Una historia visual del átomo. Parte 1. De Demócrito a Bohr.

En este y en el siguiente post se recoge, de manera gráfica, la historia del átomo, desde los tiempos de Demócrito hasta nuestros días.

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Nota: Este post participa en el XXVII Carnaval de Química, que se aloja en este blog Educación Química

Nota del 22 de septiembre de 2013: El título del post  y la primera diapositiva se han cambiado. La diapositiva con la definición de mol (Ostwald, 1900) ha sido añadida.

Remitido por:
Sergio Menargues
Profesor de Educación Secundaria
@aigorkimika
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Los avances de la química: una perspectiva histórica. Parte 1: Los protagonistas de la química (hasta Lavoisier).

El pasado día 17 de enero tuvo lugar la segunda sesión del curso de divulgación Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad, consistiendo en una conferencia sobre los avances de la química a lo largo de la historia su influencia en el bienestar de la sociedad, impartida por Bernardo Herradón.

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La conferencia fue larga (alrededor de 85 minutos), pero la historia de la química no se puede contar en menos tiempo. Agradezco la paciencia de los numerosos asistentes (algunos sentados en el suelo) que siguieron la conferencia con mucha atención e interés como lo prueban las muchas preguntas que prolongaron la sesión otros 45 minutos adicionales. Especialmente es de agardecer a los estudiantes preuniversitarios asistentes que están demostrando un gran interés por la química. La copia de la conferencia en formato PDF se puede descargar aquí.

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Puesto que la conferencia fue larga y este resumen va a ser detallado, lo dividiré en varias partes. También iré publicando posts respondiendo (con cierto detalle) a las 34 preguntas que realicé sobre la historia de la química.

La conferencia empezó afirmando que la transformación del ser humano primitivo, tecnológicamente nulo, a la alta tecnología y comodidades que disfrutamos en este comienzo de siglo XXI. Este increible progreso se ha logrado gracias a la ciencia y a sus aplicaciones (la tecnología y la ingeniería). La frase de Pedro M. Etxenique de que “La ciencia es la mayor obra colectiva de la historia de la humanidad” fue recordada por su importancia en el desarrollo alcanzado por le ser humano.

Un objetivo de esta conferencia (y de muchas otras que he impartido en los últimos años, especialmente las dirigidas a estudiantes preuniversitarios) es demostrar que la historia de la química y de sus protagosnistas son una buena herramienta didáctica para enseñar química; lo que es aplicable a todas las ciencias.

A continuación me extendí en nombrar a algunos grandes científicos y su obra, para destacar el progreso de la química en los últimos 25 siglos. En esta selección, mostrada en la siguiente imagen, se ordenan los científicos (químicos, físicos, alquimistas y filósofos) en orden aproximadamente cronológico; rodeando a un matraz-planeta Tierra (que fue el logo provisional que usamos para la primera edición de este curso de divulgación).

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Los personajes que aparecen en la imagen son:

1) Demócrito de Abdera (ca 470 AC-ca 380 AC). Filósofo griego que, continuando y ampliando las enseñanzas de su maestro Leucipo, propuso la teoría de que la materia era discreta y que se podía dividir hasta un máximo; la cantidad de materia mínima e indivisible la definió como átomo. Como toda la filosofía griega, todo era especulación y no se hacían experimentos.

2) Paracelso (1493-1541). Alquimista y médico suizo, usó las “artes alquimistas” como herramienta para curar enfermedades. Seguidor de la filosofía y la religión de Lutero, viajó por toda Europa, impartiendo clases y curando enfermos. Es el fundador de la iatroquímica, precursora de la moderna área de la química médica.

3) Robert Boyle (1627-1691). El último alquimista o el primer químico. Nacido en Irlanda, de familia rica, pudo dedicar mucho tiempo a la investigación. Es uno de los fundadores de la Royal Society, la sociedad científica más antigua del mundo aún en activo. Creó lo que actualmente llamaríamos un grupo de investigación. Investigó en el comportamiento de los gases [témino acuñado por van Helmont (1579-1644)], encontrando la relación entre la presión y el volumen; el cáracter ácido de las sustancias química; diferenció entre compuesto químico y elemento químico, reconociendo la existencia de más de 4 elementos; entre muchas otras cosas. En 1661 publicó el libro El químico escéptico con el que empieza la química moderna.

