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TEMA 7: El fenómeno de la combustión. La teoría del flogisto. Lavoisier y el calórico. La naturaleza de los gases. El elemento químico
Los primeros filósofos griegos ya debatieron acerca de la naturaleza del fuego: ¿Existen átomos de fuego, pequeños y redondos que penetran en el interior de los cuerpos a través de sus poros cuando estos se calientan? ¿O es el calor la sustancia y esencia del fuego y de este modo se transmite a las cosas?

Galileo creyó que los corpúsculos de fuego se introducían en los intersticios de la materia, rompiendo así la fuerza cohesiva que únicamente el vacío interno entre sus partes provocaba (Discorsi, 1638); dichos corpúsculos se moverían con gran agitación, siendo esta la causa del calor. Beeckman vio los átomos de fuego compuestos de una sustancia más sutil y etérea que el resto; el frío consistiría en la ausencia de los mismos y el calor, el resultado de su movilidad en el interior de las cosas. Francis Bacon (1561-1626) rechazó los átomos y el vacío (Af. VIII, Libro II del Novum Organum): No hay partículas de fuego, afirmó, sino agitación y movimiento; es fácil comprobarlo al accionar un martillo o frotar una superficie cualquiera. La putrefacción también fue interpretada en esos términos. Para Descartes, el fuego es un fluido elástico; difiere del aire por su mayor fluidez, es decir, sus partículas son más rápidas y sutiles. El calor, por tanto, es el resultado de un aumento de la agitación de las partículas de un cuerpo, causado por rozamiento, por ejemplo. También la luz es fuente de calor y movimiento.

Georg Ernest Sthal (1660-1734) describió su peculiar idea acerca del calor. Los cuerpos inflamables poseerían un componente - el "flogisto" – el cual desprendían durante la combustión. La cantidad de flogisto variaba de unas sustancias a otras y al liberarse saturaba a las que estaban próximas e incluso al aire, el cual actuaba como vehículo transmisor. No explicaba de este modo el aumento de peso de los metales calcinados o enmohecidos, pero sí daba cuenta de su extracción a partir del mineral.

Una nueva generación de empiristas se dedicó a investigar los diversos tipos de gases formados en los procesos de combustión, putrefacción, evaporación, etc., de las distintas sustancias. Creyeron que los gases eran sustancias compuestas de partículas pequeñísimas en movimiento desordenado e incesante. La principal dificultad residía en el modo de obtenerlos. Respecto al aire, Boyle ya había señalado cómo su elasticidad aumentaba bajo la influencia del calor: al igual que Descartes y Newton, achacó el fenómeno al incremento de la agitación de las partículas aéreas y también al posible cambio de textura experimentado por ellas. En New Experiments to Make Fire and Flame Stable and Ponderable, advirtió del aumento de peso adquirido por algunos metales en el proceso de la calcinación, lo cual estaba en flagrante oposición a la teoría del flogisto. Sin embargo, no consideró que el aire pudiera añadirse al metal en la reacción: se hallaba fatalmente influido por su idea de la naturaleza corpórea del fuego, creyendo que diminutas partículas de esta sustancia atravesaban el vidrio del matraz para unirse así al metal calcinado. Boyle consideró la atmósfera compuesta de varias sustancias: un fluido elástico y gases procedentes de la evaporación y combustión de los sólidos y líquidos terrestres, y de los efluvios emanados de la respiración de animales y vegetales. Posteriormente aludió a la existencia de "otros" gases, cuyas características dependerían de la calidad de sus componentes, no identificando ningún gas en concreto, pues la variedad de estos podría ser infinita.

