Quimica 4 Seccion "A" V

Para Tales de Mileto la materia estaba compuesta por agua; para Amaximenes por aire; para Heraclito de Efeso por fuego. Pero fue Empedocles de Agriento en Sicilia, quien postuló la Teoria de los cuatro elementos: tierra, aire, agua y fuego, los cuales estarían constituidos por minúsculas partículas. Esta doctrina fue enriquecida por Aristóteles Estagira, y estuvo vigente, gracias a su gran prestigio, hasta el siglo XVI y, ya solo parcialmente hasta el siglo XVIII.

Aristóteles postulaba la existencia de una materia primaria, que llamo elemento, y cuatro cualidades frío, calor, húmedo y seco. La combinación de dos cualidades daba origen a la materia primaria, de la cual esta hecho todo lo que nos rodea. Si se combina lo seco con lo frío, se obtiene la tierra; lo frío con lo húmedo el agua; lo húmedo con lo caliente el aire y lo caliente con lo seco el fuego.

Para Demócrito, la materia esta constituida por átomos que se mueven en el vacío en forma continua y al azar. Además, los átomos tienen forma y tamaño, lo que explica sus propiedades. Este planteamiento se asemeja bastante a uno de los postulados de la actual Teoría Cinético Molecular que propone que todos los cuerpos, con independencia de su estado físico, están formado por partículas (átomos o moléculas) que están en continuo movimiento o vibrando.

Sin embargo, prevaleció la teoría perfeccionada de los cuatro elementos, presentada por Aristóteles, por el prestigio incuestionable del filósofo.

Este periodo del desarrollo de la química parece iniciarse en Egipto, o Khem, la tierra del suelo oscuro, y de allí podría derivar Al Khem (el arte del suelo oscuro) que combina aspectos que van desde filosofía griega y artesanía oriental hasta magia y misticismo religioso. Su principal objetivo se dice que era la obtención de metales nobles, tales como oro y plata, a partir de metales comunes, como estaño y plomo, trasmutándose por la piedra filosofal.

Entre los siglos IV y V, los emigrantes llevaron sus conocimientos a los Árabes. Entre los siglos VIII y XI se alcanzo un notable desarrollo de las ciencias en esta región. Los conocimientos de los alquimistas Árabes fueron llevados a Europa entre los siglos XI y XVI, a través de Sicilia y España.

El mayor aporte de los alquimistas es el de los equipos y aparatos de laboratorio, las técnicas experimentales y métodos para preparar numerosas especies químicas.

Algunos alquimistas famosos fueron Geber, Avecina, Averroes, San Alberto Magno, Roger Bacon, Raimundo Lulio.

Se caracteriza por la introducción de productos químicos en la practica medica, teniendo como primer impulsor a Paracelso. Él afirma que la finalidad de la Química no es producir oro, sino descubrir medicamentos. Para curar enfermedades ocupo medicamentos de origen metálico y opio.

Entre sus seguidores se destacan Andreas Libavius y Bautista van Helmont.

Postulo que el progreso de una verdadera ciencia se basa en la acumulación de pruebas experimentales que fundamenten los conceptos y los términos. Con Boyle la definición de elemento pasa de campo de la especulación metafísica al experimental.

Pese a su gran aporte, creía que el fuego tenía peso, aún cuando en su época algunos experimentos de Juan Mayow daban luces sobre el proceso de combustión.

Como proyección del concepto de elemento de Aristóteles, Georg Stahl postula la teoría de flogisto para explicar el fenómeno de la combustión.

Según Stahl, los metales calcinables son cuerpos compuestos, formados por el flogisto y un material terroso. La calcinación es un proceso por el cual el metal se descompone en flogisto y cal, mientras que la reducción es un proceso que permite a la cal recuperar su flogisto perdido. Esta teoría fue aceptada por grandes personajes de la época.

Se considera a Antoine Laurent Lavoisier como el fundador de la Química Moderna. Sus aportes cubren además de la Química, múltiples áreas.

