Introducción

El estudio de las ciencias naturales, cuyo rápido desarrollo se remonta a los tiempos de Galileo (†1642) y Newton (†1727), y su aplicación más estrecha al universo externo¹ condujeron a la separación de la química como una rama particular de la filosofía natural, no solo debido al creciente acervo de observaciones y experimentos relativos a las transformaciones mutuas de las sustancias, sino también, y más especialmente, porque además de la gravedad, la cohesión, el calor, la luz y la electricidad se hizo necesario reconocer la existencia de fuerzas internas particulares en las partes últimas de todas las sustancias, fuerzas que se manifiestan en las transformaciones de las sustancias entre sí, pero que permanecen ocultas (latentes) bajo circunstancias ordinarias, y cuya existencia no puede por tanto ser captada directamente, por lo que durante mucho tiempo permaneció inadvertida.

El objeto principal de la química es el estudio de las sustancias homogéneas² de las cuales están hechos todos los objetos del universo, junto con las transformaciones de estas sustancias entre sí y los fenómenos³ que acompañan a tales transformaciones.

Todo cambio o reacción química,⁴ como se le llama, solo puede tener lugar bajo una condición de contacto más íntimo y cercano de las sustancias reaccionantes,⁵ y está determinado por las fuerzas propias de las partículas invisibles más pequeñas (moléculas) de la materia.

Debemos distinguir tres clases principales de transformaciones químicas.

1. Combinación es una reacción en la que la unión de dos sustancias da lugar a una nueva, o en términos generales, a partir de un número dado de sustancias, se obtiene un número menor. Así, al calentar una mezcla de hierro y azufre⁶ se produce una sola sustancia nueva, el sulfuro de hierro, en la cual las sustancias constituyentes no pueden distinguirse ni siquiera con la mayor potencia de aumento.

Antes de la reacción, el hierro podía separarse de la mezcla mediante un imán, y el azufre disolviéndolo en ciertos líquidos oleosos;⁷ en general, antes de la combinación podían separarse mecánicamente la una de la otra, pero tras la combinación ambas sustancias penetran mutuamente y ya no son ni mecánicamente separables ni individualmente distinguibles.

Por regla general, las reacciones de combinación directa van acompañadas de un desprendimiento de calor, y el caso común de la combustión, que desprende calor, consiste en la combinación de sustancias combustibles con una porción (oxígeno) de la atmósfera, siendo los gases y vapores contenidos en el humo los productos de la combinación.

2. Las reacciones de descomposición son casos inversos a los de combinación, es decir, aquellos en los que una sustancia da dos —o, en general, una sustancia dada un número mayor—. Así, calentando madera (y también carbón y muchas sustancias animales o vegetales) sin acceso al aire, se obtienen un gas combustible, un líquido acuoso, alquitrán y carbono. Es de esta forma como se preparan a gran escala el alquitrán, el gas de alumbrado y el carbón vegetal.⁸

Todas las calizas, por ejemplo, las losas de piedra, la cresta (o tiza), o el mármol, se descomponen por calcinación al rojo en cal y un gas peculiar llamado anhídrido carbónico. Una descomposición similar, que tiene lugar, sin embargo, a una temperatura mucho más baja, se produce con el carbonato cúprico verde que contiene la malaquita natural. Este ejemplo se estudiará más en detalle a continuación.

Mientras que en las reacciones ordinarias de combinación se desprende calor, este es, por el contrario, absorbido en las reacciones de descomposición.

3. La tercera clase de reacciones químicas —en la que el número de sustancias reaccionantes es igual al número de sustancias formadas— puede considerarse como una descomposición y combinación simultáneas. Si, por ejemplo, se toman dos compuestos A y B y reaccionan entre sí para formar las sustancias C y D, suponiendo entonces que A se descompone en D y E, y que E se combina con B para formar C, tenemos una reacción en la que se tomaron dos sustancias A, o D E, y B, y se produjeron otras dos C, o E B, y D. Tales reacciones deben clasificarse bajo el término general de reacciones de «reordenamiento», y el caso particular en el que dos sustancias dan dos nuevas, como reacciones de «sustitución».⁹

Así, si se sumerge un trozo de hierro en una disolución de piedra liendre (sulfato de cobre), se forma cobre —o, más bien, se separa— y se obtiene en disolución piedra liendre verde (sulfato de hierro, que solo se diferencia del sulfato de cobre en que el hierro ha reemplazado al cobre). De este modo, el hierro puede recubrirse de cobre, y el cobre de plata; tales reacciones se utilizan frecuentemente en la práctica.

La mayoría de los cambios químicos que ocurren en la naturaleza y que se aprovechan técnicamente son muy complicados, ya que consisten en la asociación de muchas combinaciones, descomposiciones y sustituciones separadas y simultáneas.

Se debe principalmente a esta complejidad natural de los fenómenos químicos que durante tantos siglos la química no existiera como ciencia exacta; es decir, que aunque se conocían y aprovechaban muchos cambios químicos,¹⁰ su verdadera naturaleza era desconocida, ni podían ser predichos o dirigidos a voluntad.

Otra razón de los lentos progresos del conocimiento químico es la participación de sustancias gaseosas, especialmente el aire, en muchas reacciones.

La verdadera comprensión del aire como sustancia ponderable, y de los gases en general como estados peculiares, elásticos y dispersivos de la materia, no se alcanzó hasta los siglos XVI y XVII, y solo después de esto las transformaciones de las sustancias pudieron conformar una ciencia.

Hasta entonces, sin comprender los estados gaseosos y vaporosos, invisibles y sin embargo ponderables, de las sustancias, era imposible obtener ninguna prueba química fundamental, porque los gases pasaban inadvertidos entre las sustancias reactivas y las resultantes.

Es fácil, a partir de la impresión que nos transmiten los fenómenos que observamos, formarse la opinión de que la materia se crea y se destruye: toda una masa de árboles arde y tan solo queda un poco de carbón y ceniza, mientras que de una pequeña semilla crece poco a poco un árbol majestuoso.

En un caso la materia parece destruirse, y en el otro crearse. A esta conclusión se llega debido a que la formación o el consumo de gases, al ser invisibles a la vista dadas las circunstancias, no se observa.

Cuando la madera se quema, experimenta un cambio químico y se convierte en productos gaseosos que escapan en forma de humo. Un experimento muy sencillo lo demostrará.

Al recoger el humo, se puede observar que contiene gases que difieren por completo del aire, ya que son incapaces de mantener la combustión o la respiración. Estos gases pueden pesarse, y se verá entonces que su peso supera al de la madera empleada.

Este aumento de peso surge del hecho de que, al arder, los componentes de la madera se combinan con una porción del aire; del mismo modo, el hierro aumenta de peso al oxidarse.

Al quemar pólvora, su sustancia no se destruye, sino que se convierte únicamente en gases y humo.

Así también en el crecimiento de un árbol; la semilla no aumenta de masa por sí misma y a partir de sí misma, sino que crece porque absorbe gases de la atmósfera y chupa agua y sustancias disueltas en ella de la tierra a través de sus raíces.

La savia y las sustancias sólidas que dan a las plantas su forma se producen a partir de estos gases y líquidos absorbidos mediante complejos procesos químicos. Los gases y líquidos son convertidos en sustancias sólidas por las propias plantas.

Las plantas no solo no aumentan de tamaño, sino que mueren, en un gas que no contiene los constituyentes del aire.

Cuando las sustancias húmedas se secan, disminuyen de peso; cuando el agua se evapora, sabemos que no desaparece, sino que regresará de la atmósfera en forma de lluvia, rocío y nieve. Cuando el agua es absorbida por la tierra, no desaparece allí para siempre, sino que se acumula en algún lugar bajo tierra, desde donde más tarde brota como un manantial.

De este modo, la materia no desaparece ni se crea, sino que solo experimenta diversas transformaciones físicas y químicas; es decir, cambia de lugar y de forma. La materia permanece en la tierra en la misma cantidad que antes; en una palabra, es, en lo que a nosotros respecta, eterna.

Fue difícil someter esta verdad química, simple y elemental, a la investigación, pero una vez clarificada se difundió con rapidez y ahora parece tan natural y sencilla como muchas verdades que han sido reconocidas durante siglos.

Mariotte y otros sabios del siglo XVII ya sospechaban la existencia de la ley de la indestructibilidad de la materia, pero no hicieron ningún esfuerzo por expresarla o aplicarla a las necesidades de la ciencia.

Los experimentos mediante los cuales se llegó a esta simple ley fueron realizados durante la segunda mitad del siglo pasado por el fundador de la química moderna, Lavoisier, académico y recaudador de impuestos francés. Los numerosos experimentos de este sabio se llevaron a cabo con la ayuda de la balanza, que es el único medio para determinar directa y con precisión la cantidad de materia.

Lavoisier descubrió, al pesar todas las sustancias, e incluso el aparato, utilizados en cada experimento, y al pesar después las sustancias obtenidas tras el cambio químico, que la suma de los pesos de las sustancias formadas era siempre igual a la suma de los pesos de las sustancias tomadas; o, en otras palabras: la materia no se crea ni desaparece, o bien, la materia es perdurable.