Stephen Hales (1667-1761), los obtuvo sobre agua. Joseph Black (1728-1799) intentó descomponer la piedra caliza, o carbonato cálcico, al calentarla, logrando la liberación de cierto gas y un residuo de cal (óxido de calcio). Consiguió unir de nuevo este gas a la cal, obteniendo la materia inicial. A Black le pareció que el gas en cuestión era idéntico al denominado "silvestre", pero él lo identificó como "aire fijado". Demostró así que el dióxido de carbono (en la nomenclatura actual) se produce al calentar un mineral o al quemar madera, sustancias procedentes del mundo inerte y orgánico, respectivamente. Del mismo modo, dedujo la posibilidad de liberar gases de los sólidos y de los líquidos, y el que aquellos se combinen con estos. Comprendió que el aire es compuesto, pues contiene pequeñas cantidades de gas fijado. Analizó cuidadosamente la pérdida de peso ocasionada en la piedra caliza al sufrir dicha reacción y midió la cantidad de ácido que neutralizaría al carbonato cálcico.

Rutherford (1749-1819) descubrió el nitrógeno, al cual llamó "aire flogisticado", pues nada arde en él: estaría tan saturado de flogisto que no admitiría nada más. Y Henry Cavendish advirtió la existencia de un gas distinto a los restantes cuando experimentaba la reacción causada por los ácidos en los metales. De él hablaron ya Boyle y Hales, pero Cavendish sistematizó los datos conseguidos: este gas sería muy ligero, constituyendo 1/14 del peso total del aire, y altamente inflamable, tanto que muchos lo identificaron con el flogisto aislado. Nosotros lo llamamos hidrógeno.

Joseph Priestley (1733-1804), estudió el gas silvestre (CO2) que una destilería de cerveza próxima a su domicilio producía en grandes cantidades. Logró disolver una pequeña cantidad de esta sustancia en agua, comprobando lo agradable de su sabor. Intentó, además, recoger sobre mercurio otros gases diferentes; por ejemplo, calentó en un recipiente abierto una muestra de este metal, hasta obtener su calcinación (óxido de mercurio); después, calentó de nuevo el residuo y se desprendió un gas desconocido hasta el momento, cuyas cualidades consistían en lo revitalizante que resultaba su inspiración y en su alto grado de combustibilidad. Priestley lo denominó "aire desflogisticado", pues era susceptible de aceptar todo el flogisto circundante y, por tanto, los cuerpos ardían en su presencia con gran intensidad. Nosotros lo conocemos ahora como oxígeno.

Según Antoine de Lavoisier (1743–1794), la cohesión entre las partes internas de la materia, o moléculas, se debe a una fuerza atractiva inherente y esencial a las mismas; opuesta a cierta tendencia repulsiva que las separa y la cual proviene del calor. El equilibrio se logra en el estado sólido de los cuerpos. Así, al aumentar el calor, penetra en su interior una fuerza que obliga a sus partículas a retroceder y separarse, pasando, a través del estado líquido, al gaseoso. Existe un fluido sutil, elástico y material que se introduce entre las partes mínimas de las sustancias y actúa distanciándolas; es el calórico o fluido ígneo, responsable del calor y por tanto, del cambio de estado de la materia. Lavoisier es consciente de lo impreciso de su definición, quizá sólo sea una hipótesis, una modificación de la luz, algo no real del todo..., pero le basta calificarlo como fuerza repulsiva y conocer sus efectos. Las cualidades atribuidas a este fluido nos recuerdan el espíritu eléctrico de Newton (Principia, Escolio General), transformado después en el éter de enorme sutileza y elasticidad extendido a todos los espacios y albergado en todos los cuerpos (Optica, Cuestiones de 1717), aunque sin las funciones que el físico británico le otorgó. Asimismo, en su capacidad de transmitir calor se halla muy próximo al concepto cartesiano ya comentado. El calórico parece ser el cuerpo más elástico de la naturaleza y causa, a su vez, la elasticidad de otros; su acción se ejerce a distancia. Nunca se encuentra libre absolutamente y casi siempre está combinado, pues es el que añade solidez a las cosas. El calórico pasa de unos cuerpos a otros, como el flogisto de Sthal, equilibrando sus temperaturas. Lavoisier introdujo un concepto nuevo: Calórico (o calor) específico, es la cantidad de calórico necesaria para elevar el mismo número de grados la temperatura de sustancias de idéntico peso (peso absoluto/ volumen).

