Grupo Lentiscal de Didáctica de la F y Q. Breve historia de la Química HISTORIA DE LA QUÍMICA

Transcripción

1 Grupo Lentiscal de Didáctica de la F y Q HISTORIA DE LA QUÍMICA En sus primeros orígenes la química tuvo su asiento en China, India, Egipto y Grecia EGIPTO En el Egipto arcaico alcanzó un notable desarrollo la obtención de colorantes minerales y vegetales, de colas, ceras y barnices. Hace más de tres mil años. Desde el tercer milenio antes de C., los egipcios explotaron los minerales auríferos, obtuvieron oro de los mismos desde l Siglo XV a de C. CHINA En el siglo I se fabricaba ya en China porcelana mediante el procedimiento de cocer caolín a unos grados, consiguiendo por vitrificación un barniz traslúcido y totalmente impermeable. China es la "cuna de los grandes descubrimientos de la humanidad". En la invención de la pólvora, mezclando salitre, azufre y carbón, La destilación del alcohol es otra técnica de invención china, expuesta en diversos tratados a partir del siglo VII, que fue después asimilada por el mundo islámico y el europeo. Los importantes avances que la metalurgia china consiguió en fechas muy tempranas Ya en el siglo lo III antes de C. empleaban procedimientos para el refino del oro y la plata. (se decía que GRECIA: Toda la materia estaba compuesta de cuatro elementos: aire, tierra, agua y fuego. LA ALQUIMIA EUROPEA La alquimia de la Antigüedad helenística y del Islam medieval y, a través de ésta, la china sirvieron de punto de partida a la que se desarrolló en Europa desde la Baja Edad Media hasta finales del siglo XVII. La subcultura científica en torno a la alquimia utilizó casi exclusivamente manuscritos no accesibles públicamente sino destinados a iniciados, utilizando por ello un lenguaje esotérico a base de complejas metáforas e imágenes que asocian las figuras técnicas con las alegóricas. Los "siete metales" alquímicos (oro, plata, hierro, mercurio, cobre, plomo y estaño), aparecen representados en el interior de la tierra, en la que se engendran, pero en el cielo están asociados al Sol, la Luna, Marte, Mercurio, Venus, Saturno y Júpiter, respectivamente. En la alta edad media, los árabes (Yabir, Razi, Avicena, Averroes) dieron cierto impulso a la química práctica (llamada entonces «alquimia») con su búsqueda de la piedra filosofal (transformación de los metales en oro) y de la panacea universal (remedio contra todos los males), trabajos que, continuados por los alquimistas (Alain de Lille, Alberto Magno, Vincent de Beauvais, Roger Bacon, Ramon Llull, Arnau de Vilanova) hasta el renacimiento, contribuyeron al descubrimiento de muchos cuerpos y a la creación de ciertas técnicas de laboratorio. Solamente en el siglo XVII se imprimieron de forma habitual textos alquímicos. La más célebre compilación fue el Theatrum Chemicum, impresa en Estrasburgo el año Sus cuatro volúmenes reúnen, por una parte, versiones latinas de los atribuidos a Hermes Trismegisto, divinidad grecoegipcia, fundador mítico de la ciencia y la técnica, y a Avicena (siglo XI) y otros autores árabes. Por otra, tratados bajomedievales falsamente atribuidos a grandes personalidades científicas de la época, como el alemán Alberto Magno, el mallorquín Ramón Lull y el valenciano Arnau de Vilanova, Los procesos químicos básicos fueron desarrollados por los alquimistas. Aparatos para la calcinación, sublimación, degradación, solución, destilación, coagulación, fijación e incineración representados en la Alchemia (1545), de Geber, nombre supuestamente árabe que corresponde en realidad a un autor de la Europa latina. Ya en el siglo XVI, Paracelso, junto con Agricola y Bernard Palissy, defendió el método experimental y estableció la primera cátedra pública de química. Paracelso y la iatroquímica: vivió durante la primera mitad del siglo XVI. Basándose principalmente en las doctrinas alquimistas, desplazó a un segundo plano la teoría de los cuatro elementos y también la de los cuatro humores orgánicos. Formuló una visión dinámica del universo, del cuerpo humano y de sus enfermedades fundamentada en las tres "sustancias" alquímicas ("mercurius", "sulphur" y "sal") y en el "arqueo", fuerza vital específica que las ordenaba en el cuerpo del hombre. Andreas Libavius, que insistió en el trabajo de laboratorio y publicó un influyente tratado sistemático (1597). De éste proceden los grabados que representan el edificio y el plano de un "laboratorio ideal".

