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AUTORES CIENTÍFICO-TÉCNICOS Y ACADÉMICOS Del quinto elemento de Aristóteles al elemento ciento dieciocho de la química Víctor Arenzana Hernández E l conocimiento racional ha perseguido desde siempre el discernimiento de los elementos básicos que componen el mundo que nos rodea. La búsqueda de los elementos, desde Aristóteles a Curie, pasando por los alquimistas y Mendeleiev, ha ido precedida por una idea puramente racional que inspiraba la investigación experimental. En el presente trabajo se presenta una historia de los elementos químicos destacando, sobre todo, el ambiente científico en el que se descubrieron. à 1. La física griega y sus elementos Aristóteles concebía la física como una ciencia subsidiaria de la filosofía y más particularmente de la metafísica, a la que llama filosofía primera. En el pensamiento aristotélico la física estaba supeditada a la especulación racional. Por esta razón, la física griega se construyó al margen de la experimentación. El pensamiento aristotélico forzó a que todas las observaciones que se realizaran en la naturaleza y todo el conocimiento físico se ajustara a unos principios que, aunque establecidos racionalmente, no respondían a la experiencia y, en muchas ocasiones, se olvidaban de ella. Por otra parte, la física griega no estaba fundamentada en la experimentación, en la repetición de experimentos y en la medición de sus resultados, sino en los datos cualitativos que se derivaban de la observación de la naturaleza con los sentidos. Aristóteles consideraba que para conocer un objeto o fenómeno racionalmente era preciso averiguar las causas o principios que lo definían completamente. Las causas que había que conocer de un objeto eran cuatro: la causa material (de qué están hechas las cosas), la causa formal (aquello que le hace tomar tal o cual forma), la causa eficiente (aquello que lo ha producido) y la causa final (la finalidad para la que ha sido hecho). El trabajo del físico consistía, para Aristóteles, en estudiar la naturaleza y descubrir para cada objeto o fenómeno estudiado las cuatro causas que determinaban su conocimiento racional. Res- 89 ACTA Del quinto elemento de Aristóteles al elemento ciento dieciocho de la química ponderse adecuadamente a las cuatro causas sobre un objeto era conocer ese objeto. Lo que para nuestra mentalidad supone dejar de conocer muchas cosas y hacernos preguntas superfluas, como por la finalidad de fenómenos. ¿Para qué llueve? ¿Para qué entra un volcán en erupción? El movimiento aristotélico y el quinto elemento Aristóteles pensaba que el movimiento que observamos en el mundo y la naturaleza no era un estado permanente. El movimiento siempre termina en reposo y Aristóteles concluyó que estaba en la naturaleza de las cosas alcanzar su estado de reposo. El elemento tierra logrará el reposo cuando llegue al centro del universo, que era el punto más bajo que podía alcanzar; el fuego reposará cuando ascienda hasta cerca de las estrellas fijas. Y el agua y el aire lograrán el reposo cuando ocupen las posiciones intermedias que les corresponden por naturaleza. Sólo se observaba el estado de movimiento permanente y eterno en el mundo indestructible de los cielos1. Aristóteles trataba de explicar el movimiento utilizando mucho la especulación racional y un poco las observaciones realizadas en el mundo físico2. Además, consideraba el movimiento en un sentido amplio, ya que en su pensamiento eran movimientos, tanto el desplazamiento de un cuerpo como el crecimiento de una planta. Para el estagirita lo natural era sinónimo de espontáneo. En su concepción no cabía extraer conclusiones sobre la naturaleza a partir de experimentos. Experimentar suponía estudiar fenómenos no espontáneos y analizar situaciones forzadas. Experimentar era obrar contra la propia esencia de las cosas, ir en contra de la normal evolución de la naturaleza. Pensaba que las observaciones experimentales no llevaban al conocimiento de la naturaleza, ya que se estudiaba en una situación alterada. Para poder considerar los resultados de los experimentos como fenómenos de una naturaleza, Newton formuló el principio de inercia, que, en realidad, 1 2 era un principio oculto a la observación directa, que permitía considerar el movimiento y el reposo como situaciones permanentes. La experimentación permitía sentar unas premisas que no eran fáciles de establecer a partir de la observación de los fenómenos espontáneos. En la física griega se aceptó de forma generalizada que todo en la naturaleza estaba formado por los cuatro elementos de Empédocles de Agrigento: tierra, agua, aire y fuego. Aristóteles, en el capítulo segundo de Acerca del cielo, realizó una de las demostraciones más claras y elocuentes de su razonamiento en física descubriendo sin otro recurso que el pensamiento racional y sin necesidad de observación alguna un quinto elemento, que luego se llamaría, éter, quinto elemento o quintaesencia. Aristóteles demostró que los cielos debían estar formados por un quinto elemento, el éter3. Para probar la existencia de este elemento se basó en las cualidades y características que racionalmente se atribuían al movimiento circular y en las propiedades que debían tener los movimientos de los cuatro elementos de Empédocles. El quinto elemento debía ser distinto de los cuatro de Empédocles y debía estar dotado de movimiento circular. Además, a partir de las propiedades de este elemento, demostró que los cielos eran inmutables4. Para descubrir el quinto elemento Aristóteles partió de una serie de premisas, unas necesarias racional- Aristóteles, Física, Libro II, cap. 7., Ed. Gredos, Madrid, 1995, p. 160. Es evidente que considerar que todo en la naturaleza era mezcla de los cuatro elementos no es producto de la observación, sino de una elucubración racional. 