Esta expresión incluye naturalmente una hipótesis, pero nuestro único objetivo al usarla es expresar de forma concisa el siguiente enunciado largo: que en todos los experimentos, y en todos los fenómenos investigados de la naturaleza, nunca se ha observado que el peso de las sustancias formadas fuera menor o mayor (en la medida en que la precisión de la pesada lo permite¹¹) que el peso de las sustancias tomadas originalmente, y como el peso es proporcional a la masa¹² o cantidad de materia, se deduce que nadie ha logrado jamás observar una desaparición de materia o su aparición en cantidades nuevas.

La ley de la indestructibilidad de la materia dota a todas las investigaciones químicas de exactitud, ya que, sobre su base, puede formarse una ecuación para cada reacción química. Si en cualquier reacción los pesos de las sustancias tomadas se designan con las letras A, B, C, etc., y los pesos de las sustancias formadas con las letras M, N, O, etc., entonces

A + B + C + ... ... ... = M + N + O + ... ... ...

Por lo tanto, si se desconoce el peso de una de las sustancias reaccionantes o resultantes, este puede determinarse resolviendo la ecuación.

El químico, al aplicar la ley de la indestructibilidad de la materia y al hacer uso de la balanza química, nunca debe perder de vista ninguna de las sustancias reaccionantes o resultantes. Si se cometiera tal descuido, se notará inmediatamente que la suma de los pesos de las sustancias empleadas no es igual a la suma de los pesos de las sustancias formadas.

Todo el progreso realizado por la química a finales del siglo pasado y en el actual se funda entera e inquebrantablemente en la ley de la indestructibilidad de la materia. Es absolutamente necesario, al comenzar el estudio de la química, familiarizarse con la sencilla verdad que expresa esta ley y, con este fin, se citarán ahora varios ejemplos que ilustran su aplicación.

1. It is well known that iron rusts in damp air,¹³ and that when heated to redness in air it becomes coated with scoria (oxide), having, like rust, the appearance of an earthy substance resembling some of the iron ores from which metallic iron is extracted. If the iron is weighed before and after the formation of the scoria or rust, it will be found that the metal has increased in weight during the operation.¹⁴

Se puede demostrar fácilmente que este aumento de peso se logra a expensas de la atmósfera y principalmente, como probó Lavoisier, a expensas de esa porción que se llama oxígeno.

De hecho, en el vacío, o en gases que no contienen oxígeno, por ejemplo, en hidrógeno o nitrógeno, el hierro ni se oxida ni se cubre de escoria.

Si el hierro no hubiera sido pesando, la participación del oxígeno de la atmósfera en su transformación en una sustancia terrosa podría haber pasado desapercibida fácilmente, como ocurría antiguamente, cuando fenómenos como el anterior eran malinterpretados por este motivo.

Es evidente, a partir de la ley de la indestructibilidad de la materia, que a medida que el hierro aumenta de peso en su conversión en herrumbre, esta última debe ser una sustancia más compleja que el propio hierro, y su formación se debe a una reacción de combinación.

Podríamos formarnos una opinión completamente errónea al respecto y, por ejemplo, considerar que la herrumbre es una sustancia más simple que el hierro, y explicar la formación de la herrumbre como la eliminación de algo del hierro. Tal era, en efecto, la opinión general antes de Lavoisier, cuando se sostenía que el hierro contenía una cierta sustancia desconocida llamada «flogisto», y que la herrumbre era hierro privado de esta supuesta sustancia.

2. El carbonato de cobre (en forma de polvo, o como el conocido mineral verde llamado «malaquita», que se utiliza para fabricar adornos o como mena para la extracción de cobre) se convierte en una sustancia negra llamada «óxido de cobre» al calentarse al rojo vivo.¹⁵

Esta sustancia negra también se obtiene al calentar cobre al rojo vivo en el aire —es decir, es la escoria o producto de oxidación del cobre—. El peso del óxido de cobre negro resultante es menor que el del carbonato de cobre tomado originalmente, por lo que consideramos que la reacción ocurrida ha sido de descomposición, y que mediante ella algo se separó del carbonato de cobre verde; de hecho, si se cierra el orificio del recipiente en el que se calienta el carbonato de cobre con un corcho bien ajustado, a través del cual pasa un tubo desprendedor de gas¹⁶ cuyo extremo se sumerge bajo el agua, se observará que, al calentar, se forma un gas que burbujea a través del agua.

Este gas puede recogerse fácilmente, como se describirá a continuación, y se comprobará que difiere esencialmente del aire en muchos aspectos; por ejemplo, una vela encendida se apaga en él como si hubiera sido sumergida en agua.

Si el pesaje no nos hubiera demostrado que se había separado alguna sustancia, la formación del gas podría haber pasado fácilmente desapercibida para nosotros, ya que es incoloro y transparente como el aire, y por lo tanto se desprende sin ninguna característica llamativa.

El anhídrido carbónico desprendido puede pesarse,¹⁷ y se verá que la suma de los pesos del óxido cúprico negro y del anhídrido carbónico es igual al peso del carbonato de cobre¹⁸ tomado inicialmente, y así, siguiendo cuidadosamente las diversas etapas de todas las reacciones químicas, llegamos a la confirmación de la ley de la indestructibilidad de la materia.

3. El óxido rojo de mercurio (que se forma como óxido de mercurio al calentar este metal en el aire) se descompone de manera similar al carbonato de cobre (solo que calentándolo más lentamente y a una temperatura algo más elevada), con la formación de un gas peculiar, el oxígeno.

Para este fin, el óxido de mercurio se coloca en un tubo de vidrio o retorta,¹⁹ a la cual se le acopla un tubo de desprendimiento de gas por medio de un corcho. Este tubo está doblado hacia abajo, tal como se muestra en el dibujo (Fig. 1). El extremo abierto del tubo de desprendimiento de gas se sumerge en un recipiente lleno de agua, llamado cubeta neumática.²⁰

Cuando el gas comienza a desprenderse en la retorta, se ve obligado, al no tener otra salida, a escapar a través del tubo de desprendimiento hacia el agua de la cubeta neumática y, por lo tanto, su formación se hará visible mediante las burbujas que salen de dicho tubo.

Al calentar la retorta que contiene el óxido de mercurio, el aire contenido en el aparato es primero parcialmente expulsado, debido a su dilatación por el calor, y luego el gas peculiar llamado «oxígeno» se desprende, y puede ser fácilmente recogido a medida que sale.

Para este propósito, un vaso (un cilindro ordinario, como en el dibujo) se llena por completo de agua y se cierra su boca; luego se invierte y se coloca en esta posición bajo el agua de la cubeta; entonces se abre la boca. El cilindro permanecerá lleno de agua —es decir, el agua permanecerá en él a un nivel más alto que en el vaso circundante— debido a la presión atmosférica. La atmósfera presiona la superficie del agua en la cubeta e impide que el agua salga del cilindro. La boca del cilindro se coloca sobre el extremo del tubo de desprendimiento de gases,²¹ y las burbujas que salen de él ascenderán al interior del cilindro y desplazarán el agua contenida en este. Los gases se recogen generalmente de esta manera.

Cuando se ha acumulado una cantidad suficiente de gas en el cilindro, puede demostrarse claramente que no es aire, sino otro gas que se distingue por su capacidad para mantener vigorosamente la combustión.

Para demostrar esto, el cilindro se cierra bajo el agua y se retira del baño; a continuación, su boca se orienta hacia arriba y se introduce en él una vela encendida pero sin llama.

Como es bien sabido, una vela sin llama se apaga en el aire, pero en el gas que se desprende del óxido rojo de mercurio arde de forma clara y vigorosa, lo que demuestra la propiedad que posee este gas de mantener la combustión de manera más enérgica que el aire, permitiendo así distinguirlo de este último.

Puede observarse en este experimento que, además de la formación de oxígeno, se forma mercurio metálico, el cual, al volatilizarse a la elevada temperatura requerida para la reacción, se condensa en las partes más frías de la retorta como un espejo o en glóbulos.

De este modo se obtienen dos sustancias, mercurio y oxígeno, al calentar óxido rojo de mercurio. En esta reacción, a partir de una sustancia se producen dos sustancias nuevas; es decir, ha tenido lugar una descomposición.

Los medios para recolectar e investigar gases se conocían antes de la época de Lavoisier, pero él demostró por primera vez el verdadero papel que desempeñaban en los procesos de muchos cambios químicos que, antes de su era, o bien se entendían erróneamente (como se explicará más adelante) o no se explicaban en absoluto, sino que solo se observaban en sus aspectos superficiales.

Este experimento sobre el óxido de mercurio rojo tiene un significado especial en la historia de la química contemporánea de Lavoisier, porque el gas oxígeno que aquí se desprende está contenido en la atmósfera y desempeña un papel importantísimo en la naturaleza, especialmente en la respiración de los animales, en la combustión en el aire y en la formación de óxidos o escorias (tierras, como se les llamaba entonces) a partir de los metales, es decir, de sustancias terrosas, como los minerales de los cuales se extraen los metales.

4. Para ilustrar mediante un experimento un ejemplo más de cambio químico y la aplicación de la ley de la indestructibilidad de la materia, consideraremos la reacción entre la sal común de mesa y el caustico lunar, que es bien conocido por su uso en la cauterización de heridas. Tomando una solución transparente de cada uno y mezclándolas, se observará inmediatamente que se forma una sustancia blanca y sólida, que se deposita en el fondo del recipiente y es insoluble en agua.