4) Henry Cavendish (1731-1810). Químico inglés, una de las personas más ricas de su tiempo. Investigó en numerosas cosas, realizando las investigaciones en su casa. Descubrió el hidrógeno, fue el primero en sintetizar agua a partir de sus elementos; y determinó la constante de gravitación universal. Obtuvo muchos resultados que no publicó y que, muchos años después, desveló James C. Maxwell (1831-1879) al examinar sus archivos; entre ellos anticipó la ley de Coulomb o la ley de la inducción electromagnética. Personaje curioso y misógino, se decía de él que “nunca habló a una mujer” y que se comunicaba con notas con su ama de llaves.

5) Joseph Prestley (1733-1804). Erudito polifacético que conocía muchas lenguas y dominaba numerosas disciplinas científicas, humanísticas y sociales; desde la química a la teología pasando por la política. Se le considera el “padre de la química estadounidense” aunque estuvo poco tiempo en Estados Unidos, donde tuvo que refugiarse tras su salida de Inglaterra por motivos políticos-religiosos. Simultáneamente a Scheele descubrió el oxígeno pero no fue capaz de reconocer su importancia; también fue el primero en obtener agua carbonatada, patentando el invento; entre otras muchas aportaciones.

6) Carl Scheele (1742-1786). Descubrió el oxígeno de manera simultánea a Prestley; aunque, como él, no fue capaz de valorar su descubrimiento. Aisló e identificó numerosos compuestos orgánicos. Obtuvo cloro en estado puro pero no lo identificó como elmento, creyendo que era un compuesto. También identificó la presencia de elementos químicos nuenos en los metales molibdenita (molibdeno, posteriormente aislado por Hjelm) y tunsteinita (wolframio, posteriormente aislado por los hermanos Elhuyar).

7) Antoine Lavoisier (1743-1789) y Marie-Anne Pierrete Paulze (1758-1836). En el cuadro de Jacques-Louis David se muestran al matrimonio Lavoisier en su laboratorio. Marie-Anne fue una ayuda fundamental en la investigación de Lavoisier. Con éste comienza la química moderna aplicando de manera plena y convincente el método científico experimental a la química. Para conseguir este progreso fue fundamental el instrumental más preciso con el que Lavoisier contó; especialmente la balanza de mayor precisión que le permitió mayor exactitud en la medida. Como consecuencia de su investigación, Lavoisier formuló la ley de la conservación de la masa, la primera ley cuantitativa de la química. Fue capaz de discernir claramente entre compuestoelemento químico; este último definido como el que no puede dividirse en sus partes constituyentes; identificando la existencia de 27 elementos químicos conocidos en la época. Identificó el fósforo (aislado en 1669 por Brand) como un elemento químico. Reprodujo los experimentos de Prestley para obtener oxígeno y, lo que es más importante, lo identificó como elemento químico e identificó su papel en la oxidación y la combustión (tanto la artificial como la natural, que se produce en los seres vivos a través de la respiración); de esta manera fue capaz de explicar las transformaciones entre los metales y sus óxidos. Demostró (de manera simultánea a Smithson Tennant) que el carbón vegetal y el diamante tienen la misma composición: carbono puro. Fue un gran sistematizador, estableciendo un sistema de nomenclatura. En 1789 publicó Traité élémentaire de chimie, un libro de texto con gran influencia en la historia de la enseñanza de la química. Colaboró con Pierre Simon de Laplace (1749-1827) en la teoría del calórico y en el establecimiento del Sistema Métrico Decimal (en colaboración con otros científicos).

Nota-1: Continuará en un próximo post.

Nota-2: Este post participa en el XXI Carnaval de Química que aloja UNUNCUNDIO en su blog Pero esa es otra historia y debe ser contada en otra ocasión y en la III Edición del Carnaval de Humanidades que aloja el  blog El Cuaderno de Calpurnia Tate, administrado por Luis Moreno Martínez. La historia de la ciencia es un área dónde las dos culturas convergen.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

Elementos químicos: el hidrógeno.

El hidrógeno (símbolo: H) es el átomo más sencillo que existe. Sólo un protón en su núcleo y un electrón alrededor de él. El hidrógeno ha sido muy importante en el desarrollo de los fundamentos de la Química: la explicación de las estructuras atómicas y molecular.

