El nacimiento de la química en la prehistoria




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  1. EL NACIMIENTO DE LA QUÍMICA EN LA PREHISTORIA

Desde sus orígenes, el hombre fue adquiriendo los conocimientos necesarios para fabricar productos que hoy usamos, sin siquiera pensar de donde salieron.

El hombre primitivo fue explorador de su territorio, tocaba y apreciaba la textura de cada cosa, las olía y producía ruido sobre ellas. El hombre cavernícola cazaba su presa y comía la carne cruda, no le quedaba otra alternativa. Pero a medida que formaba comunidades, comenzó a sacar provecho de las propiedades de cada cosa, descubrió la manera en que podía utilizarlas mejor. Aprendió que la leña al quemarse producía calor; que al beber agua saciaba su sed.

La primera reacción química de importancia que controlaron los humanos fue el fuego. Hay restos datados hace alrededor de 500 000 años que atestiguan el dominio del fuego, al menos desde los tiempos del Homo erectus. Este logro se considera una de las tecnologías más importantes de la historia. No solo proporcionaba calor y luz para alumbrarse, o servía para despejar los bosques o de protección contra los animales salvajes, sino que fue la base para el control de otras reacciones químicas, como las derivadas de la cocción de los alimentos (que facilitaron su digestión y disminuían la cantidad de microorganismos patógenos en ellos). Aunque el fuego fuera la primera reacción química usada de manera controlada, las culturas antiguas desconocían su origen. Durante milenios se consideró una fuerza misteriosa y mística capaz de transformar unas sustancias en otras produciendo luz y calor.

En el pasado, los materiales que se usaron en las diferentes actividades humanas, han servido hoy para establecer ciertos periodos en la historia del hombre. Así la Edad de Piedra corresponde a la etapa anterior al uso de los metales, y los periodos que siguen, la Edad del Bronce y la Edad del hierro, comprenden la etapa en la que el hombre aprendió a extraer el cobre y el hierro de sus minerales.

Un Buen día, alguien arrojó al cobre caliente y fundido un misterioso polvo de color gris, y entonces surgió un metal más resistente: El Bronce. También de manera fortuita, algún otro, al calentar ciertas piedras rojizas sobre carbón de leña, logró obtener un nuevo metal: el Hierro. Los guerreros utilizaron el hierro para fabricar sus armas; sin embargo, la historia nos informa que el agresor, después de asestar sobre su enemigo un golpe rudo, tenía que enderezar la espada. El Problema del metal quedó resuelto cuando descubrieron nuevas aleaciones como el acero.

La química más antigua que conocemos es la metalurgia, el arte de tratar los metales, un conocimiento que mezcla la magia, la mística y la técnica de los pueblos antiguos. Al igual que se desconocían las causas del resto de transformaciones químicas, como las relacionadas con la metalurgia, aunque se dominaran sus técnicas.

ORÍGENES DE LA METALURGIA

El primer metal empleado por los humanos fue el oro que puede encontrarse en forma nativa, por lo que no necesita transformaciones químicas. La plata y el cobre también se pueden encontrar en forma nativa en pequeñas cantidades (además del estaño y el hierro meteórico que aparecen en cantidades exiguas) permitiendo un uso limitado de objetos metalísticos en las culturas antiguas. Las técnicas de esta metalurgia inicial se limitaban a fundir los metales con la ayuda del fuego para purificarlos y dar forma a los adornos o herramientas mediante moldes o cincelado. Pero los metales nativos son escasos y el uso de objetos metálicos no se generalizó hasta que se aprendió a extraer los metales a partir de sus minerales.

Algunos metales pueden obtenerse de sus menas simplemente calentando los minerales en una pira, principalmente el estaño y el plomo, y a mayores temperaturas, en un horno, el cobre; en un proceso de reducción conocido como fundición. Las primeras pruebas de extracción metalúrgica proceden del yacimiento de Çatalhöyük en Anatolia (Turquía), alrededor 6400 a. C., y los yacimientos arqueológicos de Majdanpek, Yarmovac y Plocnik, los tres en Serbia, datados en los milenios V y VI a. C. Al principio los metales se usaban por separado o mezclados tal como se encontraban. Al mezclarse el cobre con estaño o arsénico intencionadamente se consiguieron metales de mejores cualidades, las aleaciones denominadas bronces. Con este avance tecnológico surgió la Edad del Bronce. La tecnología relacionada con el bronce fue desarrollada en el Oriente Próximo a finales del IV milenio a. C., fechándose en Asia Menor antes del 3000 a. C. La disponibilidad de herramientas y armas fabricadas con un metal más duro y resistente permitió el desarrollo de la agricultura y los grandes ejércitos, y se fomentaron las rutas comerciales para el intercambio tanto de los minerales escasos como de productos terminados. A partir de la Edad del Bronce los pueblos que consiguieron armas de aleaciones y metales más duros se impusieron a sus vecinos.

