Historia de la química
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La historia de la química está intensamente unida al desarrollo del hombre, ya que embarca desde todas las transformaciones de materias y las teorías correspondientes. A menudo la historia de la química se relaciona íntimamente con la historia de los químicos y -según la nacionalidad o tendencia política del autor- resalta en mayor o menor medida los logros hechos en un determinado campo o por una determinada nación.
La ciencia química surge en el siglo XVII a partir de los estudios de alquimia populares entre muchos de los científicos de la época. Se considera que los principios básicos de la química se recogen por primera vez en la obra del científico británico Robert Boyle: The Skeptical Chymist (1661). La química como tal comienza sus andares un siglo más tarde con los trabajos de Antoine Lavoisier que en conjunto con Carl Wilhelm Scheele descubrieron el oxígeno, Lavoisier a su vez propuso la ley de conservación de masa y la refutación de la teoría del flogisto como teoría de la combustión.
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Primeros avances de la química
El principio del dominio de la química es el dominio del fuego. Hay indicios de que hace más de 500.000 años, en tiempos del homo erectus, algunas tribus consiguieron este logro que aún hoy es una de las tecnologías más importantes. No sólo daba calor en las noches de frío, también ayudaba a protegerse contra los animales salvajes y permitía la preparación de comida cocida. Esta contenía menos microorganismos patógenos y era más fácilmente digerida. Así bajaba la mortalidad y se mejoraban las condiciones generales de vida. Nuevamente, resultó imprescindible para el desarrollo de la metalurgia, la madera, el carbón y la mayoría de los procesos químicos.
La metalurgia
La metalurgia como uno de los principales procesos de transformación utilizados hasta hoy comenzó con el descubrimiento del cobre, del oro y de la plata. Aunque existe en la naturaleza como elemento la mayor parte se halla en forma de minerales como la calcopirita, la azurita o la malaquita. Especialmente las últimas son fácilmente reducidas al metal. Se supone que unas joyas fabricadas de alguno de estos minerales y caídas accidentalmente al fuego llevaron al desarrollo de los procesos correspondientes para obtener el metal.
Luego por experimentación o como resultado de mezclas accidentales se descubrió que las propiedades mecánicas del cobre se podían mejorar en sus aleaciones. Especialmente tuvo éxito la aleación del cobre con el estaño y trozos de otros elementos como el arsénico conocido como bronce que se consiguió de forma aparentemente independiente en oriente próximo y en China desde dónde se extendió por casi todo el mundo y que dio el nombre a la edad de bronce.
Unas de las minas de estaño (como otro mineral esencial en la obtención de esta aleación) más importantes de la antigüedad se hallaban en las islas británicas. Originalmente el comercio fue dominado por los fenicios. Luego el control sobre este recurso importante probablemente era la razón de la invasión romana en las Britania.
Los hititas fueron unos de los primeros en obtener el hierro a partir de sus minerales. Este proceso es mucho más complicado ya que requiere temperaturas más elevadas y por lo tanto la construcción de hornos especiales. Sin embargo el metal obtenido así era de baja calidad con un elevado contenido en carbono y tenía que ser mejorado en diversos procesos de purificación y forjándolo. La humanidad tardó siglos en desarrollar los procesos actuales de obtención de acero, (generalmente por oxidación de las impurezas insuflando oxígeno o aire en el metal fundido (proceso de Besmer)). Su dominio era uno de los pilares de la revolución industrial.
Otro hito metalúrgico era la obtención del aluminio. Descubierto a principios del siglo XIX y en un principio obtenido por reducción de sus sales con metales alcalinos, destacó por su ligereza. Su precio superó el del oro y era tan apreciado que unos cubiertos regalados a la corte francesa se fabricaron de este metal. Con el descubrimiento de la síntesis por electrólisis y posteriormente el desarrollo de los generadores eléctricos su precio cayó abriéndose nuevos campos para su uso.
La cerámica
Otro campo de desarrollo que ha acompañado al hombre desde la antigüedad hasta el laboratorio moderno es el del vidrio y de la cerámica. Sus orígenes datan de la prehistoria cuando el hombre descubrió que los recipientes hechos de arcilla cambiaron sus características mecánicas e incrementaron su resistencia frente al agua si eran calentados en el fuego. Para controlar mejor el proceso se desarrollaron diferentes tipos de hornos.
