Historia de la química
La historia de la química representa un lapso de tiempo desde la historia antigua hasta el presente. Para el año 1000 a. C., las civilizaciones utilizaron tecnologías que eventualmente formarían la base de las diversas ramas de la química. Los ejemplos incluyen el descubrimiento del fuego, la extracción de metales de minerales, la fabricación de cerámica y esmaltes, la fermentación de cerveza y vino, la extracción de productos químicos de las plantas para medicina y perfume, la conversión de grasa en jabón, la fabricación de vidrio y la elaboración de aleaciones como el bronce.
La protociencia de la química, la alquimia, no logró explicar la naturaleza de la materia y sus transformaciones. Sin embargo, al realizar experimentos y registrar los resultados, los alquimistas prepararon el escenario para la química moderna. La distinción comenzó a surgir cuando Robert Boyle hizo una clara diferenciación entre química y alquimia en su obra The Skeptical Chymist (1661). Si bien tanto la alquimia como la química se ocupan de la materia y sus transformaciones, se considera que los químicos aplican el método científico a su trabajo.
La historia de la química está entrelazada con la historia de la termodinámica, especialmente a través del trabajo de Willard Gibbs.
Historia antigua
Primeros humanos
Se encontró un taller de procesamiento de ocre de 100,000 años de antigüedad en la cueva de Blombos en Sudáfrica. Indica que los primeros humanos tenían un conocimiento elemental de la química. Las pinturas dibujadas por los primeros humanos que consisten en humanos primitivos mezclando sangre animal con otros líquidos que se encuentran en las paredes de las cuevas también indican un pequeño conocimiento de la química.
Metalurgia temprana
El metal más antiguo registrado empleado por humanos parece ser el oro, que se puede encontrar libre o "nativo". Se han encontrado pequeñas cantidades de oro natural en cuevas españolas utilizadas durante el Paleolítico tardío, alrededor del 40.000 a.
La plata, el cobre, el estaño y el hierro meteórico también se pueden encontrar nativos, lo que permite una cantidad limitada de trabajo con metales en las culturas antiguas. Las armas egipcias hechas de hierro meteórico alrededor del año 3000 a. C. eran muy apreciadas como "dagas del cielo".
Podría decirse que la primera reacción química utilizada de manera controlada fue el fuego. Sin embargo, durante milenios el fuego fue visto simplemente como una fuerza mística que podía transformar una sustancia en otra (quemar madera o hervir agua) mientras producía calor y luz. El fuego afectó muchos aspectos de las sociedades primitivas. Estos iban desde las facetas más simples de la vida cotidiana, como cocinar y calentar e iluminar el hábitat, hasta usos más avanzados, como la fabricación de cerámica y ladrillos y la fundición de metales para fabricar herramientas.
Fue el fuego el que condujo al descubrimiento del vidrio ya la purificación de los metales; esto fue seguido por el surgimiento de la metalurgia. Durante las primeras etapas de la metalurgia, se buscaron métodos de purificación de metales, y el oro, conocido en el antiguo Egipto desde el año 2900 aC, se convirtió en un metal precioso.
Edad de Bronce
Ciertos metales se pueden recuperar de sus minerales simplemente calentando las rocas al fuego: en particular, estaño, plomo y (a una temperatura más alta) cobre. Este proceso se conoce como fundición. La primera evidencia de esta metalurgia extractiva data de los milenios 6 y 5 aC y se encontró en los sitios arqueológicos de Majdanpek, Yarmovac y Plocnik, los tres en Serbia. Hasta la fecha, la fundición de cobre más antigua se encuentra en el sitio de Belovode; estos ejemplos incluyen un hacha de cobre del 5500 a. C. perteneciente a la cultura Vinča. Otros indicios de metales primitivos se encuentran desde el tercer milenio antes de Cristo en lugares como Palmela (Portugal), Los Millares (España) y Stonehenge (Reino Unido). Sin embargo, como sucede a menudo en el estudio de los tiempos prehistóricos, los comienzos últimos no pueden definirse claramente y los nuevos descubrimientos están en curso.
Estos primeros metales eran elementos únicos, o bien combinaciones, como ocurría naturalmente. Al combinar cobre y estaño, se podía hacer un metal superior, una aleación llamada bronce. Este fue un cambio tecnológico importante que comenzó la Edad del Bronce alrededor del 3500 a. La Edad del Bronce fue un período en el desarrollo cultural humano cuando la metalurgia más avanzada (al menos en uso sistemático y generalizado) incluía técnicas para fundir cobre y estaño a partir de afloramientos naturales de minerales de cobre, y luego fundir esos minerales para fundir bronce. Estos minerales naturales normalmente incluían arsénico como una impureza común. Los minerales de cobre/estaño son escasos, como se refleja en la ausencia de bronces de estaño en Asia occidental antes del 3000 a.
Después de la Edad del Bronce, la historia de la metalurgia estuvo marcada por ejércitos que buscaban mejores armas. Los estados de Eurasia prosperaron cuando fabricaban aleaciones superiores que, a su vez, producían mejores armaduras y mejores armas. En la antigua India se lograron avances significativos en la metalurgia y la alquimia.
Edad de Hierro
La extracción de hierro de su mineral en un metal trabajable es mucho más difícil que el cobre o el estaño. Si bien el hierro no es más adecuado para las herramientas que el bronce (hasta que se descubrió el acero), el mineral de hierro es mucho más abundante y común que el cobre o el estaño y, por lo tanto, está disponible localmente con más frecuencia, sin necesidad de intercambiarlo.
El trabajo del hierro parece haber sido inventado por los hititas alrededor del año 1200 a. C., comenzando la Edad del Hierro. El secreto de extraer y trabajar el hierro fue un factor clave en el éxito de los filisteos.
La Edad del Hierro se refiere al advenimiento del trabajo del hierro (metalurgia ferrosa). Los desarrollos históricos en la metalurgia ferrosa se pueden encontrar en una amplia variedad de culturas y civilizaciones pasadas. Estos incluyen los reinos e imperios antiguos y medievales de Oriente Medio y Oriente Próximo, el antiguo Irán, el antiguo Egipto, la antigua Nubia y Anatolia (Turquía), la antigua Nok, Cartago, los griegos y romanos de la antigua Europa, la Europa medieval, la antigua y China medieval, India antigua y medieval, Japón antiguo y medieval, entre otros. Muchas aplicaciones, prácticas y dispositivos asociados con la metalurgia o relacionados con ella se establecieron en la antigua China, como la innovación del alto horno, el hierro fundido, los martillos perforadores accionados hidráulicamente y los fuelles de pistón de doble efecto.
La antigüedad clásica y el atomismo
Intentos filosóficos de racionalizar por qué diferentes sustancias tienen diferentes propiedades (color, densidad, olor), existen en diferentes estados (gaseoso, líquido y sólido) y reaccionan de manera diferente cuando se exponen a ambientes, por ejemplo, al agua, al fuego o a la temperatura. cambios, llevó a los filósofos antiguos a postular las primeras teorías sobre la naturaleza y la química. La historia de tales teorías filosóficas que se relacionan con la química probablemente se remonta a cada civilización antigua. El aspecto común en todas estas teorías fue el intento de identificar un pequeño número de elementos clásicos primarios que componen todas las diversas sustancias en la naturaleza. Sustancias como aire, agua y suelo/tierra, formas de energía, como fuego y luz, y conceptos más abstractos como pensamientos, éter y cielo,
Mundo antiguo
Hacia el 420 a. C., Empédocles afirmó que toda materia está formada por cuatro sustancias elementales: tierra, fuego, aire y agua. La teoría temprana del atomismo se remonta a la antigua Grecia y la antigua India. El atomismo griego se remonta al filósofo griego Demócrito, quien declaró que la materia está compuesta de partículas indivisibles e indestructibles llamadas "átomos" alrededor del año 380 a. Leucipo también declaró que los átomos eran la parte más indivisible de la materia. Esto coincidió con una declaración similar del filósofo indio Kanada en sus sutras Vaisheshika alrededor del mismo período de tiempo.De la misma manera discutió la existencia de los gases. Lo que Canadá declaró por sutra, Demócrito lo declaró por reflexión filosófica. Ambos adolecieron de una falta de datos empíricos. Sin pruebas científicas, la existencia de los átomos era fácil de negar. Aristóteles se opuso a la existencia de los átomos en el 330 a. Anteriormente, en el 380 a. C., un texto griego atribuido a Polybus argumentaba que el cuerpo humano se compone de cuatro humores. Hacia el año 300 a. C., Epicuro postuló un universo de átomos indestructibles en el que el propio hombre es el responsable de lograr una vida equilibrada.
Con el objetivo de explicar la filosofía epicúrea a una audiencia romana, el poeta y filósofo romano Lucrecio escribió De rerum natura (La naturaleza de las cosas) en el año 50 a. En la obra, Lucrecio presenta los principios del atomismo; la naturaleza de la mente y el alma; explicaciones de la sensación y el pensamiento; el desarrollo del mundo y sus fenómenos; y explica una variedad de fenómenos celestes y terrestres.
Gran parte del desarrollo inicial de los métodos de purificación está descrito por Plinio el Viejo en su Naturalis Historia. Trató de explicar esos métodos, además de hacer observaciones agudas del estado de muchos minerales.
Alquimia medieval
El sistema elemental utilizado en la alquimia medieval fue desarrollado principalmente por el alquimista persa-árabe Jābir ibn Hayyān y tenía sus raíces en los elementos clásicos de la tradición griega. Su sistema constaba de los cuatro elementos aristotélicos de aire, tierra, fuego y agua además de dos elementos filosóficos: azufre, que caracteriza el principio de combustibilidad, "la piedra que arde"; y mercurio, caracterizando el principio de las propiedades metálicas. Fueron vistos por los primeros alquimistas como expresiones idealizadas de componentes irreducibles del universo y son de mayor consideración dentro de la alquimia filosófica.
Los tres principios metálicos (azufre a inflamabilidad o combustión, mercurio a volatilidad y estabilidad, y sal a solidez) se convirtieron en el tria prima del alquimista suizo Paracelso. Razonó que la teoría de los cuatro elementos de Aristóteles aparecía en cuerpos como tres principios. Paracelso vio estos principios como fundamentales y los justificó recurriendo a la descripción de cómo arde la madera en el fuego. Mercurio incluía el principio cohesivo, de modo que cuando salía de la madera (en forma de humo) la madera se desmoronaba. El humo describía la volatilidad (el principio mercurial), las llamas generadoras de calor describían la inflamabilidad (azufre) y las cenizas remanentes describían la solidez (sal).
La piedra filosofal
La alquimia se define por la búsqueda hermética de la piedra filosofal, cuyo estudio está impregnado de misticismo simbólico y difiere mucho de la ciencia moderna. Los alquimistas trabajaron duro para hacer transformaciones en un nivel esotérico (espiritual) y/o exotérico (práctico). Fueron los aspectos protocientíficos y exotéricos de la alquimia los que contribuyeron en gran medida a la evolución de la química en el Egipto grecorromano, en la Edad de Oro islámica y luego en Europa. La alquimia y la química comparten el interés por la composición y las propiedades de la materia, y hasta el siglo XVIII no eran disciplinas separadas. El término química se ha utilizado para describir la mezcla de alquimia y química que existía antes de esa época.
Los primeros alquimistas occidentales, que vivieron en los primeros siglos de la era común, inventaron aparatos químicos. El baño maría, o baño de agua, lleva el nombre de María la judía. Su trabajo también da las primeras descripciones de los tribikos y kerotakis. Cleopatra la alquimista describió los hornos y se le atribuye la invención del alambique. Más tarde, el marco experimental establecido por Jabir ibn Hayyan influyó en los alquimistas a medida que la disciplina migró a través del mundo islámico y luego a Europa en el siglo XII EC.
Durante el Renacimiento, la alquimia exotérica siguió siendo popular en la forma de iatroquímica paracelsiana, mientras florecía la alquimia espiritual, realineada a sus raíces platónicas, herméticas y gnósticas. En consecuencia, la búsqueda simbólica de la piedra filosofal no fue superada por los avances científicos y siguió siendo dominio de científicos y médicos respetados hasta principios del siglo XVIII. Los primeros alquimistas modernos que son reconocidos por sus contribuciones científicas incluyen a Jan Baptist van Helmont, Robert Boyle e Isaac Newton.