El protón es una partícula subatómica con carga positiva y el electrón es una partícula subatómica con carga negativa. La tercera partícula subatómica importante es el neutrón que también está en el núcleo atómico y que es neutra eléctricamente. El protón y el neutrón tiene aproximadamente la misma masa. El electrón es mucho más ligero (aproximadamente 1836 veces en reposo).

La principal característica de un elemento químico es el número de protones del núcleo, que se define como el número atómico. Puesto que la masa del protón y del neutrónes aproximadamente iguales, la suna del número de protones y neutrones es, redondeando a números enteros, la masa atómica (también frecuentemente denominado peso atómico). La masa de los electrones se desprecia a la hora de calcular la masa de los átomos.

Los elementos químicos pueden tener más de un tipo de átomos, que se conocen como isótopos. Los isótopos son los átomos de un elemento químico que, teniendo el mismo número de protones (que define el elemento en cuestión), poseen diferente número de neutrones; por lo tanto, masas distintas.

El hidrógeno es el componente más abundante del universo, constituyendo aproximadamente el 75% de la masa conocida y más del 90% de los átomos del universo. El hidrógeno (número atómico, 1), el helio (número atómico, 2) y el litio (número atómico, 3) fueron los tres elementos que se formaron en el big-bang . Todos los elementos químicos naturales (hasta el número 92 en la tabla Periódica) se formaron como consecuencia de la nucleosíntesis tras el big-bang, primero el hidrógeno, luego el helio y, así sucesivamente, los elementos más pesados según su número atómico.

Las estrellas están principalmente constituida por hidrógeno en forma de plasma (un estado de la materia distinta  a las habituales que conocemos: gas, líquido o sólido). En un plasma hay separación de iones. En las estrellas, los núcleos de hidrógeno (cargados positivamente) están agrupados y los electrones (cargados negativamente) están separados de los núcleos. Este estado de la materia tiene una altísima conductividad eléctrica. El núcleo del Sol está formado por hidrófgeno, altamente comprimido y a muy alta temperatura (13 millones de grados). La densidad del núcleo del Sol es aproximadamente de 200 kg/l (compara con la densidad del hidrógeno en condiciones normales de presión y temperatura, que es de 0’00009 kg/l, 2’2 millones de veces menor. En estas condiciones, los nucleos de hidrógeno se fusionan. De esta fusión niclear se genera gran cantidad de energía (lo que se pretende hacer en las plantas de fusión nuclear, como el ITER). La radiación generada en el núcleo del Sol tarda un millón  de años en alcanzar la superficie de la estrella. El Sol convierte 600 millones de toneladas de hidrógeno en helio por segundo, convirtiendo alrededor de 5 millones de toneladas de materia en energía (según la ecuación de Einstein,   E = mc2.

El hidrógeno (elemento de número atómico = 1, ocupando el primer lugar en la Tabla Periódica) tiene tres isótopos; que difieren en el número de neutrones del núcleo, pudiendo ser cero, uno o dos. El que tiene un solo protón se denomina hidrógeno (o protio, un término poco usado) y es el isótopo más abundante. Se denota por 1H (el superíndice indica el peso del isótopo = número de protones + número de neutrones). El otro isótopo del hidrógeno es el deuterio, que tiene un protón y un neutrón en el núcleo, simbolizándose por 2H. La proporción de isótopos del hidrógeno en nuestro planeta es de entre 12500 y 1800 átomos de protio por cada átomo de deuterio (dependiendo del compuesto químico y de su origen). El deuterio fue aislado por Harold Urey en 1931, recibiendo el Premio Nobel en 1934.

Existe un tercer isótopo del hidrógeno (el tritio, 3H) que tiene dos neutrones en el núcleo. Es mucho menos abundante que el deuterio. Se forma por la interacción de rayos cósmicos con la atmósfera terrestre. También se genera intencionadamente en reactores nucleares, pues tiene aplicaciones en investigaciones químicas, físicas y biológicas.

Un átomo, para mantener su neutralidad eléctrica, tiene que tener el mismo número de electrones que de protones. Si uno de ellos está en exceso, se forman los iones, que pueden ser negativos o positivos, dependiendo de que haya más electrones que protones (iones negativos o aniones) o menos electrones que protones (iones positivos o cationes).