En Egipto se descubrió que recubriendo la superficie con mezclas de determinados minerales (sobre todo mezclas basadas en feldespato y galena) esta se cubría con una capa muy dura y brillante, el esmalte, cuyo color se podía variar añadiendo pequeñas cantidades de otros minerales o las condiciones de aireación en el horno. Estas tecnologías se difundieron rápidamente. En China se perfeccionaron las tecnologías de fabricación de las cerámicas hasta dar con la porcelana en el siglo VII. Durante siglos china mantenía el monopolio en la fabricación de este producto. Tan sólo en el siglo XVIII Johann Friedrich Böttger reinventó el proceso en Europa.
Relacionado con el desarrollo de la cerámica es el desarrollo del vidrio a partir de cuarzo y carbonato sódico o potásico. Su desarrollo igualmente empezó en el Antiguo Egipto y fue perfeccionado por los romanos. Su producción masiva a finales del siglo XVIII insto al gobierno francés a promocionar un concurso para la obtención del carbonato sódico ya que la fuente habitual -las cenizas de madera- no se obtuvieron en cantidades suficientes como para cubrir la creciente demanda. Ganador era Nicolas Leblanc aunque su proceso cayó en desuso debido al proceso de Solvay desarrollado medio siglo más tarde dio un empujón fuerte al desarrollo de la industria química.
Sobre todo las necesidades de la industria óptica de vidrio de alta calidad llevaron al desarrollo de vidrios especiales con añadidos de boratos, aluminosilicatos, fosfatos etc. Así se consiguieron vidrios con constantes de expansión térmica especialmente bajas, índices de refracción muy elevados o muy pequeños etc. Este desarrollo empujó por ejemplo la química de los elementos de las tierras raras. Aún hoy en día la cerámica y el vidrio son campos abiertos de investigación.
La química como ciencia
El filósofo griego Aristóteles pensaba que las sustancias estaban formadas por cuatro elementos: tierra, aire, agua y fuego. Paralelamente discurría otra corriente paralela, el atomismo, que postulaba que la materia estaba formada de átomos, partículas indivisibles que se podían considerar la unidad mínima de materia. Esta teoría, propuesta por el filósofo griego Demócrito de Abdera no fue popular en la cultura occidental dado el peso de las obras de Aristóteles en Europa. Sin embargo tenía seguidores (entre ellos Lucrecio) y la idéa se quedó presente hasta el principio de la edad moderna.
Entre los siglos III a. C. y el siglo XVI d.C la química estaba dominada por la alquimia. El objetivo de investigación más conocido de la alquimia era la búsqueda de la piedra filosofal, un método hipotético capaz de transformar los metales en oro. En la investigación alquímica se desarrollaron nuevos productos químicos y métodos para la separación de elementos químicos. De este modo se fueron asentando los pilares básicos para el desarrollo de una futura química experimental.
La química como tal comienza a desarrollarse entre los siglos XVI y XVII. En esta época se estudió el comportamiento y propiedades de los gases estableciéndose técnicas de medición. Poco a poco fue desarrollándose y refinándose el concepto de elemento como una sustancia elemental que no podía descomponerse en otras. También esta época se desarrolló la teoría del flogisto para explicar los procesos de combustión.
A partir del siglo XVIII la química adquiere definitivamente las características de una ciencia experimental. Se desarrollan métodos de medición cuidadosos que permiten un mejor conocimiento de algunos fenómenos, como el de la combustión de la materia, descubriendo Lavoisier el oxígeno y sentando finalmente los pilares fundamentales de la química moderna.
El vitalismo y el comienzo de la química orgánica
Después de que se comprendieran los principios de la combustión, otro debate de gran importancia se apoderó de la química: el vitalismo y la distinción esencial entre la materia orgánica e inorgánica. Esta teoría asumía que la materia orgánica sólo puede ser producida por los seres vivos, atribuyendo este hecho a una vis vitalis inherente a la propia vida. Base de esta asunción era la dificultad de obtener materia orgánica a partir de precursores inorgánicos. Este debate fue revolucionado cuando Friedrich Wöhler descubrió accidentalmente en 1828 cómo se podía sintetizar la urea a partir de cianato de amonio, mostrando que la materia orgánica podía crearse de manera química. Sin embargo, aún hoy en día se mantiene la clasificación en química orgánica e inorgánica, ocupándose la primera esencialmente de los compuestos del carbono y la segunda de los compuestos de los demás elementos.