A él se le atribuye de utilizar la balanza para la demostración de las leyes fundamentales de la Química. Lavoisier demostró cuantitativamente que no era posible transformar agua en tierra, como se establecía en la teoría de los cuatro elementos. Estudio también cuidadosamente el fenómeno de la combustión y el de la calcinación. Más tarde, cuando Joseph Priestley descubrió el "aire deflogisticado", Lavoisier comprobó que este gas se absorbía cuando los metales formaban las "cales", y lo llamo oxígeno. Así se demostró que la teoría del flogisto era errónea.

Lavoisier se dio cuenta de que los gases podían ser generados en una reacción química o recombinarse químicamente. Demostró que la masa de todas las sustancias contenidas en el recipiente es la misma, antes y después de que tiene lugar la reacción, aun cuando la materia experimente cambios de forma.

"Hacia la Química de Hoy"

Se podría postular que los alquimistas fueron quienes abrieron el camino hacia la "Química de hoy" en muchos procedimientos practicados. Crearon diversas técnicas experimentales y descubrieron una amplia variedad de sustancias. Al margen de sus interpretaciones erróneas, tienen el mérito de haber sido los primeros que buscaron en los experimentos la fuente del conocimiento.

Más tarde, en el siglo XVI, los iatroquimicos, buscaron el "elíxir de la vida" y fueron capaces de introducir diferentes sustancias con fines curativos. En los siglos XVI y XVII, con el movimiento renacentista, se desarrolla un espíritu de investigación que se basa en el razonamiento y en la experimentación.

Con esta forma de proceder, razonar y experimentar de fines del siglo XVIII, la Química posee una nueva manera de interpretar los fenómenos que ocurren a nuestro alrededor.

Dilucidando la constitución básica de la materia

Si no tuviera término la división de un trazo de cualquier metal, entonces se concluiría que la materia es continua; en caso contrario se pensaría que la materia está formada por partículas en extremo pequeñas que no podríamos ver ni romper.

Esta idea de una materia "discreta" fue formulada por los griegos en el siglo V a.de.c con una concepción intuitiva, filosófica y sin ninguna base de comprobación experimental.

En 1808, gracias al trabajo de un profesor llamado John Dalton (1766-1844) fue capaz de proponer la "teoría atómica", la cual comprende los siguientes postulados:

• La materia está formada de diminutas partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos.

• Todos loa átomos de un mismo elemento son iguales y se caracterizan por tener la misma masa, pero son diferentes a otros átomos de otros elementos.

• Cuando los átomos de distintos elementos se combinan para formar compuestos, no pierden su identidad y se combinan en una razón definida de números enteros pequeños como 1 es a 1 (1:1), 1 es a 2 (1:2), … etc.

Para Dalton la teoría atómica se basaba principalmente en dos leyes experimentales: "Ley de conservación de la materia" y "ley de las proporciones definidas". Además, usando su teoría atómica, enuncio y comprobó experimentalmente la "ley de las proporciones múltiples".

Esta ley propuesta por Lavoisier dice que, independiente del cambio al que sometemos a la materia, su masa se mantiene siempre igual.

Para Dalton, esta ley podrá explicarse sobre la base de la teoría atómica: "Si los átomos tienen masas definidas no pueden dividirse ni destruirse, entonces en un cambio químico, los átomos simplemente se reordenan; así, la masa total debe ser la misma antes y después de la reacción química"

En 1799, el francés Joseph Proust (1754-1826), después de un cuidadoso análisis de la composición del carbonato de cobre, un compuesto que obtenía de algunos minerales o por medio de una reacción química, observó que siempre estaba formado por la misma proporción en masa, de cobre, carbono y oxigeno. Hoy sabemos que esta observación llamada "ley de las proporciones definidas", se aplica a todos los compuestos químicos puros.

Dalton también entrega una explicación para la ley de Proust: "Los elementos se combinaran para formar un compuesto en proporciones definidas, entonces la composición constante en que se combinan los elementos corresponde a una proporción definida de átomos de esos elementos", Dalton añade: " Para formar un compuesto químico, los átomos que conforman a los elementos se unen entre sí, siguiendo una razón de números enteros, ya que los átomos no pueden dividirse, por ejemplo un átomo de C más dos átomos de D producen el compuesto CD2"

Dalton probó que cierto par de elementos solo producía un tipo de compuesto; por ejemplo, el sodio y el cloro producen únicamente la sal de mesa. También comprobó que otros pares de elementos formaban dos o más compuestos diferentes, como por ejemplo el carbono y el oxigeno que producen el monoxido o el dioxido de carbono.