Del aire nos dice Lavoisier que es un fluido sumamente elástico, formado de un elemento respirable y de otro que no lo es. Lo ha comprobado experimentalmente mediante la calcinación del mercurio. Invirtiendo el proceso, es decir, calentando de nuevo los granos rojos del mercurio calcinado, obtiene unas gotas del metal y además, un fluido elástico, excelente para la combustión y la respiración: es el aire desflogisticado de Priestley y al cual denomina empireal o aire vital. El mercurio, al calcinarse, absorbe la parte de aire respirable, lo cual explica el aumento de peso del metal y la disminución de aire en esa misma cantidad. Ya no se necesitaba el flogisto. El gas restante parecía ser una especie de "mofeta", en palabras de Lavoisier (Tratado Elemental de Química); es el gas zoe de Rutherford, o nuestro nitrógeno; no apto para la vida ni respirable ni combustible.

Respecto al agua, considerada de naturaleza simple desde los tiempos más remotos, Lavoisier comprobó que se trata en realidad de una sustancia compuesta de dos elementos, oxígeno e hidrógeno, en la proporción 1 : 2. Debemos también al malogrado científico francés la Ley de la Conservación de la Materia, porque demostró que nada se pierde ni se gana en las reacciones químicas; asimismo observó la posibilidad de plantear una ecuación matemática que expresara el fundamento de las reacciones. La dificultad residía ahora en medir sus respectivas masas. Primeramente lo hicieron en forma de "partes": tantas partes de esto por tantas de lo otro, lo cual dio lugar a la Ley de las proporciones equivalentes, propuesta por Jeremiah Richter en 1791. William Prout formularía poco después (1797) la llamada Ley de las proporciones definidas: las masas de los reactivos guardan una relación fija. Más adelante, Dalton estableció que dicha relación se adecua a los números enteros.

La nomenclatura ideada por Lavoisier para la formalización de los compuestos es muy útil y manejable. Distinguió hasta 23 sustancias simples no calificadas por él como elementos químicos, pues estos no sólo deben ser simples e indivisibles, sino además formar parte esencial de un gran número de cuerpos. Así, aunque el oro es una sustancia simple, no se dice que es un elemento; parece como si los únicos elementos fueran el calórico y la luz.

BIBLIOGRAFÍA BÁSICA:
ASIMOV, Isaac: Historia de la química. Alianza, Madrid, 1988

ESTEBAN SANTOS, Soledad: Introducción a la historia de la química. Cuadernos de la UNED, Madrid, 2001

HULL, L. W. H.: Historia y filosofía de la ciencia. Ariel

MASON, Stephen: Historia de las ciencias, Alianza

TEMA 8: La actividad de la materia: El modelo atómico de Dalton. Electricidad y magnetismo. La teoría de los cuantos. Las cuatro fuerzas
Dalton (1766-1844) estuvo interesado en la neumática, inicialmente; y del estudio de ésta pasó directamente a la investigación química. Recuperó el corpuscularismo newtoniano y su noción de las fuerzas atractivas y repulsivas que afectan a las partículas. Asimismo, tomó de Priestley la ley que establece que la atracción entre cargas eléctricas es inversa al cuadrado de la distancia. Fue pues partidario del corpuscularismo dinámico, frente al estático que defendió Boyle.

Dalton explicó que los átomos no se crean ni se destruyen y que la separación o unión entre ellos fundamenta el cambio químico. La diferencia entre unos elementos y otros reside en la naturaleza de sus átomos y estos se distinguen por su peso. En su opinión, las propiedades de un cuerpo dependerán de su configuración atómica. Dalton, lógicamente, no supo que se llegarían a descubrir isótopos de un mismo elemento, los cuales poseerían idénticas cualidades. En realidad, desconocía la noción de número atómico: la existencia de partículas como componentes últimos de la materia es algo que sólo se pudo comprobar mucho tiempo después, con el uso de microscopios electrónicos muy sofisticados. Las sustancias compuestas estarían formadas por átomos compuestos (moléculas) o agrupaciones de átomos: tantos de un elemento, más tantos de otro, etc. Todo esto se podía expresar mediante ecuaciones matemáticas y en función de los números enteros.