Los motores para el desarrollo de la química orgánica eran, en el principio, la curiosidad sobre los productos presentes en los seres vivos (con probablemente la esperanza de encontrar nuevos fármacos) y la síntesis de los colorantes o tintes. La última surgió tras el descubrimiento de la anilina por Runge y la primera síntesis de un colorante artificial por Perkin.
Luego se añadieron los nuevos materiales como los plásticos, los adhesivos, los cristales líquidos, los fitosanitarios, etc.
Hasta la Segunda Guerra Mundial la principal materia prima de la industria química orgánica era el carbón, dada la gran importancia de Europa en el desarrollo de esta parte de la ciencia y el hecho que en Europa no hay grandes yacimientos de alternativa, como el petróleo. Con el final de la Segunda Guerra Mundial y el creciente peso de los Estados Unidos en el sector químico, la química orgánica clásica se convierte cada vez más en la petroquímica que se conoce hoy. Una de las principales razones es la mayor facilidad de transformación y la gran variedad de productos de partida encontradas en el petróleo.
La tabla periódica y el descubrimiento de los elementos químicos
En 1860 los científicos ya habían descubierto más de 60 elementos diferentes y habían determinado su masa atómica. Notaron que algunos elementos tenían propiedades químicas similar por lo cual le dieron un nombre a cada grupo de elementos parecidos. En 1829 el químico J.W. Döbenreiner organizó un sistema de clasificación de elementos en el que éstos se agrupaban en grupos de tres denominados triadas. La propiedades químicas de los elementos de una triada eran similares y sus propiedades físicas variaban de manera ordenada con su masa atómica. Algo más tarde, el químico ruso Dmitri Ivanovich Mendeleyev desarrolló una tabla periódica de los elementos según el orden creciente de sus masas atómicas. Colocó lo elementos en columnas verticales empezando por los más livianos, cuando llegaba a un elemento que tenía propiedades semejantes a las de otro elemento empezaba otra columna. Al poco tiempo Mendeleiev perfecciono su tabla acomodando los elementos en filas horizontales. Su sistema le permitió predecir con bastante exactitud las propiedades de elementos no descubiertos hasta el momento. El gran parecido del germanio con el elemento previsto por Mendeleyev consiguió finalmente la aceptación general de este sistema de ordenación que aún hoy se sigue aplicando.
Sin embargo, la tabla de Mendeleiev no era del todo correcta. Después de que se descubrieron varios elementos nuevos y de que las masas atómicas podían determinarse con mayor exactitud, se hizo evidente que varios elementos no estaban en el orden correcto. La causa de este problema la determinó el químico inglés Henry Moseley quien descubrió que los átomos de cada elemento tienen un número único de protones en sus núcleos, siendo el número de protones igual al número atómico del átomo. Al organizar Moseley los elementos en orden ascendente de número atómico y no en orden ascendente de masa atómica, como lo había hecho Mendeleiev, se solucionaron los problemas de ordenamiento de los elementos en la tabla periódica. La organización que hizo Moseley de los elementos por número atómico generó un claro patrón periódico de propiedades.
Desarrollo de la teoría atómica
Inicia con la teoría de Leucipo y Demócrito, antiguos filósofos griegos, quienes dieron la palabra átomo (a= sin ; tomo=división) a todas aquellas partículas que forman parte de la materia.
La teoría es retomada luego por John Dalton, quien postulaba que los átomos eran partículas indivisibles, a partir de lo cual estableció supuestos de la estequiometría, como la Ley de las Proporciones Fijas.
A lo largo del siglo XIX la química estaba dividida entre los seguidores de la teoría atómica y aquellos que no como Wilhelm Ostwald y Ernst Mach. Los impulsores más decididos de la teoría atómica eran Amedeo Avogadro, Ludwig Boltzmann y otros que consiguieron grandes avances en la comprensión del comportamiento de los gases. La disputa fue finalizada con la explicación del efecto Browniano por Albert Einstein en 1905 y por los experimentos de Jean Perrin al respecto.
Mucho antes de que la disputa hubiera sido resuelta muchos investigadores habían trabajado bajo la hipótesis atómica. Svante Arrhenius había investigado la estructura interna de los átomos proponiendo su teoría de la ionización. Su trabajo fue seguido por Ernest Rutherford quien abrió las puertas al desarrollo de los primeros modelos de átomos que desembocarían en el modelo atómico de Niels Bohr. En la actualidad el estudio de la estructura del átomo se considera una rama de la física y no de la química.