Las masas de un elemento que se combinan con una masa fija del otro elemento, se encuentran en una razón de números enteros. Esta observación se llama actualmente "ley de las proporciones múltiples"

Más allá de la teoría atómica de Dalton

Hoy se ha comprobado que los átomos son partículas indivisibles, que se organizan formando una estructura interna. Sin embargo, las ideas esenciales de la teoría atómica de Dalton son aún válidas:

• Los elementos se conforman de átomos y los compuestos se forman por la unión de átomos en una razón de números enteros.

• Durante un cambio químico, los átomos no se alteran, sólo se reordenan resultando diferentes combinaciones.

Durante el siglo XIX muchas investigaciones pusieron en tela de juicio la teoría atómica de Dalton.

En 1808, el químico francés Joseph Gay-Lussac (1778-1850) comprobó que cuando dos gases reaccionan a una misma presión y temperatura, lo hacen en forma que los volúmenes de combinación están en una razón de números enteros como 1:1, 1:2, 1:3, etc.

Los resultados eran inaceptables para Dalton y lo atribuyó a errores de medición, puesto que él consideraba que "volúmenes iguales de gases diferentes, medidos a la misma presión y temperatura contenía igual cantidad de átomos".

En 1811, el químico italiano Amadeo Avogrado (1776-1856) formuló una hipótesis para hacer compatibles los resultados de Gay-Lussac con la teoría de Dalton.

Avogrado postuló que "volúmenes iguales de gases diferentes, medidos a la misma presión y temperatura contienen igual cantidad de moléculas".

El concepto de "molécula" aparecía por primera vez en el lenguaje de la química. Según Avogrado, las moléculas podían estar constituidas por uno o más átomos iguales o distintos.

Dalton y la comunidad científica de la época no aceptaron las ideas de Avogrado (moléculas formadas por átomos iguales) y debió pasar alrededor de medio siglo para que el congreso de químicos de Karlsruke (1860) aceptara definitivamente el concepto de molécula.

Dalton fue capaz de construir la primera tabla de "pesos atómicos" para probar su teoría. Dalton supuso arbitrariamente que cuando dos elementos formaban un solo compuesto, lo hacían en la razón atómica más simple 1:1. Así, en el caso de los elementos que conforman el agua: hidrogeno y oxigeno, él los hizo reaccionar para analizar la proporción en que se combinaban. El resultado mostró que 1 gramo de hidrógeno reaccionaba con 7 gramos de oxígeno para producir 8 gramos de agua. Dalton suponía que el agua estaba formada por un átomo de hidrogeno y uno de oxígeno, lo cual daba una formula HO.

En base a estos datos, Dalton concluyó que el oxígeno era 7 veces más pesado que el hidrógeno, y a éste último le asignó un valor de peso arbitrario, igual a 1. Posteriormente, dedujo los pesos atómicos para otros elementos.

En 1869, el químico ruso "Demetri Mendeleev" formuló un principio de clasificación de los elementos químicos (debido a que aumentaba la cantidad de elementos descubiertos) y que fue capaz de construir la primera tabla periódica.

Mendeleev postuló: "Las propiedades de los elementos son funciones periódicas de sus pesos atómicos", es decir, el ordenamiento de los elementos se basa en el orden creciente de sus pesos atómicos, y este hecho se llama "Ley periódica de los elementos".

Hacia los conceptos fundamentales de la Química

La Ley de Conservación de la Materia, formulada por Lavoisier, por ejemplo es actualmente considerada una Ley natural, puesto que corresponde a una conceptualización que interpreta a todos los cambios que ocurren en la naturaleza. Por su parte, el concepto de elemento químico como sustancia básica y más simple de toda materia, resulta indiscutible.

Los conocimientos acumulados al final del siglo XIX, sugerían que era incontenible una teoría de la materia basada en átomos indivisibles. Así, la teoría atómica de Dalton ya no serviría; era necesario seguir investigando, hechos y antecedentes que ayudaran a explicar los nuevos resultado experimentales.