3 La prueba de la existencia de un quinto elemento como modelo del razonamiento aristotélico ha sido tomada como ejemplo de prueba aristotélica por Jean Piaget y Rolando García en Psicogénesis e historia de la ciencia, Ed. Siglo XXI, 1982, México. 4Que en los cielos sucedían fenómenos que perturbaban el eterno movimiento de los astros no se admitió hasta el siglo XVII. La existencia del éter como materia sutil que lo llena todo y que sirve de soporte para la propagación de las ondas luminosas y electromagnéticas fue una idea que duró hasta el siglo XX, lo que pone de manifiesto, la importancia de los temas tratados por el estagirita y la validez de sus razonamientos. 90 Del quinto elemento de Aristóteles al elemento ciento dieciocho de la química mente, otras derivadas de la observación y otras justificadas con un debe ser que imponía estrictas limitaciones y que han prevalecido durante siglos. Las premisas y las cursivas que aparecen a continuación están extraídas del capítulo segundo de Acerca del cielo5. Premisa 1. Todo movimiento con respecto al lugar, que llamamos traslación, ha de ser rectilíneo, circular o mezcla de ambos. Aristóteles, inspirado, seguramente, en la práctica geométrica de la época, que afirmaba que las únicas líneas que se podían trazar por métodos geométricos eran la recta y la circunferencia, afirmaba que el movimiento rectilíneo y el movimiento circular eran los únicos movimientos simples. La idea de que todo movimiento debía ser composición de movimientos circulares y rectilíneos duró hasta el siglo XVI, como se puede comprobar en la obra de N. Tartaglia (150057), que, en su libro La nueva ciencia (1537), estudió el tiro parabólico como composición del movimiento rectilíneo y el circular. Premisa 2. Toda traslación simple ha de darse desde el centro [rectilíneo ascendente], hacia el centro [rectilíneo descendente] o en torno al centro [circular]. Aristóteles destacaba en esta premisa que los movimientos ascendentes y descendentes son contrarios por seguir direcciones opuestas. Premisa 3. Un cuerpo es simple si tiene por naturaleza un principio de movimiento, como el fuego la tierra..., y sus movimientos serán simples. El movimiento de los cuerpos compuestos será mixto, moviéndose según el elemento dominante. En este apartado Aristóteles sólo tenía en cuenta los elementos inanimados. Además, que solamente nombre al fuego y la tierra, ha hecho pensar que Aristóteles sólo consideraba a estos dos elementos como básicos y calificaba al aire y al agua de elementos mixtos. Premisa 4. Dado que existe el movimiento simple, que el movimiento circular es simple y el movimiento simple lo es de un cuerpo simple..., es necesario que haya un cuerpo simple al que corresponda desplazarse con movimiento circular según su propia naturaleza. Aquí, el razonamiento aristotélico se basaba en dos premisas, la primera era que el movimiento antinatural era contrario al natural y la segunda que lo contrario de algo es único. Y argumentaba así: si alguno de los cuerpos simples existentes, como el fuego, se desplazara de forma contraria a su naturaleza, por ejemplo, en movimiento circular, entonces, este movimiento sería contrario al rectilíneo. Como cada movimiento tiene único contrario y el contrario del movimiento ascendente es el descendente, el fuego no se puede mover en movimiento circular. Premisa 5, ...la traslación circular ha de ser necesariamente primaria. Puesto que lo perfecto es anterior por naturaleza a lo imperfecto, y el círculo está entre las cosas perfectas, mientras que no lo está ninguna línea recta, en efecto ni lo está la indefinida, pues tendría entonces un límite y un final, ni ninguna de las limitadas, pues algo queda fuera de ellas: en efecto es posible alargarlas indefinidamente. El razonamiento que hizo Aristóteles fue el siguiente: como un movimiento primario ha de pertenecer a uno de los elementos y como el movimiento circular es, por naturaleza, anterior al rectilíneo, dado que el movimiento en línea recta es propio de los cuerpos simples (tierra y fuego), el movimiento circular debe ser propio de un elemento simple. Ya que Aristóteles suponía que la traslación de los cuerpos mixtos seguía la del elemento simple que predomine en la mezcla 6. Por lo tanto, debía existir algún cuerpo simple que poseyera, de forma natural, el movimiento circular. Como la tierra, el agua, el aire o el fuego no lo poseían debía haber otro elemento que poseyera de forma natural movimiento circular. Ese elemento debía ser más perfecto y anterior a los otros elementos del mundo que nos rodea y tenía que poseer una naturaleza más pura. A ese elemento puro y perfecto que Aristóteles descubrió sólo con la razón sin ningún apoyo experimental lo llamó éter. El éter por naturaleza no debe tener peso ni tampoco capacidad de elevarse, pues ni por movimiento natural ni por movimiento antinatural puede moverse hacia el centro o alejándose de él. Como el éter, según el argumento aristotélico, no podía moverse ni de forma natural ni de forma antinatural más que de forma circular, concluyó que el movimiento circular no era susceptible de aumento ni de disminución y, 5 6 Aristóteles, Acerca del cielo, Libro I, cap. 2, Ed. Gredos, Madrid, 1996, pp. 44-49. No tiene en cuenta la regla del paralelogramo que permite generar movimientos con cualquier trayectoria mediante la composición de dos movimientos rectilíneos. 