En 1808 publicó su Nuevo sistema de Filosofía Química, en el cual expuso que las fuerzas repulsivas son las responsables del alejamiento de los átomos entre sí, a velocidades inversas a sus distancias. El calor estaría detrás de la actuación de estas fuerzas. En condiciones normales, de presión y temperatura, los átomos no se repelen. Respecto al aire dedujo que, en un entorno estable, sus moléculas no se disocian debido a que la presión total de las mismas es igual a la suma de las presiones parciales, y formuló su Ley de la Presiones Parciales de los Gases.

Amedeo Avogadro (1776-1856) en 1811 y André-Marie Ampère (1775-1836) en 1814 afirmaron que a volúmenes iguales de distintos gases, en condiciones idénticas de presión y temperatura, su número de partículas era la misma. Esta ley estaba en contradicción con la hipótesis de Dalton, según el cual, los átomos de distintas sustancias diferían en tamaño, forma y peso, por lo cual el número de ellos variaba en relación al volumen considerado; es más, creía que el número de átomos que componía un gas estaba en relación inversa al volumen tomado de ese gas.

En 1808 se comenzó a confeccionar una lista con los pesos atómicos de todos los elementos conocidos, en relación al hidrógeno y tomando el de éste como unidad: Aún se creía que la sustancia de la que estaban hechos era la misma. Así, William Prout (1785-1850) pensó en 1815 si no estarían todos compuestos de átomos de este gas. Thomson, Berzelius y Stas se dedicaron a ello y demostraron que la relación conseguida no se correspondía exactamente con los números enteros; por tanto, desde entonces, los químicos prefirieron realizar cálculos a partir de los pesos reales de las sustancias.

La hipótesis de Dalton a favor de las fuerzas atractivas y repulsivas se consolidó cuando en 1808 Nicholson y Carlisle lograron descomponer el agua por medio de electrolisis. Este fenómeno fue descubierto gracias a los experimentos realizados en la pila de Alessandro Volta (1745-1827). Poco después, Humphry Davy (1778-1829) afirmó que la atracción química de los elementos era la responsable de la formación de los compuestos, pues había aislado los metales alcalinos, sodio y potasio, aplicando este procedimiento. Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) perfeccionó esta tesis al declarar que la composición química se debía a la atracción existente entre sustancias con cargas eléctricas opuestas, distinguiendo los elementos electronegativos de los electropositivos. Si esto era así, ¿cómo explicar la cohesión entre partículas homólogas? En 1828, Friedrich Wöhler (1800-1882) descubrió que los compuestos orgánicos se podían formar a partir de sustancias minerales; por tanto, su existencia no se debía exclusivamente a procesos biológicos. Visto lo cual, él y Justus von Liebig (1803-1873) intentaron trasladar las tesis de Berzelius a la química orgánica. Pero Dumas descubrió algo sorprendente: en algunos radicales orgánicos se podía sustituir el hidrógeno electropositivo por el cloro electronegativo, ¡y no cambiaban las propiedades fundamentales de esas sustancias! ¿Estarían equivocados Berzelius, Wöhler y Liebig? La hipótesis dualista fue entonces desplazada por una nueva que diera sentido a estos sucesos; por ejemplo, la que se apoyó en la configuración interna de los cuerpos. Liebig habló ahora de Teoría de los tipos estructurales y Dumas afirmó que las propiedades de los compuestos orgánicos eran consecuencia de la disposición de sus elementos. Esta conjetura fue aceptada en el ámbito de la química orgánica, pero no en el que se dedicaba al estudio de las sustancias inertes.