La extracción del hierro de sus menas es mucho más difícil que la del cobre y el estaño, ya que requiere un proceso de fundición más complejo, que necesita carbón (una fuente de CO) como agente reductor y mayores temperaturas, pero a cambio se consigue un metal más duro y tenaz que el bronce y mucho más abundante. Existen restos arqueológicos con herramientas fabricadas con hierro sin níquel (prueba de que no es de origen meteórico) en Anatolia alrededor del 1800 a. C., pero también se han encontrado herramientas del periodo comprendido entre el 1800 a. C. y 1200 a. C. en el valle del Ganges en la India, y en yacimientos en África datados alrededor de 1200 a. C.

La cerámica

Los orígenes de la cerámica datan del Neolítico cuando el hombre descubrió que los recipientes hechos de arcilla, cambiaban sus características mecánicas e incrementaban su resistencia frente al agua si eran calentados en el fuego. Para controlar mejor el proceso se desarrollaron diferentes tipos de hornos, y cada cultura desarrolló sus propias técnicas y formas.

En Egipto se descubrió que recubriendo la superficie con mezclas de determinados minerales (sobre todo mezclas basadas en el feldespato y la galena) la cerámica se cubría con una capa muy dura, menos porosa y brillante, el esmalte, cuyo color se podía cambiar añadiendo pequeñas cantidades de otros minerales o variando las condiciones de aireación del horno. Estas tecnologías se difundieron rápidamente. En China se perfeccionaron las tecnologías de fabricación de las cerámicas hasta dar con la porcelana en el siglo VII.

Transformaciones orgánicas de la Antigüedad

Las sociedades antiguas usaban un reducido número de transformaciones químicas naturales como las fermentaciones del vino, la cerveza o la leche. También conocían la transformación del alcohol en vinagre, que usaban como conservante y condimento. Las pieles se curtían y blanqueaban sumergiéndolas en orina añeja o soluciones de palomina, gracias a que contienen urea y ácido úrico, respectivamente; la primera se transforma en amoniaco cuando se almacena largo tiempo, y también se usaba su capacidad blanqueadora con las manchas persistentes de los tejidos. Además tenían conocimiento del proceso de saponificación; los primeros registros de fabricación de jabones datan de Babilonia alrededor del 2800 a. C.

  1. QUÍMICA: TEORÍAS FILOSÓFICAS DE LA ANTIGÜEDAD CLÁSICA

Los filósofos intentaron racionalizar por qué las diferentes sustancias tenían diferentes propiedades (color, dureza, olor...), estaban en diferentes estados (gases, líquidos y sólidos) y reaccionaban de diferente manera ante los cambios del medio, por ejemplo frente al agua, el fuego o al ponerse en contacto con otras sustancias. Estas observaciones les impulsaron a postular las primeras teorías sobre la química y la naturaleza de la materia. Estas teorías filosóficas relativas a la química pueden encontrarse en todas las civilizaciones antiguas. Un aspecto común de todas ellas era el intento de encontrar un número reducido de elementos primarios que se combinarían entre sí para formar todas las demás sustancias de la naturaleza. Solían tratarse de sustancias conocidas como el agua, la tierra, la madera o el aire/viento, y formas de energía como el fuego o la luz, además de conceptos abstractos como el éter o el cielo.

LA ALQUIMIA

La alquimia (del árabe الخيمياء [al-khīmiyā]) es una antigua práctica protocientífica y una disciplina filosófica que combinaba elementos de la química, la metalurgia, la física y la medicina con la astrología, la semiología, el misticismo y el espiritualismo. La alquimia fue practicada en Mesopotamia, el Antiguo Egipto, Persia, la Antigua Grecia, el imperio romano, los califatos islámicos medievales y en la India, China y Europa hasta el siglo XVIII, por una compleja diversidad de escuelas y sistemas filosóficos que abarcaron al menos 2.500 años.