91 ACTA Del quinto elemento de Aristóteles al elemento ciento dieciocho de la química por lo tanto, el cuerpo que de forma natural tuviera ese movimiento debía ser ingenerable e indestructible. Como los cielos estaban hechos de ese material los cielos eran indestructibles. El cambio, la generación y la destrucción sólo existía de cielos abajo, donde vivimos los hombres. à 2. Los elementos de la química 2.1. La alquimia Las teorías aristotélicas se mezclaron con los conocimientos prácticos de los pueblos por donde se extendió el helenismo y más tarde, con la cultura latina, dio lugar a un nuevo enfoque para estudiar los elementos que componían la naturaleza. Este nuevo enfoque estuvo representado por la alquimia. Los alquimistas medievales habían observado que el elemento griego tierra estaba formado por varias sustancias minerales, ya que habían comprobado que, cuando se fundían algunos minerales, que formaban el elemento tierra, aparecían metales. Así descubrieron el plomo, el cobre o el hierro. También por fundición encontraron que cuando fundía la arena (sílice) con calizas se obtenía el vidrio. También observaron que los diferentes vapores y humos que producían sus experimentos pasaban a formar parte del aire, lo que les hacía suponer que el elemento griego aire debía estar compuesto por muchas sustancias. La constatación experimental de que unas sustancias se trasformaban en otras, unida al convencimiento racional que proporcionaba la teoría aristotélica de que todas las cosas naturales estaban fabricadas con los cuatro elementos básicos de Empédocles, hizo que los alquimistas se lanzaran a investigar la naturaleza con el pensamiento siguiente: dado que cualquier sustancia debía ser mezcla de los cuatro elementos básicos se podría conseguir 92 cualquier sustancia cambiando las proporciones de los mismos. Pronto surgió la idea de que mutatis mutandi, a cualquier sustancia se le podía añadir otra que la transformara en oro, el más valioso de los metales. Durante siglos el trabajo de los alquimistas fue encontrar esa sustancia que trasformara plomo en oro; trataron de encontrar la llamada piedra filosofal. A la piedra filosofal se le atribuían propiedades mágicas y maravillosas, con ella se podría conseguir la sabiduría absoluta o producir cualquier encantamiento. Los alquimistas creían en un mundo en el que los conocimientos del hombre sabio podían provocar las más profundas transformaciones, lo que les llevó a pensar que vivíamos en un mundo mágico en el que eran posibles los hechizos, las adivinaciones y los conjuros. La magia, los sortilegios y los prodigios que se podían esperar de los alquimistas están detrás de muchas obras de la literatura universal; se encuentran en el mago Merlín de la literatura artúrica, están detrás de los encantamientos y elixires de Don Quijote y se localizan en la magia de Próspero en la Tempestad de Shakespeare, así como en el trasfondo de la novela gótica actual. La piedra filosofal era considerada por unos alquimistas como el elixir de la eterna juventud, por otros como la panacea que curaba todas las enfermedades y por los más técnicos como el disolvente universal que permitiría que en él se pudieran amalgamar todos los metales. La piedra filosofal era la quintaesencia aristotélica, ese quinto elemento perfecto, el éter del mundo de las estrellas que la sabiduría del hombre podía traer al mundo material y corruptible. Los árabes, en su expansión en los siglos VII y VIII, propagaron la cultura clásica, pero también difundieron las ideas alquímicas egipcias y griegas. El alquimista árabe Jabir ibn Hayyan (760-815), más conocido como Geber, añadió a la lista de elementos conocidos el mercurio y el azufre y mantenía la hipótesis de que con la mezcla de mercurio y azufre en distintas proporciones podía producir cualquier metal. Los alquimistas no consiguieron su objetivo, puesto que no lograron encontrar la piedra filosofal, pero descubrieron muchos elementos químicos y otros cuerpos compuestos. A mediados del siglo XVI habían descubierto el mercurio, el azufre, el arsénico, el antimonio, el bismuto, el zinc, el ácido acético, el ácido sulfúrico y varios ácidos y bases y cientos de compuestos químicos. Del quinto elemento de Aristóteles al elemento ciento dieciocho de la química La mayor parte de los descubrimientos técnicos y químicos de los alquimistas sobre los metales se recogieron en la obra de Georg Bauer (1494-1555) De re metalica. En el libro describe el modo de obtener los metales conocidos desde su obtención en la mina hasta los tratamientos en el laboratorio para purificarlos. Otro gran alquimista fue el suizo Teofrastus B. von Hohenheim (1493-1591), conocido como Paracelso, que practicó la alquimia, no para encontrar la piedra filosofal, sino con la intención de descubrir nuevas sustancias y compuestos para curar enfermedades. griegos, las sustancias de las que está fabricado el mundo material. Esta idea suponía que un elemento debía ser una sustancia básica que se combinara con otros elementos para formar otras sustancias compuestas, además, un elemento no se debía poder descomponer en otros más simples. La manera de averiguar si un elemento era simple o compuesto era intentar descomponerlo o bien intentar componerlo con otros y observar si se generaban subproductos. En resumen, para determinar si una sustancia era o no un elemento químico, se debía experimentar con ella. El libro de Boyle marcó la separación entre la química y la alquimia y transformó la química y la medicina en ciencias independientes de la filosofía convirtiéndolas en ciencias experimentales. 