Año Internacional de la Química 2011, Diario de Teruel, Miguel Carreras

Año Internacional de la Química 2011: en vísperas

Año Internacional de la Química 2011: en vísperas

Desde hace poco más de dos siglos las industrias químicas se han hecho imprescindibles en la consecución del bienestar de las poblaciones y se han convertido en un indicador del potencial de las naciones. Basta pensar en nuestra vida cotidiana: las fibras que nos visten y nos comunican, los medicamentos que han aumentado las expectativas de vida y mitigado las dolencias de las enfermedades, los abonos sintéticos que han multiplicado las cosechas y colaborado junto a la mejora de los nutrientes a una alimentación de más calidad… En un plano más científico pensemos en la relevancia de la fijación del nitrógeno atmosférico, base de la biofertilización, con todas sus posibilidades para el mundo vegetal e industrial o en la preparación de nuevos materiales y en el continuo desarrollo de los catalizadores y sus variadas implicaciones. Se ha tenido que pagar el precio de productos de reacción no deseados y residuos nocivos de determinados procesos de la industria pesada que deterioran en ocasiones el medio ambiente. Sin embargo, las soluciones pasadas, presentes y futuras a estos problemas, casi siempre vienen de la mano de la Química, con importantes logros y expectativas. Es una ciencia central pues se relaciona con todas las demás que en mayor o menor medida precisan de ella en sus investigaciones y nuevos descubrimientos.

La Química antigua y la Alquimia

Hay consenso en asociar los principios de la Química con el descubrimiento del fuego y que a partir de ese trascendental evento se comenzó a hacer química, sin saberlo, en la cocción y modificación de los alimentos, continuando después vidrieros,
pintores, orfebres, herreros…Desde tiempos muy remotos los chinos conocían la pólvora, fabricaban porcelanas y cerámicas y sabían obtener sal, azúcar, aceites y aguardientes de semillas y en Mesopotamia se practicaban algunos procesos químicos para fabricar esmaltes, vidrios, pomadas y bebidas alcohólicas. El hombre prehistórico se percata de la importancia de los metales. Se han hallado objetos de cobre en Mesopotamia de unos 6000 años a.C. y en Egipto se explotaban minas de los metales más apreciados, oro, plata, cobre, plomo, estaño y hierro.
La civilización griega pone los cimientos a las primeras teorías de constitución de la materia. El primer paso lo dio Tales afirmando que todo viene del agua y todo se convierte en agua. Anaxímenes dice lo mismo pero para el aire. Se considera a Empédocles el predecesor de la teoría de los cuatro elementos, agua, aire, tierra y fuego. Los pitagóricos asocian estos elementos a figuras geométricas y Aristóteles añade el éter- quinta esencia- y los relaciona con las qualitates primae: sequedad- humedad y calor-frío.
Demócrito, discípulo de Leucipo, se planteaba en Atenas unos 400 años a. C. hasta qué límite se podía dividir la materia y apuesta por los átomos indestructibles que se diferencian por su tamaño y forma y no pueden ser percibidos por nuestros sentidos. Sus heterodoxas ideas, precursoras de la modernidad, perturbaron las mentes de su época, aunque tuvieron que pasar muchos siglos de oscuridad para que adquirieran vigencia y abrieran el camino del atomismo científico.
La Alquimia, precursora de la Química, fue un laboratorio donde confluyeron religiosidad y materialismo. Pudo tener su nacimiento en Alejandría, según se deduce de unos papiros
estudiados en el siglo XIX, donde aparecen unas normas para el teñido, elaboración de piedras preciosas y procedimientos metalúrgicos. Las fuentes de la Alquimia fueron el hermetismo práctico y el corpus resultante de la síntesis de aristotelismo y platonismo. De Aristóteles toma la concepción dinámica de los cuatro elementos y la teoría de la materia y de la forma. A Hermes Trimigesto, personaje legendario del “arte sagrado”, se le considera autor de escritos de unos 300 años a. de C., que pretendían ser una alternativa a la Biblia. Supuesto autor de la “Tábula smoragdina”, que contiene aforismos y principios del arte alquímico, consideraba a los metales como embriones que maduran en el interior de la tierra. Los alquimistas querían convertir los metales en oro, el menos degradado. Pero no se referían al oro común, sino al filosófico, ideal puro del oro materializado en la tierra: “Aurum nostrum not est aurum vulgui”. El alquimista era una especie de médico de metales y de la naturaleza.
Otros historiadores sitúan el origen de la Alquimia en Oriente. En China se desarrolló, de la mano del taoísmo, y destacaron Tsu Yen y Ko Hung que decía que la piedra filosofal, elixir de la inmortalidad, con el cinabrio como fuente primordial, permitiría obtener oro de los metales comunes.