Esta sustancia puede separarse de la solución mediante filtración; se descubre entonces que es una sustancia completamente diferente de cualquiera de las tomadas originalmente en las soluciones. Esto resulta evidente de inmediato por el hecho de que no se disuelve en agua.

Al evaporar el líquido que pasó a través del filtro, se descubrirá que contiene una sustancia nueva que no se parece ni a la sal de mesa ni al nitrato de plata, pero que, al igual que ellas, es soluble en agua.

Así, la sal de mesa y el nitrato de plata, dos sustancias solubles en agua, produjeron, por su acción química mutua, dos sustancias nuevas, una insoluble en agua y la otra permaneciendo en solución.

Aquí, a partir de dos sustancias, se obtienen otras dos; por consiguiente, ocurrió una reacción de sustitución. El agua sirvió únicamente para convertir las sustancias reaccionantes en un estado líquido y móvil.

Si el lapis infernalis y la sal se secan²² y se pesan, y si se toman unos 58½ gramos²³ de sal y 170 gramos de lapis infernalis, se obtendrán entonces 143½ gramos de cloruro de plata insoluble y 85 gramos de nitrato de sodio.

Se puede observar que la suma de los pesos de las sustancias reaccionantes y resultantes es similar e igual a 228½ gramos, lo cual se deduce necesariamente de la ley de la indestructibilidad de la materia.

Aceptando la verdad de la ley anterior, surge naturalmente la pregunta de si existe algún límite para las diversas transformaciones químicas, o si estas son ilimitadas en número; es decir, ¿es posible a partir de una sustancia dada obtener una cantidad equivalente de cualquier otra sustancia?

En otras palabras, ¿existe un cambio perpetuo e infinito de un tipo de materia en cualquier otro tipo, o el ciclo de estas transformaciones es limitado? Este es el segundo problema esencial de la Química, una cuestión de la calidad de la materia y que, es evidente, resulta más compleja que la cuestión de la cantidad.

No puede resolverse con una mera ojeada superficial al tema. En efecto, al ver cómo todas las formas y colores variados de las plantas se construyen a partir del aire y los elementos del suelo, y cómo el hierro metálico puede transformarse en colores como tintas y azul de Prusia, podríamos vernos llevados a pensar que no hay fin para los cambios cualitativos a los que la materia es susceptible.

Pero, por otra parte, las experiencias de la vida cotidiana nos obligan a reconocer que no se puede hacer comida de una piedra, ni oro a partir de cobre. Por tanto, solo cabe esperar una respuesta definitiva de un estudio minucioso y diligente del tema, y el problema se ha resuelto de diferentes maneras en distintos momentos.

En la antigüedad, la opinión más generalizada era que todo lo visible estaba compuesto por cuatro elementos: Aire, Agua, Tierra y Fuego.

El origen de esta doctrina puede rastrearse muy atrás en los confines de Asia, de donde pasó a los griegos, siendo expuesta con mayor detalle por Empédocles, quien vivió antes del 460 a. C.

Esta doctrina no fue el resultado de una investigación exacta, sino que al parecer debe su origen a la clara división de los cuerpos en gases (como el aire), líquidos (como el agua) y sólidos (como la tierra).

Los árabes parecen haber sido los primeros que intentaron resolver la cuestión mediante métodos experimentales, y fueron ellos quienes introdujeron en Europa, a través de España, el gusto por el estudio de problemas similares, apareciendo desde entonces muchos adeptos a la química, la cual era considerada un arte impía y llamada «alquimia».

Como los alquimistas ignoraban cualquier ley exacta que pudiera guiarlos en sus investigaciones, obtuvieron resultados de lo más anómalos.

Su principal servicio a la química consistió en que realizaron una serie de experimentos y descubrieron muchas transformaciones químicas nuevas; pero es bien sabido cómo resolvieron el problema fundamental de la química.

Su perspectiva puede considerarse como un reconocimiento positivo de la infinita permutabilidad de la materia, ya que aspiraban a descubrir la Piedra Filosofal, capaz de convertirlo todo en oro y diamantes, y de devolver la juventud a los ancianos.

Esta solución de la cuestión fue posteriormente derrumbada por completo, pero no debe pensarse por ello que las esperanzas albergaron los alquimistas eran solo fruto de su imaginación.

Los primeros experimentos químicos bien pudieron llevarlos a sus conclusiones. Tomaron, por ejemplo, el brillante mineral metálico galena y extrajeron plomo metálico de él. Vieron así que a partir de una sustancia metálica inadecuada para su uso podían obtener otra sustancia metálica dúctil y valiosa para muchos fines técnicos.

Además, tomaron este plomo y obtuvieron plata, un metal todavía más valioso, a partir de él. Así pudieron concluir fácilmente que era posible ennoblecer los metales mediante toda una serie de transmutaciones, es decir, obtener de ellos otros cada vez más preciosos.

Habiendo obtenido plata del plomo, supusieron que sería posible obtener oro de la plata.

El error que cometieron fue que nunca pesaron ni midieron las sustancias utilizadas o producidas en sus experimentos.

De haberlo hecho, habrían aprendido que el peso del plomo era mucho menor que el de la galena de la cual se obtenía, y el peso de la plata infinitesimal en comparación con el del plomo.

De haber examinado más de cerca el proceso de extracción de la plata a partir del plomo (y hoy en día la plata se obtiene principalmente de los minerales de plomo), habrían visto que el plomo no se transforma en plata, sino que solo contiene una cierta pequeña cantidad de ella, y una vez separada esta cantidad del plomo, ninguna operación posterior puede proporcionar más.

La plata que los alquimistas extraían del plomo estaba en el plomo, y no se obtenía mediante un cambio químico del propio plomo.

Hoy en día esto se sabe bien gracias a la experimentación, pero la primera impresión sobre la naturaleza del proceso era muy propensa a ser errónea.²⁴

Los métodos de investigación adoptados por los alquimistas solo podían dar muy poco éxito, pues no se planteaban preguntas claras y sencillas cuyas respuestas les ayudaran a lograr mayores progresos.

Así pues, aunque no llegaron a ninguna ley exacta, legaron sin embargo a la química numerosos y útiles datos experimentales como herencia; investigaron, en particular, las transformaciones propias de los metales, y por esta razón la química estuvo durante mucho tiempo después circunscrita por entero al estudio de las sustancias metálicas.

En sus investigaciones, los alquimistas utilizaron frecuentemente dos procesos químicos que hoy en día se denominan «reducción» y «oxidación».

La oxidación de los metales, y en general su conversión de una forma metálica a una terrosa, se denomina «oxidación», mientras que la extracción de un metal a partir de una sustancia terrosa se llama «reducción».

• Muchos metales —por ejemplo, el hierro, el plomo y el estaño— se oxidan al calentarlos únicamente en el aire, y pueden volver a reducirse calentándolos con carbono.
• Dichos metales oxidados se encuentran en la tierra y constituyen la mayoría de los minerales metálicos.
• Los metales, como el estaño, el hierro y el cobre, pueden extraerse de estos minerales calentándolos junto con carbono.

Todos estos procesos fueron bien estudiados por los alquimistas. Más tarde se demostró que todas las tierras y minerales están formados por óvalos o herrumbres metálicas similares, o por sus combinaciones.

Así pues, los alquimistas conocían dos formas de cambios químicos: la oxidación de los metales y la reducción de los óxidos así formados para convertirlos en metales.

La explicación de la naturaleza de estas dos clases de fenómenos químicos fue el medio para el descubrimiento de las leyes químicas más importantes.

La primera hipótesis sobre su naturaleza se debe a Becker, y más particularmente a Stahl, médico del Rey de Prusia. Stahl escribe en su Fundamenta Chymiæ, de 1723, que todas las sustancias constan de una sustancia ígnea imponderable llamada «flogisto» (materia aut principium ignis non ipse ignis), y de otro elemento con propiedades particulares para cada sustancia.

Cuanto mayor es la capacidad de oxidación de un cuerpo, o más combustible es, más rico es en flogisto. El carbono lo contiene en gran abundancia. En la oxidación o la combustión se emite flogisto, y en la reducción se consume o entra en combinación. El carbono reduce las sustancias térreas porque es rico en flogisto, y cede una porción de su flogisto a la sustancia reducida.

Así, Stahl suponía que los metales eran sustancias compuestas formadas por flogisto y una sustancia térrea u óxido. Esta hipótesis se distingue por su gran sencillez, y por esta y otras razones adquirió muchos partidarios.²⁵

Lavoisier demostró por medio de la balanza que todo caso de oxidación oherrumbre de los metales, o de combustión, va acompañado de un aumento de peso a expensas de la atmósfera. Se formó, por tanto, la natural opinión de que la sustancia más pesada es más compleja que la más ligera.²⁶

El célebre experimento de Lavoisier, realizado en 1774, brindó un apoyo indubitable a su opinión, la cual en muchos aspectos contradecía la doctrina de Stahl.

Lavoisier vertió cuatro onzas de mercurio puro en una retorta de vidrio (fig. 3), cuyo cuello estaba curvado tal como se muestra en el dibujo y sumergido en el recipiente R S, también lleno de mercurio. El extremo saliente del cuello se cubrió con una campana de vidrio P.

