En muchos sentidos, la historia de la civilización es la historia de la química – el estudio de la materia y sus propiedades.
Los seres humanos siempre han buscado identificar, usar y cambiar los materiales de nuestro entorno.
Los primeros alfareros encontraron hermosos esmaltes para decorar y conservar sus productos. Los pastores, cerveceros y vinateros utilizaban técnicas de fermentación para elaborar queso, cerveza y vino.
Las amas de casa filtraban la lejía de la ceniza de la madera para hacer jabón. Los herreros aprendieron a combinar el cobre y el estaño para hacer bronce.
Los artesanos aprendieron a hacer vidrio; los marroquineros curtían pieles.
En el siglo VIII d.C., Jābir ibn Hayyān, astrónomo, filósofo y científico musulmán,se convirtió en uno de los primeros en utilizar métodos científicos para estudiar materiales.
También conocido por su nombre latinizado, Geber, es conocido como el “padre de la química”. Se cree que es el autor de 22 pergaminos que describen métodos de destilación, cristalización, sublimación y evaporación. Inventó el alambique, un dispositivo utilizado para destilar y estudiar los ácidos. También desarrolló un temprano sistema de clasificación química utilizando las propiedades de los materiales que estudió. Sus categorías eran:
- Espíritus:materiales que se vaporizarían cuando se calientan.
- Metales:incluyendo hierro, estaño, cobre y plomo.
- Sustancias no maleables:materiales que pueden convertirse en polvo, como la piedra.
Química clásica
En Europa, el estudio de la química fue realizado por alquimistas con el objetivo de transformar metales comunes en oro o plata e inventar un elixir químico que prolongara la vida. Aunque estos objetivos nunca se alcanzaron, se hicieron algunos descubrimientos importantes en el intento.
- Robert Boyle estudió el comportamiento de los gases ydescubrió la relación inversa entre volumen y presión de un gas. También afirmó que “toda la realidad y el cambio pueden describirse en términos de partículas elementales y su movimiento”, una comprensión temprana de la teoría atómica. En 1661, escribió el primer libro de texto de química, “The Sceptical Cymist”, que alejó el estudio de las sustancias de las asociaciones místicas con la alquimia y las llevó a la investigación científica.
Si continuamos con la narración de la historia de la química (Podrás leer la versión extendida aquí) el siglo XVIII, el Siglo de las Luces había echado raíces en toda Europa. Joseph Priestley (1733-1804) refutó la idea de que el aire era un elemento indivisible. Demostró que se trataba, en cambio, de una combinación de gases cuando aisló el oxígeno y descubrió otros siete gases discretos. Jacques Charles continuó el trabajo de Boyles y es conocido por afirmar la relación directa entre la temperatura y la presión de los gases. En 1794, Joseph Proust estudió los compuestos químicos puros y estableció la Ley de Proporciones Definidas – un compuesto químico siempre tendrá su propia proporción característica de componentes elementales. El agua, por ejemplo, siempre tiene una proporción de dos a uno de hidrógeno y oxígeno.
- Antoine Lavoisierfue un químico francés que hizo importantes contribuciones a la ciencia. Mientras trabajaba como recaudador de impuestos, Lavoisier ayudó a desarrollar el sistema métrico para asegurar pesos y medidas uniformes. Fue admitido en la Academia Francesa de Ciencias en 1768. Dos años más tarde, a los 28 años, se casó con la hija de 13 años de un colega. Marie-Anne Lavoisier es conocida por haber ayudado a su marido en sus estudios científicos traduciendo documentos en inglés y haciendo numerosos dibujos para ilustrar sus experimentos.
La insistencia de Lavoisier en la medición meticulosa lo llevó a descubrir la Ley de Conservación de la Masa. En 1787, Lavoisier publicó “Methods of Chemical Nomenclature” (Métodos de Nomenclatura Química), que incluía las reglas para dar nombre a los compuestos químicos que todavía se utilizan en la actualidad. Su “Tratado Elemental de Química” (1789) fue el primer libro de texto de química moderna. Definió claramente un elemento químico como una sustancia que no puede ser reducida en peso por una reacción química y enumeró el oxígeno, el hierro, el carbono, el azufre y casi 30 otros elementos que se sabía que existían en ese momento. Sin embargo, el libro tenía algunos errores; enumeraba la luz y el calor como elementos.
