuestiones del hombre: ¿cómo está constituida la materia?, ¿cómo se transforma?, ¿cuál es el origen de la vida y cuál es el destino del hombre? Por esto y probablemente más por su condición de filósofo natural, es de suponer que Newton se hiciese estas preguntas y que intentase resolverlas mediante su propio razonamiento acudiendo además a las fuentes de información —los textos alquímicos y químicos— de que dispusiese. Así se percibe la influencia que sobre él ejercieron personajes tan dispares como van Helmont y Boyle y que se adscribiese al principio del agua como origen de toda la materia, del primero, y a la teoría corpuscular, del segundo. No obstante, Newton realizó en esto último una importantísima aportación, al justificar mediante mecanismos de atracción y repulsión —que ya había aplicado a la materia de los planetas para explicar los fenómenos de gravitación— las afinidades (o simpatías) y repulsiones (antipatías) de tipo químico entre las distintas sustancias de la tierra. Aplica, pues, la ley de gravitación universal del «macrocosmos» al mundo del «microcosmos», del universo a la tierra. Suponía que existía un éter sutil que bañaba el universo y que era el responsable de estas características de toda la materia. Esta idea del éter universal que impregna la materia recuerda la idea del pneuma o espíritu vital de los estoicos (ver Tema 3), que tanta importancia tuvo para el pensamiento medieval, lo cual ratificaría la influencia de la alquimia sobre Newton. Por ejemplo, le interesaban los fenómenos de la transmutación, en la que creía lo mismo que Boyle y, también como éste, intentaba compaginar los escritos bíblicos sobre la Creación con los secretos alquímicos. Basándose en la teoría corpuscular de Boyle, supuso que entre las partículas o corpúsculos de la materia existían fuerzas de enorme intensidad, cuya potencia era característica de cada sustancia y que sólo tenían lugar cuando las distancias eran muy pequeñas. Con esta teoría daba explicación a que un metal determinado pudiera sustituir a otro en una disolución ácida. Es decir, trataba de justificar su afinidad. Newton da, pues, una interpretación de la afinidad de tipo mecanístico, pensando que la reactividad química era debida a una atracción física. En el problema de la afinidad, que desde muy antiguo venía preocupando a los científicos, Newton abre así nuevas perspectivas. Todas estas ideas quedaron plasmadas en sus obras De natura acidorum y también en Optica, que ejercieron gran influencia en muchas universidades. También su teoría del éter como causa del movimiento y cambio —y que sería por tanto el principio del cambio químico— tuvo gran influencia en muchos investigadores y profesores de química. Tal es el caso de Stahl, que identificaba este éter con el fuego, continuando de esta forma con la teoría aristotélica de los cuatro elementos, idea ésta que contribuyó muy sensiblemente a que éste elaborara la teoría del flogisto que, si bien errónea, es de una importancia innegable en la evolución de las ideas en química.
CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA
97
7.3. LA TEORÍA DEL FLOGISTO Como se ha podido constatar a lo largo de los temas anteriores, los metales fueron siempre uno de los mayores problemas como objeto de observación, de trabajo y de estudio de los alquimistas y químicos, pero también de todos los físicos, farmacéuticos y médicos que, en un sentido más o menos amplio, se dedicaban a la química. En este sentido, ya en el siglo XVII los fenómenos de combustión y de calcinación de los metales, tan asociados a los procesos de metalurgia, constituyeron uno de los temas centrales de la experimentación química. C/T/S Y, ¿por qué? Probablemente una de las razones más poderosas por las que surge —o, más bien, se incrementa— esa preocupación por los metales sea la naciente industria metalúrgica, que planteó importantes problemas técnicos cuya resolución convenía, ya que en definitiva repercutía sensiblemente en las economías de los países implicados.
¿Qué era el flogisto? La teoría del flogisto era, en realidad, otra teoría de elementos, creada por el médico y químico alemán Georg Ernst Stahl (16601734), aunque inspirándose en algunas ideas de Newton, como acabamos de ver, y sobre todo en las de Johann Becher. La palabra flogisto deriva del término griego phlogiston (que significa combustible) y a muy grandes rasgos se puede definir como una teoría imaginada para explicar los fenómenos caloríficos. El flogisto sería un principio presente en todos los cuerpos y que se desprendería de ellos durante su combustión. Pero antes de seguir adelante es conveniente hacer una breve revisión de la sociedad, economía y política de aquellos tiempos y su relación con la ciencia, así como de la figura, teorías y momento histórico de Becher, cuyas ideas representan el antecedente inmediato del flogisto.
7.3.1. Antecedentes históricos y científicos En aquellos tiempos, las largas guerras europeas (como la de los Treinta Años, de 1618 a 1648) sangraban o habían sangrado la economía de los países europeos, con lo cual fue forjándose una política de fomentar la industria y de explotar sabiamente las materias primas. Por eso muy frecuentemente los alquimistas estaban protegidos muchas veces directamente por los gobiernos o por mecenazgos privados. Esto se traducía también en la ayuda a los inventores y en que la química fuera una disciplina cada vez era más impartida en las aulas de las universidades. Tal era el caso también de Alemania, o, más correctamente, del Sacro Imperio Romano Germánico. Los estados alemanes impulsaban no sólo la minería y la metalurgia, sino todo tipo de producción (vidrio, cerámica, tejidos, cerve-
98
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
za...). Va naciendo así una industria que se iba haciendo más fuerte, en íntima conexión con su control oficial y también con el desarrollo del comercio (estos aspectos se tratarán más ampliamente en el Tema 14). C/T/S Es interesante reflexionar algunos instantes sobre esta tendencia, que marcó una tradición que a la larga convirtió a Alemania en gran potencia de la industria. Tendencia que en un principio comenzó por unas necesidades económicas que dieron un impulso inicial a la ciencia.
Un ejemplo de todo lo anterior lo representa la figura de Joachim o Johann Becher (1635-1682), que en un principio fue protegido por el emperador austriaco Leopoldo I, si bien después se trasladó a otros países europeos en los que se dedicó intensa y apasionadamente al estudio experimental de diversos procesos químicos, sobre todo los referentes a la minería y a la obtención de metales preciosos. Terminó sus días en Inglaterra, donde se interesó por las minas de carbón, estudiando la utilización de la hulla con fines industriales, especialmente para preparar gas de hulla con objeto de utilizarlo en el alumbrado de las ciudades. Profundamente religioso, suponía a Dios como un gran químico y que los minerales se habían formado después del mundo orgánico, a partir del agua y la tierra. Consideraba tres tipos de tierras, en contraposición a los tria prima de Paracelso: la terra fluida, que proporcionaba a las sustancias su volatilidad y también su carácter metálico; la terra lapidea, que les daba el principio de fusibilidad, y la terra pinguis, que les daba el carácter oleoso y el sulfúreo y, sobre todo, la combustibilidad. Por tanto, esta última terra sería fundamental en toda combustión. Estas ideas serían tomadas y reelaboradas por Stahl, aunque introduciendo importantes modificaciones, dando lugar así a la famosa teoría del flogisto.
7.3.2. Stahl y la teoría del flogisto Stahl era catedrático de medicina en la Universidad de Halle pero también químico, habiendo trabajado como tal en el estudio de procesos de la química práctica, como la fermentación de la cerveza y del vino y en la obtención de minerales. Es decir, continuaba esa tendencia alemana de fomentar la industria química en aras de la economía del país. Llevó a cabo un gran número de trabajos experimentales, enfocados en su inmensa mayoría hacia sus más fuertes preocupaciones en el ámbito científico: los procesos de combustión y de calcinación de los metales, así como la respiración de los seres vivos. Además, también dirigió sus estudios empíricos hacia la afinidad química y la fuerza de los ácidos. ¿Por qué esa preocupación de alquimistas y de químicos por la combustión? No es tan extraño, ya que si reflexionamos unos momentos, cuando se
CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA
99
queman tanto los materiales del mundo inanimado como los procedentes del mundo orgánico, se producen fenómenos que aunque ahora nos resulten tan normales —pues los conocemos perfectamente—, en aquellos momentos parecían algo sobrenatural. Tiene lugar un gran desprendimiento de calor; los restos de los materiales que se queman (cenizas o productos calcinados) son muy diferentes del original; se produce muchas veces fuego, y la llama es algo que cambia de forma y de color, algo quema pero que es intangible, es como... un espíritu. En su teoría del flogisto Stahl está influido por las ideas de Boyle y, sobre todo, de Becher. Así, la materia estaría constituida por corpúsculos que al unirse formarían los «mixtos» o compuestos. Hasta aquí la influencia de Boyle. Pero Stahl suponía que habría unos tipos básicos de corpúsculos, en un total de cuatro, que se corresponderían en realidad con las tres «terras» de Becher más el agua. Con estas ideas y con todos los datos obtenidos en sus experimentos crea una teoría, la del flogisto o teoría sublime, como algunos la llamaban en su época. En ella, las aportaciones fundamentales de Stahl consistieron en: — Suponer que si esos tipos básicos se agregaban, se combinarían entre sí formando los principios secundarios, que serían muy estables, por lo que no podrían simplificarse (como la plata y el oro, así como muchos óxidos metálicos). Además, cuando a su vez se combinaban entre sí esos principios secundarios, se obtendrían los cuerpos mixtos. Es decir, habría una verdadera jerarquía, en la que los cuatro elementos básicos no estarían omnipresentes en la materia, mientras que los principios secundarios serían los precursores del concepto actual de elemento, enunciado por Lavoisier (como se tratará en el Tema 8). — Suponer que todos los cuerpos que eran inflamables contenían la terra pinguis, que él llamó flogisto. El flogisto era, pues, algo presente en toda sustancia que fuera combustible y que se pudiera transformar por el calor. Por ello, el flogisto se desprendería en la calcinación de los metales y en la combustión de los materiales orgánicos e, incluso, en los procesos de respiración, fermentación y putrefacción. También estudió experimentalmente la combustión del azufre y su recuperación. Pensó que el azufre contenía, además de flogisto, el principio de acidez o ácido universal, que se encontraría en todas las sustancias ácidas. En la combustión se desprendía el flogisto del cuerpo y se perdía en la atmósfera. Además este proceso sería reversible, ya que si se añadía flogisto al producto resultante de la combustión se obtenía el cuerpo de partida: por ejemplo, el producto de calcinación de un metal, llamado entonces «cal» y que no era otra cosa que el óxido metálico, daría con flogisto de nuevo el metal de partida correspondiente. Sin embargo, en el caso de los cuerpos orgánicos esta recuperación del material inicial ya no sería posible, puesto que quedaba totalmente destruido en la combustión. Esta consideración marcó un hecho que tuvo después una gran trascendencia: el que se abando-
100
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
nara por el momento el estudio de los compuestos orgánicos. En los inorgánicos eran más fáciles de explicar todas esas transformaciones, mientras que para los orgánicos se hacía necesario, según Stahl, apelar a un agente vital (idea que perduraría hasta mucho tiempo después, en la época de Berzelius con la teoría de la fuerza vital, ya bien entrado el siglo XIX, como se discutirá en el Tema 12). Stahl extendió su teoría también a la vida de las plantas: pensó que éstas absorbían el flogisto de la atmósfera, estableciéndose así un ciclo de flogisto en la naturaleza, que es el precedente del ciclo de la fotosíntesis formulado posteriormente. El error básico de la teoría del flogisto fue identificar un sustrato material con una propiedad. No obstante, los flogísticos tuvieron también sus méritos, siendo uno de los mayores el intentar explicar con una teoría unos hechos experimentales. Pero el gran problema surgió al observarse en los experimentos que los metales ganaban peso al ser quemados en presencia de aire, cuando según la teoría de Stahl debían perderlo (ya que se desprendían del flogisto). Este fue un hecho experimental que contradecía esa teoría y al que no se pudo dar una explicación satisfactoria hasta los delicados trabajos cuantitativos de Lavoisier (Tema 8).
7.4. LA QUÍMICA PNEUMÁTICA A pesar de que el flogisto resultara a la larga una teoría errónea fue la teoría dominante durante casi todo el siglo XVIII y Stahl tuvo muchos seguidores. Creó una escuela en Berlín y sus ideas se extiendieron por toda Europa, dando lugar a la aparición de importantes científicos, sobre todo en Inglaterra, Alemania, Francia y Suecia. Muchos de sus discípulos, fervientes continuadores de su maestro, realizaron importantísimas contribuciones al desarrollo de la química, tanto por sus aportaciones al conocimiento de las propiedades de muchos compuestos, como por la aplicación de la química a la industria y por la innovación y perfeccionamiento de las técnicas experimentales. En relación al último de estos aspectos hay que destacar la llamada química pneumática.
7.4.1. Inglaterra y la química pneumática: Black, Cavendish y Priestley Entramos en unos momentos en los que se va perdiendo la antigua noción que se tenía sobre el aire de elemento de la filosofía aristotélica y se le empieza a considerar como representante de un estado de la materia, el gaseoso. Además, se le detecta como una especie química cuya actividad se pone de manifiesto en los procesos de combustión y respiración y se comprueba el aumento de peso de los cuerpos que sufren ese proceso de combustión. Pero todos estos estudios no hubieran podido llevarse a cabo sin la posibilidad de la manipulación experimental del estado gaseoso. Esto ya
CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA
101
fue iniciado por Boyle, con lo que hay que recordar también los avances tecnológicos que supusieron la máquina pneumática de von Gericke y el tubo en U de Torriccelli, a lo que ya se hizo referencia en el Tema 6. Pero hay otro grupo de científicos, principalmente ingleses, que continuaron prestando una contribución enorme a este capítulo del estudio de la materia: se trata de los químicos pneumáticos, llamados así precisamente por alusión a la palabra griega pneuma, que significa «aire», como ya se ha dicho. En el inicio de la química pneumática fue decisivo el invento de la cuba pneumática, artefacto ideado por Stephen Hales (1677-1761), que permitía que los gases desprendidos en una reacción fuesen recogidos en una vasija o cuba con agua (Fig. 7.1). C/T/S Con este aparato Hales demostró que los gases se podían recoger o «fijar». Esto hizo posible ya trabajar en los laboratorios con los gases, para pesarlos, analizarlos, realizar con ellos reacciones... Los gases habían dejado de ser esa materia etérea, incontrolable y misteriosa, para convertirse en manipulables y reconocibles, como lo son los sólidos y los líquidos. El avance científico al que este aparato dio fue incalculable.
Ésta es una época para Inglaterra de enorme esplendor en el terreno científico, con muchos investigadores trascendentales para la Historia de la Ciencia, entre los cuales hay tres que se destacan respecto a los demás: Black, Cavendish y Priestley.
FIGURA 7.1. Aparato utilizado por Hales para recoger gases.
102
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Joseph Black (1728-1799) Es uno de los científicos más brillantes de esta época, no sólo en Inglaterra sino en toda Europa, que realizó importantes aportaciones al estudio de la química. Entre sus numerosas investigaciones hay que destacar su descubrimiento en 1717 del gas carbónico —es decir, del dióxido de carbono—, al que denominó aire fijo, llevado a cabo al continuar en la línea de los trabajos de van Helmont, al que se le puede considerar como el fundador de la química de los gases. Lo detectó al calcinar los carbonatos, y propuso que este gas se desprendería en ese proceso por lo que, una vez calcinados los carbonatos, ya no darían efervescencia con los ácidos. Esta proposición o teoría de Black tuvo fuertes detractores y fue motivo durante bastante tiempo de grandes litigios, pero al final logró imponerse. También demostró que este gas —que fue, además, el primer gas obtenido artificialmente que se identificó como un nuevo compuesto— se hallaba también formando parte del aire en pequeñas cantidades, siendo muy diferente de éste, ya que no podía arder. Otra gran contribución original de Black fueron sus estudios en calorimetría, con el descubrimiento y descripción de los conceptos de calor específico y calor latente, en 1775, que fue retomado posteriormente por Lavoisier y fundamental en el desarrollo de su teoría de la combustión (Tema 8). Henry Cavendish (1731-1810) Este aristócrata, dedicado por entero a la ciencia, trabajó en muy diversos capítulos de la química, realizando importantísimos descubrimientos, aunque muchas veces no llegara a publicar sus conclusiones. Así, como Black, estudia sobre calores específicos, consiguiendo determinar su valor para muchos compuestos. También es importante constatar que en sus experimentos tiene en cuenta el carácter cuantitativo, realizando cuidadosas pesadas y anticipadándose en este aspecto a Lavoisier. Es también un precedente de la estequiometría, cuyas bases son establecidas oficialmente años después por el alemán Richter (puede consultar el Tema 9). En química inorgánica también realiza importantes avances: por ejemplo, reconoce y distingue los diferentes óxidos de arsénico y verifica la solubilización de algunos carbonatos por acción de un exceso de aire fijo (CO2). En cuanto a la química de gases, es tal vez donde lleva a cabo los hallazgos de mayor trascendencia. Por una parte, construye una variante de la cuba pneumática de Hales, sustituyendo el agua por mercurio para evitar la posible disolución de los gases. Por otra, descubre un nuevo gas, el aire inflamable (nuestro hidrógeno) que, aunque ya había sido detectado en cierto modo por Boyle, van Helmont y el mismo Paracelso, fue Cavendish el primero en aislarlo —obteniéndole por reacción entre ácido sulfúrico y hierro— y en determinar sus propiedades. Sin embargo, este brillante investigador de la escuela flogística cometió un gran error al suponer que este gas inflamable era precisamente el flogisto.
CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA
103
John Priestley (1733-1804) Fue también un gran hombre para la química, aunque partidario de la teoría del flogisto. Nació en Yorkshire, hijo de un tejedor y sastre congregacionista, es decir, perteneciente a la llamada Iglesia Inconformista de Inglaterra. Estudió por ello en una academia de las llamadas «disidentes», que cuidaban en extremo la educación, que incluía tanto la enseñanza de las letras y la teología como la de las ciencias, por lo que Priestley recibió una vasta, variada y esmerada formación. Y este hecho se repetirá en el caso de Dalton, como se estudiará en el Tema 9. Aprende teología, medicina, ciencias y diversas lenguas, pero fue químico por afición. Educado para ejercer el ministerio religioso, compagina esta actividad desde muy temprano con la enseñanza (precisamente es autor de muchos textos dedicados a la educación) y con la investigación química, aunque esto lo iniciara a edad relativamente madura. Desempeñó diversos cargos como ministro de la Iglesia en distintos lugares de Inglaterra y en Manchester impartió la docencia en la Academia Warrington, prestigioso centro docente disidente. En 1794, debido a su actitud crítica hacia la política de su país y a su decidido apoyo a la guerra de Independencia americana, se vio obligado a emigrar a Estados Unidos. Al llegar a Filadelfia le ofrecen una cátedra de química en la Universidad de Pensilvania. Muere aislado del mundo científico, en una pequeña ciudad a la que se había retirado para fundar una escuela y entregarse por completo a la enseñanza (Northumberland, en el estado de Pensilvania, donde existe actualmente el Museo Priestley). En cuanto a su dedicación activa a la química, es a partir de 1767, aproximadamente, cuando empieza a dirigirse hacia la química experimental. Durante su estancia en Leeds como pastor de la Iglesia, el hecho de vivir al lado de una fábrica de cerveza le hace interesarse por el estudio de los gases —o «aires», como se les llamaba entonces—, cuando ya contaba 34 años. Realiza multitud de experimentos que le llevan a importantes resultados, como es el descubrimiento, caracterización y preparación de gran número de gases (unos veinte), entre ellos el aire nitroso (NO2), el cloruro de hidrógeno, el sulfuro de hidrógeno, el fluoruro de silicio, etc... También aisla el nitrógeno del aire, al que llama aire flogístico. Asimismo, inventó el agua de soda, con lo cual abre en la industria el capítulo de las aguas minerales artificiales. Pero su mayor mérito es el descubrimiento del oxígeno, en 1774: calentando con una lente óxido de mercurio se formaba un gas con el que las combustiones se producían mucho mejor. Le denominó aire desflogistizado y resultó ser el mismo gas que el «aire del fuego» obtenido por el químico sueco Scheele, en 1772, de forma totalmente independiente, aunque por desgracia no publicará estos resultados hasta 1777, en su Tratado de química del aire y del fuego, después de que Priestley diera a conocer su trabajo. Al leer lo sucedido a Scheele, debemos reflexionar sobre la importancia que en la investigación científica tiene la comunicación de los resultados, así como las vías para llevar a cabo esa comunicación.
104
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
7.4.2. Otros químicos del flogisto En Alemania los partidarios del flogisto, que en su mayor parte fueron alumnos de la Escuela de Berlín fundada por Stahl, dejan sobre todo su huella más profunda en la industria química. Entre ellos sobresalieron: Caspar Neumann (1683-1737): Extrajo gran catidad de compuestos químicos de productos naturales (como muchas esencias y aceites vegetales). Fue autor de diversos manuales para la enseñanza de la química y de memorias aparecidas casi todas en publicaciones científicas creadas en aquella época, muchas de las cuales continuaron durante muchísimo tiempo (como Comptes Rendues y Philosophical Transactions). Johann Heinrich Pott (1692-1774) y Johann Friedrich Boettger (16821719), a los que se debe la creación de la industria de porcelana en Europa, como se tratará más ampliamente en el Tema 14. Andreas Sigismund Marggrafe (1709-1782): Como químico tuvo una actividad bastante polifacética y llena de éxitos. En primer lugar, potenció la química analítica a través de sus experimentos de coloración a la llama con sales de sodio y potasio. Además, descubrió dos nuevos elementos, el magnesio y el manganeso, y consiguió extraer cinc de sus minerales. Pero sobre todo detectó la existencia de sacarosa en la remolacha mediante la aplicación del microscopio (una innovación en cuanto a los experimentos de química pues hasta entonces sólo había sido utilizado en medicina y biología). Este importante descubrimiento permitió iniciar posteriormente la industria del azúcar de remolacha, construyéndose la primera fábrica azucarera a partir de remolacha precisamente en Prusia, en un lugar muy próximo a Berlín, a la que siguieron otras. Estas refinerías azucareras tuvieron un gran éxito mientras no tuvieron que competir con el azúcar de caña de las colonias americanas, de producción más barata. C/T/S La industria del azúcar de remolacha, que surgio gracias a un avance tecnológico como fue el microscopio, es otra muestra de la relación ciencia/tecnología, que a su vez incidió en gran manera en la economía de los países productores.
No sólo hubo importantes seguidores del flogisto en Alemania, su lugar de origen. Esta teoría tuvo ardientes partidarios en otros países: En Suecia había una importante tradición científica, propiciada por la misma familia real desde tiempos del padre de la famosa —por el cine, sobre todo— reina Cristina y por ella misma, que incluso realizaba experimentos de química después de que dejara el trono y se retirara a Roma. Se habían crea-
CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA
105
do importantes laboratorios en Estocolmo, en los que se descubrió el ácido fórmico, aislado de las hormigas y se hicieron estudios sobre química relacionada con la agricultura. Surgió otro importantísimo centro científico en la Universidad de Upsala, en la que aparte de ilustres químicos hay que citar a Linneo en Ciencias Naturales. Se llevaron a cabo investigaciones principalmente en química mineral, metalurgia, química analítica y mineralogía, destacando entre todos sus valiosos científicos Torben Bergman (1735-1784) y ante todo Scheele, ambos contemporáneos de Lavoisier. Carlos-Guillermo Scheele (1742-1786): Llevó a cabo numerosos experimentos y estudios, siendo los más sobresalientes los relativos a la composición del aire, del que afirmó que se trataba de una mezcla de dos fluidos: del «aire viciado o corrompido», que sería nuestro nitrógeno, y de «aire puro o del fuego», que sería el oxígeno. Asimismo, realizó investigaciones relativas a química mineral y también a química orgánica y descubrió nuevas sustancias, como el cloro, la glicerina, el ácido oxálico, entre otras muchas. A pesar de estos grandes éxitos en el aspecto experimental, en el de la teoría el hecho de ser partidario del flogisto le impidió poder llegar a establecer conclusiones válidas. Asimismo, perdió el derecho a la «paternidad» de un descubrimiento tan importante como el del oxígeno —como ya se ha comentado en 7.4— simplemente por no haberlo publicado a tiempo. En Francia la escuela del flogisto tuvo también importantes seguidores, entre los que destacan los siguientes: François Geoffroy (1772-1731), estudioso de la afinidad química, acerca de lo cual construyó unas interesantes tablas de afinidades; François Rouelle (1703-1770), profesor de química en París, en el Jardín de Plantas y uno de cuyos alumnos fue precisamente Lavoisier; Pierre Bayen (1725-1778), farmacéutico dedicado a la química, que también descubrió el desprendimiento de un gas —el oxígeno— por calefacción del óxido de mercurio rojo, aunque no supo interpretar su descubrimiento (interpretación que sí pudo dar Lavoisier posteriormente); Antoine Beaumé (1728-1804), que investigó en procesos industriales de tinte de tejidos y blanqueo de sedas y que construyó en Francia la primera fábrica de cloruro amónico, y Nicolás Leblanc (1742-1806), al que se debe la primera fábrica para la preparación industrial del carbonato sódico en 1791, según el método que lleva su nombre (sobre esta industria se tratará más ampliamente en el Tema 14). En Holanda hay que citar a: Hermann Boerhaave (1668-1738), científico que sobresalió en primer lugar en el aspecto de la docencia de la Química y que intentó eliminar en ésta la influencia de la alquimia que aun persistía en su tiempo. En realidad, más que pertenecer al grupo de seguidores del flogisto, desarrolló él mismo e independientemente de Stahl una teoría parecida, también inspirada en la idea newtoniana del éter. Suponía que el éter se correspondía con el fuego, el gran transformador de toda la materia, aunque ese fuego permaneciese inva-
106
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
riable. Fue profesor en la Universidad de Leiden y autor de un interesantísimo texto, Elementa Chemia, que contenía todo lo que hasta entonces se conocía sobre química y que consiguió desplazar en las aulas al Cours de Chemie del iatroquímico Lemery. En Rusia aparece una figura interesantísma: Mikhail Lomonossov (1711-1765), químico y hombre polifácético, pues también fue escritor, poeta, fundador de la Universidad de Moscú y autor de una gramática de la lengua rusa. En química hizo importantes trabajos y hallazgos, algunos verdaderamente innovadores, casi todos pertenecientes a la química-física. Así, en relación a la transmisión del calor, llegó a demostrar que éste se propagaba por el movimiento de las partículas. Consiguió determinar el punto de congelación del mercurio (llevado a cabo en el frío ambiente de Siberia). Señaló por primera vez la diferencia entre átomo y molécula. Explicó el aumento de peso de los metales en la combustión. Intentó generalizar el principio de conservación de la materia a todos los cambios de la naturaleza (1784)... En fin, realizó unas importantísimas contribuciones, gran número de las cuales eran originales, pero la falta de traductores de lengua rusa fue la causa de que estos trabajos tan valiosos para la ciencia quedaran ignorados por la comunidad científica de los países extranjeros. Y en Irlanda, Richard Kirwan (1733-1822), partidario del flogisto aunque luego se uniera a Lavoisier.
7.5. REFLEXIONES FINALES En el siglo XVIII poco a poco va imperando la razón y la ilustración, que también se extienden al mundo de la química. La intercomunicación de ideas va abriéndose paso frente al aislamiento medieval. Por ello van surgiendo salones literarios, artísticos y también científicos (como se verá con Lavoisier en el tema siguiente). Asimismo, se comienzan a crear academias y sociedades científicas, en cuyas revistas los investigadores pueden publicar con rapidez sus hallazgos más recientes para darlos a conocer a la comunidad científica. Como ejemplos representativos de todo ello, pueden citarse en Inglaterra la Royal Society y en Francia la Academie de Sciences. También existen muchos ejemplos en los que un investigador, al no publicar sus hallazgos o hacerlo con retraso, lamentablemente deja que la gloria se la lleven otros. Tal es el caso de Scheele y su descubrimiento del oxígeno. Las traducciones van cobrando asimismo importancia: posibilitan el conocimiento de las investigaciones realizadas en otros países. Se ha tratado el caso de Lomonossov, cuya obra quedó casi desconocida al resto de Europa, con lo cual no se pudo conocer a tiempo una importante obra llena de originalidad.
Tema 8 LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA ESQUEMA DE CONTENIDOS 8.1. INTRODUCCIÓN 8.2. NOTAS SOBRE LA VIDA DE LAVOISIER 8.2.1. Datos biográficos 8.2.2. Formación y actividad científica 8.2.3. Corrientes científicas en la formación de Lavoisier 8.3. LABOR CIENTÍFICA DE LAVOISIER 8.3.1. Trabajos sobre metales 8.3.2. Composición del aire 8.3.3. Trabajos sobre el agua 8.4. LA NUEVA QUÍMICA: ADIÓS AL FLOGISTO 8.4.1. Nueva química y necesidad de una nueva nomenclatura 8.4.2. Extensión a otros países 8.5. OBRA ESCRITA DE LAVOISIER 8.6. REFLEXIONES FINALES
Lavoisier y su esposa, pintados por David
8.1. INTRODUCCIÓN Tradicionalmente Lavoisier es considerado como «padre» de la química moderna. Aunque la expresión puede parece más bien un tópico, responde en gran manera a una realidad. Si bien es verdad que ha habido gran polémica sobre la verdadera paternidad de la química entre ses contra alemanes (que la atribuyen a Stahl y a Paracelso) e ingleses (que argumentan a favor de Cavendish o Priestley), es a Lavoisier a quien se debe el haber dado a la química un nuevo enfoque. Asimismo, modernizó la química dotándola de un lenguaje que hacía sus escritos mucho más compresibles y reestructuró sus principios. Esto se trasluce fácilmente en su texto Tratado elemental de Química, por lo que es conveniente, si no leerlo en profundidad, al menos ojearlo con alguna atención. No obstante y volviendo a esa polémica, las ideas de Lavoisier se basaron en gran medida en investigaciones de científicos ingleses, alemanes y escandinavos sobre problemas químicos, farmacéuticos y médicos. Pero al situarse la química en una nueva dirección, se rompió con el pasado, por lo que muchos de esos trabajos han quedado injustamente relegados al olvido.
8.2. NOTAS SOBRE LA VIDA DE LAVOISIER Antes de analizar la obra de Lavoisier y la reforma que llevó a cabo en la química, para comprenderla mejor es importante ubicarle en su momento histórico y dar una referencia de los aspectos más sobresalientes de su biografía. Su vida está repleta de interesantes datos, unos relacionados directamente con la química y otros no tanto, pero que en conjunto marcaron su actividad y actitud hacia la ciencia.
8.2.1. Datos biográficos Antoine Laurent Lavoisier nació en París en 1743, dentro de una familia de gran tradición en el mundo de las leyes. Su padre era un abogado que
110
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
ocupaba un importante cargo, el de procurador en el Parlamento de París. Por esta razón en un principio Lavoisier continuó en esa línea y estudió abogacía en el ilustre Colegio Mazarin, graduándose en derecho en 1763. Muy probablemente con fines económicos y para asegurarse una holgada situación financiera que le hiciera independiente, en 1768 se hace miembro de la Ferme Genérale, una compañía contratada por el gobierno para recaudar impuestos indirectos, razón por la que esa institución era odiada por la sociedad sa, lo cual con el tiempo trajo para Lavoisier trágicas consecuencias. En 1771 se casa con Marie Anne Pierrette Paultze, hija de otro fermier, como se les llamaba a los socios de esa empresa. En 1785 es nombrado director de la Academia de Ciencias de Francia. En 1793, durante el «Reinado del Terror» es hecho prisionero, en parte por su condición de fermier y en parte —y puede que en el fondo— por el odio de Marat hacia él, fundado en los celos que sentía por Lavoisier en el aspecto científico. Es juzgado y condenado a la pena capital, muriendo guillotinado en 1794. De la imagen de Lavoisier, uno de los más grandes hombres de Francia, no quedan más que algunos cuadros y grabados, pues se da el caso que en la escultura que se le dedicó en 1890 la cabeza no correspondía a la suya, sino a la de un filósofo contemporáneo de Lavoisier, escultura que por otra parte fue destruida durante la Segunda Guerra Mundial.
8.2.2. Formación y actividad científica A pesar de haberse graduado en derecho, su verdadera pasión fueron las ciencias ya que su tiempo libre lo dedicó intensamente a la investigación química. Y, curiosamente, su formación en leyes le ayudó en gran manera en su preocupación por la precisión en el planteamiento, realización y discusión de sus trabajos científicos. O tal vez, fue precisamente la que le inspiró a enfocarlos de esa manera. En todo caso, es en principio extraño que un hombre de letras diese un giro tan significativo hacia las ciencias. Pero, dejando a parte su propia personalidad, hubo algunos factores que sin duda contribuyeron decisivamente a que tomase esa nueva trayectoria. Por una parte, el lugar donde estudió, el Colegio Mazarin, de gran prestigio en la enseñanza tanto de las letras como de las ciencias y en el que, además de derecho, estudió Lavoisier un curso de química divulgativa dirigido especialmente a médicos y farmacéuticos. Por otra parte, y éste sea tal vez el factor más importante, algunos de las personas próximas a él. Así, algunos de sus amigos influyeron notablemente en su formación científica, como el geólogo mineralogista Guettard o el prestigioso matemático Laplace, con el que incluso llevó a cabo algunas importantes investigaciones. Otra persona que le ayudó enormemente en su labor científica fue su mujer, que siempre estuvo a su lado contribuyendo en sus trabajos. Desde traducir numerosos textos científicos ingleses, como los de Priestley o Cavendish —para lo cual tuvo que aprender expresamente ese idioma— hasta estudiar dibujo para poder realizar ella personalmente los grabados que representaban los
LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA
111
aparatos de química que utilizaba su marido, u organizar reuniones semanales para crear tertulias científicas en los salones de su casa, donde se intercambiaban ideas y se daba información sobre los últimos descubrimientos científicos.
8.2.3. Corrientes científicas en la formación de Lavoisier En el Colegio Mazarin, a través del curso de química al que asistió —y que era impartido por el prestigioso científico Rouelle— tomó o con la teoría del flogisto, si bien con ciertas variantes. Según Rouelle (en el Tema 7), se seguían itiendo los cuatro elementos tradicionales, si bien podían actuar como elementos químicos y también como instrumentos físicos, en contra de lo postulado en la teoría de Stahl (también en el Tema 7). Éste es un interesante matiz, el de la distancia entre lo físico y lo químico. Así el fuego, o flogisto, no sería tan sólo un instrumento físico —como opinaba Stahl— con el que se podrían alterar los estados físicos de la materia, sino también un componente de ésta, es decir, sería asimismo un elemento químico. Lo mismo ocurriría con los otros tres elementos, el agua, la tierra y el aire. En éste último, el aire, ya se había demostrado que podía actuar de forma química y bien existir libre o bien fijado (aire «fijo»). En definitiva, se iniciaba una corriente de ir interpretando las reacciones químicas mediante un análisis «científico» de las mismas, buscando una interpretación de tipo químico, a partir de la teoría corpuscular de Newton. Sin embargo, hay que reconocer que la formación científica inicial de Lavoisier cayó plenamente dentro de las teorías del flogisto. Rouelle también había estudiado las sales y realizó una clasificación según sus formas cristalinas y, lo que es más importante, según los ácidos y las bases de las que proviniesen. En conjunto, Lavoisier recibió información sobre la teoría de la acidez, de las reacciones en que intervenía el aire, en particular la combustión, del análisis cuantitativo de minerales y de la composición de las aguas. Otra fuente de conocimiento para Lavoisier fueron también las numerosas traducciones sobre minas y metalurgia de textos alemanes y suecos, principalmente. Esto vino provocado por una incipiente preocupación del estado francés por la instalación de industrias como posibles creadoras de riqueza, al igual que ocurría en Inglaterra, en los estados alemanes o en los países del norte de Europa. C/T/S Se trataba, pues, de una preocupación de origen económico, lo cual nos vuelve a demostrar las estrechas relaciones entre los fenómenos sociales y la ciencia.
Este hecho dio lugar a que Lavoisier colaborara en la realización de un estudio «in situ» de los yacimientos minerales en el suelo francés, así como de las fuentes naturales de agua. Esto, a su vez, le llevó a efectuar un estudio
112
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
sobre análisis químicos de aguas y otro sobre el yeso. También realizó un trabajo sobre las formas de alumbrado (con candelas de aceite y con velas) en las grandes ciudades. De estos dos últimos trabajos presentó sendos informes ante la Academia de Ciencias de París, obteniendo una medalla por el segundo, en 1766, cuando sólo tenía 23 años. Fue así ganando la consideración e, incluso, la iración del mundo científico, lo cual le valió el ingreso en la Academia de Ciencias en 1768, a los 25 años, hecho que implicaba un gran prestigio aunque hubiese sido itido sólo en el rango más bajo (como ayudante químico o «adt»).
8.3. LABOR CIENTÍFICA DE LAVOISIER La herencia de su padre, recibida a los 23 años, y su papel de fermier le proporcionaron una independencia económica que le permitió poder dedicarse enteramente a la ciencia en su tiempo libre y, además, tener una capacidad adquisitiva lo suficientemente holgada como para poder invertir en los más modernos y sofisticados aparatos científicos del momento. Y esto redundó decisivamente en que la precisión de las operaciones realizadas por Lavoisier fuese mucho mayor. Esta idea de la precisión fue básica en todo su trabajo al introducir el aspecto cuantitativo en sus mediciones, para lo cual incorporó de forma sistemática el barómetro, el termómetro, el calorímetro y, sobre todo, la balanza en sus análisis experimentales. De esta manera, comenzó a realizar muchos trabajos sobre la destilación del agua, en los que pesaba cuidadosamente los residuos sólidos, y sobre la naturaleza del aire. Estos últimos le condujeron a formular inicialmente una teoría de los estados de la materia y del modelo gaseoso, si bien en términos de la teoría del flogisto. En sus primeros años de investigación química, concretamente de 1770 a 1783, las tres cuestiones fundamentales que más atrajeron la atención de Lavoisier fueron el aumento de peso de los metales en la calcinación, la composición del aire y la descomposición del agua. Todo ello le llevó a la conclusión de que la teoría del flogisto no era válida, lo cual asimismo fue capaz de demostrar.
8.3.1. Trabajo sobre metales En los experimentos de Lavoisier sobre el aire y los gases (o «aires», como entonces se les llamaba, ya que la palabra aire era sinónimo del término gas usado actualmente) fueron esenciales todos los aparatos para recogerlos y analizarlos, ideados por otros científicos, como los ingleses Hales, Cavendish y Priestley. Y fue gracias a las traducciones de su esposa, Anne Marie, como Lavoisier pudo acceder a la lectura de los trabajos de esos científicos. Por otra parte, el científico francés Guyton de Morveau (1737-1811) había observado en numerosos experimentos que los metales aumentaban
LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA
113
de peso cuando se tostaban en presencia de aire. A la luz de estos experimentos, así como los de otros investigadores y los suyos propios, Lavoisier llegó a la conclusión de que el aire se «fijaba»en muchas reacciones, como era el caso de la calcinación de los metales. A su vez, ese aire «fijado» se volvía a desprender en el proceso inverso, es decir, cuando el producto de calcinación correspondiente (calcinado o «cal», tal como entonces se decía) se descomponía. Todos estos hechos contradecían la teoría del flogisto, ya que según ella al quemarse el metal debería perder flogisto, con lo cual perdería peso en lugar de ganarlo.
Por esto, se había sugerido que el aire era un fluido combinado con el flogisto y que en el proceso de combustión, mientras el aire se fijaba el flogisto se liberaba, produciendo la luz y el calor propios de la combustión. Luego, la luz y el calor provendrían del aire, pero no del metal como proponía Stahl. Metal + Aire (materia aérea+flogisto) → Cal ( Metal+materia aérea) + calor y luz
Lavoisier volvió a comprobar experimentalmente todas estos ensayos en los que intervenía el aire y, como él mismo decía, lo repitió todo «con nuevas garantías» para «formar una teoría». Estudió así empíricamente la descomposición del óxido de plomo (II) o litargirio mediante una reacción de tostación con carbón vegetal para intentar pasarlo a metal, lo que le permitió observar que se desprendía un gran volumen de «aire». También analizó la combustión del azufre y la del fósforo, pesando los productos de combustión. Con el estaño hizo lo mismo y al calentarlo en un recipiente cerrado las medidas ponderales le demostraron un hecho importantísimo: que el aumento de peso del metal era igual a la disminución de peso del aire en el recipiente. Llegó así a la conclusión de que era el aire el responsable de los procesos de combustión y también del aumento de peso de los materiales que sufrían esa reacción.
Por otra parte, en esa época pero con anterioridad a todos estos estudios de Lavoisier, se habían descubierto distintos tipos de «aires», es decir, de gases: el aire «fijo» (en realidad, nuestro CO2), desprendido en los carbonatos; un «aire» ligero e inflamable (el hidrógeno); los óxidos de azufre y de nitrógeno, el monóxido de carbono, el cloruro de hidrógeno y el oxígeno (estos últimos descubiertos por Priestley). Si bien estos experimentos aclararon algunas ideas de Lavoisier, también le llevaron a algunos errores, motivados por un problema fundamental: que él no sabía distinguir entre el aire y el aire fijado (es decir, nuestro CO2). Los óxi-
114
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
dos (o cales, como se decía) se reducían al metal al quemarse con un reductor que era el carbón vegetal (del que se decía era una forma de flogisto), según: Cal (óxido del Metal) + C → Metal + aire fijo (CO2)
En consecuencia, suponía que en el proceso inverso sería el aire fijo (es decir, el CO2) el que pasaría el metal a cal, lo cual era falso: Metal + aire fijo (CO2) → Cal (óxido del Metal)
En la corrección de esas ideas fue fundamental la aportación de Priestley —a quien conocía personalmente— y sus trabajos con óxido de mercurio (HgO, o cal roja de mercurio), el cual al calentarlo sin el carbón desprendía un nuevo gas, al que Priestley llamó aire desflogistizado (en nuestra terminología, oxígeno).
8.3.2. Trabajos sobre la composición del aire Lavoisier revisó todo ello y pensó al principio que el aire desflogistizado era un «aire» puro, aunque no sería un integrante del aire atmosférico, del cual por otra parte se sabía que era muy complejo. Pero después, en 1778, rectificó esta última idea, argumentando que el aire desflogistizado era la parte más pura del aire atmosférico —del que sería un constituyente— y haciéndole además responsable del aumento de peso de los metales en la calcinación, por lo que formaría parte de las cales (óxidos). Éste sería el aire respirable y lo bautizó como oxígeno, que significa «formador de ácidos» (del griego oxi, ácido, agudo y geno, de generar), debido a que el carbono y los no metales daban con él óxidos de carácter ácido. Precisamente, esta última observación dio lugar a la primera teoría de la acidez dentro ya de la química moderna. Descubrió así Lavoisier que el aire estaba constituido por dos fluidos: uno respirable (oxígeno) y otro no respirable, al que llamó la «mofeta atmosférica» o azoe y que después llevó el nombre de nitrógeno. Calculó además por análisis cuantitativo la proporción de ambos gases. En este tema es conveniente poner atención a las distintas denominaciones de los gases. Incluso, puede Vd. mismo hacer un cuadro con las distintas equivalencias de nombres.
Por otra parte, también estudió el fenómeno biológico de la respiración de los animales: la respiración era una forma lenta de combustión, en la que el oxígeno inhalado quemaba el carbono de los alimentos, produciendo el dióxido de carbono, que era exhalado, y calor, utilizado para el calentamiento
LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA
115
del animal. Lavoisier y su amigo el matemático Laplace lo demostraron de forma cuantitativa, utilizando en su experimento un conejillo de Indias y un calorímetro. Este es un otro ejemplo del carácter interdisciplinar de la investigación científica de aquellos tiempos: un matemático y un químico realizaron una importantísima aportación a la biología.
Ellos lo explicaron alegando que el oxígeno contenía calor o calórico y esta combinación del principio oxígeno con el calórico constituía el «aire del fuego». El calórico a primera vista podría ser equivalente al flogisto, aunque no era así, puesto que el calórico se encontraba en todas las sustancias y además era susceptible de ser medido por termometría. Pero todas estas ideas eran más o menos confusas, e incluso a veces con ciertas contradicciones. La confusión mayor en aquellos tiempos, alrededor de 1780, estribaba en que la noción de metal y la de su óxido (es decir, su cal) no se diferenciaban claramente. Por ello, el hecho de que se desprendiera un nuevo «aire» que era inflamable (para nosotros el hidrógeno) cuando muchos metales eran tratados con un ácido, pero no cuando se trataba su cal con ácido, no podía ser explicado con esa teoría de Lavoisier. Por otra parte, cuando se quemaba un no metal producía un óxido ácido, pero no ocurría esto al quemar el hidrógeno, no pudiéndose además identificar el producto de combustión correspondiente.
8.3.3. Trabajos sobre el agua Sin embargo, Priestley en 1781 había detectado la presencia de agua cuando hacía saltar una chispa en una máquina electrostática en presencia de una mezcla de aire y aire inflamable (es decir, hidrógeno). Observó la aparición de un rocío que parecía una materia idéntica al agua corriente. Cavendish repitió este experimento poco después, lo mismo que Watt, llegándose así a una conclusión muy importante: que el agua era un cuerpo compuesto por aire puro (es decir, oxígeno) y flogisto. Parece ser que Lavoisier conoció esas conclusiones a través de terceros, en 1783. Y al estudiar los resultados de Cavendish dedujo que el agua no era un elemento, sino un compuesto constituido por oxígeno más hidrógeno. Ayudado de nuevo por Laplace realizó un experimento de síntesis del agua, quemando aire inflamable (hidrógeno) con oxígeno en un recipiente cerrado. Consiguieron su objetivo y también demostrar lo inverso, que el vapor de agua se descomponía cuando se le hacía pasar sobre un hierro al rojo, es decir, por el calor. De todo esto de deriva la gran controversia sobre la prioridad del descubrimiento de la naturaleza del agua y de su síntesis. ¿Fue Cavendish o Lavoisier?
116
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
El hecho es que aunque Cavendish realizara en este sentido trabajos experimentales antes que Lavoisier, fue este último quien interpretó de forma clara los resultados experimentales, prescindiendo o, mejor, rompiendo con la teoría del flogisto. Si bien esta teoría en principio proporcionó una orientación muy aceptable, se convirtió después en un verdadero lastre. Lavoisier tuvo una nueva visión de la teoría, mientras que Cavendish seguía aferrado a la teoría del flogisto que entorpecía todo progreso hacia el pensamiento científico. Oficialmente, Lavoisier leyó su memoria a la Academia de Ciencias de Francia el 25 de junio de 1783 (el día siguiente al de su experimento con Laplace), mientras que Cavendish expuso sus conclusiones a la Royal Society de Londres unos meses después, 15 de enero de 1784. Cavendish realizó antes esos experimentos, pero no los interpretó bien. Lo cual revela la necesidad de tener ideas claras en la ciencia a fin de elaborar una teoría consecuente.
Por otra parte, Lavoisier realizó su trabajo de forma cuantitativa, con lo que pudo afirmar que el agua ya no podía considerarse como aquel elemento simple de la teoría aristotélica, sino como un compuesto formado por la combinación de oxígeno e hidrógeno (la etimología de la palabra hidrógeno significa «productor de agua», del griego hydor, agua, y geno, de generar). Lavoisier pudo interpretar con esto por qué se formaba hidrógeno al disolver metales en ácidos; el hidrógeno provenía no del metal, sino del agua en la que estaba disuelto el ácido. Esta última conclusión tuvo importantes consecuencias al contribuir al surgimiento de una nueva teoría de acidez fundada en el hidrógeno.
8.4. LA NUEVA QUÍMICA: ADIÓS AL FLOGISTO Con todo esto, Lavoisier ya tenía argumentos suficientes para combatir la teoría del flogisto. Debía formular hipótesis, analizar, probar, etc. para demostrar la insuficiencia de esa teoría. No obstante, algunas de sus hipótesis aun estaban impregnadas de cierto espíritu de la química «antigua», como por ejemplo su idea del contenido de oxígeno como «principio universal» de la acidez. Aunque en realidad desde 1780 tenía ya muchos de esos argumentos, es a partir de 1785 cuando Lavoisier atacará más directamente a la teoría del flogisto. Para él el flogisto era «un principio vago... que cambia de forma a cada instante» (como dijo él mismo en un ensayo de 1785, año en que fue elegido director de la Academia de Ciencias). En las tertulias organizadas en su casa por su esposa, se invitaba tanto a científicos ses como a extranjeros llegados a París, y se discutían todas las teorías e, incluso, se hacían demostraciones prácticas. Fundó una revista de química —apartándose así de la ya existente dedicada a la física—, los
LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA
117
Annales de Chimie, en 1789, precisamente el año de la Revolución sa. Poco a poco, y a pesar de considerables reticencias, van a ir sumándose más adeptos a la teoría antiflogística (como Guyton de Morveau, Monge o Berthollet entre los ses, aunque este último con ciertas reservas). Lavoisier sustituye la teoría del flogisto por la teoría de la oxidación, que abarcará tanto la combustión como la acidez. La unión con el oxígeno sería el fenómeno responsable de la oxidación, y no la separación del flogisto. Por otra parte, algunos partidarios del flogisto habían propuesto al aire fijo (dióxido de carbono) como ácido universal en lugar del vitriolo (ácido sulfúrico), como decía Stahl. La razón para esta propuesta se debía a que se había comprobado que el dióxido de carbono estaba presente en muchos ácidos minerales (los carbonatos) y en muchos ácidos vegetales (es decir, orgánicos). Lavoisier, por el contrario, propuso al oxígeno como principio universal de acidez, por lo cual el oxígeno aparecería en todos los ácidos y a él se deberían sus propiedades ácidas (aunque era una aproximación bastante válida, en esto Lavoisier también cometió otro error, al continuar con las ideas antiguas de «principios universales»). A propósito de la teoría anterior, la de los flogísticos del aire fijo como principio de acidez, vale la pena mencionar que se realizaron muchos estudios experimentales sobre la importancia del dióxido de carbono para los organismos animales y vegetales. Así, pensaban que servía para prevenir el escorbuto, porque impidía la putrefacción en el interior del cuerpo humano. También se había observado que las flores crecían mucho más en aire fijo. Y Priestley descubrió que, en presencia de luz solar y dentro de agua, las plantas verdes desprendían aire desflogistizado (oxígeno), lo cual contribuyó enormemente al conocimiento de la fotosíntesis. Interdisciplinaridad De nuevo, aparece el carácter interdisciplinar de tantas investigaciones.
8.4.1. Nueva química y necesidad de una nueva nomenclatura Este vuelco de las ideas tradicionales en química impuso la necesidad de realizar también una revisión de la nomenclatura. En esa misma época el sueco Linneo había sistematizado la terminología de la biología, especialmente en botánica y zoología, pero en química no era así. Una misma sustancia podía recibir nombre diferente, dependiendo de su procedencia. Las sustancias se nombraban según sus propiedades (olor, sabor, forma cristalina, utilidad...). Todo ello daba lugar a un lenguaje enrevesado, confuso y particularista. Por esta razón, Lavoisier y alguno de sus colaboradores decidieron sistematizar la nomenclatura química. La idea clave de la que partieron consistía en que el nombre de cada sustancia debía proporcionar datos sobre su cons-
118
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
titución y sobre su estado de oxidación. Los nombres «triviales» se abandonarían (aunque muchos de ellos se siguieron utilizando, sobre todo en Química Orgánica). Nombres tan curiosos como cristal de la Luna, aceite de vitriolo, azafrán de Marte o flores de cinc se sustituirían por los de nitrato de plata, ácido sulfúrico, óxido de hierro u óxido de cinc, respectivamente.
De esta forma, cada sustancia poseería un nombre determinado y ese nombre contendría, en general, raíces griegas y latinas. Partían también de que las sustancias que no se podían descomponer eran sustancias simples, es decir, elementos, y sus nombres constituirían la base de la nomenclatura de las sustancias compuestas. Lavoisier, junto con Guyton, Berthollet y Fourcroy publicaron en 1787 la obra titulada Méthode de nomenclature chimique, que contenía las bases y desarrollo de esta nomenclatura, incluyendo además al final un diccionario en el que se podía encontrar la equivalencia del antiguo nombre de cada sustancia con el nuevo, lo cual indudablemente facilitaba la labor de incorporarse a un lenguaje tan sumamente diferente.
8.4.2. Extensión a otros países Esas nuevas teorías se extendieron por Europa con bastante rapidez, aunque con mayor o menor reserva, según los lugares. En Inglaterra los adversarios más importantes, como Black, Kirwan o Cavendish, las aceptaron sin grandes reticencias. En Alemania, sin embargo, no tuvieron ese éxito y en algunos casos provocaron grandes resistencias, tanto que las ideas de Lavoisier llegaron, incluso, a considerarse como heréticas y, posteriormente, el mismo Ostwald trató de quitarles importancia. En Holanda la oposición fue mucho menor que en Alemania y un grupo de químicos trabajando en la línea de las ideas de Lavoisier llegó a descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno por el paso de una corriente eléctrica y la volvieron a sintetizar por acción de una chispa eléctrica, experimentos que sientan las bases de la electroquímica futura (esto se volverá a tratar en el Tema 10). Italia, Rusia y Polonia se adhieren sin vacilaciones a Lavoisier, lo mismo que en un nuevo país de los Estados Unidos, surgido muy pocos años antes tras la guerra de la Independencia (1775-1783). En cuanto a España, se sigue con gran interés la evolución de la nueva química, lo cual fue motivo para que se crearan laboratorios en ciudades como Madrid, Sevilla y Cádiz y, sobre todo, para que se trasladaran esas ideas a las
LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA
119
colonias americanas, como México y Perú, con sus importantes minas de oro y plata, así como otros riquísimos yacimientos con multitud de minerales.
8.5. OBRA ESCRITA DE LAVOISIER Lavoisier escribió, aparte de algunos libros, multitud de memorias, informes, trabajos, anotaciones en sus cuadernos de laboratorio, recogidos la mayor parte en las Memorias de la Academia de Ciencias y también algunos en los Annales de Chemie y en el Journal de Physique. Entre sus libros hay que destacar sus Éléments, obra dedicada básicamente a los aparatos químicos. También es importante su participación en el libro sobre la nueva nomenclatura química, Méthode de nomenclature chimique, mencionado anteriormente. Pero su obra cumbre es sin lugar a dudas su Tratado elemental de Química o Traité élémentaire de chimie, publicado en 1789, el cual, a pesar de ser un libro breve, resumido y escrito con gran rapidez, incluye todas las ideas básicas de la nueva química, por lo que fue su verdadero difusor. En él, entre otros importantes aspectos, hace la definición de elemento químico, incluyendo una lista con treinta y tres sustancias simples y expone su teoría del oxígeno y su teoría sobre la composición química de la materia, basada en el oxígeno como nexo de unión dualista entre los ácidos y las bases. Además, por su fácil lectura se convirtió por mucho tiempo en un texto básico para la enseñanza de la química. Su discípulo Fourcroy recoge, desarrolla y sistematiza de manera ya extensa todas las ideas de Lavoisier en una amplia obra de diez volúmenes, Système des connaissances chimiques, de 1800, que fue asimismo fundamental para el aprendizaje de los futuros químicos.
8.6. REFLEXIONES FINALES Hombre erudito, de gran ingenio, ambicioso y osado y, al mismo tiempo, con gran atractivo personal y social y además...con dinero. Su gran pasión fue la química y en cierto modo es verdad que «copió», pero también perfeccionó. Aunque Lavoisier no fuera a menudo el primero en realizar muchos de los experimentos que le proporcionaron las bases empíricas de sus nuevas teorías, su originalidad es indudable. Y se debe a la forma de «mirar» esos resultados experimentales.
Trató a la química con una metodología propia de la física o, como dijo de él Pasteur «introdujo en la química el espíritu de la física». En este sentido, su originalidad fue también el introducir la precisión y las matemáticas en la manera de llevar a cabo sus experimentos y en la de analizar los datos experimentales. Utilizó sistemáticamente no sólo la balanza para pesar los materiales que reaccionaban y los materiales producidos en las reacciones, sino
120
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
también termómetros, gasómetros, barómetros… y calorímetros (él mismo, junto con su amigo el matemático Laplace, construyó un calorímetro que le proporcionó una elevada precisión en la medida de calores específicos y calores latentes de distintas sustancias). En definitiva, introdujo lo cuantitativo y, aunque Lavoisier tampoco en este aspecto fuera el primero, sí que fue el primero —o de los primeros— en insistir en su importancia. Según él, el álgebra era indispensable para el químico, pues le proporcionaba de «la manera más simple, más exacta» (según sus propias palabras) un lenguaje bien organizado que le facilitaba el arte de razonar. El álgebra le permitía así establecer una ecuación que enlazase lo conocido con lo desconocido. De esta manera, Lavoisier dio a los químicos la idea de la ecuación química para representar las reacciones químicas, lo cual fue desarrollado posteriormente a partir de los símbolos de Berzelius. Lavoisier actúa en sus experimentos de acuerdo con la ley de conservación de la materia. Aunque se le atribuye su autoría, tampoco en este caso fue el primero en enunciarla, sino el médico y químico también francés Rey (1583-1645), como puede revisar en el Tema 6. Además, antes que él muchos investigadores la habían itido y tomado como base de su trabajo, pero no obstante Lavoisier tuvo el mérito de haberla confirmado y generalizado al utilizar sistemáticamente en sus experimentos este principio de que «nada se pierde, nada se crea». Otra idea fundamental de Lavoisier fue la nueva noción de elemento químico, definido de forma operacional como aquellas sustancias que los químicos no habían conseguido analizar —es decir, separar— en sustancias más simples. Ya no tiene sentido, pues, hablar de los elementos en el sentido aristotélico, pues el agua, el aire son sustancias compuestas... Y ya la vieja química había muerto.
Bloque temático III LOS PASOS DE LA NUEVA QUÍMICA
Tema 9 DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA ESQUEMA DE CONTENIDOS 9.1. INTRODUCCIÓN 9.2. PRIMERAS CONSECUENCIAS DE LA QUÍMICA CUANTITATIVA 9.2.1. Richter, la ley de los números proporcionales y la estequiometría 9.2.2. Ley de las proporciones definidas de Proust 9.2.3. Ley de las proporciones múltiples 9.2.4. Gay-Lussac y las leyes volumétricas 9.3. DALTON: TRABAJO EXPERIMENTAL E IDEAS 9.3.1. 9.3.2. 9.3.3. 9.3.4.
Breve biografía de Dalton Labor científica de Dalton Dalton y la ley de volúmenes de combinación El «complemento» de la teoría atómica: hipótesis de Avogadro. 9.3.5. Otros trabajos de Dalton 9.4. BERZELIUS Y EL DESARROLLO DE LA QUÍMICA 9.4.1. Labor científica de Berzelius 9.5. OTRAS APORTACIONES IMPORTANTES 9.6. REFLEXIONES FINALES
Oro Oro
Agua Agua
Plata Plata
Vinagre Vinagre
Cobre Cobre
Cobre Cobre calcinado
Fermento Fermento
calcinado
Hierro Hierro Piedras Piedras Azufre Azufre Vapor Vapor Plomo Plomo
Plomo Plomo calcinado calcinado Crisol Crisol
Mineral de Mineral d plomo plomo Estaño Estaño(despues (después mercurio) mercurio)
Selenita Selenit
Arsénico Arsénico Símbolos en los antiguos manuscritos alquímicos griegos (aprox. del siglo X)
Arsénico Arsénico
Agua Agua A
Mercurio Mercurio
Vinagre Vinagre
Antimonio Antimonio
Cloruro de de Cloruro amonio amonio
Cobre Cobre
Vitriolo Vitriolo Cal Cal
Hierro Hierro
Álcali Álcali Símbolos alquímicos de principios del siglo
XVII
F
9.1. INTRODUCCIÓN Al comenzar el siglo XIX nos encontramos con que muy pocos años antes se han producido dos revoluciones muy importantes, una para la historia del hombre y otra para la de la ciencia y, que curiosamente, coinciden en el país y en la fecha. La primera es la Revolución sa, en 1789, y la segunda la Revolución Química, personificada en la figura de Lavoisier —aunque muchos otros científicos están en realidad tras él y tras sus investigaciones— y que se puede concretar cuando publica en ese mismo año su célebre Tratado elemental de Química, que provoca un cambio radical en la química mediante su definición de elemento (puede revisarlo en el Tema 8). Esa revolución de la química supone una ruptura con la teoría del flogisto y con el pasado, dando un enfoque diferente con un nuevo lenguaje y nuevos objetivos. Los llamados «padres» de la química moderna, Boyle, Priestley y Lavoisier, en orden cronológico, dieron paso con sus ideas a que los químicos que les sucedieron realizaran multitud de descubrimientos que, a su vez, permitieron un desarrollo de esta ciencia a un ritmo rapidísimo. El estado de la química a principios del siglo XVIII, más o menos, puede sintetizarse así. Por una parte, los químicos aceptan la teoría corpuscular de la materia, es decir, que la materia está constituida por unas partículas muy pequeñas, microscópicas, duras, sólidas, impenetrables y que están en movimiento. La antigua preocupación por la afinidad —recordemos la justificación a la misma dada por Newton— como explicación a por qué unas sustancias reaccionan con otras, va a ser el foco de atención de los químicos, que se centran, pues, en la cuestión de la reacción química y de la reactividad. Sin embargo, la noción de átomo poco les va a servir a la hora de trabajar experimentalmente, por lo que siguen prefiriendo el concepto de elemento con la definición pragmática dada por Lavoisier, como algo tangible que se podía pesar y manipular en un laboratorio. Dejan de momento los átomos para los físicos. Por otra parte, se ha dado ya plenamente el gran salto a la química cuantitativa, salto que en realidad ha constado de varias etapas, siendo las más
126
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
decisivas las siguientes: primeramente fue van Helmont quien da la idea; Boyle la continúa en la práctica, y Lavoisier la introduce plenamente. En este estado de la situación va a tener lugar el segundo gran avance de la química, como una segunda revolución química, aunque menor que la primera, con la teoría atómica de Dalton. Pero esta teoría, a su vez, tuvo como soporte el descubrimiento experimental de las relaciones cuantitativas entre los elementos cuando éstos reaccionaban entre sí para formar una combinación química. Se trataba, en definitiva, de los estudios empíricos que condujeron al enunciado de las bases de la estequiometría y de las leyes ponderales —es decir, de peso— y de las leyes volumétricas de combinación.
Todas ellas fueron interpretadas, analizadas y unificadas por una mente con tan gran capacidad de síntesis como la de Dalton. Pero, además, le proporcionaron la base experimental para justificar la existencia de moléculas, y con todo ello pudo llevar a cabo la elaboración de su teoría atómica. A principios del siglo XIX, la mayor actividad química tanto experimental como teórica tiene sus mayores protagonistas principalmente en Inglaterra y en Francia: desde los tiempos medievales y de principios del renacimiento su centro se ha ido desplazando ligeramente hacia la Europa occidental, si bien siguen existiendo importantísimos científicos en otros países, sobre todo en Alemania y Suecia.
9.2. PRIMERAS CONSECUENCIAS DE LA QUÍMICA CUANTITATIVA Una vez definido el concepto de elemento se empezaron a analizar multitud de sustancias químicas para determinar si eran sustancias elementales o sustancias-compuestos. Además, a partir de la «nueva química» se tuvo siempre también en cuenta el principio de conservación de la materia.
9.2.1. Richter, la ley de los números proporcionales y la estequiometría Uno de los trabajos más sobresalientes en este sentido fue el llevado a cabo por el alemán Jeremias Benjamin Richter (1762-1807). En sus investigaciones acerca de las combinaciones químicas sus mayores preocupaciones fueron insistir en las medidas cuantitativas y, sobre todo, introducir las matemáticas en la química. Había estudiado matemáticas en la Universidad de Königsberg, en lo que se llamaba entonces Prusia Oriental y que posteriormente pasó a Rusia. Después compaginó su trabajo como analista químico
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
127
en la fábrica de porcelana de Berlín con la realización de su tesis doctoral, dirigida nada menos que por el prestigioso filósofo Kant y que trataba precisamente sobre el empleo de las matemáticas en la química. Con un tesón y una minuciosidad germánicos, Richter buscaba algún tipo de relación aritmética, de regularidad en las proporciones con las que se combinaban las sustancias en una reacción dada. Comenzó por el cálculo del «peso de flogisto» en distintas sustancias —recordemos que en esas fechas aún esa teoría seguía teniendo ardientes defensores— y después fue estudiando gran número de reacciones. Así, al analizar las descomposiciones dobles constató que las masas de los reactivos debían guardar una proporción fija entre sí. Llegó a esta conclusión en 1792, es decir, en la misma época en la que Lavoisier alcanzó las importantes consecuencias de sus investigaciones. Todo ello llevó a Richter a enunciar la ley de las proporciones recíprocas o de los números proporcionales. En realidad esta ley no era más que una extensión de la ley de Dalton (en la que nos detendremos más adelante, sección 9.2.3), por lo que actualmente está bastante olvidada en los textos de enseñanza. No obstante, este hecho es injusto ya que, aunque no aportó mucho en cuanto a originalidad, sí que contribuyó de forma considerable a consolidar los aspectos cuantitativos de las reacciones. Para explicar esta ley, Richter propuso su teoría de los pesos de combinación, pesos invariables que no eran otra cosa que los «pesos equivalentes». Su mayor aportación sea tal vez el establecimiento de las bases de la estequiometría y a la que él mismo propuso ese nombre, derivado del término griego «stoicheion», elemento, para aplicarlo al estudio de esas proporciones. Este descubrimiento lo llevó al terreno ácido-base, que le condujo a la conclusión de que un peso fijo de un cierto ácido se neutralizaba con un peso determinado de diferentes bases, siendo esos pesos distintos para cada una. Así, mediante el uso de tabulaciones se podía saber fácilmente qué cantidad de una base determinada se necesitaba para neutralizar una cantidad de un ácido determinado, lo cual supuso un gran avance para la química analítica.
9.2.2. Ley de las proporciones definidas de Proust Louis-Joseph Proust (1754-1826), investigador francés, fue alumno de Rouelle, lo mismo que Lavoisier. Él mismo fue también profesor y, como dato curioso, hay que señalar que ejerció tal función precisamente en España, donde enseñó química (entre 1777 y 1807) en Vergara, Segovia y Madrid. Hizo además una importante labor experimental como analista, sobre todo en esta última ciudad, donde se puso a su disposición un laboratorio con excelentes instalaciones. Era el reinado de Carlos IV y en aquella época había una gran preocupación por la química en España, debido fundamentalmente al hecho de los riquísimos yacimientos de minerales de las colonias americanas, razón por la que Proust fue llamado para que contribuyera al desarrollo de la química española. Ante todo Proust fue un gran experimentador. Su investigación esencial la realizó analizando multitud de compuestos. Constató así la diferencia entre
128
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
combinación química y mezcla: en la primera, la composición que daban los análisis cuantitativos era siempre la misma, mientras que en la segunda, la composición era variable. De esta manera, enuncia en 1801 la ley de las proporciones definidas —o de la composición definida—, su contribución más señera y por la que su nombre ha quedado para la historia de la química. Constató en ella que una combinación química determinada tendría siempre la misma composición. O, dicho de otra manera, cuando dos elementos reaccionaban entre sí para formar un determinado compuesto lo hacían en una relación de peso invariable. Sin embargo, esta idea fue rebatida con firmeza por Berthollet —que había sido discípulo de Lavoisier, como puede revisar en el Tema 8—, quien argumentaba que la composición cuantitativa de una combinación no era constante, sino que dependía de las cantidades de reactivos que intervinieran en la reacción correspondiente, con lo que las sustancias no se combinarían en una proporción fija. Esta postura de Berthollet venía avalada por las desviaciones a la ley de Proust, las cuales para éste eran debidas tan sólo a errores experimentales. A la larga triunfó Proust, pues poco después con Berzelius se obtuvieron resultados más exactos, con lo cual su ley fue unánimemente aceptada. Sin embargo, esta polémica impulsó a que muchos químicos comprobaran en el laboratorio las ideas de uno y otro, para determinar quién tenía razón. Con ello, dio lugar —de forma indirecta— a que se aumentase el número de datos sobre la composición química de muchas sustancias. No obstante, a la larga esta idea de Berthollet produjo confusión entre los científicos y cierto entorpecimiento en el desarrollo de la química analítica.
En cuanto a Claude-Louis Berthollet (1748-1822) fue profesor de química en París y colaborador de Lavoisier sobre todo en la elaboración de la nueva nomenclatura. Sin embargo, en su labor de profesor no fue muy brillante, debido más que nada a sus pocas dotes como comunicador. A pesar de ello, tuvo importantes discípulos y ayudantes —entre los que se encontraba GayLussac— a los que siempre orientó y ayudó muchísimo. Como investigador, no obstante, destacó sobremanera. En este sentido, hay que recordar que, siguiendo la línea de Lavoisier, continuó el estudio de las afinidades químicas. Además, son de interés sus trabajos con cloratos, con los que intentó sustituir la pólvora en las armas de fuego, y sus experimentos con el cloro, en el que reconoció su poder como blanqueador —hoy diríamos como oxidante—, lo que le llevó a construir una fábrica de «lejía» en París (concretamente en el barrio de Javel, por lo que como dato anecdótico hay que decir que por ello en francés se conoce este producto como agua de Javel). Pero tal vez por lo que se recuerde más sea por aquella controversia con Proust. Era también un gran erudito, considerado por Napoleón como uno de sus sabios oficiales, por lo que acompañó a éste en su expedición a Egipto en 1798.
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
129
Guerras/Cultura/Ciencia Eran aquellos días en los que, tras la conquista de Egipto por Napoleón, se encontró la piedra Rosetta y se hicieron otros descubrimientos que tanto han contribuido a descifrar muchas claves de la historia de la humanidad y de la ciencia.
Allí descubrió Berthollet enormes depósitos de carbonato sódico en las orillas de los lagos salados (el famoso natrón, del que se trató en el Tema 2). Estudió la formación de este compuesto, llegando a la conclusión de que se produciría por reacción de la sal disuelta en las aguas (cloruro sódico) con la piedra caliza. Pero esta reacción era precisamente la inversa de la que tenía lugar en el laboratorio, por lo que supuso que la gran concentración de sal en el agua forzaría a que la reacción tomase un sentido opuesto al habitual. Esta idea de Berthollet acerca del papel que la cantidad o masa de un reactivo podía desempeñar en una reacción, condujo posteriormente al concepto de equilibrio químico, otra de sus importantes aportaciones. Y es también lo que le hizo afirmar que las sustancias se combinaban en proporciones variables e indefinidas y que la composición de los compuestos dependía de la forma en que se hubiese preparado. En realidad Berthollet hacía referencia a aleaciones, a vidrios y a mezclas. En el fondo su idea no era en absoluto descabellada, sino que estaba relacionada con lo que después se enunciaría como ley de acción de masas. Por otra parte, posteriormente se han ido encontrando materiales que no cumplen la ley de las proporciones definidas, es decir, cuya composición química no es constante, sino que varía dentro de ciertos límites, como son ciertos semiconductores y sustancias con defectos en su retículo cristalino (por ejemplo, el óxido de titanio TiO o el de cinc, ZnO). El número de estos compuestos no-estequiométricos ha ido creciendo, sobre todo a partir de la Segunda Guerra Mundial, y se les denominó berthóllidos, mientras que los que sí siguen la ley son los daltónidos. ¿Por qué este nombre de daltónidos? Precisamente en honor a Dalton, por su aportación fundamental en este sentido con su ley de las proporciones múltiples.
9.2.3. Ley de las proporciones múltiples En muchos experimentos se había constatado que, muy frecuentemente, dos elementos al combinarse daban lugar no sólo a un compuesto, sino a dos o incluso más compuestos diferentes. Dalton trabajó intensamente en esta dirección y analizó ponderalmente estos procesos, con lo que llegó a enunciar en 1804 la ley de las proporciones múltiples. Según ésta las masas de un mismo elemento que se combinan con una masa fija de otro para dar compuestos diferentes, guardan entre sí una relación de números sencillos. Estas son las tres leyes ponderales, es decir, relativas a pesos, que fueron complementadas con otra ley importantísima, en este caso de tipo volumétrico, debida a Gay-Lussac.
130
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
9.2.4. Gay-Lussac y las leyes volumétricas Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) fue otro brillantísimo científico francés, físico y químico, alumno de Berthollet como acabamos de ver, y que además de gran investigador fue profesor en importantes centros de Francia, como la Universidad de la Sorbona o el Jardín de Plantas. Desde muy joven le atrajo el estudio de los gases, con los que llevó a cabo audaces experiencias; por ejemplo, realizó personalmente dos peligrosas ascensiones en globo a grandes alturas (4.000 y 7.000 metros). Con todos estos trabajos llegó a descubrimientos sumamente valiosos. Así, tan sólo a los 24 años (en 1802), observó la dilatación regular de los gases con la temperatura: es decir, que la variación del volumen de un gas con la temperatura era lineal. Lo cual dio lugar a la ley de Charles/Gay-Lussac, llamada así porque aunque este fenómeno fuera investigado primeramente por el físico francés Charles, en 1787, fue Gay-Lussac quien llevó a cabo su estudio sistemático. Con esto demostró que todos los gases tenían un comportamiento físico idéntico. Pero además demostró que había en ellos un comportamiento también idéntico en sus reacciones químicas, en cuanto a sus proporciones volumétricas: poco después llevó a cabo la síntesis del agua, en la que constató que dos volúmenes del gas hidrógeno se combinaban siempre con un volumen del gas oxígeno para dar dos volúmenes de vapor de agua. De esta y de otras experiencias similares enunció en 1809 sus conclusiones, que pueden formularse en la llamada ley de los volúmenes de combinación: «Cuando dos gases se combinan y los compuestos resultantes son también gaseosos, entre los volúmenes de todos ellos (medidos en iguales condiciones de presión y temperatura) existe una relación sencilla de números enteros». Después volveremos sobre esta ley, pero seguiremos ahora con las investigaciones de Gay-Lussac. En el ámbito de la química mineral, estudió las propiedades de algunos metales alcalinos, del boro y del iodo y llevó a cabo la síntesis del ácido iodhídrico y sus iodatos, así como del cianhídrico y del cianógeno. La química analítica le debe la creación del análisis volumétrico, al introducir la utilización de disoluciones valoradas en el análisis cuantitativo. En química orgánica sus investigaciones dieron lugar a la introducción de la noción de isomería. Y en química industrial perfecciona el método de fabricación del ácido sulfúrico, con la llamada en su honor «torre de Gay-Lussac», que mejoraba enormemente el rendimiento de este producto. En Gay-Lussac tenemos otro ejemplo de químico «universal»
9.3. DALTON: TRABAJO EXPERIMENTAL E IDEAS Mediante los numerosos estudios cuantitativos sobre la composición de las combinaciones químicas se habían establecido las leyes ponderales, pero no se había dado una explicación satisfactoria de a qué se debían. Es
131
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
en este punto, también muy a principios del siglo XIX, cuando entra en escena la inteligencia y la imaginación de Dalton para integrar esas leyes ponderales en una teoría que las explicaba. Su razonamiento fue muy sencillo, como en casi todas las grandes teorías: retomó la idea de la constitución atómica de la materia, aunque ya muy distinta a la de la filosófía epicúrea greco-latina. Todo se podía explicar considerando que un compuesto determinado se formaba por la unión de siempre el mismo número de átomos de cada uno de los elementos que integraban ese compuesto. Como cada tipo de átomos tenía un peso constante, todas esas relaciones en peso eran invariables. No obstante, antes de profundizar más en esta teoría y detenernos en la historia de Dalton, su creador, desde una perspectiva científica, es conveniente —y casi necesario— conocer algunos datos de su historia pero desde una perspectiva personal y humana.
9.3.1. Breve biografía de Dalton John Dalton (1766-1844) nació en Inglaterra, concretamente en Eaglesfield (Cumberland), en una humilde familia de artesanos —su padre era tejedor— que eran cuáqueros. Este último aspecto, el religioso, es muy importante y probablemente una de las causas finales de su trayectoria científica. Los de la sociedad cuáquera rechazaban la enseñanza oficial, pero tenían un sistema educativo propio que resultaba mejor, sumamente cuidado y estructurado. Dalton estudió así tanto disciplinas de tipo humanístico —griego, latín, francés y filosofía, por ejemplo—, como ciencias y matemáticas. Religión y Educación De nuevo puede apreciarse cómo las estructuras sociales —en este caso las religiosas— condicionan o, al menos, orientan sensiblemente la educación y tal vez la vocación científica de uno de los personajes clave en la Historia de la Química. Es un caso bastante parecido al de Priestley, con el que también tiene bastantes paralelismos en muchos aspectos de su vida. La religión condicionó, en cierto modo, su papel en la ciencia.
Desde muy joven se interesó por la filosofía natural de Newton, por la geometría y también por la meteorología. Pero, ante todo, era un gran docente: sintió y practicó la enseñanza desde muy joven, a los 15 años, y en realidad continuó con esa actividad toda su vida. Tras vivir en varios puntos de Inglaterra, fijó en 1793 su residencia en Manchester, donde comenzó a trabajar como profesor en el New College, antigua Academia Warrington, la academia disidente en la que también había enseñado Priestley (puede verlo en el Tema 7). También en Manchester conoció al que después fuera un físico notable, James Prescott Joule, al que daba clases particulares, labor que
132
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
cuando dejó el New College compaginaba con su trabajo como asesor industrial y con sus actividades en investigación científica. Los resultados de estas últimas los presentaba en forma de artículos y de conferencias en la Literary and Philosophical Society de Manchester, de la que primero fue secretario y después presidente hasta el fin de sus días. A lo largo de su vida recibió el reconocimiento del mundo científico, como lo demuestran los títulos honoríficos concedidos por algunas universidades (como Oxford y Edimburgo) y el reconocimiento póstumo del mismo gobierno de su país, en plena época victoriana. C/T/S El nuevo tipo de sociedad produce nuevas clases sociales, con nuevas necesidades educativas. Aparece una clase media industrial sin muchos problemas económicos, que puede pagar bastante bien las clases particulares que demanda. En este caso, las de Dalton.
9.3.2. Labor científica de Dalton A través de la lectura de los Principia de Newton había conocido las teorías de éste, así como las de Boyle y de Boerhaave (puede hacer una revisión de estos científicos en los temas 6 y 7, respectivamente). Esta formación es muy importante a la hora de comprender su labor científica, lo mismo que su interés por la meteorología. Esta última le llevó a estudiar el aire y su composición y a analizar todas leyes de los gases sobre su comportamiento físico (ley de Boyle y ley de la dilatación de los gases). Debido a que el vapor de agua de la atmósfera se precipitaba como lluvia o se condensaba como rocío, pensó que ese vapor de agua se hallaría disperso entre las demás partículas de aire. Esto le llevó a opinar, contrariamente a muchos otros científicos, que igualmente todos los otros gases atmosféricos estarían mezclados y no se combinarían químicamente entre sí. Imaginó que las partículas de esos gases —oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua— no se combinaban porque entre ellas habría unas fuertes repulsiones, debidas a su vez a una especie de envoltura de calor que rodeaba a esas partículas. Se trataba del calórico, concepto manifestado ya anteriormente por Lavoisier. Estas ideas y sus trabajos experimentales le condujeron a enunciar la ley de Dalton o ley de las presiones parciales de los gases: en las mezclas de gases todos los constituyentes se comportan como si cada uno estuviera solo ocupando todo el espacio que ocupa esa mezcla, con lo que la presión total de la misma es la suma de las presiones parciales de cada uno de esos gases. Con esta ley explicaba también por qué los gases del aire no se estratificaban en orden de densidades, sino que constituían una mezcla homogénea. Pero cuando en 1803 su amigo el industrial y científico inglés William Henry (1774-1836) descubre que la solubilidad de un gas en un líquido depende de la presión, a una temperatura determinada (ley de Henry) y que los gases tienen
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
133
distinta solubilidad en el agua, Dalton se pregunta el porqué. Imagina que la solubilidad de los gases va a depender del tamaño y del peso de sus partículas. El interés por el tamaño de las partículas va a ser una cuestión fundamental en las ideas de Dalton para su teoría atómica: le lleva a determinar los pesos relativos de las partículas de los gases —es decir, comparados con otro peso tomado como unidad— porque con ese dato y el de la densidad llegaba fácilmente a obtener el tamaño. Es decir, Dalton introduce la idea de átomos con peso. Por otra parte, el 21 de octubre de 1803 da una conferencia ante la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester, uniendo estas ideas a las que le llevarían a enunciar poco después —en 1804— la ley de las proporciones múltiples (apartado 9.2). Ésta es una fecha memorable, ya que desarrolla brevemente las bases de su teoría atómica. Intenta dar una explicación a todas esas observaciones recurriendo a la teoría atómica. Pero no en el sentído del «atómo» de los griegos ni en el de la «partícula» de Boyle: ese algo que antes se llamaba átomo o partícula sin concretar lo que era, va a tener ahora un sentido mucho más preciso. Dalton parte de tres premisas: 1. Toda la materia estaba compuesta por átomos sólidos, indivisibles e incompresibles, rodeados por una atmósfera de calor. 2. Los átomos eran indestructibles, por lo que conservaban su identidad en cualquier reacción química. Así justificaba la ley de conservación de la masa y la de los elementos (es decir, la transmutación era imposible). 3. Los átomos de cada elemento eran iguales entre sí, pero diferentes a los de los demás elementos. Habría así tantos átomos como elementos. Con ello proporcionaba un modelo que también justificaba la ley de la composición constante de las combinaciones químicas y además la ley de las proporciones múltiples, porque para Dalton las reacciones químicas se interpretarían como: «Una reorganización de los átomos en unas nuevas agrupaciones, o moléculas, sin que los átomos sufriesen ninguna alteración.»
Estas ideas le proporcionaban además una excelente base teórica para justificar la determinación de los pesos relativos de los átomos, mediante su comparación en el laboratorio con el peso de otro tomado como unidad (que fue el hidrógeno, por tratarse de la sustancia más ligera de todas las conocidas). Los átomos ya eran algo real, y no sólo un ente teórico, puesto que tenían un peso que podía calcularse experimentalmente. Los átomos de los epicúreos estaban constituidos por el mismo tipo de materia, aunque con distinta forma. Ahora los átomos de cada elemento eran diferentes. Comenzó así a calcular pesos atómicos, publicando su primera tabla con los pesos atómicos relativos de seis elementos en 1805, en una memoria de la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester.
134
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Por otra parte Dalton, siguiendo un principio de máxima simplicidad en la composición, suponía que las moléculas de los elementos gaseosos estaban formados por un solo átomo (H, O, N,...) y las de compuestos tan corrientes como el agua o el amoniaco, sólo por dos (HO, NH, ...). Pero esta simplificación, aparentemente tan útil, tuvo consecuencias negativas muy importantes, como se analizará posteriormente. Todas estas ideas fueron recogidas en el libro de Dalton A new System of Chemical Philosophy, cuya primera parte fue publicada en 1808 y la segunda en 1810. En este punto, hay que recordar que hubo también aquí otra disputa científica. En este caso porque el científico irlandés William Higgins (1762-1825) acusara a Dalton de «robarle» sus ideas sobre el atomismo, expuestas en su obra A comparative view of the phlogiston and antiphlogiston theories, publicada en 1789.
9.3.3. Dalton y la ley de volúmenes de combinación Con su teoría atómica Dalton explicó las leyes ponderales. Pero, ¿qué ocurría con la de los volúmenes de combinación enunciada por Gay-Lussac? Simplemente, que Dalton la ignoró, dio la espalda a esa ley. Llevaba implícita en el fondo una idea, la de que volúmenes de gases en idénticas condiciones de presión y temperatura deberían contener igual número de partículas o un múltiplo sencillo de las mismas. Y si dos volúmenes de hidrógeno reaccionaban con uno de oxígeno para dar dos de agua, esta proporción suponía que los átomos del gas oxígeno tendrían que dividirse: 2 volum. Hidrógeno + 1 volum. Oxígeno = 2 volum. Agua 2n H
nO
2n HO
Como según sus mismas premisas los átomos eran indivisibles, Dalton negó los resultados experimentales de Gay-Lussac, aduciendo sencillamente que eran erróneos. Pero en realidad fue una falta de Dalton, quien intentando simplificar tanto las cosas, dejó imprecisa la noción de molécula y supuso unas fórmulas que resultaron falsas.
9.3.4. El «complemento» de la teoría atómica: principio de Avogadro Estos resultados experimentales hallados por Gay-Lussac, aparentemente anómalos, no pudieron ser interpretados hasta que Avogadro emitió su célebre hipótesis, conocida actualmente como principio de Avogadro. Ama-
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
135
deo Avogadro (1776-1856), que tenía el título nobiliario de conde, era un físico italiano, profesor en la Universidad de Turín. Supuso que en los gases correspondientes a elementos las últimas partículas no eran átomos aislados sino agregados de átomos, generalmente dos. Y dio ese nombre de moléculas, que significa «pequeños moles», es decir, pequeñas masas. Sugirió que en volúmenes iguales de gases, en las mismas condiciones de presión y temperatura, existen igual número de moléculas. Expuso esta hipótesis en 1811 y, curiosamente, sólo tres años después, en 1814, llegó a la misma conclusión de forma independiente otro científico, Ampère. De momento no fue acogida esta hipótesis con ningún entusiasmo, más bien con escepticismo, puesto que esa idea del número átomos constitutivos de las moléculas de ciertas sustancias (H2, O2, H2O, NH3...) contradecía las tesis de Dalton. Y esto también era debido a que la noción de átomo y de molécula no estaba muy clara. Sin embargo, con estas suposiciones se podía interpretar perfectamente la ley de volúmenes de combinación. Quedó su hipótesis arrinconada y Avogadro olvidado hasta que casi cincuenta años después, en 1858, el también italiano Cannizzaro publica sus cálculos de pesos atómicos determinados tomando como base de trabajo esta hipótesis. Stanislao Cannizzaro (1826-1910), químico orgánico, profesor en las Universidades de Génova y de Roma, expone sus ideas sobre los pesos atómicos en el famoso congreso de Karlsruhe (1860), llamado así por haberse celebrado en esta ciudad alemana, congreso que marcó un momento clave en la historia de la química. Esos pesos resultaron más acordes con otras evidencias experimentales: eran pesos atómicos «correctos», lo que probó la validez de esa hipótesis que quedó así convertida en un principio o ley. Todo este proceso: elaboración por Dalton de la teoría atómica con la que interpretaba las leyes ponderales, de su incapacidad para explicar, sin embargo, la ley de volúmenes de combinación, de la exposición de la hipótesis de Avogadro y de su comprobación con la obtención experimental de nuevos datos de pesos atómicos por Cannizzaro, es una claro ejemplo del desarrollo del método científico, en sus etapas consecutivas. En definitiva, del proceso dialéctico experimentación / teoría / experimentación....
9.3.5. Otros trabajos de Dalton Tal vez el primer tema científico que atrajo la atención de Dalton fue el estudio del defecto de la visión consistente en la incapacidad de distinguir los colores (por lo que en su honor, se le llamó «daltonismo»). Al menos este trabajo fue precisamente objeto de su primera conferencia, en 1794, ante la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester. En cuanto a las reacciones químicas es interesante señalar que no atendió al problema de la afinidad, que tanto interesaba a los científicos. Es como si sólo le hubiera importado interpretar «externamente» las regularidades obser-
136
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
vadas en los análisis cuantitativos de las combinaciones químicas, pero sin adentrarse en la causa final de las reacciones químicas que implicaban. Dalton también profundizó en el tema de la nomenclatura química. Fue el primero en utilizar un símbolo para representar cada elemento distinto, con lo cual los compuestos vendrían expresados por la yuxtaposición de los símbolos correspondientes. Estos símbolos tenían un significado muy diferente al de los símbolos de los alquimistas (ver en pág. 124), que representaban las sustancias sin hacer distinción de los elementos integrantes. Lavoisier en su trabajo sobre la nomenclatura química (Tema 8) había señalado la necesidad de un cambio en este sentido. Dalton llegó a simbolizar 20 elementos y 17 compuestos, como por ejemplo:
Con su nueva nomenclatura, Dalton pretendía hacer que la expresión de una reacción química fuese algo mucho más cómodo, ya que permitía visualizarla. Pero por otra parte implicaba bastante dificultad a los tipógrafos a la hora de imprimir esos símbolos y, además, iban resultando confusos a medida que se iban descubriendo nuevos elementos. Por ello, surgió otro tipo de símbolos que si bien tenían el mismo significado de fondo, de forma eran muy distintos. Fueron ideados por uno de los químicos de mayor trascendencia, no sólo en el siglo XIX, sino en toda la historia de la química, Berzelius.