2.2. La química y la nueva noción de elemento Los primeros químicos fueron alquimistas. Robert Boyle (1627-1691), al que se le considera uno de los padres de la química, tuvo mucho de alquimista. Creía en la posibilidad de obtener oro a partir del plomo, hasta el punto de que en 1689 trató de convencer al gobierno británico para que aboliera la ley que penaba la fabricación de oro por métodos alquimistas. Su petición no se debía a que fuera partidario de la libertad en la investigación ni porque no sirviera de nada prohibir lo imposible, sino porque pensaba que el Gobierno debía obtener ingresos por impuestos del oro que se fabricara. A pesar de todo, en 1661 había publicado El químico escéptico, obra en la que abandonó la creencia griega de que todos los cuerpos estaban formados por los cuatro elementos clásicos y, en ese libro, dio la definición moderna de elemento químico. Los elementos químicos eran para Boyle, igual que para los Aunque estaba definido el concepto de elemento químico no estaba claro qué sustancias eran elementos químicos y cuáles eran compuestos. Boyle estaba convencido de que el oro no era un elemento simple y que, por lo tanto, podía formarse a partir de otros metales. Esta misma idea era compartida por su compatriota y contemporáneo Isaac Newton (16421727), que dedicó buena parte de su vida a estudios sobre la alquimia7. Muchos químicos siguieron trabajando con el criterio de elemento químico dado por Boyle. En el siglo que separa a Boyle de Antoine Lavoisier (1743-1794) desapareció la física griega de los cuatro elementos. Henry Cavendish (1731-1810) descubrió el hidrógeno al hacer reaccionar ácido clorhídrico con hierro. Observó que se desprendía un gas más ligero que el aire y que ardía fácilmente con una llama azul. 7 Hay historiadores que afirman que la larga enfermedad que tuvo Newton poco después de publicar los Principia (1687) se debió a una intoxicación por mercurio en sus experimentos alquímicos. 93 ACTA Del quinto elemento de Aristóteles al elemento ciento dieciocho de la química Cavendish creyó que había aislado el flogisto8, pero no supo identificar el hidrógeno que había descubierto. Por otro lado, Joseph Priestley (1733-1804) descubrió el oxígeno con un curioso experimento que consistió en calentar mercurio con ayuda de una lupa hasta que la superficie quedó cubierta con una capa de polvo rojizo (óxido de mercurio). Después quitó el polvo que se había formado sobre el mercurio y lo calentó en un tubo de ensayo. El polvo se evaporó y una parte condensó en bolitas de mercurio y el gas desprendido lo recogió en un matraz en el que había depositado trozos de madera calentados. El gas hizo arder aquellos trozos de madera con una llama viva. Luego comprobó que con ese gas las velas encendidas ardían más vivamente y que los ratones, al respirar en este gas, se movían con mayor rapidez. Priestley pensó que este era un aire desflogistazado, pero, en realidad, había descubierto el oxígeno. Estos dos descubrimientos fueron repetidos e interpretados por Lavoisier, que tuvo especial cuidado en pesar los ingredientes iniciales y los resultados obtenidos tras la reacción. Los químicos anteriores a Lavoisier no prestaban casi ninguna atención al aspecto cuantitativo y mucho menos a las pesadas precisas, que iban a ser la metodología fundamental de la química moderna. No pesaban las mezclas, ni les preocupaba si en las reacciones químicas se ganaba o perdía peso. Lavoisier convirtió la medida en lo más importante de la experimentación química. mente. Al poco tiempo apareció sobre el estaño un residuo del metal (óxido de estaño). Cuando pesó el recipiente y el contenido comprobó que el peso del conjunto no había aumentado, lo que le indujo a pensar que el residuo que había aparecido sobre el estaño se había formado a partir de alguna sustancia que estuviera en el recipiente. Cuando abrió el recipiente que contenía el estaño el aire del exterior entró dentro del recipiente y entonces el sistema aumentó de peso. Después comprobó que el aumento de peso era igual al aumento de peso del óxido de estaño. Lavoisier dedujo que el residuo había tomado alguna sustancia del aire que había inicialmente en el recipiente y formuló la hipótesis de que cuando una sustancia está en contacto con el aire gana el peso que toma de éste. Con el experimento demostró que el aire estaba compuesto por dos gases: el aire desflogistazado de Priestley, que Lavoisier llamó oxígeno, y una sustancia que los químicos venían llamando azoe (nitrógeno). Lavoisier presentó una nueva teoría de la combustión que desplazaba a la teoría del flogisto. El principio era que cuando una sustancia arde se combina con el oxígeno para formar un óxido y el peso que gana el material oxidado es igual al peso del oxígeno. Lavoisier consideró elementos a la luz y al calórico, seguramente esperando que alguien diseñara algún dispositivo para poder medir el peso de la luz o del fluido calórico. Medio siglo después, se colocó el hidrógeno como el elemento más ligero en el sistema periódico y la luz y el calórico dejaron de ser considerados elementos químicos. A la luz de la teoría de la combustión Lavoisier interpretó el experimento en el que Cavendish obtuvo hidrógeno y comprobó que cuando ardía el hidrógeno en una atmósfera de oxígeno y se recogía el gas obtenido, el vapor se condensaba en un líquido que comprobó que era agua. Lavoisier realizó un experimento crucial: colocó un poco de estaño en un recipiente cerrado herméticamente y pesó el estaño y el recipiente conjunta- Tras los experimentos de Lavoisier quedó patente que los elementos clásicos griegos, tierra, agua, aire y fuego, no eran elementos químicos. El fuego era un brillo que desprendían los cuerpos al arder, la tierra se conocía desde el principio que estaba formada por muchas sustancias distintas, pero, a finales del siglo XVIII, se demostró experimentalmente que el aire era la mezcla de dos elementos simples, el oxígeno y el nitrógeno, y que el agua estaba formada por oxígeno e hidrógeno. 8 Antes de que Lavoisier explicara que la combustión de una sustancia era la reacción de la sustancia con el oxígeno, se creía que algu- nos cuerpos tenían la cualidad de arder porque tenían una sustancia hipotética llamada flogisto que expulsaban en la combustión. 94 Del quinto elemento de Aristóteles al elemento ciento dieciocho de la química elemento que forma parte de una sustancia compuesta toma solamente una serie de valores simples puede explicarse fácilmente suponiendo que cada elemento está formado por átomos idénticos entre sí, que cada elemento tiene su propio tipo de átomo y que cada átomo tiene un peso fijo. 2.3. La teoría atómica de nuevo Algunos filósofos griegos especularon con la idea de que la materia estaba formada por átomos y vacío. Una teoría atómica de la materia de ese tipo fue formulada por Demócrito de Abdera (s. IV a.C), pero la gran influencia del pensamiento aristotélico la hizo perder influencia y hasta caer en el olvido. Con el nacimiento de la ciencia moderna, la teoría atómica surgió de nuevo como una hipótesis plausible de la constitución de la materia. Boyle descubrió en 1662 que el aire era compresible y que, además, la compresibilidad del aire era inversamente proporcional a la presión que se ejercía sobre él. Boyle supuso que la razón de que el aire fuera compresible era porque estaba formado por pequeñas partículas separadas por un espacio vacío. Por esa razón, aumentar la presión sobre un gas sólo suponía dejar menos espacio entre las partículas que lo componían y la fuerza que ejercía la presión se debía a que las partículas tendían a recuperar su situación primitiva. Boyle extendió el razonamiento al vapor de agua y pensó que, si el vapor de agua estaba formado por átomos y espacio vacío, también el agua líquida y el hielo debían estar formados por átomos y espacio vacío. Boyle concluyó que, del mismo modo que los gases están formados por átomos, los líquidos y los sólidos también lo estarán y, en consecuencia, toda la materia debería tener estructura atómica. En 1797 el químico francés J. L. Proust (17541826) realizó un importante descubrimiento. Comprobó que los elementos químicos siempre se combinan en proporciones definidas según sus pesos. Esta ley venía a reforzar los presupuestos de la teoría atómica, puesto que, como argumentaba J. Dalton (1766-1844), el hecho de que la proporción de un Dalton reconoció como algo de vital importancia para el desarrollo de la química la noción de peso atómico de un elemento. El peso atómico era un atributo que los átomos no podían cambiar ni esconder. Dalton mantenía que los átomos aportaban a los diferentes compuestos su peso, mientras que otras características propias del átomo, como color o sabor, desaparecían en el compuesto. Fue Dalton el químico que dio la primera tabla de pesos atómicos tomando como unidad el peso del más ligero de ellos: el del hidrógeno. Los pesos de todos los elementos serían múltiplos del peso del hidrógeno. La tabla de pesos atómicos de Dalton hizo que la luz y el fluido calórico dejaran de considerarse elementos químicos, como los había considerado Lavoisier. La definición de los elementos por su peso supuso la ruptura definitiva de la ciencia con los elementos aristotélicos. A comienzos del siglo XIX el número de elementos descubiertos había aumentado notablemente. En los descubrimientos de nuevos elementos tuvo mucha importancia la invención de la pila eléctrica de Alejandro Volta (1745-1827). Volta presentó su descubrimiento en la Royal Society de Londres a comienzos del siglo XIX y despertó el interés de Humphry Davy (1778-1829) y de J. J. Berzelius (1779-1848), los cuales pronto descubrieron que una de las características de los elementos químicos era la de poseer carga eléctrica y, por electrolisis, se encontraron muchos elementos. Davy descubrió el potasio y el sodio, más tarde Davy y Berzelius obtuvieron el calcio, el bario, el magnesio y el estroncio. En 1826 Berzelius preparó una tabla de elementos con sus pesos atómicos. 2.4. La tabla periódica Hemos visto que en el siglo XVIII se descubrieron muchos elementos: algunos gases, como el oxígeno, el nitrógeno, el hidrógeno y el cloro; muchos metales, como el cobalto, el níquel, el platino, el manganeso, el wolframio, molibdeno, titanio y cromo. A principios del siglo XIX la lista se amplió, gracias a la electrolisis, Davy descubrió el potasio, el sodio, el magnesio, el estroncio, el bario y el calcio. Gay Lussac (17781850) descubrió el boro. Hacia 1830 se conocían cincuenta y cinco elementos. La química era demasiado compleja, los elementos eran diferentes y tenían pro- 95 ACTA Del quinto elemento de Aristóteles al elemento ciento dieciocho de la química piedades muy dispares. Por otra parte, no había un orden entre los elementos y, además, no se tenía ninguna certeza sobre el número de elementos que podían seguir apareciendo. En el siglo XVIII se elaboraron las grandes taxonomías de los seres vivos. C. Linneo (1707-78) y Bufón (1707-88) clasificaron las plantas y los animales según familias, géneros y especies. En el siglo XIX se abordó otra gran tarea clasificatoria: la de ordenar, según sus características, la enorme cantidad de elementos químicos con los que estaba hecha la naturaleza. Algunos químicos observaron ciertas regularidades, propiedades comunes y diferencias graduales entre elementos distintos y, estudiando ciertas características, trataron de llegar a una clasificación. J. W. Döbereiner (1780-1849) encontró grupos de tres elementos que tenían una clara progresión en sus propiedades: una terna la formaban el calcio, el estroncio y el bario y otra la constituían el azufre, el selenio y el teluro. Observó que en ambos casos el peso atómico del segundo elemento estaba entre los pesos de los otros dos. Pero no consiguió ordenar en tríadas el resto de los elementos químicos y, por lo tanto, el método de las tríadas se desestimó. Por otra parte, los químicos apreciaban la clara utilidad del peso atómico para hacer cálculos, pero no veían ningún motivo para confeccionar listas de elementos por su peso, puesto que no creían que el peso influyera en las propiedades de los elementos químicos. Ni siquiera consideraban plausible la idea de que el peso atómico sirviera para obtener conclusiones teóricas, ya que no distinguían entre peso atómico, peso molecular y peso equivalente. Estos conceptos los manejaban indistintamente. Así, el peso molecular del oxígeno es 32 (que es como se encuentra en la naturaleza), el peso atómico 16 (que es como actúa en las reacciones químicas) y el peso equivalente 8 (por tener valencia 2 necesita dos átomos de hidrógeno). El peso equivalente era el más utilizado en los cálculos químicos; entonces, ¿por qué utilizar el número 16 para ubicar el oxígeno en la lista de los elementos? En el año 1864, J. A. Newlands (1837-98) presentó a la Chemical Society de Londres una ordenación de los elementos químicos según su peso atómico en orden creciente. Observó que cada uno de ellos presentaba analogías con los que se encontraban siete lugares antes o siete lugares después o un múltiplo de siete. Al colocarlos en columnas verticales de siete, los que eran semejantes debían quedar en la misma línea horizontal. Así, el potasio quedaba cerca del sodio, el selenio en la misma línea que el azufre, el calcio cerca 96 del manganeso ; las tríadas de Döbereiner estaban en la misma fila. Pero la clasificación no despertó en la Chemical Society ningún interés y a algunos les pareció ridícula, hasta el punto que un miembro del auditorio le preguntó a Newlands si no se le había ocurrido colocar los elementos por orden alfabético. Pero en 1869 el químico ruso D. I. Mendeleiev (1834-1907) publicó la ordenación completa de los elementos químicos que hoy se conoce como sistema periódico de elementos. Mendeleiev abordó el problema de la clasificación teniendo en cuenta la noción de valencia. Observó que la valencia de los primeros elementos aumentaba y luego disminuía. Después de colocar el hidrógeno observó que el litio, el berilio, el boro, el carbono, el nitrógeno, el azufre, el flúor, el sodio, el magnesio, el aluminio, el silicio, el fósforo, el oxígeno y el cloro tienen de valencias respectivas 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1, 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1. Con estas observaciones hizo una tabla por filas en la que colocaba al hidrógeno solo, después dos períodos de siete elementos cada uno y a continuación períodos que contenían más de siete elementos. Con el fin de que los elementos de la misma columna tuviesen la misma valencia, se vio obligado a no seguir el orden de los pesos atómicos, como le ocurrió con el teluro, de peso atómico 127,6, que por tener valencia 2, lo colocó delante del yodo, de peso atómico 126,9 y valencia uno. Mendeleiev consideró oportuno dejar huecos en la tabla, pero no pensó que los huecos de la misma fueran defectos de su clasificación, sino que interpretó los espaciós vacíos como los lugares que vendrían a ocupar en el futuro nuevos elementos químicos todavía no conocidos. Dejó espacios libres para elementos desconocidos que llamó eka-boro, eka-alumi- Del quinto elemento de Aristóteles al elemento ciento dieciocho de la química nio y eka-silicio. El hueco del eka-boro lo ocupó el escandio, el de eka-aluminio el galio y el del eka-silicio el germanio. El galio lo descubrieron con una tecnología naciente: la espectroscopía. à 3. El sueño de los alquimistas Una vez comprobada la utilidad de la ordenación metódica de los elementos químicos en el sistema periódico de Mendeleiev por predecir la existencia del escandio, del galio y del germanio, se acabó el período de clasificación taxonómica de los elementos químicos por el análisis de sus propiedades. Se podían predecir las propiedades de los elementos desconocidos por su colocación en la tabla. Faltaba dar una explicación a por qué los elementos químicos se comportaban de esa forma periódica y caprichosa. Sólo con la mecánica cuántica y el estudio del núcleo atómico se han podido explicar las características del sistema periódico de elementos. La explicación se ha logrado con las nociones de número atómico, con