2 Hay en él instalaciones destinadas a destilación, análisis cuantitativo y cristalización, así como para alquimia y preparación de medicamentos químicos. Johann Baptist van Helmont, en la segunda mitad del siglo XVII, realizó, entre otras, importantes investigaciones sobre los gases y las bases, creando el término "gas" y denominando "álcalis" a las lejías. A fines del siglo XVII, Robert Boyle abrió la larga serie de teorías que, a través de Lavoisier (verdadero fundador de la química moderna), Dalton (teoría atómica y ley de las proporciones múltiples), Proust (ley de las proporciones definidas), Gay-Lussac (cuya ley relativa a los volúmenes corroboró las anteriores), Avogadro, Berzelius, Mendeléiev, Berthelot y tantos otros, condujeron a las modernas concepciones atómicas y al desarrollo de los procesos de síntesis, bases del auge de esta ciencia en sus aspectos teórico e industrial, respectivamente A principios del siglo XVIII. Nicolas Lémery escribe su "Curso de Química" editado en frances en 1675 y que es traducido en España por Félix Palacios (Madrid, 1721). Diversos autores de este período trataron de realizar ordenar en las tablas de afinidad la información empírica disponible referente a la "afinidad" química de las diversas sustancias entre sí, una de ellas fue realizada por Etienne François Geoffroy ( ) y presentada en 1718 a la Académie des Sciences de París. La tabla de afinidades representa a las sustancias químicas con los símbolos empleados en la época, heredados de la tradición alquímica. La idea que preside la clasificación de Geoffroy es la siguiente: si un cuerpo "C" puesto en contacto con un compuesto "AB" forma el compuesto "AC", entonces podemos concluir que "C" tiene más afinidad por "A" que el cuerpo "B". Así, por ejemplo, la primera columna representa las sustancias que se unen a los ácidos volátiles, representados por el símbolo superior de la columna. En orden de afinidad decreciente aparecen en esta primera columna la potasa, el amoníaco, los óxidos metálicos y los metales. Torbern Bergman ( ) construyó entre 1775 y 1783 varias tablas de afinidad, algunas de las cuales incluían 29 columnas con información sobre la afinidad química de 27 ácidos, 8 bases y 14 metales, diferenciando entre reacciones por vía húmeda y por vía seca (o forzadas por el fuego). La teoría del flogisto desarrollada a principios del siglo XVIII puede considerase como la primera gran teoría de la química moderna: Fue desarrollada por el médico Georg Ernst Stahl ( ) siguiendo las ideas de su maestro J.J.Becher ( ), propuso una explicación conjunta de la calcinación de los metales, la combustión de los cuerpos combustibles y la respiración de los animales, basada en la existencia de un "principio de la combustibilidad" que denominó "flogisto". De acuerdo con sus ideas, los metales estaban formados por flogisto y la cal correspondiente, de modo que, cuando se calcinaban, el flogisto se desprendía y dejaba libre la cal. Del mismo modo, para obtener el metal a partir de la cal, era necesario añadirle flogisto, el cual podía obtenerse a partir de una sustancia rica en este principio, como el carbón, por ejemplo. Un buen ejemplo de los libros que emplearon esta teoría es la popular obra de Joseph Macquer, Élémens de chymie théorique que fue traducida al castellano y publicada en 1788 en España, donde fue utilizada para la enseñanza de la química que se impartió en la Universidad. El desarrollo de los estudios sobre los gases fueron una de las causas que llevaron al abandono de la teoría del flogisto, aunque estas investigaciones se desarrollaron dentro de este marco teórico. Un ejemplo ilustrativo de este hecho es la obra de Joseph Priestley ( ) que llevo a cabo la recogida de gases sobre una cubeta llena de mercurio. A pesar de que este autor realizó alguna de las principales aportaciones que contribuyeron al abandono de la teoría del flogisto, Priestley siempre interpretó sus resultados experimentales en el marco de esta teoría, lo que le llevó a acuñar términos como "aire flogisticado" o "aire desflogisticado". El aire desflogisticado hace referencia a un aire carente de flogisto, en el cual la combustión se ve favorecida porque el flogisto puede desprenderse con mayor facilidad del metal. Antoine Lavoisier, es el principal artífice del abandono de la teoría del flogisto, denominó a este gas desflogisticado "oxígeno". El "aire flogisticado" era para Priestley un aire saturado de flogisto, por lo que la combustión o la respiración, reacciones que suponían un desprendimiento de flogisto, no podían producirse en él. Lavoisier lo denominó "ázoe", basándose en que este gas es incapaz de mantener la vida. Los "Annales de chimie" fue una de las primeras revistas especializadas de química. Fue creada por Antoine Lavoisier y sus colaboradores en El Traité élémentaire de chimie de Antoine Lavoisier ( ), se publicó en París en 1789 y representa la culminación de