En la Alquimia árabe, sobresalió Jabir Ibn Hayyes (Geber). Sus publicaciones toman como referencia la Tabla de la Esmeralda de Hermes, antes nombrada. Los alquimistas árabes perfeccionaron el alambique que utilizaron especialmente en la preparación de perfumes. El texto más antiguo de la alquimia medieval es la “Schedula diversarum” de Teófilo, donde se describen métodos para obtener oro. Entra en Europa a través del califato de Córdoba, a partir del siglo XII.
Nombres propios de este periodo en occidente serían Alberto Magno con su “De minerabilis” , Roger Bacon, de algún modo precursor de la explicación moderna de la combustión- “el aire era el alimento del fuego”- , Tomás de Aquino, que escribió “Tratado sobre la esencia de los minerales” y en España, Arnaldo de Vilanova y Ramón Llull. La invención de la imprenta favoreció la circulación de manuscritos y publicaciones y los monasterios fueron protagonistas de la difusión científica de la época. A Basilio Valentín, personaje enigmático, se le atribuye, entre otras obras, “El carro triunfal del antimonio”. A partir de Valentín, como dice Esteva de Sagrera, “la Alquimia se separa en tres ramas, una alegórica y mística, otra enfocada hacia la farmacia y una residual que sigue en el empeño de la piedra filosofal. La Química comienza su desarrollo, aceptando como legado la instrumentación y tecnología alquimistas”.
Al suizo Theofrastus Bombast von Hohenheim -Paracelso- se debe en gran medida, la orientación de la química hacia la farmacia: “Alquimistas, no hagáis oro, haced medicinas”. Defensor del método experimental, adoptó la tríada de principios asociados a los estados: sólido (sal), fluido (mercurio) e inflamable (azufre).Escribió Archidoca, tratado de química para médicos y es considerado un predecesor de la bioquímica. Su interpretación iatroquímica de la fisiología humana iba a adquirir un notable auge en el futuro. Prototipo de la mentalidad de la primera fase del Renacimiento, fue un personaje extravagante, violento y enfrentado a los científicos formales. Contradictorio, tenía un pie en el nuevo mundo, manteniendo el otro en el viejo.
Si dijimos que el fuego estuvo en el origen de la Química, su interpretación por la teoría del flogisto de Becher y Sthal para la combustión pudo retrasar un siglo el avance de la Química como
ciencia. Básicamente el flogisto se consideró un ente imponderable, principio inflamable, que estaba fijado en los cuerpos y se transmitía al quemarlos. Aunque Priestley y Scheele influyeron inconscientemente en su descalificación como partícipes del descubrimiento del oxígeno, no sería hasta Lavoisier con sus Reflexiones sobre el Flogisto en 1783 cuando, con la balanza como instrumento sistemático, se dilucidara el fenómeno de la combustión. El flogisto es el definitivo canto de cisne de la alquimia.