Según la concepción estructural, los cuerpos que presentaran una configuración semejante poseerían idénticas propiedades. Esta perspectiva propició nuevas investigaciones acerca de la constitución atómica de los elementos; a ello se dedicaron, principalmente, August Kekule (1829-1896) y Edward Frankland (1825-1899), el cual definió el concepto de valencia. Se ordenaron los elementos por familias; en ello trabajaron Meyer y Mendeleev, los creadores de la tabla periódica en 1869.

La electricidad estática producida por fricción era un fenómeno observado ya en la naturaleza desde la época de los griegos. Según parece, Tales de Mileto solía frotar un objeto de ámbar sobre un tejido para atraer con él ciertos objetos. Franklin observó que los rayos y relámpagos eran de origen eléctrico. Los cuerpos se podían cargar eléctricamente, y atraerse o repelerse con una intensidad inversamente proporcional a los cuadrados de sus distancias. Así lo verificaron Priestley, Cavendish y Coulomb, que realizaron las primeras mediciones con un electrómetro. Este último definió la fuerza electrostática mediante una ecuación análoga a la propuesta por Newton para la gravedad, aunque ésta resultaba ser 40 veces menor que aquella. Galvani logró mover el músculo de la pata de una rana al conectarlo a dos láminas metálicas; inspirado en estos experimentos, Volta intentó crear una corriente eléctrica estable en su laboratorio; verificó que con la unión de dos metales distintos (cobre y cinc) se producían efectos eléctricos, y si sumergía esos metales en una solución ácida, las consecuencias parecían ser aún mayores; de esta manera construyó su pila en 1799 y a esa extraña fuerza que los causaba se la denominó galvanismo. Gracias al procedimiento de electrolisis se detectaron muchos elementos químicos hasta entonces desconocidos. Michael Faraday (1791-1867) enunció las leyes de la electroquímica.

En 1820 Hans Christian Oersted (1777-1851) demostró que la electricidad provoca efectos magnéticos, como el movimiento de una aguja imantada. A este suceso lo denominó electromagnetismo. Poco después, André Marie Ampère comprobó que dos hilos paralelos por los que circula corriente eléctrica, se atraen si ésta discurre en el mismo sentido, y se repelen si lo hace en sentido contrario. Faraday definió los conceptos de líneas de fuerza y de campo electromagnético. En 1821 consiguió que un hilo conductor de corriente eléctrica girara alrededor de un imán; es decir, logró que la electricidad produjera efectos mecánicos. Y en 1831, Faraday pudo constatar el fenómeno inverso del electromagnetismo: la inducción electromagnética, la cual consiste en producir electricidad por medios magnéticos. De esta manera se advirtió la relación existente entre mecánica, electricidad y magnetismo; se fabricó entonces la primera dinamo: la máquina que mueve continuamente espirales de alambres en presencia de imanes, transformando el trabajo mecánico en electricidad.

James Clerk Maxwell (1831-1878) matizó las nociones de líneas de fuerza y campo electromagnético en Una teoría dinámica del campo electromagnético (1865) y en su Tratado sobre electricidad y magnetismo (1873). Desde 1861 sabía que la luz también era un fenómeno electromagnético: óptica, electricidad y magnetismo obedecían a las mismas leyes. Pero la teoría electromagnética no consiguió explicar la gravitación ni ésta los procesos internos de la materia. En 1888, Heinrich Hertz (1857-1894) comprobó la existencia de radiaciones electromagnéticas.

Otra de las consecuencias de la corriente eléctrica reside en el calor que ésta produce. J. P. Joule (1818-1889) determinó que el calor es una forma de energía, como la cinética, la potencial y la mecánica. Estudió la electricidad y dedujo que la energía se puede manifestar de formas muy diversas: gravitatoria, elástica, térmica, cinética, eléctrica, química, ... Junto a Helmholtz (1821-1894) definió la primera ley de la termodinámica o Ley de la Conservación de la Energía, pues cualquier tipo de energía se transforma en otro distinto o en calor, pero nunca se pierde. No obstante, aunque la cantidad de energía existente en el universo sea constante, su grado de desorganización o entropía aumenta sin cesar.

El descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel (1852-1908) en 1896, desveló la posibilidad de que los átomos no fueran las partes mínimas de la materia; Rutherford (1875-1937) y Niels Bohr (1885-1962) investigaron qué fuerzas eran responsables de la cohesión existente entre las partículas subatómicas: fuerzas que mantenían la estabilidad del núcleo y evitaban al mismo tiempo que los electrones se precipitaran hacia él; fuerzas, además, que favorecían la desintegración de los neutrones. La teoría que expresara el comportamiento de esas partículas sería desde entonces la electrodinámica cuántica. Así pues, el conjunto de fuerzas que definían las incidencias de la materia podía reducirse a cuatro: gravitación, electromagnetismo, nuclear fuerte y electrodinámica débil; las dos últimas analizadas mediante dos teorías: la cromodinámica cuántica y la electrodébil, respectivamente.

El Principio de Incertidumbre enunciado por Werner Heisenberg destacaba la imposibilidad de medir simultáneamente la posición y el movimiento de las partículas subatómicas. Estas actuaban a veces como corpúsculos, a veces como ondas, y esto las sumergía en un abismo de indeterminación.

Einstein creyó poder eliminar el aparente antagonismo entre electromagnetismo y gravitación cuando advirtió que masa y energía eran conceptos equivalentes, e intentó formular una teoría que abarcara a ambas: la Teoría del Campo Unificado. En el siglo XX se ha buscado una teoría que englobe la totalidad de los fenómenos descritos en la naturaleza; que relacione la mecánica cuántica con la relatividad general y que explique el comportamiento tanto de los corpúsculos más pequeños como de los más grandes e inmensos. Esta sería la Teoría de Supercuerdas (Sheldon Glashow): microscópicas partículas retorcidas evolucionando en un hiperespacio decadimensional y responsables de la totalidad de la energía y materia existente en el universo. Edward Witten postula que no sólo esta teoría explica la gravedad sino que exige la existencia de ésta. Los científicos esperan que la hipótesis de la supercuerda se confirme algún día gracias a un artilugio inmensamente caro y casi imposible de construir: el supercolisionador superconductor, un mega-acelerador de partículas con alcance de mil años luz.

John Barrow ha enfríado los deseos unitarios de muchos científicos, lanzándoles un jarro de agua fría; basándose en el Teorema de Incompletitud demostrado por Gödel sostiene la imposibilidad de lograr una teoría que abarque la totalidad de los fenómenos que se producen en nuestro universo. Máxime cuando muchos de ellos son de naturaleza imprevisible y caótica; porque, en palabras de James Yorke, se desarrollan de un modo predeciblemente impredecible. Las teorías acerca del caos se diseñan mediante complicados programas informáticos y simulaciones con ordenador; con la ayuda de estas máquinas se han investigado asuntos tan dispares como las fluctuaciones bursátiles, la frecuencia e intensidad de los terremotos o el comportamiento de algunas especies animales. Las conjeturas más atractivas han surgido de la mano y de la mente de Benoit Mandelbrot, el creador de los fractales: trémulos relieves que se repiten ad infinitum; aguda observación de los copos de nieve, de la forma de las nubes y del contorno de las costas.
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA:
GRIBBIN, John: Historia de la ciencia 1543-2001. Crítica, Barcelona, 2003

HULL, L. W. H.: Historia y filosofía de la ciencia. Ariel, Madrid, 1989

MASON, Stephen F.: Historia de la ciencias. Alianza, 2001
BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA:
ARANA: Materia, Universo, Vida. Tecnos, Madrid, 2001

HORGAN, John: El fin de la ciencia. Paidós, Barcelona, 1998

BERKSON, William: La teoría de los campos de fuerza. Desde Faraday a Einstein. Alianza, Madrid, 1997

DELIGEORGES, Stéphane (dir.): El mundo cuántico. Alianza, Madrid, 2001

SÁNCHEZ RON, J. M.: El jardín de Newton. Crítica, Barcelona, 2001
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