3 la química del siglo XVIII que llevó al abandono de la teoría del flogisto y al uso de nuevas concepciones sobre los elementos y la composición de los cuerpos. Realizo un famoso experimento de Lavoisier para el estudio de la respiración en el que participa su colaborador Armand Seguin ( ), con el objetivo de calcular la cantidad de oxígeno absorbida por el hombre en diversas situaciones. En este dibujo aparece también la esposa de Lavoisier, Marie-Anne Pierrette Paulze ( ) que tradujo diversos textos científicos y realizó las ilustraciones de los aparatos de química del Traité élémentaire de chimie. El conocido retrato de Lavoisier y su esposa fue realizado por el pintor francés David en El texto de Lavoisier contiene la primera tabla de sustancias simples en sentido moderno. A pesar de ello, en el panel puede observarse la presencia en esta tabla sustancias que hoy consideramos compuestas, como la alúmina (óxido de aluminio), la cal o la sílice. Lavoisier las incluyó porque había sido incapaz de descomponerlas, aunque predijo que pronto dejarían de formar parte de las sustancias simples. También resulta sorprendente para un lector actual encontrar en esta tabla "sustancias simples" como la "luz" o el "calórico". La distinción entre elementos y compuestos fue la base de la obra conjunta de Louis-Bernard Guyton de Morveau ( ), Claude-Louis Berthollet ( ), Antoine Fourcroy ( ) y Antoine Lavoisier titulada Méthode de nomenclature chimique, publicada en París en Esta obra alcanzó notable difusión y fue traducida a diversas lenguas, lo que permite considerarla como el punto de partida de la terminología química actual. En la imagen aparece la portada de la traducción castellana de la nueva terminología química. Fue realizada por el profesor de química del Colegio de Cirugía de Madrid Pedro Gutiérrez Bueno ( ) y apareció un año después de la primera edición francesa. Luis Proust es el autor de la ley de las proporciones definidas. Proust, realizó la mayor parte de su actividad científica en España, primero en la Sociedad Vascongada de Amigos del País, más tarde en la Academia de Artillería de Segovia y, finalmente, en el Real Laboratorio establecido en Madrid a principios del siglo XIX. La hipótesis atómica de John Dalton ( ) fue formulada a principios del siglo XIX, en 1808 y marcó el comienzo del cálculo sistemático de pesos atómicos para todos los elementos. De este modo, podían explicarse las leyes de combinación establecidas durante estos años, como la ley de proporciones definidas de Luis Proust, la ley de proporciones múltiples del propio Dalton o la ley de proporciones recíprocas de Benjamin Richter ( ), autor que también acuñó el término "estequiometría". Las ideas de Dalton no fueron universalmente aceptadas por los químicos del siglo XIX. Además de otros aspectos, para el cálculo de los pesos atómicos era necesario realizar algunas "hipótesis a priori" imposibles de comprobar durante estos años, lo que permitió el mantenimiento de la polémica durante un largo período de tiempo. Una prueba de ello es que sigamos utilizando la expresión "hipótesis de Avogadro" para designar la ley que afirma que volúmenes iguales de dos gases, en condiciones iguales de presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas. Cuando Amadeo Avogadro ( ), y André Marie Ampère ( ) formularon de modo independiente esta afirmación en los primeros años del siglo XIX, se trataba de una "hipótesis a priori", imposible de comprobar en la época. Sin embargo, su uso sistemático permitió a Stanislao Cannizaro ( ) defender en el congreso de Karlsruhe en 1860 un sistema coherente de pesos atómicos. Los primeros valores de la "constante de Avogadro" fueron obtenidos por Joseph Loschmidt ( ) en 1865, gracias al desarrollo de la teoría cinética de los gases, por lo que la IUPAC recomienda el símbolo L para esta constante. EL NACIMIENTO DE LAS ESPECIALIDADES DE LA QUÍMICA Las aportaciones de los autores siguientes representan el punto de partida de tres especialidades de la química que comenzaron a diferenciarse claramente a mediados del siglo XIX: la química inorgánica, la química orgánica y la química analítica. La química inorgánica