Antoine Laurent Lavoisier

La revolución química: Lavoisier y Dalton

En el siglo XVIII se amplía la lista de metales con el descubrimiento del bismuto y el platino. También se obtiene el fósforo. La bomba neumática de Otto von Guericke fue decisiva en el alumbramiento de los gases. Entre 1650 y 1750 se constata la existencia de cuerpos gaseosos distintos del aire atmosférico siendo Van Helmont quien primero diferenció gases de vapores y Robert Boyle el que establece las primeras leyes de compresibilidad.
Aunque Boyle en The sceptical chymist había cuestionado los elementos peripatéticos, (“un elemento es un cuerpo que no se puede descomponer”) sus tesis no fueron suficientemente aceptadas por sus colegas contemporáneos, pero abrieron el camino al triunfo de la idea del cuerpo simple formulado por Lavoisier hacia 1780 y a la teoría atómica de Dalton de 1805.
Antoine Lavoisier luchó con éxito en el laboratorio contra los lastres que todavía moraban en la ciencia química de su época. Desmontó la idea de que el agua era un elemento que se podía transformar en tierra, pero uno de sus mayores aportaciones fue la interpretación de la combustión. En 1774 calentó mercurio en
una retorta cerrada hasta que se convirtió en óxido y observó que los ratones no podían vivir en el aire resultante (nitrógeno). Pesó el “aire puro” (oxígeno) que dijo formaba parte de todos los ácidos. Además, con múltiples experimentos demostró la conservación de la materia en los cambios químicos, ley de Lavoisier, que plasmó en el Tratado elemental de Química y que se convirtió en fundamento de fórmulas y ecuaciones de la Química moderna.
De sus trabajos se deducía que algunas sustancias que se pensaban compuestas eran simples y otras simples eran realmente compuestas. Con Bertholet, Foucroy y Guyton confeccionó el Método de Nomenclatura química en 1787, donde con leguaje coherente se reformaba totalmente el variopinto conjunto de denominaciones de las sustancias químicas existentes. Se dice que las revoluciones devoran a sus hijos y la francesa lo hizo con Lavoisier, avanzado en lo científico y conservador en lo político. La frase del presidente del tribunal que lo condenó a la guillotina: “La República no tiene necesidad de sabios” es tachada de fábula por el historiador M. Daumas. Al día siguiente de su ejecución, Lagrange diría:”No necesitarán más que un momento para hacer caer esta cabeza y puede que cien años no basten para producir otra semejante”. Sus restos reposan en el Panteón de ilustres de París. A partir de Lavoisier se suceden numerosos descubrimientos y grandes experimentalistas y teóricos.
John Dalton estudia los gases mezclados y las propiedades de combinación, que con las leyes de Proust, introductor de la naciente Química en España, de Gay Lussac y otras, constituyen un conjunto experimental definitivo para el futuro de la Química como ciencia. Dalton propone también una audaz hipótesis,
según la cual todas las sustancias estarían constituidas por átomos indivisibles e indestructibles. “La materia está formada por átomos que no se pueden crear ni destruir. El cambio químico consiste en la combinación de átomos que antes estaban separados. No existen cambios en los átomos mismos”  Tuvo especial relevancia en sus tesis la interpretación cinética de los gases propuesta por Waterston y completada por Clausius. Algunos de sus postulados hubieron de ser corregidos o revisados al socaire de hallazgos posteriores como la constatación de la existencia de partículas subatómicas y el concepto de isótopos. Los átomos compuestos de Dalton fueron sustituidos por las moléculas de Avogadro, aplicables también a los elementos gaseosos. La nomenclatura de Dalton, perfeccionada por Berzellius pasa a representar los átomos por letras relativas al nombre de los elementos. Con estas transcendentales novedades la Química pasa a tener un modelo teórico en que sustentarse.
Puede decirse que es en el siglo XVIII cuando comienza la relación entre la industria y el laboratorio químico con las primeras fábricas de ácido sulfúrico y de carbonato de sodio. Las primeras plantas de sulfúrico las instala en Inglaterra Roebruck, utilizando el método de cámaras de plomo. En 1782 ya había cinco vitrioleras en Francia y más de cincuenta en Sajonia. Al aumentar la producción industrial de sosa hubo la necesidad de dar salida al subproducto ácido clorhídrico, que se destinó a la obtención de cloro, utilizado sobre todo como blanqueante. A finales del XVIII se descubre el cemento y entran en funcionamiento grandes factorías textiles, de papel y metalúrgicas. La siderurgia progresa debido en gran manera a Reaumur, que sustituye el carbón de leña por coque.

