PRECEDENTES DE LA QUIMICA

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El principio del dominio de la química es el dominio del fuego. Hay indicios que hace más de 500.000 años en tiempos del homo-erectus algunas tribus consiguieron este logro que aún hoy es una de las tecnologías más importantes. Permitía la preparación de comida cocida. Esta contenía menos microorganismos patógenos y era más fácilmente digerida. Así bajaba la mortalidad y se mejoraban las condiciones generales de vida.

Los intentos prácticos de mejorar el refinado de las menas minerales y la extracción de los metales a partir de ellas fue una importante fuente de información para los químicos del siglo XVI. Entre ellos destaca Georgius Agricola (1494-1555), que publicó la gran obra De re metallica (Sobre los metales) en 1556. En su obra se describen los procesos de la época en minería, extracción de los metales y metalurgia, ya muy complejos y desarrollados. Se ha calificado a Agricola como el padre de la metalurgia. (Zittel, 1901)

Se considera que el químico inglés Robert Boyle (1627-1691) apartó definitivamente a la química de la alquimia al mejorar su método experimental. ​ Aunque su investigación tiene sus raíces claramente en la tradición alquímica, actualmente se reconoce a Boyle como el primer químico moderno, y por ello uno de los fundadores de la química moderna, y uno de los pioneros del método científico experimental moderno. Se le conoce principalmente por la ley de Boyle que presentó en 1662, aunque Boyle no fue su descubridor original. La ley describe la relación inversamente proporcional que existe entre la presión y el volumen de un gas, si se mantiene constante la temperatura en un sistema cerrado. (Levine, 1978)

Aunque la investigación química se puede remontar a la antigua Babilonia, Egipto, y especialmente a Persia y Arabia de la Edad de Oro del islam, la química floreció a partir de la época de Antoine Lavoisier, un químico francés reconocido como el «padre de la química moderna». En 1789 Lavoisier estableció formalmente la ley de conservación de la materia, que en su honor también se conoce como «Ley Lomonósov-Lavoisier».​ Para demostrarla realizó múltiples experimentos. Demostró con medidas meticulosas que las transmutaciones no eran posibles, por ejemplo, no se transformaba el agua en tierra, sino que el sedimento que se observa al hervir agua procedía del contenedor; o que al quemar al aire fósforo y azufre, probó que aunque los productos pesaban más, el peso ganado procedía del aire. (Lavoisier, 1743-1794)

 

 

EL COMIENZO DE LA QUIMICA ORGANICA

Después de que se comprendieran los principios de la combustión otro debate de gran importancia se apoderó de la química. Esta teoría asumía que la materia orgánica sólo pudo ser producida por los seres vivos atribuyendo este hecho a una vis vitalis inherente en la propia vida. Este debate fue revolucionado cuando Friedrich Wöhler descubrió accidentalmente como se podía sintetizar la urea a partir de cianato de amónio en 1828 mostrando que la materia orgánica podía crearse de manera química. Sin embargo aún hoy en día se mantiene la clasificación en química orgánica e inorgánica, ocupandose la primera esencialmente de los compuestos del carbono y la segunda de los compuestos de los demás elementos.

La contribución más importante del químico alemán Friedrich August Kekulé von Stradonitz fue su teoría estructural para los compuestos orgánicos, resumida en dos artículos publicados en 1857 y 1858 y desarrollada en gran detalle en su popular obra Lehrbuch der organischen Chemie , cuyo primer tomo apareció en 1859 y terminó teniendo cuatro volúmenes.

Kekule no era el único químico de la época en creerlo. El químico escocés Archibald Scott Couper publicó una teoría similar casi al mismo tiempo, y el ruso Aleksandr Butlerov hizo mucho por clarificar y expandir la teoría. Sin embargo Kekulé fue el principal difusor de la teoría y sus ideas prevalecieron en la comunidad científica. El resultado era una tira de papel con series de líneas en distintas posiciones según los distintos elementos, que representaban las frecuencias de emisión o absorción características de cada elemento.