El peso de todo el mercurio utilizado y el volumen de aire restante en el aparato —es decir, el que se encontraba en la porción superior de la retorta y bajo la campana de vidrio— se determinaron antes de comenzar el experimento.

Era sumamente importante en este experimento conocer el volumen de aire para saber qué papel desempeñaba en la oxidación del mercurio, porque, según Stahl, el flogisto se emite al aire, mientras que, según Lavoisier, el mercurio al oxidarse absorbe una porción del aire; y por consiguiente era absolutamente necesario determinar si la cantidad de aire aumentaba o disminuía en la oxidación del metal.

Era, por tanto, sumamente importante medir el volumen del aire en el aparato tanto antes como después del experimento. Para este propósito era necesario conocer la capacidad total de la retorta, el volumen del mercurio vertido en ella, el volumen de la campana de cristal por encima del nivel del mercurio, y también la temperatura y la presión del aire en el momento de su medición. El volumen de aire contenido en el aparato y aislado de la atmósfera circundante podía determinarse a partir de estos datos.

Habiendo dispuesto su aparato de este modo, Lavoisier calentó la retorta que contenía el mercurio durante un período de doce días a una temperatura cercana al punto de ebullición del mercurio.

El mercurio se cubrió con una cantidad de pequeñas escamas rojas; es decir, se oxidó o se convirtió en una tierra. Esta sustancia es el mismo óxido de mercurio que ya se ha mencionado (ejemplo 3).

Transcurridos los doce días, el aparato se dejó enfriar, y entonces se observó que el volumen de aire en el aparato había disminuido durante el tiempo del experimento. Este resultado estaba en exacta contradicción con la hipótesis de Stahl. De 50 pulgadas cúbicas de aire tomadas originalmente, solo quedaban 42.

El experimento de Lavoisier condujo a otros resultados igualmente importantes. El peso del aire tomado disminuyó tanto como aumentó el peso del mercurio al oxidarse; es decir, la porción del aire no fue destruida, sino que simplemente se combinó con el mercurio.

Esta porción del aire puede separarse nuevamente del óxido de mercurio y tiene, como vimos (ejemplo 3), propiedades diferentes de las del aire. Se llama «oxígeno».

Esa porción del aire que permaneció en el aparato y no se combinó con el mercurio no oxida los metales, y no puede mantener ni la combustión ni la respiración, de modo que una vela encendida se apaga inmediatamente si se sumerge en el gas que queda en la campana.

«Se apaga en el gas residual como si hubiera sido sumergido en agua», escribe Lavoisier en sus memorias.

Este gas se llama «nitrógeno».

Así, el aire no es una sustancia simple, sino que consta de dos gases, oxígeno y nitrógeno, y por lo tanto la opinión de que el aire es una sustancia elemental es errónea.

El oxígeno del aire se absorbe en la combustión y en la oxidación de los metales, y las tierras producidas por la oxidación de los metales son sustancias compuestas de oxígeno y un metal.

Al mezclar el oxígeno con el nitrógeno se vuelve a formar el mismo aire que se tomó originalmente.

También se ha demostrado mediante experimentos directos que, al reducir un óxido con carbono, el oxígeno contenido en el óxido se transfiere al carbono y da el mismo gas que se obtiene por la combustión del carbono en el aire.

Por lo tanto, este gas es un compuesto de carbono y oxígeno, del mismo modo que los óxidos térreos están compuestos de metales y oxígeno.

Los numerosos ejemplos de la formación y descomposición de sustancias que encontramos nos convienen de que la mayoría de las sustancias con las que tratamos son compuestos formados por varias otras sustancias.

Calentando tiza (o bien carbonato de cobre, como en el segundo ejemplo) obtenemos cal y el mismo gas ácido carbónico que se produce por la combustión del carbono. Al poner la cal en contacto con este gas y agua, a la temperatura ordinaria, obtenemos de nuevo el compuesto, carbonato de cal, o tiza.

Por lo tanto, la tiza es un compuesto. Lo mismo ocurre con aquellas sustancias a partir de las cuales puede construirse. El anhídrido carbónico se forma por la combinación de carbono y oxígeno; y la cal se produce por la oxidación de cierto metal llamado «calcio».

Al resolver las sustancias de este modo en sus partes componentes, llegamos por fin a aquellas que son indivisibles en dos o más sustancias por ningún medio posible, y que no pueden formarse a partir de otras sustancias.

Todo lo que podemos hacer es lograr que tales sustancias se combinen entre sí para actuar sobre otras sustancias.

Las sustancias que no pueden formarse a partir de otras ni descomponerse en ellas se denominan sustancias simples (elementos).

Así, todas las sustancias homogéneas pueden clasificarse en sustancias simples y compuestas.

Este punto de vista fue introducido y establecido como un hecho científico durante la vida de Lavoisier.

El número de estos elementos es muy pequeño en comparación con el número de sustancias compuestas que ellos forman. En la actualidad, solo se conoce con certeza la existencia de setenta elementos. Algunos de ellos se encuentran muy raras veces en la naturaleza, o se hallan en cantidades muy pequeñas, mientras que la existencia de otros aún es dudosa. El número de elementos con cuyos compuestos tratamos comúnmente en la vida cotidiana es muy pequeño.

Los elementos no pueden transmutarse unos en otros; al menos hasta el presente no se ha encontrado ni un solo caso de tal transformación; puede afirmarse, por tanto, que, por ahora, es imposible transmutar un metal en otro.

Y hasta el momento, a pesar de la cantidad de intentos que se han hecho en esta dirección, no se ha descubierto ningún hecho que pueda apoyar de ningún modo la idea de la complejidad de elementos tan bien conocidos²⁷ como el oxígeno, el hierro, el azufre, etc.

Por consiguiente, desde su misma concepción, un elemento no es susceptible de reacciones de descomposición.²⁸

La cantidad, por lo tanto, de cada elemento permanece constante en todos los cambios químicos: un hecho que puede deducirse como consecuencia de la ley de la indestructibilidad de la materia y de la concepción de los elementos mismos.

Así, la ecuación que expresa la ley de la indestructibilidad de la materia adquiere un significado nuevo y aún más importante. Si conocemos las cantidades de los elementos que se encuentran en las sustancias reaccionantes, y si de estas sustancias proceden, mediante cambios químicos, una serie de nuevas sustancias compuestas, entonces estas últimas contendrán en conjunto la misma cantidad de cada uno de los elementos que existía originalmente en las sustancias reaccionantes.

La esencia del cambio químico se comprende en el estudio de cómo, y con qué sustancias, se combina cada elemento antes y después del cambio.

Para poder expresar varios cambios químicos mediante ecuaciones, se ha acordado representar cada elemento con la primera o alguna de las dos primeras letras de su nombre (latino). Así, por ejemplo, el oxígeno se representa con la letra O; el nitrógeno con N; el mercurio (hydrargyrum) con Hg; el hierro (ferrum) con Fe; y así sucesivamente para todos los elementos, como se ve en las tablas de la página 24.

Una sustancia compuesta se representa colocando los símbolos que representan los elementos de los cuales está compuesta uno al lado del otro. Por ejemplo, el óxido rojo de mercurio se representa mediante HgO, lo que muestra que está compuesto de oxígeno y mercurio.

Además de esto, el símbolo de cada elemento corresponde a una cierta cantidad relativa suya en peso, llamada su peso de «combinación» o el peso de un átomo; de modo que la fórmula química de una sustancia compuesta no solo designa la naturaleza de los elementos de los cuales está compuesta, sino también su proporción cuantitativa.

Todo proceso químico puede expresarse mediante una ecuación compuesta por las fórmulas correspondientes a aquellas sustancias que participan en él y son producidas por él. La cantidad en peso de los elementos en cada ecuación química debe ser igual en ambos lados de la ecuación, ya que ningún elemento se forma ni se destruye en un cambio químico.

En las páginas 24, 25 y 26 se da una lista de los elementos, con sus símbolos y pesos de combinación o atómicos, y veremos más adelante sobre qué base se determinan los pesos atómicos de los elementos. Por el momento solo señalaremos que un compuesto que contiene los elementos A y B se designa mediante la fórmula An Bm, donde m y n son los coeficientes o múltiplos en los que los pesos de combinación de los elementos entran en la composición de la sustancia. Si representamos el peso de combinación de la sustancia A por a y el de la sustancia B por b, entonces la composición de la sustancia An Bm se expresará así: contiene na partes en peso de la sustancia A y mb partes en peso de la sustancia B, y en consecuencia 100 partes de nuestro compuesto contienen

na 100 / na + mb

porcentaje en partes en peso de la sustancia A y

mb 100 / na + mb

de la sustancia B. Es evidente que, como una fórmula muestra las cantidades relativas de todos los elementos contenidos en un compuesto, los pesos reales de los elementos contenidos en un peso dado de un compuesto pueden calcularse a partir de su fórmula. Por ejemplo, la fórmula NaCl de la sal de mesa muestra (como Na = 23 y Cl = 35·5) que 58·5 libras de sal contienen 23 libras de sodio y 35·5 libras de cloro, y que 100 partes de esta contienen un 39·3 por ciento de sodio y un 60·7 por ciento de cloro.

