ORDENANDO LOS ELEMENTOS
De vez en cuando llega un
científico que sugiere una nueva manera de pensar. Cuando esto ocurre, decimos
que la ciencia tiene un nuevo paradigma, un nuevo modelo del mundo natural.
El paradigma que dio sentido a la química y que
todavía sustenta el armazón de la ciencia es la tabla periódica, que tiene sus
orígenes en el trabajo del químico ruso Dimitri Mendeleyev.
Mendeleyev
nació en Tobolsk, Siberia occidental, en 1834, y era el más joven de 14 hijos.
Su padre era director de la escuela secundaria local, pero quedó ciego el mismo
año en que nació Mendeleyev. Su madre era la hija de un empresario, y volvió a
abrir una de las fábricas de su padre para apoyar a su familia. El joven Dimitri
no tenía ningún interés por aprender, pero un tutor privado le inspiró el amor
por la ciencia.
Cuando tenía trece años murió su padre y ardió la
fábrica de su madre. Esta, al no quedarle ya ninguna razón para permanecer en Siberia y
deseando mejorar la educación de su hijo, viajó 2.000 kilómetros/1.300 millas
hasta Moscú con Dimitri y una hija mayor que él. En Moscú se le negó la entrada
en la universidad; así que viajaron otros 650 kilómetros/400 millas hasta San
Petersburgo, donde un amigo de su padre le consiguió una beca para estudiar
ciencia en el Instituto Pedagógico Central, adjunto a la universidad. Su madre
y su hermana murieron un año después, y él fue admitido en el hospital
del instituto aquejado de tuberculosis. Le dieron dos años de vida, pero
sobrevivió.
Tras una
larga estancia en el hospital, se convirtió en maestro y conferenciante no
pagado de la Universidad de San Petersburgo, dependiendo de las cuotas de los
estudiantes privados. Cuando tenía veintidós años, obtuvo una beca para
estudiar en el extranjero. Primero fue a París y después a Heidelberg, donde
tuvo la suerte de conocer a Bunsen y a Kirchhoff, directores de las
investigaciones que sentarían los cimientos de la espectroscopia.
En septiembre de 1860 viajó a Karlsruhe, Alemania,
para asistir al Primer Congreso Internacional de Química, que se celebró para
sellar una disputa sobre qué sistema era mejor para llegar a los pesos de los
elementos individuales. A él acudieron 140 de los químicos más eminentes del
mundo, y los discursos que oyó le despertaron un interés que le duró el resto
de su vida.
En 1860, la química todavía estaba confusa. En los cincuenta años desde
que Dalton perfilase su teoría atómica, varios químicos, sobre todo Berzelio,
construyeron sobre los cimientos que puso él, pero todavía no existía un
consenso general sobre los aspectos más básicos de esta ciencia. La confusión
era tal que existían 20 fórmulas diferentes para describir compuestos bastante
simples.
Una contribución significativa a la regularización
del tema fue hecha por el químico inglés Edward Frankland. Nacido en
Lancashire, en 1825, era aprendiz de farmacéutico que había estudiado química
por cuenta propia, con tan buenos resultados que logró un doctorado por la
Universidad de Marburgo en Alemania, y se convirtió en profesor de química en
el Owens College de Manchester. En 1852 había introducido el concepto de
valencia: la idea de que los átomos de cada elemento individual tenían una
capacidad específica propia para combinarse con los átomos de otros elementos,
y que esto determinaba las proporciones en las que se unían para formar
compuestos. El hidrógeno tiene una valencia 1 y el oxígeno una valencia 2, así
que un átomo de oxígeno se combinará con dos átomos de hidrógeno para formar
una molécula de agua, que se escribe 1120. De forma semejante, un átomo de
carbono, que tiene una valencia 4, se combinará con dos átomos de oxígeno, que
tiene valencia 2, para formar una molécula de anhídrido carbónico o CO2. Por
tanto, la valencia se convirtió en una herramienta útil para el trabajo diario
de los químicos... pero el motivo de que los elementos poseyeran esa propiedad
no quedaría claro hasta cinco décadas después.