Alquimia en el mundo islámico
En el mundo islámico, los musulmanes traducían las obras de los antiguos filósofos griegos y helenísticos al árabe y experimentaban con ideas científicas. Las obras árabes atribuidas al alquimista del siglo VIII Jābir ibn Hayyān introdujeron una clasificación sistemática de sustancias químicas y proporcionaron instrucciones para derivar un compuesto inorgánico (sal amoníaco o cloruro de amonio) a partir de sustancias orgánicas (como plantas, sangre y cabello) por medios químicos. Algunas obras árabes jabirianas (por ejemplo, el "Libro de la misericordia" y el "Libro de los setenta") se tradujeron más tarde al latín con el nombre latinizado "Geber", y en la Europa del siglo XIII un escritor anónimo, generalmente denominado pseudo -Geber, comenzó a producir escritos alquímicos y metalúrgicos bajo este nombre.Filósofos musulmanes influyentes posteriores, como Abū al-Rayhān al-Bīrūnī y Avicena, cuestionaron las teorías de la alquimia, en particular la teoría de la transmutación de los metales.
Problemas encontrados con la alquimia
Había varios problemas con la alquimia, vistos desde el punto de vista actual. No había un esquema de nomenclatura sistemático para los nuevos compuestos, y el lenguaje era esotérico y vago hasta el punto de que las terminologías significaban diferentes cosas para diferentes personas. De hecho, según The Fontana History of Chemistry (Brock, 1992):
El lenguaje de la alquimia pronto desarrolló un vocabulario técnico arcano y secreto diseñado para ocultar información a los no iniciados. En gran medida, este lenguaje es incomprensible para nosotros hoy, aunque es evidente que los lectores de Canon's Yeoman's Tale de Geoffery Chaucer o el público de El alquimista de Ben Jonson pudieron interpretarlo lo suficiente como para reírse de él.
La historia de Chaucer expuso el lado más fraudulento de la alquimia, especialmente la fabricación de oro falsificado a partir de sustancias baratas. Menos de un siglo antes, Dante Alighieri también demostró ser consciente de este fraude, lo que le llevó a enviar a todos los alquimistas al Infierno en sus escritos. Poco después, en 1317, el Papa Juan XXII de Aviñón ordenó a todos los alquimistas que abandonaran Francia por fabricar dinero falso. En Inglaterra se aprobó una ley en 1403 que castigaba con la muerte la "multiplicación de metales". A pesar de estas y otras medidas aparentemente extremas, la alquimia no murió. La realeza y las clases privilegiadas todavía buscaban descubrir por sí mismos la piedra filosofal y el elixir de la vida.
Tampoco había un método científico acordado para hacer que los experimentos fueran reproducibles. De hecho, muchos alquimistas incluyeron en sus métodos información irrelevante, como el momento de las mareas o las fases de la luna. La naturaleza esotérica y el vocabulario codificado de la alquimia parecían ser más útiles para ocultar el hecho de que no podían estar seguros de mucho. Ya en el siglo XIV, parecían crecer grietas en la fachada de la alquimia; y la gente se volvió escéptica. Claramente, tenía que haber un método científico en el que otras personas pudieran repetir los experimentos, y los resultados debían informarse en un lenguaje claro que expusiera tanto lo que se sabía como lo que se desconocía.
Siglos XVII y XVIII: Química temprana
Los intentos prácticos de mejorar el refinado de minerales y su extracción para fundir metales fueron una importante fuente de información para los primeros químicos del siglo XVI, entre ellos Georg Agricola (1494–1555), quien publicó su gran obra De re metallica en 1556. Su El trabajo describe los procesos altamente desarrollados y complejos de minería de minerales metálicos, extracción de metales y metalurgia de la época. Su enfoque eliminó el misticismo asociado con el tema, creando la base práctica sobre la cual otros podrían construir. El trabajo describe los muchos tipos de hornos utilizados para fundir el mineral y estimuló el interés por los minerales y su composición. No es casualidad que dé numerosas referencias al autor anterior, Plinio el Viejo y su Naturalis Historia.. Agricola ha sido descrito como el "padre de la metalurgia".
En 1605, Sir Francis Bacon publicó The Proficience and Advancement of Learning, que contiene una descripción de lo que más tarde se conocería como el método científico. En 1605, Michal Sedziwój publica el tratado alquímico Una nueva luz de la alquimia que proponía la existencia del "alimento de la vida" dentro del aire, mucho más tarde reconocido como oxígeno. En 1615, Jean Beguin publicó Tyrocinium Chymicum, uno de los primeros libros de texto de química, y en él dibuja la primera ecuación química. En 1637 René Descartes publica Discours de la méthode, que contiene un esbozo del método científico.
La obra Ortus medicinae del químico holandés Jan Baptist van Helmont se publicó póstumamente en 1648; algunos citan el libro como un importante trabajo de transición entre la alquimia y la química, y como una influencia importante en Robert Boyle. El libro contiene los resultados de numerosos experimentos y establece una primera versión de la ley de conservación de la masa. Trabajando durante el tiempo inmediatamente posterior a Paracelso y la iatroquímica, Jan Baptist van Helmont sugirió que existen sustancias insustanciales además del aire y acuñó un nombre para ellas: "gas", de la palabra griega caos.. Además de introducir la palabra "gas" en el vocabulario de los científicos, van Helmont realizó varios experimentos con gases. Jan Baptist van Helmont también es recordado hoy en día en gran parte por sus ideas sobre la generación espontánea y su experimento del árbol de 5 años, además de ser considerado el fundador de la química neumática.
Roberto Boyle
Se considera que el químico angloirlandés Robert Boyle (1627-1691) perfeccionó el método científico moderno para la alquimia y separó aún más la química de la alquimia. Aunque su investigación claramente tiene sus raíces en la tradición alquímica, Boyle es considerado hoy en día como el primer químico moderno y, por lo tanto, uno de los fundadores de la química moderna y uno de los pioneros del método científico experimental moderno. Aunque Boyle no fue el descubridor original, es más conocido por la ley de Boyle, que presentó en 1662: la ley describe la relación inversamente proporcional entre la presión absoluta y el volumen de un gas, si la temperatura se mantiene constante dentro de un sistema cerrado.
A Boyle también se le atribuye su publicación histórica The Skeptical Chymist.en 1661, que se considera un libro fundamental en el campo de la química. En el trabajo, Boyle presenta su hipótesis de que todo fenómeno era el resultado de colisiones de partículas en movimiento. Boyle apeló a los químicos a experimentar y afirmó que los experimentos negaban la limitación de los elementos químicos a solo los cuatro clásicos: tierra, fuego, aire y agua. También abogó por que la química dejara de estar al servicio de la medicina o la alquimia y se elevara al estatus de ciencia. Es importante destacar que abogó por un enfoque riguroso del experimento científico: creía que todas las teorías deben probarse experimentalmente antes de que se consideren verdaderas. El trabajo contiene algunas de las primeras ideas modernas sobre átomos, moléculas y reacciones químicas, y marca el comienzo de la historia de la química moderna.
Boyle también trató de purificar productos químicos para obtener reacciones reproducibles. Fue un defensor vocal de la filosofía mecánica propuesta por René Descartes para explicar y cuantificar las propiedades físicas y las interacciones de las sustancias materiales. Boyle era atomista, pero favorecía la palabra corpúsculo sobre átomos. Comentó que la división más fina de la materia donde se conservan las propiedades es a nivel de los corpúsculos. También realizó numerosas investigaciones con una bomba de aire y notó que el mercurio caía a medida que se bombeaba el aire. También observó que bombear el aire de un recipiente apagaría una llama y mataría a los pequeños animales colocados dentro. Boyle ayudó a sentar las bases de la revolución química con su filosofía corpuscular mecánica.Boyle repitió el experimento del árbol de van Helmont y fue el primero en utilizar indicadores que cambiaban de color con la acidez.
Desarrollo y desmantelamiento del flogisto.
En 1702, el químico alemán Georg Stahl acuñó el nombre de "flogisto" para la sustancia que se cree que se libera en el proceso de combustión. Alrededor de 1735, el químico sueco Georg Brandt analizó un pigmento azul oscuro que se encuentra en el mineral de cobre. Brandt demostró que el pigmento contenía un nuevo elemento, más tarde llamado cobalto. En 1751, un químico sueco y alumno de Stahl llamado Axel Fredrik Cronstedt, identificó una impureza en el mineral de cobre como un elemento metálico separado, al que denominó níquel. Cronstedt es uno de los fundadores de la mineralogía moderna. Cronstedt también descubrió el mineral scheelita en 1751, al que llamó tungsteno, que significa "piedra pesada" en sueco.
En 1754, el químico escocés Joseph Black aisló el dióxido de carbono, al que llamó "aire fijo". En 1757, Louis Claude Cadet de Gassicourt, mientras investigaba los compuestos de arsénico, crea el líquido humeante de Cadet, que luego se descubrió que era óxido de cacodilo, considerado el primer compuesto organometálico sintético. En 1758, Joseph Black formuló el concepto de calor latente para explicar la termoquímica de los cambios de fase.En 1766, el químico inglés Henry Cavendish aisló el hidrógeno, al que llamó "aire inflamable". Cavendish descubrió el hidrógeno como un gas incoloro e inodoro que se quema y puede formar una mezcla explosiva con el aire, y publicó un artículo sobre la producción de agua quemando aire inflamable (es decir, hidrógeno) en aire desflogistizado (ahora conocido como oxígeno). este último un constituyente del aire atmosférico (teoría del flogisto).
En 1773, el químico sueco Carl Wilhelm Scheele descubrió el oxígeno, al que llamó "aire de fuego", pero no publicó de inmediato su logro. En 1774, el químico inglés Joseph Priestley aisló de forma independiente el oxígeno en su estado gaseoso, llamándolo "aire desflogistizado", y publicó su trabajo antes que Scheele. Durante su vida, la considerable reputación científica de Priestley se basó en su invención del agua de soda, sus escritos sobre la electricidad y su descubrimiento de varios "aires" (gases), siendo el más famoso lo que Priestley denominó "aire desflogistizado" (oxígeno). Sin embargo, la determinación de Priestley de defender la teoría del flogisto y rechazar lo que se convertiría en la revolución química finalmente lo dejó aislado dentro de la comunidad científica.
En 1781, Carl Wilhelm Scheele descubrió que se podía hacer un nuevo ácido, el ácido tungstico, a partir de la scheelita de Cronstedt (en ese momento llamada tungsteno). Scheele y Torbern Bergman sugirieron que podría ser posible obtener un nuevo metal mediante la reducción de este ácido. En 1783, José y Fausto Elhuyar encontraron un ácido a base de wolframita idéntico al ácido túngstico. Más tarde ese año, en España, los hermanos lograron aislar el metal ahora conocido como tungsteno mediante la reducción de este ácido con carbón vegetal, y se les atribuye el descubrimiento del elemento.
Volta y la pila voltaica
El físico italiano Alessandro Volta construyó un dispositivo para acumular una gran carga mediante una serie de inducciones y puestas a tierra. Investigó el descubrimiento de la "electricidad animal" de Luigi Galvani en la década de 1780 y descubrió que la corriente eléctrica se generaba a partir del contacto de metales diferentes y que la anca de rana solo actuaba como detector. Volta demostró en 1794 que cuando dos metales y un paño o cartón empapado en salmuera se colocan en un circuito, producen una corriente eléctrica.
En 1800, Volta apiló varios pares de discos alternos de cobre (o plata) y zinc (electrodos) separados por tela o cartón empapado en salmuera (electrolito) para aumentar la conductividad del electrolito. Cuando los contactos superior e inferior estaban conectados por un cable, fluía una corriente eléctrica a través de esta pila voltaica y el cable de conexión. Por lo tanto, a Volta se le atribuye la construcción de la primera batería eléctrica para producir electricidad.
Por lo tanto, se considera que Volta es el fundador de la disciplina de la electroquímica. Una celda galvánica (o celda voltaica) es una celda electroquímica que obtiene energía eléctrica de una reacción redox espontánea que tiene lugar dentro de la celda. Generalmente consta de dos metales diferentes conectados por un puente salino, o semiceldas individuales separadas por una membrana porosa.
Antoine-Laurent de Lavoisier
Antoine-Laurent de Lavoisier demostró con cuidadosas medidas que la transmutación del agua en tierra no era posible, pero que el sedimento observado del agua hirviendo procedía del recipiente. Quemó fósforo y azufre en el aire y demostró que los productos pesaban más que las muestras originales, y que la masa ganada se perdía en el aire. Así, en 1789, estableció la Ley de Conservación de la Masa, también llamada “Ley de Lavoisier”.