Lo que se ha dicho anteriormente limita claramente el campo de los cambios químicos, porque a partir de sustancias de un tipo determinado solo se pueden obtener aquellas que contienen los mismos elementos. Aun con esta limitación, sin embargo, el número de combinaciones posibles es infinitamente grande.

• Hasta ahora solo se ha descrito o investigado un número comparativamente pequeño de compuestos, y cualquiera que trabaje en esta dirección puede descubrir fácilmente nuevos compuestos que no se habían obtenido antes.

A menudo ocurre, sin embargo, que estos compuestos recién descubiertos fueron previstos por la química, cuyo objeto es la aprehensión de esa uniformidad que rige sobre la multitud de sustancias compuestas, y cuya meta es la comprensión de aquellas leyes que gobiernan su formación y propiedades.

Una vez establecida la concepción de los elementos, los siguientes objetos de la química fueron:

• la determinación de las propiedades de las sustancias compuestas sobre la base de la determinación de la cantidad y clase de los elementos de los que están compuestas;
• la investigación de los elementos mismos;
• la determinación de qué sustancias compuestas pueden formarse a partir de cada elemento y las propiedades que estos compuestos muestran; y
• la aprehensión de la naturaleza de la conexión entre los elementos en diferentes compuestos.

Un elemento sirve así como punto de partida y se toma como la concepción primaria sobre la cual se edifican todas las demás sustancias.

Cuando afirmamos que cierto elemento entra en la composición de un compuesto determinado (cuando decimos, por ejemplo, que el óxido de mercurio contiene oxígeno) no queremos decir que contenga oxígeno como sustancia gaseosa, sino que solo deseamos expresar aquellas transformaciones que el óxido de mercurio es capaz de realizar; es decir, queremos decir que es posible obtener oxígeno a partir del óxido de mercurio, y que este puede ceder oxígeno a diversas sustancias; en una palabra, solo deseamos expresar aquellas transformaciones de las cuales es capaz el óxido de mercurio.

O, más concisamente, puede decirse que la composición de un compuesto es la expresión de aquellas transformaciones de las cuales es capaz.

Es útil en este sentido hacer una distinción clara entre la concepción de un elemento como una sustancia homogénea separada, y como una parte material pero invisible de un compuesto.

El óxido de mercurio no contiene dos cuerpos simples, un gas y un metal, sino dos elementos, mercurio y oxígeno, que, cuando están libres, son un gas y un metal.

Ni el mercurio como metal ni el oxígeno como gas están contenidos en el óxido de mercurio; este solo contiene la sustancia de estos elementos, así como el vapor solo contiene la sustancia del hielo, pero no el hielo en sí, o como el maíz contiene la sustancia de la semilla, pero no la semilla en sí.

La existencia de un elemento puede reconocerse sin conocerlo en estado libre, sino únicamente a partir de la investigación de sus combinaciones, y del conocimiento de que este produce, bajo todas las condiciones posibles, sustancias que no se parecen a ninguna otra combinación conocida de sustancias.

El flúor es un ejemplo de este tipo. Durante mucho tiempo fue desconocido en estado libre, y sin embargo fue reconocido como un elemento porque se conocían sus combinaciones con otros elementos y se había determinado su diferencia respecto a todas las demás sustancias compuestas similares.

Para comprender la diferencia entre la concepción de la forma visible de un elemento tal como la conocemos en estado libre, y la del elemento intrínseco (o «radícula», como lo llamó Lavoisier) contenido en la forma visible, debe señalarse que las sustancias compuestas también se combinan entre sí formando compuestos aún más complejos, y que desprenden calor en el proceso de combinación.

El compuesto original a menudo puede extraerse de estos nuevos compuestos exactamente por los mismos métodos con que los elementos se extraen de sus combinaciones correspondientes.

Además, muchos elementos existen bajo varias formas visibles, mientras que el elemento intrínseco contenido en estas diversas formas es algo que no está sujeto a cambio.

Así, el carbono se presenta como carbón vegetal, grafito y diamante, pero aun así el elemento carbono por sí solo, contenido en cada uno, es uno y el mismo. El anhídrido carbónico contiene carbono, y no carbón vegetal, ni grafito, ni el diamante.

Los elementos por sí solos, aunque no todos ellos, poseen el peculiar brillo, la opacidad, la maleabilidad y la gran conductividad térmica y eléctrica que son propias de los metales y de sus combinaciones mutuas.

Pero ni mucho menos todos los elementos son metales. Aquellos que no poseen las propiedades físicas de los metales se denominan no metales (o metaloides).

Sin embargo, es imposible trazar una línea de demarcación estricta entre metales y no metales, ya que existen muchas sustancias intermedias.

• Así, el grafito, con el que se fabrican los lápices, es un elemento con el brillo y otras propiedades de un metal; pero el carbón vegetal y el diamante, que están compuestos por la misma sustancia que el grafito, no muestran ninguna propiedad metálica.

Ambas clases de elementos se distinguen claramente en ejemplos definidos, pero en casos particulares la distinción no es clara y no puede servir como base para la división exacta de los elementos en dos grupos.

La concepción de los elementos forma la base del conocimiento químico, y al dar una lista de ellos al principio mismo de nuestro trabajo, deseamos tabular nuestro conocimiento actual sobre el tema.

En total, se conocen con certeza unos setenta elementos en la actualidad, pero muchos de ellos se encuentran tan raras veces en la naturaleza, y se han obtenido en cantidades tan pequeñas, que poseemos un conocimiento muy insuficiente de ellos.

Las sustancias más ampliamente distribuidas en la naturaleza contienen un número muy pequeño de elementos. Estos elementos han sido estudiados de manera más completa que los demás, debido a que un mayor número de investigadores ha podido llevar a cabo experimentos y observaciones sobre ellos. Los elementos más ampliamente distribuidos en la naturaleza son:—

Aparte de estos, los siguientes elementos, aunque no muy ampliamente distribuidos en la naturaleza, son todos más o menos bien conocidos por sus aplicaciones a las necesidades de la vida cotidiana o a las artes, ya sea en estado libre o en sus compuestos:—

Los compuestos de los siguientes metales y semimetales tienen menos aplicaciones, aunque son bien conocidos y se encuentran con cierta frecuencia en la naturaleza, aunque en pequeñas cantidades:—

Los siguientes metales raros se encuentran todavía con mayor escasez en la naturaleza, pero han sido estudiados de manera más o menos completa:—

Aparte de estos 66 elementos se han descubierto:—Erbio, Terbio, Samario, Tulio, Holmio, Mosandrio, Filipio y varios otros. Pero sus propiedades y combinaciones, debido a su extrema rareza, son muy poco conocidas, y aun su existencia como sustancias independientes²⁹ es dudosa.

Se ha demostrado de forma incontestable, a partir de las observaciones de los espectros de los cuerpos celestes, que muchos de los elementos más comunes (como el H, el Na, el Mg y el Fe) se encuentran en las estrellas lejanas. Este hecho confirma la creencia de que aquellas formas de materia que aparecen en la tierra como elementos están ampliamente distribuidas por todo el universo. Pero aún no sabemos por qué, en la naturaleza, la masa de algunos elementos debería ser mayor que la de otros.³⁰

La capacidad de cada elemento para combinarse con uno u otro elemento, y para formar compuestos con ellos que sean en mayor o menor grado propensos a dar sustancias nuevas y aún más complejas, constituye el carácter fundamental de cada elemento.

Así, el azufre se combina fácilmente con los metales, el oxígeno, el cloro o el carbono, mientras que el oro y la plata entran en combinaciones con dificultad y forman compuestos inactivos, que se descomponen fácilmente por el calor.

La causa o fuerza que induce a los elementos a entrar en cambio químico debe ser considerada, así como también la causa que mantiene a diferentes sustancias en combinación —esto es, la que dota a las sustancias formadas de su grado particular de estabilidad—. Esta causa o fuerza se denomina afinidad (affinitas, affinité, Verwandtschaft) o afinidad química.³¹

Puesto que esta fuerza debe considerarse exclusivamente como una fuerza atractiva, al igual que la gravedad, muchos escritores (por ejemplo, Bergmann a finales del siglo pasado y Berthollet a principios de este) supusieron que la afinidad era esencialmente similar a la fuerza universal de la gravedad, de la cual solo se diferencia en que esta última actúa a distancias observables, mientras que la afinidad solo se manifiesta a las distancias más pequeñas posibles.

Pero la afinidad química no puede identificarse por completo con la atracción universal de la gravedad, la cual actúa a distancias apreciables y depende únicamente de la masa y de la distancia, y no de la cualidad del material sobre el que actúa, mientras que es por la cualidad de la materia por la que la afinidad resulta más fuertemente influenciada.

Tampoco puede identificarse por completo con la cohesión, la cual confiere a las sustancias sólidas homogéneas su forma cristalina, elasticidad, dureza, ductilidad y otras propiedades, y a los líquidos su tensión superficial, formación de gotas, capilaridad y otras propiedades, porque la afinidad actúa entre las partes componentes de una sustancia y la cohesión sobre una sustancia en su homogeneidad, aunque ambas actúan a distancias imperceptibles (por contacto) y tienen mucho en común.