Una
contribución importante a la comprensión de los elementos fue la de otro
portavoz en la conferencia, el italiano Estanislao Cannizzaro. Hijo de un
magistrado, nació en Palermo, Sicilia, en 1826. Tuvo una carrera pintoresca,
que incluía el destierro en París por su participación en una insurrección
contra el rey de Nápoles en 1848. Más tarde pudo volver a Italia, y en el
momento que se celebró la conferencia era profesor de química en Génova. En
1858 había publicado un folleto en el que establecía por primera vez la
distinción crucial entre átomos y moléculas.
El libro de
texto de Mendeleyev
Los
discursos de Cannizzaro en Karlsruhe tuvieron un efecto poderoso en Mendeleyev.
Este volvió a Rusia convencido de la verdad de la afirmación de Cannizzaro, de
que la única medida racional del peso de un elemento era la del peso de sus
átomos individuales. Esta seguridad inspiraría sus investigaciones futuras.
En su vuelta
a San Petersburgo, en 1861, obtuvo un puesto de profesor en el Instituto
Técnico, y rápidamente se convirtió en un evangelista de las últimas ideas en
química, casi desconocidas en Rusia. Al descubrir que no existía ningún libro
de texto ruso sobre química orgánica (la química de los compuestos que forman
la base de la materia viviente), decidió escribir uno... y lo terminó en dos meses.
En 1866,
cuando tenía treinta y dos años, se convirtió en profesor de química de la
universidad. Poco después empezó a escribir un libro de texto titulado Los
principios de la química, cuyo primer volumen apareció en 1868. Fue un libro
que se traduciría a muchos idiomas y que se convirtió en el texto estándar para
dos generaciones de estudiantes. Estaba escribiendo el segundo volumen cuando
hizo el descubrimiento que ordenó los elementos y aseguró su fama.
El sueño de
Mendeleyev
Hacía tiempo
que se sabía que ciertos elementos compartían propiedades similares, y los
químicos habían empezado a preguntar-se si sería posible clasificarlos tal como
Linneo había clasificado a los animales. En 1864, el químico inglés John
Newlands atrajo atención al hecho de que, si los elementos se colocan según el
orden de sus pesos atómicos, la tabla resultante mostraba una periodicidad, lo
que significaba que algunas características similares se repetían a intervalos
regulares. Expresó esa idea en una regla que llamó la ley de los octavos, dado
que esas características similares parecían repetirse cada ocho lugares de la
tabla. Pero cuando anunció su «descubrimiento» en una reunión de químicos, fue
ridiculizado.
Mendeleyev
era consciente del trabajo de Newlands, pero no le gustaba la manera en que lo
expresaba. En particular, detestaba la forma en que algunos elementos parecían
haber sido metidos con calzador para mantener la impresión de periodicidad.
Cuando empezó el segundo volumen de su libro de texto, intentó encontrar algo
que le proporcionara un armazón para entender la relación de un elemento con
otro pero que le librara de los defectos que percibía en el esquema de
Newlands. Estaba convencido de que la química no podría ser una verdadera
ciencia hasta que se identificasen unos principios fundamentales subyacentes en
la práctica.
El principio
organizativo de su libro era agrupar los elementos según sus propiedades
compartidas. En febrero de 1869 ya había escrito dos capítulos del segundo
volumen y estaba ponderando el siguiente grupo de elementos sobre el que debía
escribir. Se encontraba bajo una gran presión. Sus reflexiones sobre la
clasificación de los elementos le daban la sensación de que el principio que
buscaba estaba casi a su alcance. Había escrito los nombres y los pesos de los
elementos conocidos en una serie de tarjetas que reestructuraba una y otra vez,
poniendo a prueba su paciencia. Las circunstancias le obligaban a realizar un
viaje y temió que si no encontraba la solución antes de partir, perdería la
concentración y
perdería su
oportunidad. Durante tres días y gran parte de sus respectivas noches luchó con
el problema, hasta quedar atontado por la falta de sueño. El día en que se
suponía que debía partir, se durmió sobre su escritorio. Mientras dormía, su
cerebro continuó barajando las tarjetas y, cuando despertó, comprendió que
tenía la solución.
La tabla periódica
El secreto que el inconsciente de Mendeleyev
había vislumbrado mientras dormía, era que los elementos podían colocarse en
filas horizontales en orden ascendente según su peso atómico, y en columnas
verticales según sus características químicas... dejando huecos allí donde las
pautas parecían requerirlos.