Excepto en el caso de los gases nobles más ligeros, que se encuentran en estado monoatómico; el estado normal de todas las sustancias químicas es formar moléculas: los átomos quieren combinarse entre sí, compartiendo electrones que forman los enlaces químicos. Aunque el hidrógeno se puede generar en estado atómico, esto se consigue en condiciones muy especiales. La forma en la que el elemento químico hidrógeno se encuentra en la naturaleza es en forma de una molécula con dos átomos de hidrógeno, generando la molécula de dihidrógeno (H2, dónde el subíndice indica cuantos átomos están combinados en esa estructura), frecuentemente denominada sólo “hidrógeno” o “hidrógeno molecular”. El dihidrógeno es un gas con un punto de ebullición de 20 K y con punto de fusión de 14 K a presión atmosférica.

El hidrógeno fue generado en el siglo XVII por Robert Boyle al tratar ciertos metales, como zinc o hierro, con ácidos fuertes; y fue aislado por Henry Cavendish en 1766. El dihidrógeno se produce industrialmente por reacción de metano con agua generando una mezcla de monóxido de carbono (CO) y H2, que se denomina gas de síntesis (que también se puede obtener a partir de carbón). También se puede generar por electrolisis de la molécula de agua.

La principal aplicación industrial del hidrógeno es la producción del amoniaco; el compuesto químico más importante en la fabricación de abonos y fertilizantes, que mejoran nuestras cosechas proporcionando alimentos.

El dihidrógeno es un gas muy inflamable. Esta propiedad es debida a que la reacción con oxígeno genera mucho calor. Esta reacción, aunque potencialmente peligrosa, se puede usar de manera controlada para producir energía. La energía generada por la combustión del hidrógeno es limpia y eficaz. Si se resuelven problemas científico-técnicos, como la producción eficiente de H2 y su almacenamiento y transporte seguros; podremos beneficiarnos de la energía química del H2, llegando a alcanzar la denominada economía basada en el hidrógeno.

Otras características importantes del elemento hidrógeno (a comentar en un próximo post) son su capacidad para formar enlaces no covalentes débiles (enlace de hidrógeno) o sus propiedades espectroscópicas que sirvieron de estímulo para el desarrollo de la teoría cuántica.

Lecturas recomendadas:

John Emsley, Nature’s Building Blocks, Oxford University Press, 2003.

Theodore Gray, The Elements. A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe, Black Dog & Leventhal Publishers, 2009.

Conceptos de química, para ampliar la información:

  • Protón
  • Neutrón
  • Electrón
  • Enlace químico
  • Nucleosíntesis
  • Fusión nuclear
  • Tabla periódica
  • Número atómico
  • Peso atómico. Peso atómico estándar.
  • Modelos atómicos: desarrollo histórico
  • Experimentos que permitieron descubrir las partículas sub-atómicas
  • Rayos catódicos
  • Espectrometría de masas
  • ¿Hay alguna partícula más pequeña que forme el neutrón? ¿Y el protón? ¿Y el electrón?
  • Busca quién fue Henry Moseley y por qué fue importante en el desarrollo de la teoría atómica.
  • Busca datos de la biografía de Henry Cavendish. ¿Qué te llama la atención de su biografía? ¿Qué destacas de positivo y negativo de su biografía? ¿Te gustaría ser como él?
  • Buscar aplicaciones científicas y médicas de isótopos radiactivos.
  • Gases nobles. ¿Qué son? ¿Cómo se descubrieron? ¿Dónde se encuentran en la Tabla Periódica? ¿Cual es su característica química principal? ¿Por qué?
  • Reacción de producción de amoniaco.
  • Reacción de electrolisis del agua.
  • Reacción de oxidación del hidrógeno.
  • Fertilizantes y abonos.
  • Gas de síntesis.
  • Economía basada en el hidrógeno.

Actualizado de mis artículos anteriores publicados en:

http://www.quimica2011.es/ciencia-central/el-hidrógeno-¿futura-fuente-de-energí

http://www.losavancesdelaquimica.com/blog/2011/08/31/divulgacion/ensenanza/el-hidrogeno/

Esta entrada participa en el VII Carnaval de Química que aloja Feelsynapsis (http://feelsynapsis.com/pg/groups/116746/carnaval-de-qumica-vii-edicin/)

Bernardo Herradón-G.

CSIC

herradon@iqog.csic.es