Las primeras transformaciones químicas, como la cocción de almejas, la producción de metales, cerámicas y vidrio, son procesos que fueron descubiertos a propósito o por una simple práctica de ensayo u error.

"Proyecciones de la Química"

Son grandes los aportes que ha hecho la Química en las últimas décadas, en campos de gran importancia, como son: creación de materiales, energía, salud, comunicación y medio ambiente.

La Química y los materiales

La elaboración de nuevos materiales ha reportado grandes beneficios sociales y económicos. Aquí veremos algunas aplicaciones en el campo de los materiales.

Se han desarrollado polímeros resistentes a las altas temperaturas. Resinas llamadas híbridas ofrecen características únicas para la fabricación de automóviles e implementos deportivos: alta resistencia a la corrosión, suavidad y bajo peso. La fibra de carbono se utiliza en la construcción de aviones de avanzada tecnología, como el B-2, por su alta resistencia y bajo peso. Estos y otros materiales fueron ocupados en algún tiempo para los viajes espaciales.

Tienen características especiales de resistencia a la temperatura, a las sustancias químicas y al desgaste por fricción. Las propiedades individuales de cada material dependen tanto de su composición química como del proceso de fabricación.

Cualquier motor térmico se hace más poderoso y eficiente con el aumento de la temperatura de trabajo, por lo que se han empezado a remplazar algunos componentes metálicos de los motores por piezas de cerámicas.

Mucha comida se pierde por descomposición, esto es causado por microorganismos y por agentes químicos, como el oxígeno y la humedad, que combinados provocan la degradación de los alimentos.

Se han utilizado polímeros que impiden que los alimentos entren en contacto con el oxígeno, la humedad y el dióxido de carbono, retardando la descomposición.

Aunque los primeros productos orgánicos procedían del carbón, el avance en la disponibilidad de petróleo y del gas natural, junto con el desarrollo de procesos catalíticos, han permitido casi su conversión completa en otros productos químicos. Los más importantes son los básicos, bloques de polímeros, productos intermedios para la industria farmacéutica y fertilizantes. También se esta avanzando en los procesos petroquímicos para reducir la contaminación ambiental.

Se han sintetizado nuevos materiales a partir de polímeros específicos. Sus características son parecidas a las del cemento y pueden reemplazar la madera por ser más resistentes, de menor costo y más funcionales. En el futuro se usarán materiales más livianos que el concreto, mayor resistencia a la tracción, al fuego y al agua.

Scanning tunneling microscope (STM) es un microscopio que hace posible ver átomos individuales, lo que es muy útil en el control de calidad de la microelectrónica, ya que permite detectar defectos en los monocristales o superficies amorfas de silicio usados en estas industrias.

Otro uso del STM es mover átomos individuales hasta un lugar deseado, a través de precisos cambios de voltaje. Se piensa que permitiría producir nuevos materiales en base a reacciones con átomos individuales.

La Química y la energía

Hasta la mitad del siglo XIX, la madera fue la principal fuente de energía, luego fue el carbón y a comienzos de siglo apareció el petróleo. Pero la gran demanda de este producto lo esta llevando al agotamiento de las fuentes convencionales y se estima que hará crisis a mediados del próximo siglo. Por esto, se están investigando nuevos combustibles líquidos a partir del carbón y del gas natural.

Para convertir el gas natural en gasolina y en otros combustibles líquidos, se realiza la oxidación parcial. Así, se transforma el gas natural en monóxido de carbono e hidrógeno, los que son recombinados catalíticamente para producir moléculas de hidrocarburos más grandes, como los que forma la gasolina.

La Química aporta a la energía eléctrica colaborando con nuevos materiales capaces de conducir la energía eléctrica en forma más eficiente. Las últimas investigaciones se concentran en el desarrollo de baterías que sean más livianas, de alta duración y fácilmente recargables.

Otra forma de transformar energía química en electricidad, es la oxidación directa del combustible en una celda de combustión. Este dispositivo puede duplicar la eficiencia energética, en comparación con la obtenida por los motores y en las plantas termoeléctricas.