Repitiendo los experimentos de Priestley, demostró que el aire se compone de dos partes, una de las cuales se combina con metales para formar calxes. En Considérations Générales sur la Nature des Acides (1778), demostró que el "aire" responsable de la combustión también era la fuente de la acidez. Al año siguiente, llamó a esta porción oxígeno (en griego, formador de ácido), y a la otra azote (en griego, no hay vida). Debido a su caracterización más completa de él como elemento, Lavoisier tiene derecho al descubrimiento del oxígeno junto con Priestley y Scheele. También descubrió que el "aire inflamable" descubierto por Cavendish, al que denominó hidrógeno (en griego, formador de agua), se combinaba con oxígeno para producir un rocío, como había informado Priestley, que parecía ser agua.(1783), Lavoisier demostró que la teoría de la combustión del flogisto era inconsistente. Mikhail Lomonosov estableció de forma independiente una tradición de química en Rusia en el siglo XVIII; también rechazó la teoría del flogisto y anticipó la teoría cinética de los gases. Lomonosov consideró el calor como una forma de movimiento y planteó la idea de la conservación de la materia.
Lavoisier trabajó con Claude Louis Berthollet y otros para idear un sistema de nomenclatura química, que sirve como base del sistema moderno de denominación de compuestos químicos. En sus Métodos de nomenclatura química(1787), Lavoisier inventó el sistema de denominación y clasificación que todavía se usa en gran medida en la actualidad, incluidos nombres como ácido sulfúrico, sulfatos y sulfitos. En 1785, Berthollet fue el primero en introducir el uso de cloro gaseoso como blanqueador comercial. En el mismo año determinó por primera vez la composición elemental del gas amoníaco. Berthollet produjo por primera vez un líquido blanqueador moderno en 1789 pasando cloro gaseoso a través de una solución de carbonato de sodio; el resultado fue una solución débil de hipoclorito de sodio. Otro oxidante de cloro fuerte y blanqueador que investigó y fue el primero en producir, el clorato de potasio (KClO 3), se conoce como sal de Berthollet. Berthollet también es conocido por sus contribuciones científicas a la teoría del equilibrio químico a través del mecanismo de reacciones reversibles.
Traité Élémentaire de Chimie de Lavoisier(Tratado elemental de química, 1789) fue el primer libro de texto de química moderno y presentó una visión unificada de las nuevas teorías de la química, contenía una declaración clara de la Ley de conservación de la masa y negaba la existencia del flogisto. Además, contenía una lista de elementos o sustancias que no podían descomponerse más, que incluían oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, fósforo, mercurio, zinc y azufre. Su lista, sin embargo, también incluía la luz y el calórico, que él creía que eran sustancias materiales. En el trabajo, Lavoisier subrayó la base observacional de su química, afirmando: "He intentado... llegar a la verdad relacionando hechos; suprimir en lo posible el uso del razonamiento, que a menudo es un instrumento poco fiable que engaña". a nosotros,
Con Pierre-Simon Laplace, Lavoisier usó un calorímetro para estimar el calor desarrollado por unidad de dióxido de carbono producido. Encontraron la misma proporción para una llama y animales, lo que indica que los animales producían energía mediante un tipo de combustión. Lavoisier creía en la teoría de los radicales, que afirmaba que los radicales, que funcionan como un solo grupo en una reacción química, se combinarían con el oxígeno en las reacciones. Creía que todos los ácidos contenían oxígeno. También descubrió que el diamante es una forma cristalina de carbono.
Aunque muchos de los socios de Lavoisier fueron influyentes para el avance de la química como disciplina científica, su esposa, Marie-Anne Lavoisier, fue posiblemente la más influyente de todos ellos. Tras su matrimonio, Mme. Lavoisier comenzó a estudiar química, inglés y dibujo para ayudar a su esposo en su trabajo, ya sea traduciendo documentos al inglés, un idioma que Lavoisier no conocía, o llevando registros y dibujando los diversos aparatos que Lavoisier usaba en sus laboratorios.A través de su habilidad para leer y traducir artículos de Gran Bretaña para su esposo, Lavoisier tuvo acceso al conocimiento de muchos de los avances químicos que ocurren fuera de su laboratorio. Además, la Sra. Lavoisier mantuvo registros del trabajo de su esposo y se aseguró de que sus trabajos fueran publicados. La primera señal del verdadero potencial de Marie-Anne como química en el laboratorio de Lavoisier se produjo cuando estaba traduciendo un libro del científico Richard Kirwan. Mientras traducía, tropezó y corrigió varios errores. Cuando presentó su traducción, junto con sus notas, a Lavoisier, sus contribuciones llevaron a Lavoisier a refutar la teoría del flogisto.
Lavoisier hizo muchas contribuciones fundamentales a la ciencia de la química. A raíz de su trabajo, la química adquirió un carácter estricto y cuantitativo, lo que permitió realizar predicciones fiables. La revolución química que provocó fue el resultado de un esfuerzo consciente por encajar todos los experimentos en el marco de una sola teoría. Estableció el uso constante del equilibrio químico, usó oxígeno para derrocar la teoría del flogisto y desarrolló un nuevo sistema de nomenclatura química. Otras contribuciones potenciales se vieron interrumpidas cuando Lavoisier fue decapitado durante la Revolución Francesa.
Siglo 19
En 1802, el químico e industrial franco-estadounidense Éleuthère Irénée du Pont, que aprendió a fabricar pólvora y explosivos con Antoine Lavoisier, fundó una fábrica de pólvora en Delaware conocida como EI du Pont de Nemours and Company. La Revolución Francesa obligó a su familia a mudarse a los Estados Unidos, donde du Pont inició un molino de pólvora en el río Brandywine en Delaware. Queriendo hacer el mejor polvo posible, du Pont estaba atento a la calidad de los materiales que usaba. Durante 32 años, du Pont se desempeñó como presidente de EI du Pont de Nemours and Company, que finalmente se convirtió en una de las empresas más grandes y exitosas de Estados Unidos.
A lo largo del siglo XIX, la química se dividió entre los que seguían la teoría atómica de John Dalton y los que no, como Wilhelm Ostwald y Ernst Mach. Aunque defensores de la teoría atómica como Amedeo Avogadro y Ludwig Boltzmann lograron grandes avances en la explicación del comportamiento de los gases, esta disputa no se resolvió finalmente hasta la investigación experimental de Jean Perrin sobre la explicación atómica del movimiento browniano de Einstein en la primera década del siglo XX.
Mucho antes de que se resolviera la disputa, muchos ya habían aplicado el concepto de atomismo a la química. Un ejemplo importante fue la teoría de iones de Svante Arrhenius, que anticipó ideas sobre la subestructura atómica que no se desarrollaron por completo hasta el siglo XX. Michael Faraday fue otro de los primeros trabajadores, cuya mayor contribución a la química fue la electroquímica, en la que (entre otras cosas) se demostró que cierta cantidad de electricidad durante la electrólisis o electrodeposición de metales estaba asociada con ciertas cantidades de elementos químicos y cantidades fijas de los mismos. elementos, por lo tanto, entre sí, en proporciones específicas. Estos hallazgos, como los de las proporciones de combinación de Dalton, fueron pistas tempranas sobre la naturaleza atómica de la materia.
Juan Dalton
En 1803, el meteorólogo y químico inglés John Dalton propuso la ley de Dalton, que describe la relación entre los componentes de una mezcla de gases y la presión relativa que cada uno contribuye a la de la mezcla total. Descubierto en 1801, este concepto también se conoce como la ley de presiones parciales de Dalton.
Dalton también propuso una teoría atómica moderna en 1803 que establecía que toda la materia estaba compuesta de pequeñas partículas indivisibles llamadas átomos, los átomos de un elemento dado poseen características y peso únicos, y existen tres tipos de átomos: simples (elementos), compuestos (moléculas simples).), y complejo (moléculas complejas). En 1808, Dalton publicó por primera vez New System of Chemical Philosophy (1808-1827), en el que esbozó la primera descripción científica moderna de la teoría atómica. Este trabajo identificó a los elementos químicos como un tipo específico de átomo, rechazando así la teoría de las afinidades químicas de Newton.
En cambio, Dalton infirió las proporciones de los elementos en los compuestos tomando las proporciones de los pesos de los reactivos, estableciendo que el peso atómico del hidrógeno sea idéntico a uno. Siguiendo a Jeremias Benjamin Richter (conocido por introducir el término estequiometría), propuso que los elementos químicos se combinan en proporciones integrales. Esto se conoce como la ley de las proporciones múltiples o la ley de Dalton, y Dalton incluyó una descripción clara de la ley en su Nuevo Sistema de Filosofía Química. La ley de las proporciones múltiples es una de las leyes básicas de la estequiometría utilizada para establecer la teoría atómica. A pesar de la importancia del trabajo como la primera visión de los átomos como entidades físicamente reales y la introducción de un sistema de símbolos químicos, New System of Chemical Philosophydedicó casi tanto espacio a la teoría calórica como al atomismo.
El químico francés Joseph Proust propuso la ley de las proporciones definidas, que establece que los elementos siempre se combinan en proporciones pequeñas de números enteros para formar compuestos, basándose en varios experimentos realizados entre 1797 y 1804. Junto con la ley de las proporciones múltiples, la ley de las proporciones definidas forma la base de la estequiometría. La ley de las proporciones definidas y la composición constante no prueban que existan los átomos, pero son difíciles de explicar sin suponer que los compuestos químicos se forman cuando los átomos se combinan en proporciones constantes.
Jons Jacob Berzelius
Químico sueco y discípulo de Dalton, Jöns Jacob Berzelius se embarcó en un programa sistemático para intentar realizar mediciones cuantitativas exactas y precisas y garantizar la pureza de los productos químicos. Junto con Lavoisier, Boyle y Dalton, Berzelius es conocido como el padre de la química moderna. En 1828 compiló una tabla de pesos atómicos relativos, donde se utilizó como estándar el oxígeno, con su peso fijado en 100, y que incluía todos los elementos conocidos en ese momento. Este trabajo proporcionó evidencia a favor de la teoría atómica de Dalton: que los compuestos químicos inorgánicos están compuestos de átomos combinados en cantidades de números enteros. Determinó los constituyentes elementales exactos de un gran número de compuestos; los resultados apoyaron fuertemente la ley de proporciones definidas de Proust.
Motivado por sus extensas determinaciones de peso atómico y con el deseo de ayudar en sus experimentos, introdujo el sistema clásico de símbolos químicos y notación con su publicación de 1808 Lärbok i Kemien, en la que los elementos se abrevian en una o dos letras para crear un símbolo distinto de su nombre latino. Este sistema de notación química, en el que los elementos recibieron etiquetas escritas simples, como O para oxígeno o Fe para hierro, con proporciones indicadas por números, es el mismo sistema básico que se usa hoy. La única diferencia es que en lugar del número de subíndice que se usa hoy (p. ej., H 2 O), Berzelius usó un superíndice (HO). A Berzelius se le atribuye la identificación de los elementos químicos silicio, selenio, torio y cerio. Los estudiantes que trabajaban en el laboratorio de Berzelius también descubrieron litio y vanadio.
Berzelius desarrolló la teoría radical de la combinación química, que sostiene que las reacciones ocurren cuando grupos estables de átomos llamados radicales se intercambian entre moléculas. Creía que las sales son compuestos formados por ácidos y bases, y descubrió que los aniones de los ácidos eran atraídos por un electrodo positivo (ánodo), mientras que los cationes de una base eran atraídos por un electrodo negativo (cátodo). Berzelius no creía en la Teoría del Vitalismo, sino en una fuerza reguladora que producía la organización de los tejidos en un organismo. A Berzelius también se le atribuye el origen de los términos químicos "catálisis", "polímero", "isómero" y "alótropo", aunque sus definiciones originales difieren drásticamente del uso moderno. Por ejemplo, acuñó el término "polímero" en 1833 para describir compuestos orgánicos que compartían fórmulas empíricas idénticas pero que diferían en el peso molecular total, describiéndose los compuestos más grandes como "polímeros" de los más pequeños. Según esta definición preestructural reemplazada hace mucho tiempo, la glucosa (C6 H 12 O 6) fue visto como un polímero de formaldehído (CH 2 O).