 

Estructura propuesta por Kekulé para el benceno

TABLA PERIODICA

 

En 1869, los científicos ya habían descubierto 66 elementos diferentes y habían determinado su masa atómica. Comprobaron que algunos elementos tenían propiedades químicas similares y hubo varios intentos de clasificarlos según algunas de ellas con más o menos acierto. En 1829 el químico J. W. Döbereiner organizó un sistema de clasificación de elementos en el que estos se congregaban en grupos de tres denominados tríadas. Las propiedades químicas de los elementos de una tríada eran similares y sus propiedades físicas variaban de manera ordenada con su masa atómica. En 1862 Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois publicó su hélice telúrica, una clasificación tridimensional de los elementos. En 1864 John Newlands propuso la ley de las octavas y el mismo año Lothar Meyer desarrolló otra clasificación con 28 elementos organizados según su valencia.

Tabla periodica de 1871 propuesta por Dmitri Mendeléyev

Dmitri Mendeleyév

El químico ruso Mendeléyev intuyó que había algún tipo de orden entre los elementos y pasó más de treinta años recolectando datos y dando forma al concepto, inicialmente con la intención de aclarar el desorden para sus alumnos. Mendeléyev acomodó los 66 elementos conocidos en su tabla periódica por orden creciente de peso atómico, pero también atendiendo a sus propiedades, y acertó al dejar huecos en la tabla para elementos todavía no descubiertos. Mendeléyev descubrió que cuando se ordenaban los elementos químicos en fila según aumentaba el peso atómico, hasta llegar a uno que tuviera propiedades similares al inicial, que se situaría en una nueva fila debajo, en la tabla resultante se encontraban patrones recurrentes, o periodicidad, en las propiedades de los elementos tanto en las filas (periodos) como en las columnas (grupos). Publicó su descubrimiento en 1869 en su obra Principios de química. Además su sistema le permitió predecir con bastante exactitud las propiedades de elementos no descubiertos hasta el momento. 

DESCUBRIMIENTOS A FINALES DEL SIGLO XIX

 

En 1884, Hermann Emil Fischer propuso la estructura de la purina, la base de muchas biomoléculas, que posteriormente consiguió sintetizar en 1898. Además inició el trabajo de la química de la glucosa y otros azúcares relacionados. (Chemistry, 1966)

En 1885, Eugene Goldstein le dio su nombre a los rayos catódicos, y en 1888 continuando su investigación sobre tubos de descarga descubrió los rayos canales, lo que posteriormente ayudaría a desvelar la estructura del núcleo de los átomos. (Program)

En 1893, Alfred Werner descubrió la estructura octaédrica de los complejos de cobalto, el primer complejo de coordinación. (Nobel Lectures, 1966)

En 1897, Joseph John Thomson descubrió el electrón, usando un tubo de rayos catódicos. En 1898 Wilhelm Wien demostró que los rayos canales (una corriente de iones positivos) podían desviarse por los campos magnéticos, y que la desviación era proporcional a su relación masa carga. Este descubrimiento además de ayudar a conocer la estructura del núcleo de los átomos, sería la base para desarrollar la técnica de análisis químico denominada espectrometría de masas.(Werner, 1967)

En 1902, los Curie anunciaron que habían conseguido un decigramo de radio puro. Los Curie, junto a Henri Becquerel, recibieron el Premio Nobel de física de 1903 por su estudio de la radiactividad. Marie Curie recibió el Premio Nobel de química en 1911 por el descubrimiento del radio y el polonio. Por ello Marie Curie fue la primera mujer en recibir un Premio Nobel, la primera persona en recibir dos Premios Nobel y la única en recibirlos en dos disciplinas científicas diferentes.