Publicó
estas ideas en un escrito titulado Relación entre las propiedades de los
elementos y su peso atómico. Este contenía su ley periódica, que señalaba que si
los elementos conocidos se listaran según un orden de peso atómico ascendente:
1.
Mostrarían una pauta repetitiva de valencias ascendentes y descendentes (la
proporción en que se combinan con otros elementos).
2. Formarían
grupos que muestran una pauta recurrente de otras características.
Una
consecuencia del descubrimiento de Mendeleyev fue que pudo recolocar 17
elementos en la tabla basándose en sus propiedades químicas, implicando que sus
pesos atómicos aceptados eran incorrectos. También fue capaz, gracias a los
huecos de su tabla, de postular la existencia de tres elementos hasta entonces
desconocidos e incluso prever sus propiedades.
La reacción
inicial al escrito de Mendeleyev fue tan precavida como la que habían recibido
los anteriores intentos de ordenar los elementos, pero cuando se descubrió que
los pesos atómico s aceptados de algunos elementos eran realmente incorrectos,
sus ideas comenzaron a ser tomadas en serio. Y quince años después, los tres
huecos de su tabla se rellenaron gracias al descubrimiento del galio (1875), el
escandio (1879) y el germanio (1886), y todos ellos poseían las características
que había predicho. Aunque no fue el primero en sugerir que era posible colocar
los elementos en un orden que mostrara su periodicidad, Mendeleyev, a
diferencia de sus predecesores, demostró que había una lógica subyacente que
dictaba su tabla.
En 1876,
tras muchos años de matrimonio infeliz, se divorció de su primera esposa. Según
la ley rusa no podía volver a casarse durante siete años, pero se había
enamorado de una preciosa estudiante de arte de origen cosaco. Incapaz de
esperar, se casó con ella y fue acusado de bigamia, pero el zar se negó a
castigarlo, diciendo: «Mendeleyev tiene dos esposas, pero Rusia sólo tiene un
Mendeleyev». Este segundo matrimonio fue feliz. Tuvieron dos hijas y dos hijos
a los que amó, y años de trabajo productivo en un estudio amueblado con los
dibujos de sus héroes hechos por su esposa: Newton, Faraday y Lavoisier.
La física
tras la química:
Desde que
fue creada, la tabla de Mendeleyev se ha visto modificada. La versión moderna
(véase la página 146) refleja el conocimiento adquirido desde su época. También
contiene 109 elementos, comparados con los 63 que él conocía. Pero su tabla
sigue siendo reconocible porque descubrió la relación fundamental entre los
elementos, aunque no tenía la más mínima idea de cómo se unían sus átomos.
Los
elementos del 1 (hidrógeno) al 92 (uranio) son naturales, ingredientes básicos
de los que está hecho el mundo, el resto es creación del hombre. Todos los
elementos están formados por unas partículas elementales sumamente pequeñas
llamadas protones, neutrones y electrones. Todos los átomos de todos los
elementos tienen un núcleo compuesto de protones y neutrones, y alrededor de
éste giran los electrones como los planetas giran alrededor del Sol. Así como
el Sol contiene la mayoría de la masa del sistema solar, el núcleo contiene la
mayoría de la masa del átomo. Y así como los planetas están separados del Sol
por inmensos espacios vacíos, las órbitas de los electrones están separadas del
núcleo central por inmensos espacios vacíos. Lo que determina el peso atómico
de un elemento es el número de neutrones y protones que contiene el núcleo (un
protón pesa 1,836 veces más que un electrón), pero son el número y la
disposición de los electrones los que determinan las propiedades químicas de un
elemento, porque cuando los átomos se combinan, los que se unen son sus
electrones.
Los números
de la tabla periódica son números atómicos y representan el número de protones
del núcleo. También corresponden al número de electrones que giran en torno al
núcleo, porque cada átomo contiene el mismo número de protones que de
electrones. Los electrones tienen una carga negativa, que es equilibrada por la
carga positiva de los protones. El peso atómico de un elemento depende del
número total de protones y neutrones en el núcleo, y tiende a aumentar a medida
que crece el número atómico, pero algunos elementos tienen versiones múltiples,
los llamados isótopos. Por ejemplo, el uranio natural (de número atómico 92)
tiene dos versiones: el uranio 235, con 92 protones y 143 neutrones, por tanto
con un peso atómico de 235; y el uranio 238, con 92 protones y 146 neutrones, y
un peso atómico de 238 (igual a 238 átomos de hidrógeno).