el estudio de la estructura electrónica de los átomos, y con el estudio de la estructura del núcleo atómico. Para comprender la naturaleza, la gradual variación de las propiedades de los átomos y el comportamiento periódico de las propiedades de los elementos fue necesario salir del mundo de la investigación química. Fueron los físicos los que observaron en la materia ciertas manifestaciones que, debidamente interpretadas, iban a explicar el sistema periódico. Sin ánimo de hacer una exposición exhaustiva de los estudios experimentales que se hicieron a finales del siglo XIX y comienzos de XX, señalaremos los que condujeron al descubrimiento del electrón, del protón y del neutrón. En 1879 el físico inglés W. Crookes (1832-1919) descubrió los rayos catódicos. Estos rayos se producían en el interior de un tubo de vidrio en el que se había hecho el vacío e introducido en su interior unos electrodos entre los que se establecía una diferencia de potencial de varios miles de voltios. Los rayos salían del cátodo y se propagaban perpendicularmente al cátodo a lo largo del tubo. En 1897, J. J. Tomsom (1856-1940) demostró que los rayos catódicos eran cargas eléctricas negativas, ya que eran desviados por campos eléctricos y magnéticos y los llamó electrones9. Los electrones también se habían observado en 1896 en la radiación (β) que emitía la radiactividad natural descubierta por Becquerel. El descubrimiento del protón se produjo con un experimento parecido al de los rayos catódicos realizado por Goldstein en 1886. Introduciendo hidrógeno en un tubo de rayos catódicos y estableciendo entre los electrodos una diferencia de potencial alta, las moléculas gaseosas se disocian, los átomos se ionizan y se produce en el tubo una corriente de cargas positivas dirigida hacia el cátodo. Esas cargas positivas son los núcleos de los átomos de hidrógeno, que están formados por un protón. Pero el hallazgo de la partícula subatómica que produjo mayores repercusiones fue el del neutrón, que fue descubierto por J. Chadwick (1891-1974) en el año 1932 al bombardear Berilio con partículas alfa. Se puede observar que en la reacción anterior se produce una transmutación de elementos; a partir del berilio se obtuvo carbono. Algunos químicos pensaron, ¿a qué distancia estamos de obtener oro en el laboratorio a partir de algún otro elemento químico? La colección de partículas subatómicas es muy grande y con su estudio se conocerá cada vez mejor la naturaleza de los elementos, que ya no se les puede considerar elementos simples, puesto que de su interior surgen partículas numerosas y diferentes. Dado que los átomos de los elementos químicos no son indivisibles podemos hacernos muchas preguntas. ¿Qué partículas tenemos que quitar a un elemento químico para transformarlo en otro elemento distinto? Por otra parte, como lo que caracteriza a un átomo en el sistema periódico es su peso atómico, si fuéramos capaces de dividir el átomo de un elemento en dos partes, ¿obtendríamos los átomos de dos elementos distintos? Y si uniéramos dos átomos, ¿podríamos obtener otro distinto mucho más pesado? 3.1. ¿Qué hará un alquimista con un acelerador de partículas? Los transuranidos Recordemos que el núcleo de un átomo está formado por neutrones y protones. Los protones son unas partículas con carga positiva y los neutrones tienen la misma masa que los protones, pero no tienen carga eléctrica. Los electrones son unas partículas que están fuera del núcleo y tienen la misma 9 La emisión de electrones ya había sido observada por H. R. Hertz (1857-94) en el efecto fotoeléctrico: una placa metálica de ciertos elementos emite cargas negativas al ser iluminada. El efecto fotoeléctrico fue explicado por Einstein, usando la teoría de Plank, como la emisión de electrones de la última capa del átomo por la acción de la luz. 97 ACTA Del quinto elemento de Aristóteles al elemento ciento dieciocho de la química carga que los protones. La masa del electrón es prácticamente despreciable con relación a la del protón. Al número de protones se le llama número atómico y a la suma de protones y neutrones se le conoce como masa atómica. con el núcleo de un elemento y lo alteraba. En 1919 observó la siguiente reacción: Como los elementos químicos se caracterizan por su número atómico, si al núcleo de un átomo le pudiéramos añadir un protón obtendremos el elemento siguiente de la tabla periódica. Si le pudiéramos cambiar únicamente el número de neutrones lograríamos un isótopo, que sería el mismo elemento, pero con distinto peso atómico. En la actualidad se conocen 118 elementos químicos, pero de ellos sólo se encuentran en la naturaleza de forma natural desde el hidrógeno hasta el uranio, que tiene un número atómico de 92. El resto de los elementos se han producido artificialmente en el laboratorio bombardeando núcleos de átomos con partículas subatómicas o con núcleos de otros átomos. Esta reacción era un auténtico ejemplo de transmutación: el nitrógeno, por la acción de las partículas alfa, se transformaba en oxígeno. El nitrógeno, al ser bombardeado por una partícula alfa, la absorbía, pero se convertía en un elemento inestable y, para lograr la estabilidad, debía emitir un protón transformándose en un átomo de oxígeno de peso atómico 17. En los comienzos de la química se buscaban los elementos químicos pensando que eran los distintos tipos de ladrillos inmutables de los que estaba hecho el universo. Para los primeros químicos el plomo y el mercurio seguirían siendo siempre plomo y mercurio. Los