La fuerza química, que hace que una sustancia penetre en otra, tampoco puede identificarse por completo ni siquiera con aquellas fuerzas de atracción que hacen que sustancias diferentes se adhieran entre sí, o se mantengan unidas (como cuando dos superficies pulidas planas de sustancias sólidas se ponen en estrecho contacto), o que hacen que los líquidos empapen a los sólidos, o se adhieran a sus superficies, o que los gases y vapores se condensen en las superficies de los sólidos.

Estas fuerzas no deben confundirse con las fuerzas químicas, que hacen que una sustancia penetre en la sustancia de otra y forme una nueva sustancia, lo cual nunca sucede con la cohesión. Pero es evidente que las fuerzas que determinan la cohesión forman un eslabón de conexión entre las fuerzas mecánicas y las químicas, debido a que solo actúan mediante un contacto íntimo.

Durante mucho tiempo, y especialmente durante la primera mitad de este siglo, la atracción química y las fuerzas químicas se identificaron con las fuerzas eléctricas.

Sin duda existe una relación íntima entre ellas, pues la electricidad se desprende en las reacciones químicas y también ejerce una poderosa influencia sobre los procesos químicos —por ejemplo, los compuestos se descomponen por la acción de una corriente eléctrica—. Y la relación exactamente similar que existe entre los fenómenos químicos y los fenómenos del calor (siendo el calor desarrollado por los fenómenos químicos, y siendo capaz el calor de descomponer los compuestos) solo prueba la unidad de las fuerzas de la naturaleza, la capacidad de una fuerza para producir a otras y ser transformada en ellas.

Por esta razón, la identificación de la fuerza química con la electricidad no resistirá la prueba experimental.³²

Como de todos los fenómenos de la naturaleza (moleculares) que actúan sobre las sustancias a distancias inapreciablemente pequeñas, los fenómenos del calor son actualmente los mejor conocidos (en comparación), al haber sido reducidos a los principios fundamentales más simples de la mecánica (de la energía, el equilibrio y el movimiento), los cuales, desde Newton, han sido sometidos a un riguroso análisis matemático, es del todo natural que se haya hecho un esfuerzo, que ha sido particularmente pronunciado durante los últimos años, por poner los fenómenos químicos en estricta correlación con los fenómenos del calor ya investigados, sin pretender, sin embargo, ninguna identificación de los fenómenos químicos con los térmicos.

La verdadera naturaleza de la fuerza química sigue siendo un secreto para nosotros, al igual que lo es la naturaleza de la fuerza universal de la gravedad; y, sin embargo, sin saber lo que la gravedad es en realidad, mediante la aplicación de concepciones mecánicas, los fenómenos astronómicos han sido sometidos no solo a una generalización exacta, sino a la predicción detallada de una serie de hechos particulares; y así también, aunque la verdadera naturaleza de la afinidad química pueda ser desconocida, hay razones para esperar un progreso considerable en la ciencia química aplicando las leyes de la mecánica a los fenómenos químicos por medio de la teoría mecánica del calor.

Hasta ahora esta parte de la química ha sido muy poco trabajada y, por lo tanto, aunque constituye un problema actual de la ciencia, se trata con mayor profundidad en ese campo particular que se denomina química «teórica» o «física», o, más correctamente, mecánica química.

Como esta rama de la química requiere el conocimiento no solo de las diversas sustancias homogéneas que se han obtenido hasta ahora y de las transformaciones químicas que experimentan, sino también de los fenómenos (de calor y de otros tipos) por los cuales dichas transformaciones están acompañadas, solo es posible adentrarse en el estudio de la mecánica química tras familiarizarse con los conceptos y las sustancias químicas fundamentales que constituyen el tema de este libro.³³

Como los cambios químicos a los que están expuestas las sustancias proceden de fuerzas internas propias de estas sustancias, como los fenómenos químicos ciertamente consisten en movimientos de partes materiales (según las leyes de la indestructibilidad de la materia y de los elementos), y como la investigación de los fenómenos mecánicos y físicos demuestra la ley de la indestructibilidad de las fuerzas, o la conservación de la energía —es decir, la posibilidad de la transformación de un tipo de movimiento en otro (del visible o mecánico en invisible o físico)—, nos vemos inevitablemente obligados a reconocer la presencia en las sustancias (y especialmente en los elementos de los cuales se componen todas las demás) de una reserva de energía química o movimiento invisible que las induce a entrar en combinaciones.

Si en una reacción se desprende calor, significa que una porción de energía química se transforma en calor;³⁴ si en una reacción se absorbe calor,³⁵ que esta se transforma parcialmente (se hace latente) en energía química.

El depósito de fuerza o energía destinado a la formación de nuevos compuestos puede, tras varias combinaciones logradas con absorción de calor, disminuir por fin hasta tal punto que se obtengan compuestos indiferentes, aunque estos a veces, al combinarse con elementos o compuestos enérgicos, dan compuestos más complejos que pueden ser capaces de entrar en combinación química.

Entre los elementos, el oro, el platino y el nitrógeno poseen poca energía, mientras que el potasio, el oxígeno y el cloro tienen un grado de energía muy marcado.

Cuando sustancias disímiles entran en combinación, a menudo forman sustancias de energía disminuida.

Así, el azufre y el potasio, al ser calentados, arden fácilmente en el aire, pero al combinarse, su compuesto no es inflamable ni arde en el aire como sus partes componentes. Parte de la energía del potasio y del azufre se desprendió en su combinación en forma de calor.

Del mismo modo que en el paso de las sustancias de un estado físico a otro se absorbe o desprende una porción de su reserva de calor, así también en las combinaciones o descomposiciones y en todo proceso químico se produce un cambio en la reserva de energía química y, al mismo tiempo, un desprendimiento o absorción de calor.³⁶

Para la comprensión de los fenómenos químicos como procesos mecánicos —es decir, el estudio del modus operandi de los fenómenos químicos— es sumamente importante considerar: (1) los hechos recopilados de la estequiometría, o aquella parte de la química que trata de la relación cuantitativa, en peso o volumen, de las sustancias reaccionantes; (2) la distinción entre las diferentes formas y clases de reacciones químicas; (3) el estudio de los cambios en las propiedades producidos por la alteración en la composición; (4) el estudio de los fenómenos que acompañan a la transformación química; (5) una generalización de las condiciones bajo las cuales ocurren las reacciones.

En lo que atañe a la estequiometría, esta rama de la química ha sido elaborada del modo más minucioso, y comprende leyes (de Dalton, Avogadro-Gerhardt y otras) que inciden tan profundamente en todas las partes de la química que, en la actualidad, el problema principal de la investigación química consiste en la aplicación de las leyes estequiométricas generales a ejemplos concretos, es decir, a la composición cuantitativa (volumétrica o gravimétrica) de las sustancias.

Todas las demás ramas de la química están claramente subordinadas a esta porción más importante del conocimiento químico. Incluso la significación misma de las reacciones de combinación, descomposición y reordenamiento adquirió, como veremos, un carácter particular y nuevo bajo la influencia del progreso de las ideas exactas acerca de las relaciones cuantitativas de las sustancias que participan en los cambios químicos.

Además, en este sentido surgió una nueva división —hasta entonces desconocida— de las sustancias compuestas en compuestos definidos e indefinidos.

Ya a principios de este siglo, Berthollet no había hecho esta distinción. Pero Prout demostró que una serie de compuestos contienen las sustancias de las que están compuestos y en las que se descomponen, en proporciones de peso exactas y definidas, las cuales son inalterables bajo cualquier condición.

Así, por ejemplo, el óxido rojo de mercurio contiene siempre dieciséis partes en peso de oxígeno por cada 200 partes en peso de mercurio, lo cual se expresa mediante la fórmula HgO. Pero en una aleación de cobre y plata se puede añadir uno u otro metal a voluntad, y en una disolución acuosa de azúcar, la proporción relativa del azúcar y del agua puede alterarse y, sin embargo, se obtendrá un todo homogéneo con la suma de las propiedades independientes —es decir, en estos casos se trataba de una combinación química indefinida.

Aunque en la naturaleza y en la práctica química la formación de compuestos indefinidos (como las aleaciones y las soluciones) desempeña un papel tan esencial como la formación de compuestos químicos definidos, sin embargo, como las leyes estequiométricas se aplican actualmente sobre todo a estos últimos, todos los hechos relativos a los compuestos indefinidos adolecen de inexactitud, y solo en los últimos años se ha dirigido la atención de los químicos hacia este sector de la química.

En la mecánica química es, desde el punto de vista cualitativo, muy importante distinguir con claridad desde el principio entre reacciones reversibles y no reversibles.

Las sustancias capaces de reaccionar entre sí a una temperatura determinada producen sustancias que a la misma temperatura pueden o no devolver las sustancias originales.

Por ejemplo, la sal se disuelve en agua a la temperatura ordinaria, y la solución así obtenida es capaz de descomponerse a la misma temperatura, dejando la sal y separando el agua por evaporación.

El bisulfuro de carbono se forma a partir de azufre y carbono a aproximadamente la misma temperatura a la que puede resolverse en azufre y carbono.