4 El tratado de química del sueco Jöns Jacob Berzelius ( ) fue una de las obras de referencia más importantes para los químicos de la primera mitad del siglo XIX. Además de sus importantes contribuciones al desarrollo de la química inorgánica, Berzelius es recordado por haber introducido las modernas fórmulas químicas. La traducción castellana de los Doctores D. Rafael Sáez y Palacios y D. Carlos Ferrari y Scardini apareció en Madrid en 15 volúmenes entre 1845 y La química orgánica Justus von Liebig ( ) fue uno de los principales artífices del desarrollo de la química orgánica del siglo XIX. Su libro Química orgánica aplicada a la fisiología animal y a la patología..., apareció traducido en Cádiz en Liebing fuen un gran químico experimental. El laboratorio de Liebig en Giessen en 1842 es considerado como uno de los centros más importantes de enseñanza de la química del período. En el estudiaron químicos tan importantes como A.W. Hofmann, Fresenius, Pettenkofer, Kopp, Fehling, Erlenmeyer, Kekulé, Wurtz, Regnault, Gerhardt, Williamson, O. Wolcott Gibbs, entre otros. También estudió con Liebig el español Ramón Torres Muñoz de Luna ( ) que tradujo al castellano alguna obras del químico alemán. Una de las contribuciones de Liebig en el campo de la química orgánica fue el desarrolló de métodos de análisis más precisos y seguros. Es famosos su diseño de un aparato basado en el método de Liebig para determinar carbono e hidrógeno en sustancias orgánicas. El procedimiento está basado en la propiedad del óxido cúprico de oxidar las sustancias orgánicas que con él se calientan para transformarlas en dióxido de carbono y agua. La sustancia que se desea analizar se deseca y pulveriza, se mezcla con el óxido de cobre y se calienta en el tubo de combustión hasta que se produce la combustión. El agua producida se recoge en tubos que contienen cloruro cálcico, mientras que el dióxido de carbono se recoge en un aparato que contiene hidróxido de potasio. Otra contribución fundamental en el desarrollo de la química orgánica de este período fue la introducción por parte de Berzelius del concepto de "isomerismo" y los estudios cristalográficos de Louis Pasteur ( ) sobre los isómeros ópticos del ácido tartárico (ácido 2,3- dihidroxibutanodioico). En 1874, Jacobus Henricus Van t Hoff ( ) y Joseph Achille Le Bel ( ) explicaron la actividad óptica de los diversos isómeros del ácido tartárico mediante la introducción del concepto de "carbono asimétrico", o átomo de carbono unido a cuatro grupos químicos diferentes. La química analítica El desarrollo de la química analítica a mediados del siglo XIX aparece representado por Heinrich Rose ( ) y Karl Remegius Fresenius ( ). Heinrich Rose fue profesor de química en la Universidad de Berlín, desde donde realizó numerosas contribuciones a la química, entre ellas el descubrimiento del niobio. Su libro Handbuch der analytischen Chemie apareció publicado en Berlín en 1829 y fue reeditado en numerosas ocasiones durante todo el resto del siglo. Al contrario de lo que había sido habitual hasta ese momento, Rose trató cada elemento en un capítulo separado en el que indicaba sus correspondientes reacciones analíticas, esquema que hemos conservado hasta la actualidad. El proceso de análisis de Rose se abría con el uso del ácido clorhídrico que permitía identificar la plata, mercurio y plomo. Seguía la precipitación con ácido sulfhídrico para continuar con sulfato de amonio y, finalmente, hidróxido de potasio. La traducción castellana de la obra de Rose fue realizada por el médico catalán Pere Mata i Fontanet ( ), discípulo de Mateu Orfila que realizó una notable producción en el campo de la toxicología. La química física La química física no se constituyó como especialidad independiente hasta finales del siglo pasado y principios del actual. Podemos tomar como punto de partida de la nueva especialidad las fechas de creación de dos de las primeras revistas que incorporaron este nombre a su título: la alemana Zeitschrift für physicalische Chemie dirigida por Wolfgang Ostwald ( ) y Jacobus Henricus Van t Hoff ( ), que comenzó su publicación en 1887, y la estadounidense Journal of Physical Chemistry dirigida por Wilder Dwight Bancroft ( ) desde A pesar de ello, durante todo el siglo XIX se realizaron notables aportaciones a algunos de los campos que habitualmente suelen reunirse bajo la química física como la termoquímica, la electroquímica o la cinética química. El punto de partida del desarrollo de los conocimientos sobre electroquímica, hemos de situarlo en la obra de Alessandro Volta ( ), autor de la primera pila que lleva su nombre a principios del siglo XIX. Poco años después, Humphry Davy ( ), hizo pasar la corriente eléctrica a través