Nuevos elementos y leyes de los gases.
El químico inglés Humphry Davy fue un pionero en el campo de la electrólisis, utilizando la pila voltaica de Alessandro Volta para descomponer compuestos comunes y así aislar una serie de elementos nuevos. Luego pasó a electrolizar sales fundidas y descubrió varios metales nuevos, especialmente sodio y potasio, elementos altamente reactivos conocidos como metales alcalinos. El potasio, el primer metal aislado por electrólisis, fue descubierto en 1807 por Davy, quien lo derivó de la potasa cáustica (KOH). Antes del siglo XIX, no se hacía distinción entre potasio y sodio. El sodio fue aislado por primera vez por Davy en el mismo año al pasar una corriente eléctrica a través de hidróxido de sodio fundido (NaOH). Cuando Davy escuchó que Berzelius y Pontin prepararon amalgama de calcio electrolizando cal en mercurio, lo probó él mismo. Davy tuvo éxito,Trabajó con la electrólisis durante toda su vida y, en 1808, aisló magnesio, estroncio y bario.
Davy también experimentó con gases inhalándolos. Este procedimiento experimental estuvo a punto de resultar fatal en varias ocasiones, pero condujo al descubrimiento de los efectos inusuales del óxido nitroso, que llegó a conocerse como gas de la risa. El cloro fue descubierto en 1774 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele, quien lo llamó "ácido marino desflogistizado".(ver teoría del flogisto) y pensó erróneamente que contenía oxígeno. Scheele observó varias propiedades del cloro gaseoso, como su efecto blanqueador sobre el tornasol, su efecto mortal sobre los insectos, su color amarillo verdoso y la similitud de su olor con el del agua regia. Sin embargo, Scheele no pudo publicar sus hallazgos en ese momento. En 1810, el cloro recibió su nombre actual por Humphry Davy (derivado de la palabra griega para verde), quien insistió en que el cloro era de hecho un elemento. También demostró que no se podía obtener oxígeno de la sustancia conocida como ácido oximuriático (solución de HCl). Este descubrimiento anuló la definición de Lavoisier de los ácidos como compuestos de oxígeno. Davy fue un conferencista popular y un experimentador capaz.
El químico francés Joseph Louis Gay-Lussac compartió el interés de Lavoisier y otros en el estudio cuantitativo de las propiedades de los gases. A partir de su primer gran programa de investigación en 1801-1802, concluyó que volúmenes iguales de todos los gases se expanden igualmente con el mismo aumento de temperatura: esta conclusión generalmente se denomina "ley de Charles", como Gay-Lussac le dio crédito a Jacques Charles, quien había llegado casi a la misma conclusión en la década de 1780, pero no lo había publicado. La ley fue descubierta de forma independiente por el filósofo natural británico John Dalton en 1801, aunque la descripción de Dalton fue menos completa que la de Gay-Lussac.En 1804, Gay-Lussac realizó varias ascensiones audaces de más de 7.000 metros sobre el nivel del mar en globos llenos de hidrógeno, una hazaña que no se igualó durante otros 50 años, que le permitieron investigar otros aspectos de los gases. No solo recopiló medidas magnéticas a varias altitudes, sino que también tomó medidas de presión, temperatura y humedad y muestras de aire, que luego analizó químicamente.
En 1808, Gay-Lussac anunció lo que probablemente fue su mayor logro: a partir de experimentos propios y de otros, dedujo que los gases a temperatura y presión constantes se combinan en proporciones numéricas simples por volumen, y el producto o productos resultantes, si son gases, también tienen una simple proporción en volumen a los volúmenes de los reactivos. En otras palabras, los gases en condiciones iguales de temperatura y presión reaccionan entre sí en proporciones de volumen de números enteros pequeños. Posteriormente, esta conclusión se conoció como la "ley de Gay-Lussac" o la "ley de combinación de volúmenes". Con su compañero profesor en la École Polytechnique, Louis Jacques Thénard, Gay-Lussac también participó en las primeras investigaciones electroquímicas, investigando los elementos descubiertos por sus medios. Entre otros logros, descompusieron el ácido bórico usando potasio fundido, descubriendo así el elemento boro. Los dos también participaron en debates contemporáneos que modificaron la definición de ácidos de Lavoisier y avanzaron en su programa de análisis de compuestos orgánicos por su contenido de oxígeno e hidrógeno.
El elemento yodo fue descubierto por el químico francés Bernard Courtois en 1811. Courtois entregó muestras a sus amigos, Charles Bernard Desormes (1777–1862) y Nicolas Clément (1779–1841), para que continuaran con la investigación. También entregó parte de la sustancia a Gay-Lussac y al físico André-Marie Ampère. El 6 de diciembre de 1813, Gay-Lussac anunció que la nueva sustancia era un elemento o un compuesto de oxígeno. Fue Gay-Lussac quien sugirió el nombre "yodo", de la palabra griega ιώδες (yodos) para violeta (debido al color del vapor de yodo). Ampère le había dado parte de su muestra a Humphry Davy. Davy hizo algunos experimentos con la sustancia y notó su similitud con el cloro.Davy envió una carta fechada el 10 de diciembre a la Royal Society de Londres afirmando que había identificado un nuevo elemento. Surgieron discusiones entre Davy y Gay-Lussac sobre quién identificó primero el yodo, pero ambos científicos reconocieron a Courtois como el primero en aislar el elemento.
En 1815, Humphry Davy inventó la lámpara Davy, que permitía a los mineros de las minas de carbón trabajar de forma segura en presencia de gases inflamables. Ha habido muchas explosiones mineras causadas por el grisú o el metano, a menudo encendidos por las llamas abiertas de las lámparas que usaban los mineros. Davy concibió el uso de una gasa de hierro para encerrar la llama de una lámpara y así evitar que el metano que ardía dentro de la lámpara pasara a la atmósfera general. Aunque la idea de la lámpara de seguridad ya había sido demostrada por William Reid Clanny y por el entonces desconocido (pero más tarde muy famoso) ingeniero George Stephenson, el uso de malla de alambre por parte de Davy para evitar la propagación de las llamas fue utilizado por muchos otros inventores en sus proyectos posteriores. diseños Hubo cierta discusión sobre si Davy había descubierto los principios detrás de su lámpara sin la ayuda del trabajo de Smithson Tennant, pero en general se acordó que el trabajo de ambos hombres había sido independiente. Davy se negó a patentar la lámpara y su invención lo llevó a recibir la medalla Rumford en 1816.
Después de que Dalton publicara su teoría atómica en 1808, la mayoría de los químicos pronto adoptaron algunas de sus ideas centrales. Sin embargo, persistió durante medio siglo la incertidumbre sobre cómo se iba a configurar y aplicar la teoría atómica a situaciones concretas; Los químicos en diferentes países desarrollaron varios sistemas atomísticos incompatibles diferentes. Un artículo que sugería una salida a esta difícil situación fue publicado ya en 1811 por el físico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856), quien planteó la hipótesis de que volúmenes iguales de gases a la misma temperatura y presión contienen igual número de moléculas, de las cuales se siguió que los pesos moleculares relativos de dos gases cualesquiera son iguales a la relación de las densidades de los dos gases en las mismas condiciones de temperatura y presión. Avogadro también razonó que los gases simples no estaban formados por átomos solitarios sino que eran moléculas compuestas de dos o más átomos. Así, Avogadro pudo superar la dificultad que habían encontrado Dalton y otros cuando Gay-Lussac informó que por encima de los 100 °C el volumen de vapor de agua era el doble del volumen del oxígeno utilizado para formarlo. Según Avogadro, la molécula de oxígeno se había dividido en dos átomos en el curso de la formación de vapor de agua.
La hipótesis de Avogadro se descuidó durante medio siglo después de su primera publicación. Se han citado muchas razones para este descuido, incluidos algunos problemas teóricos, como el "dualismo" de Jöns Jacob Berzelius, que afirmaba que los compuestos se mantienen unidos por la atracción de cargas eléctricas positivas y negativas, por lo que es inconcebible que una molécula compuesta por dos moléculas eléctricamente podrían existir átomos similares, como en el oxígeno. Una barrera adicional para la aceptación fue el hecho de que muchos químicos se mostraban reacios a adoptar métodos físicos (como determinaciones de densidad de vapor) para resolver sus problemas. Sin embargo, a mediados de siglo, algunas figuras destacadas habían comenzado a considerar intolerable la caótica multiplicidad de sistemas de pesos atómicos y fórmulas moleculares en competencia. Además, comenzaron a acumularse pruebas puramente químicas que sugerían que el enfoque de Avogadro podría ser correcto después de todo. Durante la década de 1850, químicos más jóvenes, como Alexander Williamson en Inglaterra, Charles Gerhardt y Charles-Adolphe Wurtz en Francia, y August Kekulé en Alemania, comenzaron a abogar por reformar la química teórica para que fuera compatible con la teoría de Avogadrian.
Wöhler y el debate sobre el vitalismo
En 1825, Friedrich Wöhler y Justus von Liebig realizaron el primer descubrimiento y explicación confirmados de los isómeros, antes nombrados por Berzelius. Trabajando con ácido ciánico y ácido fulmínico, dedujeron correctamente que la isomería era causada por diferentes arreglos de átomos dentro de una estructura molecular. En 1827, William Prout clasificó las biomoléculas en sus grupos modernos: carbohidratos, proteínas y lípidos. Después de que se resolvió la naturaleza de la combustión, comenzó una disputa sobre el vitalismo y la distinción esencial entre sustancias orgánicas e inorgánicas. La cuestión del vitalismo se revolucionó en 1828 cuando Friedrich Wöhler sintetizó la urea, estableciendo así que los compuestos orgánicos podían producirse a partir de materiales de partida inorgánicos y refutando la teoría del vitalismo.
Esto abrió un nuevo campo de investigación en química y, a fines del siglo XIX, los científicos pudieron sintetizar cientos de compuestos orgánicos. Los más importantes entre ellos son el malva, el magenta y otros tintes sintéticos, así como la aspirina, un fármaco ampliamente utilizado. El descubrimiento de la síntesis artificial de la urea contribuyó en gran medida a la teoría de la isomería, ya que las fórmulas químicas empíricas de la urea y el cianato de amonio son idénticas (ver síntesis de Wöhler). En 1832, Friedrich Wöhler y Justus von Liebig descubrieron y explicaron los grupos funcionales y los radicales en relación con la química orgánica, además de sintetizar por primera vez el benzaldehído. Liebig, un químico alemán, hizo importantes contribuciones a la química agrícola y biológica, y trabajó en la organización de la química orgánica. Liebig es considerado el "
Mediados de 1800
En 1840, Germain Hess propuso la ley de Hess, una de las primeras declaraciones de la ley de conservación de la energía, que establece que los cambios de energía en un proceso químico dependen solo de los estados de los materiales de partida y del producto y no del camino específico tomado entre los dos. estados En 1847, Hermann Kolbe obtuvo ácido acético de fuentes completamente inorgánicas, refutando aún más el vitalismo. En 1848, William Thomson, primer barón Kelvin (comúnmente conocido como Lord Kelvin) estableció el concepto de cero absoluto, la temperatura a la que cesa todo movimiento molecular. En 1849, Louis Pasteur descubrió que la forma racémica del ácido tartárico es una mezcla de las formas levorrotatoria y dextrotatoria, aclarando así la naturaleza de la rotación óptica y avanzando en el campo de la estereoquímica.En 1852, August Beer propuso la ley de Beer, que explica la relación entre la composición de una mezcla y la cantidad de luz que absorberá. Basado en parte en trabajos anteriores de Pierre Bouguer y Johann Heinrich Lambert, estableció la técnica analítica conocida como espectrofotometría. En 1855, Benjamin Silliman, Jr. fue pionero en métodos de craqueo de petróleo, lo que hizo posible toda la industria petroquímica moderna.
