HISTORIA DE LA QUÍMICA (II)

HACIA EL ESTABLECIMIENTO DE LA QUÍMICA COMO CIENCIA

La revolución que en el ámbito de la mecánica y la astronomía tuvo lugar a lo largo del siglo XVII –periodo en el que Galileo, entre otros, pondría sobre fundamentos científicos estas disciplinas–, no alcanzó durante ese periodo a la Química que, pese a algunos tímidos intentos de mecanización, continuaría mediatizada por la doctrina de los cuatro elementos hasta bien adentrado el siglo XVIII.

Al tratar de explicar el retraso en el progreso de la Química debe tenerse en cuenta que esta ciencia, por un lado, se ocupa de procesos complejos en los que se producen cambios en la naturaleza de las sustancias y, por otro, tiene su fundamento en oscuros principios, cuya elucidación requiere no sólo una especulación prolongada sino, también, el diseño y realización de numerosos experimentos.

De hecho, antes de que la química pudiera liberarse de las adherencias de la alquimia y escapar de la tutela aristotélica era necesario dilucidar ciertas cuestiones teóricas fundamentales y resolver otras de caracter práctico y manipulativo, entre las que cabe señalar las siguientes:

• La naturaleza de un elemento químico.

• La naturaleza de la composición química y del cambio químico, especialmente de la combustión.

• La naturaleza química de los así llamados elementos, fuego, aire y agua.

• El control sobre los productos gaseosos y la articulación de una idea clara de su comportamiento físico y químico.

La física de los gases

Esta rama de las ciencias físicas –la Pneumática – se desarrolló durante el siglo XVII y fue, paulatinamente, adquiriendo personalidad propia. A lo largo de un dilatado proceso de clarificación acabó formando parte de la mecánica y los gases terminaron entendiéndose y explicándose, en última instancia, a partir de las leyes que regían a esta ciencia.

Hitos de la Historia de la Pneumática

a) Experimentos de Torricelli con la columna de mercurio; invención del barómetro y formulación del esquema conceptual del mar de aire que rodea la Tierra

b) Repetición y perfeccionamiento, por Pascal, de las experiencias de Torricelli; medida de la altura barométrica al pie y en la cima de una montaña (1648)

c) Experimentos de von Guericke y Boyle con bombas de vacío (1650 - 1660)

d) Análisis más detallado de ciertas experiencias en vacío (Boyle 1660 - 1680)

e) Compresibilidad del aire. Ley de Boyle (1660 - 1680)

f) Modelo de Newton para explicar la ley de Boyle (1687)

g) Modelos para un gas: desarrollo de la teoría cinética

h) Conexión entre mecánica y termodinámica

No es posible estudiar con detalle todos y cada uno de estos tópicos por lo que centraremos nuestra atención, por su conexión con el desarrollo del programa de Newton y por su impacto en ciencias conexas como la química, en los pormenores de la obtención de la denominada ley de Boyle.

Boyle utilizó un tubo en J con la rama corta cerrada y la larga abierta. Al verter mercurio por esta última, se comprimía el aire almacenado en aquella. Este aire comprimido sostenía, al mismo tiempo, una columna de mercurio en la rama abierta cada vez más alta. Boyle cuantificará estas compresiones y obtendrá una relación entre la presión y el volumen.

PV = cte

La existencia de una relación cuantitativa para la elasticidad del aire iba a permitir poner en práctica la estrategia que había definido el denominado programa de Newton.

Faltaba, sin embargo, una pieza esencial: ¿qué modelo de gas iba a utilizarse?.

Boyle había hecho notar que existían, al menos, dos formas de imaginar la composición del aire de modo que se explicara su gran compresibilidad: el modelo estático y el modelo cinético.

Modelo estático para un gas

El aire consta de partículas en contacto unas con otras y en reposo. La compresibilidad exige que los mismos corpúsculos constitutivos sean compresibles como resortes o como trozos de lana.

Modelo dinámico para un gas

Los corpúsculos no están siempre en contacto y no necesitan tener dimensiones variables, por el contrario, se hallan en violenta agitación moviéndose a través de todo el espacio disponible, tal vez sumergidos en un fluido sutil que lo invade todo.

Será el mismo Newton el que aplicará a los gases el programa por él delineado y en el libro II de los Principia establecerá el siguiente teorema: Si un gas está compuesto por partículas que ejercen fuerzas repulsivas sobre sus vecinas, inversamente proporcionales a la distancia, entonces la presión que ejerce será inversamente proporcional al volumen que ocupa. La pretensión de Newton no es, ni mucho menos, afirmar que este modelo sea “real”; la importancia hay que buscarla en el hecho de que por primera vez se conectan propiedades macroscópicas (la ley de Boyle) con la estructura microscópica (átomos activados por una fuerza de interacción mutua) plasmándose así, de modo concreto, el programa newtoniano por el que se pretende determinar las fuerzas entre partículas analizando el comportamiento macroscópico de la materia, es decir, sus manifestaciones.

La importancia de la ley de Boyle, por otra parte, estriba en que va a ser la piedra de toque con la que juzgar la calidad de cualquier teoría física sobre el estado gaseoso. Así, cuando se desarrolle la teoría cinético–molecular una de las pruebas de su viabilidad será su capacidad para obtener, a partir de sus presupuestos, esa ley.

Señalaremos también que el comportamiento similar de todos los gases, cumpliendo la misma ley, reforzará la hipótesis de que todos ellos no son otra cosa que diversas clases de aire –con una u otra impureza– y que éste –uno de los cuatro elementos aristotélicos– es en última instancia elemental.

Desde el ámbito de la Física, pues, no se pueden distinguir los gases, será desde la Química desde donde se conseguirá diferenciarlos.