9.4. BERZELIUS Y EL DESARROLLO DE LA QUÍMICA Jöns Jacob Berzelius (1779-1849) nació en Suecia y estudió medicina en la Universidad de Upsala. Pronto se sintió atraído por la química y por las
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
137
ideas de Lavoisier, lo cual puede apreciarse en el mismo tema de la tesis de su graduación en 1802, sobre aplicaciones médicas del galvanismo. En esta interdisciplinaridad inicial entre la química y la medicina va a decantarse por la primera, donde alcanzó gran éxito en muy diversos capítulos. Fue un gran investigador, pues a su cualidad de buen experimentador unía el ingenio y carácter estudioso y organizado del buen teórico. Además fue un profesor muy notable, que creó escuela, teniendo a alumnos tan brillantes como Wölher o Mitscherlich y siendo casi un líder para los químicos de esa época. También fue autor de numerosos libros y miembro desde 1807 de la Academia de Ciencias Sueca, de la que después fue presidente.
9.4.1. Labor científica de Berzelius Comienza sus trabajos científicos en unos momentos en que el físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) construye la primera pila eléctrica, dando con ello evidentes indicios del carácter eléctrico de la materia. Esto supuso en el mundo científico un conocimiento tan trascendental que le dio un vuelco, dando paso a nuevas rutas de experimentación y a nuevas ideas para la teorización. Berzelius no fue ajeno a este impacto, por lo que tras sus estudios sus primeras investigaciones fueron precisamente en esta línea. Con la protección y colaboración de su mecenas, el propietario de minas Hisinger, realizó importantes estudios sobre la electrolisis. Descubrió así en 1803 un nuevo elemento, el cerio, al que siguieron el selenio, el torio, aislando muchos otros. Cuando en 1807 Berzelius obtiene una cátedra de química y farmacia en el Instituto Médico Carolian de Estocolmo, va a seguir investigando intensamente, incluso en su propia casa, en el laboratorio que instaló en la cocina. Conoce en aquella época los resultados de Richter, las ideas de Berthollet y la teoría atómica de Dalton. Reinterpreta ésta última en un artículo de 1813, introduciendo nuevas ideas, tales como que la forma de todos los átomos sería esférica, con lo que podía explicar el isomorfismo de ciertos cristales, descubierto por su discípulo Mitscherlich. Por ésta y otras discordancias Berzelius fue duramente criticado por Dalton, estableciéndose entre ambos una polémica que, por otra parte, no fue la única. Berzelius, aunando muchas de esas ideas con sus estudios electroquímicos, propone una teoría global de la combinación química basada en la naturaleza eléctrica de la materia. Se trata, pues, de una teoría electroquímica de la materia, aportando además la determinación de más de dos mil pesos atómicos y moleculares. Hace una clasificación de los elementos en una «escala electroquímica», ordenándolos desde el potasio —el elemento más electropositivo— hasta el oxígeno —el más electronegativo—, pasando por el hidrógeno, neutro. Clasifica así las sustancias en electropositivas y en electronegativas, aunque después tuvo que abandonar esta terminología.
138
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Para él el oxígeno, elemento más electronegativo de los que entonces se conocían, era el eje central de la química.
Por ello propone una clasificación dualística en función de este elemento: los óxidos básicos se forman por unión de oxígeno con un metal; los óxidos ácidos, por unión del oxígeno con un no metal; por unión de un óxido básico con uno ácido resulta una sal neutra. También esto le lleva a una tabla de pesos atómicos con el oxígeno como referencia. Otro aspecto de la química en el que participó fue el de los fenómenos de la catálisis —incluso, dio la primera definición de catalizador, como veremos en el Tema 11— y se adelantó a su época al suponer la importancia que tomarían en la industria química, así como la existencia de una catálisis biológica. También realizó una clasificación de los minerales e hizo una revisión de la nomenclatura farmacéutica, recurriendo a los nombres en latín. Este fue probablemente el origen del nuevo simbolismo ideado por Berzelius para nombrar las sustancias, una de las facetas más importantes y originales de su obra. Fue el primero en proponer la utilización de una letra o un pequeño grupo de letras para representar un elemento. En un principio colocaba el signo + entre los dos elementos que componían un compuesto, por ejemplo (Ca+O). El número de cada elemento que formaba un compuesto lo indicaba con un superíndice (en lugar del subíndice, empleado actualmente), como Al2O3. Con el tiempo y para simplificar, fue introduciendo puntos, subrayas, rayas, etc. que, en el fondo, a lo que condujeron fue a una cierta confusión. Por esta razón, sufrió diversas modificaciones por otros científicos, aunque tiene el gran mérito de haber establecido las bases de la nomenclatura actual. Dalton no estuvo en absoluto de acuerdo con estos símbolos de Berzelius, argumentando que no indicaban nada de la estructura atómica y que eran dificilísimos de aprender. Incluso, llegó a decir según sus palabras textuales que «los símbolos de Berzelius son espantosos», lo cual les llevó a otra gran controversia.
9.5. OTRAS CONTRIBUCIONES IMPORTANTES Muchos fueron que también tuvieron una importante colaboración en la química de aquellos días. Tal es el caso de: — Pierre Louis Dulong (1785-1838) francés y de su compatriota Alexis T. Petit (1791-1820), quienes juntos realizaron una importante observación que les llevó a establecer la ley empírica que lleva el nombre de ambos: que el producto del peso atómico de un elemento por su calor específico (en estado sólido) daba un número que expresado en calorías era muy próximo a 6,4. — Eilhard Mitscherlich (1794-1863), discípulo de Berzelius como ya se ha dicho. Trabajó en diversos aspectos de la química mineral y tam-
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
139
bién en química orgánica, sobre todo en síntesis de derivados del benceno y en hidrólisis de azúcares. Relacionado con esto último la industria azucarera le debe la construcción del polarímetro. Tiene un texto que en su época fue muy apreciado, Tratado de Química, de 1830. Sin embargo, su aportación más significativa fue la introducción del concepto de isomorfismo, que hace referencia al hecho de que ciertas sales que contienen metales diferentes tengan cristales del mismo o muy parecido sistema cristalino. Esta observación permitió prever la fórmula de muchos compuestos, ya que «los cuerpos isomorfos tienen fórmulas químicas análogas». Por este motivo, tanto la noción de isomorfismo como la ley de Dulong y Petit constituyeron una gran ayuda para Berzelius en su determinación de pesos atómicos.
— Hay muchos otros químicos interesantes en esta época, como el inglés William Prout (1786-1856) que propuso que todos los elementos estarían constituidos por un único material, el protilo, que puede considerarse como una especie de precedente del protón actual.
9.6. REFLEXIONES FINALES Nos encontramos que en los primeros años del siglo XIX, tan sólo diez después de la publicación del Tratado elemental de química de Lavoisier con su nueva concepción de elemento, establece Dalton la teoría atómica de la materia. Ésta abre el camino a la noción de peso atómico y a su determinación experimental, lo cual será la base de la clasificación de los elementos a mediados de ese siglo, de la realización de un amplísimo y variado trabajo experimental, del desarrollo de las distintas ramas de la química y, en definitiva, del conocimiento de la estructura de la materia. Sin embargo, la aceptación de la teoría atómica no fue fácil. La mayoría de los químicos dejan los átomos para los físicos y fuertes polémicas se entablan entre sus partidarios o atomistas y los no partidarios (divididos entre «equivalentistas» y «positivistas») que terminan con el triunfo de los primeros, pero ya muy adentrado el siglo XIX.
Tema 10 DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
ESQUEMA DE CONTENIDOS 10.1. INTRODUCCIÓN 10.2. ELECTROQUÍMICA 10.3. QUÍMICA DE LAS DISOLUCIONES 10.4. TERMODINÁMICA 10.5. CINETOQUÍMICA Y CATÁLISIS 10.6. OTRAS ESPECIALIDADES 10.7. REFLEXIONES FINALES
Svante Arrhenius
10.1. INTRODUCCIÓN Con el siglo XIX se abre un periodo riquísimo en el progreso de la química. Con Lavoisier primero y con Dalton después se eliminan las barreras que impedían ese desarrollo. Se ha convertido en una ciencia y como tal va evolucionando a un ritmo creciente en la experimentación y en la construcción de todo su entramado teórico, que además se diversifica. Todo ello permitirá que se convierta en una ciencia cada vez más deductiva: se pueden ir interpretando las reacciones químicas, por qué y cómo ocurren, con lo cual se predicen en muchos casos los resultados de otras reacciones similares. Pero a pesar de estos grandes avance, casi todo estaba aun por hacer. A todo lo largo de ese siglo las investigaciones en química se multiplican y se adentran por nuevas rutas, tejiendo una red cada vez más compleja. En consecuencia, la química se va dividiendo en distintas ramas y éstas, incluso, se continúan dividiendo. Comienza así también una cadena de importantes descubrimientos con repercusiones en el plano teórico y también en el de su aplicación práctica. Por una parte, se perfeccionan y amplían los métodos analíticos y, por otra, se comienzan a obtener por distintas vías los elementos químicos, descubriéndose elementos hasta ese momento desconocidos y sintetizándose compuestos químicos nuevos. De los experimentos de laboratorio, a pequeña escala, se va pasando a la producción a escala industrial, con lo que la industria química adquiere poco a poco una importancia capital en la sociedad. Pero la base teórica que va a posibilitar muchos de estos descubrimientos y avances en síntesis y también en análisis la proporciona, en gran parte, el desarrollo de la química física en sus distintas ramas (electroquímica, termodinámica, cinética, etc.). Y ello porque su principal objetivo es dar respuesta a la pregunta que se hicieron tantos químicos de todos los tiempos: ¿por qué unas sustancias reaccionan con otras? Es decir, el problema de la afinidad química. Alberto Magno, Boyle, Mayow, Newton, Stahl, Geoffroy..., intentaron encontrar la explicación, pero no será hasta la nueva química, con el desarrollo de la química física en el siglo XIX cuando esto se conseguirá.
144
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Son tantos y tantos los químicos ilustres de este periodo que, desgraciadamente, no queda otra solución que acotar su presentación, haciendo referencia tan sólo a aquéllos que han llevado a cabo los avances más significativos y que han ejercido una mayor influencia. Y que son, en su gran mayoría, los que generalmente aparecen en los textos de enseñanza de la química.
10.2. ELECTROQUÍMICA En marzo de 1800, en Londres y ante la Royal Society un físico italiano presenta una comunicación sobre un descubrimiento que resultó, sorprendentemente, importantísimo para los químicos. El físico era AlessandroVolta y su descubrimiento, la pila eléctrica, llamada en su honor pila Volta. Con ello va a quedar manifiesta en cierta manera la naturaleza eléctrica de la materia, que después será plenamente demostrada. No sólo da lugar al nacimiento de una nueva rama de la química, la electroquímica, sino también a que se iniciase una serie de experiencias totalmente novedosas a la luz de ese descubrimiento. La pila Volta dio lugar a la creación de generadores electroquímicos que tenían la ventaja de proporcionar corrientes permanentes. Este último hecho favoreció el surgimiento del electromagnetismo en el ámbito de la física. Pero también en el de la química promovió el desarrollo de la electroquímica. No obstante, un antecedente directo de los trabajos de Volta se encuentra en un grupo de químicos holandeses, entre los que destacaron Adriaan van Trootswijk (1752-1837) y Jan Deiman (1743-1808) que sintetizaron agua a partir de sus elementos en 1789 por acción de una chispa eléctrica (puede ver su referencia en el Tema 8, sec. 8.4.2). Algunos investigadores sintieron curiosidad por conocer cómo podía afectar el paso de la corriente eléctrica a la naturaleza de los compuestos químicos. En este sentido, se llevaron a cabo con diferentes sustancias experimentos de electrolisis (del griego, lisis, disolución, en el sentido de rotura). Los primeros de estos experimentos fueron efectuados con agua por los ingleses W. Nicholson (1735-1815) y A. Carlisle (1768-1840), quienes comprobaron que se producía un desprendimiento de oxígeno y de hidrógeno sobre los electrodos. Poco después, entre 1803 y 1807, Davy, Hisinger y Cruikshank realizaron la electrolisis de sales fundidas o disueltas y observaron que en este caso aparecían bases y ácidos en cada uno de los polos. De estos tres científicos fue Humphry Davy (1778-1829) el que alcanzó más prestigio, principalmente por sus contribuciones a la electroquímica, si bien también llevó a cabo otras importantes aportaciones. En 1807 aisló sodio y potasio por vía electroquímica, mediante la electrolisis de carbonato sódico y de hidróxido potásico, respectivamente, y poco después descubrió por el mismo método el estroncio y el bario. Por otra parte, también
DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
145
descubrió que el ácido múriático —es decir, nuestro ácido clorhídrico— no contenía oxígeno, como se creía con gran seguridad, y definió la diferencia entre ácido y anhídrido. Asímismo, fue autor de algunos importantes inventos, como son el arco eléctrico (lo cual supuso para la industria una importante técnica con muy diversas aplicaciones, como la obtención de carborundo o carburo de silicio, y una lámpara de seguridad para los mineros. No obstante, el más sobresaliente de todos los electroquímicos de aquella época fue sin duda Michael Faraday (1791-1867), inglés como Davy, químico y también físico. Los experimentos de electrolisis habían proliferado, se habían obtenido otros muchos elementos importantes por esa vía —como el cloro— y se había intentado explicar qué ocurría durante la electrolisis. El primero en formular una teoría sobre estos fenómenos fue Grotthus, quien ya en el año 1805 propuso con gran perspicacia que en la electrolisis de sales —bien fundidas o bien disueltas— lo que tenía lugar al pasar la corriente eléctrica era un transporte de cargas eléctricas de distinto signo, que se dirigirían hacia los polos de carga opuesta en los que se terminarían depositando. Pero fue Faraday el que verdaderamente construyó una teoría sólida para los fenómenos electroquímicos, fruto de un intenso trabajo experimental. En 1831 descubre las corrientes inducidas eléctricas y electromagnéticas y dos años más tarde enunciará las leyes cuantitativas de la electrolisis en solución, llamadas por eso leyes de Faraday. Las recoge en una publicación, en la que también incluye una nomenclatura sistemática del vocabulario relativo a esos fenómenos, con nombres tales como electrolito, electrodo, ánodo, cátodo, anión, catión..., ya que percibe claramente la necesidad de una terminología unificadora. Dos son esas leyes, en las que expresa las relaciones entre la cantidad de electricidad que atraviesa el electrolito y las cantidades (en masa) de sustancia descompuesta y de productos liberados en los electrodos. Con todas sus observaciones y conclusiones elabora una teoría para explicarlas, en la cual básicamente supone que el transporte de electricidad en las soluciones de electrolitos se realiza mediante unos fragmentos de las moléculas disueltas, que tienen carga eléctrica y que él denominó iones. Todas estas ideas, así como la extensa labor experimental, dieron lugar a numerosas publicaciones, aparecidas generalmente en la revista Philosophical Transactions de la famosa asociación científica Royal Society. Pero, ¿cómo se originaban esos iones? Faraday no fue capaz de hallar la respuesta, lo que sí consiguió el sueco Arrhenius unos cincuenta años después, hacia 1887, mediante sus ideas sobre la disociación iónica, como se verá en breve. Faraday también trabajó en otros terrenos de la química, como es el caso de los compuestos orgánicos: descubrió dos isómeros del ácido naftalensulfónico, la existencia de combinaciones cloradas del carbono, y, sobre todo, dos
146
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
hidrocarburos básicos para la química orgánica, el buteno y el benceno (estos dos últimos los caracterizó al analizar en 1825 la composición del gas de alumbrado, que circulaba comprimido en fuertes recipientes de hierro). Es interesante seguir constatando en el siglo XIX, tan cercano aun a nuestros días, la enorme versatilidad científica de los químicos. Estudiaban muy distintos aspectos de la química y en casi todos realizaban importantísimas aportaciones, las cuales contribuyeron a construir el cuerpo teórico-práctico de la química de hoy.
10.3. QUÍMICA DE LAS DISOLUCIONES Por otra parte, todos estas investigaciones suscitaron el interés por el estudio de la química de las disoluciones, tanto de electrolitos como de no electrolitos. Sobre las disoluciones electrolíticas son fundamentales los estudios realizados por Hittorf acerca de las velocidades de migración de los iones o de la resistencia eléctrica de los electrolitos y, sobre todo, los de Kohlrausch que midió la conductividad de numerosos electrolitos y demostró que éstos cumplían la ley de Ohm. En relación a las disoluciones no electrolíticas, el industrial inglés William Henry (1774-1836), amigo y colaborador de Dalton —del que ya se trató en el Tema 9— formuló en 1803 la ley de su nombre, una ley sobre las disoluciones no electrolíticas, según la cual la disolución de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión. Por otra parte, el inglés Thomas Graham (1805-1869), había comenzado a realizar estudios de difusión con gases y los extiende a sustancias disueltas. Encuentra así que las sustancias disueltas que fueran cristalinas (como las sales) separadas de otra disolución (o del disolvente puro) por medio de una membrana atravesaban ésta fácilmente. Sin embargo, cuando las disueltas eran sustancias no cristalinas (como la gelatina), se difundían muy lentamente. Siguiendo con el estudio de estos procesos pero en el mundo biológico, concretamente en el vegetal, se había observado que en el paso del agua a través de las membranas de las células vegetales se ponían en juego ciertas presiones. El botánico Pfeffer estudió estos procesos utilizando membranas obtenidas artificialmente (membranas llamadas semipermeables, ya que el tamaño de sus poros sólo permitía el paso de las moléculas de agua, más pequeñas, pero no el de las del soluto) y consiguió medir esta presión, que denominó presión osmótica. El físico holandés J.H.van´t Hoff (1842-1911) a quien el desarrollo de la química debe tanto, constató en 1866 que la presión osmótica de las disoluciones era análoga a la presión de un gas. Propuso que en ambos casos las presiones obedecían a las mismas causas. Además demostró que existía una relación entre esta presión osmótica de una disolución, el punto de congela-
DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
147
ción y la presión de vapor de la misma. Pero no pudo explicar cuáles eran aquellas causas. Interdisciplinaridad Volvemos a tener un claro ejemplo de las fuertes relaciones interdisciplinares que hacían avanzar la ciencia en sus distintos campos: en este caso la botánica y la química.
Por otra parte y continuando con soluciones no electrolíticas, el químico francés François Marie Raoult (1850-1901) estudió soluciones de compuestos no volátiles en disolventes líquidos. Sus trabajos le hicieron alcanzar prestigio en su época, aunque éste fue en realidad menor en Francia que en el extranjero, pues hasta edad bastante madura, sesenta años, sus méritos científicos no fueron plenamente reconocidos en su país de origen. Encontró que para disoluciones «ideales» —es decir, entendiendo como tales disoluciones tan diluidas que no existen prácticamente interacciones entre las partículas de la sustancia disuelta— por el hecho de disolver una sustancia no volátil en un determinado disolvente, la presión de vapor de la disolución resultante disminuía respecto a la del disolvente puro. Además llegó a la conclusión de que esa disminución de la presión de vapor del disolvente era directamente proporcional a la concentración del soluto, por lo que también estaba relacionada con la masa molecular del éste. Esta observación dio paso a que formulara en 1886 las leyes que llevan su nombre y, a su vez, estas leyes le proporcionaron la idea de hallar un método para determinar las masas moleculares de las sustancias disueltas en esas condiciones, midiendo el descenso en el punto de congelación de la disolución (crioscopía) o el aumento en su punto de ebullición (ebulloscopía), ya que éstos son debidos a la disminución de la presión de vapor. Este método, fue perfeccionado por el alemán Ernst Beckmann (18531923), con lo que prestó un gran servicio sobre todo a la química orgánica ya que pudieron conocerse las masas moleculares de muchísimos de sus compuestos. También ideó un nuevo tipo de termómetro, el termómetro Beckmann, adecuado para realizar las mediciones de temperatura correspondientes. Vemos cómo el conocimiento sobre el comportamiento de las soluciones tanto de electrolitos como de no electrolitos ha ido progresando a lo largo del siglo. Pero no se había dado una explicación mediante una teoría satisfactoria a ese comportamiento. Aquí es donde aparece el químico sueco Svante Arrhenius (1859-1927, Premio Nobel de Química en 1903) con su teoría sobre la disociación iónica. Había constatado que una solución de cloruro de potasio tenía, a igual concentración, una presión osmótica doble que la de una disolución de sacarosa, y que ese exceso de presión osmótica estaba relacionado con la conductividad electrolítica de la disolución del cloruro. En 1887 descubre que cuando la dilución era grande, todas las moléculas de una sal disuelta en agua estaban com-
148
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
pletamente disociadas. Arrhenius también extendió esta teoría al estudio de ácidos y bases. Por aquella época, entre 1882 y 1886, el danés Julius Thomsen (18261909) había realizado una vasta labor experimental determinando los calores de neutralización de ácidos y bases, encontrando que la fuerza de éstos era proporcional al valor de ese calor de neutralización y que el correspondiente a los ácidos y bases llamados «fuertes» era 13,8 Kcal/equivalente. Basándose en estos datos, Arrhenius propuso que ese calor correspondía a la formación de un mol de agua y que los ácidos y bases fuertes estaban completamente disociados. Sus ideas tuvieron en general un gran éxito y abrieron el camino para las actuales teorías sobre la acidez, si bien con el tiempo resultaron «insuficientes» y hubo que corregirlas teniendo en cuenta el papel fundamental que en estos procesos jugaba el disolvente. De esta manera, ante la definición de Arrhenius de ácido y base como productores de iones H + y OH-, respectivamente, Peter Sörensen introduce el pH como término para definir el carácter de ácido o base y su fuerza correspondiente (1909). A pesar de su eficacia, ante la insuficiencia de la definición de Arrhenius, unos años después, alrededor de 1922, Brönsted y Lowry proponen una definición más amplia como compuestos que pueden perder un protón (ácido) o captarlo (bases). No obstante, esta definición vuelve a resultar demasiado estrecha, con lo que Franklin y Krauss la amplían a disoluciones no acuosas, ya que habían observado que ciertas sustancias podían manifestar ciertas propiedades ácidas o básicas (por ejemplo, virando los indicadores) en soluciones en las que no existían protones. Avanzando aun más, en 1923 Gilbert Newton Lewis (1875-1946), al que se deben importantísimas contribuciones en teoría de enlaces (se tratará en el Tema 11), da una nueva y más amplia definición de esos términos, basada en la teoría electrónica de la valencia: ácido sería toda sustancia capaz de aceptar electrones donados por otra sustancia, que sería una base. Y también se llegó a otra definición, la de Pearson de ácidos duros y blandos (1963). Por otra parte, el famosísimo químico Wilhelm Friedrich Ostwald (1853-1932, Premio Nobel de Química en 1909) aplica la ley de acción de masas a las disoluciones de electrolitos teniendo en cuenta la disociación de éstos. Resulta así una ecuación que relaciona la constante de equilibrio correspondiente con el grado de disociación del electrolito y que es sólo aplicable cuando éste es débil. Y Paul von Walden (1863-1957) —químico alemán que hizo asimismo importantes incursiones en química orgánica e, incluso, en la historia de la química, de la que escribió una importante obra— realizó interesantes trabajos sobre la disociación en disoluciones no acuosas. En cuanto a los estudios sobre pilas, las investigaciones llevadas a cabo por otro químico alemán, Walter Nernst (1863-1957, Premio Nobel de Química en 1920) dieron lugar a la determinación de la fuerza electromotriz de aquéllas y también le llevaron a importantes avances en termodinámica.
149
DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
Siguiendo el tiempo y ya en el siglo XX, muchos químicos continúan con la investigación electroquímica. Entre ellos hay que destacar a P. Debye y E. Hückel con sus estudios sobre electrolitos fuertes, de los cuales afirman que en solución estarían completamente disociados en iones, aunque sus posibles interacciones cuando la concentración aumenta harían rebajar la proporción disociada. Estas conclusiones fueron el punto de arranque de un elevadísimo número de investigaciones posteriores sobre la química de electrolitos fuertes. Muchos otros trabajos de gran interés podrían añadirse a todos éstos: los de van Laar, Milner, Gronwall, La Mer, Bjerrum, Onsager, Owen, Heyrovsky (investigador checo que, por cierto, fue el descubridor de la polarografía, en 1923), de la Rive... y tantos otros.
10.4. TERMODINÁMICA Los químicos se interesaban también por medir el calor relacionado con los procesos químicos, lo cual dio lugar a la termoquímica, que se desarrolla sobre todo en la segunda mitad del siglo XIX. Sin embargo, sus orígenes son anteriores. Recordemos que ya Lavoisier realizó experimentos de este tipo, ayudado casi siempre por su amigo el matemático Laplace (vea el Tema 8) y que, incluso inventaron un aparato destinado a medir ese calor (calorímetro). Pero va ser durante la década de los cuarenta del siglo XIX cuando se multiplican los estudios experimentales sobre los calores implicados en los procesos químicos, enunciándose así una serie de leyes y principios que darán lugar al nacimiento de esta rama de la química. Así, se había demostrado la equivalencia en la transformación del trabajo en calor, que no era otra cosa que la ley de conservación de la energía, lo cual fue enunciado como primer principio de la termodinámica por J. R. Mayer (1814-1878) en 1842 y un año después por Joule (1818-1889). Y sólo dos años antes, en 1840, H. H. Hess (1802-1850) había observado que el calor implicado en cualquier reacción era independiente del camino por el que ésta se había producido —ley de Hess— que, en realidad, no era más que una consecuencia de ese primer principio de la termodinámica. Por otra parte, podemos remontarnos aun más atrás, a la construcción de la primera máquina de vapor, ideada y llevada a cabo por Newcomen en Inglaterra (1703) y en la que posteriormente introdujeron importantes modificaciones primero Watt, quien en 1782 preparó la máquina de vapor de doble efecto y el movimiento rotativo autorregulado, y después Stephenson en 1814, al construir la primera locomotora a vapor. C/T/S Estos adelantos de la ciencia y de la técnica dieron lugar a la aparición del ferrocarril como una de las más importantes aplicaciones de la máquina de vapor. Los ferrocarriles transformaron las redes de comunicación, con lo que su impacto social fue uno de los mayores de los últimos tiempos.
150
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Estos inventos llevaron al ingeniero militar francés Nicolas Leonard Sadi Carnot (1796-1822) a afirmar, en 1814, que siempre que existiera una diferencia de temperatura podría producirse una fuerza motriz. Además, añadió Carnot que la potencia motriz producida por el calor dependería de las temperaturas de los cuerpos entre los que el transporte calórico tuviera lugar, siendo independiente de la fuente de calor. Esta conclusión, o más bien principio, es lo que se conoció después —aunque enunciado con otras palabras— como segundo principio de la termodinámica. Después, en 1865, este principio se hace más general al ser introducida en él la noción de entropía, por Rudolph Clausius (1823-1888), con lo cual se inicia, a su vez, la termodinámica. A partir de aquí, las investigaciones y las teorías consiguientes se multiplican. En 1843, el físico francés Clapeyron (1799-1864) da una fórmula para calcular el calor latente en los cambios de estado y define la noción de cambio reversible. Y Lord Kelvin introduce la función de «energía libre» en 1855, idea que será después desarrollada por Helmholtz (1872) y por el americano J.W. Gibbs (1839-1903), quien propone la función de entalpía libre. Por otra parte, se hace una diferenciación entre reacciones endotérmicas y exotérmicas. El hecho de que muchas reacciones que se producían de forma rápida y «espontánea» desprendieran calor (es decir, eran exotérmicas), llevó a pensar a Berthelot que las reacciones químicas se producían siempre en el sentido del máximo desprendimiento de calor. Esto lo enuncia en 1867 como principio del trabajo máximo (o conocido también como principio de Thomsen-Berthelot, por ser el primero de ellos quién generalizó antes estos resultados). Por ello se tomó al calor de reacción como la medida de la tendencia a que una reacción entre dos sustancias ocurriera, es decir, como la afinidad química. Pero después se observó que este principio no tenía un carácter general. Por esta razón fue van´t Hoff, quien en 1883 propone como medida de la afinidad de una reacción, verificada a presión y temperatura constante, al descenso de la energía libre del proceso. De todo esto se desprende que la afinidad química se puede ya interpretar según la termodinámica mediante unas ecuaciones llamadas de GibbsHelmholtz. Gibbs continúa en sus trabajos termodinámicos con estudios de la mecánica estadística (1902), basándose en los cuales Boltzmann después demostrará el carácter probabilístico de la entropía, estableciendo una ecuación que expresa la entropía en función de las propiedades moleculares. Por otra parte, se realizan una gran cantidad de interesantes cálculos experimentales, como son los calores de muy diversas reacciones determinados por Julius Thomsen, no sólo los de procesos de neutralización como ya se ha visto en la sección 10.3., sino también de otros muchos (combustión, oxidación y reducción, etc.). Desde esta perspectiva termodinámica se estudia también el equilibrio químico. Así, van´t Hoff propone en 1884 una ecuación que expresa el desplazamiento del equilibrio en función de la temperatura. Y Henri Le Chate-
DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
151
lier enuncia hacia 1880 su famoso principio sobre la influencia de la concentración, presión y temperatura en el desplazamiento de un equilibrio, que si bien puede no ser demasiado precisa, resulta en la práctica sumamente útil. Este hecho es consecuencia de su gran preocupación por resolver los problemas de la industria, con la cual estuvo siempre en estrecha relación. Pero serán sobre todo Gibbs —que introduce la noción de potencial químico en su tratamiento cuantitativo de los equilibrios químicos— y también Max Planck quienes perfeccionan esa teoría del desplazamiento de los equilibrios formulada por Le Chatelier. La termodinámica va evolucionando de tal manera que ya a finales del siglo XIX posee una estructura y entidad bien definidas, pero al mismo tiempo tiene un sentido tan amplio que los estudios termodinámicos pueden aplicarse a todas las ramas de la química como una poderosa herramienta. En el siglo XX, desde sus principios, sigue construyéndose este entramado teórico de la termodinámica. Se intentaba vincular la teoría atómica con la termodinámica, a lo cual contribuyó notablemente el cálculo de calores específicos de gases reales, líquidos y sólidos. Muchos son los investigadores que trabajaron en este sentido, entre los que se encuentran —por citar algunos— Van Laar, Nernst, Debye o el mismo Einstein. Pero estos cálculos no hubieran podido ser llevados a cabo sin la introducción por Lewis, en 1901, de las nociones de fugacidad y de actividad que permitían el tratamiento de los gases reales y las disoluciones como gases perfectos. No obstante, lo que marcó otro importante hito en la historia de la química física, fue la introducción del llamado tercer principio de la termodinámica. Boltzmann había dado una interpretación molecular de la entropía a partir de la cual en un cristal, con un retículo cristalino perfecto y a la temperatura del cero absoluto, todas las partículas estarían ordenadas en ese retículo y no podrían tener ninguna energía de vibración. Nernst retomando en 1906 la idea de Berthelot sobre su principio del «trabajo máximo» propuso que según iba bajando la temperatura esa regla se iba haciendo más exacta, con lo que al cero absoluto ya sí se cumplía enteramente. Planck, en 1913, completa esta idea enunciando el tercer principio o tercera ley de la termodinámica: la entropía de una sustancia pura y perfectamente cristalina es cero en el cero absoluto de temperatura. Esta conclusión teórica tuvo importantes repercusiones en lo experimental: así, permitió el cálculo del valor de entropías absolutas de compuestos, de constantes de equilibrio e, incluso, de tensiones de vapor. Llegados a este momento, no puede omitirse el hacer una referencia a Berthelot (no confundir con su compatriota, aunque más antiguo, Berthollet). Marcelin Berthelot (1827-1907) fue uno de los grandes hombres de ciencia ses de la segunda mitad del siglo XIX. Este químico, hombre además de gran cultura y formación humanista, destacó en muy variados ámbitos, en la ciencia, en la política y en educación. Así, llegó a ser ministro por dos veces de Instrucción Pública. En química, abarcó ámbitos tan diversos como el de la química física, como acabamos de ver y tanto en
152
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
aspectos teóricos como también prácticos (por ejemplo, en termoquímica inventó un tipo de calorímetro), o el de química orgánica (síntesis del alcohol metílico y del acetileno, reacciones de esterificación, etc.) o, incluso, el de la Historia de la Química (es autor de un interesante libro Los orígenes de la alquimia, de 1885). Hombre idealista, pensaba en la capacidad de la ciencia para alcanzar la paz y la solidaridad humana. Sin embargo, pese a su gran categoría, estuvo fuertemente influenciado por las ideas positivistas del filósofo y matemático francés Auguste Comte, contemporáneo suyo, que por otra parte, tanto poder intelectual tuvieron en su momento y que derivaron hacia un racionalismo extremo. Por estas ideas, Berthelot fue un positivista convencido y con ello, un antiatomista. Por su liderazgo en el terreno científico de su país, a pesar de sus innegables cualidades ejerció una influencia negativa que trajo como consecuencia un cierto retroceso en la química sa a finales del siglo XIX, que tan brillantemente lo había comenzado. En este punto conviene recapitular sobre el espíritu universal de muchos de estos grandes científicos del siglo XIX. Hombres como Berzelius, Van´t Hoff, Ostwald, Berthelot... Trabajaron en muy diversos aspectos de la química —incluso, a veces rebasaron los límites de ésta— y destacaron en todos.
10.5. CINETOQUÍMICA Y CATÁLISIS Con Ludwig Wilhelmy y sus trabajos sobre la inversión de la sacarosa —es decir, de su hidrólisis a los dos azúcares glucosa y levulosa— por medio de un catalizador ácido puede afirmarse que nace la cinetoquímica, hacia 1850. Y ello se debe a que este investigador es el primero en estudiar el transcurso de una reacción en función del tiempo, además de hacerlo de forma cuantitativa. Esta idea será retomada y desarrollada por Van´t Hoff, quien será el que formula las bases teóricas de esta nueva rama de la química, publicadas en 1884, en su texto Estudios de dinámica química. Realmente el antecedente más directo de estos estudios sobre dinámica química se encuentra en la obra de Berthollet, Estadística química, publicada en 1803. Los mismos trabajos de este científico francés sobre el papel de la cantidad de masa —o acción de la masa— en las reacciones (como ya se trató en el Tema 9) dieron paso al estudio del equilibrio químico. Siguiendo en esta línea, los dos químicos Maximilian Guldberg (1836-1902) y Peter Waage (1833-1900), ambos noruegos, profesores de la Universidad de Cristiana (la actual Oslo) y, además, cuñados, formulan en 1867 la ley de acción de masas, según la cual la velocidad de una reacción es proporcional al producto de las masas activas —es decir, concentraciones— de las sustancias reaccionantes. La velocidad de una reacción queda dotada así de una formulación matemática. En cuanto al equilibrio químico, se interpreta como la situación de dos reacciones en sentido inverso, cada una con una velocidad propia. Así, apli-
DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
153
cando a cada una la ley de acción de masas se obtiene una expresión matemática de la constante característica de ese equilibrio. Por otra parte, los químicos van tomando conciencia de la importancia de los fenómenos catalíticos, sobre todo desde la perspectiva de su utilidad en la industria de la síntesis de productos químicos. No obstante, la catálisis ya era conocida desde mucho antes. Libavius fue el primero en observar de este fenómeno, en 1597, y a él se debe precisamente este término (catálisis, del griego katalyein, destruir). Después, ya entrado el siglo XVIII, Scheele sintetizó esteres mediante el uso de catalizadores. Pero es un siglo después cuando se desarrolla esta técnica y también sus bases teóricas. Así, en la química del ácido sulfúrico desde 1806 se comenzaron a utilizar óxidos de nitrógeno como catalizadores, según el descubrimiento realizado por los ses Désormes y Clément (se tratará más ampliamente en el Tema 14). Por otra parte, se inicia el camino del estudio de las propiedades catalíticas de muchos metales finamente divididos. J. W. Döbereiner, dentro de la química de compuestos orgánicos, descubre en 1821 las propiedades catalíticas del negro de platino en la obtención de ácido acético por oxidación catalítica del etanol (curiosamente, a él se debe también el primer encendedor de tipo químico, pues observó que se producía una detonación «espontánea» por mezcla de oxígeno e hidrógeno en presencia del negro de platino). Y Wöhler analiza las propiedades catalíticas de muchas sustancias no sólo en síntesis orgánica, sino también en química inorgánica. Pero quien verdaderamente dará un impulso enorme a la catálisis será Berzelius, sobre todo a partir de 1835, fecha en que se dedica más intensamente a su estudio. Proporciona por primera vez una definición de catalizador, como lo que «despierta las afinidades adormecidas», asegurando además que no tomaría directamente parte en la reacción química. También tuvo una gran visión de futuro al suponer la gran importancia de los fenómenos catalíticos en la biología, al regir los procesos bioquímicos de los organismos vivos. Posteriormente, el término de catalizador tendrá una definición mucho más precisa gracias a Ostwald. Este gran químico, uno de los más brillantes de su siglo y Premio Nobel en 1909, nació en Riga (en Letonia, pero que en aquellos momentos formaba parte de Rusia) y fue profesor de química-física en la Universidad de Leipzig, en la que también creó un laboratorio de gran prestigio en su época. Fue el fundador de esta rama de la química, creando junto con van´t Hoff la primera revista especializada de Química Física. A él se debe también un enorme avance en la teoría de la cinética y de la catálisis, al introducir la noción de «energía de activación». Volviendo a van´t Hoff, expresó mediante ecuaciones muchos tipos de reacciones (simples, paralelas, consecutivas...). Sin embargo, cuando otros científicos trataron de comprobar experimentalmente esas expresiones matemáticas, aparecieron gran cantidad de excepciones, lo cual condujo a hacer una matización entre lo que era el orden y la molecularidad de una reacción. Esto llevó a considerar algo que ya había pensado van´t Hoff: que para que una reacción tuviera lugar, debía producirse un encuentro simultáneo de las
154
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
moléculas implicadas en esa reacción. Sin embargo, ésta fue una idea que no desarrolló, aunque sí lo hicieron otros investigadores posteriormente, entre los que hay que destacar a Kassel, en 1932, quien dio gran importancia al orden de reacción, que podía ser un número entero o fraccionario y que, generalmente, no sería superior a 3. Por otra parte, se habían estudiado los factores que podían alterar la velocidad de reacción. Entre ellos, se prestó especial atención a la temperatura, estudio llevado a cabo sobre todo por Arrhenius, que llegó a la conclusión que ello era debido a su influencia sobre la constante de velocidad. Su formulación estaba de acuerdo con los resultados experimentales y con la teoría de los choques, según la cual la velocidad de una reacción sería proporcional al número de colisiones entre las moléculas reaccionantes. Arrhenius introdujo la noción de «choque eficaz», que suponía que sólo las moléculas que hubieran adquirido una energía suficiente, o energía de activación, eran capaces de entrar en reacción. Posteriormente, siguiendo en esta línea, otros investigadores introdujeron en el concepto de energía de activación factores de tipo probabilístico que tenían en cuenta aspectos estéricos, lo cual después se englobó en el término entropía de activación. Pero había que determinar las causas de esta activación. Tras numerosas hipótesis y trabajos experimentales, se llegó a la conclusión de que el choque molecular daría lugar a que la molécula reaccionante adquiriese una configuración activa desde el punto de vista cinético, de lo cual con el tiempo surgió la noción de «complejos activados» intermediarios de las reacciones (1922). También por esa época se descubre la influencia de los rayos luminosos en la velocidad de ciertas reacciones. Concretamente, con el estudio del mecanismo de síntesis del bromuro de hidrógeno se propone la existencia de reacciones en cadena. Se comprobó que en muchas reacciones con este tipo de mecanismo las paredes del recipiente de reacción jugaban un importante papel. Con esto también se pusieron de manifiesto los fenómenos de adsorción, estudiados sobre todo por Freundlich primero y después por Langmuir en 1916, de los que se sugirió que formaban parte fundamental del proceso de activación de los reactivos.
10.6. OTRAS ESPECIALIDADES Por otra parte, en estrecha conexión con todos estos estudios, se había descubierto la influencia de la luz del sol sobre muchas reacciones. Es decir, se abrió el camino de la fotoquímica. Por ejemplo, en 1809 Gay Lussac y Thénard (Louis Jacques Thénard, 1777-1857) habían sintetizado a partir de cloro y de hidrógeno el cloruro de hidrógeno (compuesto gaseoso) bajo la acción de la luz. El cloro bajo la acción de la luz siguió utilizándose en otras síntesis: por Davy, en 1811, para preparar fosgeno y por Faraday, quien en 1825 consiguió así su adición total al benceno hasta hexaclorociclohexano.
DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
155
Sin embargo, la teoría justificativa de los procesos fotoquímicos no se estableció hasta mucho después, ya en el siglo XX. De esta manera, el primero en proponer una proporcionalidad entre el efecto fotoquímico y la energía radiante absorbida fue Lasareff, en 1907, estudio desarrollado también y formulado mediante la ley de Grotthus-Draper. Otros científicos continuaron en esta línea, entre ellos Berthelot, quien en 1924 introduce la noción de entropía radiante, de la cual —así como de la frecuencia de la radiación— dependía la energía radiante absorbida. Aunque esta teoría tiene su precedente en Planck y su teoría cuántica sobre la absorción y emisión de radiación, así como en las ideas de Einstein de la propagación de fotones, que una vez desarrolladas proporcionaron a éste último el Premio Nobel en 1921. Fueron asimismo muy interesantes los estudios y aplicaciones sobre la fotosensibilización. Este fenómeno consiste, a grandes rasgos, en que ciertos productos coloreados absorben fácilmente una energía que después pueden ceder a los reactivos que toman parte en una reacción fotoquímica. Así, en muchas reacciones se utilizan fotosensibilizadores para acelerarlas (tal es el caso de reacciones de oxidación, con fluoresceína o acridina). Y al contrario, se ha observado también el fenómeno llamado de luminiscencia química, inverso de la reacción fotoquímica: que se produce una emisión de radiación cuando ocurren ciertas reacciones (como son algunas reacciones en las que intervienen radicales libres). Por otra parte, van apareciendo nuevas especialidades de la química física a medida que se descubren nuevos fenómenos y que se generan nuevas teorías. Tales son, por ejemplo, la espectroscopia (de la que se tratará en el Tema 13), la química cuántica o la química de macromoléculas.
10.7. REFLEXIONES FINALES La química física surge durante el siglo XIX cuando se introduce lo cuantitativo en la experimentación y muy pronto se diversifica en distintas especialidades, de las que aquí se han incluido sólo aquéllas más generales. La investigación del comportamiento químico de las sustancias para comprender el porqué y el cómo de sus reacciones, la necesidad de analizar, medir y determinar los parámetros y todos los factores implicados en aquéllas, van a exigir tal cantidad de experimentación y de contenidos teóricos tan específicos que justifican esa pronta fragmentación de la química física. Asimismo, la química física tiene una influencia enorme en las otras ramas de la química, constituyendo una herramienta y un soporte imprescindible para su progreso.
Tema 11 CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
ESQUEMA DE CONTENIDOS 11.1. INTRODUCCIÓN 11.2. LOS GASES Y LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA 11.3. NECESIDAD DE UNA CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS 11.3.1. Primeros intentos de clasificación 11.3.2. Sistemas periódicos 11.4. ESTRUCTURA DE LOS ÁTOMOS 11.4.1. Evidencias experimentales: partículas subatómicas 11.4.2. Descubrimiento de la radiactividad 11.4.3. Las aportaciones teóricas: modelos atómicos 11.5. LA MECÁNICA CUÁNTICA 11.6. ENLACES QUÍMICOS 11.7. REFLEXIONES FINALES
11.1. INTRODUCCIÓN Al principio del siglo XIX Dalton había establecido su teoría atómica. Sin embargo, no fue aceptada plenamente por los químicos. Los átomos «físicos» como muchos solían decir, no les eran útiles en su trabajo en el laboratorio, cuando tenían que llevar a cabo reacciones pesando reactivos y midiendo los resultados. Además, esa teoría atómica y esos átomos no les permitían predecir las reacciones. Por ello, ese siglo va a ser un periodo de grandes polémicas entre los atomistas, obviamente partidarios de la teoría atómica, y los equivalentistas, que utilizaban como medida patrón en el laboratorio el peso de un elemento que se combinaba con el oxígeno y que eran enérgicos antiatomistas. A éstos había que añadir los positivistas, que llevados por el rigor de un racionalismo extremo se negaban a aceptar algo que no se podía medir ni percibir (recuerde lo dicho sobre Berthelot en el Tema 10). Y, además, estaban los partidarios del energetismo (representados por una gran figura de la historia de la química, Ostwald, según los cuales la realidad efectiva era la energía por encima de la materia). Por ello, fueron dejando la idea del átomo para los físicos. Y precisamente será a éstos a quienes en gran medida se deban los grandes avances de la ciencia en el conocimiento de cómo están constituidos los átomos. Por otra parte, los químicos a través de numerosas experiencias, que se multiplicaban en cantidad y variedad, iban conociendo cada vez mayor número de elementos distintos y comenzaron a detectar ciertas similitudes entre algunos de ellos. Surgió así la necesidad y, al mismo tiempo, la posibilidad de clasificar los elementos según ciertas propiedades externas, en general medibles o al menos percibibles. Por otra parte, se despertó el interés por conocer la naturaleza interna de esos elementos, es decir, la estructura de sus átomos.
11. 2. LOS GASES Y LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA Se conocía la naturaleza eléctrica de la materia, según ya se ha tratado en el Tema 10 (apdo.10.2). Pero a mediados del siglo XIX aun no se sabía cuál era
160
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
la constitución de la electricidad. Por otra parte, de los tres estados de la materia aquél del que se conocía mejor su comportamiento era el gaseoso. Además, se había logrado representar ese comportamiento mediante leyes bastante sencillas, expresadas en un lenguaje matemático sin muchas complicaciones. Ya en el siglo XVIII, en 1738, el físico, matemático y también médico Daniel Bernouilli (1700-1782) había escrito sobre los gases que entre sus moléculas no existían prácticamente interacciones y que estarían en continua agitación. Es decir, avanzó las ideas contenidas en la teoría cinética de los gases, ideas que fueron retomadas más de un siglo después, en 1858, por Clausius. Sin embargo, quien lanza verdaderamente la teoría cinética de los gases fue Ludwig Boltzmann (1844-1906), que la hace evolucionar hacia las ideas de la mecánica estadística, introduciendo el concepto de probabilidad de los estados macroscópicos de un gas. Con esto llega en 1876 a la expresión de la entropía de un gas. Con estas ideas, Botzmann marca un nexo entre la termodinámica y las leyes de la entropía con la teoría cinética de la materia. Sin embargo, pronto sus ideas fueron más o menos abiertamente rechazadas, aunque el tiempo le diera la razón, ya que la mecánica estadística abrió el camino para Planck y su teoría de los cuantos y al descubrimiento de los fotones por Einstein. Y siguiendo con el estudio de los gases aunque desde otra perspectiva, Thomas Andrews (1813-1885) había introducido en 1869 la noción de temperatura crítica de un gas, como temperatura por encima de la cual un gas o un vapor no se pueden licuar, por más que se aumente la presión. Por otra parte, poco después el físico holandés Johannes D. van der Waals (18371923, Premio Nobel de Física en 1910) observó que los gases se desviaban considerablemente de la ley de Boyle-Mariotte a altas presiones y bajas temperaturas. Supuso que estas desviaciones eran debidas a que en la realidad sí que habría alguna interacción entre las moléculas gaseosas y que además ocupaban un cierto volumen, aunque fuera muy pequeño. Por ello propuso una ecuación de estado para los gases reales, muy parecida a la de los gases perfectos, si bien introduciendo dos parámetros que tenían en cuenta esas condiciones. Todas estas conclusiones sobre el estudio del comportamiento de los gases tuvieron consecuencias de enorme importancia, en el aspecto teórico y también en el aspecto de sus interesantes aplicaciones prácticas. Así, el conocimiento de las temperaturas críticas condujo a que ciertos gases —llamados gases permanentes, como el nitrógeno o el oxígeno— se consiguieran licuar, abriéndose también la vía de la experimentación a bajas temperaturas. Importantes investigadores se dedicaron a ella, como Dewar o von Linde, siendo este último uno de los fundadores de la industria del frío y que además logró obtener aire líquido por primera vez (1895). En cuanto a las aportaciones teóricas, con la química del frío se tuvo conocimiento de la superconductividad de los metales (ver Tema 13). Por su parte,
CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
161
los estudios de van der Waals proporcionaron la base teórica de los enlaces intermoleculares, como se analizará más adelante, en este mismo tema.
11.3. NECESIDAD DE UNA CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Aunque el mundo que nos rodea es sumamente complejo y el número de compuestos químicos es enorme, la cantidad de elementos químicos es reducida, solamente de poco más de cien. Sin embargo, los elementos se fueron descubriendo poco a poco a lo largo de la historia. Desde tiempos muy antiguos se conocía el oro, la plata y el azufre. Se fue ampliando poco a poco este número con los elementos plomo, cobre, estaño, hierro, mercurio, antimonio y carbono, hasta los inicios de la era cristiana. En el extenso periodo de la alquimia, a pesar de su considerable desarrollo en técnicas y experimentos, se llegaron a conocer tan sólo unos doce elementos en total a su final, hacia 1700. A partir de este momento, las nuevas ideas en química que favorecen su evolución en todos los sentidos, también influirán decisivamente en el descubrimiento de nuevos elementos: en el siglo XVIII se caracterizan veintiún elementos más y en el XIX cuarenta y siete. El resto de los elementos del sistema periódico se descubre ya en el siglo XX.
11.3.1. Primeros intentos de clasificación Con este ya considerable número de elementos, se habían empezado a encontrar ciertas similitudes, por lo que se realizaron algunas tentativas de clasificarlos aunque sin demasiado éxito. Fue el químico alemán J. W. Döbereiner el primero en conseguir algún acierto: en 1817 comenzó una larga labor de reunir ciertos elementos de peso atómico próximo en grupos de tres, «triadas». Por su parte, el francés J. B. Dumas a partir de 1830 comenzó a clasificar los no metales también en triadas que él denominó familias naturales, mientras que su compatriota J.Thenard (1779-1857) clasificó los metales según su reactividad frente al agua y al aire. Llegó así a cuatro grupos, desde los metales nobles, inoxidables, a los metales que se oxidaban muy fácilmente. Estas clasificaciones consistían en un simple agrupamiento por ciertas analogías en alguna propiedad física o química, pero no se había detectado ninguna repetición o periodicidad de esas propiedades. Fue el científico francés Béguyer de Chancourtois quien realizó una genial observación: que las propiedades de los elementos eran en cierto modo repetitivas. Esto le llevó en 1862 a ordenar a los elementos según su peso atómico creciente en una especie de hélice. Por otra parte, en 1864 J. A. Newlands (1838-1898) en Inglaterra en 1864, formula la regla de la «octava», basada en su idea de una analogía con las notas musicales. Así, clasificando los elementos según su peso atómico
162
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
creciente, aparecían analogías entre ellos, de ocho en ocho. En este caso, las familias de elementos se corresponden con esas «octavas». Desgraciadamente, a pesar de estas interesantísimas conclusiones, el trabajo de Newlands no tuvo ningún éxito.
11.3.2. Sistemas Periódicos Pero partiendo de esta idea, Lothar Meyer (1830-1895) lleva a cabo una clasificación en grupos de elementos con algunas analogías significativas, tal y como detalla en su libro Teorías de la química moderna. Concretamente, se da cuenta de la existencia de una relación entre el peso atómico de los elementos y su densidad, lo que le da la posibilidad de llevar a cabo una ordenación general de elementos, en 1869. Por otra parte, el químico ruso Dmitri Mendeleev (1834-1907) propone otra clasificación, basada en este caso en las propiedades más bien de tipo químico de los elementos y se da cuenta de que son una función periódica de la magnitud de su peso atómico. Y, curiosamente, en el mismo año que Meyer, 1869, aunque algo antes (marzo y diciembre, respectivamente). Nace así la ley periódica. Ordena los elementos conocidos hasta ese momento, sesenta y tres, en seis grupos, en una tabla bastante parecida a la actual, aunque los periodos los dispone verticalmente. Además, tuvo la visión de futuro de prever la existencia de elementos entonces desconocidos, para los que dejó el hueco correspondiente en su tabla: Tabla periódica de Mendeleyeev: marzo de 1869, primera tabla
H
Li
1
7
Be B C N O F Na
9,4 11 12 14 16 19 23
Mg Al Si P S CI K Ca ? Er? Yt? In
24 27 28 31 32 35,5 39 40 45 56 60 75,6?
Ti V Cr Mn Fe Ni=Co Cu Zn ? ? As Se Br Rb Sr Ce La Di Th
50 51 52 55 55 59 63,4 65,2 68 70 75 79,4 80 85,4 87,6 92 94 95 118
Zr Nb Mo Rh Rh Pd Ag Cd U Sn Sb Te I Cs Ba
90 94 96 104,4 104,4 106,6 108 112 116 118 122 128? 127 133 137
? Ta W Pt Ir Os Hg
100 182 186 197,4 198 199 200
Au
197?
Bi
210?
TI Pb
204 207
CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
163
Aunque al principio estas ideas no tuvieron una acogida muy calurosa, tuvo después un gran éxito, sobre todo cuando Lecoq de Boisbaubran, Moseley y Rydberg siguieron estudiando en esta dirección. Así, el primero de éstos descubrió en 1875 el galio, cuya existencia había previsto Mendeleev (era lo que él llamó eka-aluminio). Por otra parte, Henry Moseley (18871915) obtuvo espectros de rayos X de muchos elementos, para lo cual los utilizaba como anticátodo. Observó que esos espectros estaban constituidos por una serie de rayas características. Su gran perspicacia le hizo darse cuenta de que había una relación entre la frecuencia de la primera de esas rayas y un parámetro que resultó ser el número de orden del elemento en cuestión en esa tabla periódica, que después se llamó «número atómico» (1913). Determinó la expresión matemática de esa relación (ley de Moseley, totalmente empírica) con lo cual fue mucho más fácil determinar la posición de los nuevos elementos que se iban descubriendo. Poco a poco se iban encontrando nuevos elementos, como el escandio (1879) o el germanio (1886). Pero ante todo hay que destacar un descubrimiento sorprendente, el de dos gases del aire que, en principio, resultaban inclasificables: el árgon, encontrado en 1894 por Rayleigh y Ramsay (argon en griego significa «inerte») y el helio, hallado por éste último en 1895. Por esta razón se creó para ellos un nuevo grupo, el grupo cero, dentro del cual se previó la existencia de otros elementos, que luego también fueron descubiertos, constituyendo este conjunto el grupo de los gases raros o gases nobles. Asimismo, se descubrieron otra serie de elementos, también inclasificables, el grupo de las «tierras raras», al que se le dio después el nombre de lantánidos, formado por 15 elementos. Se llegó así hasta 92 elementos, del 1 (hidrógeno) al 92 (uranio), todos ellos naturales, a los que posteriormente, ya muy entrado el siglo xx, se añadieron otros elementos que no se han encontrado en la naturaleza, sino que se han obtenido artificialmente en reacciones nucleares: son los elementos transuránidos, que forman parte de los actínidos. Se llegó con todo a la tabla periódica más utilizada actualmente, elaborada en 1905 por Werner, aunque con ciertos arreglos posteriores, constituida por 18 columnas y 7 líneas horizontales. Fue largo el camino el que llevó a su construcción definitiva, si bien ésta en gran parte fue debida gracias a una idea genial, la de Newlands, que sin embargo no tuvo en su momento ningún éxito, precisamente por su extrema originalidad. Por otra parte, surge el parámetro del número atómico como número de orden en la tabla periódica. Pero, ¿tenía algún significado físico?, ¿había alguna conexión entre ese número y la constitución de la materia? Para encontrar la respuesta a estas preguntas, habrá que acudir a la elaboración de las teorías sobre la estructura del átomo.
164
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
11.4. ESTRUCTURA DE LOS ÁTOMOS A finales del siglo XIX puede considerarse que la teoría atómica de Dalton había triunfado, pese a las luchas y duras polémicas sostenidas entre sus defensores y sus detractores. Pero en esas fechas aun no se sabía nada de la estructura del átomo.
11.4.1. Evidencias experimentales: partículas subatómicas Aparte de que muchos importantes científicos de la segunda mitad de ese siglo tuvieran fuertes convicciones sobre la validez de la teoría atómica —como el físico Max Planck, creador de la teoría cuántica en 1900— aparecieron algunos datos experimentales que contribuyeron firmemente a ratificarla. Tal es el caso de la comprobación del movimiento browniano de las partículas coloidales, mediante la aplicación de un nuevo tipo de microscopio —el ultramicroscopio— que permitía evidenciar ese movimiento, con lo que posteriores estudios demostraron que al estado coloidal se le podían aplicar leyes propias de los gases. Esto, a su vez, fue una concluyente prueba de la naturaleza corpuscular de la materia Ciencia y Tecnología Con el invento en 1903 del ultramicroscopio, debido Zsigmondy (Premio Nobel de Química en 1925), se muestra de nuevo las interconexiones entre la ciencia y la tecnología: ambas caminan estrechamente unidas, influyéndose mutuamente y repercutiendo, en definitiva, en la vida del hombre.
Por otra parte, gran número de científicos seguían en la línea de estudiar la electricidad, tanto en cuanto a la determinación de su naturaleza como en cuanto a analizar los múltiples fenómenos en los que, de una manera u otra, aquélla estaba implicada. Así, ya muy entrado el siglo, XIX, el físico inglés G. C. Stoney para intentar explicar los fenómenos electrolíticos propone primero, en 1874, que la electricidad sería también granular y después, ya en 1891, él mismo da el nombre de electrón a esos «granos» que constituirían la carga mínima o carga elemental de electricidad. Por otra parte, se empiezan a estudiar los fenómenos eléctricos asociados a los gases. Uno de ellos fue el estudio de su conductividad eléctrica. El también físico inglés J. J. Thomson (1856-1940) trabajando con gases a muy bajas presiones, o gases enrarecidos, a los que comunicaba una corriente eléctrica de alto voltaje, detectó un hecho experimental que resultó trascendental en el estudio de la naturaleza de la materia. Se sabía que los gases se escindían en una corriente de partículas de masa pequeñísima y de carga negativa y que eran siempre iguales, cualquiera que fuese el gas empleado, y en una corriente de partículas de masa ya considerable y prácticamente igual a la de los átomos del gas de partida, que tenían carga posi-
CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
165
tiva. La primera corriente eran los rayos catódicos (constituidos por electrones) y la segunda, los rayos positivos o rayos canales (que ya habían sido descubiertos por el físico alemán E. Goldstein, en 1886). Estudiando los rayos catódicos, Thomson consigue determinar la relación carga/masa del electrón (1897) Y es gracias a este descubrimiento cómo W. Conrad Röntgen (1845-1923, físico alemán, Premio Nobel de Física en 1901) llega, a su vez a otro descubrimiento, el de los rayos X, en 1895, obtenidos al bombardear con los rayos catódicos diversas sustancias y que aparecían en la pared opuesta al cátodo. Como Röntgen intentó por muy diversos métodos dilucidar la naturaleza de esas radiaciones y no lo consiguió, es por lo que les dio ese nombre de rayos X. Hoy en día, no obstante, se conoce que son de naturaleza ondulatoria.
El descubrimiento de estos rayos X permitió a Moseley, como ya hemos visto, evidenciar experimentalmente en 1913 el ordenamiento de los elementos en la tabla periódica (11.3.2). Volviendo a Thomson, el estudio de los otros rayos, los rayos canales o positivos, propició otros dos importantes logros: el descubrimiento del protón y el aislamiento de los isótopos. Por el conjunto de sus trabajos obtuvo el Premio Nobel de Física del año 1906. También llegó con estos rayos a determinar la masa atómica de muchos elementos. Sobre este último aspecto hay que decir que el método de Thomson fue revisado y sensiblemente mejorado por F. W. Aston, químico inglés que en 1919 ideó un aparato con el que la determinación de las masas atómicas fue mucho más precisa: se trataba del espectrógrafo de masas, que demuestra de nuevo la colaboración entre la tecnología y la ciencia. Con todo lo anterior, llegamos al momento en que se conocían dos de los integrantes de los átomos, el protón y el electrón. En cuanto a su tercer componente, el neutrón, no se descubrió hasta mucho después, por Chadwick en 1932, aunque su existencia se había intuido ya desde los tiempos de los experimentos de Thomson. Resulta sí que los átomos sí que son divisibles. No obstante, siguen siendo la última parte de la materia cuyo conjunto mantiene las características de cada elemento, con lo cual no se pierde el sentido de indivisibilidad ni de los epicúreos ni de Dalton.
11.4.2. Descubrimiento de la radiactividad Por otra parte, avanzando en el siglo XIX, justamente durante sus últimos años tiene lugar un nuevo descubrimiento, el de un fenómeno que tendrá enormes repercusiones en multitud de ámbitos científicos: el de la radiactivi-
166
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
dad. En 1896 el físico y también ingeniero de minas francés Henri Beckerel (1852-1908, Premio Nobel de Física de 1903) trabajando con sales de uranio —concretamente con cristales de sulfato de uranilo— descubrió de forma casual que emitían una radiación capaz de impresionar una placa fotográfica (radiación a la que entonces se denominó «rayos Beckerel»). Se comprobó que este hecho también ocurría en otros compuestos de uranio, por lo que se supuso que era este elemento el responsable de esas radiaciones. Estos experimentos despertaron tal interés que llevaron a otros científicos a seguir investigando en esa dirección. Es así como la científica polaca de nacimiento, María Sklodowska (1867-1934) —o María Curie por su matrimonio con el ilustre físico francés Pierre Curie—, que comenzó siendo discípula de Beckerel, en 1898 descubrió junto con su marido que la emisión de ese tipo de radiaciones tenía también lugar en otro elemento, el torio. Ellos son los que dan a estos fenómenos el nombre de radioactividad, deduciendo que se trata de una propiedad atómica. Continuando en esta investigación, trabajan con pechblendas (minerales de óxido de uranio) y descubren dos nuevos elementos, el polonio y el radio. Con Beckerel reciben el Premio Nobel de Física en 1903 y, además, María vuelve a recibir un Premio Nobel en 1911, en este caso de Química (tercer caso, hasta el momento, de este doble Premio Nobel en ciencias en una sola persona). A pesar de estos enormes éxitos científicos fue rechazada su nominación a la Academia de Ciencias sa, simplemente por ser mujer. Se sigue aumentando la lista de los elementos radiactivos (radon, actinio...) y se consigue determinar la naturaleza compleja de esas radiaciones radioactivas, que en realidad son de tres tipos (rayos α, rayos β y rayos γ). Ilustres hombres de ciencia comienzan a investigar en fenómenos radioactivos. Tal es el caso de Ernest Rutherford (1871-1937), famoso científico inglés —nacido en Nueva Zelanda— que por sus méritos obtuvo el Premio Nobel de Química en 1908 y también obtuvo el título de «lord», y que trabajó intensamente en este nuevo campo de la ciencia, la física y la química nuclear, de las que es considerado como el fundador. Muchos son los grandes logros que obtuvo en sus investigaciones. Tal es su propuesta de la existencia en los átomos de un núcleo, volumen de espacio muy pequeño donde se concentraba prácticamente toda su masa y con electricidad de carga positiva. O su descubrimiento, junto al notable químico inglés Frederick Soddy (1877-1956, Premio Nobel de Química de 1921) de que el radon se transforma en helio en los fenómenos radiactivos. Se cumple así el viejo sueño de los alquimistas: la transmutación El átomo ya no es indivisible y tampoco es inmutable, puesto que se puede transformar en otros átomos distintos mediante una reacción nuclear.
CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
167
Además, cuando esto ocurre tiene lugar una pérdida de masa que se traduce en la liberación de una gran cantidad de energía en forma de radiaciones. Aquí es donde entra Einstein y su teoría de la relatividad (1905) para explicar esa relación masa/energía. ¿Significa todo esto que hay que olvidar la ley de conservación de la masa de ReyLavoisier, con la que se inaugura esa nueva era de la química como ciencia? La respuesta es no, porque la energía implicada en las reacciones químicas ordinarias (es decir, no nucleares) es tan pequeña que correspondería a una cantidad de masa ínfima que no podría ni siquiera detectarse.
Por otra parte, Soddy también descubre la existencia de isótopos, detectados por primera vez en algunos elementos radiactivos, y Thomson y Aston lo ratifican, logrando aislar un isotopo del neon.
11.4.3. Las aportaciones teóricas: modelos atómicos Con todo lo anterior se tenían suficientes evidencias experimentales para poder intentar dar una interpretación de cómo estarían dispuestas esas partículas en el átomo. Es decir, para construir un modelo. El primero fue el de Thomson (1904), muy simple. Para él el átomo consistiría en una esfera de carga positiva en cuyo interior estarían unos gránulos de carga negativa, los electrones. Pero evidentemente, no conseguía dar explicación a los fenómenos relacionados con la naturaleza atómica que se iban descubriendo. Por ello, Rutherford en 1911 propone otro nuevo modelo: el átomo sería una especie de sistema planetario en pequeño, en el que alrededor del núcleo girarían los electrones en unas órbitas. No obstante, este modelo estaba en completa contradicción con las leyes electromagnéticas, pues el electrón terminaría por precipitarse sobre el núcleo. Por ello, poco después, en 1913, surgirá otro modelo atómico con el que se consiguieron explicar numerosos hechos experimentales. Se trata del modelo atómico propuesto por el físico danés Niels Bohr (1885-1962 ), en el que combina la idea del modelo de Rutherford con la teoría cuántica de Planck (teoría por la que éste último obtuvo el Premio Nobel de Física en 1918 y a la que también acudió Einstein para explicar el fenómeno fotoeléctrico descubierto por él y por lo que a su vez recibió el Premio Nobel de Física en 1921). Bohr introduce una serie de postulados para justificar la existencia de unas órbitas que serían estacionarias y para determinar cuándo se produciría en un átomo una absorción o una emisión de energía. Con este modelo se consiguieron calcular con una gran concordancia las rayas del espectro del hidrógeno y determinar de forma teórica la constante de Rydberg, obtenida empíricamente por Balmer, por lo cual fue un gran éxito (por ello, es por el que Bohr, uno de los fundadores de la física moderna, recibió el Premio Nobel de Física en 1922).
168
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
No obstante, a medida que se iba avanzando en las técnicas espectroscópicas (se tratarán en el Tema 13) se obtenían espectros con una mayor resolución, con lo que no todas las rayas que aparecían podían interpretarse con ese modelo atómico. Es decir, era una teoría que se iba quedando insuficiente. Por ello se le fueron introduciendo ciertas modificaciones para perfeccionarla. En este sentido, Sommerfeld consideró que las órbitas de los electrones además de ser circulares podían ser elípticas. También se tuvo en cuenta que podían tener distinta orientación en el espacio. Resultó así un modelo que aunque muy parecido al anterior podía interpretar esos nuevos hechos experimentales suministrados por los espectros atómicos: es el llamado modelo de Bohr-Sommerfeld (1916). Y Pauli y Zeemann continuaron en este sentido. Pero, a la larga, resultó que era un modelo que fallaba al tratar de aplicarse átomos con más electrones.
11.5. LA MECÁNICA CUÁNTICA Este capítulo de la ciencia sobre la estructura de la materia, cada vez más en manos de los físicos, recibió una aportación fundamental de las teorías físicas y de las matemáticas. Así, el paso decisivo en este sentido tiene lugar con el físico francés Louis de Brooglie, quien en 1924 introduce los principios de la mecánica ondulatoria en el concepto y propiedades del electrón: lanza la hipótesis de que los electrones en movimiento, como cualquier otra partícula, llevarían asociada una onda cuya longitud de onda dependería de su velocidad y de su masa. Con ello supone al electrón dotado de una naturaleza dual, como partícula y como onda. Por otra parte, el principio de incertidumbre expresado por el físico alemán W. Heisenberg en 1927, lanza la idea de sustituir la exactitud en el conocimiento de la posición o de la velocidad del electrón por la noción de probabilidad. Y en 1926 el físico suizo Schrödinger realiza un complejo desarrollo matemático mediante el cual consigue establecer una relación entre la amplitud de las ondas de de Brooglie y la densidad electrónica en cualquier punto del espacio atómico. Obtiene así una función de onda relativa a un electrón, función de onda que sería el orbital atómico, concepto que sustituye al de órbita del modelo atómico de Bohr. Se crea así, mediante la mecánica cuántica o mecánica ondulatoria, un nuevo modelo atómico, el modelo mecano-cuántico, al que sucesivamente importantes físicos (como Dirac, Born, Pauli, Einstein, Hund, Franck, Pauling...) irán introduciendo matizaciones para perfeccionarlo.
11.6. ENLACES QUÍMICOS Para conocer y comprender la naturaleza de la materia no sólo era necesario averiguar cuál era la estructura del átomo aislado, sino cómo se unía a
CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
169
otros átomos. De esta manera se podrían comprender mejor las reacciones de unos con otros, cómo ocurrían esas reacciones y por qué unas tenían lugar y otras no. Es decir, en el fondo todos estos aspectos implicaban el eterno problema de la afinidad química, como clave necesaria para descifrarla. El descubrimiento de la naturaleza eléctrica de la materia arrojó una luz fundamental sobre el concepto del enlace químico. Así, Berzelius fue el primero, en 1812, en dar una explicación a esta cuestión, en cierta medida con un sentido ya «moderno»: sugiere que los átomos se combinarían entre sí obedeciendo a una atracción de tipo eléctrico. Es la llamada teoría dualista del enlace y si bien esta explicación resultaba válida en principio para los compuestos del mundo mineral, no fue lo mismo cuando se intentó aplicar a los compuestos orgánicos (según se discutirá en el Tema 12). Para este tipo de compuestos introducen Frankland y Kekulé, a partir de 1850, el concepto de valencia que, más que dar una explicación al cómo y porqué se unen los átomos en un compuesto orgánico, atiende más a hacer «referencia» a una fuerza interatómica que implica un número relacionado con la cantidad de enlaces por los que un átomo podía unirse a otros. Pero para hacer aun más difícil esta situación, a finales del siglo XIX el químico alsaciano Alfred Werner (1857-1935) descubre un nuevo tipo de compuestos de constitución bastante complicada, por lo que les llamó «complejos» (1892). En ellos intervenía generalmente un metal de transición, asociado a moléculas saturadas y sus fórmulas empíricas resultaban bastante extrañas, puesto que el número de enlaces formados era superior al esperado según las consideraciones ordinarias sobre la valencia. Werner (Premio Nobel de Química en 1913) propone para explicarlo una teoría de la coordinación, según la cual las moléculas neutras se unirían al metal central mediante unas valencias que denominó «valencias residuales»(de ello se volverá a tratar en el Tema 13). Entramos así en el siglo XX con una considerable confusión acerca de los enlaces químicos. Pero, una vez descubierto electrón por Thompson como acabamos de ver, se abre el camino para la teoría electrónica del enlace. Siguiendo con la teoría de atracción electrostática de Berzelius, se van haciendo importantes matizaciones. Así, se sugiere una teoría de la electrovalencia, según la cual muchos elementos podrían tener a la vez una valencia positiva y otra negativa, cuya suma sería ocho (Richard Abegg, 1904). Otra importante idea fue la de Drude, de que una valencia positiva vendría dada por el número de electrones que un átomo podría ceder, mientras que una negativa, por los electrones que un átomo podría tomar. Ramsay (Premio Nobel de Química en 1904), el descubridor de los gases nobles, en 1908 propone que los electrones de valencia de los átomos enlazados serían los que intervienen en esa unión. Y así, avanzando en este sentido el químico alemán Walter Kossel propone en 1916 un modelo de enlace químico: los compuestos iónicos estarían formados por iones de carga opuesta, integrados en un retículo cristalino. Los iones tendrían una configuración electrónica externa con 8 o con 18 electrones, es decir, como la de los gases nobles. Entre esos iones, que estarían constituidos por átomos o
170
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
por agrupaciones de átomos, habría pues una atracción de tipo electrostático, ya que su carga es opuesta. Este tipo de enlace, enlace iónico, aunque de significado muy claro y sencillo, tenía una evidente limitación, la de ser sólo válido para compuestos de tipo iónico, pero no para moléculas discretas ni para compuestos orgánicos. A pesar de ciertas mejoras que se introdujeron al modelo de enlace de Kossel para tratar de hacerlo extensivo a compuestos no iónicos, no pudo conseguirse. En el mismo año que Kossel, 1916, el físico norteamericano Gilbert N. Lewis (1875-1946) propone otro modelo de enlace para los compuesto no iónicos: el enlace resultaría de la compartición de dos electrones entre los dos átomos enlazados, proviniendo cada electrón de cada uno de esos átomos. Ese par de electrones pertenecería a los dos átomos y describiría una trayectoria común a ambos, con lo cual llegarían a poseer un octete electrónico, como los gases nobles. Esta es la teoría del enlace covalente, que después fue extendida por Langmuir (Irving Langmuir, químico norteamericano, Premio Nobel de Química en 1932). También se itió que el par de electrones podría provenir de un solo átomo, dando lugar a un enlace covalente coordinado, lo cual proporcionó una brillante explicación a los compuestos complejos de Werner. Esos dos tipos de enlace, el iónico y el covalente, son dos modelos límites, habiendo entre ambos una gradación de casos intermedios. Esto fue estudiado por Kasimir Fajans (químico físico polaco) y por Linus C. Pauling (químico físico norteamericano, Premio Nobel de Química en 1954), proporcionando éste último un método para calcular el porcentaje de enlace iónico. De forma similar a lo ocurrido con el modelo atómico, la mecánica cuántica se aplicó también a la interpretación del enlace covalente, sustituyendo la idea de pares de electrones localizados por zonas de una densidad electrónica definidas por una función de onda. La sencilla teoría de Lewis y Langmuir fue retomada en 1930 por Walter Heitler (1904-1981) —físico alemán, discípulo de Sommerfeld— y por Fritz London (1900-1954) —filósofo suizo, estudioso de la mecánica cuántica— y le aplicaron los nuevos conceptos mecano-cuánticos utilizando el método del enlace de valencia. Posteriormente, John Slater y, sobre todo, Pauling —con su tratado La naturaleza del enlace químico— mejoraron y difundieron esta teoría. También mediante ella consigue Erich Hückel (1896-1980) dar una explicación a los enlaces múltiples. Se interpreta también la geometría molecular con diversas teorías, como la de hibridación de orbitales. O la de la repulsión de los pares electrónicos de Ronald Gillespie y del químico australiano Ronald Nyholm (1917-1971). Por otra parte, en 1932 se aplica al enlace covalente un método mecanocuántico diferente, como alternativa para combinar las funciones de onda, el de los orbitales moleculares, que fue desarrollado por dos espectroscopistas, el químico norteamericano Robert S. Mulliken y el físico alemán Friedrich Hund, así como por el químico teórico inglés John Lennard-Jones. Había que dar interpretación también a otro tipo de fuerzas del interior de la materia: las fuerzas que justifican los estados de agregación de la mate-
CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
171
ria sólido y líquido y responsables de que los gases reales no cumplan exactamente las leyes de los perfectos (vea la sección 11.2). Son las llamadas fuerzas de van der Waals, que mantienen cohesionados no ya a átomos individuales, sino a moléculas. El físico alemán Peter Debye (Premio Nobel de Química en 1936) las estudia en 1920, desarrollando una teoría en virtud de la cual un tipo de esas fuerzas sería debido a interacciones entre dipolos permanentes o inducidos de las moléculas. Después, en 1930, London continúa ese estudio desde una perspectiva mecano-cuántica, demostrando la existencia de unas fuerzas llamadas de dispersión, debidas a dipolos intantáneos. Una larga lista de autores y de nuevas cuestiones podrían irse añadiendo a lo aquí expuesto. Pero sólo se han tratado de recoger los aspectos fundamentales que más han contribuido a esclarecer la estructura de la materia.
11. 7. REFLEXIONES FINALES La existencia del átomo, que tantas resistencias encontró entre los químicos a principios y durante el siglo XIX, a sus finales va a estar ya totalmente aceptada. Ya no hay un átomo para los físicos y otro para los químicos, sino que es uno sólo el que resulta válido para ambos en cuanto a que con él se pueden interpretar las propiedades de la materia. Los físicos y los químicos caminan juntos para esclarecer el misterio sobre la naturaleza de la materia, si bien los primeros toman las riendas de esta tarea. Por otra parte, se abre otro campo de la química, el de la radioquímica. A partir de su investigación no sólo se consiguen importantes avances en el conocimiento de la estructura atómica, sino que también se crean nuevas rutas de interesantísimas aplicaciones prácticas.
Tema 12 RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA ESQUEMA DE CONTENIDOS 12.1. INTRODUCCIÓN 12.2. QUÍMICA ORGÁNICA «PRIMITIVA» 12.3. NECESIDAD DE UNA CLASIFICACIÓN 12.3.1. Clasificación por radicales 12.3.2. Clasificación por tipos 12.4. QUÍMICA ORGÁNICA ESTRUCTURAL 12.4.1. 12.4.2. 12.4.3. 12.4.4.
Soporte experimental El mundo de las ideas Kekulé y la química estructural La estereoquímica
12.5. SÍNTESIS ORGÁNICA 12.6. AUGE DE LA QUÍMICA ORGÁNICA; SU PRESENTE Y SU FUTURO 12.7. REFLEXIONES FINALES
August Kekulé
12.1. INTRODUCCIÓN Desde los primeros tiempos de la actividad química se conocían muchos compuestos de origen y características muy diferentes a los del mundo mineral. Se trataba de compuestos que provenían de animales o vegetales y que después se les denominó «orgánicos», precisamente por tener su origen en seres organizados. Por esta razón la química se divide en Inorgánica y en Orgánica ya a finales del siglo XVIII, en 1771, con Bergmann. Y se les separó porque se pensaba que las reglas que regían los «cuerpos» orgánicos eran muy diferentes de las de los inorgánicos. Se creía que en los primeros se requería una fuerza vital para formarlos, fuerza que sólo existiría en los seres vivos. Por otra parte, también en esa época el farmacéutico y químico sueco Carl W. Scheele (1742-1786) y, aun antes, Jean Rudolf Glauber (1604-1670) habían realizado una importante labor experimental con compuestos orgánicos, aislando y descubriendo muchos de ellos. Lavoisier en sus meticulosos trabajos cuantitativos había detectado la composición de muchos compuestos orgánicos, en la que siempre estaba presente el carbono, además de hidrógeno y, muy frecuentemente, oxígeno, nitrógeno y algunos otros elementos (1784). Esto llevó a Leopold Gmelin (1788-1876) a definir los compuestos orgánicos como compuestos del carbono, mientras que la química inorgánica abarcaría los demás elementos y sus combinaciones (1847). Y hoy en día esta separación sigue existiendo, pues a pesar de que gran parte de las razones iniciales para crearla han desaparecido y su diferenciación no es ya tan nítida —por ejemplo, muchos compuestos orgánicos pueden prepararse partiendo de los inorgánicos y hay compuestos de carbono que no tienen las propiedades de los orgánicos— sigue manteniéndose en aras de su mayor utilidad para clasificar sus compuestos y sistematizar su estudio e investigación. Aunque en tiempos de Lemery los compuestos orgánicos que se conocían eran bastante pocos, ese número fue aumentando. Al comenzar el siglo los
176
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
químicos se encuentran ante unos compuestos de los que conocen muy poco, que es necesario analizar para determinar sus propiedades y reacciones. Por ello, los grandes químicos de esa época van a estudiar, de una manera u otra y en mayor o menor grado, los compuestos orgánicos. El descubrimiento de muchas propiedades de los compuestos orgánicos y de sus métodos de síntesis, así como su sistematización, comienzan en la primera mitad del siglo XIX, mientras que las bases de la química orgánica en cuanto a la construcción de su armazón teórico se asientan a lo largo de la segunda mitad. Y su desarrollo, casi como una «explosión», tendrá también lugar en esa segunda mitad, continuando a un ritmo vertiginoso hasta nuestros días.
12.2. QUÍMICA ORGÁNICA «PRIMITIVA» Los orígenes de la experimentación en química orgánica son muy antiguos y pueden situarse en los trabajos con colorantes y tintes de origen animal o vegetal, en procesos de fermentación de azúcares y de almidón para obtener alcohol, en la fabricación de jabón a partir de grasas, etc. No obstante, no se conocían demasiados compuestos orgánicos. Tras los trabajos de químicos como Scheele, Bergmann o del mismo Lavoisier, la figura del industrial y también químico Michel-Eugène Chevreul (1786-1889) da un impulso a la química orgánica, pues aunque muchos científicos habían tocado más o menos profundamente aspectos relacionados con ella —como el mismo Mitscherlich con sus estudios sobre azúcares, como puede revisar en el Tema 9— no se la habían tomado muy en serio. El mismo Chevreul trabaja en el análisis orgánico, sobre todo el de grasas animales, e identifica así sus componentes, glicerina y ácidos grasos, dando lugar sus resultados a un hecho de gran trascendencia en la vida común: la sustitución de las antiguas candelas por las velas como solución a los problemas de alumbrado. En 1823 y en 1824 publica dos importantes textos, que recogen gran parte de su amplia labor de investigación. Como los compuestos orgánicos procedían de organismos dotados de vida, se suponía que para su síntesis era necesaria una «fuerza vital» que sólo podría ser proporcionada por aquéllos. La idea del vitalismo era muy antigua —ya en tiempos de Stahl se hablaba de un «agente vital»— y estaba tan arraigada que científicos de la talla de Berzelius estaban fuertemente convencidos de ella. Y a pesar de que Friedrich Wöhler (1800-1882), con su síntesis de la urea a partir tan sólo de sustancias inorgánicas (1828) dio al traste con ese principio, no se abandonó totalmente hasta mediados de ese siglo, con los trabajos de síntesis de Kolbe y de Berthelot. Hasta ese descubrimiento de Wöhler podría hablarse de una química orgánica primitiva. A partir de ahí empiezan a proliferar los trabajos con esas sustancias a fin de averiguar su constitución y tratar de buscar unas relaciones entre ésta y sus propiedades. Pero para ello, era necesario empezar por
RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
177
ordenar esos compuestos, es decir, conseguir un método de clasificación más o menos coherente.
12.3. NECESIDAD DE UNA CLASIFICACIÓN En un principio se intentaron clasificar los compuestos orgánicos definiéndolos en función de su procedencia y de determinados caracteres. Así, Lemery, en su Cours de Chimie (revise el Tema 5) fue uno de los primeros en intentar clasificar esos compuestos, de los que entonces se conocían más bien pocos, apuntando la diferencia entre las sustancias minerales, animales y vegetales (1675). Pero posteriormente, ya a principios del siglo XIX —el gran siglo de la química— y muy especialmente entre 1820 y 1840, la cantidad de compuestos orgánicos surgidos de forma natural o de forma sintética crece extraordinariamente. Este número tan elevado de sustancias orgánicas llevó a muchos científicos de esa época a sentirse en cierto modo perdidos, expresando esa sensación con frecuentes metáforas, tales como un laberinto para Laurent, un bosque espeso o una selva tropical para Wöhler o también para este y Liebig sombríos dominios de la naturaleza. Ésta fue una de las razones primordiales de que los químicos intentasen realizar una clasificación desde una nueva perspectiva, para agruparlos no ya en función de su origen, sino con un criterio químico basado sobre todo en el conocimiento de las posibles transformaciones de unos compuestos orgánicos en otros.
12.3.1. Clasificación por radicales El primero en realizar una clasificación con un criterio ya científico fue el «universal» Berzelius. Como no era tan fácil separar la química orgánica de la inorgánica, al menos mentalmente, comenzó buscando una similitud entre ambas: los cuerpos orgánicos obedecerían las mismas leyes que los inorgánicos, de acuerdo su teoría electroquímica (puede revisarla en el Tema 11) y les aplicó unos principios «dualistas», según los cuales todo compuesto orgánico estaría constituido por oxígeno combinado a un radical. Partió Berzelius de la hipótesis de que los radicales preexistirían en determinados compuestos. Así lo presentó en su Ensayo sobre la teoría de las proporciones químicas (1819). Sin embargo, el término radical no era nuevo, puesto que ya había sido utilizado por Guyton de Morveau y por Lavoisier para referirse a la parte de una sustancia que se mantiene íntegra a través de sus reacciones. Y este hecho, efectivamente, fue comprobado en muchos experimentos: por ejemplo, se descubrió el llamado radical benzoilo cuando Liebig y Wöhler trabajaron en 1832 con aceite de almendras amargas (es decir, básicamente benzaldehido). De la misma manera, Bunsen, Dumas y otros investigadores fueron incorporando nuevos radicales, más o menos complejos, a los ya conocidos (el metilo, el eterino o el cacodilo).
178
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
No obstante, pronto empezaron a aparecer problemas en esta teoría. En primer lugar, muchos eran debidos a diferencias en la valoración de los pesos atómicos por parte de los distintos investigadores, por lo que no coincidían los datos suministrados por sus cálculos. Pero además surgieron ciertos hechos que dieron lugar a la percepción de un fenómeno que marcó uno de los momentos más importantes en la historia de la química orgánica. Y comenzó de esta manera: Liebig, durante su estancia en París como alumno de Gay-Lussac para aprender sus técnicas analíticas, analizó el explosivo fulminato de plata. Por otra parte, Wöhler trabajaba sobre el cianato de plata en los laboratorios de Berzelius en Estocolmo Y en los dos casos los análisis daban el mismo resultado. Tras una larga polémica entre Liebig y Wöhler —que terminó en una estrecha amistad entre ambos científicos y en una fructífera colaboración— llegaron a la conclusión, en 1826, de que esos dos compuestos tenían una composición idéntica. Esto llevó a pensar a Gay-Lussac y Chevreul que radicales iguales pudieran tener ordenamientos internos diferentes. Pero, sobre todo, dio lugar a que Berzelius desarrollase en 1831 la idea del isomería, nombre también dado por él a este concepto y que explicaba, en parte, la gran cantidad de compuestos orgánicos en comparación con los inorgánicos. Además apuntaba hacia otra idea fundamental, la de la importancia de la constitución, de la que dependerían en último término las propiedades químicas. Poco a poco van apareciendo evidencias que contradicen la teoría electrostática de Berzelius para los compuestos orgánicos. Por ejemplo, el ilustre químico francés Jean Baptiste Dumas (1800-1884), trabajando sobre las velas de alumbrado —que se blanqueaban con cloruros— comenzó una investigación sobre la reacción del cloro con los ácidos grasos. C/T/S De nuevo los problemas de alumbrado, en Lavoisier, en Chevreul, en Dumas... problemas de la vida cotidiana que motivaron investigaciones que, a la larga, dieron paso a importantes avances en la ciencia.
En uno de sus experimentos observó que en el cloroformo el átomo de hidrógeno podía ser sustituido por un halógeno. Por otra parte, la existencia del ácido tricloroacético era otra prueba de ello. Esto llevó a que un brillante alumno de Dumas, Laurent, afirmase categóricamente que se trataba de un proceso de sustitución de un hidrógeno, electropositivo, por un cloro, electronegativo. Se crea así la teoría de las sustituciones, de la que el autor es, en realidad, Laurent, aunque Dumas en cierto modo la tomase como suya. Esta teoría, evidentemente, suponía un claro ataque a la clasificación por radicales de Berzelius. Y así comenzó otra fuerte polémica en la que se vieron implicados Berzelius, Dumas y Laurent, que en definitiva condujo al establecimiento del otro método de clasificación, el de los tipos.
RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
179
Polémicas y disputas....tan frecuentes en la historia de la química y que, en última instancia, produjeron debates fructíferos para el progreso de la ciencia.