El hierro, a una temperatura determinada, separa el hidrógeno del agua, formando óxido de hierro, el cual, en contacto con el hidrógeno a la misma temperatura, es capaz de producir hierro y agua.

Es evidente que si dos sustancias, A y B, dan otras dos C y D, y la reacción es reversible, entonces C y D formarán A y B, y, por consiguiente, al tomar una masa determinada de A y B, o una masa correspondiente de C y D, obtendremos, en cada caso, las cuatro sustancias —es decir, habrá un estado de equilibrio químico entre las sustancias reaccionantes.

Al aumentar la masa de una de las sustancias, obtenemos una nueva condición de equilibrio, de modo que las reacciones reversibles presentan un medio para estudiar la influencia de la masa en el modus operandi de los cambios químicos.

Muchas de esas reacciones que ocurren con compuestos o mezclas muy complicados pueden servir como ejemplos de reacciones no reversibles.

Así, muchas de las sustancias compuestas de los organismos animales y vegetales se descomponen por el calor, pero no pueden volver a formarse a partir de sus productos de descomposición a ninguna temperatura.

La pólvora, como mezcla de azufre, salitre y carbón, al explotar forma gases a partir de los cuales las sustancias originales no pueden volver a formarse a ninguna temperatura.

Para obtenerlos, es necesario recurrir a un método indirecto de combinación en el momento de la separación.

Si A no se combina bajo ninguna circunstancia directamente con B, no se sigue que no pueda dar un compuesto A B. Pues A puede a menudo combinarse con C y B con D, y si C tiene una gran afinidad por D, entonces la reacción de A C o B D produce no solo C D, sino también A B.

Como en la formación de C D, las sustancias A y B (previamente en A C y B D) quedan en un estado peculiar de separación, se supone que su combinación mutua ocurre porque se encuentran juntas en este estado naciente en el momento de la separación (in statu nascendi).

Así el cloro no se combina directamente con el carbón, el grafito o el diamante; existen, sin embargo, compuestos de cloro con carbono, y muchos de ellos se distinguen por su estabilidad. Se obtienen por la acción del cloro sobre los hidrocarburos, como los productos de separación de la acción directa del cloro sobre el hidrógeno. El cloro toma el hidrógeno, y el carbono liberado en el momento de su separación entra en combinación con otra porción del cloro, de modo que al final el cloro queda combinado tanto con el hidrógeno como con el carbono.³⁷

En lo que concierne a aquellos fenómenos que acompañan a la acción química, la circunstancia más importante en referencia a la mecánica química es que los procesos químicos no solo producen un desplazamiento mecánico (un movimiento de partículas), calor, luz, potencial y corriente eléctrica; sino que todos estos agentes son capaces a su vez de alterar y regir las transformaciones químicas.

Esta reciprocidad o reversibilidad depende naturalmente del hecho de que todos los fenómenos de la naturaleza son meramente clases y formas distintas de movimientos visibles e invisibles (moleculares). Primero se demostró que el sonido, y luego la luz, consisten en movimientos vibratorios, tal como las leyes de la física han probado y desarrollado más allá de toda duda.

La conexión entre el calor, el movimiento mecánico y el trabajo ha dejado de ser una suposición para convertirse en un hecho aceptado, y el equivalente mecánico del calor (425 kilográmetros de trabajo mecánico corresponden a una unidad de calor o Caloría) proporciona una medida mecánica para los fenómenos térmicos.

Aunque no puede considerarse que la teoría mecánica de los fenómenos eléctricos esté tan plenamente desarrollada como la teoría del calor, tanto la electricidad estática como la dinámica se producen por medios mecánicos (en las máquinas eléctricas comunes o en las dinamos de Gramme u otras), y a la inversa, una corriente (en los motores eléctricos) puede producir movimiento mecánico.

Así, al conectar una corriente con los polos de una dinamo de Gramme, se la puede hacer girar y, a la inversa, al hacerla girar se produce una corriente eléctrica, lo cual demuestra la reversibilidad de la electricidad en movimiento mecánico.

Por consiguiente, la mecánica química debe buscar las líneas fundamentales de su progreso en la correlación de los fenómenos químicos con los físicos y mecánicos. Pero este tema, debido a su complejidad y comparativa novedad, aún no se ha expresado mediante una teoría armoniosa, ni siquiera mediante una hipótesis satisfactoria, y por lo tanto evitaremos detenernos en él.

Un cambio químico en una dirección determinada se realiza no solo en virtud de la diferencia de masas, la composición de las sustancias de que se trata, la distribución de sus partes y su afinidad o energía química, sino también en virtud de las condiciones bajo las cuales se encuentran las sustancias.

Para que tenga lugar una determinada reacción química entre sustancias capaces de reaccionar entre sí, a menudo es necesario recurrir a condiciones que a veces son muy diferentes de aquellas en las que las sustancias se encuentran habitualmente en la naturaleza.

Por ejemplo, no solo es necesaria la presencia de aire (oxígeno) para la combustión del carbón vegetal, sino que este último también debe ser calentado al rojo vivo. La porción al rojo vivo del carbón se quema —es decir, se combina con el oxígeno de la atmósfera— y al hacerlo desprende calor, el cual eleva la temperatura de las partes adyacentes del carbón, de modo que estas se queman.

Del mismo modo que la combustión del carbón vegetal depende de que este sea calentado al rojo vivo, asimismo toda reacción química solo tiene lugar bajo ciertas condiciones físicas, mecánicas u otras. Las siguientes son las principales condiciones que ejercen influencia en el curso de las reacciones químicas.

(a) Temperatura.—Las reacciones químicas de combinación solo tienen lugar dentro de ciertos límites determinados de temperatura, y no pueden llevarse a cabo fuera de estos límites. Podemos citar como ejemplos no solo que la combustión del carbón vegetal comienza al rojo vivo, sino también que el cloro y la sal solo se combinan con el agua a una temperatura inferior a 0°.

Estos compuestos no pueden formarse a una temperatura más alta, ya que entonces se descomponen total o parcialmente en sus partes componentes. Un cierto aumento de temperatura es necesario para iniciar la combustión. En ciertos casos, el efecto de este aumento puede explicarse como la causa de que uno de los cuerpos reaccionantes pase de un estado sólido a uno líquido o gaseoso.

La transformación en un estado fluido facilita el curso de la reacción, porque favorece el contacto íntimo de las partículas que reaccionan entre sí. Otra razón, y a esta debe atribuirse la influencia principal del calor en la excitación de la acción química, es que la cohesión física, o la unión química interna, de las partículas homogéneas se debilita de este modo, y así se facilita la separación de las partículas de las sustancias originales y su paso a nuevos compuestos.

Cuando una reacción absorbe calor —como en la descomposición—, la razón por la cual el calor es necesario resulta evidente por sí misma.

En la actualidad puede afirmarse, sobre la base de los datos existentes respecto a la acción de las altas temperaturas, que todos los cuerpos compuestos se descomponen a una temperatura más o menos alta.

Ya hemos visto ejemplos de esto al describir la descomposición del óxido de mercurio en mercurio y oxígeno, y la descomposición de la madera bajo la influencia del calor.

Muchas sustancias se descomponen a una temperatura muy moderada; por ejemplo, la sal fulminante que se emplea en los cartuchos se descompone a un poco más de 120°.

La mayoría de aquellos compuestos que forman la masa de los tejidos animales y vegetales se descomponen a 200°.

Por otro lado, hay razones para pensar que a una temperatura muy baja no puede tener lugar reacción alguna. Así, las plantas dejan de llevar a cabo sus procesos químicos durante el invierno. Raoul Pictet (1892), empleando las temperaturas muy bajas (de hasta -200 °C) obtenidas mediante la evaporación de gases licuados (véase el cap. II), ha demostrado recientemente de nuevo que a temperaturas inferiores a -120 °C no tienen lugar ni siquiera reacciones como las que se dan entre el ácido sulfúrico y la sosa cáustica o el sodio metálico, e incluso la coloración del tornasol por los ácidos solo comienza a temperaturas superiores a -80 °C.

Si una reacción dada no tiene lugar a una cierta temperatura baja, al principio solo procederá lentamente con un aumento de temperatura (incluso si es asistida por una descarga eléctrica), y solo procederá rápidamente, con desprendimiento de calor, cuando se haya alcanzado una cierta temperatura definida.

Toda reacción química requiere ciertos límites de temperatura para su realización y, sin duda, muchos de los cambios químicos observados por nosotros no pueden tener lugar en el sol, donde la temperatura es muy alta, o en la luna, donde es muy baja.

La influencia del calor en las reacciones reversibles es particularmente instructiva.

Si, por ejemplo, un compuesto que es capaz de ser reproducido a partir de sus productos de descomposición se calienta hasta la temperatura a la cual comienza la descomposición, la descomposición de una masa de la sustancia contenida en un volumen determinado no se completa de inmediato.

Solo una cierta fracción de la sustancia se descompone, y la otra porción permanece inalterada; y si se eleva la temperatura, la cantidad de sustancia descompuesta aumenta. Además, para un volumen dado, la relación entre la parte descompuesta y la parte inalterada se corresponde con cada aumento definido de temperatura hasta alcanzar aquella en la que el compuesto se descompone por completo. Esta descomposición parcial bajo la influencia del calor se denomina disociación. Es posible distinguir entre las temperaturas a las cuales la disociación empieza y termina.