Al realizar este proceso no genera óxidos de nitrógeno que son contaminantes atmosféricos ya que es un proceso electroquímico.

Hay dos formas de producir energía a través de las reacciones nucleares: la fisión y la fusión.

La fisión se produce por un proceso inducido por neutrones con ruptura de núcleos pesados, y la fusión implica la unión de núcleos ligeros, principal fuente de la energía solar.

La energía solar puede ser convertida en electricidad, sin el impacto negativo que tiene el uso de los combustibles fósiles sobre el medio ambiente. El uso de celdas fotovoltaicas corrientes, por aplicación del efecto fotoeléctrico, permite convertir la energía solar en electricidad. Pero, su aplicación masiva esta en estudio por su alto costo y baja eficiencia (12%).

La Química y salud humana

En los últimos 50 años hubo un gran avance en la producción de vacunas, y antibióticos, y otros productos que permiten salvar o prolongar la vida de muchas personas. Actualmente se trabaja en sustancias químicas para remediar algunas enfermedades, entre las más importantes el SIDA.

Se han logrado ya prótesis sintéticas para ligamentos, dientes, vasos sanguíneos, y hasta se trabaja en pos de corazones artificiales.

También se han diseñados sistemas híbridos, como por ejemplo, el caso de la implantación de electrodos que estimulan electroquímicamente las neuronas de pacientes con daños al oído, a la vista o la médula espinal.

Muchos fármacos fueron descubiertos a través del aislamiento de sustancias activas en fuentes como plantas, organismos marinos, etc.

Una vez que se identifica la sustancia, se diseña y se sintetizan nuevas moléculas, con estructuras semejantes, pero más efectivas y seguras para el paciente. Cada vez esto es más eficiente gracias al desarrollo de nuevas técnicas.

La Química y las comunicaciones

La investigación química ha sido fundamental para las nuevas tecnologías en el desarrollo de las comunicaciones, es así como hoy en día podemos hablar por teléfono a miles de kilómetros o sólo ver televisión en directo.

En las empresas de telecomunicaciones han comenzado a remplazar los alambres de cobre por fibras de sílice, capaces de transmitir datos digitales y conversaciones telefónicas a largas distancias. En vez de enviar un pulso de electrones a través de un alambre de metal, ahora se trata de un pulso de luz que viaja por fibras transparentes mucho más delgadas.

En la actualidad se a descubierto que el poliacetileno tiene propiedades eléctricas inusuales. Al exponer este polímero orgánico al contacto de agentes químicos como bromuros o yoduros, se vuelve brillante similar a los metales, y muestra conductividad eléctrica más alta que la exhibida por el cobre.

Química Ambiental

En los últimos años ha habido un interés por la protección del medio ambiente, a pesar de las distintas legislaciones que han ido apareciendo igual se sigue deteriorando el medio ambiente. El objetivo es un equilibrio entre la actividad humana, la calidad de vida y el medio ambiente.

A través de instrumentos y técnica se han identificado miles de especies químicas de las cuales 50 de ellas se han detectado en el polo sur. La capa de ozono es de mucha importancia para una vida terrestre, puesto que absorbe las radiaciones ultra violeta, sin embrago, la presencia de compuestos orgánicos como por ejemplo: el clorofluorocarbono están deteriorando esta capa, es así como se ha impulsado el desarrollo de nuevos métodos de estudio que se centran en la calidad del agua, aire y suelo, nos referimos a la Química Ambiental.

La combustión dentro del motor de un vehículo es incompleta, produciendo un compuesto muy tóxico llamado monóxido de carbono. Por otra parte las altas temperaturas de la combustión de la gasolina originan que parte del nitrógeno del aire reaccione con el oxígeno, formando gases tóxicos como el óxido de nitrógeno conocido como smog fotoquímico. Se ha encontrado una solución a este problema, incorporando en los automóviles el convertidor catalítico, el cual a través de materiales de metal y cerámica (que contiene una película de aluminio) permite que los gases de salida se pongan en contacto con el catalizador logrando que los hidrocarburos y oxido de nitrógeno se transformen en dióxido de carbono, nitrógeno y agua, los cuales no causan contaminación atmosférica.