12.3.2. Clasificación por tipos Se basa en un concepto totalmente distinto al de Berzelius. Fue desarrollada en un principio por Dumas, que introdujo la idea de realizar una clasificación de los compuestos orgánicos según lo que él llamó tipos químicos, es decir, moléculas que compartían las mismas propiedades fundamentales y que daban lugar a las mismas o muy parecidas reacciones. Pero, ¿cuáles eran esas propiedades fundamentales? El camino para llevar a cabo una clasificación más consecuente era largo y necesitó la intervención de otros dos químicos ses, cuya amistad y colaboración fue, tal vez, una de las más productivas en la química. Se trata de Auguste Laurent (1808-53) y de Charles Gerhardt (181656). Ambos tienen muchos puntos en común, pero también personalidades muy diferentes aunque en cierto modo complementarias. Los dos son discípulos de Dumas, los dos investigan en los laboratorios de Liebig en Giessen y los dos mueren bastantes jóvenes. Tienen una personalidad bastante compleja, si bien Gerhardt era mucho más agresivo e impetuoso. Laurent, por su parte, era más irritable, imaginativo y de temperamento más artístico, casi un romántico y un bohemio de la química, que muchas veces no dudó en sacrificar su propio bienestar material por poder continuar con su verdadera pasión, la investigación química. Sin embargo, los dos se complementan en sus ideas y aspiraciones. Juntos trabajan, piensan, deducen. Juntos también van a fundar la prestigiosa revista Comptes rendues des travaux chimiques, que continúa hoy en día. El trabajo de ambos resultó una verdadera colaboración, en la que las ideas de uno enriquecían las del otro, dando lugar a algunas aportaciones geniales para la química orgánica y para toda la química. Tal es el caso de la clarificación de los conceptos de átomo, equivalente y molécula, que también contribuyó a la unificación del valor de los pesos moleculares. Esto se debió a Laurent principalmente, lo mismo que la teoría del núcleo —expuesta en su tesis doctoral— y que con el tiempo serviría de punto de partida para la idea de la cadena de carbono de los compuestos orgánicos. En cuanto a Gerhardt es, en realidad, el verdadero creador de la teoría de los tipos, que proporcionó un método de clasificación mucho más racional que el de Berzelius y que fue sumamente útil en su tiempo. itió así cuatro tipos: el del hidrógeno H-H; el del cloruro de hidrógeno H-Cl; el del agua HOH, y el del amoniaco H-NH2. Así, sustituyendo los átomos de hidrógeno por radicales se obtendrían distintos tipos de compuestos orgánicos. Y si se unían entre sí los diferentes tipos daban «tipos mixtos», aumentando las posibilidades de nuevos compuestos. Después, cuando se descubrieron los mercaptanos, introdujo el tipo H-SH.
180
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Por otra parte, a Gerhardt también se debe la noción de serie homóloga, desarrollada entre 1842 y 1845, que implicaba la variación regular de las propiedades físicas en compuestos de propiedades químicas muy similares, es decir, pertenecientes al mismo tipo. Numerosos experimentos que trataban de estudiar las propiedades químicas de muchas sustancias orgánicas, reforzaron la teoría de los tipos de Gerhardt. Así, su amigo y también alumno de Dumas, Adolph Wurtz (181784), descubrió las alquilaminas al estudiar la hidrólisis de los esteres ciánicos. Y, hacia 1850, el químico alemán August Wilhelm Hofmann (18181892) con sus estudios sobre obtención de aminas logró dar un claro apoyo al tipo del «amoniaco» (síntesis de aminas de Hofmann). O también el inglés Alexander Williamson (1824-1904) proporcionó una evidencia al tipo del «agua», al conseguir tras sus ensayos con alcoholes su famosa síntesis de éteres, también en 1850 (síntesis de Williamson). Tanto Laurent como Gerhardt contribuyeron a reforzar la teoría del atomismo —contra las ideas del que fuera su maestro, Dumas, enérgico equivalentista, y de tantos otros— y a que surgiera la noción de valencia, establecida por Frankland, como veremos después.
12.4. QUÍMICA ORGÁNICA ESTRUCTURAL Una vez llevados a cabo estos intentos de clasificación de los compuestos orgánicos, desarrollados a lo largo de la primera mitad del siglo XIX, los químicos comenzaron a cuestionarse los mecanismos de formación de esos compuestos. Pero para ello hacía falta en principio conocer a fondo su composición y cómo estaban unidos entre sí sus elementos integrantes. Es decir, se inició la química estructural. Si bien en el primer aspecto, en el de la creación de una taxonomía orgánica, destacaron en gran manera los químicos ses, como se ha expuesto, en este segundo aspecto, el de la química estructural, la tarea va a estar más repartida: alemanes como Kekulé, Erlenmeyer, Kolbe, Meyer o Baeyer, ses como Berthelot o Wurtz, o el mismo Cannizzaro, italiano, entre otros muchos. Todos ellos en su conjunto, con sus experimentos y sus ideas, impulsarán la creación del armazón teórico de la química orgánica.
12.4.1. Soporte experimental Ante todo debe tenerse en cuenta que para caracterizar cualquier compuesto es necesario conseguirlo en estado de pureza. Y esto era en extremo difícil para los compuestos orgánicos, bien hubieran sido aislados de productos naturales al principio, bien hubieran sido sintetizados, puesto que siempre se obtenían mezclados con otros y con gran cantidad de impurezas. Esta fue una de las mayores y primeras dificultades en la sistematización de la química orgánica; es decir, el paso previo necesario era aislar los compuestos puros para así poder determinar sus características físicas (peso atómico, puntos de fusión y de ebullición, etc.) y también las químicas.
RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
181
Este logro fue debido en una enorme parte a Liebig. Justus von Liebig (1803-73) nació en Darmstad (Alemania) en una época de empobrecimiento general tras las guerras napoleónicas, que también afectó a su familia, comerciantes en droguería. Por ello tuvo pronto que abandonar sus primeros estudios, aunque después, gracias en gran parte a su gran inteligencia, pudo ir realizando sus estudios de química en varias universidades alemanas. Muy joven, a sus 19 años tan sólo (1822), obtiene una beca en París donde fue alumno de Gay-Lussac y de Thenard (Louis Jacques Thenard, 1777-1857). Como ya hemos visto son sus años del «fulminato de plata» y de su relación con Wöhler. Regresa a Alemania en 1824, a la Universidad de Giessen, donde le habían concedido un puesto académico, teniendo que impartir clases de química en la universidad. Paralelamente, creó un instituto privado de farmacia para formar a los boticarios estatales. Se encontraba en un momento en que la química era considerada por el gobierno de gran interés y utilidad para la economía social, siguiendo el antiguo criterio del cameralismo alemán (vea el Tema 14). Esto permitió a Liebig crear en Giessen unos laboratorios donde enseñó la química práctica a todos sus alumnos, ya que el estado le concedió una ayuda financiera, aunque no muy grande, que él mismo incrementaba con su propio sueldo y con el dinero obtenido de sus alumnos privados. Con el tiempo sus clases prácticas llegaron a tener tal fama a nivel nacional e internacional, que acudieron a ellos alumnos de todas partes. Además, constituyeron un verdadero modelo y ejemplo que terminó por imponerse en otros países, con lo cual en algunos los gobiernos comenzaron a dar apoyo económico a los estudios de química. Se dedicó a la investigación orgánica y, dentro de ella al análisis orgánico. Fundó la revista Annalen der Chemie und Pharmacie, que pronto adquirió una reputación internacional por el sentido crítico y rigor científico cuando emitía sus juicios sobre las revisiones científicas de las memorias que examinaba. Pero la influencia de Liebig no termina aquí. Desde un punto de vista estrictamente científico desarrolla el análisis elemental cuantitativo (1831), aporta numerosas e importantes innovaciones técnicas para el trabajo de laboratorio y, sobre todo, crea en los químicos la conciencia de la necesidad del análisis y del establecimiento de unos criterios de pureza. Por otra parte, cada vez es mayor el número de químicos que van prestando atención a la síntesis orgánica. Ésta, iniciada con la famosa síntesis de la urea, fue definida por el químico alemán Hermann Kolbe (1818-1884) como la preparación de compuestos orgánicos a partir de sus últimos elementos.
12.4.2. El mundo de las ideas Era importante, pues, conocer cómo se unían los átomos en esas moléculas, cómo estaban constituidos los compuestos orgánicos, aparentemente tan distintos de los del mundo mineral. Con este fin muchos fueron los intentos de romper esas moléculas para analizar sus constituyentes: unas veces mediante
182
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
la corriente eléctrica, caso de Kolbe; otras, por acción de ciertos metales, como el cinc, caso de Frankland. Este último, Edward Frankland (1852-1899), químico inglés gran amigo de Kolbe, que estudió en el laboratorio de Bunsen y fiel adicto a la teoría de los radicales de Berzelius, se decantó firmemente por la química orgánica a partir de 1840. Sus numerosos experimentos con compuestos orgánicos conteniendo nitrógeno, fósforo, arsénico y antimonio le llevaron a una observación que expresó como que la capacidad de combinación de un elemento... siempre quedaba satisfecha por el mismo número de átomos. Lo cual, a su vez, le condujo a una idea genial, que contribuyó enormemente al esclarecimiento de las moléculas orgánicas: la noción de valencia. Sin embargo, será a Kekulé, defensor al contrario de Frankland de la teoría de los tipos, a quien corresponda el desarrollo de esa idea de la valencia en su sentido práctico, para explicar la manera en que los átomos se unen en esas moléculas orgánicas.
12.4.3. Kekulé y la química estructural August Kekulé von Stradonitz (1829-1896) estudió con los más famosos científicos de su época: con Liebig, por cuya influencia se dedicó a la química, con Dumas o con Gerdhardt, del que también era amigo. Sin embargo, su primera vocación no fue la química, sino la arquitectura. Y, curiosamente, ésta última tal vez haya marcado parte de sus aportaciones geniales en aquélla: al fin y al cabo interpretó la «arquitectura molecular», por la que siempre se sintió atraído hasta casi llegar a ser una obsesión. Y hasta tal punto que sus mejores ideas se le revelaron en forma de sueños, como él mismo confiesa. Y es así como se le aparecieron imágenes semiinconscientes de líneas de átomos encadenados unos con otros. Éste es el camino por el que llegó a proponer —o al menos, como él mismo nos relata— las «fórmulas desarrolladas» para los compuestos orgánicos, en las que esas cadenas quedaban representadas, permitiendo una mejor visualización de su estructura. También llegó a la conclusión de la tetravalencia del carbono (1857), aunque ya Kolbe en cierto modo había tenido también esa idea. Por otra parte, Archibald Couper (1831-1892), un escocés alumno de Wurtz, de forma simultánea aunque independientemente de Kekule, sostuvo ambas teorías: la de la tetravalencia del carbono y la de sus cadenas. En cuanto al tema de las cuatro valencias del carbono, fueron muy importantes las ideas de doble enlace y triple enlace debidas a Loschmidt para interpretar los análisis cuantitativos de las olefinas y del acetileno, respectivamente y que fueron utilizados por Kekulé y Erlenmeyer en la década de 1860. Otros investigadores contribuyeron al conocimiento de las estructuras orgánicas, como el ruso A. Butlerow (1828-1886), amigo de Couper, con sus estudios sobre isómeros. No obstante, el problema por el que Kekulé sea tal vez más recordado en la historia de la química sea el de la estructura del benceno, que por tanto
RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
183
tiempo representó un verdadero misterio para los químicos. Kekulé lo resolvió en 1865 al proponer para su estructura un modelo cíclico hexagonal, con un núcleo pues de seis carbonos, en el que tres enlaces dobles se alternaban con tres simples (1865). Al comprobar el isomerismo posicional de ese ciclo, otros químicos, como Meyer, Baeyer, Clauss, Körner o Ladenburg, propusieron fórmulas alternativas para el benceno, aunque casi todas muy parecidas a la de Kekulé. Y éste, en 1872, propuso como hipótesis la existencia de un equilibrio dinámico —de acuerdo con las ideas de Wurtz sobre la dinámica del cambio químico— entre las dos posibles formas de benceno con estructura de dobles enlaces alternados (idea ésta de un equilibrio químico que después fue desplazada por la teoría de la resonancia):
Todas estas propuestas de Kekulé tuvieron un éxito tan rotundo que fueron aceptadas prácticamente por todos los químicos de esos tiempos. Con excepción de Kolbe, oposición que duró hasta la muerte de éste. Así, pues, venció la química estructural, de la que se dice con toda justicia que Kekulé fue el fundador.
12.4.4. La estereoquímica Las fórmulas estructurales propuestas por Kekulé se situaban en el plano. No obstante, ciertas evidencias experimentales demostraron la necesidad de afinar más en el estudio de la arquitectura molecular. Y esas evidencias experimentales fueron proporcionadas por Louis Pasteur (1822-1895), quien a través de la investigación objeto de su tesis doctoral sobre la posible disimetría y actividad óptica del ácido tartárico de las uvas, encontró que existían cristales que eran asimétricos y que, además, éstos eran de dos formas diferentes, imágenes especulares entre sí. Cada una de esas dos formas tenían una actividad óptica opuesta (1848). Sin embargo, la explicación a nivel atómico no se dio hasta bastante después, en 1874, con un discípulo de Kekulé, el holandés Jacobus Henricus van´t Hoff (1852-1911, Premio Nobel de Química en 1901), quien propuso que las cuatro valencias del carbono estarían dirigidas hacia los vértices de un tetraedro regular. Para van´t Hoff la actividad óptica sería debida a la presencia de un carbono asimétrico (es decir, con los cuatro sustituyentes distintos) que también explicaría la existencia de isómeros con actividad óptica diferente. Asombrosamente, estas ideas fueron también publicadas al mismo tiempo —sólo un mes después— y de forma totalmente independiente por el químico francés Joseph Le Bel (1847-1930), ayudante de Wurtz.
184
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
¡Cuántos importantes descubrimientos han sido realizados en el mismo momento y de forma independiente por diferentes investigadores! Y cuántos casos como el de van´t Hoff, de investigadores que han sobresalido en aspectos muy diferentes de la ciencia.
De las fórmulas estructurales de Kekulé de dos dimensiones, en el plano, se da el salto a las de tres dimensiones. Se inicia así la «química del espacio», llamada después estereoquímica por Victor Meyer (1848-1897). Ya antes, en 1867, el químico y físico escocés James Dewar, también alumno de Kekulé, había sugerido esa idea del carbono tetraédrico. Y asimismo, en 1869 Johannes Wislicenus (1835-1902), estudiando el ácido láctico, había sugerido la existencia de isómeros con algunas propiedades diferentes, los cuales podrían explicarse por la distinta disposición en el espacio de sus átomos. Van´t Hoff sigue investigando en ese sentido y también en 1874 encuentra una explicación para la incomprensible isomería existente entre los ácidos fumárico y maleico (isomería geométrica). En 1885, Alfred Baeyer (18351917, Premio Nobel de Química en 1905) estudia la estereoquímica de los ciclos, desarrollando la llamada en recuerdo suyo teoría de las tensiones de Baeyer e introduce los términos de cis y trans para los isómeros geométricos (1892). En 1885 se descubre el fenómeno de la tautomería, al que Conrad Laar (1853-1929) dio ese nombre. Por otra parte, Ernest Beckmann (1853-1923) descubre en las oximas un fenómeno en el cual el átomo de nitrógeno de una oxima cambia de posición, dando lugar a la amida isómera (transposición de Beckmann, 1887). Se inician con esto los estudios de estereoquímica relativos al átomo de nitrógeno, llevados a cabo por Arthur Hantzsch (1857-1935) y Alfred Werner (1866-1919). Este último traslada los conceptos estereoquímicos a los compuestos inorgánicos llamados «complejos», descubiertos por él, y desarrolla la teoría de la coordinación (se trató en el Tema 11 y se volverá sobre ello en el Tema 13). En 1896, Paul von Walden (1863-1957) descubre en ciertas reacciones de sustitución el fenómeno denominado inversión de Walden. Y Johannes Thiele (1865-1918) formula para el benceno la idea de las semi-valencias, lo cual le permitió representar su molécula mediante una fórmula con simetría, acorde con sus propiedades físicas y químicas. En fin, y a pesar de la tenaz oposición de Kolbe, la estereoisomería triunfa plenamente entre los químicos, con lo cual se abren unas nuevas perspectivas para la química orgánica y también para toda la química.
12.5. SÍNTESIS ORGÁNICA A lo largo del siglo XIX se aislaron y describieron muchas sustancias orgánicas de importancia básica. Tal es el caso del benceno (Faraday, 1825), o de
RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
185
la acetona (Liebig, 1831) o del fenol (Runge, 1834). O de la acroleína, la parafina, el cloroformo, éste último también descubierto por Liebig, mientras que del alquitrán de hulla, una materia prima importantísima para la química orgánica, aisló Dumas el antraceno. Sin embargo, es a partir de la segunda mitad del siglo XIX cuando la síntesis orgánica se desarrolla enormemente y progresa a un ritmo vertiginoso, incidiendo de forma decisiva en la industria química (ver Tema 14). Esto en gran parte es debido al triunfo de la química estructural y de la estereoquímica, que hicieron más fácil el estudio de la química orgánica. Y ello, en definitiva, gracias a la teoría atómica. Los avances teóricos conseguidos en el siglo XIX —no sólo en química orgánica sino en todas las ramas de la química— hacen que se racionalicen los métodos de síntesis. Propician así que se hallen nuevos procesos de síntesis de los compuestos ya conocidos y que se descubran otros compuestos diferentes. Que se estudien mejor las sustancias orgánicas y que se analicen sus propiedades de tal manera que se les pueda extraer alguna utilidad para el hombre. Berthelot, el gran químico orgánico de síntesis, va a quedar desplazado por estas nuevas corrientes (recuerde su antiatomismo, vea el Tema 10), que basan los esquemas de síntesis en la química estructural. Los métodos de síntesis son tantos y tan variados, que es difícil su enumeración completa. No obstante, se puede intentar hacer un resumen de los más significativos. Así, comenzando con Kolbe y su síntesis, entre otras, del ácido salicílico en 1859, hay añadir muchas más. En 1864, Fittig consigue la síntesis de alquilbencenos y Wurtz la de alcanos, así como la de polialcoholes y de aminas alifáticas (1869). El químico alsaciano Charles Friedel (1832-1899) junto con el americano James Mason Crafts (1839-1917) consiguen un método de síntesis de diferentes compuestos aromáticos con tricloruro de aluminio como catalizador (1877), que constituye una de las reacciones más importantes cara a la industria química de aquellos momentos y de después, con la petroquímica. Entre 1860 y 1872 Claisen y Perkin desarrollan reacciones de condensación. Y mediante la reacción de Schotten-Baumann (1884) se logran preparar esteres y amidas. También en ese año, Sandmeyer pone a punto reacciones con sales de diazonio. Son tantos los nombres de químicos orgánicos que se pueden añadir a éstos y a los ya mencionados en los apartados anteriores, descubridores de procedimientos de síntesis de distintas funciones orgánicas —como Gabriel, Liebermann, Curtius, Knorr, Hantzsch, Diels, Alder, etc.— que la lista resultaría casi interminable. Pero hay que hacer una mención especial a Victor Grignard (1871-1935) que tuvo el mérito de descubrir los compuestos orgánometálicos, que proporcionaron una de las vías de síntesis más ricas de la química orgánica: fue un trabajo iniciado en su tesis doctoral y cuyo resultado le valió obtener el Premio Nobel de Química en 1912, compartido con Paul Sabatier. Y este último, junto a Senderens, pone a punto en 1897 un método de hidrogena-
186
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
ción de compuestos orgánicos con metales como catalizadores, principalmente níquel. En los últimos años del siglo XIX se intensifican los estudios sobre compuestos naturales: sobre azúcares y sus fermentaciones, sobre enzimas, sobre proteínas, sobre alcaloides... Tanto es así, que además de canalizarse estas investigaciones en la química de los productos naturales, importante apartado dentro de la química orgánica, son tantos los trabajos y los compuestos estudiados que de aquí comienza a desgajarse una nueva rama de la química, híbrido de la química orgánica y de la biología, la bioquímica. Como uno de sus iniciadores puede considerarse a Emil Fischer (Premio Nobel de Química en 1902), que desde 1875 de dedicó al estudio de los azúcares, pasando después al de purinas y proteínas. Ha sido tan enorme el desarrollo de la bioquímica, como es evidente para todos nosotros a través de los últimos estudios sobre el genoma y tantos otros avances, que no hay ya lugar en este texto para extendernos más en ello. Por otra parte, se inicia otra gran especialidad dentro de la orgánica, la química orgánica heterocíclica. Relacionado con la síntesis orgánica, se hacen importantes descubrimientos que influirán enormemente en el terreno de la vida práctica, como el del primer colorante artificial, debido a Perkin y que dio lugar una de las más importantes actividades industriales de ese siglo, como se analizará en el Tema 14. Asimismo, en esos años de la segunda, y bien entrada, mitad del siglo XIX, el estudio de nuevos procedimientos de síntesis abre paso a importantes ramas de la industria química relacionada con los productos orgánicos (como la farmacéutica o la de cosméticos y perfumería) y se descubren materiales nuevos, como los polímeros, que tendrán una incidencia tan enorme en distintos aspectos de la vida del hombre. Los años van pasando y entrando en el siglo XX la importancia de la química orgánica de síntesis es ya un hecho incuestionable
12.6. AUGE DE LA QUÍMICA ORGÁNICA, SU PRESENTE Y SU FUTURO A lo largo del siglo XX sigue desarrollándose la química orgánica. Y con el surgimiento de las teorías electrónicas sobre la estructura atómica y sobre el enlace químico, su base teórica va a quedar sumamente reforzada, muy en especial con la mecánica cuántica. Así, la noción de resonancia introducida por Heisenberg en 1926, o el de hibridación de orbitales van a contribuir a conocer mejor las estructuras de las moléculas orgánicas. Por otra parte, el estudio de los mecanismos de las reacciones orgánicas ayuda sobremanera a interpretarlas, lo que posibilita que muchas veces puedan predecirse sus rutas y sus productos de reacción. Aunque ya se iniciasen en el siglo XIX —Wittig o Marcownikoff, por ejemplo, realizaron notables aportaciones, si bien de naturaleza empírica— en el siglo XX su contribución
RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
187
al avance de la síntesis orgánica es definitiva. En este sentido son valiosísimos los trabajos de Robert Robinson (1886-1875) y sobre todo de Chistopher K. Ingold (1893-1971) sobre la estructura de las moléculas orgánicas y los mecanismos de sus reacciones (así, también establecieron el concepto de mesomería). Este último, que es considerado como el gran sistematizador de la química orgánica, fue uno de los pioneros en introducir los principios de la química física para estudiar mejor aquélla. Y a Linus Pauling se debe sobre todo que se reconociera la importancia de la mecánica cuántica en el estudio de la química orgánica. Por otra parte, se profundiza en el estudio de la catálisis y selectividad de los procesos orgánicos, con lo que, en conjunto, cabe casi hablar de una segunda revolución en esta rama de la química en los años de 1950. Continuando con el estudio de los mecanismos, desde una perspectiva mecano-cuántica las reglas de conservación de simetría orbital de Woodward y Hoffmann (1965) o el método de los orbitales frontera del japonés Fukui (1952) van a permitir la predicción de muchas reacciones. Surgen perspectivas totalmente novedosas, como la química supramolecular (1988). Y el desarrollo de la informática amplía los horizontes de la química orgánica, no sólo en el terreno de la tecnología analítica —con los poderosos métodos analíticos actuales— sino en los mismos métodos de síntesis, de lo que es un claro ejemplo la posibilidad de síntesis programadas con ordenador, a partir de Corey en 1990. En cualquier caso, ese «bosque espeso» que era la química orgánica ya desde principios del siglo XIX comienza a estructurarse y con la acumulación subsiguiente de conocimientos teóricos y su puesta en práctica está cada día más presente en otros ámbitos de la ciencia.
12.7. REFLEXIONES FINALES Los compuestos orgánicos, por tanto tiempo casi olvidados por los químicos, van a resurgir en el siglo XIX. Su conjunto constituye un mundo nuevo para los químicos, que hay que descubrir y explorar. Con la ayuda fundamental del soporte de la química física, que casi paralelamente se va desarrollando también en ese siglo, y con la aportación experimental de los métodos analíticos, se pudo construir el entramado de la química orgánica. No obstante ella también, en buena reciprocidad, efectuará importantes aportaciones tanto a la química física, como a la química analítica. La teoría sobre la valencia y los principios de la estereoquímica, por una parte, y su contribución a la tecnología analítica, por otra, dan prueba de ello.
Tema 13 EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA INORGÁNICA Y DE LA QUÍMICA ANALÍTICA ESQUEMA DE CONTENIDOS 13.1. INTRODUCCIÓN 13.2. QUÍMICA INORGÁNICA 13.2.1. Descubrimiento de nuevas sustancias 13.2.2. La teorización en Química Inorgánica 13.2.3. Química Inorgánica de síntesis 13.3. QUÍMICA ANALÍTICA 13.3.1. Primeros tiempos del análisis químico 13.3.2. Desarrollo con los químicos del flogisto 13.3.3. Desarrollo desde el siglo XIX 13.4. REFLEXIONES FINALES
13.1. INTRODUCCIÓN Estudiar los avances de la llamada «química inorgánica» se convierte, en realidad, en estudiar los avances de toda la química. Porque éstos se han producido gracias a la experimentación y la consiguiente teorización que tradicionalmente se ha realizado en gran manera sobre sustancias del mundo mineral. Por tanto, el siglo XIX va a ser fundamental para la inorgánica, sobre todo a partir de la Ley Periódica. La creación y construcción de la Tabla Periódica, que se suele adscribir dentro del terreno de una química general, pertenece también a la evolución de la química inorgánica ya que, en definitiva, fue fruto del estudio sobre los elementos químicos ya conocidos y sobre los que se fueron descubriendo a través de nuevos métodos de obtención y de detección. Sin embargo, si comparamos el desarrollo de la química inorgánica con la «otra química» dedicada también al estudio de las propiedades químicas y métodos de obtención de otras sustancias, es decir, la química orgánica, resulta perdedora la primera. Pero si se reflexiona más detenidamente esta conclusión no es tan evidente: porque en la química orgánica había que descubrirlo casi todo, mientras que en la inorgánica era seguir con la química clásica. Por ello, la extensión que en este texto se ha dado a la química orgánica es mayor: ésta era una ciencia nueva que había que investigar para conocer sus leyes y crear su soporte teórico, mientras que la química inorgánica era la química de siempre. En cuanto a la química analítica, se constituye como tal partiendo de una serie de métodos de análisis cuali y cuantitativo que se van multiplicando y ganando en precisión. De arte empírico pasa a rama de la química cuando adquiere unas bases teóricas que dan un contenido científico a todos esos métodos.
13.2. QUÍMICA INORGÁNICA Aunque a lo largo de la historia de la química se habían utilizado preferentemente las sustancias del mundo mineral, en el siglo XIX se produce un cam-
192
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
bio muy significativo. Los químicos van a ir prestando cada vez más atención a los compuestos orgánicos, en detrimento de los inorgánicos. De esta manera, tiene lugar una inversión de valores, ya que la química orgánica de estar casi totalmente apartada pasará a tener una evolución de forma espectacular. Asimismo, también la química-física se desarrolla para marcar las pautas de rigor científico en todas las demás ramas de la química y, por tanto, también en la química inorgánica. Por el contrario, en ésta última los avances no son demasiado importantes y además, en general, van ligados muy generalmente a la vertiente industrial, de lo cual se tratará más ampliamente en el Tema 14.
13.2.1. Descubrimiento de nuevas sustancias La primera mitad del siglo XIX fue rica en descubrimientos de nuevos compuestos inorgánicos, como son los óxidos de uranio, de titanio, de estroncio o ácidos minerales tan importantes como el crómico. Por otra parte, la aplicación de la electroquímica, una vez conocidos más en profundidad los mecanismos de los procesos redox, fue una fuente de obtención de nuevos elementos. Así, Davy descubre los metales alcalinos, aislando en 1807 el sodio y el potasio por electrolisis de sus hidróxidos respectivos; igualmente, en 1808 aisla el bario y el estroncio. A Davy también se debe la invención del arco eléctrico, que tendrá importantes aplicaciones industriales para la obtención de muchas sustancias (vea el Tema 10, sección 10.2). Y se siguen descubriendo otros elementos: unos metálicos, como osmio, iridio, paladio, teluro, radio, vanadio, niobio, rutenio, litio, cio, yterbio, cerio... y otros no metálicos, como bromo, yodo (descubierto éste por Courtois en 1811, al aislarlo de cenizas de algas marinas) o cloro (según patente de Watt y Cook) y otros semimetálicos, como el silicio, selenio (ambos aislados por Berzelius), teluro o boro, este último obtenido mediante reducción del ácido bórico por Gay-Lussac y su discípulo Thénard, los cuales también preparan el ácido fluorhídrico y metales alcalinos (éstos por reducción de sus óxidos con hierro o carbón). Por otra parte, Gay-Lussac obtiene el ácido iodhídrico y los iodatos, así como el ácido cianhídrico y el cianógeno. Y Thénard prepara el agua oxigenada en 1818. Nombres como los de éstos y los de otros, como Balard, Wollaston, Tennant, Mosander, Rose, Moissan (quien aisló el fluor y creó el «horno eléctrico» para reacciones a altas temperaturas, como la obtención de diamantes artificiales, Premio Nobel de Química en 1906)... quedarán unidos a muchas de estas y otras sustancias químicas. De nuevo, los avances teóricos inciden en los aspectos prácticos de la química, como son el descubrimiento y la obtención de sustancias químicas, que, a su vez, también incidieron en el desarrollo de la industria.
Asimismo, se abren importantes vías de síntesis de productos ya conocidos, impulsadas por las nuevas materias primas, muchas de ellas minerales.
EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA INORGÁNICA Y DE LA QUÍMICA ANALÍTICA
193
Tales son la cal, el azufre, las piritas, las grasas y los ácidos grasos, el platino... que repercuten en industrias tan básicas como son las de fertilizantes, ácido sulfúrico, papel o blanqueantes, entre otras. Dentro de las materias primas, hay un descubrimiento de enorme trascendencia, el de las minas de nitrato de sodio de Chile (nitrato de Chile) cuya explotación desde 1808 permitió conseguir nitrato de sodio en grandes cantidades para utilizarlo en la industria de abonos y en la de fabricación de ácido nítrico y nitratos. Otro mineral importantísimo es la bauxita (óxido de aluminio hidratado) que se empleó para obtener aluminio por vía electroquímica, mediante su reducción electrolítica, debida a C.M. Hall, 1886. No obstante, este método de obtención fue debido, en realidad, a Wöhler, que ya en 1827 había conseguido obtener aluminio por reducción de su ion (concretamente del cloruro de aluminio) por acción del potasio, procedimiento mejorado por SainteClaire Deville al sustituir el potasio por el sodio. Por otra parte, Wöhler también consiguió preparar berilio e itrio por el mismo procedimiento, en 1828, el mismo año que su síntesis de la urea. Y sintetizó el carburo cálcico (en 1862) y, a partir de él, el acetileno. De nuevo, encontramos en Wöhler otro ejemplo de químico «universal».
13.2.2. La teorización en Química Inorgánica En lo referente a la teorización, en el siglo XIX no se puede marcar casi ningún aspecto sobresaliente, a no ser hasta sus últimos años en los que el gran químico alsaciano Alfred Werner (1866-1919) descubre un nuevo tipo de compuestos que denominó «compuestos complejos», creando toda una teoría para explicar su constitución y que justificaba las valencias implicadas en ésta. Esa es la teoría de la coordinación, que publicó en 1903 (revise en el Tema 11 el apartado sobre enlaces químicos) y en la cual Werner tuvo muy en cuenta el problema de la distribución espacial, idea que le inspiró directamente la química orgánica con sus estudios sobre estereoquímica (vea el Tema 12). Pero la importancia de la química de los compuestos de coordinación no termina aquí, pues da paso en el siglo XX a un nuevo campo para la química inorgánica. Es aquí donde despunta la química australiana en la figura de Nyholm. Ronald Nyholm (1917-1971) estudia química física en la Universidad de Sydney con un discípulo de Ostwald y en Londres nada menos que con Ingold. Se interesa muy pronto por la química de coordinación —en la que realiza su tesis doctoral— y especialmente por los ligandos polidentados y los problemas estereoquímicos. En relación a este último aspecto, crea con Ronald Gillespie en 1957 la teoría de la repulsión de los pares electrónicos (vea en Tema 11), teniendo en cuenta la teoría del campo ligando ideada por Leslie Orgel en 1950. Nyholm tiene además el mérito de fusionar en su investigación
194
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
las distintas ramas de la química (orgánica e inorgánica, química física, analítica y cristalografía), que también lleva al terreno de enseñanza (como lo demuestra su vinculación al programa Nuffield para los estudios integrados de química en la enseñanza secundaria de Inglaterra).
13.2.3. Química Inorgánica de síntesis En lo referente a la química inorgánica de síntesis hay que reseñar algunos aspectos sobresalientes en la segunda mitad del siglo XIX. Tal es el descubrimiento novedoso e importante de los metalcarbonilos por el industrial inglés L. Mond (1839-1909) que abre una fructífera vía de síntesis para multitud de compuestos. También progresa en gran manera la química del nitrógeno; así, se preparan industrialmente muchos compuestos nitrogenados, como entre otros la hidracina (1887), la urea (1913) y la cianamida cálcica. Por otra parte, se debe a Ostwald el método de obtención de ácido nítrico a partir de amoniaco, que por ello lleva su nombre. Y dentro de este campo, tuvo lugar un hallazgo sintético que resultó trascendental para la historia del hombre en los últimos tiempos: la síntesis del amoniaco por el alemán Fritz Haber en 1908 (vea el Tema 14). El amoniaco, producto químico básico de una aplicación amplísima en todos los laboratorios de química, es particularmente esencial en la obtención de otros compuestos a su vez fundamentales (como el ácido nítrico), con todo lo cual resulta imprescindible en a fabricación de fertilizantes, explosivos, colorantes, medicamentos, materiales plásticos, etc. Por otra parte, tiene también una aplicación física importante, como es su utilización como fluido refrigerante. Y en este sentido, las numerosas investigaciones sobre el frío, a principios del siglo XX, han proporcionado a la química inorgánica aportaciones de gran valor. En primer lugar, se consiguió licuar el helio en 1908. Y en 1911 se descubre el fenómeno de la superconducción de los metales a muy bajas temperaturas, muy próximas al cero absoluto, aunque la explicación teórica no llegará hasta mucho después, en 1957, a través de laboriosas investigaciones ya dentro del campo de la física. Y siguiendo con los metales, en el terreno de la metalurgia, son también de gran interés los estudios prácticos sobre muchas aleaciones y sobre semiconductores, así como el desarrollo de la química de los hidruros metálicos, con el descubrimiento de productos tales como el hidruro de litio y aluminio (1947), que constituyó dentro de la química orgánica un valioso y selectivo agente reductor. En el siglo XX la química inorgánica, aletargada durante el siglo anterior, reemprende su ascensión y entra en todas las demás áreas de las ciencias. Así, y siguiendo con los compuestos de coordinación, éstos resultan un claro ejemplo de tema interdisciplinar, pues tanto intervienen en problemas bioquímicos (de química de enzimas o de química médica con estudios sobre hemoglobina, por ejemplo) como en la síntesis de nuevos catalizadores industriales a partir de 1950 (como son los complejos de platino para reacciones de polimerización).
EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA INORGÁNICA Y DE LA QUÍMICA ANALÍTICA
195
13.3. QUÍMICA ANALÍTICA Se pueden distinguir tres etapas bien definidas en la historia del análisis químico: la de los primeros tiempos, que era una práctica casi artesanal; la de los tiempos del flogisto, en la que se van multiplicando y puliendo sus técnicas, y aquélla en la que, ya dotado de unas bases teóricas, pasa a ser una nueva rama de la química.
13.3.1. Primeros tiempos del análisis químico Si nos remontamos a un tiempo muy lejano, el origen del análisis químico se puede situar ya en la Antigüedad, con algunas técnicas por vía húmeda, si bien los verdaderos principios que propiciaron el gran salto hacia lo que sería posteriormente la química analítica tendrían lugar en la Edad Media. Es entonces cuando se aíslan y preparan ácidos minerales que sirvieron para ir disponiendo de pruebas analíticas, aunque éstas carecían de un carácter de generalidad, puesto que eran específicas. Por otra parte, se descubrió el poder de los extractos de plantas para suministrar una gama de muy diversos colores, que se podía ampliar añadiendo ciertos productos a los jugos vegetales. Este descubrimiento fue debido más que a los alquimistas a pintores y tintoreros para aplicarlo en su trabajo en el que el color era tan importante. Y fue después aprovechado por los químicos, al acoplar esos virajes de color para analizar las sustancias. Es así como Boyle —según se ha tratado en el Tema 6— inició el importante capítulo de los indicadores, aprovechando los cambios de colores del concentrado de violetas o de los extractos del líquen Rocella, que era morado pero que en medio ácido pasaba a rojo y en medio alcalino a azul.
13.3.2. Desarrollo con los químicos del flogisto Otros problemas relacionados con la sanidad pública, como son el análisis de aguas para verificar su potabilidad o los análisis de orina, fueron potenciando el avance de las técnicas analíticas, lo cual tuvo importancia ya a partir del siglo XIV. A esto se añadieron, sobre todo en el siglo XVII, la preocupación por el control de medicinas y alimentos o los problemas de la mineralogía, la metalurgia y también los de la fabricación textil, que comienzan a ser de interés industrial a partir de esa época. El lavado y secado de precipitados, los métodos de análisis por vía húmeda, los métodos cualitativos y cuantitativos, van creciendo en importancia tanto a nivel del pequeño laboratorio como a nivel industrial. C/T/S De nuevo problemas de la vida común o los surgidos de la incipiente producción a gran escala siguen incidiendo en el desarrollo de la química.
196
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
En este sentido hay que resaltar las innovaciones introducidas ya a finales del siglo XVIII por los químicos del flogisto (revise el Tema 7). Así, Andreas Marggrafe (1709-1782), que proporcionó la prueba de análisis a la llama para diferenciar las sales de sodio de las de potasio. Asimismo, puso a punto muchas reacciones características de detección de sustancias y demostró la posibilidad de trabajar con cantidades de muestras muy pequeñas. O Torben Bergman (1735-1784), con quien el análisis asciende de categoría dentro del «orden jerárquico» de la química y se convierte en una nueva rama de ésta. A él se deben los fundamentos del análisis en medio acuoso y la descripción de reactivos analíticos nuevos (por ejemplo, sales de calcio por ácido oxálico, hierro por precipitación con ferrocianuro de potasio o cloruros mediante nitrato de plata), publicados en una memoria sobre análisis de aguas. Muchos otros nombres importantísimos de la historia de la química participaron en este continuo ascenso del análisis químico, químicos del siglo XVIII en gran parte flogísticos, que contribuyeron a perfeccionar estas técnicas con su enorme rigor: tales son Kirwan, Klaproth o Vauquelin.
13.3.3. Desarrollo desde el siglo XIX Berzelius y Thomas Thomson, consiguieron de forma independiente demostrar que era posible determinar con exactitud los pesos atómicos y equivalentes partiendo de las bases teóricas de la teoría atómica. Tenían ambos una doble virtud, la de poseer una fuerte formación teórica y rigor científico, así como unas enormes habilidades prácticas, contribuyendo así a dotar al análisis químico de una base teórica más fuerte. Los primeros esquemas de análisis cualitativo de mezclas metálicas se deben a Bergman y al mismo Berzelius, aunque no lograron dar un esquema general deductivo. A partir del siglo XIX se hacen así notables progresos en lo cualitativo y en lo cuantitativo. Un discípulo de Berzelius, Heinrich Rose (1795-1864) escribe un manual de química analítica en el que se exponía y explicaba por primera vez el esquema de separación por grupos. Pero otro importante químico analista, Carl Remigius Fresenius (1818-1897), lo reelabora, escribiendo un nuevo manual de análisis cualitativo de uso en toda Europa hasta la década de 1930, en que fue desplazado por el de Arthur I. Vogel. Además, Fresenius tiene otro mérito importante, el haber fundado la primera revista de química analítica, en 1862. En cuanto al análisis cuantitativo, fue desarrollado ya por los químicos pneumáticos. Rose y Fresenius sistematizaron los métodos gravimétricos, que van perfeccionando su precisión a lo largo del siglo XIX. Sin embargo, sus procedimientos son tan sólo empíricos hasta que Ostwald ya en 1880 hace una revisión de las bases teóricas de la precipitación. Por este motivo, muchos le consideran como el creador de la química analítica moderna: el análisis químico termina de constituirse así en una nueva rama de la química, dotada de un cuerpo teórico que soporta todos sus variadísimos procedimientos. Por otra parte, el análisis volumétrico, ideado por Gay-Lussac, se desarrolla con valiosas innovaciones por parte principalmente de J. Volhard, de
EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA INORGÁNICA Y DE LA QUÍMICA ANALÍTICA
197
C.F. Mohr y de R.W. Bunsen (que también trabajó en química orgánica y a quien se debe, entre otras aportaciones teóricas y prácticas, el famoso mechero «Bunsen», de gas, utilizado hasta hace muy poco como principal procedimiento de calefacción en los laboratorios). Y en el análisis de los compuestos orgánicos, Liebig en sus laboratorios de la Universidad de Giessen creó una verdadera escuela en la que se formaron químicos de todo el mundo (vea el Tema 12). Se van ampliando los métodos analíticos, de tal manera que poco a poco se van haciendo más sofisticados. Así, Bunsen también desarrolla el análisis gasométrico. Y un discípulo de Liebig, el americano Oliver W.Gibbs, es el iniciador del análisis electrogravimétrico, el cual forma parte de las técnicas analíticas electrométricas (como son la valoración potenciométrica, la conductimetría y la polarografía), que a su vez pertenecen al conjunto de los métodos instrumentales de análisis, que tanto se han multiplicado y perfeccionado a lo largo del siglo XX. De los nuevos métodos analíticos del siglo XIX, tal vez el más importante sea el análisis espectral, cuyo origen se puede ubicar en la fotometría a la llama. Su fundamento parte del hecho de que cada elemento tiene un espectro diferente y característico, consistente en una serie de rayas de unas frecuencias determinadas. Por ello, al analizar un espectro se han de observar y estudiar atentamente esas rayas. El diseño de su metodología y utilización práctica se deben a Bunsen y a Kirchoff. Este tipo de análisis tiene además una gran ventaja, que sólo se necesitan cantidades pequeñísimas de la muestra a analizar. Permitió ya desde sus comienzos descubrir muchos elementos, como el niobio, rutenio, lantano, galio, godolinio y europio, entre otros. Y, además, se pudieron reconocer sustancias presentes en la fotoesfera, simplemente analizando el espectro de la luz solar. De esta manera, los mismos Bunsen y Kirchhoff pudieron demostrar la presencia de una serie de elementos metálicos alrededor del sol (hierro, magnesio, cromo y níquel). Una de las más interesantes aportaciones en este sentido del análisis de los espectros atómicos fue el descubrimiento de los gases nobles, llevada a cabo por Ramsay, Rayleigh y Travers, discípulo éste del primero, entre 1894 y 1898 (vea el Tema 11), que tuvo importantes repercusiones en el terreno práctico y, sobre todo, en el teórico, al dar lugar con el tiempo a la creación de la teoría del octete, entre otros aspectos. Además de estos espectros atómicos, en 1879 también se inicia la espectroscopia molecular, dirigida al estudio de la constitución de las moléculas. Tuvo una excelente aplicación especialmente para los compuestos orgánicos. En un principio se llevaron a cabo los espectros en la zona ultravioleta y visible, pero después, a partir de 1905, se extendieron al infrarrojo. Esta espectroscopia recibió un gran refuerzo con la base teórica proporcionada por Bjerrum en 1912. Se pudieron determinar así momentos de inercia de moléculas sencillas y longitudes y ángulos de enlace. Por ejemplo, se estableció de esta manera el modelo molecular del agua, a partir del espectro de su vapor. En el año 1928 dos físicos de la India, Raman (Premio Nobel de Física en 1930) y
198
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Krishan descubren en los espectros infrarrojos un efecto hasta el momento desconocido, que se llamó efecto Raman y que constituyó una nueva técnica espectroscópica de determinación estructural. Otra importante técnica de análisis estructural es la de Rayos X (puede revisarlo en el Tema 11), mientras que la invención del microscopio electrónico en 1931 por E. Ruska y M. Knoll, tuvo su mayor éxito con las moléculas biológicas ya que permitió, por ejemplo, la «visualización» de proteínas. Otros métodos instrumentales —entre los que se encuentran la cromatografía en columna y en fase gaseosa, los métodos de intercambio iónico, la espectrometría de masas, los distintos tipos de espectroscopia, incluyendo la resonancia magnética nuclear— auxiliados con los poderosos medios de la electrónica, hacen que el análisis se vaya convirtiendo en algo cada vez menos próximo a los principios químicos y más dependiente de los adelantos de la física y de la tecnología. En cualquier caso, algunas de estas técnicas analíticas adquirieron tal envergadura y su teoría se desarrolló tanto que han llegado a independizarse. Este es el caso del análisis espectroscópico, que se ha constituido en una ciencia aparte, separada de la química analítica, para pasar a ser una especialización más bien dentro del área de la química-física, la espectroscopía.
13.4. REFLEXIONES FINALES Hemos visto cómo las fronteras que existían entre los compuestos orgánicos e inorgánicos van desapareciendo y que hay una interpenetración de muchos de sus objetivos, temas de estudio y teorías. Si bien sus técnicas experimentales básicas son diferentes, muchas de ellas con el tiempo se van aproximando. Esto es fácilmente comprensible, ya que todas las leyes fundamentales que las gobiernan son las mismas. Al fin y al cabo, las dos son «química». Este hecho se muestra muy claramente con los compuestos organometálicos, que tienden un puente de comunicación entre ambas. Pero la conexión de la química inorgánica se va ampliando a otras ramas de la química e, incluso, en un sentido más amplio, a otras ramas de la ciencia, como mineralogía, cristalografía, radioquímica, bioquímica... En cuanto a la química analítica, sus métodos hoy en día han extendido su utilidad más allá de la química: en medicina, en agricultura, en biología... Cumple así con lo que Ostwald había previsto: su papel de imprescindible «servidor» de otras ciencias.
Tema 14 LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA/TECNOLOGÍA/SOCIEDAD ESQUEMA DE CONTENIDOS 14.1. INTRODUCCIÓN 14.2. PRIMERAS INDUSTRIAS QUÍMICAS 14.2.1. Un ejemplo: la industria de la porcelana 14.3. INDUSTRIAS INORGÁNICAS: ALGUNOS EJEMPLOS 14.3.1. La industria del carbonato sódico 14.3.2. La industria del ácido sulfúrico 14.4. INDUSTRIAS ORGÁNICAS 14.4.1. Un ejemplo: la industria de los colorantes 14.5. LAS INDUSTRIAS QUÍMICAS Y LAS GUERRAS 14.5.1. Un ejemplo: la síntesis del amoniaco 14.6. REFLEXIONES FINALES
14.1. INTRODUCCIÓN Hemos visto cómo el siglo XIX es testigo ya desde sus comienzos de una química que alcanzó el rango de ciencia. Asimismo, se ha tratado cómo esa ciencia incipiente va creando se cuerpo teórico, se multiplican los ensayos y estudios para construirlo, con lo cual se va profundizando en el conocimiento de las propiedades y naturaleza de las sustancias químicas. Ello trae aparejado que toda esa gran cantidad de conocimientos vaya constituyendo una red cada vez más tupida, por lo que se hace necesaria una sistematización de su estudio. Lo cual supone también una clasificación y una división de lo que antes era una única disciplina en diversas partes o ramas de la química. Esos avances en la teoría, en la experimentación y en las técnicas correspondientes tuvieron amplias repercusiones en muchos ámbitos. Como se conocían mejor las propiedades de las sustancias, podía deducirse de esto la posible utilidad de muchas de ellas para la vida del hombre. Y éste intentó producirlas en cantidad mucho mayor o producir otras nuevas que también le fueran útiles. Es así como se desarrolla la industria química, sobre todo a partir de la segunda mitad del siglo XIX. Pero, en realidad, surge mucho antes. Ya desde el siglo XVII empieza a aparecer en Europa la fabricación a una escala considerable de ciertos productos, pero puede decirse que la fabricación del carbonato sódico por Leblanc, a finales del siglo XVIII, es el verdadero inicio de la industria química en el sentido más propio de esa palabra, según se analizará después. Sin embargo, lo que tiene lugar en el siglo XIX es una explosión en todos los órdenes de la industria y, por tanto, también en el sector químico, fenómeno que en sociología se conoce como revolución industrial. Y se desarrolla la química técnica. Por otra parte, la vertiente industrial de la química tal vez sea el aspecto de ésta que nos ofrece ejemplos más claros y en mayor número acerca de las relaciones ciencia/tecnología/sociedad.No tendría mucho sentido hacer ahora una revisión exhaustiva de toda la historia de la industria química, por lo que sólo se tratarán algunos casos determinados —tomados como ejemplo—
202
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
que por diferentes circunstancias han marcado un hito en su trayectoria. Y han sido seleccionados por su trascendencia desde el punto de vista químico y por su incidencia en esas relaciones ciencia/tecnología/sociedad.
14.2. PRIMERAS INDUSTRIAS QUÍMICAS La economía de los numerosísimos estados alemanes del Sacro Imperio Romano Germánico quedó devastada tras la Guerra de los Treinta Años (1618-1648). Por este motivo surgió un movimiento por parte de los gobiernos de esos estados de intentar la recuperación económica. Protegieron así la economía desde los gobiernos, promoviendo y fomentando la industria y el comercio y controlando fuertemente las materias primas, con el fin de que fueran utilizadas con mayor provecho. Este movimiento se llamó cameralismo, de la palabra alemana kammera, es decir, cámara (por el desarrollo de las cámaras de industria y comercio). C/T/S El problema económico, en este caso producto de una guerra, va a ser el impulsor del desarrollo de la ciencia y la técnica.
Aparte, claro está, de las industrias metalúrgicas que, como ya hemos visto, existían desde tiempos tan antiguos, va naciendo la fabricación organizada y en mayor escala de muy diversos productos necesarios para la vida del hombre, como jabón, vidrio, cerámica, cervezas y vinos, tejidos, tintes, papel, azúcar de remolacha... Es decir, son unos momentos en que comienza a desarrollarse más la industria química. Y precisamente, la época de la química del flogisto coincide plenamente con este periodo. Los príncipes y reyes de esos estados protegen a los químicos, lo mismo que muchos alquimistas habían sido protegidos por la nobleza de la Edad Media. Por tanto, la química se vio también protegida dentro de esta corriente, ya que los gobiernos habían tomado conciencia de la utilidad práctica de este saber, que podía incidir positivamente en el desarrollo económico.
Como ejemplo del efecto de esta colaboración entre la química y la promoción oficial, analizaremos el desarrollo de la industria de la porcelana.
14.2.1. Un ejemplo: la industria de la porcelana El rey de Prusia Federico el Grande fue uno de estos casos de clara protección a los químicos prestigiosos de su época. Así fue con Caspar
LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA/TECNOLOGÍA/SOCIEDAD
203
Neumann (1638-1737) y después con Johann-Heinrich Pott (16921777), ambos partidarios del flogisto. Y el rey encargó a éste último que imitara la porcelana que venía de oriente y cuya fórmula era desconocida en Europa. Pott comienza así a mezclar distintos minerales y a someterlos a altas temperaturas. Eran unos ensayos empíricos que le condujeron a llevar a cabo un sinnúmero de pruebas (¡casi 30.000!). Sin embargo, no acertó a dar con la verdadera fórmula, que implicaba la utilización del caolín. Así que murió sin ver cumplido su objetivo, el cual fue logrado por su sucesor en el favor del rey, Johan Friedrich Boettger (1682-1719). Éste tuvo el acierto de mezclar caolín blanco con feldespato y cuarzo, con lo cual consiguió una porcelana de excelentes cualidades. Con este triunfo de la química nació la primera fábrica de porcelana blanca en Sajonia, concretamente en Meisen (1710), hecho que inicia una verdadera tradición en fabricación de porcelanas en toda Centro Europa. Se extiende esta industria a otros puntos, como Viena (1720), Höchst (1740), Fürstenberg (1744), Nymphenbourg (1751) y Berlín (1751). La industria de la porcelana pronto se asienta también en Francia, donde es Pierre-Joseph Macquer (1718-1784) quien más contribuyó a esta industria. Se hicieron así muy famosas las porcelanas de Sêvres y de Limoges. Y también da el salto hasta Inglaterra donde el trabajo de Josiah Wedgwood (1730-1795) da lugar a la fábrica de porcelana de su nombre, seguida de otros muchos tipos de las célebres porcelanas y cerámicas inglesas.
14.3. INDUSTRIAS INORGÁNICAS: ALGUNOS EJEMPLOS Muchos son los compuestos del reino mineral que se conocían y obtenían desde hace muchísimo tiempo. Pero tal vez dos de los más interesantes sean el ácido sulfúrico y el carbonato sódico. Ambos se conocían ya en la Antigüedad y ambos son productos básicos para muchas industrias y otras actividades del hombre, por lo que éste trató de conseguirlos de una manera u otra. De estos dos casos se expondrá una breve historia.
14.3.1. La industria del carbonato de sodio Al hablar del carbonato sódico hay que recordar a nuestro viejo amigo, el natrón de los egipcios, que ha sido el compañero de químicos primitivos, alquimistas y químicos, científicos o no. El carbonato sódico, la fuente natural de álcalis desde tiempos tan antiguos, fue y sigue siendo un compuesto fundamental y, si nos situamos ya en pleno siglo XVIII, era un producto necesario en la fabricación de jabón, vidrio, papel o tintes.
204
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
En esa época habitualmente se extraía de las cenizas de ciertas plantas, sobre todo de algas, siendo España entonces un gran exportador. Y en la Francia del siglo XVIII, con una industria química floreciente, la exigencia de este producto era cada vez mayor, razón por la que tenía que importarlo de otros países a un precio considerablemente alto. Por esta razón, la Academia de Ciencias instó a los químicos a buscar algún otro procedimiento de obtención y con ese objetivo lanzó un concurso dotado con un premio en metálico. Y lo primero que se pensó era en la sal marina como materia prima, ya que al fin y al cabo el natrón procedía de lagos salados. Tras algunos intentos fallidos, fue Nicolás Leblanc (vea el Tema 7) quien lo consiguió. Curiosamente era médico cirujano, aunque muy interesado por la física y la química, tanto que llegó a ser un verdadero experto en la cristalización de sales. Es así como se sintió atraído por ese reto y dedicó todos sus esfuerzos a investigar en la síntesis de la entonces llamada «sosa». Pero hay que tener en cuenta que era una investigación con un fuerte contenido empírico, puesto que evidentemente en aquella época no se conocía la composición de las sustancias. Se le ocurrió transformar la sal marina (cloruro sódico) en sulfato sódico mediante la acción del ácido sulfúrico. Y después trataba este producto con carbón pulverizado. Pero sólo conseguía obtener sulfato de sodio. Es así como fue probando, más o menos a ciegas, añadiendo diferentes compuestos a ese producto. Así, hasta que apareció el ansiado carbonato sódico cuando calentó el sulfato de sodio con carbón y carbonato de calcio. También varió las proporciones y las operaciones técnicas de laboratorio hasta conseguir poner a punto el procedimiento, en 1789 —año también de la Revolución sa—, ganando el concurso de la Academia. Por otra parte, Leblanc, que era un científico de medios modestos, no podía sufragar los gastos de sus investigaciones, por lo que estaba bajo los auspicios del duque de Orleans. Éste también aportó el dinero necesario para proteger ante notario los derechos por la autoría del procedimiento de fabricación, es decir, para la patente correspondiente —el 20 de enero de 1791—, que fue además una de las primeras patentes sobre la propiedad industrial. También en ese año, 1791, construye Leblanc la primera fábrica de «sosa» en Saint-Denis (París), siempre bajo el apoyo financiero del duque de Orleans. Pero no funcionaría durante mucho tiempo. Los acontecimientos revolucionarios van a precipitar la ruina de esa fábrica y también la de Leblanc. Ésta comienza con la muerte de su protector y confiscación de sus bienes, entre los que se contaba la fábrica y sus materiales. Leblanc generosamente hace público el procedimiento de obtención ante el Comité de Salud Pública revolucionario, con lo que se multiplican sus «imitadores», lo cual termina arruinándole al no poder hacer frente ante sus competidores. Sin dinero, sin su protector, en la miseria, acaba con su vida suicidándose con un disparo en el asilo de pobres de Saint-Denis..., muy cerca de su antigua fábrica.
LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA/TECNOLOGÍA/SOCIEDAD
205
Sin embargo, el procedimiento de Leblanc fue todo un éxito, no sólo desde el punto de vista industrial, sino desde el químico. Se trata, en realidad, de la primera síntesis industrial, ya que hasta el momento la producción de materias químicas había consistido en «extracciones», no en la «creación» de una sustancia partiendo de otras. Por ello, a Leblanc se le puede considerar indudablemente como el fundador de la industria química. Abre el paso, pues, a los productos de sustitución.
Poco a poco, la producción de carbonato sódico se fue abandonando en Francia de forma considerable y, por el contrario, se extendió por otros países, sobre todo en Inglaterra De todas maneras, con el tiempo el método de Leblanc fue presentando muchos problemas, sobre todo químicos, uno de los mayores causados por los residuos de ácido clorhídrico —aunque luego se le encontró una solución— y principalmente por los sulfuros que, arrojados al mar, producían unos olores terribles. Hay muchas referencias acerca de cómo llegaban a alterar incluso el paisaje estas fábricas de carbonatos. Humos, vapores ácidos, olores nauseabundos... que dañaban espantosamente la salud de los obreros de esas fábricas y la de sus familias. Son las descripciones que tan frecuentemente aparecen en las novelas de Dickens, entre otros.
Por ello, ya en 1863 aparece un método alternativo para la fabricación de carbonato sódico mediante un procedimiento de fundamento químico totalmente distinto, en el que se utilizaba también sal marina y carbonato cálcico pero se evitaban los restantes reaccionantes, empleándose en su lugar amoniaco. Éste es el método Solvay, llamado así por su inventor, el belga Ernest Solvay (1838-1922), que tardó diez años en ponerlo a punto, montando la primera fábrica cerca de Bruselas, en 1871. Con unas materias primas tan baratas y eliminados los subproductos molestos, el método de Leblanc dejó de ser competitivo, por lo que se abandonó totalmente en el año 1915. Fue el de Solvay un procedimiento revolucionario en la industria química y un ejemplo de economía industrial, pues consiguió que el amoniaco se reciclara dentro de la misma fábrica para poder emplearlo nuevamente. El método de Solvay, por otra parte, se desarrolló en unos momentos en que el cuerpo teórico de la química ya había hecho grandes progresos, por lo que en su puesta a punto no hubo necesidad de que todos los pasos seguidos fueran de tipo empírico, sino que unas leyes establecidas de la química iluminaron las ideas de su autor, permitiéndole seguir un proceso científico en su elaboración. De nuevo aparece la injerencia de la economía en los problemas químicos. De nuevo, el método científico versus el simple empirismo.
206
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
14.3.2. La industria del ácido sulfúrico Ya en la antigüedad se conocían el ácido sulfúrico y los sulfatos (a los que en general, se llamaban vitriolos, como se trató en el Tema 2). En el Medioevo los alquimistas obtenían este ácido partiendo de sulfato de hierro. Así lo describe el alquimista árabe Rhasés (puede revisarlo en el Tema 4). Sin embargo, el procedimiento era difícil y con bajo rendimiento. Por esta razón en el siglo XVII se comenzó a preparar de otra manera, por combustión de azufre en un vaso en un ambiente húmedo y después se concentraba el ácido producido por evaporación del agua. Era lo que se llamaba el espíritu de azufre, obtenido así por el italiano Angelus Sala. Este procedimiento tan sencillo fue el embrión de las primeras producciones del ácido sulfúrico a nivel industrial. El primer problema era la lentitud del proceso. Por esto se intentó mejorarlo y así químicos tan importantes como el mismo Lemery (ver Tema 5) intervinieron en ello. Éste introdujo la innovación de añadir una pequeña cantidad de nitrato potásico o «nitro», que tenía el efecto de activar la combustión del azufre, con lo que el ácido sulfúrico se formaba más rápidamente. De esta manera, el ingeniero químico inglés Ward construyó la primera fábrica de producción de ácido sulfúrico, o aceite de vitriolo, en Inglaterra, en Richmond, localidad próxima a Londres, en 1736. El vaso utilizado en el laboratorio para realizar la combustión fue sustituido por enormes vasijas de unos 250 litros de capacidad y en la concentración se empleaba una caldera de plomo. De esta forma, se consiguió abaratar hasta en cinco veces el ácido producido, con lo cual estas mejoras en su fabricación tuvieron un éxito tal que al ácido se le llamó ácido inglés. Poco después, en 1746, se introdujo otra sensible mejora que bajó aún más el precio del ácido, al sustituir los industriales Roebuck y Garbett las vasijas de combustión por cámaras de plomo (grandes cajas de madera revestidas de plomo), construyéndose en Birmingham la primera fábrica de este tipo. Este método pasa también a Francia, donde se construye la primera fábrica de sulfúrico de cámaras de plomo en la ciudad de Rouen, en 1766. Pero este «paso» no fue tan fácil. Esta técnica fue importada precisamente por un inglés, Holker, el cual fue un personaje de vida azarosa y un ejemplo de que el espionaje industrial no es un invento de nuestros días. Su pequeña historia bien merece unas palabras. Holker era partidario de los Estuardo y en su levantamiento contra el rey de Inglaterra fue hecho prisionero por las tropas de éste y condenado a muerte. Logró escapar de prisión y huyó a Francia, donde para conseguir la protección de Luis XV «vende», en cierto modo, lo que conocía de la industria inglesa. Tras bastantes vicisitudes se instala en Rouen, donde empieza creando fábricas relacionadas con el ramo textil y termina con la de ácido sulfúrico.
LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA/TECNOLOGÍA/SOCIEDAD
207
C/T/S De nuevo la relación de los conflictos bélicos y políticos con la evolución de la ciencia y la técnica.
Tras algunas pequeñas modificaciones en el procedimiento, las fábricas se extienden por esos años en más lugares de Francia, así como en Sajonia y hasta en Polonia. Y así, llegamos al siglo XIX. Désormes y Clément descubren en 1805 la acción catalítica de los óxidos de nitrógeno. Y químicos tan conocidos como Gay-Lussac trabajaron también en la industria del sulfúrico y a él se debe una notable mejora: el intercalar una «torre», la torre de Gay-Lussac, cuya finalidad era la de absorber los gases nitrosos producidos en el proceso (1827). Después el alemán J.Glover añadió otra torre, en 1859, para preparar el sulfúrico fumante. Sin embargo, el siglo xx va a ser testigo de una profunda transformación en la industria del ácido sulfúrico. A pesar de las sucesivas mejoras introducidas en el método de las cámaras de plomo, en 1901 hubo un cambio radical, tanto en la materia prima como en su procedimiento, con el método llamado de o. Como materia prima en este nuevo procedimiento se utilizaron piritas en lugar del azufre. Al quemar aquéllas se producía dióxido de azufre, el cual debía ser oxidado al trióxido. Se intentaron diversos métodos para realizar esta oxidación —ya que ofrecía serias dificultades por los productos arsenicales que también se formaban— hasta llegar al empleo de catalizadores de platino o de vanadio. Recordemos que en esos años se había avanzado enormemente en los aspectos teóricos de la química-física y, concretamente, en el de la catálisis (ver Tema 10). Pero, ¿por qué se cambió la materia prima? Sencillamente, por una cuestión económica. El azufre generalmente provenía de las minas de Sicilia, donde sus propietarios tenían su monopolio, por lo que viendo la demanda creciente de esta sustancia, decidieron sacar más partido de ella, aumentando hacia 1835 enormemente su precio. Con esto, la producción de sulfúrico partiendo de azufre ya no era rentable y hubo que buscar otros caminos. C/T/S Éste es otro caso muy evidente de la interrelación ciencia-técnica-economía. Una cuestión de economía de mercado incita a los científicos a buscar nuevas vías, investigando y aplicando los nuevos conocimientos teóricos.
208
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
14.4. INDUSTRIAS ORGÁNICAS El establecimiento de la química estructural (vea el Tema 12) va a permitir el desarrollo de la síntesis orgánica de una manera programada, ya que una vez conocidas las estructuras de las moléculas se podía prediseñar su procedimiento de síntesis a escala de laboratorio. Después, el llevarlo a escala industrial era también posible, una vez superadas los problemas de tipo técnico. Es así como ya en la segunda mitad del siglo XIX se va iniciando una industria de compuestos orgánicos que adquirió un rápido progreso y unas enormes proporciones. Puede decirse que comienza con la industria de los colorantes sintéticos, en 1856, que pronto promueve el desarrollo de la industria de productos farmacéuticos e, incluso, la de perfumería sintética. Al comenzar el siglo XX los procesos de hidrogenación catalítica descubiertos por Sabatier y Senderens (revise el Tema 12) dan paso a muy variados e importantes procesos industriales. También como novedad, con la aparición de nuevos materiales como son los polímeros comienza un nuevo tipo de industria que no cesará de desarrollarse, desde la fabricación de caucho sintético y de seda artificial en aquellos momentos, hasta la actualidad, con una de las industrias más poderosas y diversas de la industria química. En este sentido, la petroquímica ha supuesto un enriquecimiento altísimo en la industria orgánica por la amplia variedad de procesos industriales de síntesis en una vasta gama de productos y procedimientos. Como ejemplo de la industria orgánica se expondrá el surgimiento de la industria de colorantes, porque a su valor histórico une interesantes incidencias de las relaciones ciencia/tecnología/sociedad.
14.4.1. Un ejemplo: la industria de los colorantes Muchas veces ocurre en la investigación científica que un hecho totalmente fortuito ha conducido a resultados insospechados y de una importancia sorprendente. Esto es lo que sucedió con el fenómeno que abrió paso a la industria de los colorantes, cuando el inglés William Henry Perkin (18381907) descubrió la mauveína, el primer colorante sintético. El prestigioso químico orgánico Augustus Wilhelm von Hofmann (revise el Tema 12) dirigía una importante línea de investigación sobre el aprovechamiento de los productos residuales de la destilación de la hulla. En la segunda mitad del siglo XIX la eliminación de estos residuos —debidos sobre todo a la producción cada vez mayor de coque destinado a la creciente industria metalúrgica— llegó a constituir un serio problema. Por ello, se intentó reutilizarlos de tal manera que pudieran ser de algún provecho. Y según esto, Hofmann enfocó una de sus investigaciones hacia la posible obtención de anilinas y sus derivados del alquitrán de hulla. Es así como Perkin, joven asistente de Hofmann, intentó obtener la quinina mediante el tratamiento de
LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA/TECNOLOGÍA/SOCIEDAD
209
estos residuos con dicromato potásico. Encontró que se formaba un precipitado oscuro del que extrajo una sustancia de color violeta intenso. Pero esa masa no era la quinina, sino un compuesto de propiedades colorantes, que teñía la seda y la lana. Con este acontecimiento, en 1856, se inicia la industria de los colorantes. ¡Y, curiosamente, la quinina no se sintetizó hasta 1944! Perkin enseguida patentó su descubrimiento y se lanzó a la fabricación industrial de ese colorante, al que en principio dio el nombre de púrpura de anilina. Consiguió un éxito extraordinario y pronto pasó también su producción a Francia, donde se le llamó mauveína, precisamente debido a su color malva (de mauve, malva en francés). Animados por los altos beneficios, numerosos investigadores se adentraron en ese reciente campo de los colorantes sintéticos, buscando otros nuevos. Se abrió una rama industrial que rápidamente alcanzó un enorme desarrollo y potencial económico, en la que hay que diferenciar dos periodos: El primero se caracterizó por una investigación de tipo empírico, puesto que no se conocía aun la estructura de las moléculas de los colorantes. Se iba probando partiendo de benceno, tolueno y anilinas, sobre todo. Los países que más se dedicaron a esta nueva industria fueron Gran Bretaña y Francia. Así, Nathanson descubrió la fucsina y en 1861 se obtuvo el amarillo de anilina. Este primer periodo se extiende hasta más o menos 1866, año en que Kekulé con el establecimiento de la estructura del benceno dio paso a la química estructural. Con esto, ya se pueden determinar, tras cuidados y laboriosos análisis, la estructura de los colorantes naturales e intentar sintetizarlos artificialmente en un laboratorio para después llevar el procedimiento a escala industrial. Es decir, la investigación dejó de ser empírica para seguir una metodología organizada. De esta manera, se determinóla estructura de la alizarina en 1868 y se sintetizó poco después en 1871, colorante que contribuyó enormemente en el desarrollo de la conocida firma alemana BASF (Badische Anilin und Soda Fabrik), que de comenzar en 1861 como una pequeña empresa química pasó a ser a principios de la Primera Guerra Mundial uno de los complejos químicos mayores del mundo. Sin embargo, con el índigo el proceso fue mucho más largo: Baeyer empezó a estudiar su estructura en 1865 y consiguió establecerla en 1882, pero no se pudo sintetizar hasta 1897. Se fueron descubriendo así otros colorantes y mejorando los procesos industriales de los ya conocidos, entrando los países y empresas implicados en una verdadera guerra de patentes que condujo al surgimiento y engrandecimiento de muchos complejos industriales. Asimismo, se creó una competencia feroz, con consecuencias de orden económico, jurídico e incluso político que terminaron en un desplazamiento de la industria de colorantes hacia Suiza y Alemania a finales del siglo XIX, sólo a 40 años de su inicio. De la industria de colorantes también se generaron otras que con el tiempo fueron tan importantes o más. Por ejemplo, de la idea de cómo aprovechar el dióxido de azufre que se obtenía como subproducto en la síntesis del índigo es como
210
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
surgió el nuevo método de obtención del ácido sulfúrico «de o», que acabamos de tratar, iniciado también en los laboratorios de la BASF (aunque su producción comercial comenzará en Estados Unidos, Lousiana, en 1901). Por otra parte, esta industria tuvo otras importantes consecuencias, también a nivel económico. Pero en este caso negativas. Por ejemplo, el índigo natural se obtenía por extracción de un arbusto, indigofera tinctoria. India y Java, principalmente, lo producían de esta manera y lo vendían a los demás países, pero... ....como el índigo sintético resultaba mucho más barato que el natural, éste dejó de poderse vender y ocasionó una fuerte depresión económica en los países productores, India y Java.
14.5. LAS INDUSTRIAS QUÍMICAS Y LAS GUERRAS El siglo XX es testigo de la sensible mejora de las industrias existentes o de la sustitución de éstas por otros procedimientos más rentables, así como del nacimiento de otras muchas. Comienzan nuevos tipos de vida, que dan al traste con hábitos y necesidades del pasado pero que generan otros diferentes, a los que la industria ha de dar respuesta. Son numerosísimos y variados los casos que podrían citarse de industrias químicas que implican importantes aspectos científicos, económicos y sociales. Aunque, en realidad, podría hacerse esta observación extensiva a todos los tipos de industrias. Por otra parte, las dos Guerras Mundiales han promovido la creación de importantes investigaciones que han culminado casi siempre en el surgimiento de una producción industrial de la que también ha formado parte importantísima el sector químico en muy diferentes aspectos. Así, no sólo la necesidad de fabricar armas —explosivos o combustibles y, además, las terribles armas químicas que tanto se desarrollaron, desgraciadamente, en la Primera Guerra Mundial— sino también la falta de alimentos y medicinas, así como la escasez de materias primas, impusieron a los científicos un ritmo de investigación y creación mucho más «productivo» que el de tiempos de paz. Es interesante revisar algún ejemplo de la influencia que la política y necesidades provocadas por la guerra han ejercido sobre la industria química, tanto durante los conflictos bélicos como en los tiempos de postguerra. Como un caso de los más ilustrativos, revisaremos a grandes rasgos la síntesis del amoniaco.
14.5.1. Un ejemplo: la síntesis del amoniaco La síntesis industrial del amoniaco, que tiene el mérito de utilizar directamente el nitrógeno de la atmósfera, se lleva a cabo mediante el método de
LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA/TECNOLOGÍA/SOCIEDAD
211
Haber, el cual como señala esta denominación se debe al químico alemán Fritz Haber (1868-1934, Premio Nobel de Química en 1918). El amoniaco se prepara por combinación directa de sus elementos, en una reacción que es un clásico ejemplo de equilibrio químico. Por esto mismo, Haber, ilustre profesor e investigador en química física, pudo llevar a cabo la puesta a punto de la síntesis del amoniaco en 1908, gracias a su conocimiento de la termodinámica de reacciones gaseosas. Se montó la primera fábrica de amoniaco en 1913, dentro de la gran firma alemana BASF, muy poco antes del comienzo de la Primera Guerra Mundial. Pero cuando ésta estalló en 1914, el amoniaco pasó a convertirse en un compuesto de primera necesidad por ser punto de partida para la síntesis de ácido nítrico, el cual a su vez se utilizaba principalmente en la fabricación de explosivos para la guerra y de fertilizantes para el abastecimiento de alimentos y para toda una serie de importantes productos. Pero asimismo el amoniaco era empleado en multitud de otras industrias como agente químico e, incluso, como fluido refrigerante. En este sentido, el proceso de Ostwald de obtención de ácido nítrico por oxidación catalítica del amoniaco (puede revisarlo en el Tema 13) permitió a Alemania proveerse de este ácido y de nitratos. C/T/S La trascendencia de esta síntesis en medio de aquella larga guerra fue acrecentada por el hecho de que las importaciones a Alemania del nitrato de Chile, la fuente nitrogenada tradicional, se vio impedida por el bloqueo impuesto por los países aliados.
14.6. REFLEXIONES FINALES A través de estos ejemplos de la industria química, se evidencian una serie de ideas. Tales son, entre otras, que en la industria química se plasman los resultados de la investigación. Pero también entran otros factores muy diferentes: la interferencia económica, con unas leyes de mercado y el aprovisionamiento de las materias primas, el mundo de las patentes, los secretos de los descubrimientos industriales... Unos factores son económicos, otros políticos, otros jurídicos y a los que hay que añadir, sobre todo hoy en día, la posesión de una sofisticada tecnología y los problemas de contaminación. Tanto es así, que sus conexiones con los conflictos bélicos han existido siempre y en un doble sentido. Las guerras han impulsado la investigación y la industria química, bien para conseguir productos de rentabilidad bélica o bien productos de subsistencia, simplemente, que después han podido ser de utilidad en tiempos de paz. Pero también, a la inversa, en ciertos casos la carencia de productos base o de materias primas han provocado esos conflictos. No hay más que hacer una ligera revisión de las dos Guerras Mundiales para afirmarnos en esta observación.
212
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Y como recapitulación final vemos cómo, ya desde el siglo XIX, la química se ha ido institucionalizando. No sólo es reconocida por los gobiernos y es ayudada de forma más o menos sistemática, más o menos organizada, en su mantenimiento económico, sino que también es apoyada por la opinión pública que reconoce y valora su contribución al desarrollo social. Los investigadores en química pura o en química aplicada ya no tienen que recurrir a su fortuna personal —como Lavoisier— o a mecenazgos —como Leblanc—, porque o bien los gobiernos o bien entidades públicas o privadas sufragarán los gastos de su investigación. De esto se beneficia la química, pero también la industria.
Obtención del ácido sulfúrico, o «aceite de azufre» en el siglo
XVII.
BIBLIOGRAFÍA
BIBLIOGRAFÍA GENERAL BENSAUDE, B. y STENGERS, I. (1997): Historia de la Química. Madrid. Addison-Wesley Iberoamericana Española, S.A. BERETTA, M. (1993): The Enlightenment of Matter. N. York. Science History Publications. BROCK, V. H. (1992): Historia de la Química. Madrid. Alianza Editorial. CALVO CALVO, F. (1982): Historia de la Química. Madrid. Real Academia de Ciencias. HOEFER, F. (1866): Histoire de la Chimie. París. Gutenberg Reprints. IHDE, J. I. (1984): The Development of Modern Chemistry. New York. Dover Publications, Inc. LEVERE, T. H. (1971): Affinity and Matter. Oxford. Clarendon Press. MULTHAUF, R. P. (1966): The origins of Chemistry. London. Oldbourne. OSTWALD, W. (1916): L´Évolution d´une Science, La Chimie. Paris. Ernest Flammarion Ed. PARTINGTON, J. R. (1945): Historia de la Química. Madrid. Espasa-Calpe. VIDAL, B. (1989): La Liaison Chimique: le Concept et son Histoire. Paris. Librairie Philosophique J. Vrin. WOJTKOWIAK, B. (1986): Historia de la Química. Zaragoza. Ed. Acribia.
BIBLIOGRAFÍA ESPECÍFICA ELIADE, M. (1990): Herreros y Alquimistas. Madrid. Alianza Ed. FEYERABEND, P. K. (1975): Contra el Método. Barcelona. Ed. Ariel. GARCÍA BARRENO, P. (Director) (2000): La Ciencia en sus Manos. Madrid. Espasa-Calpe. GOUPIL, M. (1991): Du Flou au Clair? Histoire de l. Affinité Chimique. Paris. Editions du C.T.H.S. KUHN, T. S. (1975): La Estructura de las Revoluciones Científicas. México. Fondo de Cultura Económico. LEICESTER, H. M. (1968): Source Book in Chemistry. Cambridge, Massachusetts. Harvard University Press.
214
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
LEICESTER, H. M. (1967): Panorama Histórico de la Química. Madrid. Alhambra. LUCRECIO (1969): De la Naturaleza de las Cosas. Madrid. Espasa-Calpe. LEVERE, T. H. (1971): Affinity and Matter. Elements of Chemical Philosophy 1800-1865. Oxford. Clarendon Press. MARCO, B. (1986): La Perspectiva Histórica en el Aprendizaje de las Ciencias. Madrid. Narcea. MAUSKOPF, S. H. (Editor) (1993). Chemical Sciences in the Modern World. Filadelfia. University of Pennsylvania Press. METZGER, H. (1991); Chemistry. West Cornwall. Locust Hill Press . NAVARRO CORDÓN, J. M. y CALVO MARTÍNEZ, T. (1995): Historia de la Filosofía. Madrid. Anaya. ROCKE, A. J. (1984): Chemical Atomism in the Nineteenth Century. From Dalton to Cannizzaro. Ohio. Ohio State University Press. SABINE, G. (1975): Historia de la teoría política. México. Fondo de Cultura Económica. SÁNCHEZ RON, J. M. (1999): Como al León por sus Garras. Madrid. Ed. Debate. — (1999): Cincel, Martillo y Piedra: Historia de la Ciencia en España. Madrid. Taurus. DE SANTIAGO, D. (1994): Arte Separatoria. Alicante. Instituto de Cultura «Juan GilAlbert», Diputación de Alicante. SARTON, G. (1959): Historia de la Ciencia. La Ciencia durante la Edad de Oro griega. Ciencia y Cultura en los últimos tres siglos A.C. Buenos Aires. Ed. Universitaria de B.Aires. TRAYNHAM, J. G., editor (1986): Essays on the History of Organic Chemistry. Baton Rouge y Londres. Louisiana State University Press. VIDAL, B. (1989): La Liaison Chimique: le Concept et son Histoire. Lyon, Instituit Interdisciplinaire d´Etudes Epistemologiques.
BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA TATON, R. (ed.) (1989): Historia General de las Ciencias. Barcelona. Destino. BYNUM, W. F., BROWNE, E. J. y PORTER, R. (Eds.) (1986): Diccionario de Historia de la Ciencia. Barcelona. Herder. Biblioteca Histórica de Grandes Personajes. Ed. Urbión
OTRAS LECTURAS ASIMOV, I. (1975): Breve Historia de la Química. Madrid. Alianza Ed. CAPRA, F. (1987): El Tao de la Física. Madrid. Ed. Luis Cárcamo. HEISENBERG, W. (1976): La Imagen de la Naturaleza en la Física Actual. Barcelona. Ariel.
ÍNDICE ALFABÉTICO DE PERSONAJES
A ABEGG, Richard, 169 AGRÍCOLA (Georg BAUER), 23, 72 AGUSTÍN (San), 64 ALBERTO MAGNO, 63, 64 143 ALDER, Kurt, 185 ALEJANDRO MAGNO, 47, 59 AL-MAMOUN, 61 AL-MANSOUR, 61 AMPÈRE, André M., 135 ANAXIMANDRO, 41 ANDREWS, Thomas, 160 ARISTÓTELES, 41, 48-52, 60, 62, 64, 77, 84, 85 ARRHENIUS, Svante, 145, 147, 153 ASTON, F.W., 165, 167 AVERROES, 63 AVICENA, 63 AVOGADRO, Amadeo, 134, 135 B BACON, Francis, 20, 64, 22, 84 BACON, Roger, 64 BAEYER, Alfred, 180, 183, 184, 209 BALARD, Antoine Jérôme, 192 BALMER, Johann, 167 BARBA, Alonso, 90 BAUMANN, Eugen, 185 BAYEN, Pierre, 105 BEAUMÉ, Antoine, 105 BECKEREL, Henri, 166 BECKMANN, Ernst, 147 BECHER, Johann Joachim, 97, 98, 99 BEGUYER DE CHANCOURTOIS, 161
BERGMAN, Torben,104, 175, 176, 196 BERNOUILLI, Daniel, 160 BERTHELOT, Marcelin, 150, 151, 155, 159, 176, 180, 185 BERTHOLLET, Claude-Louis, 117, 118, 128, 129, 130, 137, 152 BERZELIUS, Jöns Jacob, 100, 120, 128, 136-138, 139, 153, 169, 176, 177, 178, 179, 182, 192, 196 BJERRUM, Niels, 149, 197 BLACK, Joseph, 101, 102, 118 BOERHAAVE, Hermann, 105, 132 BOETTGER, Johann Friedrich, 103, 203 BOHR, Niels, 167 BOLTZMANN, Ludwig, 150, 151, 152, 160 BONAPARTE, Napoleón, 128, 129 BORN, Max, 168 BOYLE, Robert, 21, 72, 78, 83-91, 96, 99, 102, 125, 132, 133, 143, 195 BRÖNSTED, Johannes N., 148 BROOGLIE (de), Louis, 168 BUNSEN, Robert Wilhelm, 177, 182, 197 BUTLEROW, Alexander, 182
C CANNIZZARO, Stanislao, 135, 180 CARLISLE, Anthony, 144 CARLOS I (Inglaterra), 89 CARLOS IV (España) CARNOT, Sadi, 150 CATALINA DE MÉDICIS, 72 CAVENDISH, Henry, 102, 109, 110, 112, 115, 116, 118
216
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
CELSO, 73 CLAISEN, Ludwig, 185 CLAPEYRON, Benoit, 150 CLAUSIUS, Rudolf, 150, 160 CLAUSS, Adolf, 183 CLÉMENT, Nicolás, 153, 207 CLEOPATRA (alquimista), 61 CLEOPATRA (reina de Egipto), 33 COMTE, Auguste, 152 COOK, 192 COPÉRNICO, Nicolás, 22 COREY, Robert B., 187 COUPER, Archibald, 182 COURTOIS, Bernard, 192 CRAFTS, James Mason, 185 CRISTINA (reina de Suecia), 104 CROMWELL, Oliver, 78, 206 CRUKSHANK, 144 CURIE, Marie (M. SKLODOWSKA), 166 CURIE, Pierre, 166 CURTIUS, T., 185 CHADWICK, James, 165 CHARLES, Jacques Alexander Césart, 130 CHEVREUL, Michel-Eugène, 176, 178
ELIADE, Mircea, 47, 56 EMPÉDOCLES, 41, 48, 49, 52 EPICURO, 50, 51 ERLENMEYER, Emil, 180, 182 ESTEBAN DE ALEJANDRÍA, 61
F FAJANS, Kasimir, 170 FARADAY, Michel, 145, 154, 184 FEDERICO EL GRANDE (Prusia), 202 FISCHER, Emil, 186 FITTIG, R., 185 FOURCROY, Antoine François, 118, 119 FRANCK, 168 FRANKLAND, Edward, 169, 180, 182 FRANKLIN, Edward C., 148 FRESENIUS, Carl Remigius, 196 FREUNDLICH, H.,154 FRIEDEL, Charles, 185 FUKUI, Kenichi, 187
G D DALTON, John, 103, 126, 127, 129, 130136, 139, 159, 164, 165 DAVY, Humphry, 144, 154, 192 DEBYE, Peter, 149, 151, 171 DEIMAN, J., 144 DEMÓCRITO, 41, 50 DESCARTES, René, 20, 22, 78, 84, 86 DESORMES, Charles Bernard, 153, 207 DEWAR, James, 160, 184 DIELS, Otto, 185 DIOCLECIANO, 61 DIOSCÓRIDES, 40, 42 DIRAC, Paul, 168 DÖBEREINER, J.W., 153, 161 DRUDE, 169 DULONG, Pierre Louis, 138, 139 DUMAS, Jean Baptiste, 161, 177-179, 180, 182, 185 E EINSTEIN, Albert, 151, 155, 160, 167, 168
GABRIEL, 185 GALENO, 42 GALILEO (Galileo GALILEI), 22, 84 GARBETT, 206 GASSENDI, Pierre, 84 GAY-LUSSAC, Louis Joseph, 128, 129, 130, 134, 154, 178, 181, 192, 196, 207 GEBER (Djabir Ibn Ajan), 62 GEOFFROY, François, 105, 143 GERHARD, Charles, 179, 180, 182 GIBBS, Josiah Willard, 150, 151, 197 GILLESPIE, Ronald, 170, 193 GLAUBER, Jean Rudolf, 175 GLOVER, J., 207 GMELIN, Leopold, 175 GOLDSTEIN, Eugen, 165 GRAHAM, Thomas, 146 GRIGNARD, Victor, 185 GRONWALL, 149 GROTTHUS, Theodor, 145 GUETTARD, Jean Etienne, 110 GULDBERG, Cato Max, 152 GUYTON DE MORVEAU, Louis Bernard, 112, 117, 118, 177
217
ÍNDICE ALFABÉTICO DE PERSONAJES
H HABER, Fritz, 211 HALES, Stephen, 101, 112 HALL, Charles Martin, 193 HANTZSCH, Arthur, 184, 185 HAROUN-AL-RACHID, 61 HARVEY, William, 22, 89 HEGEL, Georg W.F., 50 HEISENBERG, Werner, 168, 186 HEITLER, Walter, 170 HELMHOLTZ, Hermann Ludwig F. von, 150 HENRY, William, 132, 146 HERÓN, 83, HESS, Germain H., 149 HEYROUSKY, Jaroslav, 149 HIGGINS, William, 134 HISINGER, William, 137, 144 HITTORF, Johann Wilhelm, 146 HOFFMANN, Ronald, 187 HOFMANN, August Wilhelm, 180, 208 HOLKER, 206 HOOKE, Robert, 86, 87, 88, 90 HÜCKEL, Erich, 147, 170 HUND, Fredrick, 168, 170 I INGOLD, Christopher K., 187, 193 J JOULE, James Prescott, 131, 149 K KANT, Emmanuel, 50, 127 KASSEL, 153 KEKULE VON STRADONITZ, August, 169, 180, 182-184, 209 KELVIN (lord), William Thomson, 150 KEPLER, Johannes, 22 KEYNES, John M., 95 KIRCHOFF, Gustav Robert, 197 KIRWAN, Richard, 106, 118, 196 KLAPROTH, Martin Heinrich, 196 KNOLL, M., 198 KNORR, Ludwig, 185
KOHLRAUS, Friedrich, 146 KOLBE, Hermann, 176, 180-185 KÖRNER, Wilhelm, 183 KOSSEL, Walter, 169, 170 KRAUSS, 148 KRISHAN, K.S., 198 L LA MER, 149 LAAR, Conrad, 184 LADENBURG, Albert, 183 LANGMUIR, Irving, 154, 170 LAO TSÉ, 57, 78 LAPLACE, Pierre Simon, 110, 115, 116, 120, 149 LASAREFF, 155 LAURENT, Auguste, 177-180 LAVOISIER, Antoine-Laurent, 21, 52, 77, 87, 90, 91, 99, 100, 102, 105, 106, 109-120, 125, 127, 128, 132, 136, 139, 149, 166, 175, 176, 177, 212 LAVOISIER, Marie Anne Pierrette (M.A.P. PAULTZE), 110, 112 LE BEL, Joseph, 183 LE CHATELIER, Henri, 150 LEBLANC, Nicolás, 105, 201, 204, 205, 212 LECOQ DE BOISBAUBRAN, P.E., 163 LEMERY, Nicolás, 76, 106, 177, 206 LENNARD-JONES, John Edward, 170 LEUCIPO DE MILETO, 50 LEWIS, Gilbert Newton, 148, 151, 170 LIBAVIO (LIBAVIUS), Andreas, 23, 75, 76, 153 LIEBERMANN, Carl, 185 LIEBIG (von), Justus, 55, 65, 177-179, 181, 182, 185, 197 LINNEO, Carl, 105, 117 LOMONOSSOV, Mikhail, 106 LONDON, Fritz, 171 LOSCHMIDT, Joseph, 182 LOWRY, Thomas Martín, 148 LUCRECIO, 51, 83 LUIS XV (Francia), 206 LULL, Ramón (LULIO, Raimundo), 65 M MACQUER, Pierre-Joseph, 203 MARAT, Jean Paul, 110
218
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
MARCOWNIKOFF, Vladimir, 186 MARGGRAFE, Andreas Sigismund, 104, 196 MARÍA LA HEBREA, 60, 64 MARIOTTE, Edmé, 88 MAYER, Julius Robert, 149 MAYOW, John, 89, 90, 143 MENDELEEV, Dmitri, 162, 163 MEYER, Lothar, 162, MEYER, Victor, 180, 184 MILNER, S.R., 149 MITSCHERLICH, Eilhard, 137, 138, 176 MOHR, Carl Friedrich, 197 MOISSAN, Henri, 192 MOLINER, María, 18, 19 MOND, Ludwig, 194 MONGE, Gaspard, 117 MOSANDER, C.G., 192 MOSELEY, Henry, 163, 165 MULLIKEN, Robert S., 170 N NATHANSON, 209 NERNST, Walter, 148, 151 NEUMANN, Caspar, 104, 203 NEWCOMEN, 149 NEWLANDS, John, 161, 163 NEWTON, Isaac, 22, 78, 95, 96, 125, 132, 143 NICHOLSON, William, 144 NOBEL, Alfred, 147, 148, 155, 160, 164, 165, 166, 167, 169, 170, 183, 184, 185, 186, 192, 197, 211 NYHOLM, Ronald, 170, 193 O ONSAGER, Lars, 149 ORGEL, Leslie, 193 OSTWALD, Wilhelm Friedrich, 118, 148, 159, 183, 184, 193, 194, 196, 198, 211 OWEN, 149 P PALISSY, Bernard, 72 PARACELSO (P.A.T. BOMBEST von HOHENHEIM), 23, 72, 73, 74, 75, 77, 78, 85, 86, 102, 109
PASTEUR, Louis, 119, 183 PAULI, Wolfgang, 168 PAULING, Linus C., 168, 170, 187 PAULZE, Marie Anne (ver en Lavoisier) PEARSON, Ralph G., 148 PERKIN, William Henry, 185, 186, 208, 209 PETIT, Alexis T., 138, 139 PFEFFER, W., 146 PLANCK, Max, 151, 155, 160, 164, 167 PLATÓN, 48 PLINIO, 39, 42 POTT, Johann Heinrich, 103, 203 PRIESTLEY, John, 100, 103, 109, 110, 112, 113, 114, 115, 125, 131 PROUST, Louis-Joseph, 127, 128 PROUT, William, 139 R RAMAN, C.V., 197 RAMSAY, William, 163, 169, 197 RAOULT, François Marie, 147 RAYLEIGH (lord; John William Strutt), 163, 197 REY, Jean, 90, 120, 166 RHASES (Al-Razi), 62, 63, 206 RICHTER, Jeremias Benjamin, 102, 126, 127, 137 RIVE (de la), 149 ROBINSON, Robert, 187 ROEBUCK, John, 206 RÖNTGEN, Wilhelm Conrad., 164 ROSE, Heinrich, 192, 196 ROUELLE, François, 105, 111, 127 RUNGE, 185 RUSKA, Ernst, 198 RUTHERFORD, Ernest, 166, 167 RYDBERG, Johannes, 163, 167 S SABATIER, Paul, 185, 208 SAINTE-CLAIRE DEVILLE, Henri, 193 SALA, Angelus, 206 SANDMEYER, Trangott, 185 SAINTE-CLAIRE DEVILLE, Henri, SCHEELE, Carl Wilhelm, 103, 105, 106, 175, 176 SCHOTTEN, Carl, 185
219
ÍNDICE ALFABÉTICO DE PERSONAJES
SCHRÖDINGER, Erwin, 168 SENDERENS, J.B., 185, 208 SÉNECA, 51 SILVIO, Franciscus, 79 SLATER, John, 170 SODDY, Frederick, 166 SOLVAY, Ernest, 205 SOMMERFELD, Arnold, 168 SÖRENSEN, Peter, 148 STAHL, Georg, 89, 96, 97, 98, 100, 104, 105, 109, 111, 113, 143, 176 STAHL, Peter, 89 STEPHENSON, 149 STONEY, G.C., 164
VAN HELMONT, Joan Baptista, 52, 76, 77, 78, 84, 85, 86, 96, 101, 102 VAN LAAR, 149, 151 VAN TROOTSWIJK, A., 144 VAN´T HOFF, Jacobus Henricus, 146, 150, 152, 153, 183, 184 VAUQUELIN, Nicolas Louis, 196 VOGEL, Arthur I., 196 VOLHARD, J., 196 VOLTA, Alessandro, 144 VON GERICKE, Otto, 88 VON LINDE, Carl, 160 VON WALDEN, Paul, 148, 184 W
T TACHENIO, Otto, 79 TALES DE MILETO, 48, 52 TENNANT,Charles, 192 TEÓFILO, 63 TEOFRASTO, 40, 41, 42 THÉNARD, Louis Jacques, 154, 161, 181, 192 THIELE, Johannes, 184 THOLDE, Johann, 64 THOMSEN, Julius, 148, 150 THOMSON, Joseph John, 164-168 THOMSON, Thomas, 196 TOMÁS DE AQUINO (SANTO), 63, 64 TORRICELLI, Evangelista, 89 TRAVERS, 197
WAAGE, Peter, 152 WARD, 206 WATT, James, 115, 149, 192 WEDGWOOD, Josiah, 203 WERNER, Alfred, 163, 169, 170, 184, 193 WILHELMY, Ferdinand, 152 WILLIAMSON, Alexander, 180 WISLICENUS, Johannes, 184 WITTIG, Georg, 186 WÖHLER, Friedrich, 137, 153, 176, 177, 178, 181, 193 WOLLASTON, William H., 192 WOODWARD, Roger B., 187 WREN, Christopher, 89 WURTZ, Adolph, 180-183, 185 Z
V VALENTÍN, Basilio, 64 VAN DER WAALS, Johannes D., 160, 161, 170
ZEEMANN, Pieter, 168 ZENÓN, 51 ZÓSIMO, 23 ZSIGMONDY, Richard, 164
ISBN 84-362-4347-1
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
CUADERNOS DE LA UNED
Soledad Esteban Santos
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA
CUADERNOS DE LA UNED (35211CU01) INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del «Copyright», bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos.
© UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA - Madrid, 2001 Librería UNED: c/ Bravo Murillo, 38 Teléfs.: 91 398 75 60/73 73. E-mail: [email protected] © Soledad Esteban Santos ISBN: 84-362-4347-1 Depósito legal: M. 11.496-2002 Primera edición: septiembre de 2001 Primera reimpresión: marzo de 2002 Impreso en España - Printed in Spain Imprime: Fernández Ciudad, S. L. Catalina Suárez, 19. 28007 Madrid
ÍNDICE
PRESENTACIÓN ....................................................................................
13
TEMA 1. LOS QUÍMICOS ANTE SU HISTORIA ................................
15
1.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
1.2.
LA QUÍMICA Y LA CIENCIA ....................................................... 1.2.1. Algunos conceptos previos................................................ 1.2.2. El método científico. .........................................................
1.3.
LA EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA: RASGOS GENERALES .... 1.3.1. Orígenes y desarrollo de la química ................................. 1.3.2. Pasos en la evolución de la química ................................. 1.3.3. Evolución de la química en relación a otras ciencias .....
1.4.
ORIGEN DE LA PALABRA «QUÍMICA».....................................
1.5.
ESTRUCTURA DE ESTE TEXTO ...............................................
17 17 18 19 20 20 21 22 23 24
BLOQUE TEMÁTICO I Los primeros pasos de la Química TEMA 2. LA QUÍMICA PRIMITIVA ...................................................
29
2.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
31
2.2.
LA QUÍMICA EN LA PREHISTORIA..........................................
31
2.3.
LA QUÍMICA EN LAS PRIMERAS CIVILIZACIONES HISTÓRICAS ................................................................................
33
2.4.
LA QUÍMICA PRÁCTICA EN EXTREMO ORIENTE.................
34
2.5.
PRIMERAS TECNOLOGÍAS: CERÁMICA, VIDRIO Y ESMALTES
35
8 2.6.
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
EL TRABAJO CON METALES: LA METALURGIA ....................
36
2.6.1. Uso de los metales en la Antigüedad ................................ 2.6.2. Minerales y procesos químicos de la metalurgia.............
37 39
2.7.
PRODUCTOS QUÍMICOS SEGÚN LOS TEXTOS ANTIGUOS.
40
2.8.
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
42
TEMA 3. LAS PRIMERAS TEORIZACIONES EN QUÍMICA.........
45
3.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
47
3.2.
ESTUDIO DE LA MATERIA EN LA FILOSOFÍA NATURAL GRIEGA.........................................................................................
48
3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4.
Filósofos presocráticos...................................................... Aristóteles .......................................................................... Epicúreos ........................................................................... Estoicos ..............................................................................
48 48 50 51
3.3.
EVOLUCIÓN DE LA IDEA DE ELEMENTO..............................
51
3.4.
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
52
TEMA 4. LA ALQUIMIA ......................................................................
53
4.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
55
4.2.
ORÍGENES Y DESARROLLO DE LA ALQUIMIA .....................
56
4.3.
LA ALQUIMIA CHINA .................................................................
57
4.4.
LA ALQUIMIA GRIEGA ...............................................................
59
4.5.
LA ALQUIMIA ÁRABE .................................................................
61
4.6.
LA ALQUIMIA EN EL OCCIDENTE CRISTIANO .....................
63
4.7.
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
65
BLOQUE TEMÁTICO II Los pasos hacia la Ciencia TEMA 5. LA IATROQUÍMICA O QUÍMICA MÉDICA DEL RENACIMIENTO .................................................................
69
5.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
71
5.2.
PRIMEROS TIEMPOS DE LA QUÍMICA RENACENTISTA .....
72
5.3.
PARACELSO Y LA IATROQUÍMICA ...........................................
73
5.3.1. Paracelso: notas sobre su vida .......................................... 5.3.2. Ideas químicas de Paracelso ............................................. 5.3.3. Paracelso como médico ....................................................
73 74 74
9
ÍNDICE
DESARROLLO DE LA IATROQUÍMICA.....................................
75
5.4.1. Van Helmont: el químico de lo cuantitativo y del agua ..
76
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
79
TEMA 6. BOYLE: EL SENTIDO QUÍMICO Y EL SENTIDO RELIGIOSO ..........................................................................
81
6.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
83
6.2.
LA TEORÍA ATÓMICA EN LOS INICIOS DEL RENACIMIENTO .........................................................................
83
BOYLE: VIDA Y ACTIVIDAD CIENTÍFICA................................
84
6.3.1. 6.3.2. 6.3.3. 6.3.4. 6.3.5.
Algunos datos de su biografía........................................... Boyle y la teoría corpuscular ............................................ Boyle y la teoría ácido-base .............................................. Boyle y el estudio de los gases .......................................... Boyle y la interdisciplinaridad..........................................
84 85 87 87 89
6.4.
OTROS CIENTÍFICOS DE ESTA ÉPOCA ...................................
90
6.5.
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
90
TEMA 7. CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA ......................................................................
93
7.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
95
7.2.
NEWTON Y LA QUÍMICA ...........................................................
95
7.3.
LA TEORÍA DEL FLOGISTO.......................................................
97
7.3.1. Antecedentes históricos y científicos ............................... 7.3.2. Stahl y la teoría del flogisto ..............................................
97 98
LA QUÍMICA PNEUMÁTICA .......................................................
100
7.4.1. Inglaterra y la química pneumática: Black, Cavendish y Priestley........................................................................... 7.4.2. Otros químicos del flogisto ...............................................
100 104
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
106
TEMA 8. LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA
107
8.1.
109
5.4.
5.5.
6.3.
7.4.
7.5.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
10 8.2.
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
NOTAS SOBRE LA VIDA DE LAVOISIER..................................
109
8.2.1. Datos biográficos............................................................... 8.2.2. Formación y actividad científica ...................................... 8.2.3. Corrientes científicas en la formación de Lavoisier ........
109 110 111
LABOR CIENTÍFICA DE LAVOISIER ........................................
112
8.3.1. Trabajo sobre metales ....................................................... 8.3.2. Composición del aire......................................................... 8.3.3. Trabajos sobre el agua.......................................................
112 114 115
LA NUEVA QUÍMICA: ADIÓS AL FLOGISTO............................
116
8.4.1. Nueva química y necesidad de una nueva nomenclatura 8.4.2. Extensión a otros países....................................................
117 118
8.5.
OBRA ESCRITA DE LAVOISIER ................................................
119
8.6.
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
119
8.3.
8.4.
BLOQUE TEMÁTICO III Los pasos de la Nueva Química TEMA 9. DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA ....................................
123
9.1.
INTRODUCCIÓN..........................................................................
125
9.2.
PRIMERAS CONSECUENCIAS DE LA QUÍMICA CUANTITATIVA.............................................................................
126
9.2.1. Richter, la ley de los números proporcionales y la estequiometría ................................................................... 9.2.2. Ley de las proporciones definidas de Proust ................... 9.2.3. Ley de las proporciones múltiples.................................... 9.2.4. Gay-Lussac y las leyes volumétricas.................................
126 127 129 130
DALTON: TRABAJO EXPERIMENTAL DE IDEAS ...................
130
9.3.1. 9.3.2. 9.3.3. 9.3.4.
Breve biografía de Dalton ................................................. Labor científica de Dalton ................................................ Dalton y la ley de volúmenes de combinación................. El «complemento» de la teoría atómica: principio de Avogadro ....................................................................... 9.3.5. Otros trabajos de Dalton ...................................................
131 132 134
BERZELIUS Y EL DESARROLLO DE LA QUÍMICA ................
136
9.4.1. Labor científica de Berzelius ............................................
137
9.5.
OTRAS APORTACIONES IMPORTANTES .................................
138
9.6.
REFLEXIONES FINALES ...........................................................
139
9.3.
9.4.
134 135
11
ÍNDICE
TEMA 10. DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA.......................
141
10.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................
143
10.2. ELECTROQUÍMICA.....................................................................
144
10.3. QUÍMICA DE LAS DISOLUCIONES...........................................
146
10.4. TERMODINÁMICA ......................................................................
149
10.5. CINETOQUÍMICA Y CATÁLISIS.................................................
152
10.6. OTRAS ESPECIALIDADES .........................................................
154
10.7. REFLEXIONES FINALES ...........................................................
155
TEMA 11. CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA ....................................
157
11.1. INTRODUCCIÓN.......................................................................... 11.2. LOS GASES Y LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA .................
159 159
11.3. NECESIDAD DE UNA CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS
161
11.3.1. Primeros intentos de clasificación ................................. 11.3.2. Sistemas periódicos.........................................................
161 162
11.4. ESTRUCTURA DE LOS ÁTOMOS ..............................................
164
11.4.1. Evidencias experimentales: partículas subatómicas ..... 11.4.2. Descubrimiento de la radiactividad ............................... 11.4.3. Las aportaciones teóricas: modelos atómicos ...............
164 165 167
11.5. LA MECÁNICA CUÁNTICA .........................................................
168
11.6. ENLACES QUÍMICOS ................................................................. 11.7. REFLEXIONES FINALES ...........................................................
168 171
TEMA 12. RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA .......
173
12.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................
175
12.2. QUÍMICA ORGÁNICA «PRIMITIVA»..........................................
176
12.3. NECESIDAD DE UNA CLASIFICACIÓN ....................................
177
12.3.1. Clasificación por radicales.............................................. 12.3.2. Clasificación por tipos ....................................................
177 179
12.4. QUÍMICA ORGÁNICA ESTRUCTURAL .....................................
180
12.4.1. 12.4.2. 12.4.3. 12.4.4.
Soporte experimental ...................................................... El mundo de las ideas ..................................................... Kekulé y la química estructural...................................... La estereoquímica ...........................................................
180 181 182 183
12
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
12.5. LA SÍNTESIS ORGÁNICA ...........................................................
184
12.6. AUGE DE LA QUÍMICA ORGÁNICA: SU PRESENTE Y SU FUTURO ..............................................................................
186
12.7. REFLEXIONES FINALES ............................................................
187
TEMA 13. EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA INORGÁNICA Y DE LA QUÍMICA ANALÍTICA ..........................................
189
13.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................
191
13.2. QUÍMICA INORGÁNICA .............................................................
191
13.2.1. Descubrimiento de nuevas sustancias............................ 13.2.2. La teorización en Química Inorgánica .......................... 13.2.3. Química Inorgánica de síntesis ......................................
192 193 194
13.3. QUÍMICA ANALÍTICA..................................................................
194
13.3.1. Primeros tiempos del análisis químico .......................... 13.3.2. Desarrollo con los químicos del flogisto ........................ 13.3.3. Desarrollo desde el siglo XIX ...........................................
195 195 196
13.4. REFLEXIONES FINALES ...........................................................
198
TEMA 14. LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA /TECNOLOGÍA/SOCIEDAD .............................
199
14.1. INTRODUCCIÓN..........................................................................
201
14.2. PRIMERAS INDUSTRIAS QUÍMICAS .......................................
202
14.2.1. Un ejemplo: la industria de la porcelana .......................
202
14.3. INDUSTRIAS INORGÁNICAS: ALGUNOS EJEMPLOS............
203
14.3.1. La industria del carbonato sódico.................................. 14.3.2. La industria del ácido sulfúrico......................................
203 206
14.4. INDUSTRIAS ORGÁNICAS .........................................................
208
14.4.1. Un ejemplo: la industria de los colorantes.....................
208
14.5. LAS INDUSTRIAS QUÍMICAS Y LAS GUERRAS......................
210
14.5.1. Un ejemplo: la síntesis del amoniaco .............................
210
14.6. REFLEXIONES FINALES ...........................................................
211
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................
213
ÍNDICE ALFABÉTICO DE PERSONAJES............................................
215
PRESENTACIÓN
El hecho de haberme dedicado durante mucho tiempo a la docencia de la asignatura de Química General y otras afines, principalmente, así como de haber dirigido y participado en cursos de Formación de Profesorado, me ha llevado a interesarme por el estudio de los aspectos históricos de la química. Y este interés, a su vez, me ha impulsado a escribir este texto. Las razones para ello se pueden desglosar de forma bastante sintética en las siguientes: El conocimiento de la historia de la química desde la perspectiva de la evolución de sus teorías, técnicas y procedimientos, así como de las aportaciones de los científicos más significativos protagonistas de esa historia, constituye una indudable ayuda para los estudiantes universitarios que hayan de cursar asignaturas de química. Comprender el desarrollo de las ideas favorecerá el razonamiento, lo cual redundará positivamente en el aprendizaje de los contenidos científicos de los programas de esas asignaturas y también contribuirá a que se tenga una visión más humanista de la ciencia. Pero, además, y pensando en la labor de los docentes, el conocimiento de los aspectos implicados en el devenir de la química permite a aquéllos nuevas perspectivas de enseñanza. Y sobre todo al profesorado de enseñanza secundaria, que tiene la oportunidad de poner en o a los estudiantes, por primera vez, con los contenidos científicos de la química. Le ofrece así la posibilidad de utilizar la historia de la química como un potente recurso didáctico: los ejemplos que ésta brinda sobre las relaciones entre la ciencia, la tecnología y la sociedad son muy frecuentes y evidentes, con lo cual el aprendizaje de la química resultará mucho más atractivo para sus alumnos, que podrán percibirla como algo más próximo a su mundo cotidiano. No obstante, el interés de la historia de la química no queda reducido a estudiantes universitarios o a profesores de ciencias, sino que es más amplio. De una forma más general, para todos aquéllos, científicos o no, que se sientan atraídos por el desarrollo de la ciencia, la lectura de temas relacionados con ello, como es el caso de este texto, puede resultarles un elemento eficaz para alcanzar al menos en parte ese objetivo.
14
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Al llevar a cabo la revisión bibliográfica a fin de obtener la documentación necesaria para elaborar este texto, pude darme cuenta de la cantidad tan enorme de páginas escritas en relación, más o menos directa, con la historia de la química. Su misma lectura impulsa a su vez a ampliar esa búsqueda, para tener a otras fuentes cuya conexión con la historia de la química ya es algo más lejana (historia general, filosofía, religión, sociología,…) si bien igualmente atrayentes para poder «saber algo más». Por todo ello, soy consciente de que mi contribución es modesta, viéndome obligada a acotar los límites para ajustarme a la presentación de aquellos elementos primordiales que posibiliten que el lector, por una parte, alcance una formación básica en la historia de la química y que, por otra, adquiera información para seguir profundizando en su conocimiento. Esos serían los objetivos primordiales de este texto y, además —y tal vez sobre todo— éste otro: el plantear la reflexión sobre lo que el conocimiento de los aspectos históricos de la química nos puede aportar y que, también, seamos conscientes del valor de esa aportación.
Tema 1 LOS QUÍMICOS ANTE SU HISTORIA
ESQUEMA DE CONTENIDOS 1.1. INTRODUCCIÓN 1.2. LA QUÍMICA Y LA CIENCIA 1.2.1. Algunos conceptos previos 1.2.2. El método científico 1.3. LA EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA: RASGOS GENERALES 1.3.1. Orígenes y desarrollo de la química 1.3.2. Pasos en la evolución de la química 1.3.3. Evolución de la química en relación a otras ciencias 1.4. ORIGEN DE LA PALABRA «QUÍMICA» 1.5. ESTRUCTURA DE ESTE TEXTO
1.1. INTRODUCCIÓN El estudio de los contenidos de química no consiste solamente en conocer los principios, leyes, conceptos, términos y experimentos involucrados en unas teorías científicas. Debe ser algo más, si verdaderamente pretendemos captar su sentido como ciencia. La esencia de este conocimiento radica en que logremos percibir cómo han surgido esos principios, cómo se han formulado esas leyes, cómo han sido elaboradas las teorías que los explican y, en definitiva, cuáles han sido las trayectorias teórico-experimentales que han debido seguir los científicos hasta conseguir establecerlas. Para alcanzar este objetivo es importante el estudio de la historia de la química. Pero historia no en cuanto a enumeración acumulada de datos —sean ya de carácter estrictamente químico, ya biográficos o culturales— sino más bien una historia de cómo han ido evolucionando las ideas, las técnicas, el modo de pensar y hacer de los hombres dedicados a la investigación química hasta llevarla al cuerpo doctrinal de hoy. De esta manera, puede conseguirse también que la visión que muy a menudo se tiene de la química sea más positiva. Finalmente, estudiando la historia de la química se pueden entender mejor las influencias recíprocas entre la ciencia, las innovaciones tecnológicas y los fenómenos sociales, motor tantas veces y, al mismo tiempo, resultado del devenir político, económico y cultural del hombre.
1.2. LA QUÍMICA Y LA CIENCIA La historia de la química no debe reducirse, pues, al estudio de una serie de descubrimientos, teorías, técnicas, acontecimientos o biografías de los personajes científicos, sino que debe ir acompañado de un análisis crítico en el que se atienda a la evolución de las ideas implicadas en el desarrollo de la química y a su significado. Estos últimos aspectos deben ser el eje principal de nuestro estudio, que nos descifrarán las claves que nos ayuden a comprender todos los demás.
18
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Ese análisis y evolución de las ideas cae ya más dentro del terreno filosófico. Sin embargo, los químicos, a diferencia de otros científicos —como son por ejemplo los físicos o los biólogos—, no han solido cuestionarse la filosofía subyacente en sus teorías ni los aspectos epistemológicos. Y tampoco se han interesado demasiado por la historia de la química, por su propia historia, si bien en los últimos tiempos hay una preocupación cada vez mayor por todo ello.
1.2.1. Algunos conceptos previos Antes de seguir adelante, para poder buscar y hallar las respuestas a esas cuestiones y otras que se nos plantearán a lo largo de la revisión de la historia de la química, hay que partir de unas definiciones que clarifiquen y unifiquen también nuestro lenguaje. Conviene matizar previamente, aunque sea a grandes rasgos, algunos de los conceptos que son utilizados no sólo en todas las lecturas de este tipo, sino también en otras más cotidianas, razón por lo que nos parecen tan comunes y raramente nos preguntamos su significado. Tales son los conceptos de «filosofía», «química» o «ciencia». Ante todo, la palabra filosofía significa, según su etimología, «amor a la sabiduría», del griego phileo, amar y sophia, sabiduría. Según la explicación dada en el diccionario de María Moliner, la filosofía sería el nombre genérico aplicado a los razonamientos encaminados a explicar la naturaleza, a relacionar las causas y la finalidad del mundo físico, más allá de lo perceptible por los sentidos y de los hechos espirituales. La filosofía aplicaría tan sólo el razonamiento, pero dejaría a parte la experimentación. Por otro lado, ¿qué entendemos por química? Muchas son las definiciones que podríamos dar, pero toda definición limita en cierto modo lo definido, con lo cual muchas veces se pierden matices. Por ello es difícil dar una definición completa y al mismo tiempo exacta de lo que es química. Una buena aproximación sería el considerar «el conjunto de transformaciones de la materia que el hombre ha sabido aprovechar con el fin de obtener un beneficio para su vida». En este caso abarcaría todas las teorías, así como todas las operaciones, técnicas y procedimientos utilizados para tal fin desde tiempos muy remotos hasta el presente. Esta definición es bastante amplia, pero también cabe otra mucho más estricta, considerando la química tan sólo en cuanto a «ciencia», en el sentido moderno que damos a esta palabra. Es decir, podría definirse como la «ciencia que se ocupa y estudia las reacciones de la materia y sus propiedades en relación a esas reacciones». En este segundo caso el campo queda mucho más restringido y nos acercaríamos a épocas mucho más recientes, al delimitar la química a su calidad de ciencia. Normalmente —y también en este texto— se opta por la primera de estas alternativas, considerando todo el desarrollo de la química desde las primeras manifestaciones humanas que han supuesto un hacer químico. Es decir, cuan-
LOS QUÍMICOS ANTE SU HISTORIA
19
do se habla de historia de la química se hace referencia tanto al extenso periodo en que ésta tan sólo era una actividad eminentemente práctica como a la época desde la que ya fue una ciencia. Pasó así de ser más bien una artesanía simplemente —a veces hasta casi un arte, como se decía antiguamente—, una labor de tipo más manual que intelectual en la que estaban implicados numerosísimos procedimientos prácticos, operaciones y técnicas, que fue evolucionando hasta convertirse en una verdadera ciencia. Esa evolución, que ocurrió en un tiempo larguísimo, ¿cómo ha ido transcurriendo?, ¿a qué se debe esta conversión de artesanía en ciencia? Y, por otra parte, ¿cuál ha sido ese proceso y por qué ha resultado tan largo? Para responder ello, habrá que saber a qué llamamos ciencia. La palabra ciencia tiene su origen en el término latino scientia, que a su vez proviene del verbo scire, saber. Para el mundo clásico greco-romano tenía el significado de saber, de conocimiento, diferente al que le damos actualmente. También según el diccionario de María Moliner, ciencia hace referencia al «conjunto de conocimientos poseídos por la humanidad acerca del mundo físico y del espiritual, de sus leyes y de su aplicación a la actividad humana para el mejoramiento de la vida». O también al «conjunto de conocimientos que alguien tiene, adquiridos por el estudio, la investigación o la meditación». Se trata, en cualquier caso, de un conocimiento organizado y sistematizado. Veamos cómo se pudo llegar a él en el caso de las llamadas ciencias de la naturaleza.
1.2.2. El método científico En un principio los hombres observaban simplemente los fenómenos ocurridos en la naturaleza. Después, comenzaron a intentar reproducirlos. Al observarlos más detenidamente, se dieron cuenta de que había tipos de fenómenos que se repetían y que podían por tanto agruparse según unas determinadas regularidades. Estas regularidades las enunciaron como leyes y, muchas veces, las formularon en un lenguaje matemático. El paso siguiente, que marcó el gran avance en el conocimiento científico, tuvo lugar cuando empezaron a aplicar la razón para tratar de explicar esas leyes. Esas explicaciones constituían en realidad hipótesis, puesto que era necesario comprobarlas. A partir de ellas se podían hacer predicciones que habían de verificarse experimentalmente. Si había una concordancia, la hipótesis era aceptada y se llegaba al final del camino a una teoría, de carácter mucho más amplio, ya que una teoría engloba diversas leyes e hipótesis. Estos son, de forma muy simplista y a grandes rasgos, las etapas fundamentales del método científico, que mediante la dialéctica teoría/empiria permite establecer teorías científicas, las cuales dan la posibilidad de predecir nuevos hechos. Esta es la manera en que se avanza en el conocimiento científico. Y así ocurre también con la química. De este modo, para que el mero conocimiento de nuestro mundo físico pasase a constituir una ciencia —en el sentido que entendemos actualmente—
20
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
fue y es necesario aplicar la observación y además el razonamiento. En un principio se observaban los fenómenos, bien los ocurridos espontáneamente en la naturaleza o bien los provocados en los laboratorios, y se intentaba describirlos lo más fielmente posible para después, si así convenía, intentar repetirlos. Pero cuando se comenzó a pretender explicarlos a través de la mente humana, aplicando la razón para hallar una respuesta al cómo y porqué tenían lugar, es cuando la química empezó a transformarse en ciencia.
1.3. EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA: RASGOS GENERALES El hombre ha estudiado desde siempre la materia. ¿Por qué se ha preocupado en conocerla, en analizar su comportamiento y en tratar de transformarla? La respuesta parece bastante sencilla: resulta evidente que los seres humanos sintieran curiosidad, atracción y preocupación por el mundo natural que les rodeaba, del que debían extraer sus medios de vida. Por esto intentarían conocerlo mejor y, también por esta razón, la materia ha sido objeto de estudio de muy distintos ámbitos, desde la filosofía a la química y las otras ciencias de la naturaleza, pasando incluso por las ciencias ocultas. Por otra parte, ciertos saberes —como la astronomía, la física, la biología, la medicina o las matemáticas— han existido como tales desde tiempos muy antiguos. Los clásicos les dedicaron profunda atención e incluso los definieron y les adjudicaron un nombre, de tal manera que aun hoy se conserva mucho de esa terminología. Sin embargo, con la química no ocurrió del mismo modo, no le dieron mucha importancia y ni siquiera la nombraron, pues a pesar de que algunos historiadores han encontrado en la palabra griega chemia un antecedente de la palabra «química», parece ser que ambos términos sólo tienen una relación muy lejana (algo más adelante, en este mismo tema, se analizará con más detalle la etimología de esta palabra).
1.3.1. Orígenes y desarrollo de la química Los orígenes más inmediatos de la química y de su historia habría que buscarlos más bien en el desarrollo y evolución de la alquimia. Pero es necesario ir aun más lejos, retroceder en el tiempo, hasta lo que puede llamarse química práctica de la Antigüedad, bastante rica desde un punto de vista técnico pero desprovista de un cuerpo teórico que la sustentara. Además, hay que contar con una contribución importante por parte de la filosofía natural y a veces, incluso, de la ontología o ciencia del ser, puesto que se trata en definitiva del estudio del ser en cuanto a su relación con el mundo en el que está inmerso. Y por supuesto, con las aportaciones importantísimas de la física, con personajes tales como Descartes (1564-1642) o Bacon (1561-1626) que, con sus ideas y su metodología, ayudaron a que éstas fueran incorporadas en el terreno de la química. Recordemos al primero con su obra El Discurso del Método y su célebre frase «pienso, luego existo», que proclama por sí sola la importancia que daba al razonamiento, o al segundo, quien trataba de impul-
LOS QUÍMICOS ANTE SU HISTORIA
21
sar el conocimiento humano a través del método experimental. Ambos, en su conjunto, representan las claves del método científico, razonamiento y observación. Comenzando desde la Prehistoria, pasando por la Antigüedad y por la alquimia medieval, tras un lento desarrollo se alcanza el siglo XVII, en el que con Boyle se introduce ya plenamente el razonamiento en la interpretación de los fenómenos químicos, proceso que culminará en la figura de Lavoisier. Éste protagonizará —aunque con ciertas reservas— el momento de la revolución química, como se analizará en el Tema 8. Boyle, por su parte, sería el primer personaje fundamental con el que se inicia esa etapa de transición inmediatamente anterior a la de la revolución química, que podría llamarse «química precientífica». En cualquier caso, toda la química anterior a Lavoisier está íntimamente ligada muchas veces a la historia de la farmacopea, de la medicina e, incluso, de la biología. Por tanto, es necesario integrar todos esos estudios junto con los de filosofía, alquimia y química práctica. El estudio íntegro de la química se caracteriza, pues, por su marcadísima interdisciplinaridad, hecho que se sigue produciendo como una constante mucho después, a lo largo también del siglo XVIII e, incluso, del XIX, y al contrario de la química de nuestros días, en la que existe una marcada especialización. Muy a menudo se ha olvidado esa interacción entre la química y la medicina, olvido que puede ser debido en gran manera a la preocupación casi exclusiva por la química inorgánica hasta el siglo XIX. Cuando a finales del siglo XVIII tiene lugar la revolución química, fue como resultado de las investigaciones llevadas a cabo con muchísimas sustancias que en su mayoría pertenecían al reino mineral. En aquellos momentos lo inanimado se estudiaba desde una perspectiva química, mientras que el mundo orgánico se dirigía más hacia la medicina, la farmacia y la biología. Es un siglo después, ya en el XIX, cuando se produce un giro en esta situación y la orgánica toma las riendas como una de las protagonistas principales en el desarrollo de la química.
1.3.2. Pasos en la evolución de la química Tradicionalmente se señalan unos determinados momentos históricos, puntos clave en esta evolución y que se corresponden casi siempre con una personalidad científica. Tal es el caso tan conocido de Lavoisier, con el que se marca el de la química a categoría de ciencia. Si bien esto no deja de ser cierto, hay que considerar que esta evolución y estos cambios no se han producido a saltos, bruscamente, sino que siguieron camino que no suele ser una línea recta y continua, sino más bien quebrada, con pasos hacia adelante y hacia atrás pero que en su conjunto tiene un sentido ascendente hacia su meta, el establecimiento de la verdad científica. Así también, ciertos descubrimientos que se tienen como básicos no han sido totalmente innovadores, sino que han crecido en el campo de cultivo creado al abrigo de ideas de otros hombres dedicados a la química.
22
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Por otra parte, es cierto que ha habido largas épocas de un acentuado oscurantismo en la práctica y en el pensamiento químico. Pero no pueden desecharse, pues en cualquier caso han contribuido a que se llegase a esa «verdad». Tampoco deben menospreciarse teorías que con el tiempo resultaron erróneas: la elaboración de una teoría —falsa o verdadera— fomenta la discusión y el debate, y éstos, a su vez, promueven la realización de nuevos experimentos para demostrar la postura defendida, para ratificarla o para rebatirla. Asimismo, cuando se analiza la evolución de las ideas en química se observa con frecuencia un hecho que, por otra parte, no es en absoluto ajeno al desarrollo de cualquier otra disciplina, ya sea experimental o no. Se trata de las grandes barreras que se alzan ante el surgimiento de hechos y doctrinas que pueden contradecir, aunque sólo sea en parte, lo que ya está establecido y aceptado por la comunidad científica. Es en definitiva, la resistencia al cambio, que aparece casi como una constante en todas las ramas del saber, en todas las culturas y en casi todas las manifestaciones del hombre en cuanto a ser social. Por ello, esta reacción ante lo nuevo tiene, en realidad, una dimensión mucho más amplia. Esta resistencia al cambio nos demuestra que el trabajo científico implica una tarea que exige no sólo paciencia, meticulosidad, imaginación, perspicacia o intuición, sino también valentía y tesón. Valentía para exponer unas ideas tantas veces rechazadas por la sociedad y tesón para insistir en ellas hasta lograr que sean aceptadas por esa misma sociedad. Camino tortuoso que han debido seguir tantos científicos y que muy a menudo no se han visto coronados por el éxito hasta mucho tiempo después, incluso con posterioridad a su muerte.
1.3.3. Evolución de la química en relación a otras ciencias La química alcanza su carácter científico mucho después que otras disciplinas, como la física, la astronomía o la fisiología. Éstas fueron gestando su «revolución científica» durante los siglos XVI y XVII para culminar en este último con personajes como Galileo, Copérnico, Kepler, Descartes, Bacon, Newton o Harvey, protagonistas de ese cambio. Sin embargo, en química se produjo con un retraso de más de cien años respecto a la de estas otras ciencias. La causa de ello muy probablemente se deba a la falta de un lenguaje químico común y sistematizado, a la carencia de una clasificación racional y de un criterio de la pureza de las sustancias y, sobre todo, a la gran complejidad de los fenómenos químicos, de sus técnicas y de sus instrumentos. Todo ello impidió que se estableciesen generalizaciones y que sus procesos se sistematizaran, por lo cual tampoco era posible formular una teoría que los justificase racionalmente. Durante un larguísimo periodo de tiempo sólo interesaban los resultados experimentales, era una química empírica en la que el fundamento teórico se desdeñaba. Si bien fueron enunciándose algunas teorías, éstas tenían muy a
LOS QUÍMICOS ANTE SU HISTORIA
23
menudo un armazón básico muy débil y resultaban, incluso, irracionales. Este hecho, unido a la espectacularidad de muchos fenómenos químicos, condujo a que la práctica química se considerase durante muchísimo tiempo como una pseudociencia, más próxima a la magia, a lo esotérico y a lo sobrenatural que al mundo de lo racional. Su secretismo y su frecuente lenguaje alegórico impidió asimismo la información y la comunicación de las ideas, lo cual contribuyó igualmente a inhibir su desarrollo.
1.4. ORIGEN DE LA PALABRA «QUÍMICA» Ya hemos mencionado la existencia de una palabra griega chemia (o también según las transcripciones chemeia o chymia), a la que se le puede atribuir ser el antecedente más probable de nuestra palabra «química». Ese término estaba relacionado con la metalurgia y significaba fusión o colada de un metal, si bien no fue empleado hasta aproximadamente el año 300 d. C. Por esta razón, los escritores del mundo clásico, griegos o romanos, no utilizaron esa palabra; aunque se refiriesen a la química, no tenían una palabra especial para nombrarla. La primera vez que aparece la palabra chemia es en ciertos textos de alquimia de Zósimo (alquimista griego que vivió en los alrededores del 300 d. C. y del que se tratará en el Tema 4). Éste hace referencia a dicha palabra cuando habla del arte sagrado realizado en el templo de Menfis dedicado a Phta, dios egipcio del fuego y del trabajo de los metales. Este arte sagrado no era otra cosa que alquimia. Sin embargo, el origen de ese término griego no está tampoco muy claro. Para algunos historiadores podría derivar de la palabra copta khem o chamé, que significaba «negro» y se asociaba a la tierra negra de Egipto, en el valle del Nilo, tierra que era utilizada en la Antigüedad en procesos metalúrgicos, en tintes y en farmacia. Incluso a Egipto se le llamó en ciertos momentos Chemia y Chamia (país de Cham o país de esta «tierra negra»). Otros le atribuyen un origen chino, bien de la palabra kim-iya, que significaba «jugo que produce oro», o bien de chin, término relacionado con el proceso de la transmutación. En definitiva, en ambos casos estaba relacionada con el arte de fabricar oro, y desde China se podría haber extendido hasta los griegos para después ser recibida por los árabes. Estos últimos antepusieron su artículo «al» a ese término, resultando al Kimiya o alkymia. De aquí proviene la palabra «alquimia», con la cual se hizo referencia al hacer químico de los siglos IV al XVI, manteniendo esa idea de «arte sagrado». Ya en el siglo XVI se latinizó esa palabra y empezó a aparecer en los textos de química —o más bien de alquimia— de la época sin el prefijo al-. Así, en los escritos de Paracelso, Agrícola o Libavius cada vez son más frecuentes los términos chymia, chymista, chymicus..., de los que derivan las palabras chimie, chimica, chemistry, chemie o química en diferentes idiomas. La palabra alquimia, por su parte, se fue relegando poco a poco para designar las prácticas de carácter esotérico.
24
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
1.5. ESTRUCTURA DE ESTE TEXTO El conocimiento de la historia de la química concebida de esta manera es —o así debiera ser— de interés en un principio para los químicos y los demás científicos. Y resulta en cierto modo esencial para los estudiantes universitarios que cursen asignaturas de química, siendo incluso importante que vayan adquiriendo esta visión ya en las distintas etapas de enseñanza media, desde sus primeros os con el mundo de la química. Por este motivo este texto fue dirigido en principio para profesores de las distintas áreas de ciencias de nivel de enseñanza secundaria, así como para estudiantes universitarios. No obstante, tiene también una dirección más general, hacia docentes tanto científicos como no científicos que tengan interés por el estudio de la historia de la química. Interés que puede hacerse extensivo a un público mucho más amplio, a todo aquél que sienta inquietud y curiosidad por el desarrollo de la química y por su incidencia social. Estudiando la historia de la química se podrán entender mejor las relaciones ciencia/tecnología/sociedad que aproximan los fenómenos científicos a nuestra vida cotidiana, contribuyendo a que su aprendizaje resulte más ameno. Y conociendo la labor tan constante, meticulosa y de entrega, tantas veces casi absoluta, de todos esos hombres que se dedicaron a «hacer» y estudiar la química, se podrá estimular el respeto, iración e, incluso, atracción por la investigación. En consecuencia y en relación a los profesores, sería conveniente así que cuando en el aula se impartan los contenidos correspondientes en las asignaturas de química, se diese un enfoque en el sentido de hacer una conexión —no siempre, pero al menos en algunos momentos determinados— con la historia de la química y con la evolución de sus ideas. Pero un enfoque en el sentido apuntado, en el que se relacionen esas ideas con los aspectos científicos y sociales para que no resulte meramente una acumulación memorística de datos. Sin embargo, tampoco hay que rechazar éstos, ya que la vida personal del científico y el contexto social en que se movió —entendiendo como tal la política, economía, cultura, religión, etc... de la época y lugar en que vivió— son piezas imprescindibles para poder comprender en su totalidad la evolución de sus teorías y el alcance y trascendencia de sus descubrimientos. Incluso, los aspectos de carácter anecdótico ayudan a situar al científico en su momento histórico y a comprender mejor la trayectoria de su obra. Pensando en otro tipo de lectores, el lenguaje y la terminología científica han tratado de ser sencillos para que el texto resulte comprensible para cualquier persona de una cultura media. No obstante, los contenidos teóricos no se han desarrollado, sólo se han esbozado, por lo que el lector en caso de duda puede recurrir a textos de química para consultarlos o ampliar sus conocimientos. El texto se ha dividido en catorce temas, este primer tema de carácter introductorio y los trece restantes organizados en tres bloques temáticos. Se dedica el primer bloque a revisar las etapas iniciales de la química, desde los
LOS QUÍMICOS ANTE SU HISTORIA
25
momentos en los que el hombre empezó a realizar una la actividad química en la Prehistoria, pasando por la Antigüedad y concluyendo en alquimia medieval. En el segundo bloque se aborda el tránsito hacia la química científica, hasta llegar a ella, y en el tercero, el desarrollo de lo que podría llamarse química «moderna», haciendo una revisión general de sus distintas ramas e implicaciones más relevantes con la industria. Se han tratado de distribuir los contenidos en temas que se correspondan con etapas más o menos homogéneas del desarrollo de la química, de su práctica y teoría. En cada una de estas etapas se han señalado aquellos acontecimientos y personalidades científicas que han supuesto un salto en la trayectoria de la evolución de las ideas de la química como ciencia. Se ha tratado de hacer en la medida de lo posible referencia al entramado constituido por esas ideas científicas, los avances tecnológicos y su impacto social, con el objetivo primordial de aproximar la química a nuestro entorno cotidiano más próximo. Y esto, especialmente, dirigido a los docentes para la posible aplicación en el aula de los conocimientos adquiridos a lo largo de los temas anteriores, pero dándoles ese enfoque, resaltando aquellos aspectos sobre los que debería incidirse expresamente a los alumnos.
Otros aspectos de la presentación: • Frecuentemente se ha procurado explicar el sentido de muchos términos en función de su etimología, con la intención de que así sea más fácil entender su significado y con ello recordarlos mejor. • Se han incluido generalmente las fechas de nacimiento y muerte de los científicos que aparecen en el texto, al menos de aquéllos de mayor trascendencia en los aspectos tratados. Otras veces, en algunos acontecimientos, se señala el año aproximado o al menos el siglo. Todo ello no es con el fin de que se memoricen, sino para ubicarlos en su momento histórico. • Se han introducido algunas anécdotas que, aunque a primera vista resulten superfluas, pueden contribuir a fijar la atención del lector. • A veces se han incluido en forma de recuadros ciertos comentarios, bien para señalar un momento oportuno para la reflexión (enmarcado en un recuadro gris), bien para incidir en las relaciones ciencia/tecnología/sociedad (enmarcado en un recuadro blanco, encabezado con las siglas C/T/S) o bien para realizar algún otro comentario que se ha juzgado adecuado al desarrollo de lo que se esté tratando (enmarcado en un recuadro blanco). No obstante, no se ha pretendido dirigir demasiado estos comentarios, sino más bien se incluyen a modo de sugerencia, para que el lector marque él mismo sus propios «recuadros».
Bloque temático I LOS PRIMEROS PASOS DE LA QUÍMICA
Tema 2 LA QUÍMICA PRIMITIVA
ESQUEMA DE CONTENIDOS 2.1. INTRODUCCIÓN 2.2. LA QUÍMICA EN LA PREHISTORIA 2.3. LA QUÍMICA EN LAS PRIMERAS CIVILIZACIONES HISTÓRICAS 2.4. LA QUÍMICA PRÁCTICA EN EXTREMO ORIENTE 2.5. PRIMERAS TECNOLOGÍAS: CERÁMICA, VIDRIO Y ESMALTES 2.6. EL TRABAJO CON METALES: LA METALURGIA 2.6.1. Uso de los metales en la Antigüedad 2.6.2. Minerales y procesos químicos de la metalurgia 2.7. PRODUCTOS QUÍMICOS SEGÚN LOS TEXTOS ANTIGUOS 2.8. REFLEXIONES FINALES
2.1. INTRODUCCIÓN La especie humana desde los primeros momentos de su existencia aprendió a ir transformando la materia para su propio beneficio. Es decir, aprendió a explotar los fenómenos químicos que la ayudaban no sólo a sobrevivir, sino también a mejorar sus condiciones de vida. De esta manera, el hombre aprovechó las transformaciones de la materia para muchas de sus actividades cotidianas y básicas, como cocinar, calentarse y hasta defenderse de los ataques de animales y... de otros hombres, y también para otras más rias, como las meramente ornamentales. Fabricaba sus utensilios domésticos y de defensa, elaboraba sus joyas o preparaba pigmentos para pintar las rocas, para teñir sus ropas o para maquillar sus rostros. Desde sus necesidades vitales más simples y primarias hasta la expresión a sus sueños y mitos a través de su arte. Para todo ello, utilizaba los productos de la tierra que tenía a su alcance bien directamente, bien transformándolos en procesos cada vez más complejos a medida que iban evolucionando las sociedades humanas. En definitiva, aplicaba la química, aunque evidentemente no supiera lo que ésta era ni le hubiera dado un nombre. Por tanto, la química práctica —que también suele llamarse química temprana o técnica química— ha existido siempre, paralela a la vida del hombre. Aunque la química en sentido moderno, como ciencia, no surgió hasta hace en realidad relativamente poco tiempo.
2.2. LA QUÍMICA EN LA PREHISTORIA Ya en la Prehistoria se encuentran muchas pruebas de la actividad química del hombre. Descubre el fuego desde tiempos muy tempranos, hace unos 300.000 años, en pleno Paleolítico inferior y antes del último periodo glacial.
32
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Conociendo el fuego podía cocer sus alimentos, fabricar cerámica, preparar pinturas y perfumes, obtener metales....
Comienza a trabajar la piedra, tallándola y, después, en el Paleolítico superior (hace de 40.000 a 11.000 años) es cuando empiezan a surgir sus primeras manifestaciones artísticas, o al menos las que nos han llegado, como pinturas en el interior de las cuevas que habita. En estas pinturas rupestres queda también reflejada su habilidad para obtener pigmentos aplicando diferentes materiales naturales e, incluso, mezclándolos en procesos ya algo más sofisticados (utiliza principalmente el ocre de los óxidos de hierro y los morados del óxido de manganeso). Ésta es, al fin y al cabo, una clara manifestación de hacer química. En el neolítico, entre el 5000 y el 3500 a. C., se sabe con seguridad quefabrica objetos de cerámica, calentando el barro, otra actividad de tipo químico. Pero tal vez sea durante el periodo siguiente cuando tiene lugar uno de los avances químico/tecnológicos más significativos en la historia de la humanidad: la metalurgia, es decir, la fabricación de metales, que se inicia posiblemente con el cobre, pues en el calcolítico sabía cómo fundirlo, seguido del bronce. Da esto lugar a una nueva etapa, la llamada por este motivo Edad del Bronce, que ya en algunas zonas geográficas corresponde a épocas históricas y en otras sigue siendo prehistoria. El bronce, aleación de cobre y estaño, se comienza a fabricar desde lo que se designa como Edad de Bronce Pleno (1800-1100 a. C.). Esta innovación trae consigo un importante cambio económico, ya que la manufactura y utilización del bronce requiere un aprovisionamiento de los metales y una especialización para realizar el trabajo metalúrgico. C/T/S Todo lo cual da lugar, entre otros fenómenos sociales, a la creación y desarrollo de un comercio para intercambiar los objetos fabricados con esa aleación. Esto, a su vez, tiene una serie de importantes consecuencias, como son el aumento de densidad de población y el establecimiento de relaciones sociales más complejas.
Al final de la Edad del Bronce (1100-650 a. C.) se conoció el hierro, produciéndose con ello otro avance químico/tecnológico aun más importante que el anterior, con el que se inicia la Edad del Hierro, que en muchos lugares cae dentro de la Protohistoria. Por ejemplo, en España los productos de hierro datan aproximadamente del 650 a. C. y son traídos a la Península por griegos y fenicios, introduciéndolos a través de Cataluña, principalmente. El hierro se destina sobre todo para la fabricación de aparatos agrícolas y para armas, mientras que el bronce se deja a partir de entonces tan sólo para objetos de ornamento y para material quirúrgico.
LA QUÍMICA PRIMITIVA
33
2.3. LA QUÍMICA EN LAS PRIMERAS CIVILIZACIONES HISTÓRICAS ¿Qué productos químicos eran utilizados por el hombre en la antigüedad? Es interesante constatar que las sociedades primitivas conocían ya muchos productos químicos y los utilizaban en su vida cotidiana a causa de algunas de sus propiedades. Por ejemplo, la sal está ya presente en la dieta alimentaria humana sobre el año 6000 a. C., cuando el hombre deja de ser nómada y se asienta en comunidades agrícolas. En cuanto al carbón, su fabricación no tiene lugar hasta mucho después, cuando empieza a desarrollarse la metalurgia. Así, la muestra más antigua que se ha encontrado (hasta el momento) de carbón fue la hallada en la barca solar de Tutankhamon (aprox. 1350 a. C.). Sin embargo, el precedente de la sal común en Egipto era otra sal, el natrón, que se conseguía en los lagos secos de la región del Nilo, cerca de Alejandría, y que estaba constituido principalmente por carbonato sódico. Se utilizaba junto con el yeso y la sal común para embalsamar y también para conservar alimentos. Las primeras evidencias del uso del natrón se remontan al 5000-4000 a. C., que corresponde a la etapa más antigua de la civilización egipcia, habiéndose encontrado incluso la palabra natrón en la escritura jeroglífica (como ntr, pronunciado «neter»). Precisamente, el símbolo del sodio, Na, tiene aquí su origen: se tomó del término latino «natrium», que a su vez provenía de «natrón».
Los egipcios sabían extraer un gran número de metales, entre ellos el oro y la plata. Practicaban la técnica de los tintes, utilizando tanto los de origen vegetal (índigo, tornasol, pastel) o animal (púrpura y carmesí) como otros de origen mineral (minio, verdigrís, lazulita, ocre de hierro, oropimente, cinabrio, realgar...). También utilizaban minerales en el terreno de la cosmética: las egipcias utilizaban para colorear sus ojos y cejas la estibina o sulfuro de antimonio, de color gris metálico —y al que también se le atribuían propiedades curativas—, el cual aun actualmente las mujeres de los países árabes siguen empleando muchísimo (es el kohol, que cualquiera que haya visitado Marruecos, por ejemplo, habrá tenido oportunidad de observar). En Egipto, asimismo, había una gran habilidad en la extracción y preparación de aceites y esencias para perfumes, tradición que continúa hasta hoy (en este país sigue existiendo una gran producción de perfumes, hecho fácil de percibir por los turistas). Conocían la lanolina, la esencia de trementina y el almidón y fabricaban la cerveza y el vino, con lo cual también sabían del vinagre, que tal vez sea el ácido orgánico más antiguamente utilizado. A este respecto hay que recordar los relatos de la época que narraban cómo Cleopatra disolvía perlas en vinagre de vino.
34
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Los egipcios también preparaban medicamentos no sólo partiendo de organismos, sino también del mundo mineral, como de carbonato sódico, de litargirio (PbO, rojo), de alumbre, de verdigris (carbonato de cobre hidratado), de oropimente (sulfuro de arsénico, amarillo vivo). Preparaban así bálsamos, ungüentos, píldoras e, incluso, vermífugos, tan útiles para sus técnicas de embalsamamiento. Resulta interesante, si va a Berlín, visitar en el museo egipcio de esta ciudad la reproducción de una farmacia, con materiales originales que datan del año 2000 a. C.
Y, además, tenían gran destreza en la técnica de la cerámica, lo que se tratará más detenidamente en otro apartado de este mismo tema, junto con la de los países mesopotámicos, a los que se puede aplicar más o menos lo discutido para los egipcios. Ya en territorio europeo, en el mundo griego y romano eran muy importantes la industria y la artesanía relacionadas con la actividad química. Fabricaban cerámica y vidrio y extraían metales de sus minas (oro, cobre o hierro, principalmente). Las técnicas de perfumería eran practicadas ya por los micenos mediante procesos que aun siguen utilizándose básicamente en la actualidad (extracción por presión, maceración, etc.). Así, en escritos sobre la guerra de Troya se mencionan los perfumes de Grecia (1250 a. C.). También practicaban operaciones tan habituales en los laboratorios químicos como la decantación o la condensación.
2.4. LA QUÍMICA PRÁCTICA EN EXTREMO ORIENTE No se ha prestado mucha atención por parte de los historiadores a la química práctica del Extremo Oriente (China e India), a pesar de que hay manifestaciones de ella desde tiempos muy antiguos. Así, en China se conocía la metalurgia, la pólvora y se elaboraba cerámica desde tiempos muy remotos. Asimismo, los chinos eran muy diestros en la fabricación de porcelana, al igual que Japón. Por otra parte utilizaban muchos productos naturales, como sal marina, sal gema, azúcares, índigo, azufre, arsénico, alumbre, carbón... y sabían preparar muchos otros productos y objetos que, en definitiva, implicaban procesos químicos (remedios medicinales, cal, aguardiente de grano, esencias, espejos, etc.). En cuanto a la India, sobre todo en el valle del río Indo, existía una civilización bastante cultivada y se supone con bastante seguridad que habría actividad química ya alrededor del 3000 a. C. Y también se sabe que en la filosofía budista había una teoría atómica desde hace muchísimo tiempo, aunque bastante primitiva (por lo que a veces se discute si, incluso, los griegos pudieron tomar esa idea de los hindúes o la desarrollaron de forma independien-
LA QUÍMICA PRIMITIVA
35
te). Sin embargo, es difícil encontrar indicios de la química práctica anteriores a la época alejandrina (327 a. C.). Y aunque en Extremo Oriente hubiera una filosofía natural, una química práctica e, incluso, una alquimia (como veremos en el Tema 4), el origen de la química como ciencia, de la química actual, hay que buscarlo más al oeste. Por todo ello, resulta de mayor interés para nosotros continuar con la química primitiva del Oriente Medio, sobre todo en Egipto y en Mesopotamia.
2.5. PRIMERAS TECNOLOGÍAS: CERÁMICA, VIDRIO Y ESMALTES Hay ciertos vestigios, aunque no demasiado claros, de cerámica fabricada en el Neolítico europeo (8000-6000 a. C.) mediante un proceso de cocción en un fuego sin llama, parecido al del proceso de obtención de carbón vegetal. Con algo de mayor seguridad en cuanto a su adjudicación, se han encontrado restos de cerámica al fuego —en esta caso a fuego «normal»— en Mesopotamia (4000-3000 a. C.) y en Palestina (aprox. 4500 a. C.). No obstante, lo que sí se puede dar como enteramente cierto es la fecha del 2500 a. C., cuando los ladrillos cocidos al fuego sustituyeron a aquéllos más primitivos en los que el barro se secaba simplemente al sol. Todo esto son señales inequívocas de utilización del fuego por el hombre en procesos termoquímicos (aunque, como ya se ha dicho, se conociese el fuego desde muchísimo antes). También por esa época se empezaron a preparar morteros artificiales, el yeso cocido —también llamado yeso mate— y la caliza cocida —es decir, cal viva—, los cuales se añadían a los morteros naturales, arcilla y bitumen. Así, en el Egipto de épocas predinásticas se utilizaba el yeso, antes del 3400 a. C., y en Babilonia se preparaba la cal antes del 2500 a. C. Sin embargo, la fabricación del vidrio es bastante posterior a la cerámica, ya que los restos más antiguos datan de aproximadamente el 2500 a. C. El vidrio más simple consistía en piedras naturales de carácter vítreo —cuarzo o esteatita, un tipo de talco tosco— que se «pintaban» con carbonato sódico o agua de cal y se calentaban después (se han encontrado cuentas de este tipo en Egipto y en Mesopotamia, de antes del 4000 a. C.). Siguiendo en complejidad aparece poco después la «faience», una especie de mayólica, cuyos primeros restos se hallaron en Egipto y que se preparaba mezclando cuarzo pulverizado con carbonato sódico o agua de cal y calentando esa mezcla. Tuvieron que transcurrir más de 1500 años para que el hombre fuera capaz de preparar el vidrio verdadero, mediante fusión de sílice (arena) con 1-2% de cal y 15-20% de carbonato sódico o «sosa» (natrón), según indican los restos más antiguos encontrados en Egipto y después en Mesopotamia (aprox. 2500 a. C.).
36
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Interdisciplinaridad La arqueología ha prestado un enorme servicio a la historia de la química con estos descubrimientos. Servicio que ha sido devuelto por la química mediante su aportación sobre el desarrollo de técnicas para datar la antigüedad de los restos arqueológicos encontrados, así como los análisis para determinar su composición.
Una variante de la técnica del vidrio, aunque mucho más complicada, es la cerámica vidriada, que apareció unos mil años después: aplicaban esa mezcla de sosa-cal-arena a la superficie porosa del barro y calentaban hasta que se produjera su fusión, con lo que se formaba una superficie de vidrio, incolora, sobre el barro. Sin embargo, con anterioridad a esa fecha ya se había utilizado en Egipto una mezcla parecida en forma de frito, un pigmento azul de composición química definida (CaO-CuO-4SiO2), con lo que se trataría del pigmento sintético más antiguo encontrado hasta el momento, ya que hasta entonces se habían empleado pigmentos naturales, ya fueran minerales o de origen orgánico. Otro interesante pigmento sintético de la antigüedad se halló en Asiria (aprox. 800 a. C.), en un esmalte amarillo constituido por antimoniato de plomo (conocido mucho después como «amarillo de Nápoles»). Se obtenía calentando una mezcla de óxido o de carbonato de plomo y óxido de antimonio. Otros esmaltes parecidos muy importantes son los de los ladrillos vidriados y azulejos encontrados también en Asiria (época de Sargón II, aprox. 700 a. C.) y en Babilonia (aprox. 600 a. C., de la época de Nabucodonosor). Investigaciones bastante recientes dan a Mesopotamia mayor antigüedad que la de Egipto en esta tecnología química, aunque después Persia se convirtiera en una seria competidora. Comienza de esta forma una larga tradición en esmaltes, que naciendo en esa área geográfica se extiende después al mundo árabe (prueba de ello son bellísimos azulejos de color azul de las mezquitas de Isfahan, por ejemplo, aunque muy posteriores).
2.6. EL TRABAJO CON METALES: LA METALURGIA A pesar de que todas las tecnologías químicas anteriores son en general más antiguas, las de mayor trascendencia para el desarrollo social, económico y cultural de la humanidad fueron, sin duda alguna, las técnicas metalúrgicas. Aunque existían metales en estado natural, en general no había grandes cantidades de ellos, por lo que se hacía necesaria su producción —tanto la de éstos como la de todos aquellos que no se encontraban en forma nativa— partiendo de determinados minerales de la corteza terrestre; es decir, de lo que llamamos menas. Al conjunto de estos procesos es a lo que se denomina metalurgia. Esta técnica consiste fundamentalmente en una transformación química del mineral ocasionada al calentarlo en una atmósfera reductora, la cual se creaba normalmente en o con el combustible. Esta sería una explica-
37
LA QUÍMICA PRIMITIVA
ción, en líneas muy generales, aunque después y en cada caso particular haya variaciones de un metal a otro. La metalurgia se inicia en la antigüedad en el 4300 a. C., muy probablemente con el cobre, y se completa con la producción de latón —aleación de cobre y cinc— en el 300 a. C., es decir, unos 4000 años después.
2.6.1. Uso de los metales en la Antigüedad Se piensa que el metal conocido desde hace más tiempo sea el oro, debido probablemente a que al aparecer muchas veces en las arenas de los ríos en forma nativa, su brillante color amarillo llamaría la atención de los hombres y así empezaron a utilizarlo. Y poco a poco fueron conociendo otros metales. Pero es interesante saber para qué los utilizaban. Por ejemplo, hasta el 4000 a. C. los metales, incluido el oro, el electrum (aleación natural de oro y plata) y el cobre se utilizaban para fabricar objetos de uso común más que como metales «preciosos». Se empleaban en el comercio, lo mismo que posteriormente el plomo, la plata, la aleación cobre/estaño o bronce (un milenio después), el hierro y el estaño (en el 2000 y 1000 a. C.) y la aleación cobre/cinc o latón (ya en el principio de la era cristiana). Desde las más antiguas civilizaciones se conocían los metales, los siete metales como se decía —oro, plata, hierro, mercurio, estaño, cobre y plomo— que eran los metales básicos, que se asociaban con los planetas y que dieron, incluso, nombre a los siete días de la semana: Oro / sol / domingo (Sunday, en inglés; Sonntag, en alemán) Plata / Luna / Lunes Hierro / Marte / Martes Mercurio / Mercurio / Miércoles Estaño / Júpiter / Jueves Cobre / Venus / Viernes
Plomo / Saturno / Sábado (Saturday, en inglés)
¿Cómo se conseguían todos estos metales y las aleaciones? Aunque algunos existían en estado metálico en la naturaleza, puede afirmarse que se producían artificialmente de sus menas por procesos metalúrgicos, con excepción del oro y el electrum (Fig. 2.1). Hasta el momento parece ser que el primer metal obtenido artificialmente fue el cobre, correspondiendo su más antigua producción a Egipto y Mesopotamia (sobre el 4000 a. C.). Se han encontrado así algunos objetos de cobre en el Sinaí y al norte de Mesopotamia y también en Irán. En este último caso, la técnica fue traída probablemente por las poblaciones sumerias emigradas desde Mesopotamia al oeste de Irán, zona de mucha mayor riqueza en menas de cobre que Egipto y la misma Mesopotamia. Parece ser que el plomo empezó a obtenerse 2000 años después (aprox. 2000 a. C.), según muestran algunos vestigios hallados en Egipto. Sin embargo, algunos objetos de plomo hallados en Mesopotamia y datados en el 4000 a. C. pueden conceder a este metal la máxima antigüedad, mayor aun que la
38
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
del cobre. La explicación a esto podría encontrarse en el hecho de que se obtenía a partir de la galena (sulfuros de plomo y plata) y que en este caso es posible conseguirlo por simple calentamiento, sin necesidad de un agente reductor. Por esta razón, tal vez se hubiera fabricado plomo ya en el neolítico, simplemente con el mismo fuego de cocinar.
FIGURA 2.1. Representación egipcia de artesanos trabajando con el oro: lo lavan, funden y pesan.
Por otra parte, hay que resaltar un factor que contribuyó en gran manera al desarrollo de la metalurgia y del trabajo con metales. Los metales se utilizaban no sólo por una razón de supervivencia, como es la fabricación de utensilios de agricultura, de cocina, de armas..., sino para conseguir algo mucho más rio, lo ornamental. En este sentido, no puede olvidarse la importancia de la orfebrería y de los joyeros en la historia de la química.
Al elaborar las piezas de joyería estos artesanos se interesaban por el aspecto y propiedades de los metales, sobre todo por su color. Intentaban, además, que se parecieran al oro, de donde nacieron las técnicas de la aurificción, que tanta influencia tuvieron posteriormente en la alquimia (como se verá en el Tema 4). Se desarrolló así una verdadera industria de joyería de imitación, sobre todo en Egipto y Siria, mediante la que se trataba de imitar los metales y piedras preciosas, con fórmulas y recetas más o menos complicadas, algunas de las cuales han llegado hasta nosotros.
El conocimiento de las industrias químicas de la Antigüedad nos da la oportunidad de observar las piezas expuestas en los museos arqueológicos con una nueva mirada.
LA QUÍMICA PRIMITIVA
39
2.6.2. Minerales y procesos químicos de la metalurgia En el neolítico no se conocía la técnica de calentamiento en atmósfera reductora sino que se hacía a fuego abierto, como el empleado para cocinar, como ya se ha mencionado. ¿Cuál pudo ser la evolución de esta forma de calentar a fuego abierto a la otra en un horno en atmósfera reductora? ¿Por qué al hombre se le ocurrió ese cambio? Probablemente se deba a algún suceso accidental, pero hasta ahora este «accidente» nos es desconocido. Una posible explicación, un tanto especulativa, sea tal vez que ese cambio se produjo durante los procesos de obtención de cerámica vidriada. Se ha propuesto así una teoría según la cual los minerales de los que se obtenían los metales habían sido usados primero como pigmentos; después fue evolucionando la técnica hacia su utilización como menas metálicas. En este sentido, se han hallado numerosos vestigios arqueológicos consistentes en óxidos metálicos —y muchos óxidos metálicos son menas, al fin y al cabo— aparecidos en muchos pigmentos, lo cual avalaría esa teoría. Por ejemplo, ya en las pinturas rupestres prehistóricas había óxidos de hierro. Los minerales más empleados para la producción de cobre eran la malaquita y la azurita (químicamente, carbonatos hidratados de cobre), mientras que el plomo, como ya se ha dicho, se obtenía a partir de galena (sulfuros de plomo y de plata). Por otra parte, también hay un misterio en cómo surgió la producción del siguiente metal, o mejor dicho, aleación, la de cobre y estaño, el bronce (aprox. 3000 a. C.). El estaño se obtenía a partir de casiterita, su mena (dióxido de estaño), la cual curiosamente nunca fue empleada en los pigmentos. Probablemente la producción de bronce tuvo también su origen en la misma región de Irán donde se empezó a obtener el cobre. El mineral de estaño era muy escaso y se ha llegado a pensar que se obtenía en las Islas Británicas (o Islas Casitérides), en la costa de Cornualles, de donde los fenicios lo transportaban en sus barcos hasta las regiones de oriente. El estaño también se producía al calentar su mena adicionando un agente reductor. Es interesante constatar que se han encontrado restos de óxido de estaño en pigmentos aparecidos en el palacio de Sargón II, en Khorsabad, que datan del 700 a. C. En cuanto al hierro, fue el último de los metales de la Antigüedad, debido con gran seguridad a que requería condiciones mucho más vigorosas y al mismo tiempo más delicadas. Exigía además un tratamiento posterior a su obtención para mejorar sus propiedades, técnica que no fue conseguida hasta aproximadamente el 1400 a. C. por los hititas, en la península de Anatolia. Se piensa, por otra lado, que parte del hierro utilizado en los primeros momentos por los egipcios era de origen meteorítico. Ya posteriormente, en la época de la civilización greco-romana, aparecieron nuevos minerales como menas en la obtención de metales. Para la preparación de la plata la mena más importante, según Plinio, no era la galena,
40
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
sino la argentita (sulfuro de plata) y para la del cobre, la calcopirita (pirita de hierro y cobre). Por otra parte, muchas veces se trataba de obtener plata partiendo de minerales que en realidad eran óxidos de plomo, ya que por el aspecto de esos minerales se les confundía con la plata. Tengamos en cuenta que no se podía saber en aquellos momentos nada de la verdadera composición de las sustancias, puesto que se trataba de un conocimiento meramente empírico, basado muy a menudo tan sólo en su apariencia. Por otra parte, los textos romanos señalan el descubrimiento del latón y del mercurio (o «plata rápida»), que son sus verdaderas innovaciones en este terreno, aunque éste último se obtenía ya en el año 400 a. C., como describe Teofrasto, agitando cinabrio en vinagre o bien por simple calefacción de aquél. Por otra parte, al principio se tomó al latón como un tipo de cobre y no como lo que realmente era, su aleación con cinc.
2.7. PRODUCTOS QUÍMICOS SEGÚN LOS TEXTOS ANTIGUOS Aparte de la información transmitida a través de los restos «reales» hallados en las excavaciones arqueológicas, es también muy interesante conocer algo de lo que los testimonios escritos aportan sobre la química práctica y sobre los productos químicos conocidos en la Antigüedad. En este sentido, son importantísimas dos tablillas halladas en Oriente Medio: una sobre medicinas, la tablilla de Nippur, del 2100 a. C. (actualmente en el Museo de la Universidad de Pennsylvania, USA), y otra tablilla del 1700 a. C. sobre la coloración del vidrio (expuesta en el Museo Británico). En la primera se menciona el salitre (cuyo conocimiento por los alquimistas árabes y europeos no llegó hasta el siglo XII d. C.) y en la segunda, el plomo, el cobre, la cal, el vinagre, el acetato de cobre y de nuevo el salitre. Otros interesantes documentos sobre este tema son proporcionados por los restos de la biblioteca de Assurbanipal (Asiria), que datan del 900-800 a. C. y que mencionan las sales amónicas, el cinabrio, el latón y el ácido sulfúrico fumante como conocidos por la civilización asiria, aunque esto no significa que también fuesen conocidos en lugares próximos. Por otra parte, uno de los papiros más valiosos de los encontrados en Egipto sobre medicamentos es el llamado papiro de Ebers (aprox. del 1550 a. C.): describe un gran número de medicamentos y de recetas de química práctica, aunque no cita los materiales que aparecen en los textos asirios (Fig. 2.2). A este respecto, llama la atención el hecho de la gran cantidad de compuestos inorgánicos aparecidos en los escritos de medicina antigua, aunque en realidad no tuvieran propiedades medicinales. Se les incluía por poseer alguna utilidad de tipo práctico, cualquiera que ésta fuese; por ejemplo, se hablaba de las gemas. Esto vuelve a repetirse en los textos griegos sobre farmacopea, como es el de Dioscórides (Materia Medica, del siglo I d. C.)
LA QUÍMICA PRIMITIVA
41
FIGURA 2.2. Fragmento de un papiro egipcio sobre mecicina, en su transcripción jeroglífica.
En este punto, recuérdese la «gemoterapia», tan de moda actualmente, que trata sobre las propiedades curativas de las piedras preciosas y semipreciosas: el ópalo, antiespasmódico y beneficioso para la actividades gastrointestinales; el topacio, activador del metabolismo y del riego sanguíneo; el ámbar, mucolítico y para problemas respiratorios...
Otros testimonios sumamente interesantes son otros dos papiros, también egipcios aunque escritos en griego y ya muy posteriores, de alrededor del año 300 d. C.: el papiro de Leyden y el papiro de Estocolmo, llamados así por estar depositados en dos museos de esas ciudades, respectivamente. Fueron hallados en unas tumbas de Tebas y no tratan de medicina, sino que contienen recetas sobre joyería, sobre procedimientos de aurificción y de coloración de piedras para darles la apariencia de piedras preciosas. Así que resultan, hasta el momento, los más antiguos papiros que tratan directamente sobre química. Si nos introducimos en los textos griegos (desde el año aprox. 500 a. C.), se observa que las referencias dedicadas a la química práctica son escasas, mientras que su atención se dirige más a establecer una ciencia general de la materia por medio de la filosofía natural (como se verá en el Tema 3). Sin embargo, en los filósofos presocráticos (como Anaximandro, Empédocles o Demócrito) se encuentran referencias a determinados materiales (natrón, alumbre, acetato de cobre, carbonato de cinc, plomo...aunque, naturalmente, con otros nombres). Aristóteles, por su parte, escribió una filosofía natural, donde hizo un desarrollo del mundo animal. Pero es a su discípulo Teofrasto a quien se debe la obra más antigua griega con una mayor relación con la química: se trata del texto Sobre las piedras (aprox. del 300 a. C.), y que puede considerarse como el primer tratado sobre química práctica. En él hace una descripción de las piedras y las clasifica en metales (como el oro y la pla-
42
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
ta), piedras y tierras. También las diferencia según una serie de propiedades, generalmente físicas, como color, fragilidad, dureza, inflamabilidad y poder de atracción (es decir, propiedades magnéticas, como el ámbar). Siguiendo en esta línea de Teofrasto, la literatura romana y la helenística hacen sus aportaciones más sobresalientes con la Historia Natural de Plinio y Materia Medica de Dioscórides (de la que ya hemos tratado), respectivamente, ambas del siglo I d. C. Tanto Teofrasto como Plinio y Dioscórodes conocían, aunque de forma empírica, muchos óxidos empleados en la metalurgia, por ejemplo el óxido de plomo y el de cobre, así como otros minerales que aparecían también en las minas, como el cinabrio. Es interesante cómo sabían de productos obtenidos en disoluciones en vinagre —es decir, acetatos—, como el de cobre (o verdigris). También conocían muchos sulfatos, a los que llamaban vitriolos. Otro importante tipo de compuestos eran los alumbres (sulfatos dobles de aluminio y un metal alcalino), aunque muchas veces confundían los vitriolos con los alumbres. Estos últimos eran ya usados en medicina desde mucho tiempo atrás (2000 a. C.) como astringentes —y también como mordientes para fijar colorantes— aunque en realidad los romanos daban el nombre de «alumen» a toda sustancia de sabor astringente. Por otra parte, los romanos consiguieron la obtención de carbonatos alcalinos (principalmente de sodio y de potasio) a partir de plantas de distinta ubicación geográfica, quemándolas y tratando sus cenizas, lo cual en definitiva constituyó otra importante fuente de álcalis, ya que por tradición el más conocido era el natron proveniente de Egipto. También obtenían sales nitrogenadas (como sales amoniacales y salitre) de excrementos de animales domésticos, sales que después en la Edad Media tuvieron una enorme trascendencia en los experimentos alquímicos. No obstante, a pesar de ser capaces de obtener éstas y otras sales del mismo tipo, en relación a las llamadas sales blancas, más bien, incoloras —como nitratos, carbonatos o sulfatos— hay que hacer notar que no podían distinguirlas claramente unas de otras. Es lógico, si pensamos en su aspecto y muchas propiedades químico-físicas tan similares. También llegaron a preparar hidróxido sódico (la sosa cáustica) tratando el natron con cal viva. Plinio describe este proceso, así como la gran «causticidad» de esa sustancia —o más bien reactividad química, como diríamos en nuestro lenguaje actual—, propiedad que hasta aquel momento sólo era conocida en la cal viva (ésta última utilizada desde el 1600 a. C.). La sosa cáustica se empleó en la Antigüedad sobre todo para fabricar el jabón, como describe el médico latino Galeno (aprox. 300 d. C.), proceso que parece ser fue descubierto por los galos.
2.8. REFLEXIONES FINALES En cualquier caso, cuánto tiempo debe de haber necesitado el hombre para llegar a esos descubrimientos sobre las propiedades de esos materiales y sobre la forma de conseguirlos y obtenerlos.
LA QUÍMICA PRIMITIVA
43
Dejando aparte las manifestaciones químicas de la Prehistoria, ¿cuál es la verdadera cuna de la química? China, India, Mesopotamia, Egipto... Sin embargo, esta cuestión no es la más importante, porque en todos esos lugares la actividad química tiene unos rasgos comunes: los dogmas religiosos están en íntima conexión con la ciencia y también con el arte, y la práctica química va raramente asociada a la reflexión. En cuanto a los griegos y romanos tampoco progresaron demasiado en sus experiencias a pesar de haber teorizado, pues sus teorías rechazaban la comprobación experimental. Sin esa colaboración entre la teoría y la experimentación resulta que: La química deja de progresar y con ella la teorización, hasta llegar a la Edad Media en la que, con los árabes y gracias a la contribución indispensable de la escuela de Alejandría, comienza a resurgir lenta pero infatigablemente.
Tema 3 LAS PRIMERAS TEORIZACIONES EN QUÍMICA ESQUEMA DE CONTENIDOS 3.1. INTRODUCCIÓN 3.2. ESTUDIO DE LA MATERIA EN LA FILOSOFÍA NATURAL GRIEGA 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4.
Filósofos presocráticos Aristóteles Epicúreos Estoicos
3.3. EVOLUCIÓN DE LA IDEA DE ELEMENTO 3.4. REFLEXIONES FINALES
3.1. INTRODUCCIÓN En aquel larguísimo tiempo de la química práctica primitiva, ¿había verdaderamente alguna teoría que justificase los fenómenos y propiedades de la materia? En Oriente Medio, especialmente en Mesopotamia y Egipto, puede llegarse a la conclusión de una química práctica ajena a cualquier contenido teórico, al menos según los vestigios que nos han llegado hasta el momento. Es decir, de la época anterior a los griegos no se ha hallado ningún testimonio que justifique lo contrario ni en los papiros egipcios ni en las tablillas mesopotámicas de escritura cuneiforme. No puede afirmarse lo mismo de las culturas del Lejano Oriente, ya que en la filosofía budista india —como ya se ha mencionado en el Tema 2— se han encontrado rastros de una especie de teoría atómica primitiva, si bien pudiera haber surgido por influencia del pensamiento griego a través de la llegada de Alejandro Magno. No obstante, este falta de información directa no significa que no existieran teorías sino que puede suceder que simplemente se hubieran perdido, como señala el antropólogo e historiador de religiones Mircea Eliade. En este sentido, es muy interesante la teoría sobre los metales o metalurgia animista sobre prácticas metalúrgicas y explicación a las mismas que este investigador ha encontrado en ciertos pueblos primitivos contemporáneos y que posiblemente puedan extrapolarse a las de los tiempos de la Antigüedad. Si bien dicha explicación cae más bien dentro del mundo de la mitología del ser humano que de la teorización racional. Es en el mundo griego dónde primeramente el hombre se cuestiona la idea de universo, de naturaleza y de su composición, intentando encontrar una respuesta a estas cuestiones por medio del razonamiento. Y también es aquí donde surge la noción de elemento, aunque con un sentido muy distinto del que le damos actualmente.
48
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
3.2. ESTUDIO DE LA MATERIA EN LA FILOSOFÍA NATURAL GRIEGA En la cultura griega —origen por otra parte de la nuestra— sus pensadores intentaron encontrar una explicación al mundo y a la vida, lo que les condujo a formular una teoría sobre la materia con la que justificar sus cambios y propiedades y que también sirviera para ordenar y clasificar las distintas sustancias de la naturaleza. Estos son a grandes rasgos los fundamentos de la filosofía de la naturaleza o filosofía natural, que fue desarrollándose en el tiempo y dio lugar a diversas escuelas o corrientes.
3.2.1. Filósofos presocráticos Siguiendo un orden cronológico, los más antiguos son los filósofos presocráticos (siglo VI a.C.), cuya temática central puede expresarse mediante la pregunta ¿de qué está hecho el mundo? Partían de que todo tiene un orden y que este orden se podría comprender por medio de la razón. Es decir, suponían que la explicación a esa pregunta era puramente materialista y racional. Consideraban que existía una materia primitiva a partir de la cual se generarían las demás materias. Así, Tales de Mileto (aprox. 624-547 a.C.), geómetra, astrónomo y al que se les suele considerar como padre de la filosofía griega, inicia la concepción de ésta como intuición general del universo, intentando buscar una explicación causal a los fenómenos naturales. itía como principio general del universo el agua, idea que también aparece en el libro bíblico del Génesis y que vuelve a surgir en bastantes científicos muy posteriores. Todo en el universo provendría del agua como materia o elemento más simple: iría evolucionando a partir de ella, dando lugar a objetos más complejos. Esta idea de materia u objeto primario del que derivarían los demás, tras muchos siglos de evolución daría paso en química al concepto actual de elemento y en física, al de energía. Los sucesores de Tales, partiendo de esta idea, la fueron modificando primeramente en el sentido de sustituir al agua como único principio por otros principios diferentes, aunque también únicos, como el fuego, el espíritu, el ser, el devenir. Es decir, serían elementos de un alto contenido abstracto más que físicamente «reales». Empédocles, en el siglo V a.C., defendió la existencia de cuatro elementos, fuego, aire, tierra y agua, que se mezclarían entre sí en proporciones diferentes para originar las sustancias que percibimos en el mundo. Con el tiempo se fue pasando de estos sistemas unitarios a un sistema dualista (el bien y el mal, el amor y el odio, etc.), según los cuales el mundo se formaría por la acción de dos principios opuestos.
3.2.2. Aristóteles Posteriormente, en el siglo IV A.C., primero para Platón (aprox. 427-347 a.C.) y después para Aristóteles (384-322 a.C.) la materia sería algo informe
49
LAS PRIMERAS TEORIZACIONES EN QUÍMICA
y amorfo, sin ningún atributo, pero a lo que se le podía comunicar e infundir las cualidades o propiedades de calor, frío, sequedad y humedad para obtener los cuatro elementos de Empédocles. Es decir, Aristóteles pensó que aquello que debía ser considerado como principios o elementos de los objetos eran en realidad las propiedades más generales de los mismos, debido a que es precisamente por sus propiedades por lo que esos objetos son reconocidos y diferenciados unos de otros. Encontró así que existían esas cuatro propiedades, las cuales podían aplicarse a todas las cosas, con lo que adoptó en el fondo la forma de un doble dualismo. De esta manera, combinando estas cuatro propiedades de dos en dos se obtendrían los distintos tipos de objetos: el agua resultaría de la combinación frío y húmedo; el aire, del tipo húmedo y caliente; la tierra, de frío y seco, y el fuego, del tipo seco y caliente. A su vez, al analizar todas las sustancias materiales se encontrarían en ellas esos cuatro componentes. Los cuatro elementos de Empédocles —agua, aire, tierra y fuego— se unirían entre sí por un principio de cohesión, el cual sería a su vez una de esas propiedades, concretamente la «humedad». Se representa esta idea en forma de diagrama, un cuadrilátero en el que en cada vértice se encuentra un elemento, teniendo los elementos adyacentes una propiedad común, por lo que serían intercambiables:
TIERRA
seco
frío AGUA
FUEGO caliente
húmedo
AIRE
En definitiva, la naturaleza sería la que «transmuta» la materia básica o materia primaria en las distintas sustancias que percibimos. La teoría de Aristóteles de los cuatro elementos, llamados elementos peripatéticos, fue elaborada —al igual que las otras teorías griegas sobre la materia— por un proceso mental, por un conocimiento intuitivo de la naturaleza y no como fruto de una experimentación.
Pertenece, pues, al ámbito del saber filosófico. Tuvo trascendental influencia en la Edad Media, a través de la filosofía escolástica y perduró en realidad hasta el siglo XVIII, siendo la base de la química teórica de todo ese largo periodo. Es el origen de la doctrina de la transmutación de los elementos. Todas sus
50
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
ideas fundamentales, en definitiva, se han manifestado en la mayoría de los filósofos hasta tiempos muy posteriores (así, el principio de los opuestos dos a dos en Kant o en Hegel, o las mismas ideas sobre la simetría). ¿A qué se debe su aceptación durante tanto tiempo? Probablemente a que proporciona una fácil explicación de lo que percibimos por nuestros sentidos, a través de los cuales nos llegan las distintas apariencias de todas las sustancias. Anteriormente, Demócrito (aprox. 460-370 a.C.), discípulo de Leucipo, había formulado una teoría atómica de la materia, según la cual explicaba que esas apariencias diversas de las sustancias eran debidas a las diferentes formas y tamaños de unas partículas homogéneas e indivisibles, los átomos, últimos componentes de la materia. Sin embargo, para Aristóteles esta teoría no podía justificar la enorme variedad de las sustancias de la naturaleza. Además, habría que itir la idea de «vacío», como también proponía Demócrito, pero en el vacío no se podía justificar el movimiento. Y sin movimiento, no habría cambio, idea que era otro de los pilares de la teoría aristotélica. No obstante, en su obra Meteorológica Aristóteles retoma, a su manera, la teoría atómica mediante la isión de un tipo de corpúsculos o partículas, los mínima naturalia, que serían más o menos el equivalente a las moléculas en sentido moderno. También en esa misma obra —cuyo título, paradójicamente, no tiene nada que ver con la meteorología— Aristóteles propone que la física de la esfera terrestre estaría en oposición a la física de la esfera celeste y expone además una curiosa explicación sobre el origen de los metales. Acepta y defiende la idea primitiva de que los metales se gestan y crecen en el interior de la tierra. De esta manera, los metales menos perfectos van creciendo y evolucionando hacia los metales más perfectos o metales nobles, de los que el oro sería su máxima expresión. Esta teoría fue recogida por los alquimistas, tanto griegos, como árabes y los del occidente cristiano, teniendo importantísimas repercusiones en la Edad Media, incluso sociopolíticas, como se analizará posteriormente en su momento.