Si la disociación tiene lugar a una temperatura determinada, pero el producto o los productos de descomposición no permanecen en contacto con la porción aún no descompuesta del compuesto, entonces la descomposición proseguirá hasta el final.

Así, la piedra caliza se descompone en un horno de cal en cal y anhídrido carbónico, debido a que este último es evacuado por el tiro del horno. Pero si una cierta masa de piedra caliza se encierra en un volumen determinado —por ejemplo, en el cañón de un fusil—, que luego se sella y se calienta al rojo vivo, entonces, como el anhídrido carbónico no puede escapar, solo se descompondrá una cierta proporción de la piedra caliza por cada incremento de calor (aumento de temperatura) superior a aquel en el que comienza la disociación.

La descomposición cesará cuando el anhídrido carbónico desprendido presente una presión de disociación máxima correspondiente a cada aumento de temperatura. Si la presión aumenta al incrementar la cantidad de gas, la combinación comienza de nuevo; si la presión disminuye, la descomposición se reanudará.

La descomposición en este caso es exactamente igual a la evaporación; si el vapor desprendido por la evaporación no puede escapar, su presión alcanzará un máximo correspondiente a la temperatura dada, y entonces la evaporación cesará. Si se añadiera vapor, este se condensaría en el líquido; si su cantidad disminuyera —es decir, si se redujera la presión, permaneciendo constante la temperatura—, entonces la evaporación continuará.

Discutiremos más adelante con mayor detalle estos fenómenos de disociación, que fueron descubiertos por primera vez por Henri St. Claire Deville.

Solo observaremos que los productos de descomposición se recombinan con mayor facilidad cuanto más cercana sea su temperatura a aquella en la que comienza la disociación, o, en otras palabras, que la temperatura inicial de disociación está próxima a la temperatura inicial de combinación.

(b) La influencia de una corriente eléctrica, y de la electricidad en general, sobre el curso de las transformaciones químicas es muy similar a la influencia del calor. La mayoría de los compuestos que conducen la electricidad se descomponen por la acción de una corriente galvánica, y como existe una gran similitud en las condiciones bajo las cuales proceden la descomposición y la combinación, la combinación suele tener lugar bajo la influencia de la electricidad.

La electricidad, al igual que el calor, debe considerarse como una forma peculiar de movimiento molecular, y todo lo referente a la influencia del calor se refiere también a los fenómenos producidos por la acción de una corriente eléctrica, con la única diferencia de que una sustancia puede separarse en sus partes componentes con mucha mayor facilidad mediante la electricidad, ya que el proceso se desarrolla a la temperatura ordinaria.

Los compuestos más estables pueden descomponerse por este medio, y entonces se observa un hecho sumamente importante: a saber, que los componentes aparecen en los diferentes polos o electrodos a través de los cuales la corriente atraviesa la sustancia.

Aquellas sustancias que aparecen en el polo positivo (ánodo) se denominan «electronegativas», y las que aparecen en el polo negativo (cátodo, el que está en conexión con el zinc de una pila galvánica ordinaria) se denominan «electropositivas».

La mayoría de los elementos no metálicos, tales como el cloro, el oxígeno, etc., y también los ácidos y las sustancias análogas a ellos, pertenecen al primer grupo, mientras que los metales, el hidrógeno y los productos de descomposición análogos aparecen en el polo negativo.

La química es deudora de la descomposición de compuestos por la corriente eléctrica para muchos descubrimientos importantísimos.

Muchos elementos han sido descubiertos por este método, siendo los más importantes el potasio y el sodio. Lavoisier y los químicos de su época no fueron capaces de descomponer los compuestos oxigenados de estos metales, pero Davy demostró que podían ser descompuestos por una corriente eléctrica, apareciendo los metales sodio y potasio en el polo negativo.

Ahora que la dinamo ofrece la posibilidad de producir una corriente eléctrica mediante la combustión de combustible, este método de Sir H. Davy se emplea ventajosamente para obtener metales, etc., a gran escala, por ejemplo, sodio a partir de sosa cáustica fundida o cloro a partir de disoluciones de sal.

(c) Ciertos compuestos inestables también se descomponen por la acción de la luz. La fotografía se basa en esta propiedad presente en ciertas sustancias (por ejemplo, en las sales de plata).

La energía mecánica de aquellas vibraciones que determinan los fenómenos de la luz es muy pequeña y, por consiguiente, solo ciertos compuestos, generalmente inestables, pueden ser descompuestos por la luz —al menos bajo circunstancias ordinarias—.

Pero existe una clase de fenómenos químicos dependientes de la acción de la luz que constituye todavía un problema sin resolver en la química: estos son los procesos que se llevan a cabo en las plantas bajo la influencia de la luz. Aquí tienen lugar las descomposiciones y combinaciones más inesperadas, las cuales a menudo resultan inalcanzables por medios artificiales.

Por ejemplo, el anhídrido carbónico, que es tan estable bajo la influencia del calor y de la electricidad, se descompone y desprende oxígeno en las plantas bajo la influencia de la luz. En otros casos, la luz descompone compuestos inestables, como aquellos que por lo general se descomponen fácilmente por el calor y otros agentes. El cloro se combina con el hidrógeno bajo la influencia de la luz, lo que demuestra que tanto la combinación como la descomposición pueden ser determinadas por su acción, tal como ocurría asimismo con el calor y la electricidad.

(d) Causas mecánicas ejercen, al igual que los agentes precedentes, una acción tanto sobre el proceso de combinación química como de descomposición.

Muchas sustancias se descomponen por fricción o por un golpe —como, por ejemplo, el compuesto llamado yoduro de nitrógeno (que está compuesto de yodo, nitrógeno e hidrógeno), y el fulminato de plata.

La fricción mecánica hace que el azufre arda a expensas del oxígeno contenido en el clorato de potasio.

La presión afecta tanto al estado físico como al químico de las sustancias reaccionantes y, junto con la temperatura, determina el estado de una sustancia. Esto se hace particularmente evidente cuando la sustancia se presenta en forma elástico-gaseosa, ya que el volumen, y por ende también el número de puntos de encuentro entre las sustancias reaccionantes, se altera considerablemente mediante un cambio de presión. Así, bajo condiciones iguales de temperatura, el hidrógeno comprimido actúa con más fuerza sobre el yodo y sobre las disoluciones de muchas sales.

(e) Además de las diversas condiciones que se han enumerado anteriormente, el progreso de las reacciones químicas es acelerado o retardado por la condición de contacto en la que se encuentran los cuerpos reaccionantes.

Permaneciendo constantes las demás condiciones, la velocidad de progreso de una reacción química se acelera al aumentar el número de puntos de contacto.

Bastará con señalar el hecho de que el ácido sulfúrico no absorbe etileno en las condiciones ordinarias de contacto, sino únicamente tras una agitación continuada, medio por el cual el número de puntos de contacto aumenta en gran medida.

Para asegurar una acción completa entre sólidos, es necesario reducirlos a un polvo muy fino y mezclarlos tan a fondo como sea posible.

M. Spring, el químico belga, ha demostrado que los sólidos finamente pulverizados que no reaccionan entre sí a la temperatura ordinaria pueden hacerlo bajo una presión aumentada.

Así, bajo una presión de 6000 atmósferas, el azufre se combina con muchos metales a la temperatura ordinaria, y las mezclas de los polvos de muchos metales forman aleaciones.

Es evidente que un aumento en el número de puntos o superficies debe considerarse como la causa principal que produce la reacción, la cual se logra indudablemente en los sólidos, al igual que en los líquidos y gases, en virtud de un movimiento interno de las partículas, movimiento que, aunque en diferentes grados y formas, debe existir en todos los estados de la materia.

Es muy importante dirigir la atención hacia el hecho de que el movimiento interno o la condición de las partes de las partículas de materia debe ser diferente en la superficie de una sustancia respecto a lo que es en su interior; porque en el interior de una sustancia partículas similares actúan por todos lados sobre cada partícula, mientras que en la superficie actúan por un solo lado.

Por lo tanto, la condición de una sustancia en sus superficies de contacto con otras sustancias debe verse más o menos modificada por ellas —puede ser de una manera similar a la causada por una elevación de la temperatura—.

Estas consideraciones arrojan cierta luz sobre la acción en la gran clase de las reacciones de contacto; es decir, aquellas que parecen proceder de la mera presencia (contacto) de ciertas sustancias especiales. Las sustancias porosas o en polvo son muy propensas a actuar de este modo, especialmente el platino esponjoso y el carbón. Por ejemplo, el anhídrido sulfuroso no se combina directamente con el oxígeno, pero esta reacción tiene lugar en presencia de platino esponjoso.³⁸

Las anteriores concepciones químicas generales e introductorias no pueden comprenderse a fondo en su verdadero sentido sin un conocimiento de los hechos particulares de la química a los que ahora dirigiremos nuestra atención.

Sin embargo, era absolutamente necesario familiarizarse desde el umbral mismo con principios tan fundamentales como las leyes de la indestructibilidad de la materia y de la conservación de la energía, ya que solo mediante su aceptación, y bajo su dirección e influencia, el examen de los hechos particulares puede dar resultados prácticos y fructíferos.

Notas al pie: