Ante el desconocimiento de su naturaleza, los llama rayos X, como en álgebra se designa a la incógnita. En diciembre él los había usado para tomar fotos de los huesos humanos, y al año era bien comprendido su extraordinario valor práctico. La rápida difusión de los rayos X a través del mundo, demostró la forma en que científicos, ingenieros, e inventores podrían convertir descubrimientos fundamentales en revolucionarias tecnologías en el entrante siglo XX.
Imagen: © The Nobel Foundation
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• Un año después del descubrimiento de Roentgen, Antoine H. Becquerel (1852 – 1908), físico porUn año después del descubrimiento de Roentgen, Antoine H. Becquerel (1852 – 1908), físico por herencia,
herencia, descubre casualmente que ciertas descubre casualmente que ciertas sales de uranio emiten una radiación invisible. En 1898, sales de uranio emiten una radiación invisible. En 1898, a dos años del descubrimiento de la radiación de Becquerel, Marie Sklodowska (1867 – 1934)
a dos años del descubrimiento de la radiación de Becquerel, Marie Sklodowska (1867 – 1934) y y Pierre Curie (1859 – 1906), al analizar ciertos minerales uránicos descubrieron un metal vecino del
Pierre Curie (1859 – 1906), al analizar ciertos minerales uránicos descubrieron un metal vecino del
Bismuto en la Tabla Periódica al cual llamaron, en honor al país natal de Marie, Polonio. Otros dos
Bismuto en la Tabla Periódica al cual llamaron, en honor al país natal de Marie, Polonio. Otros dos
radioelementos serían descubiertos en el laboratorio de los Curie antes del fin de siglo: el radio y el
actinio. A los elementos de núcleos inestables “los transuránicos” le correspondería jugar un papel
actinio. A los elementos de núcleos inestables “los transuránicos” le correspondería jugar un papel
sin precedentes en la historia del hombre: el dominio de la llamada energía nuclear.
sin precedentes en la historia del hombre: el dominio de la llamada energía nuclear.
• Al determinar experimentalmente la relación carga –masa de los rayos catódicos, Sir Joseph John Thomson, (1856 - 1940) demuestra inequívocamente que se tratan de partículas subatómicas y por consiguiente es universalmente reconocido como el científico que descubre e identifica el electrón. Sucesor de Maxwell en la dirección del Laboratorio Cavendish en Cambridge, Thomson recibe el Premio Nóbel de Física en 1906, y archiva el merito de que siete de sus investigadores asistentes, incluyendo a su hijo George merecieron igualmente este galardón.
Estos hechos experimentales reclamaban la construcción de un modelo atómico. Tales modelos aparecieron ya en el siglo XX dando así lugar al nacimiento de la Física Atómica y a la Física Nuclear y al dominio por el hombre de inusitadas fuentes de energía.
Al siglo XIX pertenece la primera patente sobre un sistema de televisión electromecánico. Esta fue obtenida en 1884 por un estudiante de ingeniería, alemán, Paul G. Nipkow (1860 –1940). Nipkow imaginó la posibilidad de provocar la disección secuencial de una imagen, su transmisión y su recepción sincrónica, recomponiéndola en una pantalla. Al hacer esto estaba apuntando hacia el principio de exploración de la imagen en el sistema de televisión. Un disco rotatorio con un sistema de rendijas que permitía el barrido de la imagen y la proyección de las diferentes intensidades de luz sobre un elemento de selenio fotosensible capaz de generar una señal eléctrica proporcional a la luminosidad del punto explorado, fueron los elementos de la primitiva imagen de 18 líneas que lograba. Algo más de un lustro después de la patente de Nipkow, que adelantaba el primer sistema de televisión electromecánico, el ingeniero eléctrico Alan Archibald Campbell Swinton (1863 – 1930) expone en la Sociedad Roentgen de Inglaterra un esquema que en principio constituye el sistema de la tecnología televisiva actual. Otros 24 años hicieron falta para que la idea de Campbell se transformara en el primer sistema mundial de fotografía electrónica.