3.2.3. Epicúreos Tras la muerte de Aristóteles, Epicuro (341-272 a.C.) vuelve a la teoría atómica de Demócrito y la perfecciona, sosteniendo que los átomos eran las partículas mínimas de la materia, ya que no se podían dividir. Estos átomos se moverían a causa de su gravedad, al caer en el vacío, y no lo harían de forma predeterminada, sino que irían cambiando en su movimiento; es decir, se moverían al azar. En su caída podrían sufrir de repente un viraje o desviación, lo que hacía posible que se combinaran unos con otros. Las ideas de Epicuro más que buscar una explicación científica a la constitución de la materia se inclinaban hacia una filosofía ética, para despojar al hombre de sus miedos y ansiedades, producto muchas veces de la superstición y de la influencia de las religiones, para que alcanzara con ello la felicidad. Había que huir de las pasiones y de los excesos. Se debería ser tolerante y mesurado, poniendo un coto a las acciones y a los deseos, valorando la
LAS PRIMERAS TEORIZACIONES EN QUÍMICA
51
amistad sobre todas las cosas y menospreciando la competitividad. El saber habría de servir básicamente para hacer feliz al individuo, para su propia satisfacción, pero no para competir y destacar sobre los demás. El hombre sería libre y sujeto de su propio destino, a diferencia del pensamiento de Aristóteles, según el cual el hombre vendría determinado por su propia naturaleza. Las desviaciones de los átomos al caer en el vacío y combinarse entre sí representaban, en realidad, la voluntad libre del hombre. El mundo sería finito y, en definitiva, una combinación de átomos, producto del azar, y no habría una separación del alma y el cuerpo, por lo que el alma no sería inmortal. Con todo esto lo que pretendía esta doctrina era despojar a la naturaleza de lo terrorífico en un mundo como el de aquella época, lleno de religiones mistéricas. Y así, ya que no habría que temer ni a los dioses ni a la muerte. De todos los escritos de Epicuro, unos trescientos, queda muy poco. Sus ideas son conocidas a través del texto del latino Lucrecio, De rerum natura (aprox. 55 a.C.), que recoge sus teorías. Fue una de las doctrinas más combatidas, no sólo por otras corrientes filosóficas, como la estoica, sino también por algunas religiosas, como el cristianismo y el judaísmo. El motivo hay que buscarlo en su materialismo y en su actitud hacia la idea de dios y del alma humana. Esos ataques al epicureísmo fueron causa, a su vez, de que en la ciencia se abandonara el atomismo hasta el siglo XVII, en que se retomaron sus pensamientos básicos aunque con profundas modificaciones, con lo cual se dio un impulso decisivo al avance científico.
3.2.4. Estoicos Otra escuela filosófica postaristotélica es la del estoicismo, fundado por Zenón de Kitión (aprox.342-270 a.C.), en el siglo IV a.C. y desarrollado en la época romana por Séneca en el siglo I d.C. Adoptó en gran parte la filosofía aristotélica y sostiene así que la materia era divisible hasta el infinito. Sin embargo, al contrario que Aristóteles, defendió la analogía entre la física del cielo y la de la tierra, el macrocosmos y el microcosmos. Es muy importante la distinción que hacía entre materia inerte y una forma activa, el pneuma o espíritu vital (de esa misma palabra griega, que significa «aire»), siendo éste último el que produciría tanto los procesos de corrupción como los de generación. Volviendo a los cuatro elementos aristotélicos, los calientes (fuego y aire) serían más activos que los húmedos y fríos (agua y tierra). El fuego y el aire serían, pues, formas de pneuma, y éste sería la fuerza que cohesionaría las formas más pasivas (tierra y agua) en las diferentes sustancias complejas. Estas ideas sirvieron posteriormente como fundamento para interpretar la destilación, como se verá en el Tema 4.
3.3. EVOLUCIÓN DE LA IDEA DE ELEMENTO Como acabamos de analizar, en la filosofía griega aparece la noción de elemento. Pero esta idea de elemento no tiene nada que ver con el concep-
52
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
to muy posterior de elemento químico, tal y como lo tenemos actualmente. Además: Cuando se hablaba de elementos u objetos ni siquiera se trataba de algo tangible, sino más bien de determinadas propiedades. Para muchos filósofos, el sentido de elemento era el de un principio general, que generaría los demás objetos del universo.
Así, para Tales era sólo uno, el agua, con Empédocles pasaron a cuatro, etc. Hasta llegar a Aristóteles, con el que ya toma esa idea de cualidades o propiedades, como se ha expuesto. Tras la caída del mundo antiguo, y con ello de la cultura greco-romana, los árabes conocen las ideas de Aristóteles a través de las traducciones de los textos clásicos. Pero, grandes experimentadores al contrario que los griegos, necesitaban otro tipo de elementos que estuvieran más acordes con los resultados de sus experiencias. A lo largo de la Edad Media comienza un largo proceso en el mundo de la química en el que una de sus grandes metas era la transformación de los metales en oro, como se analizará más detenidamente después al tratar la Alquimia en el Tema 4. De ahí la importancia que se dio al estudio de los metales y, en consecuencia, los alquimistas árabes eligieron otros elementos: el mercurio, que representaba al metal (en cuanto a propiedad metálica), el azufre, que simbolizaba la combustibilidad, la tierra, que personificaba los minerales no metálicos y la sal, que significaba la solubilidad en el agua. Es decir, los elementos seguían también representando propiedades, por lo que es de comprender que los químicos de aquellas épocas pensaran que se podía comunicar a un metal determinado las propiedades de otro a través de una serie de operaciones y técnicas, con lo cual se justificaba la idea de que era posible la obtención de oro a partir de otro metal, es decir, la transmutación.
3.4. REFLEXIONES FINALES La idea de la filosofía griega de elemento en cuanto a propiedad proporcionó una base teórica para la creencia en la transmutación de los alquimstas y también de muchos químicos. Será con Lavoisier cuando se llega al concepto de elemento tal y como es hoy en día. No obstante, hasta llegar a ese momento, finales del siglo XVIII, las ideas de filosofía griega sobre la noción de elemento estarán siempre presentes, de una manera u otra, perviviendo en el pensamiento de alquimistas y químicos en mayor e menor grado. Así, el agua volvería a representar el principio universal para un químico de la talla de van Helmont.
Tema 4 LA ALQUIMIA
ESQUEMA DE CONTENIDOS 4.1. INTRODUCCIÓN 4.2. ORÍGENES Y DESARROLLO DE LA ALQUIMIA 4.3. LA ALQUIMIA CHINA 4.4. LA ALQUIMIA GRIEGA 4.5. LA ALQUIMIA ÁRABE 4.6. LA ALQUIMIA EN EL OCCIDENTE CRISTIANO 4.7. REFLEXIONES FINALES
4.1. INTRODUCCIÓN Aunque muchísimos científicos e historiadores han despreciado la alquimia, otros, incluso algunos muy ilustres, no han tenido esa actitud. Por ejemplo, para Liebig la alquimia era la inmediata precursora de la química, porque produjo un sinfín de observaciones y de experiencias que desencadenaron procedimientos y técnicas que, a su vez, facilitaron el perfeccionamiento de la química. Casi siempre que se habla de la alquimia se piensa en la búsqueda de la piedra filosofal y del elixir de la vida, pero sus objetivos no se quedaban ahí. Realmente habría que situarlos a mucha mayor profundidad, en las eternas preguntas del hombre de dónde venimos, a dónde vamos y, en definitiva, cuál es el origen y el sentido del universo. Por ello, la alquimia tiene un alto contenido de espiritualidad, característica común a las distintas formas alquímicas, aunque correspondan a culturas y épocas diferentes. Así, en la alquimia hay que distinguir dos tipos, según sus actividades, prácticas y rituales: la exotérica o material, que buscaría la perfección de nuestra materia y la esotérica o espiritual, que buscaría la perfección del espíritu. Y es importante el factor tiempo, porque todos los procesos requieren su tiempo, aunque la alquimia puede encontrar el medio para acelerarlos. Hay teorías que suponen que la alquimia surgió en casi todas las culturas antiguas de forma independiente, si bien después hubiera entre ellas una intercomunicación, con lo que todas tenían bastantes rasgos análogos, aunque no todos. Por ejemplo, la idea del elixir de la vida se encuentra en la alquimia china e india, pero no en la griega. Este hecho parece demostrar que la alquimia llegó a Europa procedente del mundo árabe, que recibe esa idea a su vez de extremo oriente. También a causa de esa espiritualidad es por lo que para alcanzar sus objetivos primarios —transformar los metales en oro o llegar a la inmortalidad— era necesario no sólo realizar unas prácticas en el laboratorio, sino
56
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
adquirir el conocimiento a través de la revelación o de la iluminación. Por todos estos motivos es por lo que la alquimia adquiere para algunos historiadores una dimensión de arte cósmico. Todas estas ideas enlazan con la hipótesis propuesta por Mircea Eliade acerca de los metales, como ya tratamos en el Tema 1. Los metales se formarían en la tierra como en un proceso de gestación: crecerían como un embrión o semilla en el interior de aquélla, que equivaldría a un vientre materno. Por esto también el trabajo de los metalúrgicos antiguos iba acompañado de ciertos ritos y ceremonias, parecidos en cierto modo a los de un parto. Las prácticas alquímicas enlazan así con el mundo de los mitos del ser humano. Y los metales juegan un papel fundamental en el desarrollo de la alquimia y, en definitiva, de la química. No obstante, como rasgo común y fundamental hay que destacar las operaciones de la aurificción y de la aurifacción. La primera consistía en dar a ciertos metales la apariencia de oro, con lo cual en última instancia sería la falsificación del oro. Por su parte, la aurifacción sería la fabricación de oro, de un oro conseguido artificialmente y que sería indistinguible del oro natural. Por este motivo, el arte de la joyería ha contribuido también enormemente al desarrollo de la alquimia, así como de toda la química práctica de los primeros tiempos (puede consultar el Tema 2). Para los alquimistas, que recogieron la teoría aristotélica de los cuatro elementos, las distintas sustancias eran mezclas de esos elementos en proporciones variables. El eje central de los alquimistas, la transmutación, consistiría no en lo que actualmente se tiene por un cambio químico —es decir, un cambio en las proporciones de los elementos integrantes y nuevas disposiciones de los mismos—, sino en una transformación de las cualidades de los elementos. Un elemento se transformaría en otro elemento. Por eso, cualquier metal podía convertirse en oro si se le despojaba de sus cualidades, con lo que su materia básica quedaba libre y en ella se podían introducir las cualidades de aquél.
4.2. ORÍGENES Y DESARROLLO DE LA ALQUIMIA El origen de la alquimia puede atribuirse con gran seguridad a la química práctica, como legado, sobre todo, de la época helenística —o período alejandrino— que enlaza ya con la cultura romana. Los árabes la toman directamente, con gran probabilidad, de los textos de la biblioteca de Alejandría, hacia mediados del siglo VII d.C. y después la extienden a Europa a través de España y de Italia. Es decir, su recorrido va de oriente a occidente: nace en el oriente musulmán y llega al occidente cristiano, donde se desarrolla poderosamente después, durante los siglos XII y XIII. Sin embargo, también hubo una importante alquimia en extremo oriente, en India y sobre todo en China.
LA ALQUIMIA
57
Podría decirse de la alquimia que, para el mundo árabe y para la Europa cristiana, es la química práctica de la Edad Media. Pero, ¿qué características particulares pueden atribuirse a la alquimia que la diferencian de la química práctica anterior? No es en absoluto que la alquimia buscase una justificación o teorización a los fenómenos con los que trabajaba, lo cual también faltaba en general en la química práctica. En la alquimia se aceptaban los principios que la regían sin cuestionarlos ni verificarlos seriamente. Pero una característica propia de la alquimia era su proximidad al secretismo, al saber llamado «hermético», reservado sólo para los iluminados (como se analizará después), falto de sentido crítico y, en consecuencia, completamente ajeno al método científico. ¿A qué se debía ese secretismo? Hay dos razones fundamentales. En primer lugar, los fines últimos que perseguían los alquimistas era encontrar, por una parte, la piedra filosofal y, por otra, el elixir de la vida. Porque con la piedra filosofal era posible fabricar oro partiendo de otros metales, con lo cual se conseguía la riqueza, mientras que con el elixir de la vida —llamado también «panacea universal» y que no era otra cosa que la piedra filosofal en estado líquido— se podía prolongar la juventud y tener una vida más larga y saludable y, en definitiva, alcanzar la inmortalidad. Parece bastante evidente que el poseer la clave de esos inestimables valores fuera una importante causa de ese secretismo. En segundo lugar, hay que tener en cuenta también que durante esos siglos medievales, de una gran inestabilidad, la alquimia fuese considerada a veces como una especie de brujería y, por tanto, su práctica resultase peligrosa. Tal vez sea ésta razón la principal responsable de su hermetismo y de que no se divulgasen apenas sus hallazgos. Por otra parte, había una gran diferencia entre el mundo árabe y la Europa cristiana en cuanto al sujeto depositario del saber. En la segunda el conocimiento se quedó relegado a la Iglesia no sólo como depositaria, sino también como transmisora del mismo, mientras que entre los árabes, al coincidir en la figura del califa la jefatura política y religiosa, se hizo posible un desarrollo mucho mayor de las artes y de las ciencias y, con esto, también de la alquimia.
4.3. LA ALQUIMIA CHINA El primer texto escrito sobre las técnicas y pensamiento de la aurifacción en China data del siglo VI a.C. Se trata del texto Tao Te Ching, de Lao Tsé. Estaba muy influido por la filosofía taoísta, que interpretaba el universo en términos de dos principios contrarios: el yin, principio femenino, frío, oscuro y negativo, y el yang, principio masculino, caliente, luminoso y positivo (Fig. 4.1). Del combate entre ambos resultan los cinco elementos (agua, fuego, tierra, madera y metal) que compondrían todos los distintos objetos de la materia.
58
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
FIGURA 4.1. Símbolos de los dos principios chinos de la vida: el yin (femenino, negro, línea quebrada) y el yang (masculino, blanco, línea continua).
Para los chinos, no obstante, mucho más importante que la fabricación de oro a partir de otros metales era la preparación de elixires con los que el hombre pudiera alcanzar la perfección y la inmortalidad. En esto se diferenciaba de la alquimia griega (de la que trataremos después), a pesar de que la filosofía estoica, posterior al taoísmo, también creyera en esa lucha de contrarios como origen de los elementos. La búsqueda de esos elixires se basaba en la idea de que para alcanzar la perfección del alma era necesario alcanzar el equilibrio dentro del cuerpo en cuanto a las proporciones del yin y el yang. Así, eran ricos en yang el cinabrio rojo (HgS), el jade, el oro, el azufre,...y en yin, el salitre, entre otros. Esto exigía a los alquimistas delicados estudios empíricos de muchas reacciones químicas, realizadas con el orden y la meticulosidad tan característicos del trabajo de los chinos, lo cual tuvo importantes consecuencias —muchas de ellas llegadas de forma indirecta— desde el punto de vista químico y también médico, ya que la alquimia china se desarrolló en estrecha conexión con la medicina. Así, en el área de la medicina y biología se prepararon gran cantidad de remedios farmacéuticos y se estudiaron numerosos procesos de fermentación, siendo importante la obtención de medicamentos con alto contenido en hormonas sexuales. En cuanto a la química, realizan los chinos un descubrimiento tan trascendental en la historia como es el de la pólvora, obtenida por reacción del salitre (nitrato potásico) con el azufre, uno rico en yin y en el otro en yang, respectivamente. C/T/S La pólvora es un ejemplo clásico de influencia de un producto químico, fruto del saber del hombre, en la vida política de éste. Cuando llegó la pólvora a Occidente y se utilizó en el armamento bélico, modificó el equilibrio de fuerzas de los poderes políticos a favor de aquéllos que la poseían.
LA ALQUIMIA
59
Con el tiempo van surgiendo distintas formas de alquimia china. La forma wai tan (siglo IV d.C.) propugnaba el consumo de oro potable como elixir, lo cual produjo numerosos envenenamientos. Por este motivo apareció otra forma de alquimia, la nai tan o alquimia fisiológica, muy importante a partir del siglo VI d.C. Buscaba un elixir interno, que el mismo cuerpo humano produciría mediante una serie de ejercicios respiratorios, gimnásticos y actividades sexuales y cuya bebida proporcionaría la inmortalidad. Esto dio lugar al estudio de los fluidos orgánicos, sobre todo de la orina, de la cual los chinos lograron aislar hormonas sexuales. La alquimia china fue haciéndose con el tiempo sumamente esotérica y se rodeó de complicados rituales, lo cual unido al hecho de que con frecuencia fueran apareciendo entre los alquimistas chinos gran cantidad de falsificadores, motivó a que su decadencia se hiciera inevitable, a pesar de sus grandes éxitos.
4.4. LA ALQUIMIA GRIEGA Aunque se la conoce con este nombre, tal vez el más apropiado fuese el de alquimia helenística o egipcio-helenística, ya que surge y se desarrolla en Egipto durante la época helenística de la cultura griega (del aprox. 300 a.C. al siglo I d.C.), extendiéndose hasta mediados del siglo VII d.C., cuando Egipto fue invadido por los árabes. Tras la decadencia de la cultura griega clásica a la muerte de Alejandro Magno en el año 323 a.C., se abre el periodo llamado helenístico, cuyo epicentro fue precisamente la ciudad de Alejandría. Allí convergen la filosofía griega y las filosofías orientales, la astrología y el gnosticismo, unido todo ello a la magia, a la mística y al hermetismo, a lo cual hay que añadir después el cristianismo. Es importante ante todo conocer, al menos en síntesis, algunas de esas corrientes de pensamiento. El gnosticismo, doctrina religiosa proveniente de Babilonia, se fundamentaba sobre unas bases que eran, por una parte, el dualismo entre lo bueno y lo malo, la luz y la oscuridad (recuérdese también en el taoismo) y, por otra, la creencia de que el conocimiento o gnosis (del griego, «conocimiento») se alcanzaba únicamente a través de una iluminación interior y no por la fe ni la razón. Esta idea de la iluminación interior tuvo gran influencia en algunas corrientes alquímicas, como veremos después, pero a su vez el gnosticismo estaba muy influido por la alquimia en cuanto al lenguaje. Por ejemplo, utilizaba metáforas de los procesos de sublimación, destilación, refinado, purificación, filtrado... para referirse a determinados tránsitos del alma humana. El hermetismo, o doctrina hermética, era una mezcla de platonismo, estoicismo, astrología babilónica y religión egipcia. Su nombre proviene de Hermes Trimegisto, forma griega de Tot —el dios egipcio de todo el saber escrito— y al que se le atribuían los libros llamados herméticos, recopilados principalmente en Egipto (siglo II a.C.).
60
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
En cuanto al misticismo, englobaba una serie de prácticas religiosas y mágicas, en principio bastante irracionales y alejadas del cientifismo. Es uno de los mayores responsables de la atribución dada a la alquimia de pseudociencia, pues un importante grupo de alquimistas tendió a ir abandonando la observación y la experiencia para buscar el conocimiento por medio de la revelación religiosa y el misticismo. Uno de los aspectos más sobresalientes de la alquimia griega son sus conocimientos farmacológicos, tratando minerales y plantas para elaborar bálsamos y otras medicinas. De hecho, la palabra griega pharmakon se utilizaba para designar a los reactivos químicos. En su práctica fue fundamental la idea de la «transmutación» y, además, siempre estuvo subyacente la mezcla de ciencia y religión, como queda reflejado en su lenguaje, alegórico y repleto de símbolos. Por ejemplo, con los procesos metalúrgicos había una simbología entre la muerte, resurrección y perfeccionamiento de los metales —recuérdese la mitología sobre la metalurgia— para reflejar los de Jesucristo y, en último término, los del alma humana. Se crea un verdadero vocabulario que se fue haciendo cada vez más secreto para impedir el a los no iniciados en las técnicas alquímicas, sobre todo en las referido a la conversión de metales en oro. Pero, por otra parte, este secretismo convenía muchas veces a los dirigentes políticos, debido a la implicación de los procesos de transmutación en oro con fines claramente lucrativos. Por esto mismo, en algunos momentos de la historia los alquimistas estuvieron protegidos por los monarcas y la nobleza, los cuales también llegaban incluso a sufragar los gastos de sus investigaciones. La alquimia exotérica se une, pues, a la esotérica. Pero a pesar de este oscurantismo, dónde realiza la alquimia una aportación importantísima —en el sentido de la evolución de la química— es en el terreno práctico, con la invención y desarrollo de técnicas experimentales que aun hoy en día, muchas de ellas, continúan utilizándose. Tal es el caso del baño maría, llamado así por su inventora, la conocida alquimista María la Hebrea. Tenían que llevar a cabo multitud de experimentos, movidos principalmente por esa idea central de la alquimia, la fabricación de oro. Una de sus teorías más curiosas en relación a esto era la de «plantar» una pepita de oro, a modo de semilla, sobre un metal o materia informe (plomo, generalmente), esperando que a base de calor y humedad germinase y creciese. Esto les obligaba a realizar muchísimos ensayos que requerían utilizar e ir desarrollando muy diferentes aparatos —alambiques, hornos, retortas, baños, etc.— y técnicas, sobre todo la de destilación (Fig. 4.2). Y para interpretar ésta última, seguían la teoría filosófica griega de los estoicos sobre el pneuma: identificaban como pneuma a los productos de la destilación, tanto los «aéreos» (es decir, los vapores o gases) como los líquidos. Aparte de esta gran importancia de la alquimia griega en el terreno experimental, también existía alguna teorización sobre la materia, como es la isión de la idea de partículas a través de los minima naturalia de Aristóteles.
LA ALQUIMIA
61
En la alquimia griega la figura más importante es la de Zósimo, de comienzos del siglo IV d.C, que ha dejado las mejores referencias escritas de la alquimia de este periodo y en las que hace mención, entre otros temas, a muchas técnicas de laboratorio. Como ya se dijo en el Tema 1, a él también se debe con gran probabilidad el origen de la palabra química. Otro alquimista bastante conocido es Esteban de Alejandría, del siglo VII d.C., del que se conoce que era firme partidario de la transmutación y que atacaba por otra parte las prácticas de la aurificción, como dejó escrito en su texto Del gran y sagrado arte, o de la fabricación del oro. Asimismo llegó a ser muy famosa otra mujer alquimista, llamada Cleopatra.
FIGURA 4.2. Aparatos para destilar representados por Zósimo y otros alquimistas griegos.
4.5. LA ALQUIMIA ÁRABE Los alquimistas griegos se expandieron por todo oriente, probablemente debido en gran parte a las persecuciones que sufrieron por los romanos en tiempos del emperador Diocleciano, quien en el 292 d.C. publicó un edicto en contra de ellos. Así fue llegando su saber hasta los árabes, los cuales ya estaban en posesión de muchas técnicas y conocimientos de los alquimistas de extremo oriente, principalmente de chinos e hindúes. Por ejemplo, las ideas del elixir de la vida y de la piedra filosofal, que tan arraigadas estuvieron entre los alquimistas árabes y posteriormente entre los europeos, provenían de los chinos, ya que por el contrario los alquimistas griegos no las tenían. La alquimia árabe se extiendió del siglo VII al XIII. Los árabes desarrollaron en gran manera las ciencias y las artes, con lo que en su época florecieron las matemáticas, la filosofía y la astronomía. Sus propios califas eran ejemplo de ello (como Haroun-Al-Rachid, tan conocido de los lectores de Las mil y una noches, Al-Mansour o Al-Mamoun). Los árabes conocieron los textos griegos cuando conquistaron los antiguos territorios helénicos. Tal fue el caso de Alejandría y su famosa biblioteca, con lo que mucho del saber del mundo clásico fue recogido y asimilado por los árabes, que posterior-
62
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
mente lo transmitieron al mundo cristiano (la misma palabra «alquimia» es claramente de origen árabe, lo mismo que «elixir», de al-axir, o alambique, etc.). Sus bibliotecas se enriquecieron, pues, no sólo con sus producciones propias sino con las traducciones de esos textos griegos. Así, cuando continuaron expandiéndose y llegaron hasta Italia y España, la Universidad de Córdoba constituyó una buena prueba de ello al contar con una biblioteca de más de 250.000 volúmenes. Desgraciadamente casi todos fueron quemados por la Inquisición tras la culminación de la Reconquista con la toma de Granada. En el ámbito que nos ocupa de las transformaciones de la materia, los árabes se inclinaron más hacia la medicina y la farmacia. Por ejemplo, la primera farmacia pública fue creada en Bagdad a fines del siglo VIII, mientras que la de Salerno (Italia) es la más antigua de Europa (siglo XI). Entre los alquimistas árabes hay que destacar dos importantísimos, autores además de gran cantidad de escritos traducidos después, en el siglo XI, al latín. Por esta razón, es a partir de ese momento cuando se desarrolló la alquimia en occidente. El primero de todos esos alquimistas es sin duda alguna el que se conoce con el nombre latinizado de Geber o Xeber (Djabir Ibn Ajan en árabe, del siglo VIII, 780-840). Se le atribuye la autoría de muchísimos textos (más de dos mil), aunque en gran parte son apócrifos. Su obra cumbre es Summa Perfectionis, si bien en realidad el texto que nos ha llegado es una traducción al latín de una compilación de sus escritos. A Geber le debemos la descripción de importantes técnicas y operaciones básicas del laboratorio químico —tales como la destilación, la obtención de aceites vegetales, la purificación de muchos metales, el lavado con álcalis, etc.— así como numerosos aparatos. También utilizó por vez primera determinadas palabras para referirse a ciertas especies químicas, como álcali (se nota fácilmente el origen árabe de esta palabra), sal amoniacal (nuestro NH4Cl), vitriolo ( nuestro H2SO4) u oropimente (As2S3), entre otros términos. Geber explica muchas propiedades de los metales partiendo de la teoría aristotélica de los minima naturalia (o «moléculas», en nuestro lenguaje actual), basándolas en la mayor o menor proximidad de las partículas constituyentes. Asimismo, introduce la idea del mercurio, principio acuoso, que se combinaría con el azufre, principio ígneo y humeante, que al mezclarse en el interior de la tierra generarían los metales. Como siempre, reaparece esta idea de la «gestación» de los metales que ya propusiera Aristóteles, a la que se une la teoría de los estoicos de la cohesión de los metales entre un alma (el azufre) y un espíritu (el mercurio). Otros alquimistas árabes describieron reacciones químicas básicas, origen a su vez de procedimientos de síntesis muy importantes. De esta manera, Rhases (Al-Razi, 860-940), el otro gran alquimista árabe, describe la formación del alcohol —también palabra árabe— o «espíritu del vino» por destilación de vino, que es como se obtuvo por vez primera en occidente en la escuela de medicina
LA ALQUIMIA
63
de Salerno, famosísima en la Edad Media. También explica la deshidratación del alcohol con cal. Asimismo, Rhases descubrió la síntesis de ácido sulfúrico a partir de sulfato de hierro. En su obra El secreto de los secretos describe cuidadosamente multitud de técnicas básicas, aparatos y procedimientos de laboratorio y también señala una clasificación de las sustancias. En el mundo árabe hay otros alquimistas que, a pesar de que su mayor renombre lo deban a otras ramas de la ciencia, no deben olvidarse. Por ejemplo, Avicena (Ibn Sina, 980-1036), que destacó en filosofía, astronomía, matemáticas y mayormente en medicina. Escribió el Canon de la medicina, obra maestra en este campo. En relación a la alquimia, su texto Tratado de las piedras es de gran valor por la clasificación que introduce de los metales y por su teoría sobre el origen de las montañas. En este mismo sentido, Averroes (Ibn Ruchd, 1126-1198) fue además de alquimista, filósofo y médico. Teorizó sobre la naturaleza de la materia en cuanto a su «eternidad» y movimiento en sus Comentarios sobre Aristóteles. Se inclinó hacia el materialismo y el panteísmo, por lo que sus escritos fueron posteriormente rechazados por SantoTomás de Aquino y condenados públicamente por la Iglesia en la Universidad de París (1240).
4.6. LA ALQUIMIA EN EL OCCIDENTE CRISTIANO Destruido el mundo clásico con la caída del Imperio Romano (toma de Roma por los bárbaros en el 476 d.C.), el mundo occidental pierde el conocimiento científico y con él el de la alquimia. Pero poco a poco lo va recuperando, va rehaciéndose, a través de tres vías. En primer lugar, a partir del siglo XI la Academia de Córdoba jugó un papel importantísimo en la transmisión de la ciencia a la Europa cristiana. Así, a través de los árabes, sobre todo los de España y también de Italia, la alquimia se fue desarrollando en Francia, Inglaterra y Alemania, principalmente. Este hecho se vio reforzado con las Cruzadas, que tuvieron una enorme repercusión no sólo en el aspecto científico, sino también en las artes, en las letras e, incluso, en las costumbres. Pero también, y aunque de menor importancia, hay que considerar una tercera vía: en algunos casos en Europa se tuvo conocimiento de los textos clásicos por la recuperación y traducción de los mismos realizadas por los monjes. Es ejemplo de ello el monje Teófilo (siglo X), con la obra Schedula diversium artium (El libro de las diferentes artes), texto del occidente cristiano más antiguo en el que se muestra una receta química. El florecimiento de la alquimia cristiana medieval transcurre a lo largo de los siglos XIII y XIV, en los que ya van apareciendo grandes figuras. Una de ellas —y muy conocida por los químicos, ya que es su patrón— es Alberto Magno o San Alberto Magno (1193-1280), dominico alemán, maestro también de Santo Tomás de Aquino. Fue el primero en introducir la idea de «afi-
64
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
nidad química». En su obra De mineralibus expone sus teorías, de raíz aristotélica y también árabe, y hace asimismo muy buenas descripciones de técnicas básicas, como destilación, sublimación, calefacción al baño maría (recordar que fue su creadora María la Hebrea, ver apdo. 4.4) y también del montaje de aparatos de laboratorio. Es partidario de la transmutación si bien, con gran clarividencia, delata el peligro de los falsificadores de oro. Otro discípulo de Alberto Magno en sus aulas de París y también gran alquimista fue el inglés Roger Bacon (no confundir con el físico Francis Bacon, bastante posterior). Vivió del 1220 a 1292 e inició sus estudios en Oxford. También fue monje, en este caso franciscano, por lo que tuvo ciertos problemas para practicar la alquimia. Se dedicó al estudio de las ciencias en general. En óptica descubrió las leyes de la reflexión y el fenómeno de la refracción. También observó el efecto sobre la visión del empleo de ciertos vidrios o de cristales naturales, como el cuarzo, por lo que se le puede considerar como el inventor de las gafas. Su pensamiento tuvo en algunos aspectos ideas verdaderamente revolucionarias. Así, en química explicó el fenómeno de la combustión y fue el primero en proponer que el aire era el alimento del fuego. También habló de técnicas clave en la alquimia, proponiendo entre otras la solidificación, la disolución, la purificación, la destilación o la calcinación. Pero tal vez su mayor éxito sea el atribuir a las matemáticas un papel esencial en las ciencias y el proponer el estudio inductivo de la naturaleza. Acusado de magia y brujería sufrió la cárcel durante largo tiempo, muriendo finalmente en ella. En la alquimia no puede olvidarse al italiano Santo Tomás de Aquino (1225-1274). En su Summa teologica intenta fusionar el pensamiento clásico racional de Aristóteles y el cristiano basado en la revelación de San Agustín. Aunque famoso sobre todo como teólogo, también tiene un importante escrito sobre química, Tratado sobre la esencia de los minerales, en el que realiza una fuerte defensa de la transmutación como obra de la naturaleza que ocurre espontáneamente y que se produce si transcurre el tiempo suficiente, y también llega a describir la fabricación de piedras preciosas. Durante los siglos XIII, XIV y XV no hubo aportaciones verdaderamente interesantes en la alquimia, salvo algunos hechos aislados y más bien curiosos muchas veces. Éste es el caso de los ensayos sobre absorción de sales de antimonio con fines curativos (por ejemplo, para curar enfermedades venéreas, entre otros males), llevados a cabo por un monje benedictino alquimista, el alemán Basilio Valentín —según se dice— en el siglo XV. Y, precisamente, fueron sus mismos compañeros de congregación, con los que a veces experimentaba estas sales, los que le dieron irónicamente el nombre de «anti-moine», es decir, antimonje (de la palabra «moine», monje en francés), de donde derivaría la palabra antimonio —también esto, según se dice— para el elemento correspondiente, que sustituyó al nombre latino de stibium. Sin embargo, hay muchas dudas sobre la existencia real de este alquimista y se piensa que sólo fue un personaje ficticio creado por el alemán Johann Tholde, fabricante de sal, aunque este hecho no excluye que el libro El carro triunfal del antimonio, donde se publicaron estos trabajos, constituya un valiosísimo texto de alquimia.
LA ALQUIMIA
65
En cuanto al mundo cristiano correspondiente a lo que después sería el territorio español hay que destacar dos importantes personajes que contribuyeron al desarrollo de la alquimia. En primer lugar, el mallorquín Ramón Lull o también Raimundo Lulio (1235-1315), médico y alquimista, de vida azarosa (muere lapidado en África en su labor de predicación de los Evangelios). Es autor de numerosos escritos —aunque muchos son apócrifos—, destacando entre todos el Ars Magna (Gran Arte), a través del cual se aprecia su mérito de ser el primero en utilizar una especie de nomenclatura química (con círculos, triángulos y cuadrados para representar determinadas sustancias) y de tratar de realizar una ordenación sistemática de los descubrimientos, recetas e invenciones alquímicas. Otra figura interesante es la de Arnaldo de Vilanova (o Arnauld de Villeneuve, como era llamado en Francia), médico y alquimista catalán (12451314), gran viajero, autor de bastantes obras que se publicaron mucho después de su muerte. Así es suyo un tratado alquímico que constituye el más antiguo de los publicados en Francia y que contiene recetas de transmutación repletas de alegorías y en las que mezcla la alquimia con contenidos religiosos.
4.7. REFLEXIONES FINALES Conociendo algo más sobre la alquimia es casi imposible poner en duda su contribución al surgimiento de la química y a su posterior evolución para ser ciencia. Todas sus búsquedas de la piedra filosofal y del elixir de la vida obligaron a los alquimistas a realizar gran numero de ensayos y experimentos y a llevar a cabo una amplísima gama de reacciones. Por ello, podemos afirmar con Liebig que, en cierto modo, la alquimia fue el antecedente directo de nuestra química.
Bloque temático II LOS PASOS HACIA LA CIENCIA
Tema 5 LA IATROQUÍMICA O QUÍMICA MÉDICA DEL RENACIMIENTO ESQUEMA DE CONTENIDOS 5.1. INTRODUCCIÓN 5.2. PRIMEROS TIEMPOS DE LA QUÍMICA RENACENTISTA 5.3. PARACELSO Y LA IATROQUÍMICA. 5.3.1. Paracelso: notas sobre su vida 5.3.2. Ideas químicas de Paracelso 5.3.3. Paracelso como médico 5.4. DESARROLLO DE LA IATROQUÍMICA 5.4.1. Van Helmont: el químico de lo cuantitativo y del agua 5.5. REFLEXIONES FINALES
Paracelso, según una pintura de Rubens.
5.1. INTRODUCCIÓN Nos adentramos en el siglo XV, a mediados del cual —en 1453— los historiadores marcan el inicio de la Edad Moderna con la toma de Constantinopla por los turcos y, con ella, la caída del Imperio Romano de Oriente. En esas fechas también tiene lugar otra serie de acontecimientos trascendentales para la historia del hombre y también para la de la ciencia. Así, en 1450 se inventa la imprenta, hecho que marcará una profunda revolución en todos los campos por las posibilidades que abrió de divulgar el conocimiento a través de los textos impresos. Se conocen y leen los textos de la cultura greco-latina clásica. Comienza así lo que en arte, literatura y cultura se conoce como Renacimiento, uno de cuyos más importantes efectos es una vuelta al humanismo y a la razón del mundo clásico y que desde el siglo XV se extiende hasta el XVII. C/T/S Esta es una muestra de estas relaciones: el invento de una nueva tecnología, la imprenta, tiene una repercusión fundamental para la sociedad en muchos aspectos y, por supuesto, también en la ciencia. Y gracias a la imprenta se difunden las ideas, tanto las científicas como las no científicas.
Por otra parte, tiene lugar el descubrimiento de América en 1492, que también influyó muy sensiblemente en todos los aspectos sociales (políticos, económicos y culturales). Por ejemplo y concretándonos a las ciencias naturales, es fácil imaginar el impacto provocado por los numerosos minerales, vegetales y animales encontrados en esas nuevas tierras. Este «renacer» va a repercutir en todos los ámbitos de las ideas. En religión se traduce en la Reforma Protestante. En física y en astronomía, en su desarrollo como ciencias. Y en el caso que nos ocupa, en la alquimia, por su evolución hacia lo que hoy conocemos como química, aunque este tránsito ocurra bastante despacio ¿Y por qué ocurre? Porque se acude a la razón para
72
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
explicar los hechos observados en los experimentos. Y al acudir a la razón se abandonará el carácter misterioso y mágico de la alquimia, sustituyéndolo por una reafirmación de que la experiencia es la que proporciona la información y no la revelación ni la iluminación personal. Este tránsito es en cierto modo equivalente a la sustitución en la arquitectura del estilo gótico, sublime y hasta a veces fantástico, por las formas sobrias en sus líneas rectas y curvas de los edificios renacentistas. No obstante, desde el punto de la química se pueden distinguir dos etapas claramente delimitadas durante el Renacimiento. Una primera con claros vestigios medievales, es decir, alquímicos, que se extendería hasta la mitad del siglo XVI, aproximadamente, en la que el hecho más importante es el surgimiento de la iatroquímica. Una segunda, en la que se va entrando en ese dominio de la razón característico del Renacimiento y que llega hasta mediados del siglo XVII, de la que su mejor representante es Boyle. Después de estas etapas, la evolución de la química precientífica continuará a lo largo del siglo XVIII hasta alcanzar la revolución química a finales de ese siglo, coincidiendo, curiosamente, con el comienzo del siguiente periodo de la historia de la humanidad, la llamada Edad Contemporánea.
5.2. PRIMEROS TIEMPOS DE LA QUÍMICA RENACENTISTA En esta primera etapa, aunque exista un predominio del pensamiento de la alquimia, se produce una lenta pero constante transición hacia el razonamiento. Hay algunos nombres que no se pueden omitir. Tales son Agrícola y Bernard Palissy, predecesores de una química más técnica. Georg Bauer o Agrícola, como se le conoce (1494-1555), nace en Sajonia, estudia en Leipzig y enseña en la universidad de Bolonia. Se dedica sobre todo a la técnica minera y el arte de la fundición, por lo que se le considera como «padre» de la mineralogía. Realizó un profundo estudio práctico del tratamiento de minerales, separación de metales preciosos y purificación del azufre, estudio que ha dejado plasmado en sus escritos, que por ello resultan una fuente interesantísima para conocer la historia de la tecnología. En cuanto a Bernard Palissy (1499-1589) alcanzó gran fama por sus trabajos en cerámica y esmaltes, a los que llegó partiendo de su oficio de alfarero. Obtuvo la protección de la reina Catalina de Médicis, llegando a impartir la enseñanza en las Tullerías, labor en la que también destacó, siendo el primer profesor de química que hubo en Francia. Pero el más grande y prestigioso de todos los químicos de esta etapa es Paracelso.
LA IATROQUÍMICA O QUÍMICA MÉDICA DEL RENACIMIENTO
73
5.3. PARACELSO Y LA IATROQUÍMICA Paracelso fue el creador de la llamada iatroquímica, cuyo fundamento puede resumirse en esta idea básica: los fenómenos psicológicos y patológicos son debidos a reacciones químicas, con un sentido muy moderno que enlaza en cierto modo con la bioquímica actual.
5.3.1. Paracelso: notas sobre su vida Era médico y también alquimista, como ocurría frecuentemente en aquella época. Su verdadero nombre era Philippus Aureolus Theofrastus Bombest von Hohenheim (1493-1541), pero se dio a sí mismo el nombre de Paracelso, en recuerdo de Celso, el famoso médico romano del siglo II. De espíritu aventurero, viajó por muchos países europeos, entre ellos España, recogiendo todas las recetas de medicina o alquimia que encontraba. Practicaba la medicina, sanando y vendiendo remedios. También fue profesor y llegó a ocupar la primera cátedra de química del mundo, en Basilea (Suiza). Era un ser contradictorio, lleno de fantasías —creía en la posibilidad de fabricar artificialmente un ser humano, el humúnculo—, a veces casi un charlatán de feria y... hasta mago, pero también tuvo interesantes aciertos y observaciones. Fue asimismo el primero en emplear en un texto la palabra chemy en lugar de «alquimia». Es, pues, un evidente representante de la química de aquellos momentos de transición entre la alquimia medieval y los nuevos tiempos que se avecinaban para la química y que culminaron en su modernidad dos siglos después; de tránsito entre un mundo oscuro, tenebroso y mágico y el mundo de la razón que se abrió con el Renacimiento. Paracelso nació en Suiza, cerca de Zurich, en una época en que estos territorios estaban dominados por los austriacos, ya que formaban parte del Sacro Imperio Germánico. Se formó en alquimia y se especializó en metalurgia en las minas y talleres del Tirol. También tomó estudios de medicina en Italia y en la ciudad suiza de Basilea, donde consiguió el título de médico. Por su temperamento contestatario e incluso provocador empezó a atacar a la medicina tradicional, por considerar las teorías del mundo clásico como paganas y heréticas. Incluso esta posición le llevó a dar sus clases en alemán en lugar de usar el latín, como se hacía entonces en las universidades. Tenía siempre una postura extravagante que acabó por llevarle a una vida aventurera, rodeado tanto de alquimistas, boticarios y médicos, como de astrólogos, mineros, gitanos y gentes dedicadas a la magia y al ocultismo. También en sus doctrinas era contradictorio, pues igual que aceptaba la alquimia esotérica —que era para él una verdadera vocación religiosa, considerando que la química no se podía enseñar en las aulas y que sólo se accedería a su conocimiento a través de la inspiración propia de un mago— poseía también ciertas dosis de racionalismo y, desde luego, de empirismo. Aunque de un empirismo siempre controlado por la doctrina cristiana: el universo era obra de un químico y se regía por leyes químicas, con lo que la descripción de
74
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
la creación del mundo según la Biblia —el Génesis— la interpretaba como una alegoría también química. Ciencia y Religión Esta íntima unión entre las ideas religiosas y las científicas —con su influencia mutua— va a ser muy común en diversos momentos de la historia de la ciencia, como se podrá observar en muchos investigadores.
5.3.2. Ideas químicas de Paracelso Adopta los cuatro elementos aristotélicos (tierra, fuego, aire y agua), a los que suma tres elementos alquímicos: azufre, mercurio y sal. Es decir, introduce en sus ideas sobre la materia la doctrina llamada de los tria prima o tres principios. Éstos eran cualidades universales que al ser depositados sobre los cuatro elementos aristotélicos —que hacían las veces de receptáculos— conferían la forma y propiedades características de cada sustancia (fueran éstas metales o no, orgánicas o inorgánicas). Estos tres principios eran la sal o cuerpo, el azufre o alma y el mercurio o espíritu, según: SAL
Principio de incombustibilidad y no volatilidad
AZUFRE
Principio de inflamabilidad
MERCURIO
Principio de fusibilidad y volatilidad
En esta teoría se aprecia la influencia directa de la teoría alquímica árabe del azufre-mercurio sobre los metales. El ejemplo paradigmático de Paracelso era el de la destilación de la madera: el mercurio equivaldría a los humos y la parte volátil; el azufre correspondería a la luz y el destello del fuego, y la sal, a las cenizas y demás residuos sólidos. O de otra manera, el mercurio era el principio de lo líquido y de lo volátil; el azufre sería el principio de la combustión y del calor, y la sal, el de la solubilidad en el agua y la resistencia al fuego. Creía en la vieja idea alquimista de la transmutación, aunque en su sentido más amplio, ya que todo en la naturaleza sufría una transformación, desde los alimentos en la cocina a cualquier proceso químico o fisiológico.
5.3.3. Paracelso como médico En su faceta de médico realizó asimismo interesantes aportaciones, las mayores en realidad. Era ferviente defensor de las medicinas minerales, los arcana, de origen inorgánico, en contraposición a los medicamentos grecoromanos, de origen orgánico.
LA IATROQUÍMICA O QUÍMICA MÉDICA DEL RENACIMIENTO
75
En este sentido es el fundador de la llamada iatroquímica, que con términos actuales podríamos definir como una especie de química médica, química farmacéutica y toxicología, ya que Paracelso consideraba que la medicina debía apoyarse en la química. Según él, había una unión entre el macrocosmos (los cielos) y el microcosmos (la tierra y todo lo que contenía). En el macrocosmos existían los astra, estrellas visibles unas e invisibles otras que, al llegar al microcosmos, impregnaban la materia y le daban sus distintas formas y propiedades, características de cada cuerpo. Las enfermedades podían ser curadas mediante una «esencia astral» específica, que debía ser determinada por el químico —es decir, por el médico alquimista— a través de la experimentación. Para obtener los medicamentos adecuados el alquimista debía conseguir esa esencia y obtenerla pura, para lo cual la separaba de sus impurezas mediante el fuego y el proceso de destilación. Lo que importaba eran, precisamente, los restos de esa destilación: así, al destilar materiales orgánicos, como eran las plantas, quedaban unos residuos inorgánicos, lo más interesante para los iatroquímicos. Por esta razón, el conocimiento sobre la tecnología de la destilación aportada por los alquimistas medievales prestó una enorme ayuda a estos nuevos médicos. Su teoría de los tria prima le proporcionaba su idea sobre las medicinas minerales. Los tres principios de Paracelso estarían presentes en todos los cuerpos del reino animal, vegetal y mineral, aunque en proporciones diferentes de unos a otros. Cuando la proporción con que aparecían en un cuerpo determinado se alteraba, entonces se producía la enfermedad y la curación venía por la istración del producto químico adecuado. Tales eran las sales de metales pesados, como las de mercurio, que resultaron muy eficaces para combatir la sífilis.
5.4. DESARROLLO DE LA IATROQUÍMICA La iatroquímica tuvo desde sus primeros momentos muchos adeptos y rápido desarrollo. Mientras los inmediatos seguidores de Paracelso afirmaban que el conocimiento en química sólo podía adquirirse mediante la inspiración, cuando entra en escena el luterano Andreas Libavio (1540-1616) estas ideas cambian. Aunque recoge muchas teorías de Paracelso, le contradice en muchas otras. Así, mantiene que la química se puede enseñar como otras muchas disciplinas. Pero para ello se hacía necesario organizar sus contenidos, lo cual implicaba tres aspectos fundamentales: • Clasificación de las técnicas y experimentos de laboratorio, incluyendo la descripción cuidadosa de aparatos. • Elaboración de manuales con recetas sencillas y claras que facilitaran la preparación de remedios medicinales. • Creación de un lenguaje sistemático y estandarizado de las sustancias químicas para que sus nombres no fueran confusos ni equívocos y permitieran reconocer fácilmente las sustancias.
76
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Este último punto, el del lenguaje químico, tuvo sobre todo gran trascendencia para el desarrollo de la química como ciencia. Es el inicio del reconocimiento por parte de los químicos de la necesidad de una nomenclatura. Por otra parte, todas las experiencias debían analizarse con sentido crítico para determinar su fiabilidad y poder preparar así los fármacos y demás sustancias químicas de tal manera que sus propiedades fuesen repetibles. En la iatroquímica primaba, pues, la práctica sobre la teoría
Libavio realiza una interesantísima clasificación de los metales en dos categorías: los metales verdaderos (oro, plata, hierro, cobre, plomo, mercurio y estaño) y los semimetales (arsénico, antimonio, zinc, bismuto). Además estudió las propiedades de algunos ácidos como remedios medicinales (como el canfórico y el arsenioso). A través de la enseñanza, la iatroquímica se extiende rápidamente por Europa, principalmente por Gran Bretaña y Francia. Allí toma gran arraigo y prestigio esta disciplina, que forma un nuevo tipo de médicos —en realidad, híbridos de médico/químico/boticarios—, independientes de los médicos tradicionales de las universidades. Es a Libavio precisamente a quien se debe el primer manual de química Alchemia (1597), de gran trascendencia posterior. Se fueron escribiendo otros muchos manuales (algunos, incluso, plagiados de la Alchemia de Libavio). Otros se tradujeron a otras lenguas y también al latín, como el del francés Nicolás Lemery (1645-1715), cuyo Cours de Chimie (1675) resultó ser durante mucho tiempo el manual tradicional para la enseñanza de la química (ver pág. 79). Se debe, pues, a la iniciativa de Libavio y a todo el resto de iatroquímicos posteriores el que la química se constituyera en una disciplina didáctica, enseñada en las escuelas. Lo cual contribuyó enormemente a la modernización de la química.
A pesar de todas estas contribuciones de Libavio, el iatroquímico más importante es van Helmont un científico interesantísimo, que merece hacer capítulo aparte.
5.4.1. Van Helmont: el químico de lo cuantitativo y del agua Joan Baptista van Helmont (1577-1644) nació en Flandes durante el dominio español, dentro de una familia perteneciente a la aristocracia flamenca. Se dedicó a la medicina y a la química, actividades por las que fue condenado por la Inquisición española por hereje, quedando desde aquel momento en arresto domiciliario hasta el fin de su vida. Era seguidor de Paracelso, aunque no siempre estuviera de acuerdo con él, rechazando por
LA IATROQUÍMICA O QUÍMICA MÉDICA DEL RENACIMIENTO
77
ejemplo la teoría de éste de los tria prima. Estudió filosofía natural y tampoco aceptó la teoría de los cuatro elementos de Aristóteles, elaborando su propia teoría de la materia. Según su idea, el mundo de lo material sería debido a la materia o sustrato de los cuerpos y al fermento primitivo o principio organizativo activo. Para van Helmont, la materia estaría compuesta de dos sustancias fundamentales, el agua y el aire. El aire era un medio físico, independiente, mientras que el agua sí era la que intervenía en las transmutaciones, transformándose en todas las distintas sustancias de la naturaleza. La tierra sería así resultado de la acción de los fermentos sobre el agua, mientras que el fuego sería tan sólo un agente transformador, pero no un elemento (por eso también se le llamó «filósofo del fuego»). De esta manera, las propiedades y formas de las sustancias eran debidas al agua y al fermento. Era, en realidad, un místico y su misticismo le llevó en gran parte a esta teoría, que estaba influida por el Génesis —hay que recordar la influencia de esta lectura bíblica también en Paracelso—, puesto que desde el primer día de la Creación ya se formó el agua. Van Helmont realizó multitud de cuidadosos experimentos, tanto con organismos vivos como con materiales inorgánicos. Su gran aportación es el control cuantitativo que llevó a cabo mediante la pesada con la balanza (en esto fue un claro precursor de Lavoisier). Son famosos sus experimentos sobre el crecimiento de un sauce mediante la acción del agua y el de la fusión de arena con álcali para formar vidrio o «agua de vidrio», como él decía, ambos para probar la conversión del agua en materia, o viceversa. Con todos esos experimentos van Helmont marca para la química una nueva metodología experimental que favoreció el que en los laboratorios de química se fuera asumiendo un control meticuloso de sus operaciones y la realización de medidas cuantitativas.
También su idea de la importancia de la disposición espacial de los elementos constitutivos de las sustancias sobre las propiedades de éstas, fue un precedente de la estereoquímica. Además, se interesó por los gases o «sustancias aéreas» que se desprendían en muchas reacciones químicas. Sin embargo, para van Helmont esas sustancias aéreas no eran aire, paradójicamente, sino que eran agua que iba a la atmósfera; por ejemplo, se condensaban a vapor y caían después como lluvia. Él mismo los bautizó con esa palabra, gases, de la palabra griega chaos, debido a que no tenían forma. También clasificó los gases según sus propiedades físicas, ya que químicamente no se podían distinguir en esa época por no haberse ideado aun aparatos para recogerlos y analizarlos (esto lo consiguieron los químicos «pneumáticos», como se tratará en el Tema 7). De esta manera, demostró que el gas de las fermentaciones, el gas obtenido al quemar el carbón vegetal y el gas producido al tratar conchas de moluscos con vinagre era el mismo (el spiritus sil-
78
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
vester o espíritu silvestre, que no era otro que el CO2), distinguió otro gas, el desprendido en las minas y en algunas cuevas (es decir, el CO2) o reconoció la combustibilidad de ciertos gases, como el caso del gas de los pantanos y el gas desprendido al disolver hierro en ácido (que se trataba del hidrógeno, cuyas propiedades fueron determinadas de forma definitiva posteriormente por Cavendish, como puede comprobar en el Tema 7). Para van Helmont la materia tenía un alma de la que no se podía separar, defendiendo el carácter panteísta de la naturaleza. Además, la iluminación personal tenía una importancia mucho mayor que la razón, en la que no tenía ninguna confianza, al contrario que su coetáneo Descartes. Ese aspecto atrajo a ciertos grupos religiosos en Inglaterra, concretamente a los puritanos, que justificaron su revolución político-religiosa (la «Gloriosa», liderada por Cromwell) a través de esa iluminación personal. C/T/S Estos hechos ponen de manifiesto nuevamente estas interrelaciones: en el caso presente muestra una evidente influencia de las ideas de la ciencia en los fenómenos religiosos y, a su vez, en los políticos y sociales.
Posteriormente, cuando los puritanos fueron derrotados y desaparecieron de la escena política, la idea de la iluminación personal fue atacada en Inglaterra y con ello las doctrinas de van Helmont y sus seguidores. Vence, en su lugar, la filosofía mecanicista de Descartes (1564-1642), de Boyle (16271691) y de Newton (1642-1727). Es decir, lo racional frente a las ideas en gran parte antirracionales de muchos iatroquímicos, sobre todo de Paracelso y de van Helmont. No deja de ser interesante contrastar las ideas tan opuestas de todos estos personajes que vivieron casi todos ellos —excepto Paracelso (1493-1541)— en épocas muy próximas. No obstante, los iatroquímicos marcaron profundos avances en la trayectoria de la química, y más que ninguno van Helmont, con sus trabajos sobre gases, sus mediciones cuantitativas y muchos de sus experimentos en iatroquímica. Aunque escribió muchísimo, no publicó casi ninguno de sus trabajos en vida y fue su hijo quien realizó esta labor después de su muerte. Pese a ello, ejercieron una enorme influencia en la química de su época. Tal es el caso de su aportación a la teoría ácido-alcalina, de inestimable valor. Ácido/base son opuestos, en constante guerra, teoría dualista con claras reminiscencias de la teoría dualista de Empédocles o del yin y el yang de Lao Tsé (ver Temas 3 y 4). Demostró que la digestión era, en definitiva, un proceso químico de fermentación, en el que intervenía un ácido. También demostró que los organismos segregaban unos productos de tipo alcalino, las bilis. Pero con todo, estos procesos estaban impregnados de una esencia sobrenatural, ya que los ácidos de la digestión estaban gobernados por un proceso astral, siguiendo la terminología de Paracelso.
LA IATROQUÍMICA O QUÍMICA MÉDICA DEL RENACIMIENTO
79
Todas estas ideas fueron recogidas y perfeccionadas por Silvio (16141672), discípulo de van Helmont y profesor de medicina, y por Tachenio (1620-1690), a su vez discípulo de Silvio: como se sabía que las sustancias ácidas producían efervescencia cuando reaccionaban con un álcali, pensaron que la digestión era como una lucha entre ácidos y álcalis, lucha que terminaría con una neutralización, pero que ya sería un proceso completamente natural. Extendieron esta teoría a otros procesos vitales y tan fuerte fue su aceptación por médicos y farmacéuticos que, incluso, se esbozó una especie de teoría de la materia, la teoría de los dos elementos, según la cual el carácter básico o alcalino de toda sustancia sería fundamental para justificar sus propiedades químicas.
5.5. REFLEXIONES FINALES En los iatroquímicos pervive la idea de la alquimia antigua y medieval de los principios universales. No obstante, se va avanzando no sólo en la práctica de la química, sino también en la construcción de un cuerpo teórico. Se clasifica, se empieza a sistematizar el lenguaje químico y, como uno de los hechos más relevantes, se va construyendo la didáctica de la química en las aulas y a través de «manuales» cuidadosamente estructurados. Y, sobre todo, el razonamiento, fruto del espíritu imperante en el Renacimiento, comienza a proyectarse también en el saber químico.
Algunos aparatos de laboratorio dibujados por Lemery en su Cours de Chimie.
Tema 6 BOYLE: EL SENTIDO QUÍMICO Y EL SENTIDO RELIGIOSO ESQUEMA DE CONTENIDOS 6.1. INTRODUCCIÓN 6.2. LA TEORÍA ATÓMICA EN LOS INICIOS DEL RENACIMIENTO 6.3. BOYLE: VIDA Y ACTIVIDAD CIENTÍFICA 6.3.1. 6.3.2. 6.3.3. 6.3.4. 6.3.5.
Algunos datos de su biografía Boyle y la teoría corpuscular Boyle y la teoría ácido-base Boyle y el estudio de los gases Boyle y la interdisciplinaridad
6.4. OTROS CIENTÍFICOS DE ESTA ÉPOCA 6.5. REFLEXIONES FINALES
Portada del original de El químico escéptico, de Robert Boyle.
6.1. INTRODUCCIÓN Es en estos momentos cuando hay que dirigir nuestra atención a la figura de Boyle, el gran químico del siglo XVII, de ideas y trayectoria tan diferentes a los anteriores, aunque no por eso dejara de estar influido en parte por ellos. Con él se introduce la razón en el pensar químico, consecuencia de la nueva corriente cultural que supuso el Renacimiento y que también trasciende al terreno de la química. Con Boyle comienza, pues, una etapa de lo que podríamos llamar precientifismo químico. Y esto porque a una cuidada experimentación une la observación y el razonamiento. Pero, ante todo, cuando se analiza el trabajo científico de Boyle hay que hacer una referencia directa a la teoría atómica de la materia, por lo que es conveniente realizar una revisión de la misma a lo largo de la Edad Media para situarla después en los primeros tiempos del Renacimiento.
6.2. LA TEORÍA ATÓMICA EN LOS INICIOS DEL RENACIMIENTO El alquimista árabe Geber —como ya se comentó en el Tema 4— había recogido la doctrina de los minima naturalia (o partículas químicas más pequeñas) de Aristóteles en su obra Summa Perfectionis, muy difundida en la Edad Media. Por otra parte, hay que tener en cuenta que en el Renacimiento se redescubren los textos del mundo clásico. Así, en 1473 se publica el poema de Lucrecio De rerum natura, que contenía las ideas de la corriente filosófica de los epicúreos. Y en 1575, la Pneumatica de Herón, en la que se expone una teoría atómica no epicúrea, según la cual entre las partículas de la materia existirían unos pequeños vacíos que justificarían las propiedades de las distintas sustancias: al existir esos espacios las partículas podrían agitarse, lo que permitiría explicar también la noción de
84
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
calor. Ello confiere un gran interés a esta teoría como alternativa a la filosofía epicúrea, uno de cuyos pilares básicos era la aceptación del vacío absoluto (puede revisar el Tema 3). A esto hay que añadir la difusión de los textos que permitió la invención de la imprenta, a lo que ya se ha aludido anteriormente. Todo esto conlleva a que de una manera o de otra, ya en los primeros años del Renacimiento, la idea de la materia constituida por corpúsculos fuese familiar para los filósofos naturales, si bien más en la línea de los minima naturalia de Aristóteles. Dicha idea fue utilizada tanto por físicos, como Galileo, Descartes y Bacon, o por químicos, como el mismo van Helmont. Así, para Descartes en la materia habría tres grados: la materia terrestre; la materia celeste, más sutil y que llenaba los huecos de la materia terrestre, y una materia aun más sutil o corpúsculos, que seguirían llenando los huecos más pequeños. Posteriormente, un filósofo francés Pierre Gassendi (1592-1655) da un impulso realmente novedoso a esta postura de la filosofía natural: defiende la idea del vacío y con ella la teoría atómica epicúrea frente a las ideas aristotélicas, lo cual tendrá una influencia decisiva en los trabajos de Boyle. Tal es la situación cuando Boyle irrumpe en el mundo científico. Es decir, en definitiva se han ido fraguando los principios de una filosofía mecanicista con la aceptación de átomos o corpúsculos, que le proporcionará una base teórica, fundamental para la explicación de sus cuidados experimentos.
6.3. BOYLE: VIDA Y ACTIVIDAD CIENTÍFICA Aunque siempre es importante analizar los más significativos datos biográficos de los científicos, en el caso de Boyle este interés se convierte casi en una necesidad, a fin de poder explicarnos su formación y su obra.
6.3.1. Algunos datos de su biografía Robert Boyle (1627-1691), de origen aristocrático, nace en Irlanda y después estudia en Inglaterra, viaja por Europa y, tras su vuelta a Inglaterra, se interesa por la química, no tanto por el valor de ésta en sí misma, sino porque le podía permitir comprender mejor a Dios y la naturaleza. Boyle vive en un ambiente en el que las ideas de van Helmont estaban en pleno éxito y en el que aun existían muchos fervientes seguidores de la alquimia. Por otra parte y si tenemos en cuenta que durante unos años vivió en Oxford —donde había un importante grupo de filósofos naturales que defendían los principios mecanicistas—, Boyle tuvo una fuerte influencia de unos y otros. Pero, además, hay que unir a esta formación científica «mixta» el espíritu profundamente religioso y devoto de Boyle, que le llevó a pretender realizar un nexo entre ciencia y religión.
BOYLE: EL SENTIDO QUÍMICO Y EL SENTIDO RELIGIOSO
85
6.3.2. Boyle y la teoría corpuscular Boyle hace una profunda crítica a los conceptos de Aristóteles (teoría de los cuatro elementos) y también a los de Paracelso (teoría de los tres elementos fundamentales, sal, mercurio y azufre), en cuanto a la idea de la preexistencia de unas formas y cualidades responsables de las propiedades de cada una de las sustancias de la naturaleza. Esta crítica la plasma en su obra cumbre, El químico escéptico (publicada en 1661), escrita en forma de una conversación entre cuatro personajes más o menos ficticios. Boyle fue un escritor extraordinariamente fecundo, autor de numerosos escritos, con una literatura muy interesante, pero confusa y de difícil lectura. Aunque a primera vista parece una escritura desorganizada, leyendo más despacio en una revisión más profunda se observa que el autor sí sigue un sistema. El químico escéptico tiene también esas características, por lo que no es muy fácil de leer por su gran cantidad de divagaciones, pero resulta importantísimo para el desarrollo del cuerpo teórico de la química debido a las conclusiones hacia las que Boyle apunta. Propone que muchos de los cuerpos que tomamos como elementos no son tales, sino que son compuestos o «cuerpos mixtos», como él los llama.
Las dos herramientas clave de los estudios de Boyle fueron su gran sentido crítico, por una parte, y la meticulosidad y cuidado con los que llevaba a cabo todos sus experimentos. Boyle va dudando de todas las propuestas —de ahí su escepticismo— y exige su evidencia experimental. Otro de sus grandes méritos fue, pues, éste: que había de comprobarse experimentalmente toda propuesta que se hiciera.
Una prueba muy frecuente en aquellos tiempos para demostrar la existencia de los cuatro elementos era el llamado «análisis del fuego». Tras analizar numerosísimos materiales con esta técnica —sobre todo son sumamente importantes sus experimentos de combustión de la madera— es cómo llegó Boyle a sus conclusiones: en caso de que existieran esos principios elementales, podrían separarse y recombinarse de diferente manera en la misma prueba del fuego, resultando de ello nuevos cuerpos que constituirían esos «cuerpos mixtos», con lo cual pone en duda que ésa fuera una prueba fidedigna de la demostración de la composición última de los cuerpos. Y aunque no fueran del todo originales, ya que Gassendi también las había manifestado con anterioridad, tal vez el mayor éxito de las propuestas de Boyle sea su aceptación de una teoría corpuscular: los corpúsculos como integrantes de los principios de un cuerpo. Respecto a la idea de van Helmont de la existencia de un solo elemento, el agua, aunque en principio pudiese parecer que Boyle la apoyaba, no era así sin embargo. Opinaba que con gran probabilidad el agua era una aglomeración de partículas y que, en definitiva, no actuaría como elemento generador único de todos los demás. A esta conclusión le llevan de nuevo meticulosos
86
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
experimentos realizados tanto con organismos vivos (semillas o plantas, como su repetición del famoso experimento del sauce de van Helmont, etc.) como con productos de origen orgánico (néctares, perfumes...) o inorgánico (minerales y metales). Para Boyle, como químico y también filósofo mecanicista, la explicación final de la naturaleza de la materia (o propiedades químicas de las sustancias) residiría en principios mecánicos —de movimiento— y también geométricos —de tamaño y forma— de sus partículas constituyentes. Y éstos últimos, más bien tomados en el sentido de que las propiedades químicas, dependerían de la manera en que las partículas de un cuerpo estuvieran dispuestas para reaccionar con las de otro cuerpo. Esos corpúsculos estarían en continuo movimiento, que iría aumentando con la temperatura. Pero las propiedades de los cuerpos no podían justificarse tan sólo por esas características mecánicas y geométricas de sus corpúsculos, como pretendía la filosofía mecanicista clásica. Por ejemplo, para Descartes la forma geométrica en sí misma era lo fundamental: los tres elementos de Paracelso serían en realidad tres formas, la irregular (equivalente al azufre), la masiva y sólida (la sal) y la larga y delgada (el mercurio). Para Boyle lo esencial era que esos corpúsculos o minima naturalia (moléculas en nuestro lenguaje actual) interaccionarían entre sí, plasmándose su interacción en los fenómenos químicos. Es decir, para él serían muy importantes esas interacciones, existiendo un «algo» que uniría esos corpúsculos entre sí, con lo cual hizo en cierto modo una predicción del enlace químico. Conjugaba todas esas ideas científicas con la religión, alegando que Dios era el que había dotado a esas partículas de su movimiento, tamaño y forma. Este aspecto era importante, pues la teoría corpuscular clásica había sido considerada hasta ese momento como atea (recuerde lo comentado en el Tema 3). Gracias a su contribución, la filosofía mecanicista o corpuscular fue aceptada y tenida en cuenta en el mundo científico, como después ya en el siglo XVIII se le reconoció oficialmente. Porque aunque ésta sea una de las teorías de la materia más antiguas —sus principios datan del siglo IV a.C.— permaneció olvidada durante muchísimo tiempo y sólo fue aceptada por la comunidad científica hasta mediados del siglo XVII. C/T/S En este punto hay que estacar también un notable hecho perteneciente al ámbito de la tecnología: se trata del desarrollo del microscopio compuesto, llevado a cabo por Robert Hooke, ayudante de Boyle, lo cual contribuyó enormemente a que se aceptase la teoría corpuscular. ¿Por qué? Sencillamente porque permitió percibir lo diminuto y, con ello, que el hombre aceptara la existencia de aquello que no podía ver a simple vista. He aquí otro ejemplo de la estrecha relación entre la tecnología y la ciencia.
En su opinión, al igual que Descartes —y aunque «sus» corpúsculos no coincidieran con la idea de partículas de éste último— en la naturaleza todos
BOYLE: EL SENTIDO QUÍMICO Y EL SENTIDO RELIGIOSO
87
los fragmentos de materia estarían en comunicación con los demás, sometidos a diversas fuerzas. Es decir, las distintas materias no estarían aisladas sino constituyendo un conjunto, un todo, como «una gran obra de reloj» en la que, para Boyle, Dios sería el gran relojero. Con este sistema de filosofía mecanicista y corpuscular Boyle podía explorar e interpretar muchísimos fenómenos y, además, verificarlos por medio de experimentos. Abrió el camino así a la dialéctica teoría/experimentación. Con esta sencilla teoría corpuscular de Boyle no era necesario recurrir a ninguna de las teorías de elementos aristotélicos ni de principios químicos. Por el contrario, el término de elemento adquiere una nueva dimensión, un nuevo significado, que implica una noción de utilidad para el manejo del químico en el laboratorio, pues ya no tenía por qué ser una sustancia omnipresente en la naturaleza, sino que serían simplemente aquellos cuerpos que ya no se podían descomponer en otros. Con esto es predecesor de la futura definición de elemento de Lavoisier (que se tratará en el Tema 8). Con Boyle también puede decirse que la química entra dentro de la filosofía natural y es considerada como algo «serio», con lo que abandona sus hábitos de misterio, secretismo y oscurantismo de ciencia oculta. Pero en cuanto a la química práctica, del hacer en un laboratorio, los químicos no hicieron tanto caso a la teoría corpuscular puesto que, aunque explicaba las reacciones, no era capaz de predecirlas ni de dar una diferenciación en el plano de lo real entre sustancias simples y sustancias complejas. Por esta razón muchos químicos siguieron aceptando la teoría de los elementos en el sentido aristotélico como se venía haciendo desde las épocas alquimistas, aunque itieron que podían ser más de cuatro, con lo que su número fue aumentando poco a poco.
6.3.3. Boyle y la teoría ácido-base En la química de ácidos y bases jugó Boyle un importante papel al dar una nuevo sentido al concepto de ácido a partir de que él mismo obtuviera un indicador, el concentrado o jarabe de violetas, el cual tomaba coloración roja con los ácidos y verde con los álcalis. Definió así y caracterizó los ácidos en virtud del color rojo que hicieran tomar a ese indicador, terminando con la prueba de acidez tan antigua y confusa como era la de la efervescencia. Realizó también una clasificación experimental de las disoluciones ácidas, alcalinas y neutras, que resultó de gran valor para los analistas químicos. Siguiendo en el terreno de la química analítica, introdujo nuevos reactivos para caracterizar ciertas sustancias: gas amoniaco (para el clorhídrico) o nitrato de plata (para los cloruros).
6.3.4. Boyle y el estudio de los gases Interesado en estudiar los fenómenos de la combustión y de la respiración, Boyle en 1658 construye —ayudado por su joven colaborador Robert
88
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Hooke— una variación de la máquina pneumática inventada por el alemán von Gericke poco antes. Otto von Gericke, en la ciudad de Magdeburgo hacia 1650, es donde dio a conocer públicamente esta máquina mediante una interesantísima demostración. Con esa máquina extrajo el aire del interior de una esfera metálica constituida por dos semiesferas unidas, aunque separables; sin embargo, estos hemisferios no lograron ser separados entre sí ni por la fuerza de dieciséis caballos. Con este espectacular experimento logró demostrar lo que ya había descubierto en su laboratorio, la fuerza de compresión que la atmósfera ejercía sobre esa esfera. En muchos museos de ciencia suele existir un modelo de este experimento
El invento de esta máquina pneumática (de la palabra griega pneuma, aire), que en realidad no es otra cosa que una bomba de vacío —cuyo desarrollo publicó von Gericke en 1657— tuvo unos resultados verdaderamente revolucionarios: en el terreno teórico, demostró la existencia del vacío, con lo cual evidenció el error de la filosofía aristotélica sobre la materia, y en el terreno práctico abrió un camino experimental fundamental para poder trabajar con gases. C/T/S Este invento de la bomba de vacío muestra de nuevo las repercusiones de la técnica en el mundo de la investigación científica.
Volviendo a Boyle, realizó un sinnúmero de experimentos en los que intervenía el aire, tanto con ratones y pájaros como con velas, y observó que parte del aire desaparecía —es decir, se consumía— durante los procesos de respiración de esos animales o en la combustión de las velas. Consideró asimismo que el aire transportaba las impurezas desde los pulmones al exterior. Pero lo más importante de esos experimentos con aire fue que le condujeron a enunciar la ley sobre la comprensibilidad de los gases y que lleva su nombre, la ley de Boyle. Esta ley, con la que relacionó la presión con el volumen ocupado por el aire, fue publicada por Boyle en 1660 al observar en múltiples experimentos que siempre se cumplía una relación inversamente proporcional entre ambas variables, introduciendo así una expresión matemática que expresaba dicha relación. Sin embargo, de manera totalmente independiente fue también descubierta por el monje francés Edmé Mariotte (1620-1684), tan sólo dieciséis años después, por lo que muchas veces recibe el nombre de ley de Boyle-Mariotte.
BOYLE: EL SENTIDO QUÍMICO Y EL SENTIDO RELIGIOSO
89
Ciencia y Tecnología En cualquier caso, este descubrimiento pudo ser llevado a cabo por la utilización en esos experimentos del tubo en U que el italiano Torricelli (1608-1647) puso a punto cuando construyó en 1643 el primer barómetro.
6.3.5. Boyle y la interdisciplinaridad Como acabamos, de ver, los estudios de Boyle sobre el aire y sus conclusiones fueron fruto de sus experimentos para estudiar los fenómenos de combustión y de respiración. Esto muestra cómo en aquellos tiempos era muy común el estudio de los procesos de la naturaleza, ya fuesen del ámbito estricto del química, de la biología, de la física, de la fisiología o de la medicina. Otro ejemplo de ello lo constituyen los estudios de Boyle sobre el papel de la sangre en los pulmones, que para comprenderlos mejor es conveniente hacer un breve análisis histórico: El fenómeno de la circulación de la sangre había sido demostrado en 1628 por William Harvey, médico del rey Carlos I. Cuando éste fue depuesto, hecho prisionero y ejecutado por Cromwell y los puritanos durante la guerra civil inglesa, muchos intelectuales partidarios del rey sufrieron también la represión puritana, con lo que se vieron obligados a exiliarse en Oxford, ciudad que los acogió abiertamente. De esta manera en la Universidad de Oxford confluyeron, pues, gran número de hombres ilustres, desde médicos como Harvey hasta arquitectos como Christopher Wren. Esta concentración de científicos, filósofos y artistas fomentó el intercambio de ideas y abrió una época brillantísima para esa ciudad, que se convirtió así en un centro de enorme relevancia, tanto en las letras como, y sobre todo, en las ciencias. Prueba de esto último es la fundación en 1661 de la Royal Society, una de las primeras sociedades científicas, que promueve la comunicación de los avances y novedades en las diferentes ciencias. Recordemos también cómo Boyle llega a Oxford y vive allí en aquellos momentos. Su presencia hace aumentar el interés por la química de todos aquellos intelectuales, de tal manera que buscan en ella la explicación a los fenómenos fisiológicos, como era el papel de la sangre en el organismo, estudios que la muerte de Harvey habían dejado inconclusos. Esto supuso, de forma algo indirecta, un gran impulso para el desarrollo de la química. Discípulos de Boyle, como Peter Stahl (no confundir con Georg Stahl, creador de la teoría del flogisto, que se tratará en el tema siguiente), John Mayow o Robert Hooke imparten clases de química o siguen investigando, sobre todo en los fenómenos de combustión. Así, Robert Hooke (1635-1701) desarrolla una teoría de la combustión influida por la teoría ácido-alcalina de Silvio: se trata de la curiosa teoría nitroaérea, que relaciona con la pólvora, por una parte, la combustión y, por otra, los fenómenos meteorológicos de las tormentas. Los truenos serían semejantes a
90
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
la explosión de la pólvora y los relámpagos, a la luminosidad que se produce en el fogonazo correspondiente. Hooke suponía que en el aire, disolvente universal, existiría, además de cuerpos sulfurosos, una sustancia muy similar a la que existe en el nitro o salitre (en esto no se equivocó, ya que evidentemente previó la presencia en el aire de lo que se conocería después como «oxígeno»). Otro discípulo de Boyle, John Mayow (1641-1679) continuó con esta teoría, explicando con ella muchos fenómenos químicos, ambientales y fisiológicos. El azufre y el nitro serían los principios responsables de esos fenómenos, con lo que resultaba en el fondo una teoría dual —como la de los chinos—, por lo que es en cierto modo una vuelta hacia atrás.
6.4. OTROS CIENTÍFICOS DE ESTA ÉPOCA Hay también otros científicos que, aunque menos sobresalientes y conocidos, por diversos aspectos han representado un importante papel en la evolución de la química. Por su interés, aunque más bien de tipo coyuntural, hay que citar: En Francia a Jean Rey (1583-1645), médico francés que observó el aumento de peso en los metales tras el proceso de su calcinación, observación que afirmó rotundamente y que le hizo ser precursor de Lavoisier en este aspecto. Pero por lo que la Historia de la Química debe reconocerle su mayor mérito es como iniciador del principio de conservación de la materia. Aunque es atribuido normalmente a Lavoisier, por tomarlo siempre como hipótesis de trabajo y por verificarlo con sus precisos y cuidados experimentos, fue Rey quien con un siglo de antelación se anticipó en esta idea. En España a Alonso Barba (n.1569) que llevó a cabo trabajos de metalurgia relacionados con las minas de las colonias españolas de América, concretamente las de Perú. Escribió textos sobre sus yacimientos y los procesos metalúrgicos de extracción a partir de sus ricos minerales, siendo el más importante el Arte de los metales. El hecho de que muy pocos químicos del siglo XVII se preocupasen por la metalurgia aumenta el interés de este científico.
6.5. REFLEXIONES FINALES Con Boyle se entra, pues, en la época de cambio profundo en la evolución de la química, tanto que hay autores que le atribuyen el comienzo de lo que suele llamarse revolución química. Él mismo es el «químico escéptico», que no cree de antemano nada para preguntarse el porqué, comprobarlo experimentalmente, razonar los resultados y hallar así la respuesta. Y no sólo introduce el razonamiento, sino también las matemáticas como medio para expresar ciertos fenómenos, fruto del comportamiento químico de la materia.
BOYLE: EL SENTIDO QUÍMICO Y EL SENTIDO RELIGIOSO
91
No obstante, muchos de los principios y estudios alquímicos siguieran subsistiendo, incluso en él mismo. En el fondo sentía respeto por la alquimia y, paradójicamente, creía en las transmutaciones, pero como un proceso impregnado de una idea sobrenatural. Por otra parte, Boyle perteneció a esa «raza» de científicos dotados de un espíritu universal, que trataban y abarcaban tantas áreas de la ciencia.
Tema 7 CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA ESQUEMA DE CONTENIDOS 7.1. INTRODUCCIÓN 7.2. NEWTON Y LA QUÍMICA 7.3. LA TEORÍA DEL FLOGISTO 7.3.1. Antecedentes históricos y científicos 7.3.2. Stahl y la teoría del flogisto 7.4. LA QUÍMICA PNEUMÁTICA 7.4.1. Inglaterra y la química pneumática: Black, Cavendish y Priestley 7.4.2. Otros químicos del flogisto 7.5. REFLEXIONES FINALES
7.1. INTRODUCCIÓN El siglo XVIII es testigo del gran salto de la química, la cual de consistir básicamente en un conjunto de técnicas con algunas teorías —aunque encasilladas muchas veces en lo esotérico, en lo mágico y en el mundo desconocido— pasa a entrar en el camino de la ciencia. Pero es ya bien transcurrida la segunda mitad de ese siglo cuando se produce ese cambio, cuyo agente central fue Lavoisier. No obstante, no pueden olvidarse otros muchos investigadores que también tuvieron un gran protagonismo en la evolución de la química Además, tampoco se debe omitir la discusión de una importante teoría que a pesar de ser errónea contribuyó, sobre todo por sus métodos y avances experimentales, a que se produjera ese cambio. Se trata de la teoría del flogisto, de sus defensores y de sus detractores y de todas las implicaciones químicas que esto conllevó. Antes de tratarlo es conveniente prestar atención a otros momentos y personajes también de esa época relacionados en cierto grado con la química y con aquella teoría.
7.2. NEWTON Y LA QUÍMICA Newton (Isaac Newton, 1642-1727) hizo importantes incursiones en el mundo de la química, aunque sin embargo su obra capital corresponda a su labor como físico y como matemático. No obstante, incluso en sus textos sobre estas últimas ciencias, como son Principia Matemática (1687) y Optica (1704), incluye algunos importantes pasajes e ideas sobre química. Pero Newton se sintió atraído no sólo por la química propiamente dicha, sino también por la alquimia. Y tanto de una como de otra se ha encontrado un enorme número de manuscritos, recopilados y dados a conocer, curiosamente, por el economista americano John M. Keynes hace relativamente poco tiempo, en 1936. Así se ha llegado a conocer el interés que sintió Newton por los experimentos de química y por su teorización.
96
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
La explicación a esta faceta de Newton podría darse en función de que él también intentase hallar respuesta a las eternas cuestiones del hombre: ¿cómo está constituida la materia?, ¿cómo se transforma?, ¿cuál es el origen de la vida y cuál es el destino del hombre? Por esto y probablemente más por su condición de filósofo natural, es de suponer que Newton se hiciese estas preguntas y que intentase resolverlas mediante su propio razonamiento acudiendo además a las fuentes de información —los textos alquímicos y químicos— de que dispusiese. Así se percibe la influencia que sobre él ejercieron personajes tan dispares como van Helmont y Boyle y que se adscribiese al principio del agua como origen de toda la materia, del primero, y a la teoría corpuscular, del segundo. No obstante, Newton realizó en esto último una importantísima aportación, al justificar mediante mecanismos de atracción y repulsión —que ya había aplicado a la materia de los planetas para explicar los fenómenos de gravitación— las afinidades (o simpatías) y repulsiones (antipatías) de tipo químico entre las distintas sustancias de la tierra. Aplica, pues, la ley de gravitación universal del «macrocosmos» al mundo del «microcosmos», del universo a la tierra. Suponía que existía un éter sutil que bañaba el universo y que era el responsable de estas características de toda la materia. Esta idea del éter universal que impregna la materia recuerda la idea del pneuma o espíritu vital de los estoicos (ver Tema 3), que tanta importancia tuvo para el pensamiento medieval, lo cual ratificaría la influencia de la alquimia sobre Newton. Por ejemplo, le interesaban los fenómenos de la transmutación, en la que creía lo mismo que Boyle y, también como éste, intentaba compaginar los escritos bíblicos sobre la Creación con los secretos alquímicos. Basándose en la teoría corpuscular de Boyle, supuso que entre las partículas o corpúsculos de la materia existían fuerzas de enorme intensidad, cuya potencia era característica de cada sustancia y que sólo tenían lugar cuando las distancias eran muy pequeñas. Con esta teoría daba explicación a que un metal determinado pudiera sustituir a otro en una disolución ácida. Es decir, trataba de justificar su afinidad. Newton da, pues, una interpretación de la afinidad de tipo mecanístico, pensando que la reactividad química era debida a una atracción física. En el problema de la afinidad, que desde muy antiguo venía preocupando a los científicos, Newton abre así nuevas perspectivas. Todas estas ideas quedaron plasmadas en sus obras De natura acidorum y también en Optica, que ejercieron gran influencia en muchas universidades. También su teoría del éter como causa del movimiento y cambio —y que sería por tanto el principio del cambio químico— tuvo gran influencia en muchos investigadores y profesores de química. Tal es el caso de Stahl, que identificaba este éter con el fuego, continuando de esta forma con la teoría aristotélica de los cuatro elementos, idea ésta que contribuyó muy sensiblemente a que éste elaborara la teoría del flogisto que, si bien errónea, es de una importancia innegable en la evolución de las ideas en química.
CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA
97
7.3. LA TEORÍA DEL FLOGISTO Como se ha podido constatar a lo largo de los temas anteriores, los metales fueron siempre uno de los mayores problemas como objeto de observación, de trabajo y de estudio de los alquimistas y químicos, pero también de todos los físicos, farmacéuticos y médicos que, en un sentido más o menos amplio, se dedicaban a la química. En este sentido, ya en el siglo XVII los fenómenos de combustión y de calcinación de los metales, tan asociados a los procesos de metalurgia, constituyeron uno de los temas centrales de la experimentación química. C/T/S Y, ¿por qué? Probablemente una de las razones más poderosas por las que surge —o, más bien, se incrementa— esa preocupación por los metales sea la naciente industria metalúrgica, que planteó importantes problemas técnicos cuya resolución convenía, ya que en definitiva repercutía sensiblemente en las economías de los países implicados.
¿Qué era el flogisto? La teoría del flogisto era, en realidad, otra teoría de elementos, creada por el médico y químico alemán Georg Ernst Stahl (16601734), aunque inspirándose en algunas ideas de Newton, como acabamos de ver, y sobre todo en las de Johann Becher. La palabra flogisto deriva del término griego phlogiston (que significa combustible) y a muy grandes rasgos se puede definir como una teoría imaginada para explicar los fenómenos caloríficos. El flogisto sería un principio presente en todos los cuerpos y que se desprendería de ellos durante su combustión. Pero antes de seguir adelante es conveniente hacer una breve revisión de la sociedad, economía y política de aquellos tiempos y su relación con la ciencia, así como de la figura, teorías y momento histórico de Becher, cuyas ideas representan el antecedente inmediato del flogisto.
7.3.1. Antecedentes históricos y científicos En aquellos tiempos, las largas guerras europeas (como la de los Treinta Años, de 1618 a 1648) sangraban o habían sangrado la economía de los países europeos, con lo cual fue forjándose una política de fomentar la industria y de explotar sabiamente las materias primas. Por eso muy frecuentemente los alquimistas estaban protegidos muchas veces directamente por los gobiernos o por mecenazgos privados. Esto se traducía también en la ayuda a los inventores y en que la química fuera una disciplina cada vez era más impartida en las aulas de las universidades. Tal era el caso también de Alemania, o, más correctamente, del Sacro Imperio Romano Germánico. Los estados alemanes impulsaban no sólo la minería y la metalurgia, sino todo tipo de producción (vidrio, cerámica, tejidos, cerve-
98
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
za...). Va naciendo así una industria que se iba haciendo más fuerte, en íntima conexión con su control oficial y también con el desarrollo del comercio (estos aspectos se tratarán más ampliamente en el Tema 14). C/T/S Es interesante reflexionar algunos instantes sobre esta tendencia, que marcó una tradición que a la larga convirtió a Alemania en gran potencia de la industria. Tendencia que en un principio comenzó por unas necesidades económicas que dieron un impulso inicial a la ciencia.
Un ejemplo de todo lo anterior lo representa la figura de Joachim o Johann Becher (1635-1682), que en un principio fue protegido por el emperador austriaco Leopoldo I, si bien después se trasladó a otros países europeos en los que se dedicó intensa y apasionadamente al estudio experimental de diversos procesos químicos, sobre todo los referentes a la minería y a la obtención de metales preciosos. Terminó sus días en Inglaterra, donde se interesó por las minas de carbón, estudiando la utilización de la hulla con fines industriales, especialmente para preparar gas de hulla con objeto de utilizarlo en el alumbrado de las ciudades. Profundamente religioso, suponía a Dios como un gran químico y que los minerales se habían formado después del mundo orgánico, a partir del agua y la tierra. Consideraba tres tipos de tierras, en contraposición a los tria prima de Paracelso: la terra fluida, que proporcionaba a las sustancias su volatilidad y también su carácter metálico; la terra lapidea, que les daba el principio de fusibilidad, y la terra pinguis, que les daba el carácter oleoso y el sulfúreo y, sobre todo, la combustibilidad. Por tanto, esta última terra sería fundamental en toda combustión. Estas ideas serían tomadas y reelaboradas por Stahl, aunque introduciendo importantes modificaciones, dando lugar así a la famosa teoría del flogisto.