Las columnas
verticales son llamadas «grupos»: son familias de elementos con propiedades
similares. Así, la columna de la derecha contiene los gases «nobles» o
«inertes»: el helio, el neón, etc. También suelen ser llamados gases
«perezosos» (argos es «perezoso» en griego), porque son lentos para combinarse
con otros elementos. Esto los hace útiles para llenar globos aerostáticos (el
helio es más seguro que el hidrógeno) y lámparas fluorescentes (el argón).
LOS ÁTOMOS Y
LA ORDENACIÓN PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS
La idea de que la materia estaba constituida por unos noventa tipos de unidades fundamentales no acababa de convencer a los científicos.. Hemos visto cómo durante el siglo XIX se iban acumulando pruebas, procedentes de varias fuentes, de que el átomo no era tan simple como una minúscula bola de billar, y que para explicar las interacciones entre los átomos, era necesario que éstos tuvieran una estructura más complicada.
La idea de que la materia estaba constituida por unos noventa tipos de unidades fundamentales no acababa de convencer a los científicos.. Hemos visto cómo durante el siglo XIX se iban acumulando pruebas, procedentes de varias fuentes, de que el átomo no era tan simple como una minúscula bola de billar, y que para explicar las interacciones entre los átomos, era necesario que éstos tuvieran una estructura más complicada.
En 1815,
William Proust sugirió que todos los átomos estaban formados por átomos de
hidrógeno, y como prueba
de su hipótesis adujo el hecho de que todos los pesos atómicos conocidos hasta entonces eran, aproximadamente, números enteros. La hipótesis de Proust ganó inmediatamente muchos adeptos, cuyo entusiasmo disminuyó cuando Jean Seats demostró, con exactas medidas, que el cloro tenía un peso atómico de 35,46.
de su hipótesis adujo el hecho de que todos los pesos atómicos conocidos hasta entonces eran, aproximadamente, números enteros. La hipótesis de Proust ganó inmediatamente muchos adeptos, cuyo entusiasmo disminuyó cuando Jean Seats demostró, con exactas medidas, que el cloro tenía un peso atómico de 35,46.
Los intentos
de relacionar las propiedades químicas de los elementos con sus. pesos atómicos
prosiguieron entonces con renovado ardor, pero no tuvieron éxito hasta después
de 1860, cuando John Newlands tabuló los elementos, ordenándolos según sus
pesos atómicos, y observó que existía cierta regularidad en las propiedades
químicas de los elementos, que se repetían por octavas. De este modo, enunció
su ley, denominada Ley de las octavas y la relacionó con la escala musical,
proporción que los científicos de su época acogieron con ironía.
Entre 1868 y
1870, una serie de trabajos de J. L. Meyer y D. Mendeleiev establecieron
claramente los principios del "sistema periódico de los elementos".
La Tabla Periódica sistematizó inmediatamente la química inorgánica, hizo
posible la predicción de las propiedades de elementos aún desconocidos, y puso
de manifiesto la existencia de una regularidad estructural de la constitución
atómica.
Estudios más
finos revelaron ciertas anomalías en la disposición de los elementos, según sus
pesos atómicos. Por ejemplo, cuando William Ramsay descubrió los gases nobles
(1894-1897), encontró que el argón tenía un peso atómico de 39,88, que era
evidentemente mayor que el del potasio (39,10), mientras éste ocupaba un lugar
posterior al argón en la Tabla Periódica.
Tales
excepciones indicaban que se desconocían ciertos hechos fundamentales,
relativos a la estructura atómica. La respuesta iba a ser encontrada como
resultado de experimentos realizados en un campo ajeno a la química: las
descargas eléctricas a través de gases.
Tomado de http://www.portalplanetasedna.com.ar/mendeleiev.htm
Tomado de http://www.portalplanetasedna.com.ar/mendeleiev.htm
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