5 de sosa y potasa fundida, lo que le permitió aislar dos nuevos metales: el sodio y el potasio. Su principal discípulo y su sucesor en la Royal Institution fue Michael Faraday ( ), que continuó las investigaciones de su maestro. En un artículo publicado en 1834, Faraday propuso sus dos conocidas leyes sobre la electrólisis. La primera afirma que la cantidad de sustancia que se deposita en un electrodo es proporcional a la cantidad de carga eléctrica que atraviesa el circuito. En su segunda ley, Faraday afirma que la cantidad de carga eléctrica que provoca el desprendimiento de un gramo de hidrógeno produce el desprendimiento de una cantidad igual al equivalente electroquímico de otras sustancias. Michel Faraday en su laboratorio en la Royal Institution realizo una pequeña experiencia para comprobar la ley de Faraday.Consiste en un circuito eléctrico en el que se han intercalado varios frascos con electrodos de platino introducidos en disoluciones de diversas sales. Al cabo de un cierto tiempo, la cantidad de corriente eléctrica que ha pasado por el circuito es la misma para todos los frascos, con lo que las cantidades desprendidas de las diferentes sustancias deben guardar una relación igual a la de sus equivalentes electroquímicos. En la creación del sistema periódico de los elementos, se pueden distinguir tres grandes períodos: los orígenes de acumulación de datos experimentales, el "período de descubrimiento" de la ley periódica, y el siguiente el "período de explicación" a través de la introducción del concepto de número atómico, configuración electrónica y los cono cimientos sobre la mecánica cuántica. En primer lugar, durante todo la primera mitad del siglo XIX los químicos calcularon los pesos atómicos de los elementos y acumularon una gran cantidad de datos experimentales. Durante estos años, se produjeron ya algunos intentos de relacionar los pesos atómicos con las propiedades de los elementos, la más conocida de las cuales son las "triadas" de Johann Wolfgang Döbereiner ( ). Döbereiner comprobó que en algunos grupos de elementos con propiedades química análogas, como los halógenos bromo, cloro y yodo, el peso atómico de uno de estos elementos era igual a la semisuma de los pesos atómicos de los otros dos: Br = (Cl + I)/2 = ( )/2 = Sin embargo, la creación de un sistema en el cual todos los elementos se encuentran ordenados de acuerdo con el peso atómico creciente y donde los elementos con propiedades análogas ocupan columnas o grupos, no tuvo lugar hasta la década de los años sesenta del siglo pasado. A pesar de la imagen que suele repetirse en los algunos libros de texto, el descubrimiento del sistema periódico de los elementos debe ser considerado como un descubrimiento múltiple realizado por investigadores de varios países que, en algunos casos, no tenían conocimiento de los trabajos del resto. Podemos considerar el trabajo del francés Alexandre Emile Béguyer de Chancourtois ( ) como una de las primeras aportaciones en este sentido. Su vis tellurique, apareció publicada en Representa un cilindro sobre cuyas caras se han colocado los elementos en orden creciente de números atómicos, de modo que los elementos con propiedades análogas, como el oxígeno, azufre, selenio y teluro, ocupan una columna. Entre 1862 y 1871, se propusieron sistemas periódicos semejantes por diversos autores como John Alexander Reina Newlands ( ), con su ley de las octavas, William Odling ( ), Gustavus Detlef Hinrichs ( ), Julius Lothar Meyer ( ) y el ruso Dimitri Ivanovith Mendeleieff ( ). Mendeleieff consideraba que la relación entre los pesos atómicos y las propiedades de los elementos constituía una "ley periódica", lo que le llevó a dejar huecos para elementos aún no descubiertos, de los que predijo algunas de sus propiedades. Este segundo período de la historia del sistema periódico de los elementos puede denominarse como el "período de descubrimiento", el siguiente lo podemos denominar como el "período de explicación". En efecto, sólo con la introducción del concepto de "número atómico" y con la aclaración de estructura electrónica de los átomos, gracias a la mecánica cuántica, ha sido posible explicar las características de este sistema periódico descubierto por los químicos de la segunda mitad del siglo XIX. A principios del siglo XX, Becquerel y Pierre y Marie Curie descubrieron la radiactividad natural. La fisión del uranio descubierta por Fermi permitió la utilización (pacífica y militar) de la energía nuclear. Y en el campo de la química biológica cabe destacar los trabajos de Wilkins, Watson y Crick sobre la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN), que han permitido estudiar los procesos de autoduplicación de los seres vivos.