7.3.2. Stahl y la teoría del flogisto Stahl era catedrático de medicina en la Universidad de Halle pero también químico, habiendo trabajado como tal en el estudio de procesos de la química práctica, como la fermentación de la cerveza y del vino y en la obtención de minerales. Es decir, continuaba esa tendencia alemana de fomentar la industria química en aras de la economía del país. Llevó a cabo un gran número de trabajos experimentales, enfocados en su inmensa mayoría hacia sus más fuertes preocupaciones en el ámbito científico: los procesos de combustión y de calcinación de los metales, así como la respiración de los seres vivos. Además, también dirigió sus estudios empíricos hacia la afinidad química y la fuerza de los ácidos. ¿Por qué esa preocupación de alquimistas y de químicos por la combustión? No es tan extraño, ya que si reflexionamos unos momentos, cuando se
CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA
99
queman tanto los materiales del mundo inanimado como los procedentes del mundo orgánico, se producen fenómenos que aunque ahora nos resulten tan normales —pues los conocemos perfectamente—, en aquellos momentos parecían algo sobrenatural. Tiene lugar un gran desprendimiento de calor; los restos de los materiales que se queman (cenizas o productos calcinados) son muy diferentes del original; se produce muchas veces fuego, y la llama es algo que cambia de forma y de color, algo quema pero que es intangible, es como... un espíritu. En su teoría del flogisto Stahl está influido por las ideas de Boyle y, sobre todo, de Becher. Así, la materia estaría constituida por corpúsculos que al unirse formarían los «mixtos» o compuestos. Hasta aquí la influencia de Boyle. Pero Stahl suponía que habría unos tipos básicos de corpúsculos, en un total de cuatro, que se corresponderían en realidad con las tres «terras» de Becher más el agua. Con estas ideas y con todos los datos obtenidos en sus experimentos crea una teoría, la del flogisto o teoría sublime, como algunos la llamaban en su época. En ella, las aportaciones fundamentales de Stahl consistieron en: — Suponer que si esos tipos básicos se agregaban, se combinarían entre sí formando los principios secundarios, que serían muy estables, por lo que no podrían simplificarse (como la plata y el oro, así como muchos óxidos metálicos). Además, cuando a su vez se combinaban entre sí esos principios secundarios, se obtendrían los cuerpos mixtos. Es decir, habría una verdadera jerarquía, en la que los cuatro elementos básicos no estarían omnipresentes en la materia, mientras que los principios secundarios serían los precursores del concepto actual de elemento, enunciado por Lavoisier (como se tratará en el Tema 8). — Suponer que todos los cuerpos que eran inflamables contenían la terra pinguis, que él llamó flogisto. El flogisto era, pues, algo presente en toda sustancia que fuera combustible y que se pudiera transformar por el calor. Por ello, el flogisto se desprendería en la calcinación de los metales y en la combustión de los materiales orgánicos e, incluso, en los procesos de respiración, fermentación y putrefacción. También estudió experimentalmente la combustión del azufre y su recuperación. Pensó que el azufre contenía, además de flogisto, el principio de acidez o ácido universal, que se encontraría en todas las sustancias ácidas. En la combustión se desprendía el flogisto del cuerpo y se perdía en la atmósfera. Además este proceso sería reversible, ya que si se añadía flogisto al producto resultante de la combustión se obtenía el cuerpo de partida: por ejemplo, el producto de calcinación de un metal, llamado entonces «cal» y que no era otra cosa que el óxido metálico, daría con flogisto de nuevo el metal de partida correspondiente. Sin embargo, en el caso de los cuerpos orgánicos esta recuperación del material inicial ya no sería posible, puesto que quedaba totalmente destruido en la combustión. Esta consideración marcó un hecho que tuvo después una gran trascendencia: el que se abando-
100
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
nara por el momento el estudio de los compuestos orgánicos. En los inorgánicos eran más fáciles de explicar todas esas transformaciones, mientras que para los orgánicos se hacía necesario, según Stahl, apelar a un agente vital (idea que perduraría hasta mucho tiempo después, en la época de Berzelius con la teoría de la fuerza vital, ya bien entrado el siglo XIX, como se discutirá en el Tema 12). Stahl extendió su teoría también a la vida de las plantas: pensó que éstas absorbían el flogisto de la atmósfera, estableciéndose así un ciclo de flogisto en la naturaleza, que es el precedente del ciclo de la fotosíntesis formulado posteriormente. El error básico de la teoría del flogisto fue identificar un sustrato material con una propiedad. No obstante, los flogísticos tuvieron también sus méritos, siendo uno de los mayores el intentar explicar con una teoría unos hechos experimentales. Pero el gran problema surgió al observarse en los experimentos que los metales ganaban peso al ser quemados en presencia de aire, cuando según la teoría de Stahl debían perderlo (ya que se desprendían del flogisto). Este fue un hecho experimental que contradecía esa teoría y al que no se pudo dar una explicación satisfactoria hasta los delicados trabajos cuantitativos de Lavoisier (Tema 8).
7.4. LA QUÍMICA PNEUMÁTICA A pesar de que el flogisto resultara a la larga una teoría errónea fue la teoría dominante durante casi todo el siglo XVIII y Stahl tuvo muchos seguidores. Creó una escuela en Berlín y sus ideas se extiendieron por toda Europa, dando lugar a la aparición de importantes científicos, sobre todo en Inglaterra, Alemania, Francia y Suecia. Muchos de sus discípulos, fervientes continuadores de su maestro, realizaron importantísimas contribuciones al desarrollo de la química, tanto por sus aportaciones al conocimiento de las propiedades de muchos compuestos, como por la aplicación de la química a la industria y por la innovación y perfeccionamiento de las técnicas experimentales. En relación al último de estos aspectos hay que destacar la llamada química pneumática.
7.4.1. Inglaterra y la química pneumática: Black, Cavendish y Priestley Entramos en unos momentos en los que se va perdiendo la antigua noción que se tenía sobre el aire de elemento de la filosofía aristotélica y se le empieza a considerar como representante de un estado de la materia, el gaseoso. Además, se le detecta como una especie química cuya actividad se pone de manifiesto en los procesos de combustión y respiración y se comprueba el aumento de peso de los cuerpos que sufren ese proceso de combustión. Pero todos estos estudios no hubieran podido llevarse a cabo sin la posibilidad de la manipulación experimental del estado gaseoso. Esto ya
CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA
101
fue iniciado por Boyle, con lo que hay que recordar también los avances tecnológicos que supusieron la máquina pneumática de von Gericke y el tubo en U de Torriccelli, a lo que ya se hizo referencia en el Tema 6. Pero hay otro grupo de científicos, principalmente ingleses, que continuaron prestando una contribución enorme a este capítulo del estudio de la materia: se trata de los químicos pneumáticos, llamados así precisamente por alusión a la palabra griega pneuma, que significa «aire», como ya se ha dicho. En el inicio de la química pneumática fue decisivo el invento de la cuba pneumática, artefacto ideado por Stephen Hales (1677-1761), que permitía que los gases desprendidos en una reacción fuesen recogidos en una vasija o cuba con agua (Fig. 7.1). C/T/S Con este aparato Hales demostró que los gases se podían recoger o «fijar». Esto hizo posible ya trabajar en los laboratorios con los gases, para pesarlos, analizarlos, realizar con ellos reacciones... Los gases habían dejado de ser esa materia etérea, incontrolable y misteriosa, para convertirse en manipulables y reconocibles, como lo son los sólidos y los líquidos. El avance científico al que este aparato dio fue incalculable.
Ésta es una época para Inglaterra de enorme esplendor en el terreno científico, con muchos investigadores trascendentales para la Historia de la Ciencia, entre los cuales hay tres que se destacan respecto a los demás: Black, Cavendish y Priestley.
FIGURA 7.1. Aparato utilizado por Hales para recoger gases.
102
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Joseph Black (1728-1799) Es uno de los científicos más brillantes de esta época, no sólo en Inglaterra sino en toda Europa, que realizó importantes aportaciones al estudio de la química. Entre sus numerosas investigaciones hay que destacar su descubrimiento en 1717 del gas carbónico —es decir, del dióxido de carbono—, al que denominó aire fijo, llevado a cabo al continuar en la línea de los trabajos de van Helmont, al que se le puede considerar como el fundador de la química de los gases. Lo detectó al calcinar los carbonatos, y propuso que este gas se desprendería en ese proceso por lo que, una vez calcinados los carbonatos, ya no darían efervescencia con los ácidos. Esta proposición o teoría de Black tuvo fuertes detractores y fue motivo durante bastante tiempo de grandes litigios, pero al final logró imponerse. También demostró que este gas —que fue, además, el primer gas obtenido artificialmente que se identificó como un nuevo compuesto— se hallaba también formando parte del aire en pequeñas cantidades, siendo muy diferente de éste, ya que no podía arder. Otra gran contribución original de Black fueron sus estudios en calorimetría, con el descubrimiento y descripción de los conceptos de calor específico y calor latente, en 1775, que fue retomado posteriormente por Lavoisier y fundamental en el desarrollo de su teoría de la combustión (Tema 8). Henry Cavendish (1731-1810) Este aristócrata, dedicado por entero a la ciencia, trabajó en muy diversos capítulos de la química, realizando importantísimos descubrimientos, aunque muchas veces no llegara a publicar sus conclusiones. Así, como Black, estudia sobre calores específicos, consiguiendo determinar su valor para muchos compuestos. También es importante constatar que en sus experimentos tiene en cuenta el carácter cuantitativo, realizando cuidadosas pesadas y anticipadándose en este aspecto a Lavoisier. Es también un precedente de la estequiometría, cuyas bases son establecidas oficialmente años después por el alemán Richter (puede consultar el Tema 9). En química inorgánica también realiza importantes avances: por ejemplo, reconoce y distingue los diferentes óxidos de arsénico y verifica la solubilización de algunos carbonatos por acción de un exceso de aire fijo (CO2). En cuanto a la química de gases, es tal vez donde lleva a cabo los hallazgos de mayor trascendencia. Por una parte, construye una variante de la cuba pneumática de Hales, sustituyendo el agua por mercurio para evitar la posible disolución de los gases. Por otra, descubre un nuevo gas, el aire inflamable (nuestro hidrógeno) que, aunque ya había sido detectado en cierto modo por Boyle, van Helmont y el mismo Paracelso, fue Cavendish el primero en aislarlo —obteniéndole por reacción entre ácido sulfúrico y hierro— y en determinar sus propiedades. Sin embargo, este brillante investigador de la escuela flogística cometió un gran error al suponer que este gas inflamable era precisamente el flogisto.
CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA
103
John Priestley (1733-1804) Fue también un gran hombre para la química, aunque partidario de la teoría del flogisto. Nació en Yorkshire, hijo de un tejedor y sastre congregacionista, es decir, perteneciente a la llamada Iglesia Inconformista de Inglaterra. Estudió por ello en una academia de las llamadas «disidentes», que cuidaban en extremo la educación, que incluía tanto la enseñanza de las letras y la teología como la de las ciencias, por lo que Priestley recibió una vasta, variada y esmerada formación. Y este hecho se repetirá en el caso de Dalton, como se estudiará en el Tema 9. Aprende teología, medicina, ciencias y diversas lenguas, pero fue químico por afición. Educado para ejercer el ministerio religioso, compagina esta actividad desde muy temprano con la enseñanza (precisamente es autor de muchos textos dedicados a la educación) y con la investigación química, aunque esto lo iniciara a edad relativamente madura. Desempeñó diversos cargos como ministro de la Iglesia en distintos lugares de Inglaterra y en Manchester impartió la docencia en la Academia Warrington, prestigioso centro docente disidente. En 1794, debido a su actitud crítica hacia la política de su país y a su decidido apoyo a la guerra de Independencia americana, se vio obligado a emigrar a Estados Unidos. Al llegar a Filadelfia le ofrecen una cátedra de química en la Universidad de Pensilvania. Muere aislado del mundo científico, en una pequeña ciudad a la que se había retirado para fundar una escuela y entregarse por completo a la enseñanza (Northumberland, en el estado de Pensilvania, donde existe actualmente el Museo Priestley). En cuanto a su dedicación activa a la química, es a partir de 1767, aproximadamente, cuando empieza a dirigirse hacia la química experimental. Durante su estancia en Leeds como pastor de la Iglesia, el hecho de vivir al lado de una fábrica de cerveza le hace interesarse por el estudio de los gases —o «aires», como se les llamaba entonces—, cuando ya contaba 34 años. Realiza multitud de experimentos que le llevan a importantes resultados, como es el descubrimiento, caracterización y preparación de gran número de gases (unos veinte), entre ellos el aire nitroso (NO2), el cloruro de hidrógeno, el sulfuro de hidrógeno, el fluoruro de silicio, etc... También aisla el nitrógeno del aire, al que llama aire flogístico. Asimismo, inventó el agua de soda, con lo cual abre en la industria el capítulo de las aguas minerales artificiales. Pero su mayor mérito es el descubrimiento del oxígeno, en 1774: calentando con una lente óxido de mercurio se formaba un gas con el que las combustiones se producían mucho mejor. Le denominó aire desflogistizado y resultó ser el mismo gas que el «aire del fuego» obtenido por el químico sueco Scheele, en 1772, de forma totalmente independiente, aunque por desgracia no publicará estos resultados hasta 1777, en su Tratado de química del aire y del fuego, después de que Priestley diera a conocer su trabajo. Al leer lo sucedido a Scheele, debemos reflexionar sobre la importancia que en la investigación científica tiene la comunicación de los resultados, así como las vías para llevar a cabo esa comunicación.
104
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
7.4.2. Otros químicos del flogisto En Alemania los partidarios del flogisto, que en su mayor parte fueron alumnos de la Escuela de Berlín fundada por Stahl, dejan sobre todo su huella más profunda en la industria química. Entre ellos sobresalieron: Caspar Neumann (1683-1737): Extrajo gran catidad de compuestos químicos de productos naturales (como muchas esencias y aceites vegetales). Fue autor de diversos manuales para la enseñanza de la química y de memorias aparecidas casi todas en publicaciones científicas creadas en aquella época, muchas de las cuales continuaron durante muchísimo tiempo (como Comptes Rendues y Philosophical Transactions). Johann Heinrich Pott (1692-1774) y Johann Friedrich Boettger (16821719), a los que se debe la creación de la industria de porcelana en Europa, como se tratará más ampliamente en el Tema 14. Andreas Sigismund Marggrafe (1709-1782): Como químico tuvo una actividad bastante polifacética y llena de éxitos. En primer lugar, potenció la química analítica a través de sus experimentos de coloración a la llama con sales de sodio y potasio. Además, descubrió dos nuevos elementos, el magnesio y el manganeso, y consiguió extraer cinc de sus minerales. Pero sobre todo detectó la existencia de sacarosa en la remolacha mediante la aplicación del microscopio (una innovación en cuanto a los experimentos de química pues hasta entonces sólo había sido utilizado en medicina y biología). Este importante descubrimiento permitió iniciar posteriormente la industria del azúcar de remolacha, construyéndose la primera fábrica azucarera a partir de remolacha precisamente en Prusia, en un lugar muy próximo a Berlín, a la que siguieron otras. Estas refinerías azucareras tuvieron un gran éxito mientras no tuvieron que competir con el azúcar de caña de las colonias americanas, de producción más barata. C/T/S La industria del azúcar de remolacha, que surgio gracias a un avance tecnológico como fue el microscopio, es otra muestra de la relación ciencia/tecnología, que a su vez incidió en gran manera en la economía de los países productores.
No sólo hubo importantes seguidores del flogisto en Alemania, su lugar de origen. Esta teoría tuvo ardientes partidarios en otros países: En Suecia había una importante tradición científica, propiciada por la misma familia real desde tiempos del padre de la famosa —por el cine, sobre todo— reina Cristina y por ella misma, que incluso realizaba experimentos de química después de que dejara el trono y se retirara a Roma. Se habían crea-
CERCA DEL CAMBIO: EL FLOGISTO Y LA QUÍMICA PNEUMÁTICA
105
do importantes laboratorios en Estocolmo, en los que se descubrió el ácido fórmico, aislado de las hormigas y se hicieron estudios sobre química relacionada con la agricultura. Surgió otro importantísimo centro científico en la Universidad de Upsala, en la que aparte de ilustres químicos hay que citar a Linneo en Ciencias Naturales. Se llevaron a cabo investigaciones principalmente en química mineral, metalurgia, química analítica y mineralogía, destacando entre todos sus valiosos científicos Torben Bergman (1735-1784) y ante todo Scheele, ambos contemporáneos de Lavoisier. Carlos-Guillermo Scheele (1742-1786): Llevó a cabo numerosos experimentos y estudios, siendo los más sobresalientes los relativos a la composición del aire, del que afirmó que se trataba de una mezcla de dos fluidos: del «aire viciado o corrompido», que sería nuestro nitrógeno, y de «aire puro o del fuego», que sería el oxígeno. Asimismo, realizó investigaciones relativas a química mineral y también a química orgánica y descubrió nuevas sustancias, como el cloro, la glicerina, el ácido oxálico, entre otras muchas. A pesar de estos grandes éxitos en el aspecto experimental, en el de la teoría el hecho de ser partidario del flogisto le impidió poder llegar a establecer conclusiones válidas. Asimismo, perdió el derecho a la «paternidad» de un descubrimiento tan importante como el del oxígeno —como ya se ha comentado en 7.4— simplemente por no haberlo publicado a tiempo. En Francia la escuela del flogisto tuvo también importantes seguidores, entre los que destacan los siguientes: François Geoffroy (1772-1731), estudioso de la afinidad química, acerca de lo cual construyó unas interesantes tablas de afinidades; François Rouelle (1703-1770), profesor de química en París, en el Jardín de Plantas y uno de cuyos alumnos fue precisamente Lavoisier; Pierre Bayen (1725-1778), farmacéutico dedicado a la química, que también descubrió el desprendimiento de un gas —el oxígeno— por calefacción del óxido de mercurio rojo, aunque no supo interpretar su descubrimiento (interpretación que sí pudo dar Lavoisier posteriormente); Antoine Beaumé (1728-1804), que investigó en procesos industriales de tinte de tejidos y blanqueo de sedas y que construyó en Francia la primera fábrica de cloruro amónico, y Nicolás Leblanc (1742-1806), al que se debe la primera fábrica para la preparación industrial del carbonato sódico en 1791, según el método que lleva su nombre (sobre esta industria se tratará más ampliamente en el Tema 14). En Holanda hay que citar a: Hermann Boerhaave (1668-1738), científico que sobresalió en primer lugar en el aspecto de la docencia de la Química y que intentó eliminar en ésta la influencia de la alquimia que aun persistía en su tiempo. En realidad, más que pertenecer al grupo de seguidores del flogisto, desarrolló él mismo e independientemente de Stahl una teoría parecida, también inspirada en la idea newtoniana del éter. Suponía que el éter se correspondía con el fuego, el gran transformador de toda la materia, aunque ese fuego permaneciese inva-
106
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
riable. Fue profesor en la Universidad de Leiden y autor de un interesantísimo texto, Elementa Chemia, que contenía todo lo que hasta entonces se conocía sobre química y que consiguió desplazar en las aulas al Cours de Chemie del iatroquímico Lemery. En Rusia aparece una figura interesantísma: Mikhail Lomonossov (1711-1765), químico y hombre polifácético, pues también fue escritor, poeta, fundador de la Universidad de Moscú y autor de una gramática de la lengua rusa. En química hizo importantes trabajos y hallazgos, algunos verdaderamente innovadores, casi todos pertenecientes a la química-física. Así, en relación a la transmisión del calor, llegó a demostrar que éste se propagaba por el movimiento de las partículas. Consiguió determinar el punto de congelación del mercurio (llevado a cabo en el frío ambiente de Siberia). Señaló por primera vez la diferencia entre átomo y molécula. Explicó el aumento de peso de los metales en la combustión. Intentó generalizar el principio de conservación de la materia a todos los cambios de la naturaleza (1784)... En fin, realizó unas importantísimas contribuciones, gran número de las cuales eran originales, pero la falta de traductores de lengua rusa fue la causa de que estos trabajos tan valiosos para la ciencia quedaran ignorados por la comunidad científica de los países extranjeros. Y en Irlanda, Richard Kirwan (1733-1822), partidario del flogisto aunque luego se uniera a Lavoisier.
7.5. REFLEXIONES FINALES En el siglo XVIII poco a poco va imperando la razón y la ilustración, que también se extienden al mundo de la química. La intercomunicación de ideas va abriéndose paso frente al aislamiento medieval. Por ello van surgiendo salones literarios, artísticos y también científicos (como se verá con Lavoisier en el tema siguiente). Asimismo, se comienzan a crear academias y sociedades científicas, en cuyas revistas los investigadores pueden publicar con rapidez sus hallazgos más recientes para darlos a conocer a la comunidad científica. Como ejemplos representativos de todo ello, pueden citarse en Inglaterra la Royal Society y en Francia la Academie de Sciences. También existen muchos ejemplos en los que un investigador, al no publicar sus hallazgos o hacerlo con retraso, lamentablemente deja que la gloria se la lleven otros. Tal es el caso de Scheele y su descubrimiento del oxígeno. Las traducciones van cobrando asimismo importancia: posibilitan el conocimiento de las investigaciones realizadas en otros países. Se ha tratado el caso de Lomonossov, cuya obra quedó casi desconocida al resto de Europa, con lo cual no se pudo conocer a tiempo una importante obra llena de originalidad.
Tema 8 LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA ESQUEMA DE CONTENIDOS 8.1. INTRODUCCIÓN 8.2. NOTAS SOBRE LA VIDA DE LAVOISIER 8.2.1. Datos biográficos 8.2.2. Formación y actividad científica 8.2.3. Corrientes científicas en la formación de Lavoisier 8.3. LABOR CIENTÍFICA DE LAVOISIER 8.3.1. Trabajos sobre metales 8.3.2. Composición del aire 8.3.3. Trabajos sobre el agua 8.4. LA NUEVA QUÍMICA: ADIÓS AL FLOGISTO 8.4.1. Nueva química y necesidad de una nueva nomenclatura 8.4.2. Extensión a otros países 8.5. OBRA ESCRITA DE LAVOISIER 8.6. REFLEXIONES FINALES
Lavoisier y su esposa, pintados por David
8.1. INTRODUCCIÓN Tradicionalmente Lavoisier es considerado como «padre» de la química moderna. Aunque la expresión puede parece más bien un tópico, responde en gran manera a una realidad. Si bien es verdad que ha habido gran polémica sobre la verdadera paternidad de la química entre ses contra alemanes (que la atribuyen a Stahl y a Paracelso) e ingleses (que argumentan a favor de Cavendish o Priestley), es a Lavoisier a quien se debe el haber dado a la química un nuevo enfoque. Asimismo, modernizó la química dotándola de un lenguaje que hacía sus escritos mucho más compresibles y reestructuró sus principios. Esto se trasluce fácilmente en su texto Tratado elemental de Química, por lo que es conveniente, si no leerlo en profundidad, al menos ojearlo con alguna atención. No obstante y volviendo a esa polémica, las ideas de Lavoisier se basaron en gran medida en investigaciones de científicos ingleses, alemanes y escandinavos sobre problemas químicos, farmacéuticos y médicos. Pero al situarse la química en una nueva dirección, se rompió con el pasado, por lo que muchos de esos trabajos han quedado injustamente relegados al olvido.
8.2. NOTAS SOBRE LA VIDA DE LAVOISIER Antes de analizar la obra de Lavoisier y la reforma que llevó a cabo en la química, para comprenderla mejor es importante ubicarle en su momento histórico y dar una referencia de los aspectos más sobresalientes de su biografía. Su vida está repleta de interesantes datos, unos relacionados directamente con la química y otros no tanto, pero que en conjunto marcaron su actividad y actitud hacia la ciencia.
8.2.1. Datos biográficos Antoine Laurent Lavoisier nació en París en 1743, dentro de una familia de gran tradición en el mundo de las leyes. Su padre era un abogado que
110
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
ocupaba un importante cargo, el de procurador en el Parlamento de París. Por esta razón en un principio Lavoisier continuó en esa línea y estudió abogacía en el ilustre Colegio Mazarin, graduándose en derecho en 1763. Muy probablemente con fines económicos y para asegurarse una holgada situación financiera que le hiciera independiente, en 1768 se hace miembro de la Ferme Genérale, una compañía contratada por el gobierno para recaudar impuestos indirectos, razón por la que esa institución era odiada por la sociedad sa, lo cual con el tiempo trajo para Lavoisier trágicas consecuencias. En 1771 se casa con Marie Anne Pierrette Paultze, hija de otro fermier, como se les llamaba a los socios de esa empresa. En 1785 es nombrado director de la Academia de Ciencias de Francia. En 1793, durante el «Reinado del Terror» es hecho prisionero, en parte por su condición de fermier y en parte —y puede que en el fondo— por el odio de Marat hacia él, fundado en los celos que sentía por Lavoisier en el aspecto científico. Es juzgado y condenado a la pena capital, muriendo guillotinado en 1794. De la imagen de Lavoisier, uno de los más grandes hombres de Francia, no quedan más que algunos cuadros y grabados, pues se da el caso que en la escultura que se le dedicó en 1890 la cabeza no correspondía a la suya, sino a la de un filósofo contemporáneo de Lavoisier, escultura que por otra parte fue destruida durante la Segunda Guerra Mundial.
8.2.2. Formación y actividad científica A pesar de haberse graduado en derecho, su verdadera pasión fueron las ciencias ya que su tiempo libre lo dedicó intensamente a la investigación química. Y, curiosamente, su formación en leyes le ayudó en gran manera en su preocupación por la precisión en el planteamiento, realización y discusión de sus trabajos científicos. O tal vez, fue precisamente la que le inspiró a enfocarlos de esa manera. En todo caso, es en principio extraño que un hombre de letras diese un giro tan significativo hacia las ciencias. Pero, dejando a parte su propia personalidad, hubo algunos factores que sin duda contribuyeron decisivamente a que tomase esa nueva trayectoria. Por una parte, el lugar donde estudió, el Colegio Mazarin, de gran prestigio en la enseñanza tanto de las letras como de las ciencias y en el que, además de derecho, estudió Lavoisier un curso de química divulgativa dirigido especialmente a médicos y farmacéuticos. Por otra parte, y éste sea tal vez el factor más importante, algunos de las personas próximas a él. Así, algunos de sus amigos influyeron notablemente en su formación científica, como el geólogo mineralogista Guettard o el prestigioso matemático Laplace, con el que incluso llevó a cabo algunas importantes investigaciones. Otra persona que le ayudó enormemente en su labor científica fue su mujer, que siempre estuvo a su lado contribuyendo en sus trabajos. Desde traducir numerosos textos científicos ingleses, como los de Priestley o Cavendish —para lo cual tuvo que aprender expresamente ese idioma— hasta estudiar dibujo para poder realizar ella personalmente los grabados que representaban los
LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA
111
aparatos de química que utilizaba su marido, u organizar reuniones semanales para crear tertulias científicas en los salones de su casa, donde se intercambiaban ideas y se daba información sobre los últimos descubrimientos científicos.
8.2.3. Corrientes científicas en la formación de Lavoisier En el Colegio Mazarin, a través del curso de química al que asistió —y que era impartido por el prestigioso científico Rouelle— tomó o con la teoría del flogisto, si bien con ciertas variantes. Según Rouelle (en el Tema 7), se seguían itiendo los cuatro elementos tradicionales, si bien podían actuar como elementos químicos y también como instrumentos físicos, en contra de lo postulado en la teoría de Stahl (también en el Tema 7). Éste es un interesante matiz, el de la distancia entre lo físico y lo químico. Así el fuego, o flogisto, no sería tan sólo un instrumento físico —como opinaba Stahl— con el que se podrían alterar los estados físicos de la materia, sino también un componente de ésta, es decir, sería asimismo un elemento químico. Lo mismo ocurriría con los otros tres elementos, el agua, la tierra y el aire. En éste último, el aire, ya se había demostrado que podía actuar de forma química y bien existir libre o bien fijado (aire «fijo»). En definitiva, se iniciaba una corriente de ir interpretando las reacciones químicas mediante un análisis «científico» de las mismas, buscando una interpretación de tipo químico, a partir de la teoría corpuscular de Newton. Sin embargo, hay que reconocer que la formación científica inicial de Lavoisier cayó plenamente dentro de las teorías del flogisto. Rouelle también había estudiado las sales y realizó una clasificación según sus formas cristalinas y, lo que es más importante, según los ácidos y las bases de las que proviniesen. En conjunto, Lavoisier recibió información sobre la teoría de la acidez, de las reacciones en que intervenía el aire, en particular la combustión, del análisis cuantitativo de minerales y de la composición de las aguas. Otra fuente de conocimiento para Lavoisier fueron también las numerosas traducciones sobre minas y metalurgia de textos alemanes y suecos, principalmente. Esto vino provocado por una incipiente preocupación del estado francés por la instalación de industrias como posibles creadoras de riqueza, al igual que ocurría en Inglaterra, en los estados alemanes o en los países del norte de Europa. C/T/S Se trataba, pues, de una preocupación de origen económico, lo cual nos vuelve a demostrar las estrechas relaciones entre los fenómenos sociales y la ciencia.
Este hecho dio lugar a que Lavoisier colaborara en la realización de un estudio «in situ» de los yacimientos minerales en el suelo francés, así como de las fuentes naturales de agua. Esto, a su vez, le llevó a efectuar un estudio
112
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
sobre análisis químicos de aguas y otro sobre el yeso. También realizó un trabajo sobre las formas de alumbrado (con candelas de aceite y con velas) en las grandes ciudades. De estos dos últimos trabajos presentó sendos informes ante la Academia de Ciencias de París, obteniendo una medalla por el segundo, en 1766, cuando sólo tenía 23 años. Fue así ganando la consideración e, incluso, la iración del mundo científico, lo cual le valió el ingreso en la Academia de Ciencias en 1768, a los 25 años, hecho que implicaba un gran prestigio aunque hubiese sido itido sólo en el rango más bajo (como ayudante químico o «adt»).
8.3. LABOR CIENTÍFICA DE LAVOISIER La herencia de su padre, recibida a los 23 años, y su papel de fermier le proporcionaron una independencia económica que le permitió poder dedicarse enteramente a la ciencia en su tiempo libre y, además, tener una capacidad adquisitiva lo suficientemente holgada como para poder invertir en los más modernos y sofisticados aparatos científicos del momento. Y esto redundó decisivamente en que la precisión de las operaciones realizadas por Lavoisier fuese mucho mayor. Esta idea de la precisión fue básica en todo su trabajo al introducir el aspecto cuantitativo en sus mediciones, para lo cual incorporó de forma sistemática el barómetro, el termómetro, el calorímetro y, sobre todo, la balanza en sus análisis experimentales. De esta manera, comenzó a realizar muchos trabajos sobre la destilación del agua, en los que pesaba cuidadosamente los residuos sólidos, y sobre la naturaleza del aire. Estos últimos le condujeron a formular inicialmente una teoría de los estados de la materia y del modelo gaseoso, si bien en términos de la teoría del flogisto. En sus primeros años de investigación química, concretamente de 1770 a 1783, las tres cuestiones fundamentales que más atrajeron la atención de Lavoisier fueron el aumento de peso de los metales en la calcinación, la composición del aire y la descomposición del agua. Todo ello le llevó a la conclusión de que la teoría del flogisto no era válida, lo cual asimismo fue capaz de demostrar.
8.3.1. Trabajo sobre metales En los experimentos de Lavoisier sobre el aire y los gases (o «aires», como entonces se les llamaba, ya que la palabra aire era sinónimo del término gas usado actualmente) fueron esenciales todos los aparatos para recogerlos y analizarlos, ideados por otros científicos, como los ingleses Hales, Cavendish y Priestley. Y fue gracias a las traducciones de su esposa, Anne Marie, como Lavoisier pudo acceder a la lectura de los trabajos de esos científicos. Por otra parte, el científico francés Guyton de Morveau (1737-1811) había observado en numerosos experimentos que los metales aumentaban
LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA
113
de peso cuando se tostaban en presencia de aire. A la luz de estos experimentos, así como los de otros investigadores y los suyos propios, Lavoisier llegó a la conclusión de que el aire se «fijaba»en muchas reacciones, como era el caso de la calcinación de los metales. A su vez, ese aire «fijado» se volvía a desprender en el proceso inverso, es decir, cuando el producto de calcinación correspondiente (calcinado o «cal», tal como entonces se decía) se descomponía. Todos estos hechos contradecían la teoría del flogisto, ya que según ella al quemarse el metal debería perder flogisto, con lo cual perdería peso en lugar de ganarlo.
Por esto, se había sugerido que el aire era un fluido combinado con el flogisto y que en el proceso de combustión, mientras el aire se fijaba el flogisto se liberaba, produciendo la luz y el calor propios de la combustión. Luego, la luz y el calor provendrían del aire, pero no del metal como proponía Stahl. Metal + Aire (materia aérea+flogisto) → Cal ( Metal+materia aérea) + calor y luz
Lavoisier volvió a comprobar experimentalmente todas estos ensayos en los que intervenía el aire y, como él mismo decía, lo repitió todo «con nuevas garantías» para «formar una teoría». Estudió así empíricamente la descomposición del óxido de plomo (II) o litargirio mediante una reacción de tostación con carbón vegetal para intentar pasarlo a metal, lo que le permitió observar que se desprendía un gran volumen de «aire». También analizó la combustión del azufre y la del fósforo, pesando los productos de combustión. Con el estaño hizo lo mismo y al calentarlo en un recipiente cerrado las medidas ponderales le demostraron un hecho importantísimo: que el aumento de peso del metal era igual a la disminución de peso del aire en el recipiente. Llegó así a la conclusión de que era el aire el responsable de los procesos de combustión y también del aumento de peso de los materiales que sufrían esa reacción.
Por otra parte, en esa época pero con anterioridad a todos estos estudios de Lavoisier, se habían descubierto distintos tipos de «aires», es decir, de gases: el aire «fijo» (en realidad, nuestro CO2), desprendido en los carbonatos; un «aire» ligero e inflamable (el hidrógeno); los óxidos de azufre y de nitrógeno, el monóxido de carbono, el cloruro de hidrógeno y el oxígeno (estos últimos descubiertos por Priestley). Si bien estos experimentos aclararon algunas ideas de Lavoisier, también le llevaron a algunos errores, motivados por un problema fundamental: que él no sabía distinguir entre el aire y el aire fijado (es decir, nuestro CO2). Los óxi-
114
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
dos (o cales, como se decía) se reducían al metal al quemarse con un reductor que era el carbón vegetal (del que se decía era una forma de flogisto), según: Cal (óxido del Metal) + C → Metal + aire fijo (CO2)
En consecuencia, suponía que en el proceso inverso sería el aire fijo (es decir, el CO2) el que pasaría el metal a cal, lo cual era falso: Metal + aire fijo (CO2) → Cal (óxido del Metal)
En la corrección de esas ideas fue fundamental la aportación de Priestley —a quien conocía personalmente— y sus trabajos con óxido de mercurio (HgO, o cal roja de mercurio), el cual al calentarlo sin el carbón desprendía un nuevo gas, al que Priestley llamó aire desflogistizado (en nuestra terminología, oxígeno).
8.3.2. Trabajos sobre la composición del aire Lavoisier revisó todo ello y pensó al principio que el aire desflogistizado era un «aire» puro, aunque no sería un integrante del aire atmosférico, del cual por otra parte se sabía que era muy complejo. Pero después, en 1778, rectificó esta última idea, argumentando que el aire desflogistizado era la parte más pura del aire atmosférico —del que sería un constituyente— y haciéndole además responsable del aumento de peso de los metales en la calcinación, por lo que formaría parte de las cales (óxidos). Éste sería el aire respirable y lo bautizó como oxígeno, que significa «formador de ácidos» (del griego oxi, ácido, agudo y geno, de generar), debido a que el carbono y los no metales daban con él óxidos de carácter ácido. Precisamente, esta última observación dio lugar a la primera teoría de la acidez dentro ya de la química moderna. Descubrió así Lavoisier que el aire estaba constituido por dos fluidos: uno respirable (oxígeno) y otro no respirable, al que llamó la «mofeta atmosférica» o azoe y que después llevó el nombre de nitrógeno. Calculó además por análisis cuantitativo la proporción de ambos gases. En este tema es conveniente poner atención a las distintas denominaciones de los gases. Incluso, puede Vd. mismo hacer un cuadro con las distintas equivalencias de nombres.
Por otra parte, también estudió el fenómeno biológico de la respiración de los animales: la respiración era una forma lenta de combustión, en la que el oxígeno inhalado quemaba el carbono de los alimentos, produciendo el dióxido de carbono, que era exhalado, y calor, utilizado para el calentamiento
LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA
115
del animal. Lavoisier y su amigo el matemático Laplace lo demostraron de forma cuantitativa, utilizando en su experimento un conejillo de Indias y un calorímetro. Este es un otro ejemplo del carácter interdisciplinar de la investigación científica de aquellos tiempos: un matemático y un químico realizaron una importantísima aportación a la biología.
Ellos lo explicaron alegando que el oxígeno contenía calor o calórico y esta combinación del principio oxígeno con el calórico constituía el «aire del fuego». El calórico a primera vista podría ser equivalente al flogisto, aunque no era así, puesto que el calórico se encontraba en todas las sustancias y además era susceptible de ser medido por termometría. Pero todas estas ideas eran más o menos confusas, e incluso a veces con ciertas contradicciones. La confusión mayor en aquellos tiempos, alrededor de 1780, estribaba en que la noción de metal y la de su óxido (es decir, su cal) no se diferenciaban claramente. Por ello, el hecho de que se desprendiera un nuevo «aire» que era inflamable (para nosotros el hidrógeno) cuando muchos metales eran tratados con un ácido, pero no cuando se trataba su cal con ácido, no podía ser explicado con esa teoría de Lavoisier. Por otra parte, cuando se quemaba un no metal producía un óxido ácido, pero no ocurría esto al quemar el hidrógeno, no pudiéndose además identificar el producto de combustión correspondiente.
8.3.3. Trabajos sobre el agua Sin embargo, Priestley en 1781 había detectado la presencia de agua cuando hacía saltar una chispa en una máquina electrostática en presencia de una mezcla de aire y aire inflamable (es decir, hidrógeno). Observó la aparición de un rocío que parecía una materia idéntica al agua corriente. Cavendish repitió este experimento poco después, lo mismo que Watt, llegándose así a una conclusión muy importante: que el agua era un cuerpo compuesto por aire puro (es decir, oxígeno) y flogisto. Parece ser que Lavoisier conoció esas conclusiones a través de terceros, en 1783. Y al estudiar los resultados de Cavendish dedujo que el agua no era un elemento, sino un compuesto constituido por oxígeno más hidrógeno. Ayudado de nuevo por Laplace realizó un experimento de síntesis del agua, quemando aire inflamable (hidrógeno) con oxígeno en un recipiente cerrado. Consiguieron su objetivo y también demostrar lo inverso, que el vapor de agua se descomponía cuando se le hacía pasar sobre un hierro al rojo, es decir, por el calor. De todo esto de deriva la gran controversia sobre la prioridad del descubrimiento de la naturaleza del agua y de su síntesis. ¿Fue Cavendish o Lavoisier?
116
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
El hecho es que aunque Cavendish realizara en este sentido trabajos experimentales antes que Lavoisier, fue este último quien interpretó de forma clara los resultados experimentales, prescindiendo o, mejor, rompiendo con la teoría del flogisto. Si bien esta teoría en principio proporcionó una orientación muy aceptable, se convirtió después en un verdadero lastre. Lavoisier tuvo una nueva visión de la teoría, mientras que Cavendish seguía aferrado a la teoría del flogisto que entorpecía todo progreso hacia el pensamiento científico. Oficialmente, Lavoisier leyó su memoria a la Academia de Ciencias de Francia el 25 de junio de 1783 (el día siguiente al de su experimento con Laplace), mientras que Cavendish expuso sus conclusiones a la Royal Society de Londres unos meses después, 15 de enero de 1784. Cavendish realizó antes esos experimentos, pero no los interpretó bien. Lo cual revela la necesidad de tener ideas claras en la ciencia a fin de elaborar una teoría consecuente.
Por otra parte, Lavoisier realizó su trabajo de forma cuantitativa, con lo que pudo afirmar que el agua ya no podía considerarse como aquel elemento simple de la teoría aristotélica, sino como un compuesto formado por la combinación de oxígeno e hidrógeno (la etimología de la palabra hidrógeno significa «productor de agua», del griego hydor, agua, y geno, de generar). Lavoisier pudo interpretar con esto por qué se formaba hidrógeno al disolver metales en ácidos; el hidrógeno provenía no del metal, sino del agua en la que estaba disuelto el ácido. Esta última conclusión tuvo importantes consecuencias al contribuir al surgimiento de una nueva teoría de acidez fundada en el hidrógeno.
8.4. LA NUEVA QUÍMICA: ADIÓS AL FLOGISTO Con todo esto, Lavoisier ya tenía argumentos suficientes para combatir la teoría del flogisto. Debía formular hipótesis, analizar, probar, etc. para demostrar la insuficiencia de esa teoría. No obstante, algunas de sus hipótesis aun estaban impregnadas de cierto espíritu de la química «antigua», como por ejemplo su idea del contenido de oxígeno como «principio universal» de la acidez. Aunque en realidad desde 1780 tenía ya muchos de esos argumentos, es a partir de 1785 cuando Lavoisier atacará más directamente a la teoría del flogisto. Para él el flogisto era «un principio vago... que cambia de forma a cada instante» (como dijo él mismo en un ensayo de 1785, año en que fue elegido director de la Academia de Ciencias). En las tertulias organizadas en su casa por su esposa, se invitaba tanto a científicos ses como a extranjeros llegados a París, y se discutían todas las teorías e, incluso, se hacían demostraciones prácticas. Fundó una revista de química —apartándose así de la ya existente dedicada a la física—, los
LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA
117
Annales de Chimie, en 1789, precisamente el año de la Revolución sa. Poco a poco, y a pesar de considerables reticencias, van a ir sumándose más adeptos a la teoría antiflogística (como Guyton de Morveau, Monge o Berthollet entre los ses, aunque este último con ciertas reservas). Lavoisier sustituye la teoría del flogisto por la teoría de la oxidación, que abarcará tanto la combustión como la acidez. La unión con el oxígeno sería el fenómeno responsable de la oxidación, y no la separación del flogisto. Por otra parte, algunos partidarios del flogisto habían propuesto al aire fijo (dióxido de carbono) como ácido universal en lugar del vitriolo (ácido sulfúrico), como decía Stahl. La razón para esta propuesta se debía a que se había comprobado que el dióxido de carbono estaba presente en muchos ácidos minerales (los carbonatos) y en muchos ácidos vegetales (es decir, orgánicos). Lavoisier, por el contrario, propuso al oxígeno como principio universal de acidez, por lo cual el oxígeno aparecería en todos los ácidos y a él se deberían sus propiedades ácidas (aunque era una aproximación bastante válida, en esto Lavoisier también cometió otro error, al continuar con las ideas antiguas de «principios universales»). A propósito de la teoría anterior, la de los flogísticos del aire fijo como principio de acidez, vale la pena mencionar que se realizaron muchos estudios experimentales sobre la importancia del dióxido de carbono para los organismos animales y vegetales. Así, pensaban que servía para prevenir el escorbuto, porque impidía la putrefacción en el interior del cuerpo humano. También se había observado que las flores crecían mucho más en aire fijo. Y Priestley descubrió que, en presencia de luz solar y dentro de agua, las plantas verdes desprendían aire desflogistizado (oxígeno), lo cual contribuyó enormemente al conocimiento de la fotosíntesis. Interdisciplinaridad De nuevo, aparece el carácter interdisciplinar de tantas investigaciones.
8.4.1. Nueva química y necesidad de una nueva nomenclatura Este vuelco de las ideas tradicionales en química impuso la necesidad de realizar también una revisión de la nomenclatura. En esa misma época el sueco Linneo había sistematizado la terminología de la biología, especialmente en botánica y zoología, pero en química no era así. Una misma sustancia podía recibir nombre diferente, dependiendo de su procedencia. Las sustancias se nombraban según sus propiedades (olor, sabor, forma cristalina, utilidad...). Todo ello daba lugar a un lenguaje enrevesado, confuso y particularista. Por esta razón, Lavoisier y alguno de sus colaboradores decidieron sistematizar la nomenclatura química. La idea clave de la que partieron consistía en que el nombre de cada sustancia debía proporcionar datos sobre su cons-
118
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
titución y sobre su estado de oxidación. Los nombres «triviales» se abandonarían (aunque muchos de ellos se siguieron utilizando, sobre todo en Química Orgánica). Nombres tan curiosos como cristal de la Luna, aceite de vitriolo, azafrán de Marte o flores de cinc se sustituirían por los de nitrato de plata, ácido sulfúrico, óxido de hierro u óxido de cinc, respectivamente.
De esta forma, cada sustancia poseería un nombre determinado y ese nombre contendría, en general, raíces griegas y latinas. Partían también de que las sustancias que no se podían descomponer eran sustancias simples, es decir, elementos, y sus nombres constituirían la base de la nomenclatura de las sustancias compuestas. Lavoisier, junto con Guyton, Berthollet y Fourcroy publicaron en 1787 la obra titulada Méthode de nomenclature chimique, que contenía las bases y desarrollo de esta nomenclatura, incluyendo además al final un diccionario en el que se podía encontrar la equivalencia del antiguo nombre de cada sustancia con el nuevo, lo cual indudablemente facilitaba la labor de incorporarse a un lenguaje tan sumamente diferente.
8.4.2. Extensión a otros países Esas nuevas teorías se extendieron por Europa con bastante rapidez, aunque con mayor o menor reserva, según los lugares. En Inglaterra los adversarios más importantes, como Black, Kirwan o Cavendish, las aceptaron sin grandes reticencias. En Alemania, sin embargo, no tuvieron ese éxito y en algunos casos provocaron grandes resistencias, tanto que las ideas de Lavoisier llegaron, incluso, a considerarse como heréticas y, posteriormente, el mismo Ostwald trató de quitarles importancia. En Holanda la oposición fue mucho menor que en Alemania y un grupo de químicos trabajando en la línea de las ideas de Lavoisier llegó a descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno por el paso de una corriente eléctrica y la volvieron a sintetizar por acción de una chispa eléctrica, experimentos que sientan las bases de la electroquímica futura (esto se volverá a tratar en el Tema 10). Italia, Rusia y Polonia se adhieren sin vacilaciones a Lavoisier, lo mismo que en un nuevo país de los Estados Unidos, surgido muy pocos años antes tras la guerra de la Independencia (1775-1783). En cuanto a España, se sigue con gran interés la evolución de la nueva química, lo cual fue motivo para que se crearan laboratorios en ciudades como Madrid, Sevilla y Cádiz y, sobre todo, para que se trasladaran esas ideas a las
LAVOISIER Y LA LLEGADA DE LA NUEVA QUÍMICA
119
colonias americanas, como México y Perú, con sus importantes minas de oro y plata, así como otros riquísimos yacimientos con multitud de minerales.
8.5. OBRA ESCRITA DE LAVOISIER Lavoisier escribió, aparte de algunos libros, multitud de memorias, informes, trabajos, anotaciones en sus cuadernos de laboratorio, recogidos la mayor parte en las Memorias de la Academia de Ciencias y también algunos en los Annales de Chemie y en el Journal de Physique. Entre sus libros hay que destacar sus Éléments, obra dedicada básicamente a los aparatos químicos. También es importante su participación en el libro sobre la nueva nomenclatura química, Méthode de nomenclature chimique, mencionado anteriormente. Pero su obra cumbre es sin lugar a dudas su Tratado elemental de Química o Traité élémentaire de chimie, publicado en 1789, el cual, a pesar de ser un libro breve, resumido y escrito con gran rapidez, incluye todas las ideas básicas de la nueva química, por lo que fue su verdadero difusor. En él, entre otros importantes aspectos, hace la definición de elemento químico, incluyendo una lista con treinta y tres sustancias simples y expone su teoría del oxígeno y su teoría sobre la composición química de la materia, basada en el oxígeno como nexo de unión dualista entre los ácidos y las bases. Además, por su fácil lectura se convirtió por mucho tiempo en un texto básico para la enseñanza de la química. Su discípulo Fourcroy recoge, desarrolla y sistematiza de manera ya extensa todas las ideas de Lavoisier en una amplia obra de diez volúmenes, Système des connaissances chimiques, de 1800, que fue asimismo fundamental para el aprendizaje de los futuros químicos.
8.6. REFLEXIONES FINALES Hombre erudito, de gran ingenio, ambicioso y osado y, al mismo tiempo, con gran atractivo personal y social y además...con dinero. Su gran pasión fue la química y en cierto modo es verdad que «copió», pero también perfeccionó. Aunque Lavoisier no fuera a menudo el primero en realizar muchos de los experimentos que le proporcionaron las bases empíricas de sus nuevas teorías, su originalidad es indudable. Y se debe a la forma de «mirar» esos resultados experimentales.
Trató a la química con una metodología propia de la física o, como dijo de él Pasteur «introdujo en la química el espíritu de la física». En este sentido, su originalidad fue también el introducir la precisión y las matemáticas en la manera de llevar a cabo sus experimentos y en la de analizar los datos experimentales. Utilizó sistemáticamente no sólo la balanza para pesar los materiales que reaccionaban y los materiales producidos en las reacciones, sino
120
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
también termómetros, gasómetros, barómetros… y calorímetros (él mismo, junto con su amigo el matemático Laplace, construyó un calorímetro que le proporcionó una elevada precisión en la medida de calores específicos y calores latentes de distintas sustancias). En definitiva, introdujo lo cuantitativo y, aunque Lavoisier tampoco en este aspecto fuera el primero, sí que fue el primero —o de los primeros— en insistir en su importancia. Según él, el álgebra era indispensable para el químico, pues le proporcionaba de «la manera más simple, más exacta» (según sus propias palabras) un lenguaje bien organizado que le facilitaba el arte de razonar. El álgebra le permitía así establecer una ecuación que enlazase lo conocido con lo desconocido. De esta manera, Lavoisier dio a los químicos la idea de la ecuación química para representar las reacciones químicas, lo cual fue desarrollado posteriormente a partir de los símbolos de Berzelius. Lavoisier actúa en sus experimentos de acuerdo con la ley de conservación de la materia. Aunque se le atribuye su autoría, tampoco en este caso fue el primero en enunciarla, sino el médico y químico también francés Rey (1583-1645), como puede revisar en el Tema 6. Además, antes que él muchos investigadores la habían itido y tomado como base de su trabajo, pero no obstante Lavoisier tuvo el mérito de haberla confirmado y generalizado al utilizar sistemáticamente en sus experimentos este principio de que «nada se pierde, nada se crea». Otra idea fundamental de Lavoisier fue la nueva noción de elemento químico, definido de forma operacional como aquellas sustancias que los químicos no habían conseguido analizar —es decir, separar— en sustancias más simples. Ya no tiene sentido, pues, hablar de los elementos en el sentido aristotélico, pues el agua, el aire son sustancias compuestas... Y ya la vieja química había muerto.
Bloque temático III LOS PASOS DE LA NUEVA QUÍMICA
Tema 9 DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA ESQUEMA DE CONTENIDOS 9.1. INTRODUCCIÓN 9.2. PRIMERAS CONSECUENCIAS DE LA QUÍMICA CUANTITATIVA 9.2.1. Richter, la ley de los números proporcionales y la estequiometría 9.2.2. Ley de las proporciones definidas de Proust 9.2.3. Ley de las proporciones múltiples 9.2.4. Gay-Lussac y las leyes volumétricas 9.3. DALTON: TRABAJO EXPERIMENTAL E IDEAS 9.3.1. 9.3.2. 9.3.3. 9.3.4.
Breve biografía de Dalton Labor científica de Dalton Dalton y la ley de volúmenes de combinación El «complemento» de la teoría atómica: hipótesis de Avogadro. 9.3.5. Otros trabajos de Dalton 9.4. BERZELIUS Y EL DESARROLLO DE LA QUÍMICA 9.4.1. Labor científica de Berzelius 9.5. OTRAS APORTACIONES IMPORTANTES 9.6. REFLEXIONES FINALES
Oro Oro
Agua Agua
Plata Plata
Vinagre Vinagre
Cobre Cobre
Cobre Cobre calcinado
Fermento Fermento
calcinado
Hierro Hierro Piedras Piedras Azufre Azufre Vapor Vapor Plomo Plomo
Plomo Plomo calcinado calcinado Crisol Crisol
Mineral de Mineral d plomo plomo Estaño Estaño(despues (después mercurio) mercurio)
Selenita Selenit
Arsénico Arsénico Símbolos en los antiguos manuscritos alquímicos griegos (aprox. del siglo X)
Arsénico Arsénico
Agua Agua A
Mercurio Mercurio
Vinagre Vinagre
Antimonio Antimonio
Cloruro de de Cloruro amonio amonio
Cobre Cobre
Vitriolo Vitriolo Cal Cal
Hierro Hierro
Álcali Álcali Símbolos alquímicos de principios del siglo
XVII
F
9.1. INTRODUCCIÓN Al comenzar el siglo XIX nos encontramos con que muy pocos años antes se han producido dos revoluciones muy importantes, una para la historia del hombre y otra para la de la ciencia y, que curiosamente, coinciden en el país y en la fecha. La primera es la Revolución sa, en 1789, y la segunda la Revolución Química, personificada en la figura de Lavoisier —aunque muchos otros científicos están en realidad tras él y tras sus investigaciones— y que se puede concretar cuando publica en ese mismo año su célebre Tratado elemental de Química, que provoca un cambio radical en la química mediante su definición de elemento (puede revisarlo en el Tema 8). Esa revolución de la química supone una ruptura con la teoría del flogisto y con el pasado, dando un enfoque diferente con un nuevo lenguaje y nuevos objetivos. Los llamados «padres» de la química moderna, Boyle, Priestley y Lavoisier, en orden cronológico, dieron paso con sus ideas a que los químicos que les sucedieron realizaran multitud de descubrimientos que, a su vez, permitieron un desarrollo de esta ciencia a un ritmo rapidísimo. El estado de la química a principios del siglo XVIII, más o menos, puede sintetizarse así. Por una parte, los químicos aceptan la teoría corpuscular de la materia, es decir, que la materia está constituida por unas partículas muy pequeñas, microscópicas, duras, sólidas, impenetrables y que están en movimiento. La antigua preocupación por la afinidad —recordemos la justificación a la misma dada por Newton— como explicación a por qué unas sustancias reaccionan con otras, va a ser el foco de atención de los químicos, que se centran, pues, en la cuestión de la reacción química y de la reactividad. Sin embargo, la noción de átomo poco les va a servir a la hora de trabajar experimentalmente, por lo que siguen prefiriendo el concepto de elemento con la definición pragmática dada por Lavoisier, como algo tangible que se podía pesar y manipular en un laboratorio. Dejan de momento los átomos para los físicos. Por otra parte, se ha dado ya plenamente el gran salto a la química cuantitativa, salto que en realidad ha constado de varias etapas, siendo las más
126
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
decisivas las siguientes: primeramente fue van Helmont quien da la idea; Boyle la continúa en la práctica, y Lavoisier la introduce plenamente. En este estado de la situación va a tener lugar el segundo gran avance de la química, como una segunda revolución química, aunque menor que la primera, con la teoría atómica de Dalton. Pero esta teoría, a su vez, tuvo como soporte el descubrimiento experimental de las relaciones cuantitativas entre los elementos cuando éstos reaccionaban entre sí para formar una combinación química. Se trataba, en definitiva, de los estudios empíricos que condujeron al enunciado de las bases de la estequiometría y de las leyes ponderales —es decir, de peso— y de las leyes volumétricas de combinación.
Todas ellas fueron interpretadas, analizadas y unificadas por una mente con tan gran capacidad de síntesis como la de Dalton. Pero, además, le proporcionaron la base experimental para justificar la existencia de moléculas, y con todo ello pudo llevar a cabo la elaboración de su teoría atómica. A principios del siglo XIX, la mayor actividad química tanto experimental como teórica tiene sus mayores protagonistas principalmente en Inglaterra y en Francia: desde los tiempos medievales y de principios del renacimiento su centro se ha ido desplazando ligeramente hacia la Europa occidental, si bien siguen existiendo importantísimos científicos en otros países, sobre todo en Alemania y Suecia.
9.2. PRIMERAS CONSECUENCIAS DE LA QUÍMICA CUANTITATIVA Una vez definido el concepto de elemento se empezaron a analizar multitud de sustancias químicas para determinar si eran sustancias elementales o sustancias-compuestos. Además, a partir de la «nueva química» se tuvo siempre también en cuenta el principio de conservación de la materia.
9.2.1. Richter, la ley de los números proporcionales y la estequiometría Uno de los trabajos más sobresalientes en este sentido fue el llevado a cabo por el alemán Jeremias Benjamin Richter (1762-1807). En sus investigaciones acerca de las combinaciones químicas sus mayores preocupaciones fueron insistir en las medidas cuantitativas y, sobre todo, introducir las matemáticas en la química. Había estudiado matemáticas en la Universidad de Königsberg, en lo que se llamaba entonces Prusia Oriental y que posteriormente pasó a Rusia. Después compaginó su trabajo como analista químico
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
127
en la fábrica de porcelana de Berlín con la realización de su tesis doctoral, dirigida nada menos que por el prestigioso filósofo Kant y que trataba precisamente sobre el empleo de las matemáticas en la química. Con un tesón y una minuciosidad germánicos, Richter buscaba algún tipo de relación aritmética, de regularidad en las proporciones con las que se combinaban las sustancias en una reacción dada. Comenzó por el cálculo del «peso de flogisto» en distintas sustancias —recordemos que en esas fechas aún esa teoría seguía teniendo ardientes defensores— y después fue estudiando gran número de reacciones. Así, al analizar las descomposiciones dobles constató que las masas de los reactivos debían guardar una proporción fija entre sí. Llegó a esta conclusión en 1792, es decir, en la misma época en la que Lavoisier alcanzó las importantes consecuencias de sus investigaciones. Todo ello llevó a Richter a enunciar la ley de las proporciones recíprocas o de los números proporcionales. En realidad esta ley no era más que una extensión de la ley de Dalton (en la que nos detendremos más adelante, sección 9.2.3), por lo que actualmente está bastante olvidada en los textos de enseñanza. No obstante, este hecho es injusto ya que, aunque no aportó mucho en cuanto a originalidad, sí que contribuyó de forma considerable a consolidar los aspectos cuantitativos de las reacciones. Para explicar esta ley, Richter propuso su teoría de los pesos de combinación, pesos invariables que no eran otra cosa que los «pesos equivalentes». Su mayor aportación sea tal vez el establecimiento de las bases de la estequiometría y a la que él mismo propuso ese nombre, derivado del término griego «stoicheion», elemento, para aplicarlo al estudio de esas proporciones. Este descubrimiento lo llevó al terreno ácido-base, que le condujo a la conclusión de que un peso fijo de un cierto ácido se neutralizaba con un peso determinado de diferentes bases, siendo esos pesos distintos para cada una. Así, mediante el uso de tabulaciones se podía saber fácilmente qué cantidad de una base determinada se necesitaba para neutralizar una cantidad de un ácido determinado, lo cual supuso un gran avance para la química analítica.
9.2.2. Ley de las proporciones definidas de Proust Louis-Joseph Proust (1754-1826), investigador francés, fue alumno de Rouelle, lo mismo que Lavoisier. Él mismo fue también profesor y, como dato curioso, hay que señalar que ejerció tal función precisamente en España, donde enseñó química (entre 1777 y 1807) en Vergara, Segovia y Madrid. Hizo además una importante labor experimental como analista, sobre todo en esta última ciudad, donde se puso a su disposición un laboratorio con excelentes instalaciones. Era el reinado de Carlos IV y en aquella época había una gran preocupación por la química en España, debido fundamentalmente al hecho de los riquísimos yacimientos de minerales de las colonias americanas, razón por la que Proust fue llamado para que contribuyera al desarrollo de la química española. Ante todo Proust fue un gran experimentador. Su investigación esencial la realizó analizando multitud de compuestos. Constató así la diferencia entre
128
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
combinación química y mezcla: en la primera, la composición que daban los análisis cuantitativos era siempre la misma, mientras que en la segunda, la composición era variable. De esta manera, enuncia en 1801 la ley de las proporciones definidas —o de la composición definida—, su contribución más señera y por la que su nombre ha quedado para la historia de la química. Constató en ella que una combinación química determinada tendría siempre la misma composición. O, dicho de otra manera, cuando dos elementos reaccionaban entre sí para formar un determinado compuesto lo hacían en una relación de peso invariable. Sin embargo, esta idea fue rebatida con firmeza por Berthollet —que había sido discípulo de Lavoisier, como puede revisar en el Tema 8—, quien argumentaba que la composición cuantitativa de una combinación no era constante, sino que dependía de las cantidades de reactivos que intervinieran en la reacción correspondiente, con lo que las sustancias no se combinarían en una proporción fija. Esta postura de Berthollet venía avalada por las desviaciones a la ley de Proust, las cuales para éste eran debidas tan sólo a errores experimentales. A la larga triunfó Proust, pues poco después con Berzelius se obtuvieron resultados más exactos, con lo cual su ley fue unánimemente aceptada. Sin embargo, esta polémica impulsó a que muchos químicos comprobaran en el laboratorio las ideas de uno y otro, para determinar quién tenía razón. Con ello, dio lugar —de forma indirecta— a que se aumentase el número de datos sobre la composición química de muchas sustancias. No obstante, a la larga esta idea de Berthollet produjo confusión entre los científicos y cierto entorpecimiento en el desarrollo de la química analítica.
En cuanto a Claude-Louis Berthollet (1748-1822) fue profesor de química en París y colaborador de Lavoisier sobre todo en la elaboración de la nueva nomenclatura. Sin embargo, en su labor de profesor no fue muy brillante, debido más que nada a sus pocas dotes como comunicador. A pesar de ello, tuvo importantes discípulos y ayudantes —entre los que se encontraba GayLussac— a los que siempre orientó y ayudó muchísimo. Como investigador, no obstante, destacó sobremanera. En este sentido, hay que recordar que, siguiendo la línea de Lavoisier, continuó el estudio de las afinidades químicas. Además, son de interés sus trabajos con cloratos, con los que intentó sustituir la pólvora en las armas de fuego, y sus experimentos con el cloro, en el que reconoció su poder como blanqueador —hoy diríamos como oxidante—, lo que le llevó a construir una fábrica de «lejía» en París (concretamente en el barrio de Javel, por lo que como dato anecdótico hay que decir que por ello en francés se conoce este producto como agua de Javel). Pero tal vez por lo que se recuerde más sea por aquella controversia con Proust. Era también un gran erudito, considerado por Napoleón como uno de sus sabios oficiales, por lo que acompañó a éste en su expedición a Egipto en 1798.
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
129
Guerras/Cultura/Ciencia Eran aquellos días en los que, tras la conquista de Egipto por Napoleón, se encontró la piedra Rosetta y se hicieron otros descubrimientos que tanto han contribuido a descifrar muchas claves de la historia de la humanidad y de la ciencia.
Allí descubrió Berthollet enormes depósitos de carbonato sódico en las orillas de los lagos salados (el famoso natrón, del que se trató en el Tema 2). Estudió la formación de este compuesto, llegando a la conclusión de que se produciría por reacción de la sal disuelta en las aguas (cloruro sódico) con la piedra caliza. Pero esta reacción era precisamente la inversa de la que tenía lugar en el laboratorio, por lo que supuso que la gran concentración de sal en el agua forzaría a que la reacción tomase un sentido opuesto al habitual. Esta idea de Berthollet acerca del papel que la cantidad o masa de un reactivo podía desempeñar en una reacción, condujo posteriormente al concepto de equilibrio químico, otra de sus importantes aportaciones. Y es también lo que le hizo afirmar que las sustancias se combinaban en proporciones variables e indefinidas y que la composición de los compuestos dependía de la forma en que se hubiese preparado. En realidad Berthollet hacía referencia a aleaciones, a vidrios y a mezclas. En el fondo su idea no era en absoluto descabellada, sino que estaba relacionada con lo que después se enunciaría como ley de acción de masas. Por otra parte, posteriormente se han ido encontrando materiales que no cumplen la ley de las proporciones definidas, es decir, cuya composición química no es constante, sino que varía dentro de ciertos límites, como son ciertos semiconductores y sustancias con defectos en su retículo cristalino (por ejemplo, el óxido de titanio TiO o el de cinc, ZnO). El número de estos compuestos no-estequiométricos ha ido creciendo, sobre todo a partir de la Segunda Guerra Mundial, y se les denominó berthóllidos, mientras que los que sí siguen la ley son los daltónidos. ¿Por qué este nombre de daltónidos? Precisamente en honor a Dalton, por su aportación fundamental en este sentido con su ley de las proporciones múltiples.
9.2.3. Ley de las proporciones múltiples En muchos experimentos se había constatado que, muy frecuentemente, dos elementos al combinarse daban lugar no sólo a un compuesto, sino a dos o incluso más compuestos diferentes. Dalton trabajó intensamente en esta dirección y analizó ponderalmente estos procesos, con lo que llegó a enunciar en 1804 la ley de las proporciones múltiples. Según ésta las masas de un mismo elemento que se combinan con una masa fija de otro para dar compuestos diferentes, guardan entre sí una relación de números sencillos. Estas son las tres leyes ponderales, es decir, relativas a pesos, que fueron complementadas con otra ley importantísima, en este caso de tipo volumétrico, debida a Gay-Lussac.
130
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
9.2.4. Gay-Lussac y las leyes volumétricas Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) fue otro brillantísimo científico francés, físico y químico, alumno de Berthollet como acabamos de ver, y que además de gran investigador fue profesor en importantes centros de Francia, como la Universidad de la Sorbona o el Jardín de Plantas. Desde muy joven le atrajo el estudio de los gases, con los que llevó a cabo audaces experiencias; por ejemplo, realizó personalmente dos peligrosas ascensiones en globo a grandes alturas (4.000 y 7.000 metros). Con todos estos trabajos llegó a descubrimientos sumamente valiosos. Así, tan sólo a los 24 años (en 1802), observó la dilatación regular de los gases con la temperatura: es decir, que la variación del volumen de un gas con la temperatura era lineal. Lo cual dio lugar a la ley de Charles/Gay-Lussac, llamada así porque aunque este fenómeno fuera investigado primeramente por el físico francés Charles, en 1787, fue Gay-Lussac quien llevó a cabo su estudio sistemático. Con esto demostró que todos los gases tenían un comportamiento físico idéntico. Pero además demostró que había en ellos un comportamiento también idéntico en sus reacciones químicas, en cuanto a sus proporciones volumétricas: poco después llevó a cabo la síntesis del agua, en la que constató que dos volúmenes del gas hidrógeno se combinaban siempre con un volumen del gas oxígeno para dar dos volúmenes de vapor de agua. De esta y de otras experiencias similares enunció en 1809 sus conclusiones, que pueden formularse en la llamada ley de los volúmenes de combinación: «Cuando dos gases se combinan y los compuestos resultantes son también gaseosos, entre los volúmenes de todos ellos (medidos en iguales condiciones de presión y temperatura) existe una relación sencilla de números enteros». Después volveremos sobre esta ley, pero seguiremos ahora con las investigaciones de Gay-Lussac. En el ámbito de la química mineral, estudió las propiedades de algunos metales alcalinos, del boro y del iodo y llevó a cabo la síntesis del ácido iodhídrico y sus iodatos, así como del cianhídrico y del cianógeno. La química analítica le debe la creación del análisis volumétrico, al introducir la utilización de disoluciones valoradas en el análisis cuantitativo. En química orgánica sus investigaciones dieron lugar a la introducción de la noción de isomería. Y en química industrial perfecciona el método de fabricación del ácido sulfúrico, con la llamada en su honor «torre de Gay-Lussac», que mejoraba enormemente el rendimiento de este producto. En Gay-Lussac tenemos otro ejemplo de químico «universal»
9.3. DALTON: TRABAJO EXPERIMENTAL E IDEAS Mediante los numerosos estudios cuantitativos sobre la composición de las combinaciones químicas se habían establecido las leyes ponderales, pero no se había dado una explicación satisfactoria de a qué se debían. Es
131
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
en este punto, también muy a principios del siglo XIX, cuando entra en escena la inteligencia y la imaginación de Dalton para integrar esas leyes ponderales en una teoría que las explicaba. Su razonamiento fue muy sencillo, como en casi todas las grandes teorías: retomó la idea de la constitución atómica de la materia, aunque ya muy distinta a la de la filosófía epicúrea greco-latina. Todo se podía explicar considerando que un compuesto determinado se formaba por la unión de siempre el mismo número de átomos de cada uno de los elementos que integraban ese compuesto. Como cada tipo de átomos tenía un peso constante, todas esas relaciones en peso eran invariables. No obstante, antes de profundizar más en esta teoría y detenernos en la historia de Dalton, su creador, desde una perspectiva científica, es conveniente —y casi necesario— conocer algunos datos de su historia pero desde una perspectiva personal y humana.
9.3.1. Breve biografía de Dalton John Dalton (1766-1844) nació en Inglaterra, concretamente en Eaglesfield (Cumberland), en una humilde familia de artesanos —su padre era tejedor— que eran cuáqueros. Este último aspecto, el religioso, es muy importante y probablemente una de las causas finales de su trayectoria científica. Los de la sociedad cuáquera rechazaban la enseñanza oficial, pero tenían un sistema educativo propio que resultaba mejor, sumamente cuidado y estructurado. Dalton estudió así tanto disciplinas de tipo humanístico —griego, latín, francés y filosofía, por ejemplo—, como ciencias y matemáticas. Religión y Educación De nuevo puede apreciarse cómo las estructuras sociales —en este caso las religiosas— condicionan o, al menos, orientan sensiblemente la educación y tal vez la vocación científica de uno de los personajes clave en la Historia de la Química. Es un caso bastante parecido al de Priestley, con el que también tiene bastantes paralelismos en muchos aspectos de su vida. La religión condicionó, en cierto modo, su papel en la ciencia.
Desde muy joven se interesó por la filosofía natural de Newton, por la geometría y también por la meteorología. Pero, ante todo, era un gran docente: sintió y practicó la enseñanza desde muy joven, a los 15 años, y en realidad continuó con esa actividad toda su vida. Tras vivir en varios puntos de Inglaterra, fijó en 1793 su residencia en Manchester, donde comenzó a trabajar como profesor en el New College, antigua Academia Warrington, la academia disidente en la que también había enseñado Priestley (puede verlo en el Tema 7). También en Manchester conoció al que después fuera un físico notable, James Prescott Joule, al que daba clases particulares, labor que
132
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
cuando dejó el New College compaginaba con su trabajo como asesor industrial y con sus actividades en investigación científica. Los resultados de estas últimas los presentaba en forma de artículos y de conferencias en la Literary and Philosophical Society de Manchester, de la que primero fue secretario y después presidente hasta el fin de sus días. A lo largo de su vida recibió el reconocimiento del mundo científico, como lo demuestran los títulos honoríficos concedidos por algunas universidades (como Oxford y Edimburgo) y el reconocimiento póstumo del mismo gobierno de su país, en plena época victoriana. C/T/S El nuevo tipo de sociedad produce nuevas clases sociales, con nuevas necesidades educativas. Aparece una clase media industrial sin muchos problemas económicos, que puede pagar bastante bien las clases particulares que demanda. En este caso, las de Dalton.
9.3.2. Labor científica de Dalton A través de la lectura de los Principia de Newton había conocido las teorías de éste, así como las de Boyle y de Boerhaave (puede hacer una revisión de estos científicos en los temas 6 y 7, respectivamente). Esta formación es muy importante a la hora de comprender su labor científica, lo mismo que su interés por la meteorología. Esta última le llevó a estudiar el aire y su composición y a analizar todas leyes de los gases sobre su comportamiento físico (ley de Boyle y ley de la dilatación de los gases). Debido a que el vapor de agua de la atmósfera se precipitaba como lluvia o se condensaba como rocío, pensó que ese vapor de agua se hallaría disperso entre las demás partículas de aire. Esto le llevó a opinar, contrariamente a muchos otros científicos, que igualmente todos los otros gases atmosféricos estarían mezclados y no se combinarían químicamente entre sí. Imaginó que las partículas de esos gases —oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua— no se combinaban porque entre ellas habría unas fuertes repulsiones, debidas a su vez a una especie de envoltura de calor que rodeaba a esas partículas. Se trataba del calórico, concepto manifestado ya anteriormente por Lavoisier. Estas ideas y sus trabajos experimentales le condujeron a enunciar la ley de Dalton o ley de las presiones parciales de los gases: en las mezclas de gases todos los constituyentes se comportan como si cada uno estuviera solo ocupando todo el espacio que ocupa esa mezcla, con lo que la presión total de la misma es la suma de las presiones parciales de cada uno de esos gases. Con esta ley explicaba también por qué los gases del aire no se estratificaban en orden de densidades, sino que constituían una mezcla homogénea. Pero cuando en 1803 su amigo el industrial y científico inglés William Henry (1774-1836) descubre que la solubilidad de un gas en un líquido depende de la presión, a una temperatura determinada (ley de Henry) y que los gases tienen
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
133
distinta solubilidad en el agua, Dalton se pregunta el porqué. Imagina que la solubilidad de los gases va a depender del tamaño y del peso de sus partículas. El interés por el tamaño de las partículas va a ser una cuestión fundamental en las ideas de Dalton para su teoría atómica: le lleva a determinar los pesos relativos de las partículas de los gases —es decir, comparados con otro peso tomado como unidad— porque con ese dato y el de la densidad llegaba fácilmente a obtener el tamaño. Es decir, Dalton introduce la idea de átomos con peso. Por otra parte, el 21 de octubre de 1803 da una conferencia ante la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester, uniendo estas ideas a las que le llevarían a enunciar poco después —en 1804— la ley de las proporciones múltiples (apartado 9.2). Ésta es una fecha memorable, ya que desarrolla brevemente las bases de su teoría atómica. Intenta dar una explicación a todas esas observaciones recurriendo a la teoría atómica. Pero no en el sentído del «atómo» de los griegos ni en el de la «partícula» de Boyle: ese algo que antes se llamaba átomo o partícula sin concretar lo que era, va a tener ahora un sentido mucho más preciso. Dalton parte de tres premisas: 1. Toda la materia estaba compuesta por átomos sólidos, indivisibles e incompresibles, rodeados por una atmósfera de calor. 2. Los átomos eran indestructibles, por lo que conservaban su identidad en cualquier reacción química. Así justificaba la ley de conservación de la masa y la de los elementos (es decir, la transmutación era imposible). 3. Los átomos de cada elemento eran iguales entre sí, pero diferentes a los de los demás elementos. Habría así tantos átomos como elementos. Con ello proporcionaba un modelo que también justificaba la ley de la composición constante de las combinaciones químicas y además la ley de las proporciones múltiples, porque para Dalton las reacciones químicas se interpretarían como: «Una reorganización de los átomos en unas nuevas agrupaciones, o moléculas, sin que los átomos sufriesen ninguna alteración.»
Estas ideas le proporcionaban además una excelente base teórica para justificar la determinación de los pesos relativos de los átomos, mediante su comparación en el laboratorio con el peso de otro tomado como unidad (que fue el hidrógeno, por tratarse de la sustancia más ligera de todas las conocidas). Los átomos ya eran algo real, y no sólo un ente teórico, puesto que tenían un peso que podía calcularse experimentalmente. Los átomos de los epicúreos estaban constituidos por el mismo tipo de materia, aunque con distinta forma. Ahora los átomos de cada elemento eran diferentes. Comenzó así a calcular pesos atómicos, publicando su primera tabla con los pesos atómicos relativos de seis elementos en 1805, en una memoria de la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester.
134
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Por otra parte Dalton, siguiendo un principio de máxima simplicidad en la composición, suponía que las moléculas de los elementos gaseosos estaban formados por un solo átomo (H, O, N,...) y las de compuestos tan corrientes como el agua o el amoniaco, sólo por dos (HO, NH, ...). Pero esta simplificación, aparentemente tan útil, tuvo consecuencias negativas muy importantes, como se analizará posteriormente. Todas estas ideas fueron recogidas en el libro de Dalton A new System of Chemical Philosophy, cuya primera parte fue publicada en 1808 y la segunda en 1810. En este punto, hay que recordar que hubo también aquí otra disputa científica. En este caso porque el científico irlandés William Higgins (1762-1825) acusara a Dalton de «robarle» sus ideas sobre el atomismo, expuestas en su obra A comparative view of the phlogiston and antiphlogiston theories, publicada en 1789.
9.3.3. Dalton y la ley de volúmenes de combinación Con su teoría atómica Dalton explicó las leyes ponderales. Pero, ¿qué ocurría con la de los volúmenes de combinación enunciada por Gay-Lussac? Simplemente, que Dalton la ignoró, dio la espalda a esa ley. Llevaba implícita en el fondo una idea, la de que volúmenes de gases en idénticas condiciones de presión y temperatura deberían contener igual número de partículas o un múltiplo sencillo de las mismas. Y si dos volúmenes de hidrógeno reaccionaban con uno de oxígeno para dar dos de agua, esta proporción suponía que los átomos del gas oxígeno tendrían que dividirse: 2 volum. Hidrógeno + 1 volum. Oxígeno = 2 volum. Agua 2n H
nO
2n HO
Como según sus mismas premisas los átomos eran indivisibles, Dalton negó los resultados experimentales de Gay-Lussac, aduciendo sencillamente que eran erróneos. Pero en realidad fue una falta de Dalton, quien intentando simplificar tanto las cosas, dejó imprecisa la noción de molécula y supuso unas fórmulas que resultaron falsas.
9.3.4. El «complemento» de la teoría atómica: principio de Avogadro Estos resultados experimentales hallados por Gay-Lussac, aparentemente anómalos, no pudieron ser interpretados hasta que Avogadro emitió su célebre hipótesis, conocida actualmente como principio de Avogadro. Ama-
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
135
deo Avogadro (1776-1856), que tenía el título nobiliario de conde, era un físico italiano, profesor en la Universidad de Turín. Supuso que en los gases correspondientes a elementos las últimas partículas no eran átomos aislados sino agregados de átomos, generalmente dos. Y dio ese nombre de moléculas, que significa «pequeños moles», es decir, pequeñas masas. Sugirió que en volúmenes iguales de gases, en las mismas condiciones de presión y temperatura, existen igual número de moléculas. Expuso esta hipótesis en 1811 y, curiosamente, sólo tres años después, en 1814, llegó a la misma conclusión de forma independiente otro científico, Ampère. De momento no fue acogida esta hipótesis con ningún entusiasmo, más bien con escepticismo, puesto que esa idea del número átomos constitutivos de las moléculas de ciertas sustancias (H2, O2, H2O, NH3...) contradecía las tesis de Dalton. Y esto también era debido a que la noción de átomo y de molécula no estaba muy clara. Sin embargo, con estas suposiciones se podía interpretar perfectamente la ley de volúmenes de combinación. Quedó su hipótesis arrinconada y Avogadro olvidado hasta que casi cincuenta años después, en 1858, el también italiano Cannizzaro publica sus cálculos de pesos atómicos determinados tomando como base de trabajo esta hipótesis. Stanislao Cannizzaro (1826-1910), químico orgánico, profesor en las Universidades de Génova y de Roma, expone sus ideas sobre los pesos atómicos en el famoso congreso de Karlsruhe (1860), llamado así por haberse celebrado en esta ciudad alemana, congreso que marcó un momento clave en la historia de la química. Esos pesos resultaron más acordes con otras evidencias experimentales: eran pesos atómicos «correctos», lo que probó la validez de esa hipótesis que quedó así convertida en un principio o ley. Todo este proceso: elaboración por Dalton de la teoría atómica con la que interpretaba las leyes ponderales, de su incapacidad para explicar, sin embargo, la ley de volúmenes de combinación, de la exposición de la hipótesis de Avogadro y de su comprobación con la obtención experimental de nuevos datos de pesos atómicos por Cannizzaro, es una claro ejemplo del desarrollo del método científico, en sus etapas consecutivas. En definitiva, del proceso dialéctico experimentación / teoría / experimentación....
9.3.5. Otros trabajos de Dalton Tal vez el primer tema científico que atrajo la atención de Dalton fue el estudio del defecto de la visión consistente en la incapacidad de distinguir los colores (por lo que en su honor, se le llamó «daltonismo»). Al menos este trabajo fue precisamente objeto de su primera conferencia, en 1794, ante la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester. En cuanto a las reacciones químicas es interesante señalar que no atendió al problema de la afinidad, que tanto interesaba a los científicos. Es como si sólo le hubiera importado interpretar «externamente» las regularidades obser-
136
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
vadas en los análisis cuantitativos de las combinaciones químicas, pero sin adentrarse en la causa final de las reacciones químicas que implicaban. Dalton también profundizó en el tema de la nomenclatura química. Fue el primero en utilizar un símbolo para representar cada elemento distinto, con lo cual los compuestos vendrían expresados por la yuxtaposición de los símbolos correspondientes. Estos símbolos tenían un significado muy diferente al de los símbolos de los alquimistas (ver en pág. 124), que representaban las sustancias sin hacer distinción de los elementos integrantes. Lavoisier en su trabajo sobre la nomenclatura química (Tema 8) había señalado la necesidad de un cambio en este sentido. Dalton llegó a simbolizar 20 elementos y 17 compuestos, como por ejemplo:
Con su nueva nomenclatura, Dalton pretendía hacer que la expresión de una reacción química fuese algo mucho más cómodo, ya que permitía visualizarla. Pero por otra parte implicaba bastante dificultad a los tipógrafos a la hora de imprimir esos símbolos y, además, iban resultando confusos a medida que se iban descubriendo nuevos elementos. Por ello, surgió otro tipo de símbolos que si bien tenían el mismo significado de fondo, de forma eran muy distintos. Fueron ideados por uno de los químicos de mayor trascendencia, no sólo en el siglo XIX, sino en toda la historia de la química, Berzelius.
9.4. BERZELIUS Y EL DESARROLLO DE LA QUÍMICA Jöns Jacob Berzelius (1779-1849) nació en Suecia y estudió medicina en la Universidad de Upsala. Pronto se sintió atraído por la química y por las
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
137
ideas de Lavoisier, lo cual puede apreciarse en el mismo tema de la tesis de su graduación en 1802, sobre aplicaciones médicas del galvanismo. En esta interdisciplinaridad inicial entre la química y la medicina va a decantarse por la primera, donde alcanzó gran éxito en muy diversos capítulos. Fue un gran investigador, pues a su cualidad de buen experimentador unía el ingenio y carácter estudioso y organizado del buen teórico. Además fue un profesor muy notable, que creó escuela, teniendo a alumnos tan brillantes como Wölher o Mitscherlich y siendo casi un líder para los químicos de esa época. También fue autor de numerosos libros y miembro desde 1807 de la Academia de Ciencias Sueca, de la que después fue presidente.
9.4.1. Labor científica de Berzelius Comienza sus trabajos científicos en unos momentos en que el físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) construye la primera pila eléctrica, dando con ello evidentes indicios del carácter eléctrico de la materia. Esto supuso en el mundo científico un conocimiento tan trascendental que le dio un vuelco, dando paso a nuevas rutas de experimentación y a nuevas ideas para la teorización. Berzelius no fue ajeno a este impacto, por lo que tras sus estudios sus primeras investigaciones fueron precisamente en esta línea. Con la protección y colaboración de su mecenas, el propietario de minas Hisinger, realizó importantes estudios sobre la electrolisis. Descubrió así en 1803 un nuevo elemento, el cerio, al que siguieron el selenio, el torio, aislando muchos otros. Cuando en 1807 Berzelius obtiene una cátedra de química y farmacia en el Instituto Médico Carolian de Estocolmo, va a seguir investigando intensamente, incluso en su propia casa, en el laboratorio que instaló en la cocina. Conoce en aquella época los resultados de Richter, las ideas de Berthollet y la teoría atómica de Dalton. Reinterpreta ésta última en un artículo de 1813, introduciendo nuevas ideas, tales como que la forma de todos los átomos sería esférica, con lo que podía explicar el isomorfismo de ciertos cristales, descubierto por su discípulo Mitscherlich. Por ésta y otras discordancias Berzelius fue duramente criticado por Dalton, estableciéndose entre ambos una polémica que, por otra parte, no fue la única. Berzelius, aunando muchas de esas ideas con sus estudios electroquímicos, propone una teoría global de la combinación química basada en la naturaleza eléctrica de la materia. Se trata, pues, de una teoría electroquímica de la materia, aportando además la determinación de más de dos mil pesos atómicos y moleculares. Hace una clasificación de los elementos en una «escala electroquímica», ordenándolos desde el potasio —el elemento más electropositivo— hasta el oxígeno —el más electronegativo—, pasando por el hidrógeno, neutro. Clasifica así las sustancias en electropositivas y en electronegativas, aunque después tuvo que abandonar esta terminología.
138
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Para él el oxígeno, elemento más electronegativo de los que entonces se conocían, era el eje central de la química.
Por ello propone una clasificación dualística en función de este elemento: los óxidos básicos se forman por unión de oxígeno con un metal; los óxidos ácidos, por unión del oxígeno con un no metal; por unión de un óxido básico con uno ácido resulta una sal neutra. También esto le lleva a una tabla de pesos atómicos con el oxígeno como referencia. Otro aspecto de la química en el que participó fue el de los fenómenos de la catálisis —incluso, dio la primera definición de catalizador, como veremos en el Tema 11— y se adelantó a su época al suponer la importancia que tomarían en la industria química, así como la existencia de una catálisis biológica. También realizó una clasificación de los minerales e hizo una revisión de la nomenclatura farmacéutica, recurriendo a los nombres en latín. Este fue probablemente el origen del nuevo simbolismo ideado por Berzelius para nombrar las sustancias, una de las facetas más importantes y originales de su obra. Fue el primero en proponer la utilización de una letra o un pequeño grupo de letras para representar un elemento. En un principio colocaba el signo + entre los dos elementos que componían un compuesto, por ejemplo (Ca+O). El número de cada elemento que formaba un compuesto lo indicaba con un superíndice (en lugar del subíndice, empleado actualmente), como Al2O3. Con el tiempo y para simplificar, fue introduciendo puntos, subrayas, rayas, etc. que, en el fondo, a lo que condujeron fue a una cierta confusión. Por esta razón, sufrió diversas modificaciones por otros científicos, aunque tiene el gran mérito de haber establecido las bases de la nomenclatura actual. Dalton no estuvo en absoluto de acuerdo con estos símbolos de Berzelius, argumentando que no indicaban nada de la estructura atómica y que eran dificilísimos de aprender. Incluso, llegó a decir según sus palabras textuales que «los símbolos de Berzelius son espantosos», lo cual les llevó a otra gran controversia.
9.5. OTRAS CONTRIBUCIONES IMPORTANTES Muchos fueron que también tuvieron una importante colaboración en la química de aquellos días. Tal es el caso de: — Pierre Louis Dulong (1785-1838) francés y de su compatriota Alexis T. Petit (1791-1820), quienes juntos realizaron una importante observación que les llevó a establecer la ley empírica que lleva el nombre de ambos: que el producto del peso atómico de un elemento por su calor específico (en estado sólido) daba un número que expresado en calorías era muy próximo a 6,4. — Eilhard Mitscherlich (1794-1863), discípulo de Berzelius como ya se ha dicho. Trabajó en diversos aspectos de la química mineral y tam-
DALTON Y LA TEORÍA ATÓMICA
139
bién en química orgánica, sobre todo en síntesis de derivados del benceno y en hidrólisis de azúcares. Relacionado con esto último la industria azucarera le debe la construcción del polarímetro. Tiene un texto que en su época fue muy apreciado, Tratado de Química, de 1830. Sin embargo, su aportación más significativa fue la introducción del concepto de isomorfismo, que hace referencia al hecho de que ciertas sales que contienen metales diferentes tengan cristales del mismo o muy parecido sistema cristalino. Esta observación permitió prever la fórmula de muchos compuestos, ya que «los cuerpos isomorfos tienen fórmulas químicas análogas». Por este motivo, tanto la noción de isomorfismo como la ley de Dulong y Petit constituyeron una gran ayuda para Berzelius en su determinación de pesos atómicos.
— Hay muchos otros químicos interesantes en esta época, como el inglés William Prout (1786-1856) que propuso que todos los elementos estarían constituidos por un único material, el protilo, que puede considerarse como una especie de precedente del protón actual.
9.6. REFLEXIONES FINALES Nos encontramos que en los primeros años del siglo XIX, tan sólo diez después de la publicación del Tratado elemental de química de Lavoisier con su nueva concepción de elemento, establece Dalton la teoría atómica de la materia. Ésta abre el camino a la noción de peso atómico y a su determinación experimental, lo cual será la base de la clasificación de los elementos a mediados de ese siglo, de la realización de un amplísimo y variado trabajo experimental, del desarrollo de las distintas ramas de la química y, en definitiva, del conocimiento de la estructura de la materia. Sin embargo, la aceptación de la teoría atómica no fue fácil. La mayoría de los químicos dejan los átomos para los físicos y fuertes polémicas se entablan entre sus partidarios o atomistas y los no partidarios (divididos entre «equivalentistas» y «positivistas») que terminan con el triunfo de los primeros, pero ya muy adentrado el siglo XIX.