El prolífico siglo XIX

La Termodinámica se desarrolla en la segunda mitad del siglo XIX con Mayer y Joule y Hesse enuncia en 1840 su ley termoquímica para los efectos energéticos de los procesos químicos. En un siglo pródigo en avances el descubrimiento de la pila eléctrica por Volta es determinante en la irrupción de la Electroquímica. Davy obtuvo por electrolisis de sus sales fundidas, sodio y potasio y Faraday publica en 1837 las leyes cuantitativas de la electrolisis que condujeron a las primeras aplicaciones industriales. Boltzmann aplica la estadística a las moléculas y Dobereimer descubre las propiedades catalíticas del negro de platino en 1821. Wholer lleva a cabo la síntesis de la urea partiendo de ácido ciánico y amoniaco y Liebig precisa el concepto de acidez y pone en el mercado los extractos de carne, que le dieron notable riqueza y popularidad.
Uno de los convocantes del célebre Congreso de Karlsruhe de 1860, Kekulé von Stradonitz, trabaja en la búsqueda de la estructura de las moléculas ampliando la teoría de Avogadro, concluyendo en 1858 que lo que determina las propiedades de las sustancias no es sólo el número de sus átomos sino la posición de los mismos y su disposición espacial. Demostró también la tetravalencia del carbono, la posibilidad de formar cadenas y la estructura del anillo bencénico, decisiva en las aplicaciones en las industrias de colorantes. Louis Pasteur, estudioso de las propiedades de los cristales, describe el efecto de la luz polarizada sobre compuestos con asimetría molecular y los isómeros en sus variedades enantiomorfas como imágenes especulares. Otorga a las moléculas la categoría de tridimensionales.
Van’tHoff establece criterios para los procesos reversibles dinámicos en general y Guldberg y Waage enuncian la ley de acción de masas para los equilibrios químicos en la segunda mitad de siglo. Casi simultáneamente Graham estudia la difusión de los gases disueltos y distingue cristaloides y coloides. El antes mencionado Van’tHoff explica la presión osmótica de las soluciones y Arrhenius aporta su teoría de la disociación iónica para las disoluciones electrolíticas. Gradualmente se fueron aislando un gran número de sustancias orgánicas constituyentes de la materia viva, agrupándolas en grasas, proteínas y carbohidratos. También es el siglo de Alfred Nobel que con sus industrias de explosivos acumuló una gran fortuna que dedicó a premiar la investigación y la creación intelectual.
A mitad del siglo XIX se conocían muchas propiedades de las sustancias y sus reacciones, tanto material como energéticamente, pero no existía un sistema general de ordenación y su indagación fue un desafiante reto de esta época. Hubo intentos inconclusos o insuficientes por parte de Dobereimer, Chancourtois y Newlands. Dimitri I. Mendeleiev, con su Tabla, dio con ese sistema. En 1869 en “Análisis de un sistema de elementos basado en el peso atómico” se dice: “Es muy natural esperar que exista una relación entre las propiedades y semejanzas de los elementos por un lado, y sus masas atómicas por otro. (…) Investigando llegué a la conclusión de que las propiedades de los elementos están en relación periódica de su peso atómico y, además, no estado seguros en algunos sitios, estuve plenamente convencido de que en general mi conclusión era exacta, pues no se podían dar tantas casualidades”. Posteriormente introdujo modificaciones en su Tratado de Química. Cincuenta años después fue mejorada su clasificación variando el criterio por el del número atómico, pero con la hazaña del sabio ruso la Química se hizo adulta

El siglo XX y perspectivas

La teoría atómica acaba legitimándose, venciendo resistencias energetistas, sobre todo a partir de la puesta en evidencia del movimiento browniano de las partículas coloidales por Zsigmundy en 1903. Dicha teoría se cimentaba en la indivisibilidad del átomo, considerándolo partícula última de la materia. El estudio de descargas eléctricas en gases mostró que el átomo tiene estructura interna y se descubren electrones, protones y neutrones y posteriormente los quarks. El postulado de la indestructibilidad atómica hubo de ser abandonado, teniendo que rectificar tras las investigaciones de Bequerel, Rutherford, los Curie y Sody sobre la transmutación de los núcleos con transformaciones einstenianas materia-energía. La mecánica cuántica encuentra campo en la interpretación de los electrones y sus órbitas en los átomos y en las uniones de éstos, especialmente con Bohr, Pauli, Heisenberg y Schrodinger, y dota de una base física al sistema de valencias y a la interpretación de los espectros. El descubrimiento de los isótopos por Aston en 1913 sorprendió a los químicos y forzó a corregir y precisar el concepto de elemento químico. La tabla periódica se ha ido completando aprovechando las técnicas espectroscópicas, de rayos X y de reacciones nucleares. Destacan en el advenimiento de nuevos elementos de núcleos pesados, las instalaciones de Berkeley, Dubna y Darmstadt y la figura de G.Seaborg, único hombre de ciencia que ha conocido en vida que un elemento lleve su nombre.

Al comienzo de siglo los químicos conocían tres tipos de enlace, pero no había un modelo teórico coherente. Ábego describe una explicación sobre electrovalencia y Kossel elabora una teoría para el enlace iónico y enuncia la regla del octeto. En 1916 Lewis da una nueva explicación para los enlaces no iónicos, tema en que realizan aportaciones Stark, Langmuir, Fajans y Pauling. La cuántica permite una nueva acepción para la entropía. Bronsted, Lowry y Lewis modifican la teoría de ácidos y bases de Arrhenius y Sorensen establece el concepto de Ph. Hinshelwood y Semenov exponen sus teorías sobre reacciones en cadena y Le Chatelier su principio para desplazamiento de los equilibrios químicos. Se profundiza en el conocimiento de la fotoquímica y la luminiscencia.una nueva visión con Heitler y London y Hund, Mullikan y van der Waals proponen su modelo de orbitales moleculares que extienden a la explicación de las fuerzas intermoleculares. Las estructuras cristalinas encuentran un gran aliado para su estudio en los rayos X y otras radiaciones, sobresaliendo Bragg y Laue.