físicos pusieron de manifiesto que las características químicas de un elemento químico dependían del número de protones y de neutrones que poseía su núcleo y comprobaron que los cambios que acompañaban a los fenómenos radiactivos modificaban el núcleo de los elementos. Muchos físicos concibieron la idea fascinante de que, como los átomos no eran tan estables como se pensaba al principio, el hombre podía alterar la naturaleza de un átomo estable y convertirlo en un elemento diferente. Fue E. Rutherford (1871-1937) el que dio el primer paso para transformar un átomo en otro diferente. Rutherford bombardeó diferentes gases con partículas alfa que venían de un elemento radiactivo. Observó que, en ocasiones, la partícula alfa chocaba 98 Las primeras partículas que se utilizaron para bombardear núcleos atómicos fueron las partículas alfa, pero en cuanto J. Chadwick (1891-1974) descubrió el neutrón se comprendió que esta partícula era idónea para bombardear núcleos atómicos, ya que, por no tener carga eléctrica, su trayectoria no se vería afectada por la carga de los electrones que rodean al núcleo y le resultaría más fácil acercarse a un núcleo lleno de protones positivos. El primero en experimentar las consecuencias del bombardeo del átomo con neutrones fue E. Fermi (1901-54). Los experimentos de Fermi mostraron que los núcleos activados por neutrones se transformaban en isótopos radiactivos y obtuvo isótopos de casi todos los elementos conocidos. Fermi también comprobó que eran especialmente aptos para la preparación de isótopos los neutrones lentos, a los que había ralentizado haciéndoles atravesar materiales ricos en carbono o hidrógeno, como el agua o la parafina. Los neutrones lentos permanecían durante más tiempo en las proximidades del núcleo y tenían mayor probabilidad de ser absorbidos por la fuerza gravitatoria de éste. Del quinto elemento de Aristóteles al elemento ciento dieciocho de la química Fermi concibió la idea de hacer ensayos con el último elemento conocido hasta entonces: el uranio. Pensaba que el átomo de uranio, de número atómico 92 y masa atómica 238, al absorber varios neutrones se convertiría en el elemento desconocido 93 ó 94 después de emitir varias partículas beta. Observó que al bombardear uranio con neutrones lentos las radiaciones eran muy intensas y no se producía un isótopo radiactivo, sino una mezcla de ellos. había llevado al descubrimiento de una fuente de energía, la energía de fisión, pero no a la obtención de elementos transuránicos. Lo que sí se había puesto de manifiesto fue que de un elemento se podía obtener otro; el nitrógeno se podía transformar en oxígeno, el berilio transformarse en carbono, el uranio producir lantano. Estos descubrimientos habrían despertado la imaginación de los alquimistas medievales. El estudio de las radiaciones del uranio provocó numerosas investigaciones en los principales centros científicos de Francia, Alemania e Italia. Los resultados fueron abundantes, pero el desconcierto entre los científicos iba en aumento. La esperanza de encontrar, mediante bombardeo por neutrones, nuevos elementos, como esperaba Fermi, fue desapareciendo. En Francia el matrimonio F. Joliot (1900-58) e I. Curie (1897-1956) y sus colaboradores descubrieron como producto del bombardeo del uranio el lantano, de número atómico 40, lo que parecía sugerir que el uranio se había partido por la mitad. 3.2. La transmutación de los átomos El experimento de Joliot-Curie fue repetido en Alemania por Oto Hahn (1879-1968) y Lisa Meitner (1878-1968), que encontraron en la desintegración del uranio algunos isótopos como el bario y el argón y también lantano. En 1939 dieron la interpretación correcta del problema y era que un isótopo del uranio, el 235, se rompía al ser bombardeado por neutrones lentos y producía dos elementos ligeros, generalmente radiactivos. A este fenómeno se le llamó fisión nuclear. La fisión del uranio no sólo generaba otros elementos, también desprendía una cantidad de energía. Con el descubrimiento del fenómeno de la fisión del uranio se comprobó que elementos más pesados que el uranio no se podían obtener mediante el bombardeo con neutrones lentos. La intuición de Fermi Con la fisión nuclear se ha conseguido el sueño de los alquimistas. Que un elemento se pueda transformar en otro. La intuición de los alquimistas fue notable, ya que intentaron obtener oro, de número atómico 79, a partir de los dos metales más parecidos entre los conocidos en su momento, es decir, del plomo, cuyo número atómico es 82, y del mercurio, de número atómico 80. Pero conseguir un elemento a partir de otro elemento se pudo lograr a partir del descubrimiento de la radiactividad y de la fisión nuclear. Los elementos transuránicos no se formaron bombardeando núcleos atómicos con neutrones lentos, como sospechaba Fermi, sino bombardeando núcleos atómicos con otros núcleos. Con la ayuda de potentes aceleradores de partículas. El elemento 118 se ha conseguido bombardeando núcleos de californio, de número atómico 98, con núcleos de calcio 20. En este bombardeo se produjo el elemento 118, que luego decayó al 116 y luego al 114. El elemento se descubrió en octubre de 2006. Los elementos transuránicos tienen una vida muy corta, pero los investigadores esperan encontrar una proporción adecuada entre el número de neutrones y el de protones que proporcione a los pesados elementos transuránicos mayor estabilidad y conseguir lo que han dado en llamar una isla de estabilidad para estos elementos. 99