Tema 10 DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
ESQUEMA DE CONTENIDOS 10.1. INTRODUCCIÓN 10.2. ELECTROQUÍMICA 10.3. QUÍMICA DE LAS DISOLUCIONES 10.4. TERMODINÁMICA 10.5. CINETOQUÍMICA Y CATÁLISIS 10.6. OTRAS ESPECIALIDADES 10.7. REFLEXIONES FINALES
Svante Arrhenius
10.1. INTRODUCCIÓN Con el siglo XIX se abre un periodo riquísimo en el progreso de la química. Con Lavoisier primero y con Dalton después se eliminan las barreras que impedían ese desarrollo. Se ha convertido en una ciencia y como tal va evolucionando a un ritmo creciente en la experimentación y en la construcción de todo su entramado teórico, que además se diversifica. Todo ello permitirá que se convierta en una ciencia cada vez más deductiva: se pueden ir interpretando las reacciones químicas, por qué y cómo ocurren, con lo cual se predicen en muchos casos los resultados de otras reacciones similares. Pero a pesar de estos grandes avance, casi todo estaba aun por hacer. A todo lo largo de ese siglo las investigaciones en química se multiplican y se adentran por nuevas rutas, tejiendo una red cada vez más compleja. En consecuencia, la química se va dividiendo en distintas ramas y éstas, incluso, se continúan dividiendo. Comienza así también una cadena de importantes descubrimientos con repercusiones en el plano teórico y también en el de su aplicación práctica. Por una parte, se perfeccionan y amplían los métodos analíticos y, por otra, se comienzan a obtener por distintas vías los elementos químicos, descubriéndose elementos hasta ese momento desconocidos y sintetizándose compuestos químicos nuevos. De los experimentos de laboratorio, a pequeña escala, se va pasando a la producción a escala industrial, con lo que la industria química adquiere poco a poco una importancia capital en la sociedad. Pero la base teórica que va a posibilitar muchos de estos descubrimientos y avances en síntesis y también en análisis la proporciona, en gran parte, el desarrollo de la química física en sus distintas ramas (electroquímica, termodinámica, cinética, etc.). Y ello porque su principal objetivo es dar respuesta a la pregunta que se hicieron tantos químicos de todos los tiempos: ¿por qué unas sustancias reaccionan con otras? Es decir, el problema de la afinidad química. Alberto Magno, Boyle, Mayow, Newton, Stahl, Geoffroy..., intentaron encontrar la explicación, pero no será hasta la nueva química, con el desarrollo de la química física en el siglo XIX cuando esto se conseguirá.
144
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Son tantos y tantos los químicos ilustres de este periodo que, desgraciadamente, no queda otra solución que acotar su presentación, haciendo referencia tan sólo a aquéllos que han llevado a cabo los avances más significativos y que han ejercido una mayor influencia. Y que son, en su gran mayoría, los que generalmente aparecen en los textos de enseñanza de la química.
10.2. ELECTROQUÍMICA En marzo de 1800, en Londres y ante la Royal Society un físico italiano presenta una comunicación sobre un descubrimiento que resultó, sorprendentemente, importantísimo para los químicos. El físico era AlessandroVolta y su descubrimiento, la pila eléctrica, llamada en su honor pila Volta. Con ello va a quedar manifiesta en cierta manera la naturaleza eléctrica de la materia, que después será plenamente demostrada. No sólo da lugar al nacimiento de una nueva rama de la química, la electroquímica, sino también a que se iniciase una serie de experiencias totalmente novedosas a la luz de ese descubrimiento. La pila Volta dio lugar a la creación de generadores electroquímicos que tenían la ventaja de proporcionar corrientes permanentes. Este último hecho favoreció el surgimiento del electromagnetismo en el ámbito de la física. Pero también en el de la química promovió el desarrollo de la electroquímica. No obstante, un antecedente directo de los trabajos de Volta se encuentra en un grupo de químicos holandeses, entre los que destacaron Adriaan van Trootswijk (1752-1837) y Jan Deiman (1743-1808) que sintetizaron agua a partir de sus elementos en 1789 por acción de una chispa eléctrica (puede ver su referencia en el Tema 8, sec. 8.4.2). Algunos investigadores sintieron curiosidad por conocer cómo podía afectar el paso de la corriente eléctrica a la naturaleza de los compuestos químicos. En este sentido, se llevaron a cabo con diferentes sustancias experimentos de electrolisis (del griego, lisis, disolución, en el sentido de rotura). Los primeros de estos experimentos fueron efectuados con agua por los ingleses W. Nicholson (1735-1815) y A. Carlisle (1768-1840), quienes comprobaron que se producía un desprendimiento de oxígeno y de hidrógeno sobre los electrodos. Poco después, entre 1803 y 1807, Davy, Hisinger y Cruikshank realizaron la electrolisis de sales fundidas o disueltas y observaron que en este caso aparecían bases y ácidos en cada uno de los polos. De estos tres científicos fue Humphry Davy (1778-1829) el que alcanzó más prestigio, principalmente por sus contribuciones a la electroquímica, si bien también llevó a cabo otras importantes aportaciones. En 1807 aisló sodio y potasio por vía electroquímica, mediante la electrolisis de carbonato sódico y de hidróxido potásico, respectivamente, y poco después descubrió por el mismo método el estroncio y el bario. Por otra parte, también
DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
145
descubrió que el ácido múriático —es decir, nuestro ácido clorhídrico— no contenía oxígeno, como se creía con gran seguridad, y definió la diferencia entre ácido y anhídrido. Asímismo, fue autor de algunos importantes inventos, como son el arco eléctrico (lo cual supuso para la industria una importante técnica con muy diversas aplicaciones, como la obtención de carborundo o carburo de silicio, y una lámpara de seguridad para los mineros. No obstante, el más sobresaliente de todos los electroquímicos de aquella época fue sin duda Michael Faraday (1791-1867), inglés como Davy, químico y también físico. Los experimentos de electrolisis habían proliferado, se habían obtenido otros muchos elementos importantes por esa vía —como el cloro— y se había intentado explicar qué ocurría durante la electrolisis. El primero en formular una teoría sobre estos fenómenos fue Grotthus, quien ya en el año 1805 propuso con gran perspicacia que en la electrolisis de sales —bien fundidas o bien disueltas— lo que tenía lugar al pasar la corriente eléctrica era un transporte de cargas eléctricas de distinto signo, que se dirigirían hacia los polos de carga opuesta en los que se terminarían depositando. Pero fue Faraday el que verdaderamente construyó una teoría sólida para los fenómenos electroquímicos, fruto de un intenso trabajo experimental. En 1831 descubre las corrientes inducidas eléctricas y electromagnéticas y dos años más tarde enunciará las leyes cuantitativas de la electrolisis en solución, llamadas por eso leyes de Faraday. Las recoge en una publicación, en la que también incluye una nomenclatura sistemática del vocabulario relativo a esos fenómenos, con nombres tales como electrolito, electrodo, ánodo, cátodo, anión, catión..., ya que percibe claramente la necesidad de una terminología unificadora. Dos son esas leyes, en las que expresa las relaciones entre la cantidad de electricidad que atraviesa el electrolito y las cantidades (en masa) de sustancia descompuesta y de productos liberados en los electrodos. Con todas sus observaciones y conclusiones elabora una teoría para explicarlas, en la cual básicamente supone que el transporte de electricidad en las soluciones de electrolitos se realiza mediante unos fragmentos de las moléculas disueltas, que tienen carga eléctrica y que él denominó iones. Todas estas ideas, así como la extensa labor experimental, dieron lugar a numerosas publicaciones, aparecidas generalmente en la revista Philosophical Transactions de la famosa asociación científica Royal Society. Pero, ¿cómo se originaban esos iones? Faraday no fue capaz de hallar la respuesta, lo que sí consiguió el sueco Arrhenius unos cincuenta años después, hacia 1887, mediante sus ideas sobre la disociación iónica, como se verá en breve. Faraday también trabajó en otros terrenos de la química, como es el caso de los compuestos orgánicos: descubrió dos isómeros del ácido naftalensulfónico, la existencia de combinaciones cloradas del carbono, y, sobre todo, dos
146
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
hidrocarburos básicos para la química orgánica, el buteno y el benceno (estos dos últimos los caracterizó al analizar en 1825 la composición del gas de alumbrado, que circulaba comprimido en fuertes recipientes de hierro). Es interesante seguir constatando en el siglo XIX, tan cercano aun a nuestros días, la enorme versatilidad científica de los químicos. Estudiaban muy distintos aspectos de la química y en casi todos realizaban importantísimas aportaciones, las cuales contribuyeron a construir el cuerpo teórico-práctico de la química de hoy.
10.3. QUÍMICA DE LAS DISOLUCIONES Por otra parte, todos estas investigaciones suscitaron el interés por el estudio de la química de las disoluciones, tanto de electrolitos como de no electrolitos. Sobre las disoluciones electrolíticas son fundamentales los estudios realizados por Hittorf acerca de las velocidades de migración de los iones o de la resistencia eléctrica de los electrolitos y, sobre todo, los de Kohlrausch que midió la conductividad de numerosos electrolitos y demostró que éstos cumplían la ley de Ohm. En relación a las disoluciones no electrolíticas, el industrial inglés William Henry (1774-1836), amigo y colaborador de Dalton —del que ya se trató en el Tema 9— formuló en 1803 la ley de su nombre, una ley sobre las disoluciones no electrolíticas, según la cual la disolución de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión. Por otra parte, el inglés Thomas Graham (1805-1869), había comenzado a realizar estudios de difusión con gases y los extiende a sustancias disueltas. Encuentra así que las sustancias disueltas que fueran cristalinas (como las sales) separadas de otra disolución (o del disolvente puro) por medio de una membrana atravesaban ésta fácilmente. Sin embargo, cuando las disueltas eran sustancias no cristalinas (como la gelatina), se difundían muy lentamente. Siguiendo con el estudio de estos procesos pero en el mundo biológico, concretamente en el vegetal, se había observado que en el paso del agua a través de las membranas de las células vegetales se ponían en juego ciertas presiones. El botánico Pfeffer estudió estos procesos utilizando membranas obtenidas artificialmente (membranas llamadas semipermeables, ya que el tamaño de sus poros sólo permitía el paso de las moléculas de agua, más pequeñas, pero no el de las del soluto) y consiguió medir esta presión, que denominó presión osmótica. El físico holandés J.H.van´t Hoff (1842-1911) a quien el desarrollo de la química debe tanto, constató en 1866 que la presión osmótica de las disoluciones era análoga a la presión de un gas. Propuso que en ambos casos las presiones obedecían a las mismas causas. Además demostró que existía una relación entre esta presión osmótica de una disolución, el punto de congela-
DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
147
ción y la presión de vapor de la misma. Pero no pudo explicar cuáles eran aquellas causas. Interdisciplinaridad Volvemos a tener un claro ejemplo de las fuertes relaciones interdisciplinares que hacían avanzar la ciencia en sus distintos campos: en este caso la botánica y la química.
Por otra parte y continuando con soluciones no electrolíticas, el químico francés François Marie Raoult (1850-1901) estudió soluciones de compuestos no volátiles en disolventes líquidos. Sus trabajos le hicieron alcanzar prestigio en su época, aunque éste fue en realidad menor en Francia que en el extranjero, pues hasta edad bastante madura, sesenta años, sus méritos científicos no fueron plenamente reconocidos en su país de origen. Encontró que para disoluciones «ideales» —es decir, entendiendo como tales disoluciones tan diluidas que no existen prácticamente interacciones entre las partículas de la sustancia disuelta— por el hecho de disolver una sustancia no volátil en un determinado disolvente, la presión de vapor de la disolución resultante disminuía respecto a la del disolvente puro. Además llegó a la conclusión de que esa disminución de la presión de vapor del disolvente era directamente proporcional a la concentración del soluto, por lo que también estaba relacionada con la masa molecular del éste. Esta observación dio paso a que formulara en 1886 las leyes que llevan su nombre y, a su vez, estas leyes le proporcionaron la idea de hallar un método para determinar las masas moleculares de las sustancias disueltas en esas condiciones, midiendo el descenso en el punto de congelación de la disolución (crioscopía) o el aumento en su punto de ebullición (ebulloscopía), ya que éstos son debidos a la disminución de la presión de vapor. Este método, fue perfeccionado por el alemán Ernst Beckmann (18531923), con lo que prestó un gran servicio sobre todo a la química orgánica ya que pudieron conocerse las masas moleculares de muchísimos de sus compuestos. También ideó un nuevo tipo de termómetro, el termómetro Beckmann, adecuado para realizar las mediciones de temperatura correspondientes. Vemos cómo el conocimiento sobre el comportamiento de las soluciones tanto de electrolitos como de no electrolitos ha ido progresando a lo largo del siglo. Pero no se había dado una explicación mediante una teoría satisfactoria a ese comportamiento. Aquí es donde aparece el químico sueco Svante Arrhenius (1859-1927, Premio Nobel de Química en 1903) con su teoría sobre la disociación iónica. Había constatado que una solución de cloruro de potasio tenía, a igual concentración, una presión osmótica doble que la de una disolución de sacarosa, y que ese exceso de presión osmótica estaba relacionado con la conductividad electrolítica de la disolución del cloruro. En 1887 descubre que cuando la dilución era grande, todas las moléculas de una sal disuelta en agua estaban com-
148
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
pletamente disociadas. Arrhenius también extendió esta teoría al estudio de ácidos y bases. Por aquella época, entre 1882 y 1886, el danés Julius Thomsen (18261909) había realizado una vasta labor experimental determinando los calores de neutralización de ácidos y bases, encontrando que la fuerza de éstos era proporcional al valor de ese calor de neutralización y que el correspondiente a los ácidos y bases llamados «fuertes» era 13,8 Kcal/equivalente. Basándose en estos datos, Arrhenius propuso que ese calor correspondía a la formación de un mol de agua y que los ácidos y bases fuertes estaban completamente disociados. Sus ideas tuvieron en general un gran éxito y abrieron el camino para las actuales teorías sobre la acidez, si bien con el tiempo resultaron «insuficientes» y hubo que corregirlas teniendo en cuenta el papel fundamental que en estos procesos jugaba el disolvente. De esta manera, ante la definición de Arrhenius de ácido y base como productores de iones H + y OH-, respectivamente, Peter Sörensen introduce el pH como término para definir el carácter de ácido o base y su fuerza correspondiente (1909). A pesar de su eficacia, ante la insuficiencia de la definición de Arrhenius, unos años después, alrededor de 1922, Brönsted y Lowry proponen una definición más amplia como compuestos que pueden perder un protón (ácido) o captarlo (bases). No obstante, esta definición vuelve a resultar demasiado estrecha, con lo que Franklin y Krauss la amplían a disoluciones no acuosas, ya que habían observado que ciertas sustancias podían manifestar ciertas propiedades ácidas o básicas (por ejemplo, virando los indicadores) en soluciones en las que no existían protones. Avanzando aun más, en 1923 Gilbert Newton Lewis (1875-1946), al que se deben importantísimas contribuciones en teoría de enlaces (se tratará en el Tema 11), da una nueva y más amplia definición de esos términos, basada en la teoría electrónica de la valencia: ácido sería toda sustancia capaz de aceptar electrones donados por otra sustancia, que sería una base. Y también se llegó a otra definición, la de Pearson de ácidos duros y blandos (1963). Por otra parte, el famosísimo químico Wilhelm Friedrich Ostwald (1853-1932, Premio Nobel de Química en 1909) aplica la ley de acción de masas a las disoluciones de electrolitos teniendo en cuenta la disociación de éstos. Resulta así una ecuación que relaciona la constante de equilibrio correspondiente con el grado de disociación del electrolito y que es sólo aplicable cuando éste es débil. Y Paul von Walden (1863-1957) —químico alemán que hizo asimismo importantes incursiones en química orgánica e, incluso, en la historia de la química, de la que escribió una importante obra— realizó interesantes trabajos sobre la disociación en disoluciones no acuosas. En cuanto a los estudios sobre pilas, las investigaciones llevadas a cabo por otro químico alemán, Walter Nernst (1863-1957, Premio Nobel de Química en 1920) dieron lugar a la determinación de la fuerza electromotriz de aquéllas y también le llevaron a importantes avances en termodinámica.
149
DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
Siguiendo el tiempo y ya en el siglo XX, muchos químicos continúan con la investigación electroquímica. Entre ellos hay que destacar a P. Debye y E. Hückel con sus estudios sobre electrolitos fuertes, de los cuales afirman que en solución estarían completamente disociados en iones, aunque sus posibles interacciones cuando la concentración aumenta harían rebajar la proporción disociada. Estas conclusiones fueron el punto de arranque de un elevadísimo número de investigaciones posteriores sobre la química de electrolitos fuertes. Muchos otros trabajos de gran interés podrían añadirse a todos éstos: los de van Laar, Milner, Gronwall, La Mer, Bjerrum, Onsager, Owen, Heyrovsky (investigador checo que, por cierto, fue el descubridor de la polarografía, en 1923), de la Rive... y tantos otros.
10.4. TERMODINÁMICA Los químicos se interesaban también por medir el calor relacionado con los procesos químicos, lo cual dio lugar a la termoquímica, que se desarrolla sobre todo en la segunda mitad del siglo XIX. Sin embargo, sus orígenes son anteriores. Recordemos que ya Lavoisier realizó experimentos de este tipo, ayudado casi siempre por su amigo el matemático Laplace (vea el Tema 8) y que, incluso inventaron un aparato destinado a medir ese calor (calorímetro). Pero va ser durante la década de los cuarenta del siglo XIX cuando se multiplican los estudios experimentales sobre los calores implicados en los procesos químicos, enunciándose así una serie de leyes y principios que darán lugar al nacimiento de esta rama de la química. Así, se había demostrado la equivalencia en la transformación del trabajo en calor, que no era otra cosa que la ley de conservación de la energía, lo cual fue enunciado como primer principio de la termodinámica por J. R. Mayer (1814-1878) en 1842 y un año después por Joule (1818-1889). Y sólo dos años antes, en 1840, H. H. Hess (1802-1850) había observado que el calor implicado en cualquier reacción era independiente del camino por el que ésta se había producido —ley de Hess— que, en realidad, no era más que una consecuencia de ese primer principio de la termodinámica. Por otra parte, podemos remontarnos aun más atrás, a la construcción de la primera máquina de vapor, ideada y llevada a cabo por Newcomen en Inglaterra (1703) y en la que posteriormente introdujeron importantes modificaciones primero Watt, quien en 1782 preparó la máquina de vapor de doble efecto y el movimiento rotativo autorregulado, y después Stephenson en 1814, al construir la primera locomotora a vapor. C/T/S Estos adelantos de la ciencia y de la técnica dieron lugar a la aparición del ferrocarril como una de las más importantes aplicaciones de la máquina de vapor. Los ferrocarriles transformaron las redes de comunicación, con lo que su impacto social fue uno de los mayores de los últimos tiempos.
150
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Estos inventos llevaron al ingeniero militar francés Nicolas Leonard Sadi Carnot (1796-1822) a afirmar, en 1814, que siempre que existiera una diferencia de temperatura podría producirse una fuerza motriz. Además, añadió Carnot que la potencia motriz producida por el calor dependería de las temperaturas de los cuerpos entre los que el transporte calórico tuviera lugar, siendo independiente de la fuente de calor. Esta conclusión, o más bien principio, es lo que se conoció después —aunque enunciado con otras palabras— como segundo principio de la termodinámica. Después, en 1865, este principio se hace más general al ser introducida en él la noción de entropía, por Rudolph Clausius (1823-1888), con lo cual se inicia, a su vez, la termodinámica. A partir de aquí, las investigaciones y las teorías consiguientes se multiplican. En 1843, el físico francés Clapeyron (1799-1864) da una fórmula para calcular el calor latente en los cambios de estado y define la noción de cambio reversible. Y Lord Kelvin introduce la función de «energía libre» en 1855, idea que será después desarrollada por Helmholtz (1872) y por el americano J.W. Gibbs (1839-1903), quien propone la función de entalpía libre. Por otra parte, se hace una diferenciación entre reacciones endotérmicas y exotérmicas. El hecho de que muchas reacciones que se producían de forma rápida y «espontánea» desprendieran calor (es decir, eran exotérmicas), llevó a pensar a Berthelot que las reacciones químicas se producían siempre en el sentido del máximo desprendimiento de calor. Esto lo enuncia en 1867 como principio del trabajo máximo (o conocido también como principio de Thomsen-Berthelot, por ser el primero de ellos quién generalizó antes estos resultados). Por ello se tomó al calor de reacción como la medida de la tendencia a que una reacción entre dos sustancias ocurriera, es decir, como la afinidad química. Pero después se observó que este principio no tenía un carácter general. Por esta razón fue van´t Hoff, quien en 1883 propone como medida de la afinidad de una reacción, verificada a presión y temperatura constante, al descenso de la energía libre del proceso. De todo esto se desprende que la afinidad química se puede ya interpretar según la termodinámica mediante unas ecuaciones llamadas de GibbsHelmholtz. Gibbs continúa en sus trabajos termodinámicos con estudios de la mecánica estadística (1902), basándose en los cuales Boltzmann después demostrará el carácter probabilístico de la entropía, estableciendo una ecuación que expresa la entropía en función de las propiedades moleculares. Por otra parte, se realizan una gran cantidad de interesantes cálculos experimentales, como son los calores de muy diversas reacciones determinados por Julius Thomsen, no sólo los de procesos de neutralización como ya se ha visto en la sección 10.3., sino también de otros muchos (combustión, oxidación y reducción, etc.). Desde esta perspectiva termodinámica se estudia también el equilibrio químico. Así, van´t Hoff propone en 1884 una ecuación que expresa el desplazamiento del equilibrio en función de la temperatura. Y Henri Le Chate-
DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
151
lier enuncia hacia 1880 su famoso principio sobre la influencia de la concentración, presión y temperatura en el desplazamiento de un equilibrio, que si bien puede no ser demasiado precisa, resulta en la práctica sumamente útil. Este hecho es consecuencia de su gran preocupación por resolver los problemas de la industria, con la cual estuvo siempre en estrecha relación. Pero serán sobre todo Gibbs —que introduce la noción de potencial químico en su tratamiento cuantitativo de los equilibrios químicos— y también Max Planck quienes perfeccionan esa teoría del desplazamiento de los equilibrios formulada por Le Chatelier. La termodinámica va evolucionando de tal manera que ya a finales del siglo XIX posee una estructura y entidad bien definidas, pero al mismo tiempo tiene un sentido tan amplio que los estudios termodinámicos pueden aplicarse a todas las ramas de la química como una poderosa herramienta. En el siglo XX, desde sus principios, sigue construyéndose este entramado teórico de la termodinámica. Se intentaba vincular la teoría atómica con la termodinámica, a lo cual contribuyó notablemente el cálculo de calores específicos de gases reales, líquidos y sólidos. Muchos son los investigadores que trabajaron en este sentido, entre los que se encuentran —por citar algunos— Van Laar, Nernst, Debye o el mismo Einstein. Pero estos cálculos no hubieran podido ser llevados a cabo sin la introducción por Lewis, en 1901, de las nociones de fugacidad y de actividad que permitían el tratamiento de los gases reales y las disoluciones como gases perfectos. No obstante, lo que marcó otro importante hito en la historia de la química física, fue la introducción del llamado tercer principio de la termodinámica. Boltzmann había dado una interpretación molecular de la entropía a partir de la cual en un cristal, con un retículo cristalino perfecto y a la temperatura del cero absoluto, todas las partículas estarían ordenadas en ese retículo y no podrían tener ninguna energía de vibración. Nernst retomando en 1906 la idea de Berthelot sobre su principio del «trabajo máximo» propuso que según iba bajando la temperatura esa regla se iba haciendo más exacta, con lo que al cero absoluto ya sí se cumplía enteramente. Planck, en 1913, completa esta idea enunciando el tercer principio o tercera ley de la termodinámica: la entropía de una sustancia pura y perfectamente cristalina es cero en el cero absoluto de temperatura. Esta conclusión teórica tuvo importantes repercusiones en lo experimental: así, permitió el cálculo del valor de entropías absolutas de compuestos, de constantes de equilibrio e, incluso, de tensiones de vapor. Llegados a este momento, no puede omitirse el hacer una referencia a Berthelot (no confundir con su compatriota, aunque más antiguo, Berthollet). Marcelin Berthelot (1827-1907) fue uno de los grandes hombres de ciencia ses de la segunda mitad del siglo XIX. Este químico, hombre además de gran cultura y formación humanista, destacó en muy variados ámbitos, en la ciencia, en la política y en educación. Así, llegó a ser ministro por dos veces de Instrucción Pública. En química, abarcó ámbitos tan diversos como el de la química física, como acabamos de ver y tanto en
152
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
aspectos teóricos como también prácticos (por ejemplo, en termoquímica inventó un tipo de calorímetro), o el de química orgánica (síntesis del alcohol metílico y del acetileno, reacciones de esterificación, etc.) o, incluso, el de la Historia de la Química (es autor de un interesante libro Los orígenes de la alquimia, de 1885). Hombre idealista, pensaba en la capacidad de la ciencia para alcanzar la paz y la solidaridad humana. Sin embargo, pese a su gran categoría, estuvo fuertemente influenciado por las ideas positivistas del filósofo y matemático francés Auguste Comte, contemporáneo suyo, que por otra parte, tanto poder intelectual tuvieron en su momento y que derivaron hacia un racionalismo extremo. Por estas ideas, Berthelot fue un positivista convencido y con ello, un antiatomista. Por su liderazgo en el terreno científico de su país, a pesar de sus innegables cualidades ejerció una influencia negativa que trajo como consecuencia un cierto retroceso en la química sa a finales del siglo XIX, que tan brillantemente lo había comenzado. En este punto conviene recapitular sobre el espíritu universal de muchos de estos grandes científicos del siglo XIX. Hombres como Berzelius, Van´t Hoff, Ostwald, Berthelot... Trabajaron en muy diversos aspectos de la química —incluso, a veces rebasaron los límites de ésta— y destacaron en todos.
10.5. CINETOQUÍMICA Y CATÁLISIS Con Ludwig Wilhelmy y sus trabajos sobre la inversión de la sacarosa —es decir, de su hidrólisis a los dos azúcares glucosa y levulosa— por medio de un catalizador ácido puede afirmarse que nace la cinetoquímica, hacia 1850. Y ello se debe a que este investigador es el primero en estudiar el transcurso de una reacción en función del tiempo, además de hacerlo de forma cuantitativa. Esta idea será retomada y desarrollada por Van´t Hoff, quien será el que formula las bases teóricas de esta nueva rama de la química, publicadas en 1884, en su texto Estudios de dinámica química. Realmente el antecedente más directo de estos estudios sobre dinámica química se encuentra en la obra de Berthollet, Estadística química, publicada en 1803. Los mismos trabajos de este científico francés sobre el papel de la cantidad de masa —o acción de la masa— en las reacciones (como ya se trató en el Tema 9) dieron paso al estudio del equilibrio químico. Siguiendo en esta línea, los dos químicos Maximilian Guldberg (1836-1902) y Peter Waage (1833-1900), ambos noruegos, profesores de la Universidad de Cristiana (la actual Oslo) y, además, cuñados, formulan en 1867 la ley de acción de masas, según la cual la velocidad de una reacción es proporcional al producto de las masas activas —es decir, concentraciones— de las sustancias reaccionantes. La velocidad de una reacción queda dotada así de una formulación matemática. En cuanto al equilibrio químico, se interpreta como la situación de dos reacciones en sentido inverso, cada una con una velocidad propia. Así, apli-
DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
153
cando a cada una la ley de acción de masas se obtiene una expresión matemática de la constante característica de ese equilibrio. Por otra parte, los químicos van tomando conciencia de la importancia de los fenómenos catalíticos, sobre todo desde la perspectiva de su utilidad en la industria de la síntesis de productos químicos. No obstante, la catálisis ya era conocida desde mucho antes. Libavius fue el primero en observar de este fenómeno, en 1597, y a él se debe precisamente este término (catálisis, del griego katalyein, destruir). Después, ya entrado el siglo XVIII, Scheele sintetizó esteres mediante el uso de catalizadores. Pero es un siglo después cuando se desarrolla esta técnica y también sus bases teóricas. Así, en la química del ácido sulfúrico desde 1806 se comenzaron a utilizar óxidos de nitrógeno como catalizadores, según el descubrimiento realizado por los ses Désormes y Clément (se tratará más ampliamente en el Tema 14). Por otra parte, se inicia el camino del estudio de las propiedades catalíticas de muchos metales finamente divididos. J. W. Döbereiner, dentro de la química de compuestos orgánicos, descubre en 1821 las propiedades catalíticas del negro de platino en la obtención de ácido acético por oxidación catalítica del etanol (curiosamente, a él se debe también el primer encendedor de tipo químico, pues observó que se producía una detonación «espontánea» por mezcla de oxígeno e hidrógeno en presencia del negro de platino). Y Wöhler analiza las propiedades catalíticas de muchas sustancias no sólo en síntesis orgánica, sino también en química inorgánica. Pero quien verdaderamente dará un impulso enorme a la catálisis será Berzelius, sobre todo a partir de 1835, fecha en que se dedica más intensamente a su estudio. Proporciona por primera vez una definición de catalizador, como lo que «despierta las afinidades adormecidas», asegurando además que no tomaría directamente parte en la reacción química. También tuvo una gran visión de futuro al suponer la gran importancia de los fenómenos catalíticos en la biología, al regir los procesos bioquímicos de los organismos vivos. Posteriormente, el término de catalizador tendrá una definición mucho más precisa gracias a Ostwald. Este gran químico, uno de los más brillantes de su siglo y Premio Nobel en 1909, nació en Riga (en Letonia, pero que en aquellos momentos formaba parte de Rusia) y fue profesor de química-física en la Universidad de Leipzig, en la que también creó un laboratorio de gran prestigio en su época. Fue el fundador de esta rama de la química, creando junto con van´t Hoff la primera revista especializada de Química Física. A él se debe también un enorme avance en la teoría de la cinética y de la catálisis, al introducir la noción de «energía de activación». Volviendo a van´t Hoff, expresó mediante ecuaciones muchos tipos de reacciones (simples, paralelas, consecutivas...). Sin embargo, cuando otros científicos trataron de comprobar experimentalmente esas expresiones matemáticas, aparecieron gran cantidad de excepciones, lo cual condujo a hacer una matización entre lo que era el orden y la molecularidad de una reacción. Esto llevó a considerar algo que ya había pensado van´t Hoff: que para que una reacción tuviera lugar, debía producirse un encuentro simultáneo de las
154
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
moléculas implicadas en esa reacción. Sin embargo, ésta fue una idea que no desarrolló, aunque sí lo hicieron otros investigadores posteriormente, entre los que hay que destacar a Kassel, en 1932, quien dio gran importancia al orden de reacción, que podía ser un número entero o fraccionario y que, generalmente, no sería superior a 3. Por otra parte, se habían estudiado los factores que podían alterar la velocidad de reacción. Entre ellos, se prestó especial atención a la temperatura, estudio llevado a cabo sobre todo por Arrhenius, que llegó a la conclusión que ello era debido a su influencia sobre la constante de velocidad. Su formulación estaba de acuerdo con los resultados experimentales y con la teoría de los choques, según la cual la velocidad de una reacción sería proporcional al número de colisiones entre las moléculas reaccionantes. Arrhenius introdujo la noción de «choque eficaz», que suponía que sólo las moléculas que hubieran adquirido una energía suficiente, o energía de activación, eran capaces de entrar en reacción. Posteriormente, siguiendo en esta línea, otros investigadores introdujeron en el concepto de energía de activación factores de tipo probabilístico que tenían en cuenta aspectos estéricos, lo cual después se englobó en el término entropía de activación. Pero había que determinar las causas de esta activación. Tras numerosas hipótesis y trabajos experimentales, se llegó a la conclusión de que el choque molecular daría lugar a que la molécula reaccionante adquiriese una configuración activa desde el punto de vista cinético, de lo cual con el tiempo surgió la noción de «complejos activados» intermediarios de las reacciones (1922). También por esa época se descubre la influencia de los rayos luminosos en la velocidad de ciertas reacciones. Concretamente, con el estudio del mecanismo de síntesis del bromuro de hidrógeno se propone la existencia de reacciones en cadena. Se comprobó que en muchas reacciones con este tipo de mecanismo las paredes del recipiente de reacción jugaban un importante papel. Con esto también se pusieron de manifiesto los fenómenos de adsorción, estudiados sobre todo por Freundlich primero y después por Langmuir en 1916, de los que se sugirió que formaban parte fundamental del proceso de activación de los reactivos.
10.6. OTRAS ESPECIALIDADES Por otra parte, en estrecha conexión con todos estos estudios, se había descubierto la influencia de la luz del sol sobre muchas reacciones. Es decir, se abrió el camino de la fotoquímica. Por ejemplo, en 1809 Gay Lussac y Thénard (Louis Jacques Thénard, 1777-1857) habían sintetizado a partir de cloro y de hidrógeno el cloruro de hidrógeno (compuesto gaseoso) bajo la acción de la luz. El cloro bajo la acción de la luz siguió utilizándose en otras síntesis: por Davy, en 1811, para preparar fosgeno y por Faraday, quien en 1825 consiguió así su adición total al benceno hasta hexaclorociclohexano.
DESARROLLO DE LA QUÍMICA FÍSICA
155
Sin embargo, la teoría justificativa de los procesos fotoquímicos no se estableció hasta mucho después, ya en el siglo XX. De esta manera, el primero en proponer una proporcionalidad entre el efecto fotoquímico y la energía radiante absorbida fue Lasareff, en 1907, estudio desarrollado también y formulado mediante la ley de Grotthus-Draper. Otros científicos continuaron en esta línea, entre ellos Berthelot, quien en 1924 introduce la noción de entropía radiante, de la cual —así como de la frecuencia de la radiación— dependía la energía radiante absorbida. Aunque esta teoría tiene su precedente en Planck y su teoría cuántica sobre la absorción y emisión de radiación, así como en las ideas de Einstein de la propagación de fotones, que una vez desarrolladas proporcionaron a éste último el Premio Nobel en 1921. Fueron asimismo muy interesantes los estudios y aplicaciones sobre la fotosensibilización. Este fenómeno consiste, a grandes rasgos, en que ciertos productos coloreados absorben fácilmente una energía que después pueden ceder a los reactivos que toman parte en una reacción fotoquímica. Así, en muchas reacciones se utilizan fotosensibilizadores para acelerarlas (tal es el caso de reacciones de oxidación, con fluoresceína o acridina). Y al contrario, se ha observado también el fenómeno llamado de luminiscencia química, inverso de la reacción fotoquímica: que se produce una emisión de radiación cuando ocurren ciertas reacciones (como son algunas reacciones en las que intervienen radicales libres). Por otra parte, van apareciendo nuevas especialidades de la química física a medida que se descubren nuevos fenómenos y que se generan nuevas teorías. Tales son, por ejemplo, la espectroscopia (de la que se tratará en el Tema 13), la química cuántica o la química de macromoléculas.
10.7. REFLEXIONES FINALES La química física surge durante el siglo XIX cuando se introduce lo cuantitativo en la experimentación y muy pronto se diversifica en distintas especialidades, de las que aquí se han incluido sólo aquéllas más generales. La investigación del comportamiento químico de las sustancias para comprender el porqué y el cómo de sus reacciones, la necesidad de analizar, medir y determinar los parámetros y todos los factores implicados en aquéllas, van a exigir tal cantidad de experimentación y de contenidos teóricos tan específicos que justifican esa pronta fragmentación de la química física. Asimismo, la química física tiene una influencia enorme en las otras ramas de la química, constituyendo una herramienta y un soporte imprescindible para su progreso.
Tema 11 CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
ESQUEMA DE CONTENIDOS 11.1. INTRODUCCIÓN 11.2. LOS GASES Y LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA 11.3. NECESIDAD DE UNA CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS 11.3.1. Primeros intentos de clasificación 11.3.2. Sistemas periódicos 11.4. ESTRUCTURA DE LOS ÁTOMOS 11.4.1. Evidencias experimentales: partículas subatómicas 11.4.2. Descubrimiento de la radiactividad 11.4.3. Las aportaciones teóricas: modelos atómicos 11.5. LA MECÁNICA CUÁNTICA 11.6. ENLACES QUÍMICOS 11.7. REFLEXIONES FINALES
11.1. INTRODUCCIÓN Al principio del siglo XIX Dalton había establecido su teoría atómica. Sin embargo, no fue aceptada plenamente por los químicos. Los átomos «físicos» como muchos solían decir, no les eran útiles en su trabajo en el laboratorio, cuando tenían que llevar a cabo reacciones pesando reactivos y midiendo los resultados. Además, esa teoría atómica y esos átomos no les permitían predecir las reacciones. Por ello, ese siglo va a ser un periodo de grandes polémicas entre los atomistas, obviamente partidarios de la teoría atómica, y los equivalentistas, que utilizaban como medida patrón en el laboratorio el peso de un elemento que se combinaba con el oxígeno y que eran enérgicos antiatomistas. A éstos había que añadir los positivistas, que llevados por el rigor de un racionalismo extremo se negaban a aceptar algo que no se podía medir ni percibir (recuerde lo dicho sobre Berthelot en el Tema 10). Y, además, estaban los partidarios del energetismo (representados por una gran figura de la historia de la química, Ostwald, según los cuales la realidad efectiva era la energía por encima de la materia). Por ello, fueron dejando la idea del átomo para los físicos. Y precisamente será a éstos a quienes en gran medida se deban los grandes avances de la ciencia en el conocimiento de cómo están constituidos los átomos. Por otra parte, los químicos a través de numerosas experiencias, que se multiplicaban en cantidad y variedad, iban conociendo cada vez mayor número de elementos distintos y comenzaron a detectar ciertas similitudes entre algunos de ellos. Surgió así la necesidad y, al mismo tiempo, la posibilidad de clasificar los elementos según ciertas propiedades externas, en general medibles o al menos percibibles. Por otra parte, se despertó el interés por conocer la naturaleza interna de esos elementos, es decir, la estructura de sus átomos.
11. 2. LOS GASES Y LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA Se conocía la naturaleza eléctrica de la materia, según ya se ha tratado en el Tema 10 (apdo.10.2). Pero a mediados del siglo XIX aun no se sabía cuál era
160
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
la constitución de la electricidad. Por otra parte, de los tres estados de la materia aquél del que se conocía mejor su comportamiento era el gaseoso. Además, se había logrado representar ese comportamiento mediante leyes bastante sencillas, expresadas en un lenguaje matemático sin muchas complicaciones. Ya en el siglo XVIII, en 1738, el físico, matemático y también médico Daniel Bernouilli (1700-1782) había escrito sobre los gases que entre sus moléculas no existían prácticamente interacciones y que estarían en continua agitación. Es decir, avanzó las ideas contenidas en la teoría cinética de los gases, ideas que fueron retomadas más de un siglo después, en 1858, por Clausius. Sin embargo, quien lanza verdaderamente la teoría cinética de los gases fue Ludwig Boltzmann (1844-1906), que la hace evolucionar hacia las ideas de la mecánica estadística, introduciendo el concepto de probabilidad de los estados macroscópicos de un gas. Con esto llega en 1876 a la expresión de la entropía de un gas. Con estas ideas, Botzmann marca un nexo entre la termodinámica y las leyes de la entropía con la teoría cinética de la materia. Sin embargo, pronto sus ideas fueron más o menos abiertamente rechazadas, aunque el tiempo le diera la razón, ya que la mecánica estadística abrió el camino para Planck y su teoría de los cuantos y al descubrimiento de los fotones por Einstein. Y siguiendo con el estudio de los gases aunque desde otra perspectiva, Thomas Andrews (1813-1885) había introducido en 1869 la noción de temperatura crítica de un gas, como temperatura por encima de la cual un gas o un vapor no se pueden licuar, por más que se aumente la presión. Por otra parte, poco después el físico holandés Johannes D. van der Waals (18371923, Premio Nobel de Física en 1910) observó que los gases se desviaban considerablemente de la ley de Boyle-Mariotte a altas presiones y bajas temperaturas. Supuso que estas desviaciones eran debidas a que en la realidad sí que habría alguna interacción entre las moléculas gaseosas y que además ocupaban un cierto volumen, aunque fuera muy pequeño. Por ello propuso una ecuación de estado para los gases reales, muy parecida a la de los gases perfectos, si bien introduciendo dos parámetros que tenían en cuenta esas condiciones. Todas estas conclusiones sobre el estudio del comportamiento de los gases tuvieron consecuencias de enorme importancia, en el aspecto teórico y también en el aspecto de sus interesantes aplicaciones prácticas. Así, el conocimiento de las temperaturas críticas condujo a que ciertos gases —llamados gases permanentes, como el nitrógeno o el oxígeno— se consiguieran licuar, abriéndose también la vía de la experimentación a bajas temperaturas. Importantes investigadores se dedicaron a ella, como Dewar o von Linde, siendo este último uno de los fundadores de la industria del frío y que además logró obtener aire líquido por primera vez (1895). En cuanto a las aportaciones teóricas, con la química del frío se tuvo conocimiento de la superconductividad de los metales (ver Tema 13). Por su parte,
CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
161
los estudios de van der Waals proporcionaron la base teórica de los enlaces intermoleculares, como se analizará más adelante, en este mismo tema.
11.3. NECESIDAD DE UNA CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Aunque el mundo que nos rodea es sumamente complejo y el número de compuestos químicos es enorme, la cantidad de elementos químicos es reducida, solamente de poco más de cien. Sin embargo, los elementos se fueron descubriendo poco a poco a lo largo de la historia. Desde tiempos muy antiguos se conocía el oro, la plata y el azufre. Se fue ampliando poco a poco este número con los elementos plomo, cobre, estaño, hierro, mercurio, antimonio y carbono, hasta los inicios de la era cristiana. En el extenso periodo de la alquimia, a pesar de su considerable desarrollo en técnicas y experimentos, se llegaron a conocer tan sólo unos doce elementos en total a su final, hacia 1700. A partir de este momento, las nuevas ideas en química que favorecen su evolución en todos los sentidos, también influirán decisivamente en el descubrimiento de nuevos elementos: en el siglo XVIII se caracterizan veintiún elementos más y en el XIX cuarenta y siete. El resto de los elementos del sistema periódico se descubre ya en el siglo XX.
11.3.1. Primeros intentos de clasificación Con este ya considerable número de elementos, se habían empezado a encontrar ciertas similitudes, por lo que se realizaron algunas tentativas de clasificarlos aunque sin demasiado éxito. Fue el químico alemán J. W. Döbereiner el primero en conseguir algún acierto: en 1817 comenzó una larga labor de reunir ciertos elementos de peso atómico próximo en grupos de tres, «triadas». Por su parte, el francés J. B. Dumas a partir de 1830 comenzó a clasificar los no metales también en triadas que él denominó familias naturales, mientras que su compatriota J.Thenard (1779-1857) clasificó los metales según su reactividad frente al agua y al aire. Llegó así a cuatro grupos, desde los metales nobles, inoxidables, a los metales que se oxidaban muy fácilmente. Estas clasificaciones consistían en un simple agrupamiento por ciertas analogías en alguna propiedad física o química, pero no se había detectado ninguna repetición o periodicidad de esas propiedades. Fue el científico francés Béguyer de Chancourtois quien realizó una genial observación: que las propiedades de los elementos eran en cierto modo repetitivas. Esto le llevó en 1862 a ordenar a los elementos según su peso atómico creciente en una especie de hélice. Por otra parte, en 1864 J. A. Newlands (1838-1898) en Inglaterra en 1864, formula la regla de la «octava», basada en su idea de una analogía con las notas musicales. Así, clasificando los elementos según su peso atómico
162
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
creciente, aparecían analogías entre ellos, de ocho en ocho. En este caso, las familias de elementos se corresponden con esas «octavas». Desgraciadamente, a pesar de estas interesantísimas conclusiones, el trabajo de Newlands no tuvo ningún éxito.
11.3.2. Sistemas Periódicos Pero partiendo de esta idea, Lothar Meyer (1830-1895) lleva a cabo una clasificación en grupos de elementos con algunas analogías significativas, tal y como detalla en su libro Teorías de la química moderna. Concretamente, se da cuenta de la existencia de una relación entre el peso atómico de los elementos y su densidad, lo que le da la posibilidad de llevar a cabo una ordenación general de elementos, en 1869. Por otra parte, el químico ruso Dmitri Mendeleev (1834-1907) propone otra clasificación, basada en este caso en las propiedades más bien de tipo químico de los elementos y se da cuenta de que son una función periódica de la magnitud de su peso atómico. Y, curiosamente, en el mismo año que Meyer, 1869, aunque algo antes (marzo y diciembre, respectivamente). Nace así la ley periódica. Ordena los elementos conocidos hasta ese momento, sesenta y tres, en seis grupos, en una tabla bastante parecida a la actual, aunque los periodos los dispone verticalmente. Además, tuvo la visión de futuro de prever la existencia de elementos entonces desconocidos, para los que dejó el hueco correspondiente en su tabla: Tabla periódica de Mendeleyeev: marzo de 1869, primera tabla
H
Li
1
7
Be B C N O F Na
9,4 11 12 14 16 19 23
Mg Al Si P S CI K Ca ? Er? Yt? In
24 27 28 31 32 35,5 39 40 45 56 60 75,6?
Ti V Cr Mn Fe Ni=Co Cu Zn ? ? As Se Br Rb Sr Ce La Di Th
50 51 52 55 55 59 63,4 65,2 68 70 75 79,4 80 85,4 87,6 92 94 95 118
Zr Nb Mo Rh Rh Pd Ag Cd U Sn Sb Te I Cs Ba
90 94 96 104,4 104,4 106,6 108 112 116 118 122 128? 127 133 137
? Ta W Pt Ir Os Hg
100 182 186 197,4 198 199 200
Au
197?
Bi
210?
TI Pb
204 207
CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
163
Aunque al principio estas ideas no tuvieron una acogida muy calurosa, tuvo después un gran éxito, sobre todo cuando Lecoq de Boisbaubran, Moseley y Rydberg siguieron estudiando en esta dirección. Así, el primero de éstos descubrió en 1875 el galio, cuya existencia había previsto Mendeleev (era lo que él llamó eka-aluminio). Por otra parte, Henry Moseley (18871915) obtuvo espectros de rayos X de muchos elementos, para lo cual los utilizaba como anticátodo. Observó que esos espectros estaban constituidos por una serie de rayas características. Su gran perspicacia le hizo darse cuenta de que había una relación entre la frecuencia de la primera de esas rayas y un parámetro que resultó ser el número de orden del elemento en cuestión en esa tabla periódica, que después se llamó «número atómico» (1913). Determinó la expresión matemática de esa relación (ley de Moseley, totalmente empírica) con lo cual fue mucho más fácil determinar la posición de los nuevos elementos que se iban descubriendo. Poco a poco se iban encontrando nuevos elementos, como el escandio (1879) o el germanio (1886). Pero ante todo hay que destacar un descubrimiento sorprendente, el de dos gases del aire que, en principio, resultaban inclasificables: el árgon, encontrado en 1894 por Rayleigh y Ramsay (argon en griego significa «inerte») y el helio, hallado por éste último en 1895. Por esta razón se creó para ellos un nuevo grupo, el grupo cero, dentro del cual se previó la existencia de otros elementos, que luego también fueron descubiertos, constituyendo este conjunto el grupo de los gases raros o gases nobles. Asimismo, se descubrieron otra serie de elementos, también inclasificables, el grupo de las «tierras raras», al que se le dio después el nombre de lantánidos, formado por 15 elementos. Se llegó así hasta 92 elementos, del 1 (hidrógeno) al 92 (uranio), todos ellos naturales, a los que posteriormente, ya muy entrado el siglo xx, se añadieron otros elementos que no se han encontrado en la naturaleza, sino que se han obtenido artificialmente en reacciones nucleares: son los elementos transuránidos, que forman parte de los actínidos. Se llegó con todo a la tabla periódica más utilizada actualmente, elaborada en 1905 por Werner, aunque con ciertos arreglos posteriores, constituida por 18 columnas y 7 líneas horizontales. Fue largo el camino el que llevó a su construcción definitiva, si bien ésta en gran parte fue debida gracias a una idea genial, la de Newlands, que sin embargo no tuvo en su momento ningún éxito, precisamente por su extrema originalidad. Por otra parte, surge el parámetro del número atómico como número de orden en la tabla periódica. Pero, ¿tenía algún significado físico?, ¿había alguna conexión entre ese número y la constitución de la materia? Para encontrar la respuesta a estas preguntas, habrá que acudir a la elaboración de las teorías sobre la estructura del átomo.
164
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
11.4. ESTRUCTURA DE LOS ÁTOMOS A finales del siglo XIX puede considerarse que la teoría atómica de Dalton había triunfado, pese a las luchas y duras polémicas sostenidas entre sus defensores y sus detractores. Pero en esas fechas aun no se sabía nada de la estructura del átomo.
11.4.1. Evidencias experimentales: partículas subatómicas Aparte de que muchos importantes científicos de la segunda mitad de ese siglo tuvieran fuertes convicciones sobre la validez de la teoría atómica —como el físico Max Planck, creador de la teoría cuántica en 1900— aparecieron algunos datos experimentales que contribuyeron firmemente a ratificarla. Tal es el caso de la comprobación del movimiento browniano de las partículas coloidales, mediante la aplicación de un nuevo tipo de microscopio —el ultramicroscopio— que permitía evidenciar ese movimiento, con lo que posteriores estudios demostraron que al estado coloidal se le podían aplicar leyes propias de los gases. Esto, a su vez, fue una concluyente prueba de la naturaleza corpuscular de la materia Ciencia y Tecnología Con el invento en 1903 del ultramicroscopio, debido Zsigmondy (Premio Nobel de Química en 1925), se muestra de nuevo las interconexiones entre la ciencia y la tecnología: ambas caminan estrechamente unidas, influyéndose mutuamente y repercutiendo, en definitiva, en la vida del hombre.
Por otra parte, gran número de científicos seguían en la línea de estudiar la electricidad, tanto en cuanto a la determinación de su naturaleza como en cuanto a analizar los múltiples fenómenos en los que, de una manera u otra, aquélla estaba implicada. Así, ya muy entrado el siglo, XIX, el físico inglés G. C. Stoney para intentar explicar los fenómenos electrolíticos propone primero, en 1874, que la electricidad sería también granular y después, ya en 1891, él mismo da el nombre de electrón a esos «granos» que constituirían la carga mínima o carga elemental de electricidad. Por otra parte, se empiezan a estudiar los fenómenos eléctricos asociados a los gases. Uno de ellos fue el estudio de su conductividad eléctrica. El también físico inglés J. J. Thomson (1856-1940) trabajando con gases a muy bajas presiones, o gases enrarecidos, a los que comunicaba una corriente eléctrica de alto voltaje, detectó un hecho experimental que resultó trascendental en el estudio de la naturaleza de la materia. Se sabía que los gases se escindían en una corriente de partículas de masa pequeñísima y de carga negativa y que eran siempre iguales, cualquiera que fuese el gas empleado, y en una corriente de partículas de masa ya considerable y prácticamente igual a la de los átomos del gas de partida, que tenían carga posi-
CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
165
tiva. La primera corriente eran los rayos catódicos (constituidos por electrones) y la segunda, los rayos positivos o rayos canales (que ya habían sido descubiertos por el físico alemán E. Goldstein, en 1886). Estudiando los rayos catódicos, Thomson consigue determinar la relación carga/masa del electrón (1897) Y es gracias a este descubrimiento cómo W. Conrad Röntgen (1845-1923, físico alemán, Premio Nobel de Física en 1901) llega, a su vez a otro descubrimiento, el de los rayos X, en 1895, obtenidos al bombardear con los rayos catódicos diversas sustancias y que aparecían en la pared opuesta al cátodo. Como Röntgen intentó por muy diversos métodos dilucidar la naturaleza de esas radiaciones y no lo consiguió, es por lo que les dio ese nombre de rayos X. Hoy en día, no obstante, se conoce que son de naturaleza ondulatoria.
El descubrimiento de estos rayos X permitió a Moseley, como ya hemos visto, evidenciar experimentalmente en 1913 el ordenamiento de los elementos en la tabla periódica (11.3.2). Volviendo a Thomson, el estudio de los otros rayos, los rayos canales o positivos, propició otros dos importantes logros: el descubrimiento del protón y el aislamiento de los isótopos. Por el conjunto de sus trabajos obtuvo el Premio Nobel de Física del año 1906. También llegó con estos rayos a determinar la masa atómica de muchos elementos. Sobre este último aspecto hay que decir que el método de Thomson fue revisado y sensiblemente mejorado por F. W. Aston, químico inglés que en 1919 ideó un aparato con el que la determinación de las masas atómicas fue mucho más precisa: se trataba del espectrógrafo de masas, que demuestra de nuevo la colaboración entre la tecnología y la ciencia. Con todo lo anterior, llegamos al momento en que se conocían dos de los integrantes de los átomos, el protón y el electrón. En cuanto a su tercer componente, el neutrón, no se descubrió hasta mucho después, por Chadwick en 1932, aunque su existencia se había intuido ya desde los tiempos de los experimentos de Thomson. Resulta sí que los átomos sí que son divisibles. No obstante, siguen siendo la última parte de la materia cuyo conjunto mantiene las características de cada elemento, con lo cual no se pierde el sentido de indivisibilidad ni de los epicúreos ni de Dalton.
11.4.2. Descubrimiento de la radiactividad Por otra parte, avanzando en el siglo XIX, justamente durante sus últimos años tiene lugar un nuevo descubrimiento, el de un fenómeno que tendrá enormes repercusiones en multitud de ámbitos científicos: el de la radiactivi-
166
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
dad. En 1896 el físico y también ingeniero de minas francés Henri Beckerel (1852-1908, Premio Nobel de Física de 1903) trabajando con sales de uranio —concretamente con cristales de sulfato de uranilo— descubrió de forma casual que emitían una radiación capaz de impresionar una placa fotográfica (radiación a la que entonces se denominó «rayos Beckerel»). Se comprobó que este hecho también ocurría en otros compuestos de uranio, por lo que se supuso que era este elemento el responsable de esas radiaciones. Estos experimentos despertaron tal interés que llevaron a otros científicos a seguir investigando en esa dirección. Es así como la científica polaca de nacimiento, María Sklodowska (1867-1934) —o María Curie por su matrimonio con el ilustre físico francés Pierre Curie—, que comenzó siendo discípula de Beckerel, en 1898 descubrió junto con su marido que la emisión de ese tipo de radiaciones tenía también lugar en otro elemento, el torio. Ellos son los que dan a estos fenómenos el nombre de radioactividad, deduciendo que se trata de una propiedad atómica. Continuando en esta investigación, trabajan con pechblendas (minerales de óxido de uranio) y descubren dos nuevos elementos, el polonio y el radio. Con Beckerel reciben el Premio Nobel de Física en 1903 y, además, María vuelve a recibir un Premio Nobel en 1911, en este caso de Química (tercer caso, hasta el momento, de este doble Premio Nobel en ciencias en una sola persona). A pesar de estos enormes éxitos científicos fue rechazada su nominación a la Academia de Ciencias sa, simplemente por ser mujer. Se sigue aumentando la lista de los elementos radiactivos (radon, actinio...) y se consigue determinar la naturaleza compleja de esas radiaciones radioactivas, que en realidad son de tres tipos (rayos α, rayos β y rayos γ). Ilustres hombres de ciencia comienzan a investigar en fenómenos radioactivos. Tal es el caso de Ernest Rutherford (1871-1937), famoso científico inglés —nacido en Nueva Zelanda— que por sus méritos obtuvo el Premio Nobel de Química en 1908 y también obtuvo el título de «lord», y que trabajó intensamente en este nuevo campo de la ciencia, la física y la química nuclear, de las que es considerado como el fundador. Muchos son los grandes logros que obtuvo en sus investigaciones. Tal es su propuesta de la existencia en los átomos de un núcleo, volumen de espacio muy pequeño donde se concentraba prácticamente toda su masa y con electricidad de carga positiva. O su descubrimiento, junto al notable químico inglés Frederick Soddy (1877-1956, Premio Nobel de Química de 1921) de que el radon se transforma en helio en los fenómenos radiactivos. Se cumple así el viejo sueño de los alquimistas: la transmutación El átomo ya no es indivisible y tampoco es inmutable, puesto que se puede transformar en otros átomos distintos mediante una reacción nuclear.
CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
167
Además, cuando esto ocurre tiene lugar una pérdida de masa que se traduce en la liberación de una gran cantidad de energía en forma de radiaciones. Aquí es donde entra Einstein y su teoría de la relatividad (1905) para explicar esa relación masa/energía. ¿Significa todo esto que hay que olvidar la ley de conservación de la masa de ReyLavoisier, con la que se inaugura esa nueva era de la química como ciencia? La respuesta es no, porque la energía implicada en las reacciones químicas ordinarias (es decir, no nucleares) es tan pequeña que correspondería a una cantidad de masa ínfima que no podría ni siquiera detectarse.
Por otra parte, Soddy también descubre la existencia de isótopos, detectados por primera vez en algunos elementos radiactivos, y Thomson y Aston lo ratifican, logrando aislar un isotopo del neon.
11.4.3. Las aportaciones teóricas: modelos atómicos Con todo lo anterior se tenían suficientes evidencias experimentales para poder intentar dar una interpretación de cómo estarían dispuestas esas partículas en el átomo. Es decir, para construir un modelo. El primero fue el de Thomson (1904), muy simple. Para él el átomo consistiría en una esfera de carga positiva en cuyo interior estarían unos gránulos de carga negativa, los electrones. Pero evidentemente, no conseguía dar explicación a los fenómenos relacionados con la naturaleza atómica que se iban descubriendo. Por ello, Rutherford en 1911 propone otro nuevo modelo: el átomo sería una especie de sistema planetario en pequeño, en el que alrededor del núcleo girarían los electrones en unas órbitas. No obstante, este modelo estaba en completa contradicción con las leyes electromagnéticas, pues el electrón terminaría por precipitarse sobre el núcleo. Por ello, poco después, en 1913, surgirá otro modelo atómico con el que se consiguieron explicar numerosos hechos experimentales. Se trata del modelo atómico propuesto por el físico danés Niels Bohr (1885-1962 ), en el que combina la idea del modelo de Rutherford con la teoría cuántica de Planck (teoría por la que éste último obtuvo el Premio Nobel de Física en 1918 y a la que también acudió Einstein para explicar el fenómeno fotoeléctrico descubierto por él y por lo que a su vez recibió el Premio Nobel de Física en 1921). Bohr introduce una serie de postulados para justificar la existencia de unas órbitas que serían estacionarias y para determinar cuándo se produciría en un átomo una absorción o una emisión de energía. Con este modelo se consiguieron calcular con una gran concordancia las rayas del espectro del hidrógeno y determinar de forma teórica la constante de Rydberg, obtenida empíricamente por Balmer, por lo cual fue un gran éxito (por ello, es por el que Bohr, uno de los fundadores de la física moderna, recibió el Premio Nobel de Física en 1922).
168
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
No obstante, a medida que se iba avanzando en las técnicas espectroscópicas (se tratarán en el Tema 13) se obtenían espectros con una mayor resolución, con lo que no todas las rayas que aparecían podían interpretarse con ese modelo atómico. Es decir, era una teoría que se iba quedando insuficiente. Por ello se le fueron introduciendo ciertas modificaciones para perfeccionarla. En este sentido, Sommerfeld consideró que las órbitas de los electrones además de ser circulares podían ser elípticas. También se tuvo en cuenta que podían tener distinta orientación en el espacio. Resultó así un modelo que aunque muy parecido al anterior podía interpretar esos nuevos hechos experimentales suministrados por los espectros atómicos: es el llamado modelo de Bohr-Sommerfeld (1916). Y Pauli y Zeemann continuaron en este sentido. Pero, a la larga, resultó que era un modelo que fallaba al tratar de aplicarse átomos con más electrones.
11.5. LA MECÁNICA CUÁNTICA Este capítulo de la ciencia sobre la estructura de la materia, cada vez más en manos de los físicos, recibió una aportación fundamental de las teorías físicas y de las matemáticas. Así, el paso decisivo en este sentido tiene lugar con el físico francés Louis de Brooglie, quien en 1924 introduce los principios de la mecánica ondulatoria en el concepto y propiedades del electrón: lanza la hipótesis de que los electrones en movimiento, como cualquier otra partícula, llevarían asociada una onda cuya longitud de onda dependería de su velocidad y de su masa. Con ello supone al electrón dotado de una naturaleza dual, como partícula y como onda. Por otra parte, el principio de incertidumbre expresado por el físico alemán W. Heisenberg en 1927, lanza la idea de sustituir la exactitud en el conocimiento de la posición o de la velocidad del electrón por la noción de probabilidad. Y en 1926 el físico suizo Schrödinger realiza un complejo desarrollo matemático mediante el cual consigue establecer una relación entre la amplitud de las ondas de de Brooglie y la densidad electrónica en cualquier punto del espacio atómico. Obtiene así una función de onda relativa a un electrón, función de onda que sería el orbital atómico, concepto que sustituye al de órbita del modelo atómico de Bohr. Se crea así, mediante la mecánica cuántica o mecánica ondulatoria, un nuevo modelo atómico, el modelo mecano-cuántico, al que sucesivamente importantes físicos (como Dirac, Born, Pauli, Einstein, Hund, Franck, Pauling...) irán introduciendo matizaciones para perfeccionarlo.
11.6. ENLACES QUÍMICOS Para conocer y comprender la naturaleza de la materia no sólo era necesario averiguar cuál era la estructura del átomo aislado, sino cómo se unía a
CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
169
otros átomos. De esta manera se podrían comprender mejor las reacciones de unos con otros, cómo ocurrían esas reacciones y por qué unas tenían lugar y otras no. Es decir, en el fondo todos estos aspectos implicaban el eterno problema de la afinidad química, como clave necesaria para descifrarla. El descubrimiento de la naturaleza eléctrica de la materia arrojó una luz fundamental sobre el concepto del enlace químico. Así, Berzelius fue el primero, en 1812, en dar una explicación a esta cuestión, en cierta medida con un sentido ya «moderno»: sugiere que los átomos se combinarían entre sí obedeciendo a una atracción de tipo eléctrico. Es la llamada teoría dualista del enlace y si bien esta explicación resultaba válida en principio para los compuestos del mundo mineral, no fue lo mismo cuando se intentó aplicar a los compuestos orgánicos (según se discutirá en el Tema 12). Para este tipo de compuestos introducen Frankland y Kekulé, a partir de 1850, el concepto de valencia que, más que dar una explicación al cómo y porqué se unen los átomos en un compuesto orgánico, atiende más a hacer «referencia» a una fuerza interatómica que implica un número relacionado con la cantidad de enlaces por los que un átomo podía unirse a otros. Pero para hacer aun más difícil esta situación, a finales del siglo XIX el químico alsaciano Alfred Werner (1857-1935) descubre un nuevo tipo de compuestos de constitución bastante complicada, por lo que les llamó «complejos» (1892). En ellos intervenía generalmente un metal de transición, asociado a moléculas saturadas y sus fórmulas empíricas resultaban bastante extrañas, puesto que el número de enlaces formados era superior al esperado según las consideraciones ordinarias sobre la valencia. Werner (Premio Nobel de Química en 1913) propone para explicarlo una teoría de la coordinación, según la cual las moléculas neutras se unirían al metal central mediante unas valencias que denominó «valencias residuales»(de ello se volverá a tratar en el Tema 13). Entramos así en el siglo XX con una considerable confusión acerca de los enlaces químicos. Pero, una vez descubierto electrón por Thompson como acabamos de ver, se abre el camino para la teoría electrónica del enlace. Siguiendo con la teoría de atracción electrostática de Berzelius, se van haciendo importantes matizaciones. Así, se sugiere una teoría de la electrovalencia, según la cual muchos elementos podrían tener a la vez una valencia positiva y otra negativa, cuya suma sería ocho (Richard Abegg, 1904). Otra importante idea fue la de Drude, de que una valencia positiva vendría dada por el número de electrones que un átomo podría ceder, mientras que una negativa, por los electrones que un átomo podría tomar. Ramsay (Premio Nobel de Química en 1904), el descubridor de los gases nobles, en 1908 propone que los electrones de valencia de los átomos enlazados serían los que intervienen en esa unión. Y así, avanzando en este sentido el químico alemán Walter Kossel propone en 1916 un modelo de enlace químico: los compuestos iónicos estarían formados por iones de carga opuesta, integrados en un retículo cristalino. Los iones tendrían una configuración electrónica externa con 8 o con 18 electrones, es decir, como la de los gases nobles. Entre esos iones, que estarían constituidos por átomos o
170
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
por agrupaciones de átomos, habría pues una atracción de tipo electrostático, ya que su carga es opuesta. Este tipo de enlace, enlace iónico, aunque de significado muy claro y sencillo, tenía una evidente limitación, la de ser sólo válido para compuestos de tipo iónico, pero no para moléculas discretas ni para compuestos orgánicos. A pesar de ciertas mejoras que se introdujeron al modelo de enlace de Kossel para tratar de hacerlo extensivo a compuestos no iónicos, no pudo conseguirse. En el mismo año que Kossel, 1916, el físico norteamericano Gilbert N. Lewis (1875-1946) propone otro modelo de enlace para los compuesto no iónicos: el enlace resultaría de la compartición de dos electrones entre los dos átomos enlazados, proviniendo cada electrón de cada uno de esos átomos. Ese par de electrones pertenecería a los dos átomos y describiría una trayectoria común a ambos, con lo cual llegarían a poseer un octete electrónico, como los gases nobles. Esta es la teoría del enlace covalente, que después fue extendida por Langmuir (Irving Langmuir, químico norteamericano, Premio Nobel de Química en 1932). También se itió que el par de electrones podría provenir de un solo átomo, dando lugar a un enlace covalente coordinado, lo cual proporcionó una brillante explicación a los compuestos complejos de Werner. Esos dos tipos de enlace, el iónico y el covalente, son dos modelos límites, habiendo entre ambos una gradación de casos intermedios. Esto fue estudiado por Kasimir Fajans (químico físico polaco) y por Linus C. Pauling (químico físico norteamericano, Premio Nobel de Química en 1954), proporcionando éste último un método para calcular el porcentaje de enlace iónico. De forma similar a lo ocurrido con el modelo atómico, la mecánica cuántica se aplicó también a la interpretación del enlace covalente, sustituyendo la idea de pares de electrones localizados por zonas de una densidad electrónica definidas por una función de onda. La sencilla teoría de Lewis y Langmuir fue retomada en 1930 por Walter Heitler (1904-1981) —físico alemán, discípulo de Sommerfeld— y por Fritz London (1900-1954) —filósofo suizo, estudioso de la mecánica cuántica— y le aplicaron los nuevos conceptos mecano-cuánticos utilizando el método del enlace de valencia. Posteriormente, John Slater y, sobre todo, Pauling —con su tratado La naturaleza del enlace químico— mejoraron y difundieron esta teoría. También mediante ella consigue Erich Hückel (1896-1980) dar una explicación a los enlaces múltiples. Se interpreta también la geometría molecular con diversas teorías, como la de hibridación de orbitales. O la de la repulsión de los pares electrónicos de Ronald Gillespie y del químico australiano Ronald Nyholm (1917-1971). Por otra parte, en 1932 se aplica al enlace covalente un método mecanocuántico diferente, como alternativa para combinar las funciones de onda, el de los orbitales moleculares, que fue desarrollado por dos espectroscopistas, el químico norteamericano Robert S. Mulliken y el físico alemán Friedrich Hund, así como por el químico teórico inglés John Lennard-Jones. Había que dar interpretación también a otro tipo de fuerzas del interior de la materia: las fuerzas que justifican los estados de agregación de la mate-
CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
171
ria sólido y líquido y responsables de que los gases reales no cumplan exactamente las leyes de los perfectos (vea la sección 11.2). Son las llamadas fuerzas de van der Waals, que mantienen cohesionados no ya a átomos individuales, sino a moléculas. El físico alemán Peter Debye (Premio Nobel de Química en 1936) las estudia en 1920, desarrollando una teoría en virtud de la cual un tipo de esas fuerzas sería debido a interacciones entre dipolos permanentes o inducidos de las moléculas. Después, en 1930, London continúa ese estudio desde una perspectiva mecano-cuántica, demostrando la existencia de unas fuerzas llamadas de dispersión, debidas a dipolos intantáneos. Una larga lista de autores y de nuevas cuestiones podrían irse añadiendo a lo aquí expuesto. Pero sólo se han tratado de recoger los aspectos fundamentales que más han contribuido a esclarecer la estructura de la materia.
11. 7. REFLEXIONES FINALES La existencia del átomo, que tantas resistencias encontró entre los químicos a principios y durante el siglo XIX, a sus finales va a estar ya totalmente aceptada. Ya no hay un átomo para los físicos y otro para los químicos, sino que es uno sólo el que resulta válido para ambos en cuanto a que con él se pueden interpretar las propiedades de la materia. Los físicos y los químicos caminan juntos para esclarecer el misterio sobre la naturaleza de la materia, si bien los primeros toman las riendas de esta tarea. Por otra parte, se abre otro campo de la química, el de la radioquímica. A partir de su investigación no sólo se consiguen importantes avances en el conocimiento de la estructura atómica, sino que también se crean nuevas rutas de interesantísimas aplicaciones prácticas.
Tema 12 RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA ESQUEMA DE CONTENIDOS 12.1. INTRODUCCIÓN 12.2. QUÍMICA ORGÁNICA «PRIMITIVA» 12.3. NECESIDAD DE UNA CLASIFICACIÓN 12.3.1. Clasificación por radicales 12.3.2. Clasificación por tipos 12.4. QUÍMICA ORGÁNICA ESTRUCTURAL 12.4.1. 12.4.2. 12.4.3. 12.4.4.
Soporte experimental El mundo de las ideas Kekulé y la química estructural La estereoquímica
12.5. SÍNTESIS ORGÁNICA 12.6. AUGE DE LA QUÍMICA ORGÁNICA; SU PRESENTE Y SU FUTURO 12.7. REFLEXIONES FINALES
August Kekulé
12.1. INTRODUCCIÓN Desde los primeros tiempos de la actividad química se conocían muchos compuestos de origen y características muy diferentes a los del mundo mineral. Se trataba de compuestos que provenían de animales o vegetales y que después se les denominó «orgánicos», precisamente por tener su origen en seres organizados. Por esta razón la química se divide en Inorgánica y en Orgánica ya a finales del siglo XVIII, en 1771, con Bergmann. Y se les separó porque se pensaba que las reglas que regían los «cuerpos» orgánicos eran muy diferentes de las de los inorgánicos. Se creía que en los primeros se requería una fuerza vital para formarlos, fuerza que sólo existiría en los seres vivos. Por otra parte, también en esa época el farmacéutico y químico sueco Carl W. Scheele (1742-1786) y, aun antes, Jean Rudolf Glauber (1604-1670) habían realizado una importante labor experimental con compuestos orgánicos, aislando y descubriendo muchos de ellos. Lavoisier en sus meticulosos trabajos cuantitativos había detectado la composición de muchos compuestos orgánicos, en la que siempre estaba presente el carbono, además de hidrógeno y, muy frecuentemente, oxígeno, nitrógeno y algunos otros elementos (1784). Esto llevó a Leopold Gmelin (1788-1876) a definir los compuestos orgánicos como compuestos del carbono, mientras que la química inorgánica abarcaría los demás elementos y sus combinaciones (1847). Y hoy en día esta separación sigue existiendo, pues a pesar de que gran parte de las razones iniciales para crearla han desaparecido y su diferenciación no es ya tan nítida —por ejemplo, muchos compuestos orgánicos pueden prepararse partiendo de los inorgánicos y hay compuestos de carbono que no tienen las propiedades de los orgánicos— sigue manteniéndose en aras de su mayor utilidad para clasificar sus compuestos y sistematizar su estudio e investigación. Aunque en tiempos de Lemery los compuestos orgánicos que se conocían eran bastante pocos, ese número fue aumentando. Al comenzar el siglo los
176
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
químicos se encuentran ante unos compuestos de los que conocen muy poco, que es necesario analizar para determinar sus propiedades y reacciones. Por ello, los grandes químicos de esa época van a estudiar, de una manera u otra y en mayor o menor grado, los compuestos orgánicos. El descubrimiento de muchas propiedades de los compuestos orgánicos y de sus métodos de síntesis, así como su sistematización, comienzan en la primera mitad del siglo XIX, mientras que las bases de la química orgánica en cuanto a la construcción de su armazón teórico se asientan a lo largo de la segunda mitad. Y su desarrollo, casi como una «explosión», tendrá también lugar en esa segunda mitad, continuando a un ritmo vertiginoso hasta nuestros días.
12.2. QUÍMICA ORGÁNICA «PRIMITIVA» Los orígenes de la experimentación en química orgánica son muy antiguos y pueden situarse en los trabajos con colorantes y tintes de origen animal o vegetal, en procesos de fermentación de azúcares y de almidón para obtener alcohol, en la fabricación de jabón a partir de grasas, etc. No obstante, no se conocían demasiados compuestos orgánicos. Tras los trabajos de químicos como Scheele, Bergmann o del mismo Lavoisier, la figura del industrial y también químico Michel-Eugène Chevreul (1786-1889) da un impulso a la química orgánica, pues aunque muchos científicos habían tocado más o menos profundamente aspectos relacionados con ella —como el mismo Mitscherlich con sus estudios sobre azúcares, como puede revisar en el Tema 9— no se la habían tomado muy en serio. El mismo Chevreul trabaja en el análisis orgánico, sobre todo el de grasas animales, e identifica así sus componentes, glicerina y ácidos grasos, dando lugar sus resultados a un hecho de gran trascendencia en la vida común: la sustitución de las antiguas candelas por las velas como solución a los problemas de alumbrado. En 1823 y en 1824 publica dos importantes textos, que recogen gran parte de su amplia labor de investigación. Como los compuestos orgánicos procedían de organismos dotados de vida, se suponía que para su síntesis era necesaria una «fuerza vital» que sólo podría ser proporcionada por aquéllos. La idea del vitalismo era muy antigua —ya en tiempos de Stahl se hablaba de un «agente vital»— y estaba tan arraigada que científicos de la talla de Berzelius estaban fuertemente convencidos de ella. Y a pesar de que Friedrich Wöhler (1800-1882), con su síntesis de la urea a partir tan sólo de sustancias inorgánicas (1828) dio al traste con ese principio, no se abandonó totalmente hasta mediados de ese siglo, con los trabajos de síntesis de Kolbe y de Berthelot. Hasta ese descubrimiento de Wöhler podría hablarse de una química orgánica primitiva. A partir de ahí empiezan a proliferar los trabajos con esas sustancias a fin de averiguar su constitución y tratar de buscar unas relaciones entre ésta y sus propiedades. Pero para ello, era necesario empezar por
RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
177
ordenar esos compuestos, es decir, conseguir un método de clasificación más o menos coherente.
12.3. NECESIDAD DE UNA CLASIFICACIÓN En un principio se intentaron clasificar los compuestos orgánicos definiéndolos en función de su procedencia y de determinados caracteres. Así, Lemery, en su Cours de Chimie (revise el Tema 5) fue uno de los primeros en intentar clasificar esos compuestos, de los que entonces se conocían más bien pocos, apuntando la diferencia entre las sustancias minerales, animales y vegetales (1675). Pero posteriormente, ya a principios del siglo XIX —el gran siglo de la química— y muy especialmente entre 1820 y 1840, la cantidad de compuestos orgánicos surgidos de forma natural o de forma sintética crece extraordinariamente. Este número tan elevado de sustancias orgánicas llevó a muchos científicos de esa época a sentirse en cierto modo perdidos, expresando esa sensación con frecuentes metáforas, tales como un laberinto para Laurent, un bosque espeso o una selva tropical para Wöhler o también para este y Liebig sombríos dominios de la naturaleza. Ésta fue una de las razones primordiales de que los químicos intentasen realizar una clasificación desde una nueva perspectiva, para agruparlos no ya en función de su origen, sino con un criterio químico basado sobre todo en el conocimiento de las posibles transformaciones de unos compuestos orgánicos en otros.
12.3.1. Clasificación por radicales El primero en realizar una clasificación con un criterio ya científico fue el «universal» Berzelius. Como no era tan fácil separar la química orgánica de la inorgánica, al menos mentalmente, comenzó buscando una similitud entre ambas: los cuerpos orgánicos obedecerían las mismas leyes que los inorgánicos, de acuerdo su teoría electroquímica (puede revisarla en el Tema 11) y les aplicó unos principios «dualistas», según los cuales todo compuesto orgánico estaría constituido por oxígeno combinado a un radical. Partió Berzelius de la hipótesis de que los radicales preexistirían en determinados compuestos. Así lo presentó en su Ensayo sobre la teoría de las proporciones químicas (1819). Sin embargo, el término radical no era nuevo, puesto que ya había sido utilizado por Guyton de Morveau y por Lavoisier para referirse a la parte de una sustancia que se mantiene íntegra a través de sus reacciones. Y este hecho, efectivamente, fue comprobado en muchos experimentos: por ejemplo, se descubrió el llamado radical benzoilo cuando Liebig y Wöhler trabajaron en 1832 con aceite de almendras amargas (es decir, básicamente benzaldehido). De la misma manera, Bunsen, Dumas y otros investigadores fueron incorporando nuevos radicales, más o menos complejos, a los ya conocidos (el metilo, el eterino o el cacodilo).
178
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
No obstante, pronto empezaron a aparecer problemas en esta teoría. En primer lugar, muchos eran debidos a diferencias en la valoración de los pesos atómicos por parte de los distintos investigadores, por lo que no coincidían los datos suministrados por sus cálculos. Pero además surgieron ciertos hechos que dieron lugar a la percepción de un fenómeno que marcó uno de los momentos más importantes en la historia de la química orgánica. Y comenzó de esta manera: Liebig, durante su estancia en París como alumno de Gay-Lussac para aprender sus técnicas analíticas, analizó el explosivo fulminato de plata. Por otra parte, Wöhler trabajaba sobre el cianato de plata en los laboratorios de Berzelius en Estocolmo Y en los dos casos los análisis daban el mismo resultado. Tras una larga polémica entre Liebig y Wöhler —que terminó en una estrecha amistad entre ambos científicos y en una fructífera colaboración— llegaron a la conclusión, en 1826, de que esos dos compuestos tenían una composición idéntica. Esto llevó a pensar a Gay-Lussac y Chevreul que radicales iguales pudieran tener ordenamientos internos diferentes. Pero, sobre todo, dio lugar a que Berzelius desarrollase en 1831 la idea del isomería, nombre también dado por él a este concepto y que explicaba, en parte, la gran cantidad de compuestos orgánicos en comparación con los inorgánicos. Además apuntaba hacia otra idea fundamental, la de la importancia de la constitución, de la que dependerían en último término las propiedades químicas. Poco a poco van apareciendo evidencias que contradicen la teoría electrostática de Berzelius para los compuestos orgánicos. Por ejemplo, el ilustre químico francés Jean Baptiste Dumas (1800-1884), trabajando sobre las velas de alumbrado —que se blanqueaban con cloruros— comenzó una investigación sobre la reacción del cloro con los ácidos grasos. C/T/S De nuevo los problemas de alumbrado, en Lavoisier, en Chevreul, en Dumas... problemas de la vida cotidiana que motivaron investigaciones que, a la larga, dieron paso a importantes avances en la ciencia.
En uno de sus experimentos observó que en el cloroformo el átomo de hidrógeno podía ser sustituido por un halógeno. Por otra parte, la existencia del ácido tricloroacético era otra prueba de ello. Esto llevó a que un brillante alumno de Dumas, Laurent, afirmase categóricamente que se trataba de un proceso de sustitución de un hidrógeno, electropositivo, por un cloro, electronegativo. Se crea así la teoría de las sustituciones, de la que el autor es, en realidad, Laurent, aunque Dumas en cierto modo la tomase como suya. Esta teoría, evidentemente, suponía un claro ataque a la clasificación por radicales de Berzelius. Y así comenzó otra fuerte polémica en la que se vieron implicados Berzelius, Dumas y Laurent, que en definitiva condujo al establecimiento del otro método de clasificación, el de los tipos.
RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
179
Polémicas y disputas....tan frecuentes en la historia de la química y que, en última instancia, produjeron debates fructíferos para el progreso de la ciencia.
12.3.2. Clasificación por tipos Se basa en un concepto totalmente distinto al de Berzelius. Fue desarrollada en un principio por Dumas, que introdujo la idea de realizar una clasificación de los compuestos orgánicos según lo que él llamó tipos químicos, es decir, moléculas que compartían las mismas propiedades fundamentales y que daban lugar a las mismas o muy parecidas reacciones. Pero, ¿cuáles eran esas propiedades fundamentales? El camino para llevar a cabo una clasificación más consecuente era largo y necesitó la intervención de otros dos químicos ses, cuya amistad y colaboración fue, tal vez, una de las más productivas en la química. Se trata de Auguste Laurent (1808-53) y de Charles Gerhardt (181656). Ambos tienen muchos puntos en común, pero también personalidades muy diferentes aunque en cierto modo complementarias. Los dos son discípulos de Dumas, los dos investigan en los laboratorios de Liebig en Giessen y los dos mueren bastantes jóvenes. Tienen una personalidad bastante compleja, si bien Gerhardt era mucho más agresivo e impetuoso. Laurent, por su parte, era más irritable, imaginativo y de temperamento más artístico, casi un romántico y un bohemio de la química, que muchas veces no dudó en sacrificar su propio bienestar material por poder continuar con su verdadera pasión, la investigación química. Sin embargo, los dos se complementan en sus ideas y aspiraciones. Juntos trabajan, piensan, deducen. Juntos también van a fundar la prestigiosa revista Comptes rendues des travaux chimiques, que continúa hoy en día. El trabajo de ambos resultó una verdadera colaboración, en la que las ideas de uno enriquecían las del otro, dando lugar a algunas aportaciones geniales para la química orgánica y para toda la química. Tal es el caso de la clarificación de los conceptos de átomo, equivalente y molécula, que también contribuyó a la unificación del valor de los pesos moleculares. Esto se debió a Laurent principalmente, lo mismo que la teoría del núcleo —expuesta en su tesis doctoral— y que con el tiempo serviría de punto de partida para la idea de la cadena de carbono de los compuestos orgánicos. En cuanto a Gerhardt es, en realidad, el verdadero creador de la teoría de los tipos, que proporcionó un método de clasificación mucho más racional que el de Berzelius y que fue sumamente útil en su tiempo. itió así cuatro tipos: el del hidrógeno H-H; el del cloruro de hidrógeno H-Cl; el del agua HOH, y el del amoniaco H-NH2. Así, sustituyendo los átomos de hidrógeno por radicales se obtendrían distintos tipos de compuestos orgánicos. Y si se unían entre sí los diferentes tipos daban «tipos mixtos», aumentando las posibilidades de nuevos compuestos. Después, cuando se descubrieron los mercaptanos, introdujo el tipo H-SH.
180
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Por otra parte, a Gerhardt también se debe la noción de serie homóloga, desarrollada entre 1842 y 1845, que implicaba la variación regular de las propiedades físicas en compuestos de propiedades químicas muy similares, es decir, pertenecientes al mismo tipo. Numerosos experimentos que trataban de estudiar las propiedades químicas de muchas sustancias orgánicas, reforzaron la teoría de los tipos de Gerhardt. Así, su amigo y también alumno de Dumas, Adolph Wurtz (181784), descubrió las alquilaminas al estudiar la hidrólisis de los esteres ciánicos. Y, hacia 1850, el químico alemán August Wilhelm Hofmann (18181892) con sus estudios sobre obtención de aminas logró dar un claro apoyo al tipo del «amoniaco» (síntesis de aminas de Hofmann). O también el inglés Alexander Williamson (1824-1904) proporcionó una evidencia al tipo del «agua», al conseguir tras sus ensayos con alcoholes su famosa síntesis de éteres, también en 1850 (síntesis de Williamson). Tanto Laurent como Gerhardt contribuyeron a reforzar la teoría del atomismo —contra las ideas del que fuera su maestro, Dumas, enérgico equivalentista, y de tantos otros— y a que surgiera la noción de valencia, establecida por Frankland, como veremos después.
12.4. QUÍMICA ORGÁNICA ESTRUCTURAL Una vez llevados a cabo estos intentos de clasificación de los compuestos orgánicos, desarrollados a lo largo de la primera mitad del siglo XIX, los químicos comenzaron a cuestionarse los mecanismos de formación de esos compuestos. Pero para ello hacía falta en principio conocer a fondo su composición y cómo estaban unidos entre sí sus elementos integrantes. Es decir, se inició la química estructural. Si bien en el primer aspecto, en el de la creación de una taxonomía orgánica, destacaron en gran manera los químicos ses, como se ha expuesto, en este segundo aspecto, el de la química estructural, la tarea va a estar más repartida: alemanes como Kekulé, Erlenmeyer, Kolbe, Meyer o Baeyer, ses como Berthelot o Wurtz, o el mismo Cannizzaro, italiano, entre otros muchos. Todos ellos en su conjunto, con sus experimentos y sus ideas, impulsarán la creación del armazón teórico de la química orgánica.
12.4.1. Soporte experimental Ante todo debe tenerse en cuenta que para caracterizar cualquier compuesto es necesario conseguirlo en estado de pureza. Y esto era en extremo difícil para los compuestos orgánicos, bien hubieran sido aislados de productos naturales al principio, bien hubieran sido sintetizados, puesto que siempre se obtenían mezclados con otros y con gran cantidad de impurezas. Esta fue una de las mayores y primeras dificultades en la sistematización de la química orgánica; es decir, el paso previo necesario era aislar los compuestos puros para así poder determinar sus características físicas (peso atómico, puntos de fusión y de ebullición, etc.) y también las químicas.
RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
181
Este logro fue debido en una enorme parte a Liebig. Justus von Liebig (1803-73) nació en Darmstad (Alemania) en una época de empobrecimiento general tras las guerras napoleónicas, que también afectó a su familia, comerciantes en droguería. Por ello tuvo pronto que abandonar sus primeros estudios, aunque después, gracias en gran parte a su gran inteligencia, pudo ir realizando sus estudios de química en varias universidades alemanas. Muy joven, a sus 19 años tan sólo (1822), obtiene una beca en París donde fue alumno de Gay-Lussac y de Thenard (Louis Jacques Thenard, 1777-1857). Como ya hemos visto son sus años del «fulminato de plata» y de su relación con Wöhler. Regresa a Alemania en 1824, a la Universidad de Giessen, donde le habían concedido un puesto académico, teniendo que impartir clases de química en la universidad. Paralelamente, creó un instituto privado de farmacia para formar a los boticarios estatales. Se encontraba en un momento en que la química era considerada por el gobierno de gran interés y utilidad para la economía social, siguiendo el antiguo criterio del cameralismo alemán (vea el Tema 14). Esto permitió a Liebig crear en Giessen unos laboratorios donde enseñó la química práctica a todos sus alumnos, ya que el estado le concedió una ayuda financiera, aunque no muy grande, que él mismo incrementaba con su propio sueldo y con el dinero obtenido de sus alumnos privados. Con el tiempo sus clases prácticas llegaron a tener tal fama a nivel nacional e internacional, que acudieron a ellos alumnos de todas partes. Además, constituyeron un verdadero modelo y ejemplo que terminó por imponerse en otros países, con lo cual en algunos los gobiernos comenzaron a dar apoyo económico a los estudios de química. Se dedicó a la investigación orgánica y, dentro de ella al análisis orgánico. Fundó la revista Annalen der Chemie und Pharmacie, que pronto adquirió una reputación internacional por el sentido crítico y rigor científico cuando emitía sus juicios sobre las revisiones científicas de las memorias que examinaba. Pero la influencia de Liebig no termina aquí. Desde un punto de vista estrictamente científico desarrolla el análisis elemental cuantitativo (1831), aporta numerosas e importantes innovaciones técnicas para el trabajo de laboratorio y, sobre todo, crea en los químicos la conciencia de la necesidad del análisis y del establecimiento de unos criterios de pureza. Por otra parte, cada vez es mayor el número de químicos que van prestando atención a la síntesis orgánica. Ésta, iniciada con la famosa síntesis de la urea, fue definida por el químico alemán Hermann Kolbe (1818-1884) como la preparación de compuestos orgánicos a partir de sus últimos elementos.