Por otra parte Arrhenius profundizó en la cinética química con su teoría de colisiones, mostrando la activación de las moléculas por efecto de la temperatura y otros factores.
En la Termodinámica química se introducen los conceptos de energía y entalpía libres y la función de Gibbs para determinar la dirección de los procesos y Nernst enuncia el llamado tercer principio y propone una nueva acepción para la entropía. Bronsted, Lowry y Lewis modifican la teoría de ácidos y bases de Arrhenius y Sorensen establece el concepto de Ph. Hinshelwood y Semenov exponen sus teorías sobre reacciones en cadena y Le Chatelier su principio para desplazamiento de los equilibrios químicos. Se profundiza en el conocimiento de la fotoquímica y la luminiscencia.

La Química Orgánica continúa la expansión iniciada en el XIX con nuevas técnicas de hidrogenación, síntesis de polímeros y materiales plásticos y los productos farmaceúticos y las drogas al servicio de la Medicina. Al descubrimiento de la aspirina en 1899
suceden las síntesis de sulfamidas y penicilinas y la quimioterapia. Importante el papel químico en las formas de revelado fotográfico, iniciado con el pirogalol.

En Bioquímica, Karren sugiriere una fórmula para la vitamina A y más recientemente ha sido fundamental desvelar la estructura química y funciones de ARN y ADN y los avances en proteómica y genómica.
A pesar de haber sido exhaustivos en la enumeración de químicos

destacados hemos tenido que obviar muchos nombres de un amplio elenco. No se puede olvidar a los españoles Enrique Moles, que introduce en España la metodología alemana de Ostwald, y a Miguel Catalán y sus ideas sobre los multipletes y destacado especialista en espectroscopía, que pudieron tener un espléndido porvenir y reconocimiento de no haber sido represaliados por alinearse con los vencidos en la Guerra Civil Española.

Los sectores industriales químicos protagonizan un inusitado despegue en la segunda mitad del siglo XX por el auge de nuevas materias primas, especialmente el petróleo, el gas natral y sus de
grado de desarrollo de las fábricas de colorantes y de materiales plásticos diversos. La industria química experimentó una auténtica revolución con la automatización. Estos y otros factores le confirieron un transcendental papel económico y estratégico.rivados, pero también por la alta purificación de los gases y el alto

La vertiginosidad con que se producen los cambios en nuestra época hace difícil realizar aseveraciones o predicciones sobre lo que nos espera. Pero aventuremos: la Química está llamada a tener un fuerte protagonismo en el campo de la Nanociencia y
sus aplicaciones para métodos de análisis clínicos, detección, diagnósticos y curación más eficaces y económicos de enfermedades así como en la búsqueda de formas universales de abordar el cambio climático.

En comunicación con la biología algunas metas son crear prototipos simuladores del funcionamiento celular e intentar el desarrollo de la fotosíntesis más allá de las plantas. Se trabaja en el abaratamiento de métodos de potabilidad de aguas y en un mayor conocimiento de los alimentos así como en la profundización de las técnicas de autoensamblaje de moléculas y otros experimentos para mejorar el entendimiento del

Marie y Pierre Curie en el laboratorio

origen de la vida. También la investigación de nuevos y más eficientes recursos energéticos, reemplazando sin costes para el entorno los productos de las petroquímicas, la introducción a corto plazo en el mercado del grafeno, que puede revolucionar la microelectrónica consiguiendo dispositivos táctiles enrollables y de otros innovadores materiales con insospechables aplicaciones, son algunos de los desafíos. Interdisciplinarmente, haciendo especial hincapié en procesos óptimos medioambientalmente, podemos encontrarnos ante un futuro esperanzador de la mano de las nuevas generaciones de químicos.

La Asamblea General de la ONU proclamó 2011 Año Internacional de la Química. El objetivo es concienciar a la población sobre las aportaciones de esta ciencia al progreso de la humanidad. La celebración puede contribuir a optimizar la imagen colectiva de la Ciencia Química y a potenciar su enseñanza y divulgación.

Miguel Carreras Ezquerra
Presidente Asociación Ciencia Viva.

(Artículo resumido publicado en el Diario de Teruel en Noviembre de 2010)

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