- Amedeo Avogadrofue un abogado italiano que comenzó a estudiar ciencias y matemáticas en 1800.Expandiendo el trabajo de Boyle y Charles, aclaró la diferencia entre los átomos y las moléculas. Continuó diciendo que los mismos volúmenes de gas a la misma temperatura y presión tienen el mismo número de moléculas. El número de moléculas en una muestra de 1 gramo de peso molecular (1 mol) de una sustancia pura se llama la Constante de Avogadro en su honor.Se ha determinado experimentalmente que es de 6.023 x 1023 moléculas y es un factor de conversión importante utilizado para determinar la masa de reactivos y productos en reacciones químicas.
En 1803, un meteorólogo inglés comenzó a especular sobre el fenómeno del vapor de agua. John Dalton era consciente de que el vapor de agua es parte de la atmósfera, pero los experimentos demostraron que el vapor de agua no se formaría en otros gases. Especuló que esto tenía algo que ver con el número de partículas presentes en esos gases. Tal vez no había espacio en esos gases para que penetraran las partículas de vapor de agua. Había más partículas en los gases “más pesados” o eran más grandes. Utilizando sus propios datos y la Ley de Proporciones Definidas, determinó las masas relativas de las partículas para seis de los elementos conocidos: hidrógeno (el más ligero y al que se le asignó una masa de 1), oxígeno, nitrógeno, carbono, azufre y fósforo.
Describir el átomo
En 1896, Henri Becquerel descubrió la radiación. Junto con Pierre y Marie Curie, mostró que ciertos elementos emiten energía a tasas fijas. En 1903, Becquerel compartió un Premio Nobel con los Curies por el descubrimiento de la radiactividad. En 1900, Max Planck descubrió que la energía debe ser emitida en unidades discretas que él llamaba “quanta” (ya que denominaba fotones) y no en ondas continuas. Parecía que los átomos estaban formados por partículas aún más pequeñas, algunas de las cuales podían alejarse.
En 1911, Ernst Rutherford demostró que los átomos consistían en una pequeña y densa región con carga positiva rodeada por áreas relativamente grandes de espacio vacío en las que se mueven partículas aún más pequeñas y con carga negativa (electrones). Rutherford asumió que los electrones orbitan el núcleo en órbitas ordenadas separadas, así como los planetas orbitan el sol. Sin embargo, debido a que el núcleo es más grande y más denso que los electrones, no pudo explicar por qué los electrones no fueron simplemente arrastrados hacia el núcleo, destruyendo así el átomo.
El modelo atómico deNiels Bohr (1885-1962) resolvió este problema utilizando la información de Planck. Los fotones son emitidos por un átomo estimulado eléctricamente sólo a ciertas frecuencias. Hizo la hipótesis de que los electrones habitan en distintos niveles de energía y que la luz sólo se emite cuando un electrón “excitado” eléctricamente es forzado a cambiar los niveles de energía.
Los electrones en el primer nivel de energía, el más cercano al núcleo, están estrechamente ligados al núcleo y tienen una energía relativamente baja. En niveles más distantes del núcleo los electrones tienen energía creciente. Los electrones en el nivel de energía más alejado del núcleo no están ligados tan estrechamente y son los electrones involucrados cuando los átomos se unen para formar compuestos. La naturaleza periódica de las propiedades elementales es el resultado del número de electrones en el nivel de energía exterior que pueden estar involucrados en los enlaces químicos. Aunque los modelos de Bohr han sido reemplazados por modelos atómicos más precisos, los principios subyacentes son sólidos y los modelos de Bohr todavía se utilizan como diagramas simplificados para mostrar la unión química.
Nuestra comprensión del átomo ha seguido perfeccionándose. En 1935, James Chadwick recibió el Premio Nobel por su descubrimiento de que hay un número igual de partículas eléctricamente neutras en el núcleo de un átomo. Dado que los neutrones son eléctricamente neutros, no son desviados ni por electrones ni por protones. Además, los neutrones tienen más masa que los protones. Estos hechos se combinan para hacer posible que los neutrones penetren en los átomos y rompan el núcleo, liberando grandes cantidades de energía. En los últimos años, es cada vez más evidente que los protones, neutrones y electrones de la química clásica están formados por partículas subatómicas aún más pequeñas. Las ciencias de la química y la física están cada vez más entrelazadas y las teorías se superponen y entran en conflicto a medida que seguimos sondeando los materiales de los que está hecho nuestro universo.