12.4.2. El mundo de las ideas Era importante, pues, conocer cómo se unían los átomos en esas moléculas, cómo estaban constituidos los compuestos orgánicos, aparentemente tan distintos de los del mundo mineral. Con este fin muchos fueron los intentos de romper esas moléculas para analizar sus constituyentes: unas veces mediante
182
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
la corriente eléctrica, caso de Kolbe; otras, por acción de ciertos metales, como el cinc, caso de Frankland. Este último, Edward Frankland (1852-1899), químico inglés gran amigo de Kolbe, que estudió en el laboratorio de Bunsen y fiel adicto a la teoría de los radicales de Berzelius, se decantó firmemente por la química orgánica a partir de 1840. Sus numerosos experimentos con compuestos orgánicos conteniendo nitrógeno, fósforo, arsénico y antimonio le llevaron a una observación que expresó como que la capacidad de combinación de un elemento... siempre quedaba satisfecha por el mismo número de átomos. Lo cual, a su vez, le condujo a una idea genial, que contribuyó enormemente al esclarecimiento de las moléculas orgánicas: la noción de valencia. Sin embargo, será a Kekulé, defensor al contrario de Frankland de la teoría de los tipos, a quien corresponda el desarrollo de esa idea de la valencia en su sentido práctico, para explicar la manera en que los átomos se unen en esas moléculas orgánicas.
12.4.3. Kekulé y la química estructural August Kekulé von Stradonitz (1829-1896) estudió con los más famosos científicos de su época: con Liebig, por cuya influencia se dedicó a la química, con Dumas o con Gerdhardt, del que también era amigo. Sin embargo, su primera vocación no fue la química, sino la arquitectura. Y, curiosamente, ésta última tal vez haya marcado parte de sus aportaciones geniales en aquélla: al fin y al cabo interpretó la «arquitectura molecular», por la que siempre se sintió atraído hasta casi llegar a ser una obsesión. Y hasta tal punto que sus mejores ideas se le revelaron en forma de sueños, como él mismo confiesa. Y es así como se le aparecieron imágenes semiinconscientes de líneas de átomos encadenados unos con otros. Éste es el camino por el que llegó a proponer —o al menos, como él mismo nos relata— las «fórmulas desarrolladas» para los compuestos orgánicos, en las que esas cadenas quedaban representadas, permitiendo una mejor visualización de su estructura. También llegó a la conclusión de la tetravalencia del carbono (1857), aunque ya Kolbe en cierto modo había tenido también esa idea. Por otra parte, Archibald Couper (1831-1892), un escocés alumno de Wurtz, de forma simultánea aunque independientemente de Kekule, sostuvo ambas teorías: la de la tetravalencia del carbono y la de sus cadenas. En cuanto al tema de las cuatro valencias del carbono, fueron muy importantes las ideas de doble enlace y triple enlace debidas a Loschmidt para interpretar los análisis cuantitativos de las olefinas y del acetileno, respectivamente y que fueron utilizados por Kekulé y Erlenmeyer en la década de 1860. Otros investigadores contribuyeron al conocimiento de las estructuras orgánicas, como el ruso A. Butlerow (1828-1886), amigo de Couper, con sus estudios sobre isómeros. No obstante, el problema por el que Kekulé sea tal vez más recordado en la historia de la química sea el de la estructura del benceno, que por tanto
RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
183
tiempo representó un verdadero misterio para los químicos. Kekulé lo resolvió en 1865 al proponer para su estructura un modelo cíclico hexagonal, con un núcleo pues de seis carbonos, en el que tres enlaces dobles se alternaban con tres simples (1865). Al comprobar el isomerismo posicional de ese ciclo, otros químicos, como Meyer, Baeyer, Clauss, Körner o Ladenburg, propusieron fórmulas alternativas para el benceno, aunque casi todas muy parecidas a la de Kekulé. Y éste, en 1872, propuso como hipótesis la existencia de un equilibrio dinámico —de acuerdo con las ideas de Wurtz sobre la dinámica del cambio químico— entre las dos posibles formas de benceno con estructura de dobles enlaces alternados (idea ésta de un equilibrio químico que después fue desplazada por la teoría de la resonancia):
Todas estas propuestas de Kekulé tuvieron un éxito tan rotundo que fueron aceptadas prácticamente por todos los químicos de esos tiempos. Con excepción de Kolbe, oposición que duró hasta la muerte de éste. Así, pues, venció la química estructural, de la que se dice con toda justicia que Kekulé fue el fundador.
12.4.4. La estereoquímica Las fórmulas estructurales propuestas por Kekulé se situaban en el plano. No obstante, ciertas evidencias experimentales demostraron la necesidad de afinar más en el estudio de la arquitectura molecular. Y esas evidencias experimentales fueron proporcionadas por Louis Pasteur (1822-1895), quien a través de la investigación objeto de su tesis doctoral sobre la posible disimetría y actividad óptica del ácido tartárico de las uvas, encontró que existían cristales que eran asimétricos y que, además, éstos eran de dos formas diferentes, imágenes especulares entre sí. Cada una de esas dos formas tenían una actividad óptica opuesta (1848). Sin embargo, la explicación a nivel atómico no se dio hasta bastante después, en 1874, con un discípulo de Kekulé, el holandés Jacobus Henricus van´t Hoff (1852-1911, Premio Nobel de Química en 1901), quien propuso que las cuatro valencias del carbono estarían dirigidas hacia los vértices de un tetraedro regular. Para van´t Hoff la actividad óptica sería debida a la presencia de un carbono asimétrico (es decir, con los cuatro sustituyentes distintos) que también explicaría la existencia de isómeros con actividad óptica diferente. Asombrosamente, estas ideas fueron también publicadas al mismo tiempo —sólo un mes después— y de forma totalmente independiente por el químico francés Joseph Le Bel (1847-1930), ayudante de Wurtz.
184
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
¡Cuántos importantes descubrimientos han sido realizados en el mismo momento y de forma independiente por diferentes investigadores! Y cuántos casos como el de van´t Hoff, de investigadores que han sobresalido en aspectos muy diferentes de la ciencia.
De las fórmulas estructurales de Kekulé de dos dimensiones, en el plano, se da el salto a las de tres dimensiones. Se inicia así la «química del espacio», llamada después estereoquímica por Victor Meyer (1848-1897). Ya antes, en 1867, el químico y físico escocés James Dewar, también alumno de Kekulé, había sugerido esa idea del carbono tetraédrico. Y asimismo, en 1869 Johannes Wislicenus (1835-1902), estudiando el ácido láctico, había sugerido la existencia de isómeros con algunas propiedades diferentes, los cuales podrían explicarse por la distinta disposición en el espacio de sus átomos. Van´t Hoff sigue investigando en ese sentido y también en 1874 encuentra una explicación para la incomprensible isomería existente entre los ácidos fumárico y maleico (isomería geométrica). En 1885, Alfred Baeyer (18351917, Premio Nobel de Química en 1905) estudia la estereoquímica de los ciclos, desarrollando la llamada en recuerdo suyo teoría de las tensiones de Baeyer e introduce los términos de cis y trans para los isómeros geométricos (1892). En 1885 se descubre el fenómeno de la tautomería, al que Conrad Laar (1853-1929) dio ese nombre. Por otra parte, Ernest Beckmann (1853-1923) descubre en las oximas un fenómeno en el cual el átomo de nitrógeno de una oxima cambia de posición, dando lugar a la amida isómera (transposición de Beckmann, 1887). Se inician con esto los estudios de estereoquímica relativos al átomo de nitrógeno, llevados a cabo por Arthur Hantzsch (1857-1935) y Alfred Werner (1866-1919). Este último traslada los conceptos estereoquímicos a los compuestos inorgánicos llamados «complejos», descubiertos por él, y desarrolla la teoría de la coordinación (se trató en el Tema 11 y se volverá sobre ello en el Tema 13). En 1896, Paul von Walden (1863-1957) descubre en ciertas reacciones de sustitución el fenómeno denominado inversión de Walden. Y Johannes Thiele (1865-1918) formula para el benceno la idea de las semi-valencias, lo cual le permitió representar su molécula mediante una fórmula con simetría, acorde con sus propiedades físicas y químicas. En fin, y a pesar de la tenaz oposición de Kolbe, la estereoisomería triunfa plenamente entre los químicos, con lo cual se abren unas nuevas perspectivas para la química orgánica y también para toda la química.
12.5. SÍNTESIS ORGÁNICA A lo largo del siglo XIX se aislaron y describieron muchas sustancias orgánicas de importancia básica. Tal es el caso del benceno (Faraday, 1825), o de
RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
185
la acetona (Liebig, 1831) o del fenol (Runge, 1834). O de la acroleína, la parafina, el cloroformo, éste último también descubierto por Liebig, mientras que del alquitrán de hulla, una materia prima importantísima para la química orgánica, aisló Dumas el antraceno. Sin embargo, es a partir de la segunda mitad del siglo XIX cuando la síntesis orgánica se desarrolla enormemente y progresa a un ritmo vertiginoso, incidiendo de forma decisiva en la industria química (ver Tema 14). Esto en gran parte es debido al triunfo de la química estructural y de la estereoquímica, que hicieron más fácil el estudio de la química orgánica. Y ello, en definitiva, gracias a la teoría atómica. Los avances teóricos conseguidos en el siglo XIX —no sólo en química orgánica sino en todas las ramas de la química— hacen que se racionalicen los métodos de síntesis. Propician así que se hallen nuevos procesos de síntesis de los compuestos ya conocidos y que se descubran otros compuestos diferentes. Que se estudien mejor las sustancias orgánicas y que se analicen sus propiedades de tal manera que se les pueda extraer alguna utilidad para el hombre. Berthelot, el gran químico orgánico de síntesis, va a quedar desplazado por estas nuevas corrientes (recuerde su antiatomismo, vea el Tema 10), que basan los esquemas de síntesis en la química estructural. Los métodos de síntesis son tantos y tan variados, que es difícil su enumeración completa. No obstante, se puede intentar hacer un resumen de los más significativos. Así, comenzando con Kolbe y su síntesis, entre otras, del ácido salicílico en 1859, hay añadir muchas más. En 1864, Fittig consigue la síntesis de alquilbencenos y Wurtz la de alcanos, así como la de polialcoholes y de aminas alifáticas (1869). El químico alsaciano Charles Friedel (1832-1899) junto con el americano James Mason Crafts (1839-1917) consiguen un método de síntesis de diferentes compuestos aromáticos con tricloruro de aluminio como catalizador (1877), que constituye una de las reacciones más importantes cara a la industria química de aquellos momentos y de después, con la petroquímica. Entre 1860 y 1872 Claisen y Perkin desarrollan reacciones de condensación. Y mediante la reacción de Schotten-Baumann (1884) se logran preparar esteres y amidas. También en ese año, Sandmeyer pone a punto reacciones con sales de diazonio. Son tantos los nombres de químicos orgánicos que se pueden añadir a éstos y a los ya mencionados en los apartados anteriores, descubridores de procedimientos de síntesis de distintas funciones orgánicas —como Gabriel, Liebermann, Curtius, Knorr, Hantzsch, Diels, Alder, etc.— que la lista resultaría casi interminable. Pero hay que hacer una mención especial a Victor Grignard (1871-1935) que tuvo el mérito de descubrir los compuestos orgánometálicos, que proporcionaron una de las vías de síntesis más ricas de la química orgánica: fue un trabajo iniciado en su tesis doctoral y cuyo resultado le valió obtener el Premio Nobel de Química en 1912, compartido con Paul Sabatier. Y este último, junto a Senderens, pone a punto en 1897 un método de hidrogena-
186
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
ción de compuestos orgánicos con metales como catalizadores, principalmente níquel. En los últimos años del siglo XIX se intensifican los estudios sobre compuestos naturales: sobre azúcares y sus fermentaciones, sobre enzimas, sobre proteínas, sobre alcaloides... Tanto es así, que además de canalizarse estas investigaciones en la química de los productos naturales, importante apartado dentro de la química orgánica, son tantos los trabajos y los compuestos estudiados que de aquí comienza a desgajarse una nueva rama de la química, híbrido de la química orgánica y de la biología, la bioquímica. Como uno de sus iniciadores puede considerarse a Emil Fischer (Premio Nobel de Química en 1902), que desde 1875 de dedicó al estudio de los azúcares, pasando después al de purinas y proteínas. Ha sido tan enorme el desarrollo de la bioquímica, como es evidente para todos nosotros a través de los últimos estudios sobre el genoma y tantos otros avances, que no hay ya lugar en este texto para extendernos más en ello. Por otra parte, se inicia otra gran especialidad dentro de la orgánica, la química orgánica heterocíclica. Relacionado con la síntesis orgánica, se hacen importantes descubrimientos que influirán enormemente en el terreno de la vida práctica, como el del primer colorante artificial, debido a Perkin y que dio lugar una de las más importantes actividades industriales de ese siglo, como se analizará en el Tema 14. Asimismo, en esos años de la segunda, y bien entrada, mitad del siglo XIX, el estudio de nuevos procedimientos de síntesis abre paso a importantes ramas de la industria química relacionada con los productos orgánicos (como la farmacéutica o la de cosméticos y perfumería) y se descubren materiales nuevos, como los polímeros, que tendrán una incidencia tan enorme en distintos aspectos de la vida del hombre. Los años van pasando y entrando en el siglo XX la importancia de la química orgánica de síntesis es ya un hecho incuestionable
12.6. AUGE DE LA QUÍMICA ORGÁNICA, SU PRESENTE Y SU FUTURO A lo largo del siglo XX sigue desarrollándose la química orgánica. Y con el surgimiento de las teorías electrónicas sobre la estructura atómica y sobre el enlace químico, su base teórica va a quedar sumamente reforzada, muy en especial con la mecánica cuántica. Así, la noción de resonancia introducida por Heisenberg en 1926, o el de hibridación de orbitales van a contribuir a conocer mejor las estructuras de las moléculas orgánicas. Por otra parte, el estudio de los mecanismos de las reacciones orgánicas ayuda sobremanera a interpretarlas, lo que posibilita que muchas veces puedan predecirse sus rutas y sus productos de reacción. Aunque ya se iniciasen en el siglo XIX —Wittig o Marcownikoff, por ejemplo, realizaron notables aportaciones, si bien de naturaleza empírica— en el siglo XX su contribución
RESURGIMIENTO DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
187
al avance de la síntesis orgánica es definitiva. En este sentido son valiosísimos los trabajos de Robert Robinson (1886-1875) y sobre todo de Chistopher K. Ingold (1893-1971) sobre la estructura de las moléculas orgánicas y los mecanismos de sus reacciones (así, también establecieron el concepto de mesomería). Este último, que es considerado como el gran sistematizador de la química orgánica, fue uno de los pioneros en introducir los principios de la química física para estudiar mejor aquélla. Y a Linus Pauling se debe sobre todo que se reconociera la importancia de la mecánica cuántica en el estudio de la química orgánica. Por otra parte, se profundiza en el estudio de la catálisis y selectividad de los procesos orgánicos, con lo que, en conjunto, cabe casi hablar de una segunda revolución en esta rama de la química en los años de 1950. Continuando con el estudio de los mecanismos, desde una perspectiva mecano-cuántica las reglas de conservación de simetría orbital de Woodward y Hoffmann (1965) o el método de los orbitales frontera del japonés Fukui (1952) van a permitir la predicción de muchas reacciones. Surgen perspectivas totalmente novedosas, como la química supramolecular (1988). Y el desarrollo de la informática amplía los horizontes de la química orgánica, no sólo en el terreno de la tecnología analítica —con los poderosos métodos analíticos actuales— sino en los mismos métodos de síntesis, de lo que es un claro ejemplo la posibilidad de síntesis programadas con ordenador, a partir de Corey en 1990. En cualquier caso, ese «bosque espeso» que era la química orgánica ya desde principios del siglo XIX comienza a estructurarse y con la acumulación subsiguiente de conocimientos teóricos y su puesta en práctica está cada día más presente en otros ámbitos de la ciencia.
12.7. REFLEXIONES FINALES Los compuestos orgánicos, por tanto tiempo casi olvidados por los químicos, van a resurgir en el siglo XIX. Su conjunto constituye un mundo nuevo para los químicos, que hay que descubrir y explorar. Con la ayuda fundamental del soporte de la química física, que casi paralelamente se va desarrollando también en ese siglo, y con la aportación experimental de los métodos analíticos, se pudo construir el entramado de la química orgánica. No obstante ella también, en buena reciprocidad, efectuará importantes aportaciones tanto a la química física, como a la química analítica. La teoría sobre la valencia y los principios de la estereoquímica, por una parte, y su contribución a la tecnología analítica, por otra, dan prueba de ello.
Tema 13 EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA INORGÁNICA Y DE LA QUÍMICA ANALÍTICA ESQUEMA DE CONTENIDOS 13.1. INTRODUCCIÓN 13.2. QUÍMICA INORGÁNICA 13.2.1. Descubrimiento de nuevas sustancias 13.2.2. La teorización en Química Inorgánica 13.2.3. Química Inorgánica de síntesis 13.3. QUÍMICA ANALÍTICA 13.3.1. Primeros tiempos del análisis químico 13.3.2. Desarrollo con los químicos del flogisto 13.3.3. Desarrollo desde el siglo XIX 13.4. REFLEXIONES FINALES
13.1. INTRODUCCIÓN Estudiar los avances de la llamada «química inorgánica» se convierte, en realidad, en estudiar los avances de toda la química. Porque éstos se han producido gracias a la experimentación y la consiguiente teorización que tradicionalmente se ha realizado en gran manera sobre sustancias del mundo mineral. Por tanto, el siglo XIX va a ser fundamental para la inorgánica, sobre todo a partir de la Ley Periódica. La creación y construcción de la Tabla Periódica, que se suele adscribir dentro del terreno de una química general, pertenece también a la evolución de la química inorgánica ya que, en definitiva, fue fruto del estudio sobre los elementos químicos ya conocidos y sobre los que se fueron descubriendo a través de nuevos métodos de obtención y de detección. Sin embargo, si comparamos el desarrollo de la química inorgánica con la «otra química» dedicada también al estudio de las propiedades químicas y métodos de obtención de otras sustancias, es decir, la química orgánica, resulta perdedora la primera. Pero si se reflexiona más detenidamente esta conclusión no es tan evidente: porque en la química orgánica había que descubrirlo casi todo, mientras que en la inorgánica era seguir con la química clásica. Por ello, la extensión que en este texto se ha dado a la química orgánica es mayor: ésta era una ciencia nueva que había que investigar para conocer sus leyes y crear su soporte teórico, mientras que la química inorgánica era la química de siempre. En cuanto a la química analítica, se constituye como tal partiendo de una serie de métodos de análisis cuali y cuantitativo que se van multiplicando y ganando en precisión. De arte empírico pasa a rama de la química cuando adquiere unas bases teóricas que dan un contenido científico a todos esos métodos.
13.2. QUÍMICA INORGÁNICA Aunque a lo largo de la historia de la química se habían utilizado preferentemente las sustancias del mundo mineral, en el siglo XIX se produce un cam-
192
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
bio muy significativo. Los químicos van a ir prestando cada vez más atención a los compuestos orgánicos, en detrimento de los inorgánicos. De esta manera, tiene lugar una inversión de valores, ya que la química orgánica de estar casi totalmente apartada pasará a tener una evolución de forma espectacular. Asimismo, también la química-física se desarrolla para marcar las pautas de rigor científico en todas las demás ramas de la química y, por tanto, también en la química inorgánica. Por el contrario, en ésta última los avances no son demasiado importantes y además, en general, van ligados muy generalmente a la vertiente industrial, de lo cual se tratará más ampliamente en el Tema 14.
13.2.1. Descubrimiento de nuevas sustancias La primera mitad del siglo XIX fue rica en descubrimientos de nuevos compuestos inorgánicos, como son los óxidos de uranio, de titanio, de estroncio o ácidos minerales tan importantes como el crómico. Por otra parte, la aplicación de la electroquímica, una vez conocidos más en profundidad los mecanismos de los procesos redox, fue una fuente de obtención de nuevos elementos. Así, Davy descubre los metales alcalinos, aislando en 1807 el sodio y el potasio por electrolisis de sus hidróxidos respectivos; igualmente, en 1808 aisla el bario y el estroncio. A Davy también se debe la invención del arco eléctrico, que tendrá importantes aplicaciones industriales para la obtención de muchas sustancias (vea el Tema 10, sección 10.2). Y se siguen descubriendo otros elementos: unos metálicos, como osmio, iridio, paladio, teluro, radio, vanadio, niobio, rutenio, litio, cio, yterbio, cerio... y otros no metálicos, como bromo, yodo (descubierto éste por Courtois en 1811, al aislarlo de cenizas de algas marinas) o cloro (según patente de Watt y Cook) y otros semimetálicos, como el silicio, selenio (ambos aislados por Berzelius), teluro o boro, este último obtenido mediante reducción del ácido bórico por Gay-Lussac y su discípulo Thénard, los cuales también preparan el ácido fluorhídrico y metales alcalinos (éstos por reducción de sus óxidos con hierro o carbón). Por otra parte, Gay-Lussac obtiene el ácido iodhídrico y los iodatos, así como el ácido cianhídrico y el cianógeno. Y Thénard prepara el agua oxigenada en 1818. Nombres como los de éstos y los de otros, como Balard, Wollaston, Tennant, Mosander, Rose, Moissan (quien aisló el fluor y creó el «horno eléctrico» para reacciones a altas temperaturas, como la obtención de diamantes artificiales, Premio Nobel de Química en 1906)... quedarán unidos a muchas de estas y otras sustancias químicas. De nuevo, los avances teóricos inciden en los aspectos prácticos de la química, como son el descubrimiento y la obtención de sustancias químicas, que, a su vez, también incidieron en el desarrollo de la industria.
Asimismo, se abren importantes vías de síntesis de productos ya conocidos, impulsadas por las nuevas materias primas, muchas de ellas minerales.
EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA INORGÁNICA Y DE LA QUÍMICA ANALÍTICA
193
Tales son la cal, el azufre, las piritas, las grasas y los ácidos grasos, el platino... que repercuten en industrias tan básicas como son las de fertilizantes, ácido sulfúrico, papel o blanqueantes, entre otras. Dentro de las materias primas, hay un descubrimiento de enorme trascendencia, el de las minas de nitrato de sodio de Chile (nitrato de Chile) cuya explotación desde 1808 permitió conseguir nitrato de sodio en grandes cantidades para utilizarlo en la industria de abonos y en la de fabricación de ácido nítrico y nitratos. Otro mineral importantísimo es la bauxita (óxido de aluminio hidratado) que se empleó para obtener aluminio por vía electroquímica, mediante su reducción electrolítica, debida a C.M. Hall, 1886. No obstante, este método de obtención fue debido, en realidad, a Wöhler, que ya en 1827 había conseguido obtener aluminio por reducción de su ion (concretamente del cloruro de aluminio) por acción del potasio, procedimiento mejorado por SainteClaire Deville al sustituir el potasio por el sodio. Por otra parte, Wöhler también consiguió preparar berilio e itrio por el mismo procedimiento, en 1828, el mismo año que su síntesis de la urea. Y sintetizó el carburo cálcico (en 1862) y, a partir de él, el acetileno. De nuevo, encontramos en Wöhler otro ejemplo de químico «universal».
13.2.2. La teorización en Química Inorgánica En lo referente a la teorización, en el siglo XIX no se puede marcar casi ningún aspecto sobresaliente, a no ser hasta sus últimos años en los que el gran químico alsaciano Alfred Werner (1866-1919) descubre un nuevo tipo de compuestos que denominó «compuestos complejos», creando toda una teoría para explicar su constitución y que justificaba las valencias implicadas en ésta. Esa es la teoría de la coordinación, que publicó en 1903 (revise en el Tema 11 el apartado sobre enlaces químicos) y en la cual Werner tuvo muy en cuenta el problema de la distribución espacial, idea que le inspiró directamente la química orgánica con sus estudios sobre estereoquímica (vea el Tema 12). Pero la importancia de la química de los compuestos de coordinación no termina aquí, pues da paso en el siglo XX a un nuevo campo para la química inorgánica. Es aquí donde despunta la química australiana en la figura de Nyholm. Ronald Nyholm (1917-1971) estudia química física en la Universidad de Sydney con un discípulo de Ostwald y en Londres nada menos que con Ingold. Se interesa muy pronto por la química de coordinación —en la que realiza su tesis doctoral— y especialmente por los ligandos polidentados y los problemas estereoquímicos. En relación a este último aspecto, crea con Ronald Gillespie en 1957 la teoría de la repulsión de los pares electrónicos (vea en Tema 11), teniendo en cuenta la teoría del campo ligando ideada por Leslie Orgel en 1950. Nyholm tiene además el mérito de fusionar en su investigación
194
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
las distintas ramas de la química (orgánica e inorgánica, química física, analítica y cristalografía), que también lleva al terreno de enseñanza (como lo demuestra su vinculación al programa Nuffield para los estudios integrados de química en la enseñanza secundaria de Inglaterra).
13.2.3. Química Inorgánica de síntesis En lo referente a la química inorgánica de síntesis hay que reseñar algunos aspectos sobresalientes en la segunda mitad del siglo XIX. Tal es el descubrimiento novedoso e importante de los metalcarbonilos por el industrial inglés L. Mond (1839-1909) que abre una fructífera vía de síntesis para multitud de compuestos. También progresa en gran manera la química del nitrógeno; así, se preparan industrialmente muchos compuestos nitrogenados, como entre otros la hidracina (1887), la urea (1913) y la cianamida cálcica. Por otra parte, se debe a Ostwald el método de obtención de ácido nítrico a partir de amoniaco, que por ello lleva su nombre. Y dentro de este campo, tuvo lugar un hallazgo sintético que resultó trascendental para la historia del hombre en los últimos tiempos: la síntesis del amoniaco por el alemán Fritz Haber en 1908 (vea el Tema 14). El amoniaco, producto químico básico de una aplicación amplísima en todos los laboratorios de química, es particularmente esencial en la obtención de otros compuestos a su vez fundamentales (como el ácido nítrico), con todo lo cual resulta imprescindible en a fabricación de fertilizantes, explosivos, colorantes, medicamentos, materiales plásticos, etc. Por otra parte, tiene también una aplicación física importante, como es su utilización como fluido refrigerante. Y en este sentido, las numerosas investigaciones sobre el frío, a principios del siglo XX, han proporcionado a la química inorgánica aportaciones de gran valor. En primer lugar, se consiguió licuar el helio en 1908. Y en 1911 se descubre el fenómeno de la superconducción de los metales a muy bajas temperaturas, muy próximas al cero absoluto, aunque la explicación teórica no llegará hasta mucho después, en 1957, a través de laboriosas investigaciones ya dentro del campo de la física. Y siguiendo con los metales, en el terreno de la metalurgia, son también de gran interés los estudios prácticos sobre muchas aleaciones y sobre semiconductores, así como el desarrollo de la química de los hidruros metálicos, con el descubrimiento de productos tales como el hidruro de litio y aluminio (1947), que constituyó dentro de la química orgánica un valioso y selectivo agente reductor. En el siglo XX la química inorgánica, aletargada durante el siglo anterior, reemprende su ascensión y entra en todas las demás áreas de las ciencias. Así, y siguiendo con los compuestos de coordinación, éstos resultan un claro ejemplo de tema interdisciplinar, pues tanto intervienen en problemas bioquímicos (de química de enzimas o de química médica con estudios sobre hemoglobina, por ejemplo) como en la síntesis de nuevos catalizadores industriales a partir de 1950 (como son los complejos de platino para reacciones de polimerización).
EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA INORGÁNICA Y DE LA QUÍMICA ANALÍTICA
195
13.3. QUÍMICA ANALÍTICA Se pueden distinguir tres etapas bien definidas en la historia del análisis químico: la de los primeros tiempos, que era una práctica casi artesanal; la de los tiempos del flogisto, en la que se van multiplicando y puliendo sus técnicas, y aquélla en la que, ya dotado de unas bases teóricas, pasa a ser una nueva rama de la química.
13.3.1. Primeros tiempos del análisis químico Si nos remontamos a un tiempo muy lejano, el origen del análisis químico se puede situar ya en la Antigüedad, con algunas técnicas por vía húmeda, si bien los verdaderos principios que propiciaron el gran salto hacia lo que sería posteriormente la química analítica tendrían lugar en la Edad Media. Es entonces cuando se aíslan y preparan ácidos minerales que sirvieron para ir disponiendo de pruebas analíticas, aunque éstas carecían de un carácter de generalidad, puesto que eran específicas. Por otra parte, se descubrió el poder de los extractos de plantas para suministrar una gama de muy diversos colores, que se podía ampliar añadiendo ciertos productos a los jugos vegetales. Este descubrimiento fue debido más que a los alquimistas a pintores y tintoreros para aplicarlo en su trabajo en el que el color era tan importante. Y fue después aprovechado por los químicos, al acoplar esos virajes de color para analizar las sustancias. Es así como Boyle —según se ha tratado en el Tema 6— inició el importante capítulo de los indicadores, aprovechando los cambios de colores del concentrado de violetas o de los extractos del líquen Rocella, que era morado pero que en medio ácido pasaba a rojo y en medio alcalino a azul.
13.3.2. Desarrollo con los químicos del flogisto Otros problemas relacionados con la sanidad pública, como son el análisis de aguas para verificar su potabilidad o los análisis de orina, fueron potenciando el avance de las técnicas analíticas, lo cual tuvo importancia ya a partir del siglo XIV. A esto se añadieron, sobre todo en el siglo XVII, la preocupación por el control de medicinas y alimentos o los problemas de la mineralogía, la metalurgia y también los de la fabricación textil, que comienzan a ser de interés industrial a partir de esa época. El lavado y secado de precipitados, los métodos de análisis por vía húmeda, los métodos cualitativos y cuantitativos, van creciendo en importancia tanto a nivel del pequeño laboratorio como a nivel industrial. C/T/S De nuevo problemas de la vida común o los surgidos de la incipiente producción a gran escala siguen incidiendo en el desarrollo de la química.
196
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
En este sentido hay que resaltar las innovaciones introducidas ya a finales del siglo XVIII por los químicos del flogisto (revise el Tema 7). Así, Andreas Marggrafe (1709-1782), que proporcionó la prueba de análisis a la llama para diferenciar las sales de sodio de las de potasio. Asimismo, puso a punto muchas reacciones características de detección de sustancias y demostró la posibilidad de trabajar con cantidades de muestras muy pequeñas. O Torben Bergman (1735-1784), con quien el análisis asciende de categoría dentro del «orden jerárquico» de la química y se convierte en una nueva rama de ésta. A él se deben los fundamentos del análisis en medio acuoso y la descripción de reactivos analíticos nuevos (por ejemplo, sales de calcio por ácido oxálico, hierro por precipitación con ferrocianuro de potasio o cloruros mediante nitrato de plata), publicados en una memoria sobre análisis de aguas. Muchos otros nombres importantísimos de la historia de la química participaron en este continuo ascenso del análisis químico, químicos del siglo XVIII en gran parte flogísticos, que contribuyeron a perfeccionar estas técnicas con su enorme rigor: tales son Kirwan, Klaproth o Vauquelin.
13.3.3. Desarrollo desde el siglo XIX Berzelius y Thomas Thomson, consiguieron de forma independiente demostrar que era posible determinar con exactitud los pesos atómicos y equivalentes partiendo de las bases teóricas de la teoría atómica. Tenían ambos una doble virtud, la de poseer una fuerte formación teórica y rigor científico, así como unas enormes habilidades prácticas, contribuyendo así a dotar al análisis químico de una base teórica más fuerte. Los primeros esquemas de análisis cualitativo de mezclas metálicas se deben a Bergman y al mismo Berzelius, aunque no lograron dar un esquema general deductivo. A partir del siglo XIX se hacen así notables progresos en lo cualitativo y en lo cuantitativo. Un discípulo de Berzelius, Heinrich Rose (1795-1864) escribe un manual de química analítica en el que se exponía y explicaba por primera vez el esquema de separación por grupos. Pero otro importante químico analista, Carl Remigius Fresenius (1818-1897), lo reelabora, escribiendo un nuevo manual de análisis cualitativo de uso en toda Europa hasta la década de 1930, en que fue desplazado por el de Arthur I. Vogel. Además, Fresenius tiene otro mérito importante, el haber fundado la primera revista de química analítica, en 1862. En cuanto al análisis cuantitativo, fue desarrollado ya por los químicos pneumáticos. Rose y Fresenius sistematizaron los métodos gravimétricos, que van perfeccionando su precisión a lo largo del siglo XIX. Sin embargo, sus procedimientos son tan sólo empíricos hasta que Ostwald ya en 1880 hace una revisión de las bases teóricas de la precipitación. Por este motivo, muchos le consideran como el creador de la química analítica moderna: el análisis químico termina de constituirse así en una nueva rama de la química, dotada de un cuerpo teórico que soporta todos sus variadísimos procedimientos. Por otra parte, el análisis volumétrico, ideado por Gay-Lussac, se desarrolla con valiosas innovaciones por parte principalmente de J. Volhard, de
EVOLUCIÓN DE LA QUÍMICA INORGÁNICA Y DE LA QUÍMICA ANALÍTICA
197
C.F. Mohr y de R.W. Bunsen (que también trabajó en química orgánica y a quien se debe, entre otras aportaciones teóricas y prácticas, el famoso mechero «Bunsen», de gas, utilizado hasta hace muy poco como principal procedimiento de calefacción en los laboratorios). Y en el análisis de los compuestos orgánicos, Liebig en sus laboratorios de la Universidad de Giessen creó una verdadera escuela en la que se formaron químicos de todo el mundo (vea el Tema 12). Se van ampliando los métodos analíticos, de tal manera que poco a poco se van haciendo más sofisticados. Así, Bunsen también desarrolla el análisis gasométrico. Y un discípulo de Liebig, el americano Oliver W.Gibbs, es el iniciador del análisis electrogravimétrico, el cual forma parte de las técnicas analíticas electrométricas (como son la valoración potenciométrica, la conductimetría y la polarografía), que a su vez pertenecen al conjunto de los métodos instrumentales de análisis, que tanto se han multiplicado y perfeccionado a lo largo del siglo XX. De los nuevos métodos analíticos del siglo XIX, tal vez el más importante sea el análisis espectral, cuyo origen se puede ubicar en la fotometría a la llama. Su fundamento parte del hecho de que cada elemento tiene un espectro diferente y característico, consistente en una serie de rayas de unas frecuencias determinadas. Por ello, al analizar un espectro se han de observar y estudiar atentamente esas rayas. El diseño de su metodología y utilización práctica se deben a Bunsen y a Kirchoff. Este tipo de análisis tiene además una gran ventaja, que sólo se necesitan cantidades pequeñísimas de la muestra a analizar. Permitió ya desde sus comienzos descubrir muchos elementos, como el niobio, rutenio, lantano, galio, godolinio y europio, entre otros. Y, además, se pudieron reconocer sustancias presentes en la fotoesfera, simplemente analizando el espectro de la luz solar. De esta manera, los mismos Bunsen y Kirchhoff pudieron demostrar la presencia de una serie de elementos metálicos alrededor del sol (hierro, magnesio, cromo y níquel). Una de las más interesantes aportaciones en este sentido del análisis de los espectros atómicos fue el descubrimiento de los gases nobles, llevada a cabo por Ramsay, Rayleigh y Travers, discípulo éste del primero, entre 1894 y 1898 (vea el Tema 11), que tuvo importantes repercusiones en el terreno práctico y, sobre todo, en el teórico, al dar lugar con el tiempo a la creación de la teoría del octete, entre otros aspectos. Además de estos espectros atómicos, en 1879 también se inicia la espectroscopia molecular, dirigida al estudio de la constitución de las moléculas. Tuvo una excelente aplicación especialmente para los compuestos orgánicos. En un principio se llevaron a cabo los espectros en la zona ultravioleta y visible, pero después, a partir de 1905, se extendieron al infrarrojo. Esta espectroscopia recibió un gran refuerzo con la base teórica proporcionada por Bjerrum en 1912. Se pudieron determinar así momentos de inercia de moléculas sencillas y longitudes y ángulos de enlace. Por ejemplo, se estableció de esta manera el modelo molecular del agua, a partir del espectro de su vapor. En el año 1928 dos físicos de la India, Raman (Premio Nobel de Física en 1930) y
198
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Krishan descubren en los espectros infrarrojos un efecto hasta el momento desconocido, que se llamó efecto Raman y que constituyó una nueva técnica espectroscópica de determinación estructural. Otra importante técnica de análisis estructural es la de Rayos X (puede revisarlo en el Tema 11), mientras que la invención del microscopio electrónico en 1931 por E. Ruska y M. Knoll, tuvo su mayor éxito con las moléculas biológicas ya que permitió, por ejemplo, la «visualización» de proteínas. Otros métodos instrumentales —entre los que se encuentran la cromatografía en columna y en fase gaseosa, los métodos de intercambio iónico, la espectrometría de masas, los distintos tipos de espectroscopia, incluyendo la resonancia magnética nuclear— auxiliados con los poderosos medios de la electrónica, hacen que el análisis se vaya convirtiendo en algo cada vez menos próximo a los principios químicos y más dependiente de los adelantos de la física y de la tecnología. En cualquier caso, algunas de estas técnicas analíticas adquirieron tal envergadura y su teoría se desarrolló tanto que han llegado a independizarse. Este es el caso del análisis espectroscópico, que se ha constituido en una ciencia aparte, separada de la química analítica, para pasar a ser una especialización más bien dentro del área de la química-física, la espectroscopía.
13.4. REFLEXIONES FINALES Hemos visto cómo las fronteras que existían entre los compuestos orgánicos e inorgánicos van desapareciendo y que hay una interpenetración de muchos de sus objetivos, temas de estudio y teorías. Si bien sus técnicas experimentales básicas son diferentes, muchas de ellas con el tiempo se van aproximando. Esto es fácilmente comprensible, ya que todas las leyes fundamentales que las gobiernan son las mismas. Al fin y al cabo, las dos son «química». Este hecho se muestra muy claramente con los compuestos organometálicos, que tienden un puente de comunicación entre ambas. Pero la conexión de la química inorgánica se va ampliando a otras ramas de la química e, incluso, en un sentido más amplio, a otras ramas de la ciencia, como mineralogía, cristalografía, radioquímica, bioquímica... En cuanto a la química analítica, sus métodos hoy en día han extendido su utilidad más allá de la química: en medicina, en agricultura, en biología... Cumple así con lo que Ostwald había previsto: su papel de imprescindible «servidor» de otras ciencias.
Tema 14 LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA/TECNOLOGÍA/SOCIEDAD ESQUEMA DE CONTENIDOS 14.1. INTRODUCCIÓN 14.2. PRIMERAS INDUSTRIAS QUÍMICAS 14.2.1. Un ejemplo: la industria de la porcelana 14.3. INDUSTRIAS INORGÁNICAS: ALGUNOS EJEMPLOS 14.3.1. La industria del carbonato sódico 14.3.2. La industria del ácido sulfúrico 14.4. INDUSTRIAS ORGÁNICAS 14.4.1. Un ejemplo: la industria de los colorantes 14.5. LAS INDUSTRIAS QUÍMICAS Y LAS GUERRAS 14.5.1. Un ejemplo: la síntesis del amoniaco 14.6. REFLEXIONES FINALES
14.1. INTRODUCCIÓN Hemos visto cómo el siglo XIX es testigo ya desde sus comienzos de una química que alcanzó el rango de ciencia. Asimismo, se ha tratado cómo esa ciencia incipiente va creando se cuerpo teórico, se multiplican los ensayos y estudios para construirlo, con lo cual se va profundizando en el conocimiento de las propiedades y naturaleza de las sustancias químicas. Ello trae aparejado que toda esa gran cantidad de conocimientos vaya constituyendo una red cada vez más tupida, por lo que se hace necesaria una sistematización de su estudio. Lo cual supone también una clasificación y una división de lo que antes era una única disciplina en diversas partes o ramas de la química. Esos avances en la teoría, en la experimentación y en las técnicas correspondientes tuvieron amplias repercusiones en muchos ámbitos. Como se conocían mejor las propiedades de las sustancias, podía deducirse de esto la posible utilidad de muchas de ellas para la vida del hombre. Y éste intentó producirlas en cantidad mucho mayor o producir otras nuevas que también le fueran útiles. Es así como se desarrolla la industria química, sobre todo a partir de la segunda mitad del siglo XIX. Pero, en realidad, surge mucho antes. Ya desde el siglo XVII empieza a aparecer en Europa la fabricación a una escala considerable de ciertos productos, pero puede decirse que la fabricación del carbonato sódico por Leblanc, a finales del siglo XVIII, es el verdadero inicio de la industria química en el sentido más propio de esa palabra, según se analizará después. Sin embargo, lo que tiene lugar en el siglo XIX es una explosión en todos los órdenes de la industria y, por tanto, también en el sector químico, fenómeno que en sociología se conoce como revolución industrial. Y se desarrolla la química técnica. Por otra parte, la vertiente industrial de la química tal vez sea el aspecto de ésta que nos ofrece ejemplos más claros y en mayor número acerca de las relaciones ciencia/tecnología/sociedad.No tendría mucho sentido hacer ahora una revisión exhaustiva de toda la historia de la industria química, por lo que sólo se tratarán algunos casos determinados —tomados como ejemplo—
202
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
que por diferentes circunstancias han marcado un hito en su trayectoria. Y han sido seleccionados por su trascendencia desde el punto de vista químico y por su incidencia en esas relaciones ciencia/tecnología/sociedad.
14.2. PRIMERAS INDUSTRIAS QUÍMICAS La economía de los numerosísimos estados alemanes del Sacro Imperio Romano Germánico quedó devastada tras la Guerra de los Treinta Años (1618-1648). Por este motivo surgió un movimiento por parte de los gobiernos de esos estados de intentar la recuperación económica. Protegieron así la economía desde los gobiernos, promoviendo y fomentando la industria y el comercio y controlando fuertemente las materias primas, con el fin de que fueran utilizadas con mayor provecho. Este movimiento se llamó cameralismo, de la palabra alemana kammera, es decir, cámara (por el desarrollo de las cámaras de industria y comercio). C/T/S El problema económico, en este caso producto de una guerra, va a ser el impulsor del desarrollo de la ciencia y la técnica.
Aparte, claro está, de las industrias metalúrgicas que, como ya hemos visto, existían desde tiempos tan antiguos, va naciendo la fabricación organizada y en mayor escala de muy diversos productos necesarios para la vida del hombre, como jabón, vidrio, cerámica, cervezas y vinos, tejidos, tintes, papel, azúcar de remolacha... Es decir, son unos momentos en que comienza a desarrollarse más la industria química. Y precisamente, la época de la química del flogisto coincide plenamente con este periodo. Los príncipes y reyes de esos estados protegen a los químicos, lo mismo que muchos alquimistas habían sido protegidos por la nobleza de la Edad Media. Por tanto, la química se vio también protegida dentro de esta corriente, ya que los gobiernos habían tomado conciencia de la utilidad práctica de este saber, que podía incidir positivamente en el desarrollo económico.
Como ejemplo del efecto de esta colaboración entre la química y la promoción oficial, analizaremos el desarrollo de la industria de la porcelana.
14.2.1. Un ejemplo: la industria de la porcelana El rey de Prusia Federico el Grande fue uno de estos casos de clara protección a los químicos prestigiosos de su época. Así fue con Caspar
LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA/TECNOLOGÍA/SOCIEDAD
203
Neumann (1638-1737) y después con Johann-Heinrich Pott (16921777), ambos partidarios del flogisto. Y el rey encargó a éste último que imitara la porcelana que venía de oriente y cuya fórmula era desconocida en Europa. Pott comienza así a mezclar distintos minerales y a someterlos a altas temperaturas. Eran unos ensayos empíricos que le condujeron a llevar a cabo un sinnúmero de pruebas (¡casi 30.000!). Sin embargo, no acertó a dar con la verdadera fórmula, que implicaba la utilización del caolín. Así que murió sin ver cumplido su objetivo, el cual fue logrado por su sucesor en el favor del rey, Johan Friedrich Boettger (1682-1719). Éste tuvo el acierto de mezclar caolín blanco con feldespato y cuarzo, con lo cual consiguió una porcelana de excelentes cualidades. Con este triunfo de la química nació la primera fábrica de porcelana blanca en Sajonia, concretamente en Meisen (1710), hecho que inicia una verdadera tradición en fabricación de porcelanas en toda Centro Europa. Se extiende esta industria a otros puntos, como Viena (1720), Höchst (1740), Fürstenberg (1744), Nymphenbourg (1751) y Berlín (1751). La industria de la porcelana pronto se asienta también en Francia, donde es Pierre-Joseph Macquer (1718-1784) quien más contribuyó a esta industria. Se hicieron así muy famosas las porcelanas de Sêvres y de Limoges. Y también da el salto hasta Inglaterra donde el trabajo de Josiah Wedgwood (1730-1795) da lugar a la fábrica de porcelana de su nombre, seguida de otros muchos tipos de las célebres porcelanas y cerámicas inglesas.
14.3. INDUSTRIAS INORGÁNICAS: ALGUNOS EJEMPLOS Muchos son los compuestos del reino mineral que se conocían y obtenían desde hace muchísimo tiempo. Pero tal vez dos de los más interesantes sean el ácido sulfúrico y el carbonato sódico. Ambos se conocían ya en la Antigüedad y ambos son productos básicos para muchas industrias y otras actividades del hombre, por lo que éste trató de conseguirlos de una manera u otra. De estos dos casos se expondrá una breve historia.
14.3.1. La industria del carbonato de sodio Al hablar del carbonato sódico hay que recordar a nuestro viejo amigo, el natrón de los egipcios, que ha sido el compañero de químicos primitivos, alquimistas y químicos, científicos o no. El carbonato sódico, la fuente natural de álcalis desde tiempos tan antiguos, fue y sigue siendo un compuesto fundamental y, si nos situamos ya en pleno siglo XVIII, era un producto necesario en la fabricación de jabón, vidrio, papel o tintes.
204
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
En esa época habitualmente se extraía de las cenizas de ciertas plantas, sobre todo de algas, siendo España entonces un gran exportador. Y en la Francia del siglo XVIII, con una industria química floreciente, la exigencia de este producto era cada vez mayor, razón por la que tenía que importarlo de otros países a un precio considerablemente alto. Por esta razón, la Academia de Ciencias instó a los químicos a buscar algún otro procedimiento de obtención y con ese objetivo lanzó un concurso dotado con un premio en metálico. Y lo primero que se pensó era en la sal marina como materia prima, ya que al fin y al cabo el natrón procedía de lagos salados. Tras algunos intentos fallidos, fue Nicolás Leblanc (vea el Tema 7) quien lo consiguió. Curiosamente era médico cirujano, aunque muy interesado por la física y la química, tanto que llegó a ser un verdadero experto en la cristalización de sales. Es así como se sintió atraído por ese reto y dedicó todos sus esfuerzos a investigar en la síntesis de la entonces llamada «sosa». Pero hay que tener en cuenta que era una investigación con un fuerte contenido empírico, puesto que evidentemente en aquella época no se conocía la composición de las sustancias. Se le ocurrió transformar la sal marina (cloruro sódico) en sulfato sódico mediante la acción del ácido sulfúrico. Y después trataba este producto con carbón pulverizado. Pero sólo conseguía obtener sulfato de sodio. Es así como fue probando, más o menos a ciegas, añadiendo diferentes compuestos a ese producto. Así, hasta que apareció el ansiado carbonato sódico cuando calentó el sulfato de sodio con carbón y carbonato de calcio. También varió las proporciones y las operaciones técnicas de laboratorio hasta conseguir poner a punto el procedimiento, en 1789 —año también de la Revolución sa—, ganando el concurso de la Academia. Por otra parte, Leblanc, que era un científico de medios modestos, no podía sufragar los gastos de sus investigaciones, por lo que estaba bajo los auspicios del duque de Orleans. Éste también aportó el dinero necesario para proteger ante notario los derechos por la autoría del procedimiento de fabricación, es decir, para la patente correspondiente —el 20 de enero de 1791—, que fue además una de las primeras patentes sobre la propiedad industrial. También en ese año, 1791, construye Leblanc la primera fábrica de «sosa» en Saint-Denis (París), siempre bajo el apoyo financiero del duque de Orleans. Pero no funcionaría durante mucho tiempo. Los acontecimientos revolucionarios van a precipitar la ruina de esa fábrica y también la de Leblanc. Ésta comienza con la muerte de su protector y confiscación de sus bienes, entre los que se contaba la fábrica y sus materiales. Leblanc generosamente hace público el procedimiento de obtención ante el Comité de Salud Pública revolucionario, con lo que se multiplican sus «imitadores», lo cual termina arruinándole al no poder hacer frente ante sus competidores. Sin dinero, sin su protector, en la miseria, acaba con su vida suicidándose con un disparo en el asilo de pobres de Saint-Denis..., muy cerca de su antigua fábrica.
LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA/TECNOLOGÍA/SOCIEDAD
205
Sin embargo, el procedimiento de Leblanc fue todo un éxito, no sólo desde el punto de vista industrial, sino desde el químico. Se trata, en realidad, de la primera síntesis industrial, ya que hasta el momento la producción de materias químicas había consistido en «extracciones», no en la «creación» de una sustancia partiendo de otras. Por ello, a Leblanc se le puede considerar indudablemente como el fundador de la industria química. Abre el paso, pues, a los productos de sustitución.
Poco a poco, la producción de carbonato sódico se fue abandonando en Francia de forma considerable y, por el contrario, se extendió por otros países, sobre todo en Inglaterra De todas maneras, con el tiempo el método de Leblanc fue presentando muchos problemas, sobre todo químicos, uno de los mayores causados por los residuos de ácido clorhídrico —aunque luego se le encontró una solución— y principalmente por los sulfuros que, arrojados al mar, producían unos olores terribles. Hay muchas referencias acerca de cómo llegaban a alterar incluso el paisaje estas fábricas de carbonatos. Humos, vapores ácidos, olores nauseabundos... que dañaban espantosamente la salud de los obreros de esas fábricas y la de sus familias. Son las descripciones que tan frecuentemente aparecen en las novelas de Dickens, entre otros.
Por ello, ya en 1863 aparece un método alternativo para la fabricación de carbonato sódico mediante un procedimiento de fundamento químico totalmente distinto, en el que se utilizaba también sal marina y carbonato cálcico pero se evitaban los restantes reaccionantes, empleándose en su lugar amoniaco. Éste es el método Solvay, llamado así por su inventor, el belga Ernest Solvay (1838-1922), que tardó diez años en ponerlo a punto, montando la primera fábrica cerca de Bruselas, en 1871. Con unas materias primas tan baratas y eliminados los subproductos molestos, el método de Leblanc dejó de ser competitivo, por lo que se abandonó totalmente en el año 1915. Fue el de Solvay un procedimiento revolucionario en la industria química y un ejemplo de economía industrial, pues consiguió que el amoniaco se reciclara dentro de la misma fábrica para poder emplearlo nuevamente. El método de Solvay, por otra parte, se desarrolló en unos momentos en que el cuerpo teórico de la química ya había hecho grandes progresos, por lo que en su puesta a punto no hubo necesidad de que todos los pasos seguidos fueran de tipo empírico, sino que unas leyes establecidas de la química iluminaron las ideas de su autor, permitiéndole seguir un proceso científico en su elaboración. De nuevo aparece la injerencia de la economía en los problemas químicos. De nuevo, el método científico versus el simple empirismo.
206
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
14.3.2. La industria del ácido sulfúrico Ya en la antigüedad se conocían el ácido sulfúrico y los sulfatos (a los que en general, se llamaban vitriolos, como se trató en el Tema 2). En el Medioevo los alquimistas obtenían este ácido partiendo de sulfato de hierro. Así lo describe el alquimista árabe Rhasés (puede revisarlo en el Tema 4). Sin embargo, el procedimiento era difícil y con bajo rendimiento. Por esta razón en el siglo XVII se comenzó a preparar de otra manera, por combustión de azufre en un vaso en un ambiente húmedo y después se concentraba el ácido producido por evaporación del agua. Era lo que se llamaba el espíritu de azufre, obtenido así por el italiano Angelus Sala. Este procedimiento tan sencillo fue el embrión de las primeras producciones del ácido sulfúrico a nivel industrial. El primer problema era la lentitud del proceso. Por esto se intentó mejorarlo y así químicos tan importantes como el mismo Lemery (ver Tema 5) intervinieron en ello. Éste introdujo la innovación de añadir una pequeña cantidad de nitrato potásico o «nitro», que tenía el efecto de activar la combustión del azufre, con lo que el ácido sulfúrico se formaba más rápidamente. De esta manera, el ingeniero químico inglés Ward construyó la primera fábrica de producción de ácido sulfúrico, o aceite de vitriolo, en Inglaterra, en Richmond, localidad próxima a Londres, en 1736. El vaso utilizado en el laboratorio para realizar la combustión fue sustituido por enormes vasijas de unos 250 litros de capacidad y en la concentración se empleaba una caldera de plomo. De esta forma, se consiguió abaratar hasta en cinco veces el ácido producido, con lo cual estas mejoras en su fabricación tuvieron un éxito tal que al ácido se le llamó ácido inglés. Poco después, en 1746, se introdujo otra sensible mejora que bajó aún más el precio del ácido, al sustituir los industriales Roebuck y Garbett las vasijas de combustión por cámaras de plomo (grandes cajas de madera revestidas de plomo), construyéndose en Birmingham la primera fábrica de este tipo. Este método pasa también a Francia, donde se construye la primera fábrica de sulfúrico de cámaras de plomo en la ciudad de Rouen, en 1766. Pero este «paso» no fue tan fácil. Esta técnica fue importada precisamente por un inglés, Holker, el cual fue un personaje de vida azarosa y un ejemplo de que el espionaje industrial no es un invento de nuestros días. Su pequeña historia bien merece unas palabras. Holker era partidario de los Estuardo y en su levantamiento contra el rey de Inglaterra fue hecho prisionero por las tropas de éste y condenado a muerte. Logró escapar de prisión y huyó a Francia, donde para conseguir la protección de Luis XV «vende», en cierto modo, lo que conocía de la industria inglesa. Tras bastantes vicisitudes se instala en Rouen, donde empieza creando fábricas relacionadas con el ramo textil y termina con la de ácido sulfúrico.
LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA/TECNOLOGÍA/SOCIEDAD
207
C/T/S De nuevo la relación de los conflictos bélicos y políticos con la evolución de la ciencia y la técnica.
Tras algunas pequeñas modificaciones en el procedimiento, las fábricas se extienden por esos años en más lugares de Francia, así como en Sajonia y hasta en Polonia. Y así, llegamos al siglo XIX. Désormes y Clément descubren en 1805 la acción catalítica de los óxidos de nitrógeno. Y químicos tan conocidos como Gay-Lussac trabajaron también en la industria del sulfúrico y a él se debe una notable mejora: el intercalar una «torre», la torre de Gay-Lussac, cuya finalidad era la de absorber los gases nitrosos producidos en el proceso (1827). Después el alemán J.Glover añadió otra torre, en 1859, para preparar el sulfúrico fumante. Sin embargo, el siglo xx va a ser testigo de una profunda transformación en la industria del ácido sulfúrico. A pesar de las sucesivas mejoras introducidas en el método de las cámaras de plomo, en 1901 hubo un cambio radical, tanto en la materia prima como en su procedimiento, con el método llamado de o. Como materia prima en este nuevo procedimiento se utilizaron piritas en lugar del azufre. Al quemar aquéllas se producía dióxido de azufre, el cual debía ser oxidado al trióxido. Se intentaron diversos métodos para realizar esta oxidación —ya que ofrecía serias dificultades por los productos arsenicales que también se formaban— hasta llegar al empleo de catalizadores de platino o de vanadio. Recordemos que en esos años se había avanzado enormemente en los aspectos teóricos de la química-física y, concretamente, en el de la catálisis (ver Tema 10). Pero, ¿por qué se cambió la materia prima? Sencillamente, por una cuestión económica. El azufre generalmente provenía de las minas de Sicilia, donde sus propietarios tenían su monopolio, por lo que viendo la demanda creciente de esta sustancia, decidieron sacar más partido de ella, aumentando hacia 1835 enormemente su precio. Con esto, la producción de sulfúrico partiendo de azufre ya no era rentable y hubo que buscar otros caminos. C/T/S Éste es otro caso muy evidente de la interrelación ciencia-técnica-economía. Una cuestión de economía de mercado incita a los científicos a buscar nuevas vías, investigando y aplicando los nuevos conocimientos teóricos.
208
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
14.4. INDUSTRIAS ORGÁNICAS El establecimiento de la química estructural (vea el Tema 12) va a permitir el desarrollo de la síntesis orgánica de una manera programada, ya que una vez conocidas las estructuras de las moléculas se podía prediseñar su procedimiento de síntesis a escala de laboratorio. Después, el llevarlo a escala industrial era también posible, una vez superadas los problemas de tipo técnico. Es así como ya en la segunda mitad del siglo XIX se va iniciando una industria de compuestos orgánicos que adquirió un rápido progreso y unas enormes proporciones. Puede decirse que comienza con la industria de los colorantes sintéticos, en 1856, que pronto promueve el desarrollo de la industria de productos farmacéuticos e, incluso, la de perfumería sintética. Al comenzar el siglo XX los procesos de hidrogenación catalítica descubiertos por Sabatier y Senderens (revise el Tema 12) dan paso a muy variados e importantes procesos industriales. También como novedad, con la aparición de nuevos materiales como son los polímeros comienza un nuevo tipo de industria que no cesará de desarrollarse, desde la fabricación de caucho sintético y de seda artificial en aquellos momentos, hasta la actualidad, con una de las industrias más poderosas y diversas de la industria química. En este sentido, la petroquímica ha supuesto un enriquecimiento altísimo en la industria orgánica por la amplia variedad de procesos industriales de síntesis en una vasta gama de productos y procedimientos. Como ejemplo de la industria orgánica se expondrá el surgimiento de la industria de colorantes, porque a su valor histórico une interesantes incidencias de las relaciones ciencia/tecnología/sociedad.
14.4.1. Un ejemplo: la industria de los colorantes Muchas veces ocurre en la investigación científica que un hecho totalmente fortuito ha conducido a resultados insospechados y de una importancia sorprendente. Esto es lo que sucedió con el fenómeno que abrió paso a la industria de los colorantes, cuando el inglés William Henry Perkin (18381907) descubrió la mauveína, el primer colorante sintético. El prestigioso químico orgánico Augustus Wilhelm von Hofmann (revise el Tema 12) dirigía una importante línea de investigación sobre el aprovechamiento de los productos residuales de la destilación de la hulla. En la segunda mitad del siglo XIX la eliminación de estos residuos —debidos sobre todo a la producción cada vez mayor de coque destinado a la creciente industria metalúrgica— llegó a constituir un serio problema. Por ello, se intentó reutilizarlos de tal manera que pudieran ser de algún provecho. Y según esto, Hofmann enfocó una de sus investigaciones hacia la posible obtención de anilinas y sus derivados del alquitrán de hulla. Es así como Perkin, joven asistente de Hofmann, intentó obtener la quinina mediante el tratamiento de
LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA/TECNOLOGÍA/SOCIEDAD
209
estos residuos con dicromato potásico. Encontró que se formaba un precipitado oscuro del que extrajo una sustancia de color violeta intenso. Pero esa masa no era la quinina, sino un compuesto de propiedades colorantes, que teñía la seda y la lana. Con este acontecimiento, en 1856, se inicia la industria de los colorantes. ¡Y, curiosamente, la quinina no se sintetizó hasta 1944! Perkin enseguida patentó su descubrimiento y se lanzó a la fabricación industrial de ese colorante, al que en principio dio el nombre de púrpura de anilina. Consiguió un éxito extraordinario y pronto pasó también su producción a Francia, donde se le llamó mauveína, precisamente debido a su color malva (de mauve, malva en francés). Animados por los altos beneficios, numerosos investigadores se adentraron en ese reciente campo de los colorantes sintéticos, buscando otros nuevos. Se abrió una rama industrial que rápidamente alcanzó un enorme desarrollo y potencial económico, en la que hay que diferenciar dos periodos: El primero se caracterizó por una investigación de tipo empírico, puesto que no se conocía aun la estructura de las moléculas de los colorantes. Se iba probando partiendo de benceno, tolueno y anilinas, sobre todo. Los países que más se dedicaron a esta nueva industria fueron Gran Bretaña y Francia. Así, Nathanson descubrió la fucsina y en 1861 se obtuvo el amarillo de anilina. Este primer periodo se extiende hasta más o menos 1866, año en que Kekulé con el establecimiento de la estructura del benceno dio paso a la química estructural. Con esto, ya se pueden determinar, tras cuidados y laboriosos análisis, la estructura de los colorantes naturales e intentar sintetizarlos artificialmente en un laboratorio para después llevar el procedimiento a escala industrial. Es decir, la investigación dejó de ser empírica para seguir una metodología organizada. De esta manera, se determinóla estructura de la alizarina en 1868 y se sintetizó poco después en 1871, colorante que contribuyó enormemente en el desarrollo de la conocida firma alemana BASF (Badische Anilin und Soda Fabrik), que de comenzar en 1861 como una pequeña empresa química pasó a ser a principios de la Primera Guerra Mundial uno de los complejos químicos mayores del mundo. Sin embargo, con el índigo el proceso fue mucho más largo: Baeyer empezó a estudiar su estructura en 1865 y consiguió establecerla en 1882, pero no se pudo sintetizar hasta 1897. Se fueron descubriendo así otros colorantes y mejorando los procesos industriales de los ya conocidos, entrando los países y empresas implicados en una verdadera guerra de patentes que condujo al surgimiento y engrandecimiento de muchos complejos industriales. Asimismo, se creó una competencia feroz, con consecuencias de orden económico, jurídico e incluso político que terminaron en un desplazamiento de la industria de colorantes hacia Suiza y Alemania a finales del siglo XIX, sólo a 40 años de su inicio. De la industria de colorantes también se generaron otras que con el tiempo fueron tan importantes o más. Por ejemplo, de la idea de cómo aprovechar el dióxido de azufre que se obtenía como subproducto en la síntesis del índigo es como
210
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
surgió el nuevo método de obtención del ácido sulfúrico «de o», que acabamos de tratar, iniciado también en los laboratorios de la BASF (aunque su producción comercial comenzará en Estados Unidos, Lousiana, en 1901). Por otra parte, esta industria tuvo otras importantes consecuencias, también a nivel económico. Pero en este caso negativas. Por ejemplo, el índigo natural se obtenía por extracción de un arbusto, indigofera tinctoria. India y Java, principalmente, lo producían de esta manera y lo vendían a los demás países, pero... ....como el índigo sintético resultaba mucho más barato que el natural, éste dejó de poderse vender y ocasionó una fuerte depresión económica en los países productores, India y Java.
14.5. LAS INDUSTRIAS QUÍMICAS Y LAS GUERRAS El siglo XX es testigo de la sensible mejora de las industrias existentes o de la sustitución de éstas por otros procedimientos más rentables, así como del nacimiento de otras muchas. Comienzan nuevos tipos de vida, que dan al traste con hábitos y necesidades del pasado pero que generan otros diferentes, a los que la industria ha de dar respuesta. Son numerosísimos y variados los casos que podrían citarse de industrias químicas que implican importantes aspectos científicos, económicos y sociales. Aunque, en realidad, podría hacerse esta observación extensiva a todos los tipos de industrias. Por otra parte, las dos Guerras Mundiales han promovido la creación de importantes investigaciones que han culminado casi siempre en el surgimiento de una producción industrial de la que también ha formado parte importantísima el sector químico en muy diferentes aspectos. Así, no sólo la necesidad de fabricar armas —explosivos o combustibles y, además, las terribles armas químicas que tanto se desarrollaron, desgraciadamente, en la Primera Guerra Mundial— sino también la falta de alimentos y medicinas, así como la escasez de materias primas, impusieron a los científicos un ritmo de investigación y creación mucho más «productivo» que el de tiempos de paz. Es interesante revisar algún ejemplo de la influencia que la política y necesidades provocadas por la guerra han ejercido sobre la industria química, tanto durante los conflictos bélicos como en los tiempos de postguerra. Como un caso de los más ilustrativos, revisaremos a grandes rasgos la síntesis del amoniaco.
14.5.1. Un ejemplo: la síntesis del amoniaco La síntesis industrial del amoniaco, que tiene el mérito de utilizar directamente el nitrógeno de la atmósfera, se lleva a cabo mediante el método de
LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LAS RELACIONES CIENCIA/TECNOLOGÍA/SOCIEDAD
211
Haber, el cual como señala esta denominación se debe al químico alemán Fritz Haber (1868-1934, Premio Nobel de Química en 1918). El amoniaco se prepara por combinación directa de sus elementos, en una reacción que es un clásico ejemplo de equilibrio químico. Por esto mismo, Haber, ilustre profesor e investigador en química física, pudo llevar a cabo la puesta a punto de la síntesis del amoniaco en 1908, gracias a su conocimiento de la termodinámica de reacciones gaseosas. Se montó la primera fábrica de amoniaco en 1913, dentro de la gran firma alemana BASF, muy poco antes del comienzo de la Primera Guerra Mundial. Pero cuando ésta estalló en 1914, el amoniaco pasó a convertirse en un compuesto de primera necesidad por ser punto de partida para la síntesis de ácido nítrico, el cual a su vez se utilizaba principalmente en la fabricación de explosivos para la guerra y de fertilizantes para el abastecimiento de alimentos y para toda una serie de importantes productos. Pero asimismo el amoniaco era empleado en multitud de otras industrias como agente químico e, incluso, como fluido refrigerante. En este sentido, el proceso de Ostwald de obtención de ácido nítrico por oxidación catalítica del amoniaco (puede revisarlo en el Tema 13) permitió a Alemania proveerse de este ácido y de nitratos. C/T/S La trascendencia de esta síntesis en medio de aquella larga guerra fue acrecentada por el hecho de que las importaciones a Alemania del nitrato de Chile, la fuente nitrogenada tradicional, se vio impedida por el bloqueo impuesto por los países aliados.
14.6. REFLEXIONES FINALES A través de estos ejemplos de la industria química, se evidencian una serie de ideas. Tales son, entre otras, que en la industria química se plasman los resultados de la investigación. Pero también entran otros factores muy diferentes: la interferencia económica, con unas leyes de mercado y el aprovisionamiento de las materias primas, el mundo de las patentes, los secretos de los descubrimientos industriales... Unos factores son económicos, otros políticos, otros jurídicos y a los que hay que añadir, sobre todo hoy en día, la posesión de una sofisticada tecnología y los problemas de contaminación. Tanto es así, que sus conexiones con los conflictos bélicos han existido siempre y en un doble sentido. Las guerras han impulsado la investigación y la industria química, bien para conseguir productos de rentabilidad bélica o bien productos de subsistencia, simplemente, que después han podido ser de utilidad en tiempos de paz. Pero también, a la inversa, en ciertos casos la carencia de productos base o de materias primas han provocado esos conflictos. No hay más que hacer una ligera revisión de las dos Guerras Mundiales para afirmarnos en esta observación.
212
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
Y como recapitulación final vemos cómo, ya desde el siglo XIX, la química se ha ido institucionalizando. No sólo es reconocida por los gobiernos y es ayudada de forma más o menos sistemática, más o menos organizada, en su mantenimiento económico, sino que también es apoyada por la opinión pública que reconoce y valora su contribución al desarrollo social. Los investigadores en química pura o en química aplicada ya no tienen que recurrir a su fortuna personal —como Lavoisier— o a mecenazgos —como Leblanc—, porque o bien los gobiernos o bien entidades públicas o privadas sufragarán los gastos de su investigación. De esto se beneficia la química, pero también la industria.
Obtención del ácido sulfúrico, o «aceite de azufre» en el siglo
XVII.
BIBLIOGRAFÍA
BIBLIOGRAFÍA GENERAL BENSAUDE, B. y STENGERS, I. (1997): Historia de la Química. Madrid. Addison-Wesley Iberoamericana Española, S.A. BERETTA, M. (1993): The Enlightenment of Matter. N. York. Science History Publications. BROCK, V. H. (1992): Historia de la Química. Madrid. Alianza Editorial. CALVO CALVO, F. (1982): Historia de la Química. Madrid. Real Academia de Ciencias. HOEFER, F. (1866): Histoire de la Chimie. París. Gutenberg Reprints. IHDE, J. I. (1984): The Development of Modern Chemistry. New York. Dover Publications, Inc. LEVERE, T. H. (1971): Affinity and Matter. Oxford. Clarendon Press. MULTHAUF, R. P. (1966): The origins of Chemistry. London. Oldbourne. OSTWALD, W. (1916): L´Évolution d´une Science, La Chimie. Paris. Ernest Flammarion Ed. PARTINGTON, J. R. (1945): Historia de la Química. Madrid. Espasa-Calpe. VIDAL, B. (1989): La Liaison Chimique: le Concept et son Histoire. Paris. Librairie Philosophique J. Vrin. WOJTKOWIAK, B. (1986): Historia de la Química. Zaragoza. Ed. Acribia.
BIBLIOGRAFÍA ESPECÍFICA ELIADE, M. (1990): Herreros y Alquimistas. Madrid. Alianza Ed. FEYERABEND, P. K. (1975): Contra el Método. Barcelona. Ed. Ariel. GARCÍA BARRENO, P. (Director) (2000): La Ciencia en sus Manos. Madrid. Espasa-Calpe. GOUPIL, M. (1991): Du Flou au Clair? Histoire de l. Affinité Chimique. Paris. Editions du C.T.H.S. KUHN, T. S. (1975): La Estructura de las Revoluciones Científicas. México. Fondo de Cultura Económico. LEICESTER, H. M. (1968): Source Book in Chemistry. Cambridge, Massachusetts. Harvard University Press.
214
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
LEICESTER, H. M. (1967): Panorama Histórico de la Química. Madrid. Alhambra. LUCRECIO (1969): De la Naturaleza de las Cosas. Madrid. Espasa-Calpe. LEVERE, T. H. (1971): Affinity and Matter. Elements of Chemical Philosophy 1800-1865. Oxford. Clarendon Press. MARCO, B. (1986): La Perspectiva Histórica en el Aprendizaje de las Ciencias. Madrid. Narcea. MAUSKOPF, S. H. (Editor) (1993). Chemical Sciences in the Modern World. Filadelfia. University of Pennsylvania Press. METZGER, H. (1991); Chemistry. West Cornwall. Locust Hill Press . NAVARRO CORDÓN, J. M. y CALVO MARTÍNEZ, T. (1995): Historia de la Filosofía. Madrid. Anaya. ROCKE, A. J. (1984): Chemical Atomism in the Nineteenth Century. From Dalton to Cannizzaro. Ohio. Ohio State University Press. SABINE, G. (1975): Historia de la teoría política. México. Fondo de Cultura Económica. SÁNCHEZ RON, J. M. (1999): Como al León por sus Garras. Madrid. Ed. Debate. — (1999): Cincel, Martillo y Piedra: Historia de la Ciencia en España. Madrid. Taurus. DE SANTIAGO, D. (1994): Arte Separatoria. Alicante. Instituto de Cultura «Juan GilAlbert», Diputación de Alicante. SARTON, G. (1959): Historia de la Ciencia. La Ciencia durante la Edad de Oro griega. Ciencia y Cultura en los últimos tres siglos A.C. Buenos Aires. Ed. Universitaria de B.Aires. TRAYNHAM, J. G., editor (1986): Essays on the History of Organic Chemistry. Baton Rouge y Londres. Louisiana State University Press. VIDAL, B. (1989): La Liaison Chimique: le Concept et son Histoire. Lyon, Instituit Interdisciplinaire d´Etudes Epistemologiques.
BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA TATON, R. (ed.) (1989): Historia General de las Ciencias. Barcelona. Destino. BYNUM, W. F., BROWNE, E. J. y PORTER, R. (Eds.) (1986): Diccionario de Historia de la Ciencia. Barcelona. Herder. Biblioteca Histórica de Grandes Personajes. Ed. Urbión
OTRAS LECTURAS ASIMOV, I. (1975): Breve Historia de la Química. Madrid. Alianza Ed. CAPRA, F. (1987): El Tao de la Física. Madrid. Ed. Luis Cárcamo. HEISENBERG, W. (1976): La Imagen de la Naturaleza en la Física Actual. Barcelona. Ariel.
ÍNDICE ALFABÉTICO DE PERSONAJES
A ABEGG, Richard, 169 AGRÍCOLA (Georg BAUER), 23, 72 AGUSTÍN (San), 64 ALBERTO MAGNO, 63, 64 143 ALDER, Kurt, 185 ALEJANDRO MAGNO, 47, 59 AL-MAMOUN, 61 AL-MANSOUR, 61 AMPÈRE, André M., 135 ANAXIMANDRO, 41 ANDREWS, Thomas, 160 ARISTÓTELES, 41, 48-52, 60, 62, 64, 77, 84, 85 ARRHENIUS, Svante, 145, 147, 153 ASTON, F.W., 165, 167 AVERROES, 63 AVICENA, 63 AVOGADRO, Amadeo, 134, 135 B BACON, Francis, 20, 64, 22, 84 BACON, Roger, 64 BAEYER, Alfred, 180, 183, 184, 209 BALARD, Antoine Jérôme, 192 BALMER, Johann, 167 BARBA, Alonso, 90 BAUMANN, Eugen, 185 BAYEN, Pierre, 105 BEAUMÉ, Antoine, 105 BECKEREL, Henri, 166 BECKMANN, Ernst, 147 BECHER, Johann Joachim, 97, 98, 99 BEGUYER DE CHANCOURTOIS, 161
BERGMAN, Torben,104, 175, 176, 196 BERNOUILLI, Daniel, 160 BERTHELOT, Marcelin, 150, 151, 155, 159, 176, 180, 185 BERTHOLLET, Claude-Louis, 117, 118, 128, 129, 130, 137, 152 BERZELIUS, Jöns Jacob, 100, 120, 128, 136-138, 139, 153, 169, 176, 177, 178, 179, 182, 192, 196 BJERRUM, Niels, 149, 197 BLACK, Joseph, 101, 102, 118 BOERHAAVE, Hermann, 105, 132 BOETTGER, Johann Friedrich, 103, 203 BOHR, Niels, 167 BOLTZMANN, Ludwig, 150, 151, 152, 160 BONAPARTE, Napoleón, 128, 129 BORN, Max, 168 BOYLE, Robert, 21, 72, 78, 83-91, 96, 99, 102, 125, 132, 133, 143, 195 BRÖNSTED, Johannes N., 148 BROOGLIE (de), Louis, 168 BUNSEN, Robert Wilhelm, 177, 182, 197 BUTLEROW, Alexander, 182
C CANNIZZARO, Stanislao, 135, 180 CARLISLE, Anthony, 144 CARLOS I (Inglaterra), 89 CARLOS IV (España) CARNOT, Sadi, 150 CATALINA DE MÉDICIS, 72 CAVENDISH, Henry, 102, 109, 110, 112, 115, 116, 118
216
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
CELSO, 73 CLAISEN, Ludwig, 185 CLAPEYRON, Benoit, 150 CLAUSIUS, Rudolf, 150, 160 CLAUSS, Adolf, 183 CLÉMENT, Nicolás, 153, 207 CLEOPATRA (alquimista), 61 CLEOPATRA (reina de Egipto), 33 COMTE, Auguste, 152 COOK, 192 COPÉRNICO, Nicolás, 22 COREY, Robert B., 187 COUPER, Archibald, 182 COURTOIS, Bernard, 192 CRAFTS, James Mason, 185 CRISTINA (reina de Suecia), 104 CROMWELL, Oliver, 78, 206 CRUKSHANK, 144 CURIE, Marie (M. SKLODOWSKA), 166 CURIE, Pierre, 166 CURTIUS, T., 185 CHADWICK, James, 165 CHARLES, Jacques Alexander Césart, 130 CHEVREUL, Michel-Eugène, 176, 178
ELIADE, Mircea, 47, 56 EMPÉDOCLES, 41, 48, 49, 52 EPICURO, 50, 51 ERLENMEYER, Emil, 180, 182 ESTEBAN DE ALEJANDRÍA, 61
F FAJANS, Kasimir, 170 FARADAY, Michel, 145, 154, 184 FEDERICO EL GRANDE (Prusia), 202 FISCHER, Emil, 186 FITTIG, R., 185 FOURCROY, Antoine François, 118, 119 FRANCK, 168 FRANKLAND, Edward, 169, 180, 182 FRANKLIN, Edward C., 148 FRESENIUS, Carl Remigius, 196 FREUNDLICH, H.,154 FRIEDEL, Charles, 185 FUKUI, Kenichi, 187
G D DALTON, John, 103, 126, 127, 129, 130136, 139, 159, 164, 165 DAVY, Humphry, 144, 154, 192 DEBYE, Peter, 149, 151, 171 DEIMAN, J., 144 DEMÓCRITO, 41, 50 DESCARTES, René, 20, 22, 78, 84, 86 DESORMES, Charles Bernard, 153, 207 DEWAR, James, 160, 184 DIELS, Otto, 185 DIOCLECIANO, 61 DIOSCÓRIDES, 40, 42 DIRAC, Paul, 168 DÖBEREINER, J.W., 153, 161 DRUDE, 169 DULONG, Pierre Louis, 138, 139 DUMAS, Jean Baptiste, 161, 177-179, 180, 182, 185 E EINSTEIN, Albert, 151, 155, 160, 167, 168
GABRIEL, 185 GALENO, 42 GALILEO (Galileo GALILEI), 22, 84 GARBETT, 206 GASSENDI, Pierre, 84 GAY-LUSSAC, Louis Joseph, 128, 129, 130, 134, 154, 178, 181, 192, 196, 207 GEBER (Djabir Ibn Ajan), 62 GEOFFROY, François, 105, 143 GERHARD, Charles, 179, 180, 182 GIBBS, Josiah Willard, 150, 151, 197 GILLESPIE, Ronald, 170, 193 GLAUBER, Jean Rudolf, 175 GLOVER, J., 207 GMELIN, Leopold, 175 GOLDSTEIN, Eugen, 165 GRAHAM, Thomas, 146 GRIGNARD, Victor, 185 GRONWALL, 149 GROTTHUS, Theodor, 145 GUETTARD, Jean Etienne, 110 GULDBERG, Cato Max, 152 GUYTON DE MORVEAU, Louis Bernard, 112, 117, 118, 177
217
ÍNDICE ALFABÉTICO DE PERSONAJES
H HABER, Fritz, 211 HALES, Stephen, 101, 112 HALL, Charles Martin, 193 HANTZSCH, Arthur, 184, 185 HAROUN-AL-RACHID, 61 HARVEY, William, 22, 89 HEGEL, Georg W.F., 50 HEISENBERG, Werner, 168, 186 HEITLER, Walter, 170 HELMHOLTZ, Hermann Ludwig F. von, 150 HENRY, William, 132, 146 HERÓN, 83, HESS, Germain H., 149 HEYROUSKY, Jaroslav, 149 HIGGINS, William, 134 HISINGER, William, 137, 144 HITTORF, Johann Wilhelm, 146 HOFFMANN, Ronald, 187 HOFMANN, August Wilhelm, 180, 208 HOLKER, 206 HOOKE, Robert, 86, 87, 88, 90 HÜCKEL, Erich, 147, 170 HUND, Fredrick, 168, 170 I INGOLD, Christopher K., 187, 193 J JOULE, James Prescott, 131, 149 K KANT, Emmanuel, 50, 127 KASSEL, 153 KEKULE VON STRADONITZ, August, 169, 180, 182-184, 209 KELVIN (lord), William Thomson, 150 KEPLER, Johannes, 22 KEYNES, John M., 95 KIRCHOFF, Gustav Robert, 197 KIRWAN, Richard, 106, 118, 196 KLAPROTH, Martin Heinrich, 196 KNOLL, M., 198 KNORR, Ludwig, 185
KOHLRAUS, Friedrich, 146 KOLBE, Hermann, 176, 180-185 KÖRNER, Wilhelm, 183 KOSSEL, Walter, 169, 170 KRAUSS, 148 KRISHAN, K.S., 198 L LA MER, 149 LAAR, Conrad, 184 LADENBURG, Albert, 183 LANGMUIR, Irving, 154, 170 LAO TSÉ, 57, 78 LAPLACE, Pierre Simon, 110, 115, 116, 120, 149 LASAREFF, 155 LAURENT, Auguste, 177-180 LAVOISIER, Antoine-Laurent, 21, 52, 77, 87, 90, 91, 99, 100, 102, 105, 106, 109-120, 125, 127, 128, 132, 136, 139, 149, 166, 175, 176, 177, 212 LAVOISIER, Marie Anne Pierrette (M.A.P. PAULTZE), 110, 112 LE BEL, Joseph, 183 LE CHATELIER, Henri, 150 LEBLANC, Nicolás, 105, 201, 204, 205, 212 LECOQ DE BOISBAUBRAN, P.E., 163 LEMERY, Nicolás, 76, 106, 177, 206 LENNARD-JONES, John Edward, 170 LEUCIPO DE MILETO, 50 LEWIS, Gilbert Newton, 148, 151, 170 LIBAVIO (LIBAVIUS), Andreas, 23, 75, 76, 153 LIEBERMANN, Carl, 185 LIEBIG (von), Justus, 55, 65, 177-179, 181, 182, 185, 197 LINNEO, Carl, 105, 117 LOMONOSSOV, Mikhail, 106 LONDON, Fritz, 171 LOSCHMIDT, Joseph, 182 LOWRY, Thomas Martín, 148 LUCRECIO, 51, 83 LUIS XV (Francia), 206 LULL, Ramón (LULIO, Raimundo), 65 M MACQUER, Pierre-Joseph, 203 MARAT, Jean Paul, 110
218
INTRODUCCIÓN A LA HISTORIA DE LA QUÍMICA
MARCOWNIKOFF, Vladimir, 186 MARGGRAFE, Andreas Sigismund, 104, 196 MARÍA LA HEBREA, 60, 64 MARIOTTE, Edmé, 88 MAYER, Julius Robert, 149 MAYOW, John, 89, 90, 143 MENDELEEV, Dmitri, 162, 163 MEYER, Lothar, 162, MEYER, Victor, 180, 184 MILNER, S.R., 149 MITSCHERLICH, Eilhard, 137, 138, 176 MOHR, Carl Friedrich, 197 MOISSAN, Henri, 192 MOLINER, María, 18, 19 MOND, Ludwig, 194 MONGE, Gaspard, 117 MOSANDER, C.G., 192 MOSELEY, Henry, 163, 165 MULLIKEN, Robert S., 170 N NATHANSON, 209 NERNST, Walter, 148, 151 NEUMANN, Caspar, 104, 203 NEWCOMEN, 149 NEWLANDS, John, 161, 163 NEWTON, Isaac, 22, 78, 95, 96, 125, 132, 143 NICHOLSON, William, 144 NOBEL, Alfred, 147, 148, 155, 160, 164, 165, 166, 167, 169, 170, 183, 184, 185, 186, 192, 197, 211 NYHOLM, Ronald, 170, 193 O ONSAGER, Lars, 149 ORGEL, Leslie, 193 OSTWALD, Wilhelm Friedrich, 118, 148, 159, 183, 184, 193, 194, 196, 198, 211 OWEN, 149 P PALISSY, Bernard, 72 PARACELSO (P.A.T. BOMBEST von HOHENHEIM), 23, 72, 73, 74, 75, 77, 78, 85, 86, 102, 109
PASTEUR, Louis, 119, 183 PAULI, Wolfgang, 168 PAULING, Linus C., 168, 170, 187 PAULZE, Marie Anne (ver en Lavoisier) PEARSON, Ralph G., 148 PERKIN, William Henry, 185, 186, 208, 209 PETIT, Alexis T., 138, 139 PFEFFER, W., 146 PLANCK, Max, 151, 155, 160, 164, 167 PLATÓN, 48 PLINIO, 39, 42 POTT, Johann Heinrich, 103, 203 PRIESTLEY, John, 100, 103, 109, 110, 112, 113, 114, 115, 125, 131 PROUST, Louis-Joseph, 127, 128 PROUT, William, 139 R RAMAN, C.V., 197 RAMSAY, William, 163, 169, 197 RAOULT, François Marie, 147 RAYLEIGH (lord; John William Strutt), 163, 197 REY, Jean, 90, 120, 166 RHASES (Al-Razi), 62, 63, 206 RICHTER, Jeremias Benjamin, 102, 126, 127, 137 RIVE (de la), 149 ROBINSON, Robert, 187 ROEBUCK, John, 206 RÖNTGEN, Wilhelm Conrad., 164 ROSE, Heinrich, 192, 196 ROUELLE, François, 105, 111, 127 RUNGE, 185 RUSKA, Ernst, 198 RUTHERFORD, Ernest, 166, 167 RYDBERG, Johannes, 163, 167 S SABATIER, Paul, 185, 208 SAINTE-CLAIRE DEVILLE, Henri, 193 SALA, Angelus, 206 SANDMEYER, Trangott, 185 SAINTE-CLAIRE DEVILLE, Henri, SCHEELE, Carl Wilhelm, 103, 105, 106, 175, 176 SCHOTTEN, Carl, 185
219
ÍNDICE ALFABÉTICO DE PERSONAJES
SCHRÖDINGER, Erwin, 168 SENDERENS, J.B., 185, 208 SÉNECA, 51 SILVIO, Franciscus, 79 SLATER, John, 170 SODDY, Frederick, 166 SOLVAY, Ernest, 205 SOMMERFELD, Arnold, 168 SÖRENSEN, Peter, 148 STAHL, Georg, 89, 96, 97, 98, 100, 104, 105, 109, 111, 113, 143, 176 STAHL, Peter, 89 STEPHENSON, 149 STONEY, G.C., 164
VAN HELMONT, Joan Baptista, 52, 76, 77, 78, 84, 85, 86, 96, 101, 102 VAN LAAR, 149, 151 VAN TROOTSWIJK, A., 144 VAN´T HOFF, Jacobus Henricus, 146, 150, 152, 153, 183, 184 VAUQUELIN, Nicolas Louis, 196 VOGEL, Arthur I., 196 VOLHARD, J., 196 VOLTA, Alessandro, 144 VON GERICKE, Otto, 88 VON LINDE, Carl, 160 VON WALDEN, Paul, 148, 184 W
T TACHENIO, Otto, 79 TALES DE MILETO, 48, 52 TENNANT,Charles, 192 TEÓFILO, 63 TEOFRASTO, 40, 41, 42 THÉNARD, Louis Jacques, 154, 161, 181, 192 THIELE, Johannes, 184 THOLDE, Johann, 64 THOMSEN, Julius, 148, 150 THOMSON, Joseph John, 164-168 THOMSON, Thomas, 196 TOMÁS DE AQUINO (SANTO), 63, 64 TORRICELLI, Evangelista, 89 TRAVERS, 197
WAAGE, Peter, 152 WARD, 206 WATT, James, 115, 149, 192 WEDGWOOD, Josiah, 203 WERNER, Alfred, 163, 169, 170, 184, 193 WILHELMY, Ferdinand, 152 WILLIAMSON, Alexander, 180 WISLICENUS, Johannes, 184 WITTIG, Georg, 186 WÖHLER, Friedrich, 137, 153, 176, 177, 178, 181, 193 WOLLASTON, William H., 192 WOODWARD, Roger B., 187 WREN, Christopher, 89 WURTZ, Adolph, 180-183, 185 Z
V VALENTÍN, Basilio, 64 VAN DER WAALS, Johannes D., 160, 161, 170
ZEEMANN, Pieter, 168 ZENÓN, 51 ZÓSIMO, 23 ZSIGMONDY, Richard, 164
ISBN 84-362-4347-1
Related Documents 3m3m1z
Introduccion A La Historia De La Gastronomia.docx 1q4e5f
October 2019 207
Introduccion A La Historia De La Quimica.pdf 5b3k4n
May 2020 14
Introduccion A La Historia De La Gastronomia 5u3p26
April 2022 0
Introduccion A La Historia Regional.pdf 435b1a
December 2019 222
Introduccion-a-la-historia-de-la-gastronomia-docx.pdf 3s3ff
October 2019 392
Alonso Pereira-introduccion A La Historia De La Arquitectura 5b2s3v
November 2019 144More Documents from "Andrea Morales" j6n1d
Introduccion A La Historia De La Quimica.pdf 5b3k4n
May 2020 14
Where There's A Will, There's A Way, Kinda Beautiful.docx 5o6w58
November 2022 0
Esmida-n Profesores.pdf 1tb2t
December 2019 58
Absorbancia Densidad Optica Y Lambda 1p671a
November 2019 30
Tension Superficial 462s4n
September 2020 0