Doctorado en 1872 bajo la dirección de von Helmholtz, el físico alemán Karl F. Braun (1850 – 1918) es célebre por inaugurar el estudio de la conductividad de los cristales de sulfuros metálicos que más tarde se convertirían en los detectores de cristal, y en 1897 inventar el tubo de rayos catódicos o tubo de Braun que ha sido empleado en los receptores de televisión, los oscilógrafos y los radares. La combinación del disco de Nipkow como cámara con el tubo de Braun como receptor fue el éxito ya en 1910 del primer sistema de televisión. En 1909 Braun compartió con Marconi el premio Nobel de Física.
Imagen: © The Nobel Foundation
Vasos comunicantes con la Química
Los vasos comunicantes entre la Física y la Química aparecen casi en cada descubrimiento de esta última disciplina. Cuando con el nacimiento del siglo XIX el fisico-químico inglés John Dalton (1766 – 1844) publicara su obra “Nuevo sistema de filosofía química” defendía un modelo de
átomo como partícula indivisible en las reacciones químicas que parece un retorno a las ideas de los atomistas griegos pero que sitúa en su centro a la masa newtoniana como la propiedad distintiva de los átomos. A partir de este momento, las diferencias observadas en las propiedades de los elementos se pretenden relacionar con el peso atómico.
A los avances en el dominio de la electricidad, corresponde el nacimiento de la electroquímica, el desarrollo de técnicas electrolíticas que permiten el descubrimiento de nuevos elementos, y la invención de dispositivos que aprovechan la energía química para la generación de electricidad. Como resultados de los adelantos en el campo de la óptica y la producción de nuevos instrumentos ópticos, aparecen las técnicas analíticas espectroscópicas que permiten determinar la composición de gases y minerales. Los progresos en el terreno de la termodinámica determinan la comprensión y el gobierno de los procesos químicos.
En 1804 el profesor de Física de la Sorbona Joseph L. Gay-Lussac (1778 -1850) incursionó en la tradición francesa de los vuelos en globos para estudiar la composición y temperatura del aire a diferentes altitudes. Cinco años después, Gay-Lussac enunció la ley de los volúmenes de combinación de los gases. Hacia 1811, el físico italiano Amadeo Avogadro (1776 - 1856) sugirió que volúmenes iguales de cualquier gas a la misma temperatura y presión contienen el mismo número de partículas, postulado que pasa a la Historia como "Ley de Avogadro". La combinación de la noción de molécula y esta hipótesis explicaba perfectamente la ley de los volúmenes de combinación. Sin embargo no fue hasta el Congreso de Karlsruhe, ya desaparecido Avogadro, que Stanislao Cannizaro (1826 -1910) demuestra la importancia de sus conceptos para obtener no sólo las masas moleculares, sino también indirectamente las masas atómicas.
Nacen las ideas atomistas en el campo de la reflexión filosófica de los griegos. Renacen en el siglo XVII con la hipótesis mecanicista de Descartes. Cristalizan en el XIX en el ámbito de la Química con los postulados de Dalton para explicar las reacciones entre las sustancias, y penetran ya en las postrimerías del propio siglo XIX en el universo de la Física, al descubrir, en los experimentos conducidos con los tubos de descarga, los rayos catódicos. Comienza entonces un período de crisis de la Física que da pie a la Revolución Científica del XX. Imagen: histoirechimie.free.fr/Lien/DALTON.htm
La necesidad de explicar en virtud de qué tipo de fuerzas se enlazan los átomos se erige en problema, y entre los primeros intentos por aclarar este enigma se destaca la teoría electroquímica creada por el químico sueco Jons J. Berzelius (1779 – 1848) en momento tan temprano como el 1810. Su original hipótesis considera que cada átomo tiene dos polos de signos contrarios, pero predomina uno. Así clasificaba a los elementos como electropositivos o electronegativos según predominara el polo positivo o negativo del átomo. Siguiendo su hipótesis la fuerza atractiva entre los átomos enlazados era un resultado de la atracción entre los polos predominantes de cada átomo. El período de vida de tal teoría, a pesar de sus interesantes bases, fue relativamente fugaz al no poder explicar la existencia de las agrupaciones atómicas (moléculas) estables constituidas por átomos de igual naturaleza (concebidas por Avogadro) y por tanto de la misma predominante polaridad.
Dos factores contribuyeron de forma decisiva al vertiginoso descubrimiento de nuevos elementos químicos que acompañó al siglo XIX: la aplicación de la pila voltaica y los ingenios que se inventaron
posteriormente para conducir la descomposición de las sustancias; y la introducción de las técnicas espectrales al análisis de muestras de minerales tratadas convenientemente.
La Antigüedad reconoció siete elementos metálicos (oro, plata, hierro, cobre, estaño, plomo y mercurio) y dos no metales (carbono y azufre); el esfuerzo de la alquimia medieval sumó el conocimiento de otros cinco (arsénico, antimonio, bismuto, cadmio, zinc y fósforo); y el siglo XVIII, con el estudio de los gases dejó como fruto el descubrimiento de cinco nuevos elementos (hidrógeno, flúor, cloro, nitrógeno y oxígeno) mientras el análisis de minerales aportaba la identificación de 14 elementos, trece de ellos metales típicos y un semimetal, (cobalto, platino, níquel, magnesio, manganeso, tungsteno, molibdeno, uranio, zirconio, titanio, ytrio, berilio, cromo y teluro). En total a las puertas del siglo XIX eran conocidos 35 elementos químicos, una década después del descubrimiento de Mendeleiev hacia 1880, se había duplicado el número de elementos químicos conocidos. Ochenta años de actividad científica habían igualado más de seis milenios de práctica humana.
En la década del 30 el químico y meteorólogo británico John Frederic Daniell (1790 - 1845) se sintió profundamente interesado en los trabajos de su amigo Faraday y giró el centro de su actividad hacia la Electroquímica. Los experimentos de Daniell por mejorar la batería de Volta con sus problemas de dar una inestable y débil fuente de corriente datan de 1835. Un año después el inventó una celda primaria en la cual el dihidrógeno fue eliminado en la generación de electricidad y por tanto había resuelto el problema de la polarización. Hacia fines de esta década la pila de Daniel era usada para alimentar de energía los nacientes sistemas telegráficos de Gran Bretaña y los Estados Unidos.
El mérito de haber iniciado la aplicación del invento de Volta a la a electrodescomposición de las sustancias químicas correspondió a Sir Humphry Davy (1788 –1829), quien llegó a presidir en 1820 la Sociedad Real londinense. Entre sus notables hallazgos Davy archiva el descubrimiento de 5 metales activos en dos años. Cinco fueron precisamente los elementos descubiertos en siglos por la Alquimia Medieval.La historia reconoce que Davy no pudo escapar del sentimiento de envidia hacia su discípulo Faraday e intentó bloquear su entrada en la Royal Society. No siempre los científicos han dado muestras del altruismo que debe caracterizar las relaciones entre las personas. Imagen: histoirechimie.free.fr/Lien/DAVY.htm
La primera pila secundaria o acumulador es inventada en 1859 por el físico francés Gastón Planté (1834 - 1889). Este invento puede ser considerado una de las grandes contribuciones de la química al desarrollo de los móviles terrestres. Cuando entre 1885 y 1887 ingenieros alemanes fabricaron los primeros automóviles de gasolina eficaces, disponían ya de los acumuladores para generar la corriente eléctrica necesaria.
Hacia la mitad del siglo se configuran otros enfoques de los estudios estructurales que esquivando el problema de la naturaleza de las fuerzas químicas elaboran importantes conceptos como el de la valencia y la isomería estructural de las sustancias orgánicas en un esfuerzo por aclarar la forma en que se enlazan los átomos en la estructura particular de la sustancia y edificar un sistema de símbolos y notaciones que permitieran una comunicación universal.
La línea de pensamiento defendida por el químico británico Edward Frankland (1825 -1899) admite como posible la determinación de la estructura de las moléculas e introduce el concepto de valencia como pieza clave para cumplir esta tarea. La valencia vendría a expresar la capacidad de un átomo de formar compuestos con un número dado de átomos de otro elemento. Tomada la valencia del hidrógeno igual a la unidad, se puede considerar que la valencia de otros elementos está dada por el número de átomos de hidrógeno que se unan al átomo del elemento dado.
El desarrollo ulterior de las ideas de Frankland tienen como principales protagonistas a quien fue a la Universidad de Giessen a titularse de arquitecto y terminó, cautivado por Liebig, convertido en arquitecto de las moléculas orgánicas, el químico alemán de descendencia checa August Kekulé von Stradonitz (1829 -1896) y al académico ruso Alexander Mijailovich Butlerov (1828- 1886). En 1862 arribó al laboratorio de Kekulé el profesor de la Universidad de Kazán con sus ideas acerca de la orientación tetraédrica de los enlaces de los átomos de carbono. La integración de los supuestos de ambos investigadores conducen a las principios siguientes: la unión de los átomos ocurre en correspondencia con su valencia; los átomos se enlazan en la molécula en un orden determinado; las propiedades de las sustancias dependen no sólo de la naturaleza y cantidad de los átomos que la constituyen sino del orden y disposición en que estos se unen, es decir de la estructura molecular.
Al inicio de los setenta, el físico-químico holandés Jacobus Henricus van't Hoff (1852–1911) trabajó en Bonn durante un año con Kekulé y se informó del repertorio de nociones que sobre el enlace habían desarrollado de manera independiente su tutor y Butlerov. En 1873 van't Hoff se trasladó a París a trabajar en el laboratorio de Charles Adolphe Wurtz (1817-1884) y allí se dio cuenta de que la actividad óptica observada por determinadas sustancias orgánicas, descubrimiento realizado por Pasteur (1822 – 1895), podía ser explicada en términos de la orientación tetraédrica de las valencias del carbono. Otro graduado que trabajaba en el laboratorio de Wurtz, el francés Joseph Achille Le Bel (1847 - 1930), de forma independiente arribó a la misma explicación de la actividad óptica. Un trascendental paso se había dado al aceptar la posibilidad de penetrar en la estructura de las moléculas para explicar sus propiedades sobre la base de reflejar no una estructura hipotética sino una estructura con realidad física. La temprana aplicación que hace van't Hoff de la termodinámica y de la cinética a las reacciones químicas, lo convierten en uno de los padres de la Física-Química. Inaugura en 1901 la selección de la Academia Nobel recibiendo el Premio de Química. Imagen (van't Hoff): http://www.nobelpreis.org/chemie/images/hoff.jpg
Un cambio de paradigma en el estudio sistemático de las propiedades de los elementos químicos fue dado por el descubrimiento de la Ley Periódica de los elementos químicos. En 1869, el químico ruso Dimitri Mendeleiev (1834 – 1907) defendió la tesis de que una variación regular en las propiedades de los elementos químicos se podía observar si estos se ordenaban en un orden creciente de los pesos atómicos. La edificación de la tabla periódica de Mendeleiev no solo dio lugar a la clasificación de los elementos químicos en familias o grupos sino que posibilitó la predicción de la existencia de elementos químicos aún no descubiertos y de las propiedades que estos debían exhibir. La sorprendente correspondencia entre estas predicciones y los descubrimientos de nuevos elementos que se producirían en los años subsiguientes demostró la validez de la ley periódica. Por estas aportaciones Mendeleiev es muy recordado pero es menos
reconocido por su postura antizarista que lo lleva ya con 56 años a la renuncia a su cargo de catedrático universitario.
Un par de violaciones en la Ley Periódica de Mendeleiev y el descubrimiento de una nueva familia de elementos que se había mantenido oculta a la búsqueda de los químicos vendría a demostrar el carácter temporal de esta ley que debía ser sometida a reformulación en las décadas próximas. Los gases nobles aparecieron en escena gracias a los trabajos del físico John William Strutt Rayleigh (1842-1919), y el químico Willliam Ramsay (1852-1916) cuando descubren que un gas inerte de masa atómica 40 constituye el 0,93% de la atmósfera. En 1894 se produce el anuncio del nuevo elemento que no encaja en los grupos de la Tabla Periódica de la época y que recibe el nombre de Argón (del griego: argos, inactivo). Cuatro años después los trabajos de Ramsay acusan la existencia de otros tres gases inertes: neón, criptón y xenón.
El mérito de relacionar, en un cuerpo teórico coherente, las tres magnitudes que caracterizan termodinámicamente un proceso químico: la variación de energía libre, la variación de entalpía y la variación de entropía corresponde a Josiah Gibbs (1839 – 1910). A partir de sus trabajos publicados en la década de los setenta la Termodinámica se convierte en una disciplina de capacidad predictiva para evaluar la tendencia de una reacción a verificarse en una dirección dada. En otras palabras, la reversibilidad del fenómeno químico a partir de entonces comienza a tratarse en términos cuantitativos.
Gibbs es reclamado como matemático por sus aportaciones al análisis vectorial, físico por su interpretación estadística de los fenómenos termodinámicos y químico por considerarse fundador de la Termodinámica Química. Nació y murió en su Connecticut y publicó en lo que hoy llamaríamos una revista de poca visibilidad. Por esta razón, sus trabajos sólo fueron conocidos en la Europa, centro de las Ciencias en la época, una década más tarde.
Los primeros elementos de una teoría que explicara los fenómenos electrolíticos van a ser desarrollados en 1884 por el físico-químico sueco Svante August Arrhenius (1859 – 1927). Esta teoría marca el inicio de una nueva rama del saber químico: la Electroquímica. Sin embargo, las bases de esta teoría fueron defendidas en su tesis doctoral y mereció la mínima calificación por parte del Tribunal al que correspondió evaluarla. Un ulterior desarrollo de estas ideas le valió para que la Historia lo reconozca como uno de los pioneros de la Electroquímica. La Academia Nobel le confirió el premio de Química en 1903.
En otro orden de cosas, Arrhenius fue uno de los primeros en desarrollar la polémica hipótesis conocida como Panspermia. Según esta teoría, la vida fue introducida en nuestro planeta desde lejanos confines del universo en forma de microorganismos transportados en meteoritos.
Imagen: http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Gallery/Gallery1.html
Una sorprendente relación entre materiales de atractivas propiedades físico – mecánicas, explosivos y medicamentos fue encontrada en el siglo XIX por investigadores que iniciaron una revolución en la ciencia de los materiales y por otra inauguraron una nueva época de la industria de los explosivos, aliada de la construcción y lamentablemente de la guerra.
La invención de la primera materia plástica del mundo se debió al joven estadounidense John Hyatt (1837 –1920) quien sin ninguna preparación en Química logra en 1865 producir mediante el tratamiento con calor y presión de una mezcla de nitrocelulosa (sustancia explosiva), alcanfor y alcohol, un nuevo material llamado celuloide. Nacían los objetos plásticos y traían, junto a las propiedades atractivas de estas sustancias, un imperdonable defecto: la vida oculta de la nitrocelulosa le hacía ser inflamable e incluso podían estallar. Mejorar las propiedades de estos