Using Different Machine Learning Approaches

9.3.3. Dalton y la ley de volúmenes de combinación 9.3.4. El «complemento» de la teoría atómica: hipótesis de

Avogadro.

9.3.5. Otros trabajos de Dalton

9.4. BERZELIUS Y EL DESARROLLO DE LA QUÍMICA 9.4.1. Labor científica de Berzelius

9.5. OTRAS APORTACIONES IMPORTANTES 9.6. REFLEXIONES FINALES

Oro Plata Plomo Cobre Hierro Azufre Plomo calcinado Mineral d plomo Estaño Arsénico Cobre calcinado (después mercurio) Vapor Vinagre Crisol Selenit Piedras Fermento Agua Arsénico Mercurio Antimonio Cobre Hierro A Agua Vinagre Cloruro de amonio Vitriolo Cal Álcali F

Símbolos en los antiguos manuscritos alquímicos griegos (aprox. del sigloX)

Símbolos alquímicos de principios del sigloXVII

Oro Agua Vinagre Fermento Piedras Vapor Crisol Selenita Arsénico Mercurio Antimonio Cobre Hierro Agua Vinagre Vitriolo Cal Álcali Cloruro de amonio Plata Cobre Hierro Azufre Plomo Estaño Arsénico Plomo calcinado Cobre calcinado Mineral de plomo (despues mercurio)

9.1. INTRODUCCIÓN

Al comenzar el sigloXIXnos encontramos con que muy pocos años antes

se han producido dos revoluciones muy importantes, una para la historia del hombre y otra para la de la ciencia y, que curiosamente, coinciden en el país y en la fecha. La primera es la Revolución Francesa, en 1789, y la segunda la Revolución Química, personificada en la figura de Lavoisier —aunque muchos otros científicos están en realidad tras él y tras sus investigaciones— y que se puede concretar cuando publica en ese mismo año su célebre Tratado

elemental de Química, que provoca un cambio radical en la química mediante

su definición de elemento (puede revisarlo en el Tema 8).

Esa revolución de la química supone una ruptura con la teoría del flogis- to y con el pasado, dando un enfoque diferente con un nuevo lenguaje y nue- vos objetivos. Los llamados «padres» de la química moderna, Boyle, Priestley y Lavoisier, en orden cronológico, dieron paso con sus ideas a que los quími- cos que les sucedieron realizaran multitud de descubrimientos que, a su vez, permitieron un desarrollo de esta ciencia a un ritmo rapidísimo.

El estado de la química a principios del sigloXVIII, más o menos, puede sin-

tetizarse así. Por una parte, los químicos aceptan la teoría corpuscular de la materia, es decir, que la materia está constituida por unas partículas muy peque- ñas, microscópicas, duras, sólidas, impenetrables y que están en movimiento. La antigua preocupación por la afinidad —recordemos la justificación a la mis- ma dada por Newton— como explicación a por qué unas sustancias reaccionan con otras, va a ser el foco de atención de los químicos, que se centran, pues, en la cuestión de la reacción química y de la reactividad. Sin embargo, la noción de átomo poco les va a servir a la hora de trabajar experimentalmente, por lo que siguen prefiriendo el concepto de elemento con la definición pragmática dada por Lavoisier, como algo tangible que se podía pesar y manipular en un labora- torio. Dejan de momento los átomos para los físicos.

Por otra parte, se ha dado ya plenamente el gran salto a la química cuan-

decisivas las siguientes: primeramente fue van Helmont quien da la idea; Boy-

le la continúa en la práctica, y Lavoisier la introduce plenamente.

En este estado de la situación va a tener lugar el segundo gran avance de la química, como una segunda revolución química, aunque menor que la pri- mera, con la teoría atómica de Dalton. Pero esta teoría, a su vez, tuvo como soporte el descubrimiento experimental de las relaciones cuantitativas entre los elementos cuando éstos reaccionaban entre sí para formar una combina- ción química.

Se trataba, en definitiva, de los estudios empíricos que condujeron al enunciado de las bases de la estequiometría y de las leyes ponderales —es decir, de peso— y de las leyes volumétricas de combinación.

Todas ellas fueron interpretadas, analizadas y unificadas por una mente con tan gran capacidad de síntesis como la de Dalton. Pero, además, le pro- porcionaron la base experimental para justificar la existencia de moléculas, y con todo ello pudo llevar a cabo la elaboración de su teoría atómica.

A principios del sigloXIX, la mayor actividad química tanto experimental

como teórica tiene sus mayores protagonistas principalmente en Inglaterra y en Francia: desde los tiempos medievales y de principios del renacimiento su centro se ha ido desplazando ligeramente hacia la Europa occidental, si bien siguen existiendo importantísimos científicos en otros países, sobre todo en Alemania y Suecia.

9.2. PRIMERAS CONSECUENCIAS DE LA QUÍMICA

CUANTITATIVA

Una vez definido el concepto de elemento se empezaron a analizar multi- tud de sustancias químicas para determinar si eran sustancias elementales o sustancias-compuestos. Además, a partir de la «nueva química» se tuvo siem- pre también en cuenta el principio de conservación de la materia.

9.2.1. Richter, la ley de los números proporcionales

y la estequiometría

Uno de los trabajos más sobresalientes en este sentido fue el llevado a cabo por el alemánJeremias Benjamin Richter (1762-1807). En sus investi-

gaciones acerca de las combinaciones químicas sus mayores preocupaciones fueron insistir en las medidas cuantitativas y, sobre todo, introducir las mate- máticas en la química. Había estudiado matemáticas en la Universidad de Königsberg, en lo que se llamaba entonces Prusia Oriental y que posterior- mente pasó a Rusia. Después compaginó su trabajo como analista químico

en la fábrica de porcelana de Berlín con la realización de su tesis doctoral, dirigida nada menos que por el prestigioso filósofoKant y que trataba preci-

samente sobre el empleo de las matemáticas en la química.

Con un tesón y una minuciosidad germánicos, Richter buscaba algún tipo de relación aritmética, de regularidad en las proporciones con las que se combinaban las sustancias en una reacción dada. Comenzó por el cálculo del «peso de flogisto» en distintas sustancias —recordemos que en esas fechas aún esa teoría seguía teniendo ardientes defensores— y después fue estu- diando gran número de reacciones. Así, al analizar las descomposiciones dobles constató que las masas de los reactivos debían guardar una propor- ción fija entre sí. Llegó a esta conclusión en 1792, es decir, en la misma épo- ca en la que Lavoisier alcanzó las importantes consecuencias de sus investi- gaciones. Todo ello llevó a Richter a enunciar la ley de las proporciones

recíprocas o de los números proporcionales. En realidad esta ley no era más

que una extensión de la ley de Dalton (en la que nos detendremos más ade- lante, sección 9.2.3), por lo que actualmente está bastante olvidada en los tex- tos de enseñanza. No obstante, este hecho es injusto ya que, aunque no apor- tó mucho en cuanto a originalidad, sí que contribuyó de forma considerable a consolidar los aspectos cuantitativos de las reacciones. Para explicar esta ley, Richter propuso su teoría de los pesos de combinación, pesos invariables que no eran otra cosa que los «pesos equivalentes». Su mayor aportación sea tal vez el establecimiento de las bases de la estequiometría y a la que él mismo propuso ese nombre, derivado del término griego «stoicheion», elemento, para aplicarlo al estudio de esas proporciones.

Este descubrimiento lo llevó al terreno ácido-base, que le condujo a la conclusión de que un peso fijo de un cierto ácido se neutralizaba con un peso determinado de diferentes bases, siendo esos pesos distintos para cada una. Así, mediante el uso de tabulaciones se podía saber fácilmente qué cantidad de una base determinada se necesitaba para neutralizar una cantidad de un ácido determinado, lo cual supuso un gran avance para la química analítica.

9.2.2. Ley de las proporciones definidas de Proust

Louis-Joseph Proust (1754-1826), investigador francés, fue alumno de

Rouelle, lo mismo que Lavoisier. Él mismo fue también profesor y, como dato curioso, hay que señalar que ejerció tal función precisamente en España, donde enseñó química (entre 1777 y 1807) en Vergara, Segovia y Madrid. Hizo además una importante labor experimental como analista, sobre todo en esta última ciu- dad, donde se puso a su disposición un laboratorio con excelentes instalaciones. Era el reinado de Carlos IV y en aquella época había una gran preocupación por la química en España, debido fundamentalmente al hecho de los riquísimos yacimientos de minerales de las colonias americanas, razón por la que Proust fue llamado para que contribuyera al desarrollo de la química española.

Ante todo Proust fue un gran experimentador. Su investigación esencial la realizó analizando multitud de compuestos. Constató así la diferencia entre

combinación química y mezcla: en la primera, la composición que daban los

análisis cuantitativos era siempre la misma, mientras que en la segunda, la composición era variable.

De esta manera, enuncia en 1801 la ley de las proporciones definidas —o de la composición definida—, su contribución más señera y por la que su nom- bre ha quedado para la historia de la química. Constató en ella que una com- binación química determinada tendría siempre la misma composición. O, dicho de otra manera, cuando dos elementos reaccionaban entre sí para for- mar un determinado compuesto lo hacían en una relación de peso invariable. Sin embargo, esta idea fue rebatida con firmeza por Berthollet —que

había sido discípulo de Lavoisier, como puede revisar en el Tema 8—, quien argumentaba que la composición cuantitativa de una combinación no era constante, sino que dependía de las cantidades de reactivos que intervinieran en la reacción correspondiente, con lo que las sustancias no se combinarían en una proporción fija. Esta postura de Berthollet venía avalada por las des- viaciones a la ley de Proust, las cuales para éste eran debidas tan sólo a erro- res experimentales. A la larga triunfó Proust, pues poco después con Berzelius se obtuvieron resultados más exactos, con lo cual su ley fue unánimemente aceptada.

Sin embargo, esta polémica impulsó a que muchos químicos comprobaran en el laboratorio las ideas de uno y otro, para determinar quién tenía razón. Con ello, dio lugar —de forma indirecta— a que se aumentase el número de datos sobre la composi- ción química de muchas sustancias.

No obstante, a la larga esta idea de Berthollet produjo confusión entre los cientí- ficos y cierto entorpecimiento en el desarrollo de la química analítica.

En cuanto aClaude-Louis Berthollet (1748-1822) fue profesor de quími-

ca en París y colaborador de Lavoisier sobre todo en la elaboración de la nue- va nomenclatura. Sin embargo, en su labor de profesor no fue muy brillante, debido más que nada a sus pocas dotes como comunicador. A pesar de ello, tuvo importantes discípulos y ayudantes —entre los que se encontraba Gay- Lussac— a los que siempre orientó y ayudó muchísimo. Como investigador, no obstante, destacó sobremanera. En este sentido, hay que recordar que, siguiendo la línea de Lavoisier, continuó el estudio de las afinidades químicas. Además, son de interés sus trabajos con cloratos, con los que intentó sustituir la pólvora en las armas de fuego, y sus experimentos con el cloro, en el que reconoció su poder como blanqueador —hoy diríamos como oxidante—, lo que le llevó a construir una fábrica de «lejía» en París (concretamente en el barrio de Javel, por lo que como dato anecdótico hay que decir que por ello en francés se conoce este producto como agua de Javel). Pero tal vez por lo que se recuerde más sea por aquella controversia con Proust.

Era también un gran erudito, considerado por Napoleón como uno de sus sabios oficiales, por lo que acompañó a éste en su expedición a Egipto en 1798.

Guerras/Cultura/Ciencia

Eran aquellos días en los que, tras la conquista de Egipto por Napoleón, se encon- tró la piedra Rosetta y se hicieron otros descubrimientos que tanto han contribuido a descifrar muchas claves de la historia de la humanidad y de la ciencia.

Allí descubrió Berthollet enormes depósitos de carbonato sódico en las orillas de los lagos salados (el famoso natrón, del que se trató en el Tema 2). Estudió la formación de este compuesto, llegando a la conclusión de que se produciría por reacción de la sal disuelta en las aguas (cloruro sódico) con la piedra caliza. Pero esta reacción era precisamente la inversa de la que tenía lugar en el laboratorio, por lo que supuso que la gran concentración de sal en el agua forzaría a que la reacción tomase un sentido opuesto al habitual. Esta idea de Berthollet acerca del papel que la cantidad o masa de un reactivo podía desempeñar en una reacción, condujo posteriormente al concepto de

equilibrio químico, otra de sus importantes aportaciones. Y es también lo que

le hizo afirmar que las sustancias se combinaban en proporciones variables e indefinidas y que la composición de los compuestos dependía de la forma en que se hubiese preparado.

En realidad Berthollet hacía referencia a aleaciones, a vidrios y a mez- clas. En el fondo su idea no era en absoluto descabellada, sino que estaba relacionada con lo que después se enunciaría como ley de acción de masas. Por otra parte, posteriormente se han ido encontrando materiales que no cumplen la ley de las proporciones definidas, es decir, cuya composición quí- mica no es constante, sino que varía dentro de ciertos límites, como son cier- tos semiconductores y sustancias con defectos en su retículo cristalino (por ejemplo, el óxido de titanio TiO o el de cinc, ZnO)_.El número de estos com- puestos no-estequiométricos ha ido creciendo, sobre todo a partir de la Segunda Guerra Mundial, y se les denominó berthóllidos, mientras que los que sí siguen la ley son los daltónidos. ¿Por qué este nombre de daltónidos? Precisamente en honor a Dalton, por su aportación fundamental en este sen- tido con su ley de las proporciones múltiples.

9.2.3. Ley de las proporciones múltiples

En muchos experimentos se había constatado que, muy frecuentemente, dos elementos al combinarse daban lugar no sólo a un compuesto, sino a dos o incluso más compuestos diferentes. Dalton trabajó intensamente en esta dirección y analizó ponderalmente estos procesos, con lo que llegó a enunciar en 1804 la ley de las proporciones múltiples. Según ésta las masas de un mis- mo elemento que se combinan con una masa fija de otro para dar compues- tos diferentes, guardan entre sí una relación de números sencillos.

Estas son las tres leyes ponderales, es decir, relativas a pesos, que fueron complementadas con otra ley importantísima, en este caso de tipo volumé- trico, debida a Gay-Lussac.

9.2.4. Gay-Lussac y las leyes volumétricas

Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) fue otro brillantísimo científico

francés, físico y químico, alumno de Berthollet como acabamos de ver, y que además de gran investigador fue profesor en importantes centros de Francia, como la Universidad de la Sorbona o el Jardín de Plantas. Desde muy joven le atrajo el estudio de los gases, con los que llevó a cabo audaces experiencias; por ejemplo, realizó personalmente dos peligrosas ascensiones en globo a grandes alturas (4.000 y 7.000 metros). Con todos estos trabajos llegó a des- cubrimientos sumamente valiosos. Así, tan sólo a los 24 años (en 1802), observó la dilatación regular de los gases con la temperatura: es decir, que la variación del volumen de un gas con la temperatura era lineal. Lo cual dio lugar a la ley de Charles/Gay-Lussac, llamada así porque aunque este fenóme- no fuera investigado primeramente por el físico francésCharles, en 1787, fue

Gay-Lussac quien llevó a cabo su estudio sistemático.

Con esto demostró que todos los gases tenían un comportamiento físico idéntico. Pero además demostró que había en ellos un comportamiento tam- bién idéntico en sus reacciones químicas, en cuanto a sus proporciones volu- métricas: poco después llevó a cabo la síntesis del agua, en la que constató que dos volúmenes del gas hidrógeno se combinaban siempre con un volu- men del gas oxígeno para dar dos volúmenes de vapor de agua. De esta y de otras experiencias similares enunció en 1809 sus conclusiones, que pueden formularse en la llamada ley de los volúmenes de combinación: «Cuando dos gases se combinan y los compuestos resultantes son también gaseosos, entre los volúmenes de todos ellos (medidos en iguales condiciones de presión y temperatura) existe una relación sencilla de números enteros».

Después volveremos sobre esta ley, pero seguiremos ahora con las inves- tigaciones de Gay-Lussac. En el ámbito de la química mineral, estudió las propiedades de algunos metales alcalinos, del boro y del iodo y llevó a cabo la síntesis del ácido iodhídrico y sus iodatos, así como del cianhídrico y del cia- nógeno. La química analítica le debe la creación del análisis volumétrico, al introducir la utilización de disoluciones valoradas en el análisis cuantitativo. En química orgánica sus investigaciones dieron lugar a la introducción de la noción de isomería. Y en química industrial perfecciona el método de fabri- cación del ácido sulfúrico, con la llamada en su honor «torre de Gay-Lussac», que mejoraba enormemente el rendimiento de este producto.

En Gay-Lussac tenemos otro ejemplo de químico «universal»

9.3. DALTON: TRABAJO EXPERIMENTAL E IDEAS

Mediante los numerosos estudios cuantitativos sobre la composición de las combinaciones químicas se habían establecido las leyes ponderales, pero no se había dado una explicación satisfactoria de a qué se debían. Es

en este punto, también muy a principios del sigloXIX, cuando entra en esce-

na la inteligencia y la imaginación de Dalton para integrar esas leyes pon- derales en una teoría que las explicaba. Su razonamiento fue muy sencillo, como en casi todas las grandes teorías: retomó la idea de la constitución atómica de la materia, aunque ya muy distinta a la de la filosófía epicúrea greco-latina. Todo se podía explicar considerando que un compuesto deter- minado se formaba por la unión de siempre el mismo número de átomos de cada uno de los elementos que integraban ese compuesto. Como cada tipo de átomos tenía un peso constante, todas esas relaciones en peso eran inva- riables.

No obstante, antes de profundizar más en esta teoría y detenernos en la historia de Dalton, su creador, desde una perspectiva científica, es conve- niente —y casi necesario— conocer algunos datos de su historia pero desde una perspectiva personal y humana.

9.3.1. Breve biografía de Dalton

John Dalton (1766-1844) nació en Inglaterra, concretamente en Eagles-

field (Cumberland), en una humilde familia de artesanos —su padre era teje- dor— que eran cuáqueros. Este último aspecto, el religioso, es muy importan- te y probablemente una de las causas finales de su trayectoria científica. Los miembros de la sociedad cuáquera rechazaban la enseñanza oficial, pero tenían un sistema educativo propio que resultaba mejor, sumamente cuidado y estructurado. Dalton estudió así tanto disciplinas de tipo humanístico