La hipótesis de Avogadro comenzó a ganar un amplio atractivo entre los químicos solo después de que su compatriota y colega científico Stanislao Cannizzaro demostrara su valor en 1858, dos años después de la muerte de Avogadro. Los intereses químicos de Cannizzaro se habían centrado originalmente en productos naturales y en reacciones de compuestos aromáticos; en 1853 descubrió que cuando el benzaldehído se trata con una base concentrada, se producen tanto ácido benzoico como alcohol bencílico, un fenómeno conocido hoy como reacción de Cannizzaro. En su panfleto de 1858, Cannizzaro mostró que un regreso completo a las ideas de Avogadro podría usarse para construir una estructura teórica consistente y robusta que se ajuste a casi toda la evidencia empírica disponible. Por ejemplo,
Otro punto de controversia habían sido las fórmulas de los compuestos de los metales alcalinos (como el sodio) y los metales alcalinotérreos (como el calcio), que, en vista de sus sorprendentes analogías químicas, la mayoría de los químicos habían querido asignar a la misma fórmula. tipo. Cannizzaro argumentó que colocar estos metales en diferentes categorías tenía el resultado beneficioso de eliminar ciertas anomalías al usar sus propiedades físicas para deducir los pesos atómicos. Desafortunadamente, el panfleto de Cannizzaro se publicó inicialmente solo en italiano y tuvo poco impacto inmediato. El verdadero avance se produjo con un congreso químico internacional celebrado en la ciudad alemana de Karlsruhe en septiembre de 1860, en el que estuvieron presentes la mayoría de los principales químicos europeos. El Congreso de Karlsruhe había sido organizado por Kekulé, Wurtz y algunos otros que compartían la idea de Cannizzaro. sentido de la dirección en la que debe ir la química. Hablando en francés (como todos los presentes), la elocuencia y la lógica de Cannizzaro dejaron una impresión indeleble en el cuerpo reunido. Además, su amigo Angelo Pavesi repartió el folleto de Cannizzaro a los asistentes al final de la reunión; más de un químico escribió más tarde sobre la impresión decisiva que produjo la lectura de este documento. Por ejemplo, Lothar Meyer escribió más tarde que al leer el artículo de Cannizzaro, "las escamas parecieron caerse de mis ojos". más de un químico escribió más tarde sobre la impresión decisiva que produjo la lectura de este documento. Por ejemplo, Lothar Meyer escribió más tarde que al leer el artículo de Cannizzaro, "las escamas parecieron caerse de mis ojos". más de un químico escribió más tarde sobre la impresión decisiva que produjo la lectura de este documento. Por ejemplo, Lothar Meyer escribió más tarde que al leer el artículo de Cannizzaro, "las escamas parecieron caerse de mis ojos".Cannizzaro jugó así un papel crucial en ganar la batalla por la reforma. El sistema defendido por él, y poco después adoptado por la mayoría de los principales químicos, es sustancialmente idéntico al que todavía se usa en la actualidad.
Perkin, Crookes y Nobel
En 1856, Sir William Henry Perkin, de 18 años, ante el desafío de su profesor, August Wilhelm von Hofmann, trató de sintetizar la quinina, el fármaco contra la malaria, a partir del alquitrán de hulla. En un intento, Perkin oxidó la anilina usando dicromato de potasio, cuyas impurezas de toluidina reaccionaron con la anilina y produjeron un sólido negro, lo que sugiere una síntesis orgánica "fallida". Al limpiar el matraz con alcohol, Perkin notó porciones de color púrpura en la solución: un subproducto del intento fue el primer tinte sintético, conocido como malva o malva de Perkin. El descubrimiento de Perkin es la base de la industria de síntesis de colorantes, una de las primeras industrias químicas exitosas.
La contribución individual más importante del químico alemán August Kekulé von Stradonitz fue su teoría estructural de la composición orgánica, esbozada en dos artículos publicados en 1857 y 1858 y tratada con gran detalle en las páginas de su extraordinariamente popular Lehrbuch der organischen Chemie.("Libro de texto de química orgánica"), cuya primera entrega apareció en 1859 y se extendió gradualmente a cuatro volúmenes. Kekulé argumentó que los átomos de carbono tetravalentes, es decir, el carbono que forma exactamente cuatro enlaces químicos, podrían unirse para formar lo que él llamó una "cadena de carbono" o un "esqueleto de carbono", al que se unen otros átomos con otras valencias (como hidrógeno, oxígeno)., nitrógeno y cloro) podrían unirse. Estaba convencido de que el químico podía especificar esta arquitectura molecular detallada para al menos los compuestos orgánicos más simples conocidos en su época. Kekulé no fue el único químico que hizo tales afirmaciones en esta época. El químico escocés Archibald Scott Couper publicó una teoría sustancialmente similar casi simultáneamente, y el químico ruso Aleksandr Butlerov hizo mucho por clarificar y expandir la teoría estructural. Sin embargo, fueron predominantemente las ideas de Kekulé las que prevalecieron en la comunidad química.
El químico y físico británico William Crookes se destaca por sus estudios de rayos catódicos, fundamentales en el desarrollo de la física atómica. Sus investigaciones sobre descargas eléctricas a través de un gas enrarecido lo llevaron a observar el espacio oscuro alrededor del cátodo, ahora llamado espacio oscuro de Crookes. Demostró que los rayos catódicos viajan en línea recta y producen fosforescencia y calor cuando golpean ciertos materiales. Pionero de los tubos de vacío, Crookes inventó el tubo de Crookes, uno de los primeros tubos de descarga experimental, con vacío parcial con el que estudió el comportamiento de los rayos catódicos. Con la introducción del análisis de espectro por parte de Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff (1859-1860), Crookes aplicó la nueva técnica al estudio de los compuestos de selenio. Bunsen y Kirchhoff habían utilizado previamente la espectroscopia como medio de análisis químico para descubrir el cesio y el rubidio. En 1861, Crookes utilizó este proceso para descubrir talio en algunos depósitos seleníferos. Continuó trabajando en ese nuevo elemento, lo aisló, estudió sus propiedades y en 1873 determinó su peso atómico. Durante sus estudios sobre el talio, Crookes descubrió el principio del radiómetro de Crookes, un dispositivo que convierte la radiación de luz en movimiento giratorio. El principio de este radiómetro ha encontrado numerosas aplicaciones en el desarrollo de instrumentos de medición sensibles. Crookes descubrió el principio del radiómetro de Crookes, un dispositivo que convierte la radiación de luz en movimiento giratorio. El principio de este radiómetro ha encontrado numerosas aplicaciones en el desarrollo de instrumentos de medición sensibles. Crookes descubrió el principio del radiómetro de Crookes, un dispositivo que convierte la radiación de luz en movimiento giratorio. El principio de este radiómetro ha encontrado numerosas aplicaciones en el desarrollo de instrumentos de medición sensibles.
En 1862, Alexander Parkes exhibió Parkesine, uno de los primeros polímeros sintéticos, en la Exposición Internacional de Londres. Este descubrimiento sentó las bases de la industria moderna de los plásticos. En 1864, Cato Maximilian Guldberg y Peter Waage, basándose en las ideas de Claude Louis Berthollet, propusieron la ley de acción de masas. En 1865, Johann Josef Loschmidt determinó el número exacto de moléculas en un mol, más tarde denominado número de Avogadro.
En 1865, August Kekulé, basándose parcialmente en el trabajo de Loschmidt y otros, estableció la estructura del benceno como un anillo de seis carbonos con enlaces simples y dobles alternantes. La novedosa propuesta de Kekulé para la estructura cíclica del benceno fue muy cuestionada, pero nunca fue reemplazada por una teoría superior. Esta teoría proporcionó la base científica para la espectacular expansión de la industria química alemana en el último tercio del siglo XIX. Hoy en día, la gran mayoría de los compuestos orgánicos conocidos son aromáticos, y todos ellos contienen al menos un anillo de benceno hexagonal del tipo que propugnaba Kekulé. Kekulé también es famoso por haber aclarado la naturaleza de los compuestos aromáticos, que son compuestos basados en la molécula del benceno. En 1865, Adolf von Baeyer comenzó a trabajar en el tinte índigo,
El químico e inventor sueco Alfred Nobel descubrió que cuando la nitroglicerina se incorporaba a una sustancia inerte absorbente como el kieselguhr (tierra de diatomeas) se volvía más segura y cómoda de manipular, y patentó esta mezcla en 1867 como dinamita. Más tarde, Nobel combinó la nitroglicerina con varios compuestos de nitrocelulosa, similares al colodión, pero se decidió por una receta más eficiente que combinaba otro explosivo de nitrato y obtuvo una sustancia transparente y gelatinosa, que era un explosivo más poderoso que la dinamita. La gelignita, o gelatina explosiva, como se la llamó, fue patentada en 1876; y fue seguido por una serie de combinaciones similares, modificadas por la adición de nitrato de potasio y varias otras sustancias.
La tabla periodica de mendeleiev
Un avance importante para dar sentido a la lista de elementos químicos conocidos (así como para comprender la estructura interna de los átomos) fue el desarrollo de Dmitri Mendeleev de la primera tabla periódica moderna, o la clasificación periódica de los elementos. Mendeleev, un químico ruso, sintió que había algún tipo de orden en los elementos y pasó más de trece años de su vida recopilando datos y ensamblando el concepto, inicialmente con la idea de resolver algo del desorden en el campo para sus alumnos.. Mendeleev descubrió que, cuando todos los elementos químicos conocidos se organizaban en orden creciente de peso atómico, la tabla resultante mostraba un patrón recurrente, o periodicidad, de propiedades dentro de los grupos de elementos. Mendeleev'Principios de química en 1869. Su primera tabla periódica se compiló sobre la base de ordenar los elementos en orden ascendente de peso atómico y agruparlos por similitud de propiedades.
Mendeleev tenía tanta fe en la validez de la ley periódica que propuso cambios en los valores generalmente aceptados para el peso atómico de algunos elementos y, en su versión de la tabla periódica de 1871, predijo las ubicaciones dentro de la tabla de elementos desconocidos juntos con sus propiedades. Incluso predijo las propiedades probables de tres elementos aún por descubrir, a los que llamó ekaboron (Eb), ekaaluminio (Ea) y ekasilicio (Es), que demostraron ser buenos predictores de las propiedades del escandio, el galio, el y germanio, respectivamente, cada uno de los cuales ocupa el lugar en la tabla periódica asignado por Mendeleev.
Al principio, el sistema periódico no suscitó interés entre los químicos. Sin embargo, con el descubrimiento de los elementos predichos, en particular el galio en 1875, el escandio en 1879 y el germanio en 1886, comenzó a ganar una amplia aceptación. La subsiguiente prueba de muchas de sus predicciones durante su vida le dio fama a Mendeleev como el fundador de la ley periódica. Esta organización superó los intentos anteriores de clasificación de Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois, quien publicó la hélice telúrica, una versión tridimensional temprana de la tabla periódica de los elementos en 1862, John Newlands, quien propuso la ley de las octavas (un precursor a la ley periódica) en 1864, y Lothar Meyer, quien desarrolló una versión temprana de la tabla periódica con 28 elementos organizados por valencia en 1864. La tabla de Mendeleev no incluía ninguno de los gases nobles, sin embargo, que aún no había sido descubierto. Gradualmente, la ley periódica y la tabla se convirtieron en el marco de gran parte de la teoría química. Cuando Mendeleev murió en 1907, gozaba de reconocimiento internacional y había recibido distinciones y premios de muchos países.
En 1873, Jacobus Henricus van 't Hoff y Joseph Achille Le Bel, trabajando de forma independiente, desarrollaron un modelo de enlace químico que explicaba los experimentos de quiralidad de Pasteur y proporcionaba una causa física para la actividad óptica en compuestos quirales. publicación de van 't Hoff, llamada V oorstel tot Uitbreiding der Tegenwoordige in de Scheikunde gebruikte Structuurformules in de Ruimte, etc. (Propuesta para el desarrollo de fórmulas estructurales químicas tridimensionales) y que consta de doce páginas de texto y una página de diagramas, dio impulso al desarrollo de la estereoquímica. El concepto de "átomo de carbono asimétrico", tratado en esta publicación, suministró una explicación de la aparición de numerosos isómeros, inexplicables mediante las fórmulas estructurales entonces vigentes. Al mismo tiempo señaló la existencia de relación entre la actividad óptica y la presencia de un átomo de carbono asimétrico.