Matrimonio Curie ganadores de premio nobel de física en 1903

SIGLO XX: ESTRUCTURA DEL ATOMO

A principios de este siglo surgen varios modelos atómicos que tratarían de paliar las deficiencias de la teoría atómica de Dalton, que se basaron en gran medida en los datos acumulados por la espectroscopía y los experimentos con tubos de descarga en la última parte del siglo anterior. Tras haber descubierto la existencia de los electrones, en 1903 el primero en elaborar un nuevo modelo atómico fue J. J. Thomson que propuso que los electrones se distribuían uniformemente en el interior del átomo suspendidos en una nube de carga positiva, por lo que a su teoría se la denominó modelo del budín de pasas. En 1904 el físico japonés Hantaro Nagaoka propuso uno modelo atómico orbital con un núcleo denso y macizo. (B., 2003)

 Los que tuvieron mayor protagonismo en definir la estructura del atomo fueron: 

Ernest Rutherford

ERNEST RUTHERFORD

En 1901 y 1902, Rutherford trabajó junto a Frederick Soddy, para explicar que la radioactividad eran emisiones debidas a la transmutación de los átomos, lo que hoy conocemos como reacciones nucleares. Demostraron experimentalmente que los átomos radiactivos se convertían espontáneamente en otros, expulsando porciones del átomo a gran velocidad. Si los átomos de oro se ajustaban a este modelo las partículas los atravesarían sin desviarse o haciéndolo pocos grados. Rutherford fue galardonado con el Premio Nobel de química en 1908 por sus estudios sobre la radioatividad y la estructura del átomo.

NIELS BOHR

Niels Bohr

En el modelo de Bohr los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo en niveles cuantizados, es decir, solo determinados radios estaban permitidos. Las órbitas intermedias no existen y los electrones emiten o absorben energía para pasar a órbitas más bajas o altas, respectivamente. Como los electrones solo se encuentran en determinadas órbitas características de cada átomo, la magnitud de los saltos de energía que dan al ser excitados son únicos para cada elemento, y serían los que recogen los espectros atómicos. El gran éxito de este modelo fue que las líneas del espectro de emisión experimental del hidrógeno coincidían perfectamente con lo predicho por él. El modelo atómico de Bohr supuso un gran progreso, pero fue criticado por no explicar la causa de la cuantización (la planteó como un postulado) y su éxito con los espectros atómicos se reducía al hidrógeno y los iones con un solo electrón, no es capaz de predecir las interacciones más complejas en átomos con más de un electrón. (Muntaner)

GILBERT N. LEWIS

Esta teoría se basa en que los enlaces químicos dependen de la cantidad de electrones que tengan los átomos en su capa más externa, o capa de valencia. En 1902, mientras Lewis intentaba explicar la valencia a sus alumnos, representó los átomos como si fueran cubos con los electrones en los vértices. Estos «átomos cúbicos» servían para explicar los ocho grupos de la tabla periódica y representaban la idea de que los enlaces químicos se formaban para que los átomos se transfirieran electrones unos a otros con objeto de completar los ocho electrones exteriores, un octeto, necesarios para alcanzar la estabilidad al conseguir la misma configuración electrónica exterior que un gas noble.

Estructura de Lewis para la formacion de la molecula de Oxigeno

QUIMICA CUANTICA

Una vez asumidos los principios de la mecánica cuántica surge la química cuántica para aplicarlos al estudio de los enlaces químicos y de las estructuras de las moléculas y estructuras cristalinas. Algunos consideran que la química cuántica nació en 1926 con la ecuación de Schrödinger y su aplicación al átomo de hidrógeno, mientras que otros consideran que arranca en 1927 con el artículo «Wechselwirkung neutraler Atome und Homöopolare Bindung nach der Quantenmechanik» («La interacción de los átomos neutros y el enlace homopolar según la mecánica cuántica») de Walter Heitler y Fritz London. (London, 1927) Esta es la primera aplicación de la mecánica cuántica a la molécula de hidrógeno y al fenómeno del enlace químico.

Foma de algunos orbitales atomicos (arriba) y moleculares (abajo),junto a la regla de Madelung

BIOLOGIA MOLECULAR Y BIOQUIMICA

Aunque la clorofila había sido aislada en 1817 por los químicos franceses Pelletier y Caventou,​ su estructura no fue deducida hasta 1940 por Hans Fischer. En la década de 1940, el químico norteamericano Melvin Calvin inició sus investigaciones sobre la fotosíntesis, aplicando marcadores radiactivos de carbono 14 y detectó la secuencia de reacciones químicas generadas por las plantas al transformar dióxido de carbono gaseoso y el agua en oxígeno e hidratos de carbono, lo que en la actualidad se conoce como ciclo de Calvin. (Delépine)

Estructura del ADN

También en 1953 James Watson y Francis Crick dedujeron la estructura de doble cadena helicoidal del ADN encajando los datos de la estructura de sus partes constituyentes y los patrones de difracción de rayos X obtenidos por Rosalind Franklin.Este descubrimiento fue el detonante de la expansión del campo de la bioquímica. En 1957 se demostró el mecanismo de replicación del ADN mediante el experimento de Meselson-Stahl. En 1983, Kary Mullis desarrolló el método para la autoreplicación del ADN, denominado reacción en cadena de la polimerasa (conocida por sus siglas en inglés como PCR) que revolucionaría su proceso químico de manipulación en los laboratorios, que haría posible la secuenciación del ADN de los organismos que culminaría en el inmenso Proyecto Genoma Humano, además de abrir su uso en criminalística y filiación, entre otros. (Watson, 1953)

FINALES DEL SIGLO XX

En 1970, John Pople creó el programa Gaussian que facilitó enormemente los cálculos de la química computacional, como la ecuación de Schrödinger molecular según la teoría de orbitales moleculares. ​ En 1971 Yves Chauvin presentó una explicación al mecanismos de reacción de las Metátesis olefínicas. ​ En 1975 Karl Barry Sharpless y su equipo descubrieron las reacciones de oxidación estereoselectivas, como la epoxidación de Sharpless, ​ la dihidroxilación asimétrica de Sharpless, y la oxiaminación de Sharpless. (Sharpless, Patrick, Truesdale, & Biller, 1975)

En 1985, Harold Kroto, Robert Curl y Richard Smalley descubrió los fullerenos, una clase de grandes moléculas de carbono con forma de poliedros con caras hexagonales o pentagonales, cuyo nombre conmemora al arquitecto Richard Buckminster Fuller famoso por usar diseños similares en sus cúpulas geodésicas.133​ En 1991 Sumio Iijima usó el microscopio electrónico para descubrir un tipo de fullereno cilíndrico denominado nanotubo, aunque los primeros trabajos en este campo se habían realizado en 1951. Este material es un importante componente en el campo de la nanotecnología. (Benjamin Franklin Medal awarded to Dr. Sumio Iijima, 2002)

Buckminsterfullereno C60

Desde fines del siglo pasado la Química se ha ido enriqueciendo hasta convertirse en una Ciencia Natural imprescindible, que cumple con un papel central en proyectos interdisciplinarios. La misma Química ha contribuido a su protagonismo al establecer la necesidad de que las estrategias de trabajo, tengan presente que el efecto sobre el Medio Ambiente, sea el menor posible, así se generó la llamada Química Verde o Química Benigna.

En campos tradicionales de la Química se observa cómo se inspiran, utilizan y complementan con otras disciplinas. Así se advierte la utilización creciente de la matemática estadística en la química analítica, de la física y de la ingeniería conjuntamente con la química de los materiales y con la descripción detallada de procesos químicos a nivel atómico-molecular. En resumen, hoy, la Química es la ciencia de la comunicación, el reconocimiento y el comportamiento a nivel molecular, y que, como tal, su contribución es central en las actividades científico-tecnológicas interdisciplinarias.

Fuente

Alberts, B. H. (s.f.). Introducción a la Biología Celular (2da. Edicion ed.).

B., B. (2003). A Short History of Nearly Everything. Broadway Books.

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Chemistry, E. F. (1966). Nobel Lectures,Chemistry 1901–1921. Elsevier Publishing Company.

Conant, J. B. (1950). The Overthrow of Phlogiston Theory: The Chemical Revolution of 1775–1789. Harvard University Press.

Delépine, M. (s.f.). Joseph Pelletier and Joseph Caventou. Journal of Chemical Education .

Lavoisier, A. (1743-1794). Eric Weisstein's World of Scientific Biography.

 

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Zittel, K. A. (1901). History of Geology and Palaeontology.

Redactado por: Victor Navarrete Qu.