Josías Willard Gibbs
El trabajo del físico matemático estadounidense J. Willard Gibbs sobre las aplicaciones de la termodinámica fue fundamental para transformar la química física en una ciencia deductiva rigurosa. Durante los años de 1876 a 1878, Gibbs trabajó en los principios de la termodinámica, aplicándolos a los complejos procesos involucrados en las reacciones químicas. Descubrió el concepto de potencial químico, o el "combustible" que hace funcionar las reacciones químicas. En 1876 publicó su contribución más famosa, "Sobre el equilibrio de las sustancias heterogéneas", una compilación de su trabajo sobre termodinámica y química física que expuso el concepto de energía libre para explicar la base física de los equilibrios químicos.En estos ensayos estaban los comienzos de las teorías de las fases de la materia de Gibbs: consideraba cada estado de la materia una fase y cada sustancia un componente. Gibbs tomó todas las variables involucradas en una reacción química (temperatura, presión, energía, volumen y entropía) y las incluyó en una ecuación simple conocida como regla de fase de Gibbs.
Dentro de este documento estuvo quizás su contribución más destacada, la introducción del concepto de energía libre, ahora universalmente llamada energía libre de Gibbs en su honor. La energía libre de Gibbs relaciona la tendencia de un sistema físico o químico a disminuir simultáneamente su energía y aumentar su desorden, o entropía, en un proceso natural espontáneo. El enfoque de Gibbs permite a un investigador calcular el cambio en la energía libre en el proceso, como en una reacción química, y qué tan rápido ocurrirá. Dado que prácticamente todos los procesos químicos y muchos físicos implican tales cambios, su trabajo ha tenido un impacto significativo tanto en los aspectos teóricos como experimentales de estas ciencias. En 1877, Ludwig Boltzmann estableció derivaciones estadísticas de muchos conceptos físicos y químicos importantes, incluida la entropía,Junto con Boltzmann y James Clerk Maxwell, Gibbs creó una nueva rama de la física teórica llamada mecánica estadística (un término que acuñó), explicando las leyes de la termodinámica como consecuencias de las propiedades estadísticas de grandes conjuntos de partículas. Gibbs también trabajó en la aplicación de las ecuaciones de Maxwell a problemas de óptica física. La derivación de Gibbs de las leyes fenomenológicas de la termodinámica a partir de las propiedades estadísticas de los sistemas con muchas partículas se presentó en su libro de texto de gran influencia Principios elementales en mecánica estadística., publicado en 1902, un año antes de su muerte. En ese trabajo, Gibbs revisó la relación entre las leyes de la termodinámica y la teoría estadística de los movimientos moleculares. La superación de la función original por sumas parciales de series de Fourier en puntos de discontinuidad se conoce como fenómeno de Gibbs.
Finales del siglo XIX
La invención del ingeniero alemán Carl von Linde de un proceso continuo de licuefacción de gases en grandes cantidades formó la base de la tecnología moderna de refrigeración y proporcionó impulso y medios para realizar investigaciones científicas a bajas temperaturas y vacíos muy altos. Desarrolló un refrigerador de éter dimetílico (1874) y un refrigerador de amoníaco (1876). Aunque antes se habían desarrollado otras unidades de refrigeración, las de Linde fueron las primeras en diseñarse con el objetivo de realizar cálculos precisos de eficiencia. En 1895 instaló una planta a gran escala para la producción de aire líquido. Seis años más tarde, desarrolló un método para separar el oxígeno líquido puro del aire líquido que resultó en una conversión industrial generalizada a procesos que utilizan oxígeno (por ejemplo, en la fabricación de acero).
En 1883, Svante Arrhenius desarrolló una teoría de iones para explicar la conductividad en electrolitos. En 1884, Jacobus Henricus van 't Hoff publicó Études de Dynamique chimique (Estudios de química dinámica), un estudio seminal sobre cinética química.En este trabajo, van 't Hoff entró por primera vez en el campo de la química física. De gran importancia fue su desarrollo de la relación termodinámica general entre el calor de conversión y el desplazamiento del equilibrio como resultado de la variación de temperatura. A volumen constante, el equilibrio en un sistema tenderá a cambiar en una dirección tal que se oponga al cambio de temperatura que se le impone al sistema. Por lo tanto, bajar la temperatura da como resultado el desarrollo de calor mientras que aumentar la temperatura da como resultado la absorción de calor. Este principio de equilibrio móvil fue posteriormente (1885) puesto en forma general por Henry Louis Le Chatelier, quien amplió el principio para incluir la compensación, por cambio de volumen, para los cambios de presión impuestos. El principio de van 't Hoff-Le Chatelier, o simplemente el principio de Le Chatelier,
En 1884, Hermann Emil Fischer propuso la estructura de la purina, una estructura clave en muchas biomoléculas, que luego sintetizó en 1898. También comenzó a trabajar en la química de la glucosa y azúcares relacionados. En 1885, Eugen Goldstein nombró el rayo catódico, que luego se descubrió que estaba compuesto de electrones, y el rayo del canal, que luego se descubrió que eran iones de hidrógeno positivos que habían sido despojados de sus electrones en un tubo de rayos catódicos; estos más tarde serían llamados protones. El año 1885 también vio la publicación de L'Équilibre chimique dans les Systèmes gazeux ou dissous à I'État dilué de JH van 't Hoff.(Equilibrios químicos en sistemas gaseosos o disoluciones fuertemente diluidas), que trataba de esta teoría de las disoluciones diluidas. Aquí demostró que la "presión osmótica" en soluciones suficientemente diluidas es proporcional a la concentración y la temperatura absoluta, de modo que esta presión puede representarse mediante una fórmula que solo se desvía de la fórmula de la presión del gas por un coeficiente i. También determinó el valor de ipor varios métodos, por ejemplo por medio de la presión de vapor y los resultados de François-Marie Raoult sobre la disminución del punto de congelación. Así, van 't Hoff pudo demostrar que las leyes de la termodinámica no solo son válidas para los gases, sino también para las soluciones diluidas. Sus leyes de presión, a las que la teoría de la disociación electrolítica de Arrhenius (1884-1887) —el primer extranjero que vino a trabajar con él a Ámsterdam (1888)— les dio validez general, se consideran las más completas e importantes en el ámbito de las ciencias naturales. En 1893, Alfred Werner descubrió la estructura octaédrica de los complejos de cobalto, estableciendo así el campo de la química de coordinación.
El descubrimiento de Ramsay de los gases nobles.
Los descubrimientos más célebres del químico escocés William Ramsay se realizaron en química inorgánica. Ramsay estaba intrigado por el descubrimiento de 1892 del físico británico John Strutt, tercer barón Rayleigh, de que el peso atómico del nitrógeno que se encuentra en los compuestos químicos era menor que el del nitrógeno que se encuentra en la atmósfera. Atribuyó esta discrepancia a un gas ligero incluido en los compuestos químicos de nitrógeno, mientras que Ramsay sospechaba de un gas pesado hasta ahora no descubierto en el nitrógeno atmosférico. Utilizando dos métodos diferentes para eliminar todos los gases conocidos del aire, Ramsay y Lord Rayleigh pudieron anunciar en 1894 que habían encontrado un elemento gaseoso monoatómico, químicamente inerte, que constituía casi el 1 por ciento de la atmósfera; lo llamaron argón.
Al año siguiente, Ramsay liberó otro gas inerte de un mineral llamado cleveita; esto resultó ser helio, anteriormente conocido solo en el espectro solar. En su libro Los gases de la atmósfera(1896), Ramsay demostró que las posiciones del helio y el argón en la tabla periódica de elementos indicaban que podrían existir al menos tres gases nobles más. En 1898, Ramsay y el químico británico Morris W. Travers aislaron estos elementos, llamados neón, criptón y xenón, del aire que se llevó a estado líquido a baja temperatura y alta presión. Sir William Ramsay trabajó con Frederick Soddy para demostrar, en 1903, que las partículas alfa (núcleos de helio) se producían continuamente durante la desintegración radiactiva de una muestra de radio. Ramsay recibió el Premio Nobel de Química de 1904 en reconocimiento a los "servicios en el descubrimiento de los elementos gaseosos inertes en el aire y su determinación de su lugar en el sistema periódico".
En 1897, JJ Thomson descubrió el electrón utilizando el tubo de rayos catódicos. En 1898, Wilhelm Wien demostró que los rayos del canal (flujos de iones positivos) pueden ser desviados por campos magnéticos y que la cantidad de desviación es proporcional a la relación masa-carga. Este descubrimiento daría lugar a la técnica analítica conocida como espectrometría de masas en 1912.
Marie y Pierre Curie
Marie Skłodowska-Curie fue una física y química francesa nacida en Polonia, famosa por su investigación pionera sobre la radiactividad. Se considera que ella y su esposo sentaron la piedra angular de la era nuclear con su investigación sobre la radiactividad. Marie estaba fascinada con el trabajo de Henri Becquerel, un físico francés que descubrió en 1896 que el uranio emite rayos similares a los rayos X descubiertos por Wilhelm Röntgen. Marie Curie comenzó a estudiar el uranio a fines de 1897 y teorizó, según un artículo de 1904 que escribió para la revista Century, "que la emisión de rayos por parte de los compuestos de uranio es una propiedad del metal mismo, que es una propiedad atómica del elemento uranio independientemente de su estado químico o físico". Curie llevó el trabajo de Becquerel unos pasos más allá, realizando sus propios experimentos con rayos de uranio. Descubrió que los rayos permanecían constantes, sin importar la condición o forma del uranio. Los rayos, teorizó, provenían de la estructura atómica del elemento. Esta idea revolucionaria creó el campo de la física atómica y los Curie acuñaron la palabraradiactividad para describir los fenómenos.
Pierre y Marie exploraron más a fondo la radiactividad trabajando para separar las sustancias en los minerales de uranio y luego usando el electrómetro para realizar mediciones de radiación para "rastrear" la diminuta cantidad de elemento radiactivo desconocido entre las fracciones resultantes. Trabajando con el mineral pechblenda, la pareja descubrió un nuevo elemento radiactivo en 1898. Llamaron al elemento polonio, en honor al país natal de Marie, Polonia. El 21 de diciembre de 1898, los Curie detectaron la presencia de otro material radiactivo en la pechblenda. Presentaron este hallazgo a la Academia de Ciencias de Francia el 26 de diciembre y propusieron que el nuevo elemento se llamara radio. Luego, los Curie se pusieron a trabajar aislando el polonio y el radio de compuestos naturales para demostrar que eran elementos nuevos. En 1902, los Curie anunciaron que habían producido un decigramo de radio puro, demostrando su existencia como elemento químico único. Si bien les tomó tres años aislar el radio, nunca pudieron aislar el polonio. Junto con el descubrimiento de dos nuevos elementos y la búsqueda de técnicas para aislar isótopos radiactivos, Curie supervisó los primeros estudios del mundo sobre el tratamiento de neoplasmas utilizando isótopos radiactivos. Con Henri Becquerel y su marido, Pierre Curie, recibió el Premio Nobel de Física de 1903. Fue la única ganadora del Premio Nobel de Química de 1911. Fue la primera mujer en ganar un Premio Nobel, y es la única mujer en ganar el premio en dos campos diferentes. nunca pudieron aislar el polonio. Junto con el descubrimiento de dos nuevos elementos y la búsqueda de técnicas para aislar isótopos radiactivos, Curie supervisó los primeros estudios del mundo sobre el tratamiento de neoplasmas utilizando isótopos radiactivos. Con Henri Becquerel y su marido, Pierre Curie, recibió el Premio Nobel de Física de 1903. Fue la única ganadora del Premio Nobel de Química de 1911. Fue la primera mujer en ganar un Premio Nobel, y es la única mujer en ganar el premio en dos campos diferentes. nunca pudieron aislar el polonio. Junto con el descubrimiento de dos nuevos elementos y la búsqueda de técnicas para aislar isótopos radiactivos, Curie supervisó los primeros estudios del mundo sobre el tratamiento de neoplasmas utilizando isótopos radiactivos. Con Henri Becquerel y su marido, Pierre Curie, recibió el Premio Nobel de Física de 1903. Fue la única ganadora del Premio Nobel de Química de 1911. Fue la primera mujer en ganar un Premio Nobel, y es la única mujer en ganar el premio en dos campos diferentes. fue galardonada con el Premio Nobel de Física de 1903. Fue la única ganadora del Premio Nobel de Química de 1911. Fue la primera mujer en ganar un Premio Nobel, y es la única mujer en ganar el premio en dos campos diferentes. fue galardonada con el Premio Nobel de Física de 1903. Fue la única ganadora del Premio Nobel de Química de 1911. Fue la primera mujer en ganar un Premio Nobel, y es la única mujer en ganar el premio en dos campos diferentes.
Mientras trabajaba con Marie para extraer sustancias puras de los minerales, una empresa que realmente requería recursos industriales pero que se lograba en condiciones relativamente primitivas, el propio Pierre se concentró en el estudio físico (incluidos los efectos lumínicos y químicos) de las nuevas radiaciones. Mediante la acción de los campos magnéticos sobre los rayos emitidos por el radio, demostró la existencia de partículas que eran eléctricamente positivas, negativas y neutras; a estos Ernest Rutherford los llamaría rayos alfa, beta y gamma. Pierre luego estudió estas radiaciones por calorimetría y también observó los efectos fisiológicos del radio, abriendo así el camino a la radioterapia. Entre los descubrimientos de Pierre Curie estaban que las sustancias ferromagnéticas exhibían una transición de temperatura crítica, por encima del cual las sustancias perdieron su comportamiento ferromagnético, esto se conoce como el "punto de Curie". Fue elegido miembro de la Academia de Ciencias (1905), habiendo recibido en 1903 junto con Marie la prestigiosa Medalla Davy de la Royal Society y junto con ella y Becquerel el Premio Nobel de Física. Fue atropellado por un carruaje en la rue Dauphine de París en 1906 y murió instantáneamente. Sus obras completas se publicaron en 1908.
Ernesto rutherford
El químico y físico nacido en Nueva Zelanda, Ernest Rutherford, es considerado "el padre de la física nuclear". Rutherford es mejor conocido por haber inventado los nombres alfa, beta y gamma para clasificar varias formas de "rayos" radiactivos que en su época eran poco conocidos (los rayos alfa y beta son haces de partículas, mientras que los rayos gamma son una forma de radiación electromagnética de alta energía). radiación). Rutherford desvió los rayos alfa con campos eléctricos y magnéticos en 1903. Trabajando con Frederick Soddy, Rutherford explicó que la radiactividad se debe a la transmutación de los elementos, que ahora se sabe que implican reacciones nucleares.
También observó que la intensidad de la radiactividad de un elemento radiactivo disminuye durante un período de tiempo único y regular hasta un punto de estabilidad, y denominó "vida media" al tiempo de reducción a la mitad. En 1901 y 1902 trabajó con Frederick Soddy para demostrar que los átomos de un elemento radiactivo se convertirían espontáneamente en otro, al expulsar una parte del átomo a alta velocidad. En 1906 en la Universidad de Manchester, Rutherford supervisó un experimento realizado por sus alumnos Hans Geiger (conocido por el contador Geiger) y Ernest Marsden. En el experimento de Geiger-Marsden, un haz de partículas alfa, generado por la desintegración radiactiva del radón, se dirigía normalmente sobre una hoja de lámina de oro muy delgada en una cámara al vacío. Bajo el modelo predominante de budín de ciruelas,
Sin embargo, los resultados reales sorprendieron a Rutherford. Aunque muchas de las partículas alfa pasaron como se esperaba, muchas otras se desviaron en ángulos pequeños mientras que otras se reflejaron de regreso a la fuente alfa. Observaron que un porcentaje muy pequeño de partículas se desviaba en ángulos mucho mayores de 90 grados. El experimento de la hoja de oro mostró grandes desviaciones para una pequeña fracción de partículas incidentes. Rutherford se dio cuenta de que, debido a que algunas de las partículas alfa se desviaban o reflejaban, el átomo tenía un centro concentrado de carga positiva y de masa relativamente grande; Rutherford más tarde denominó a este centro positivo el "núcleo atómico". Las partículas alfa habían golpeado directamente el centro positivo o habían pasado lo suficientemente cerca como para verse afectadas por su carga positiva. Dado que muchas otras partículas atravesaron la lámina de oro, el centro positivo tendría que tener un tamaño relativamente pequeño en comparación con el resto del átomo, lo que significa que el átomo es en su mayoría espacio abierto. A partir de sus resultados, Rutherford desarrolló un modelo del átomo que era similar al sistema solar, conocido como el modelo de Rutherford. Al igual que los planetas, los electrones orbitaban alrededor de un núcleo central similar al sol. Por su trabajo con la radiación y el núcleo atómico, Rutherford recibió el Premio Nobel de Química de 1908.
Siglo 20
En 1903, Mikhail Tsvet inventó la cromatografía, una importante técnica analítica. En 1904, Hantaro Nagaoka propuso un modelo nuclear temprano del átomo, donde los electrones orbitan alrededor de un núcleo masivo denso. En 1905, Fritz Haber y Carl Bosch desarrollaron el proceso Haber para fabricar amoníaco, un hito en la química industrial con profundas consecuencias en la agricultura. El proceso Haber, o proceso Haber-Bosch, combinó nitrógeno e hidrógeno para formar amoníaco en cantidades industriales para la producción de fertilizantes y municiones. La producción de alimentos para la mitad de la población mundial actual depende de este método de producción de fertilizantes. Haber, junto con Max Born, propuso el ciclo de Born-Haber como método para evaluar la energía reticular de un sólido iónico. Haber también ha sido descrito como el "padre de la guerra química".
En 1905, Albert Einstein explicó el movimiento browniano de una manera que probó definitivamente la teoría atómica. Leo Baekeland inventó la baquelita, uno de los primeros plásticos comercialmente exitosos. En 1909, el físico estadounidense Robert Andrews Millikan, que había estudiado en Europa con Walther Nernst y Max Planck, midió la carga de los electrones individuales con una precisión sin precedentes a través del experimento de la gota de aceite, en el que midió las cargas eléctricas en el agua que cae (y más tarde aceite) gotitas. Su estudio estableció que la carga eléctrica de cualquier gota en particular es un múltiplo de un valor fundamental definido, la carga del electrón, y por lo tanto una confirmación de que todos los electrones tienen la misma carga y masa. A partir de 1912, pasó varios años investigando y finalmente demostrando que Albert Einstein s propuso una relación lineal entre energía y frecuencia, y proporcionó el primer soporte fotoeléctrico directo para la constante de Planck. En 1923, Millikan recibió el Premio Nobel de Física.
En 1909, SPL Sørensen inventó el concepto de pH y desarrolló métodos para medir la acidez. En 1911, Antonius Van den Broek propuso la idea de que los elementos de la tabla periódica están mejor organizados por carga nuclear positiva que por peso atómico. En 1911 se celebró en Bruselas la primera Conferencia Solvay, que reunió a la mayoría de los científicos más destacados de la época. En 1912, William Henry Bragg y William Lawrence Bragg propusieron la ley de Bragg y establecieron el campo de la cristalografía de rayos X, una herramienta importante para dilucidar la estructura cristalina de las sustancias. En 1912, Peter Debye utilizó el concepto de dipolo molecular para describir la distribución de carga asimétrica en algunas moléculas.
Niels bohr
En 1913, Niels Bohr, un físico danés, introdujo los conceptos de la mecánica cuántica en la estructura atómica al proponer lo que ahora se conoce como el modelo del átomo de Bohr, donde los electrones existen solo en órbitas circulares estrictamente definidas alrededor del núcleo, similares a los peldaños de un escalera. El modelo de Bohr es un modelo planetario en el que los electrones con carga negativa orbitan un núcleo pequeño con carga positiva similar a los planetas que orbitan alrededor del Sol (excepto que las órbitas no son planas): la fuerza gravitatoria del sistema solar es matemáticamente similar a la fuerza de atracción. Fuerza de culombio (eléctrica) entre el núcleo cargado positivamente y los electrones cargados negativamente.
En el modelo de Bohr, sin embargo, los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas que tienen un tamaño y una energía establecidos; se dice que los niveles de energía están cuantizados, lo que significa que solo se permiten ciertas órbitas con ciertos radios; las órbitas intermedias simplemente no existen. La energía de la órbita está relacionada con su tamaño, es decir, la energía más baja se encuentra en la órbita más pequeña. Bohr también postuló que la radiación electromagnética es absorbida o emitida cuando un electrón se mueve de una órbita a otra. Debido a que solo se permiten ciertas órbitas de electrones, la emisión de luz que acompaña al salto de un electrón desde un estado de energía excitado al estado fundamental produce un espectro de emisión único para cada elemento. Bohr más tarde recibió el Premio Nobel de física por este trabajo.
Niels Bohr también trabajó en el principio de complementariedad, que establece que un electrón puede interpretarse de dos formas mutuamente excluyentes y válidas. Los electrones se pueden interpretar como modelos de ondas o partículas. Su hipótesis era que una partícula entrante golpearía el núcleo y crearía un núcleo compuesto excitado. Esto formó la base de su modelo de gota líquida y luego proporcionó una base teórica para la fisión nuclear después de su descubrimiento por parte de los químicos Otto Hahn y Fritz Strassman, y la explicación y denominación de los físicos Lise Meitner y Otto Frisch.
En 1913, Henry Moseley, partiendo de la idea anterior de Van den Broek, introdujo el concepto de número atómico para corregir algunas insuficiencias de la tabla periódica de Mendeleev, que se había basado en el peso atómico. El apogeo de la carrera de Frederick Soddy en radioquímica fue en 1913 con su formulación del concepto de isótopos, que establecía que ciertos elementos existen en dos o más formas que tienen diferentes pesos atómicos pero que son indistinguibles químicamente. Se le recuerda por probar la existencia de isótopos de ciertos elementos radiactivos, y también se le atribuye, junto con otros, el descubrimiento del elemento protactinio en 1917. En 1913, JJ Thomson amplió el trabajo de Wien al demostrar que las partículas subatómicas cargadas se pueden separar por su relación masa-carga, una técnica conocida como espectrometría de masas.
Gilbert n lewis
El químico físico estadounidense Gilbert N. Lewis sentó las bases de la teoría del enlace de valencia; jugó un papel decisivo en el desarrollo de una teoría de enlace basada en la cantidad de electrones en la capa de "valencia" más externa del átomo. En 1902, mientras Lewis intentaba explicar la valencia a sus alumnos, describió los átomos como construidos a partir de una serie concéntrica de cubos con electrones en cada esquina. Este "átomo cúbico" explicaba los ocho grupos de la tabla periódica y representaba su idea de que los enlaces químicos se forman por transferencia de electrones para dar a cada átomo un conjunto completo de ocho electrones exteriores (un "octeto").
La teoría de los enlaces químicos de Lewis continuó evolucionando y, en 1916, publicó su artículo seminal "El átomo de la molécula", que sugería que un enlace químico es un par de electrones compartidos por dos átomos. El modelo de Lewis equiparaba el enlace químico clásico con el intercambio de un par de electrones entre los dos átomos enlazados. Lewis introdujo los "diagramas de puntos de electrones" en este artículo para simbolizar las estructuras electrónicas de átomos y moléculas. Ahora conocidas como estructuras de Lewis, se analizan en prácticamente todos los libros de introducción a la química.
Poco después de la publicación de su artículo de 1916, Lewis se involucró en la investigación militar. No volvió al tema de los enlaces químicos hasta 1923, cuando resumió magistralmente su modelo en una breve monografía titulada Valencia y la estructura de átomos y moléculas. Su renovado interés en este tema fue estimulado en gran medida por las actividades del químico estadounidense e investigador de General Electric Irving Langmuir, quien entre 1919 y 1921 popularizó y elaboró el modelo de Lewis. Langmuir introdujo posteriormente el término enlace covalente. En 1921, Otto Stern y Walther Gerlach establecieron el concepto de espín mecánico cuántico en partículas subatómicas.
Para los casos en los que no estaba involucrado compartir, Lewis en 1923 desarrolló la teoría del par de electrones de ácidos y bases: Lewis redefinió un ácido como cualquier átomo o molécula con un octeto incompleto que, por lo tanto, era capaz de aceptar electrones de otro átomo; las bases eran, por supuesto, donantes de electrones. Su teoría se conoce como el concepto de ácidos y bases de Lewis. En 1923, GN Lewis y Merle Randall publicaron Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances, el primer tratado moderno sobre termodinámica química.
La década de 1920 vio una rápida adopción y aplicación del modelo de enlace de par de electrones de Lewis en los campos de la química orgánica y de coordinación. En química orgánica, esto se debió principalmente a los esfuerzos de los químicos británicos Arthur Lapworth, Robert Robinson, Thomas Lowry y Christopher Ingold; mientras que en química de coordinación, el modelo de unión de Lewis fue promovido gracias a los esfuerzos del químico estadounidense Maurice Huggins y el químico británico Nevil Sidgwick.
Mecánica cuántica
En 1924, el físico cuántico francés Louis de Broglie publicó su tesis, en la que introdujo una teoría revolucionaria de las ondas de electrones basada en la dualidad onda-partícula. En su época, las interpretaciones de ondas y partículas de la luz y la materia se consideraban contrarias entre sí, pero de Broglie sugirió que estas características aparentemente diferentes eran, en cambio, el mismo comportamiento observado desde diferentes perspectivas: que las partículas pueden comportarse como ondas y las ondas (radiación) pueden comportarse como partículas. La propuesta de Broglie ofrecía una explicación del movimiento restringido de los electrones dentro del átomo. Las primeras publicaciones de la idea de Broglie de las "ondas de materia" llamaron poco la atención de otros físicos, pero una copia de su tesis doctoral llegó a manos de Einstein, cuya respuesta fue entusiasta.
En 1925, el físico nacido en Austria Wolfgang Pauli desarrolló el principio de exclusión de Pauli, que establece que dos electrones alrededor de un solo núcleo en un átomo no pueden ocupar el mismo estado cuántico simultáneamente, como lo describen cuatro números cuánticos. Pauli hizo importantes contribuciones a la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos (fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1945 por su descubrimiento del principio de exclusión de Pauli), así como a la física del estado sólido, y planteó con éxito la hipótesis de la existencia del neutrino. Además de su obra original, escribió síntesis magistrales de varias áreas de la teoría física que se consideran clásicos de la literatura científica.
En 1926, a la edad de 39 años, el físico teórico austriaco Erwin Schrödinger produjo los artículos que sentaron las bases de la mecánica cuántica de ondas. En esos artículos describió su ecuación diferencial parcial que es la ecuación básica de la mecánica cuántica y tiene la misma relación con la mecánica del átomo que las ecuaciones de movimiento de Newton tienen con la astronomía planetaria. Adoptando una propuesta hecha por Louis de Broglie en 1924 de que las partículas de materia tienen una naturaleza dual y en algunas situaciones actúan como ondas, Schrödinger introdujo una teoría que describe el comportamiento de dicho sistema mediante una ecuación de onda que ahora se conoce como la ecuación de Schrödinger. Las soluciones de la ecuación de Schrödinger, a diferencia de las soluciones de las ecuaciones de Newton, son funciones de onda que solo pueden relacionarse con la ocurrencia probable de eventos físicos. La secuencia de eventos fácilmente visualizada de las órbitas planetarias de Newton es, en la mecánica cuántica, reemplazada por la noción más abstracta de probabilidad. (Este aspecto de la teoría cuántica hizo que Schrödinger y varios otros físicos se sintieran profundamente infelices, y dedicó gran parte de su vida posterior a formular objeciones filosóficas a la interpretación generalmente aceptada de la teoría que tanto había hecho para crear).
El físico teórico alemán Werner Heisenberg fue uno de los creadores clave de la mecánica cuántica. En 1925, Heisenberg descubrió una forma de formular la mecánica cuántica en términos de matrices. Por ese descubrimiento, recibió el Premio Nobel de Física de 1932. En 1927 publicó su principio de incertidumbre, sobre el cual construyó su filosofía y por el cual es más conocido. Heisenberg pudo demostrar que si estabas estudiando un electrón en un átomo, podías decir dónde estaba (la ubicación del electrón) o hacia dónde se dirigía (la velocidad del electrón), pero era imposible expresar ambos al mismo tiempo. También hizo importantes contribuciones a las teorías de la hidrodinámica de los flujos turbulentos, el núcleo atómico, el ferromagnetismo, los rayos cósmicos y las partículas subatómicas.
Química cuántica
Algunos ven el nacimiento de la química cuántica en el descubrimiento de la ecuación de Schrödinger y su aplicación al átomo de hidrógeno en 1926. Sin embargo, el artículo de 1927 de Walter Heitler y Fritz London a menudo se reconoce como el primer hito en la historia de la química cuántica. Esta es la primera aplicación de la mecánica cuántica a la molécula diatómica de hidrógeno y, por tanto, al fenómeno del enlace químico. En los años siguientes, Edward Teller, Robert S. Mulliken, Max Born, J. Robert Oppenheimer, Linus Pauling, Erich Hückel, Douglas Hartree y Vladimir Aleksandrovich Fock lograron grandes avances, por citar algunos.
Aún así, el escepticismo permaneció en cuanto al poder general de la mecánica cuántica aplicada a sistemas químicos complejos. Paul Dirac describe la situación alrededor de 1930:
Las leyes físicas subyacentes necesarias para la teoría matemática de una gran parte de la física y de toda la química son así completamente conocidas, y la dificultad es sólo que la aplicación exacta de estas leyes conduce a ecuaciones demasiado complicadas para ser solubles. Por lo tanto, se vuelve deseable que se desarrollen métodos prácticos aproximados para aplicar la mecánica cuántica, lo que puede conducir a una explicación de las características principales de los sistemas atómicos complejos sin demasiados cálculos.
Por lo tanto, los métodos de mecánica cuántica desarrollados en las décadas de 1930 y 1940 a menudo se denominan física molecular o atómica teórica para subrayar el hecho de que eran más la aplicación de la mecánica cuántica a la química y la espectroscopia que respuestas a preguntas químicamente relevantes. En 1951, un artículo hito en la química cuántica es el artículo seminal de Clemens CJ Roothaan sobre las ecuaciones de Roothaan. Abrió la vía a la solución de las ecuaciones de campo autoconsistentes para moléculas pequeñas como el hidrógeno o el nitrógeno. Esos cálculos se realizaron con la ayuda de tablas de integrales que se calcularon en las computadoras más avanzadas de la época.
En la década de 1940, muchos físicos pasaron de la física atómica o molecular a la física nuclear (como J. Robert Oppenheimer o Edward Teller). Glenn T. Seaborg fue un químico nuclear estadounidense mejor conocido por su trabajo en el aislamiento e identificación de elementos transuránicos (aquellos más pesados que el uranio). Compartió el Premio Nobel de Química de 1951 con Edwin Mattison McMillan por sus descubrimientos independientes de elementos transuránicos. El seaborgio recibió su nombre en su honor, lo que lo convirtió en la única persona, junto con Albert Einstein y Yuri Oganessian, en cuyo nombre se nombró un elemento químico durante su vida.
Biología molecular y bioquímica
A mediados del siglo XX, en principio, la integración de la física y la química era amplia, y las propiedades químicas se explicaban como resultado de la estructura electrónica del átomo; El libro de Linus Pauling sobre La naturaleza del enlace químico utilizó los principios de la mecánica cuántica para deducir los ángulos de enlace en moléculas cada vez más complicadas. Sin embargo, aunque algunos principios deducidos de la mecánica cuántica fueron capaces de predecir cualitativamente algunas características químicas de moléculas biológicamente relevantes, fueron, hasta finales del siglo XX, más una colección de reglas, observaciones y recetas que rigurosos métodos cuantitativos ab initio.
Este enfoque heurístico triunfó en 1953 cuando James Watson y Francis Crick dedujeron la estructura de doble hélice del ADN mediante la construcción de modelos limitados e informados por el conocimiento de la química de las partes constituyentes y los patrones de difracción de rayos X obtenidos por Rosalind Franklin. Este descubrimiento condujo a una explosión de investigación sobre la bioquímica de la vida.
En el mismo año, el experimento de Miller-Urey demostró que los constituyentes básicos de las proteínas, los aminoácidos simples, podrían construirse a partir de moléculas más simples en una simulación de procesos primordiales en la Tierra. Este primer intento de los químicos de estudiar procesos hipotéticos en el laboratorio bajo condiciones controladas ayudó a impulsar una abundante investigación, dentro de las ciencias naturales, sobre los orígenes de la vida.
En 1983 Kary Mullis ideó un método para la amplificación in vitro del ADN, conocido como reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que revolucionó los procesos químicos utilizados en el laboratorio para manipularlo. La PCR podría usarse para sintetizar piezas específicas de ADN e hizo posible la secuenciación del ADN de los organismos, lo que culminó en el enorme proyecto del genoma humano.
Uno de los estudiantes de Pauling, Matthew Meselson y Frank Stahl, resolvió una pieza importante en el rompecabezas de la doble hélice; el resultado de su colaboración (experimento Meselson-Stahl) ha sido llamado "el experimento más hermoso de la biología".
Utilizaron una técnica de centrifugación que clasificaba las moléculas según las diferencias de peso. Debido a que los átomos de nitrógeno son un componente del ADN, fueron etiquetados y, por lo tanto, rastreados en la replicación en bacterias.
Finales del siglo XX
En 1970, John Pople desarrolló el programa Gaussiano que facilitó enormemente los cálculos de química computacional. En 1971, Yves Chauvin ofreció una explicación del mecanismo de reacción de las reacciones de metátesis de olefinas. En 1975, Karl Barry Sharpless y su grupo descubrieron las reacciones de oxidación estereoselectiva, incluida la epoxidación de Sharpless, la dihidroxilación asimétrica de Sharpless y la oxiaminación de Sharpless. En 1985, Harold Kroto, Robert Curl y Richard Smalley descubrieron los fullerenos, una clase de grandes moléculas de carbono que se asemejan superficialmente a la cúpula geodésica diseñada por el arquitecto R. Buckminster Fuller.En 1991, Sumio Iijima usó microscopía electrónica para descubrir un tipo de fullereno cilíndrico conocido como nanotubo de carbono, aunque ya se habían realizado trabajos en el campo en 1951. Este material es un componente importante en el campo de la nanotecnología. En 1994, KC Nicolaou con su grupo y Robert A. Holton y su grupo, lograron la primera síntesis total de Taxol. En 1995, Eric Cornell y Carl Wieman produjeron el primer condensado de Bose-Einstein, una sustancia que muestra propiedades mecánicas cuánticas a escala macroscópica.
Matemáticas y química
Clásicamente, antes del siglo XX, la química se definía como la ciencia de la naturaleza de la materia y sus transformaciones. Por lo tanto, era claramente distinta de la física, que no se ocupaba de tan dramática transformación de la materia. Además, a diferencia de la física, la química no usaba mucho las matemáticas. Incluso algunos se mostraron particularmente reacios a utilizar las matemáticas dentro de la química. Por ejemplo, Auguste Comte escribió en 1830:
Todo intento de emplear métodos matemáticos en el estudio de cuestiones químicas debe considerarse profundamente irracional y contrario al espíritu de la química... si el análisis matemático llegara a ocupar un lugar destacado en la química, una aberración que felizmente es casi imposible. ocasionaría una rápida y generalizada degeneración de esa ciencia.
Sin embargo, en la segunda parte del siglo XIX, la situación cambió y August Kekulé escribió en 1867:
Más bien espero que algún día encontremos una explicación matemático-mecánica para lo que ahora llamamos átomos que dará cuenta de sus propiedades.
Alcance de la química
A medida que ha evolucionado la comprensión de la naturaleza de la materia, también lo ha hecho la autocomprensión de la ciencia de la química por parte de sus practicantes. Este continuo proceso histórico de evaluación incluye las categorías, los términos, los objetivos y el alcance de la química. Además, el desarrollo de las instituciones y redes sociales que apoyan la investigación química son factores muy importantes que permiten la producción, difusión y aplicación del conocimiento químico. (Ver Filosofía de la química)
Industria química
La última parte del siglo XIX vio un gran aumento en la explotación del petróleo extraído de la tierra para la producción de una gran cantidad de productos químicos y reemplazó en gran medida el uso de aceite de ballena, alquitrán de hulla y depósitos navales utilizados anteriormente. La producción y refinación a gran escala del petróleo proporcionó materias primas para combustibles líquidos como gasolina y diésel, solventes, lubricantes, asfalto, ceras y para la producción de muchos de los materiales comunes del mundo moderno, como fibras sintéticas, plásticos, pinturas., detergentes, productos farmacéuticos, adhesivos y amoníaco como fertilizante y para otros usos. Muchos de estos requirieron nuevos catalizadores y la utilización de ingeniería química para su producción rentable.
A mediados del siglo XX, el control de la estructura electrónica de los materiales semiconductores se hizo preciso mediante la creación de grandes lingotes de monocristales extremadamente puros de silicio y germanio. El control preciso de su composición química mediante el dopaje con otros elementos hizo posible la producción del transistor de estado sólido en 1951 e hizo posible la producción de diminutos circuitos integrados para su uso en dispositivos electrónicos, especialmente computadoras.
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