El sistema de elementos que usó la alquimia medieval fue desarrollado principalmente por el alquimista persa Jābir ibn Hayyān y se enraizaba en la tradición de los elementos griegos de la antigüedad clásica. Su sistema constaba de los cuatro elementos de Empédocles y Aristóteles: aire, tierra, fuego y agua a los que se añadían dos elementos filosóficos: el azufre, caracterizado por el principio de combustibilidad, «la piedra que arde»; y el mercurio que representaba las propiedades metálicas. Estos últimos eran considerados por los primeros alquimistas como expresiones idealizadas de los componentes irreductibles del universo, y fueron la principal contribución de la alquimia filosófica. En la Edad Media en Occidente existía tradicionalmente una relación entre la alquimia y la astrología de estilo greco-babilónico. En esa época se conocían siete metales (que salvo el mercurio no se consideraban elementos) y también se conocían siete astros en torno a la Tierra (puesto que imperaba el geocentrismo), por lo que se relacionaba cada metal y sus propiedades con un astro. Posteriormente el alquimista suizo Paracelso influido por la alquimia musulmana amplió también a siete los elementos en su lista alternativa, añadiendo a los cuatro tradicionales tres elementos alquímicos adicionales, denominados tría prima, tres principios metálicos para representar las propiedades de la materia: el azufre para la combustibilidad, el mercurio para la volatilidad y la estabilidad, y la sal para la solidez. Razonaba que los cuatro elementos de la teoría elemental aristotélica se manifestaban en los cuerpos como tres principios, denominados por Paracelso como Principios Fundamentales.

La Piedra Filosofal y el exoterismo

La alquimia se define como la búsqueda hermética de la piedra filosofal (una sustancia legendaria capaz de transmutar los metales en oro o de otorgar la inmortalidad y la omnisciencia), cuyo estudio estaba impregnado de misticismo simbólico y era muy diferente de la ciencia moderna. Los alquimistas trabajaban para hacer transformaciones a nivel esotérico (espiritual) y exotérico (práctico). Estos aspectos exotéricos protocientíficos de la alquimia fueron los que contribuyeron a la evolución de la química en el Egipto greco-romano, la Edad de Oro del islam y después en Europa. La alquimia y la química comparten su interés por la composición y las propiedades de la materia, y con anterioridad al siglo XVIII no había distinción entre ambas disciplinas. La alquimia aportó a la química la invención y desarrollo de gran parte del instrumental de laboratorio. Los primeros alquimistas occidentales, que vivieron en los primeros siglos de nuestra era, ya inventaron algunos equipamientos y procesos usados posteriormente por la química. El baño maría, o baño de agua para calentar controladamente, lleva el nombre de María la Judía considerada una de las fundadoras de la alquimia. En sus obras también aparecen las primeras descripciones del tribikos (un tipo de alambique de tres brazos) y del kerotakis (un dispositivo para recoger vapores). Cleopatra la Alquimista describió los métodos de fundición y destilación de la época, algunos le atribuyen la invención del primer alambique. En su búsqueda de la piedra filosofal los alquimistas descubrieron y aprendieron a purificar muchas sustancias químicas como el alcohol, el amoníaco, la sosa cáustica, el vitriolo, el ácido muriático (clorhídrico), el ácido nítrico, el ácido cítrico, el ácido acético, el ácido fórmico, el arsénico, el antimonio, el bismuto y el fósforo, entre otras.

Desde el punto de vista moderno la alquimia presentaba varios problemas. En primer lugar su objetivo no era la ampliación del conocimiento de un modo racionalista como actualmente entendemos una ciencia, sino que su fin era encontrar materias míticas como la piedra filosofal, y los descubrimientos experimentales se producían de forma colateral. Además carecía de un sistema para nombrar los nuevos compuestos que se descubrían, y su lenguaje era esotérico y vago hasta el punto que sus términos significaban cosas diferentes para distintas personas. La alquimia tampoco disponía de un método científico lógico y consensuado para hacer los experimentos reproducibles. De hecho muchos alquimistas incluían entre las anotaciones de sus métodos información irrelevante como los niveles de la marea o las fases de la Luna. La naturaleza esotérica y el vocabulario codificado de la alquimia al parecer servían sobre todo para ocultar que en realidad no tenían demasiadas certezas. Ya en el siglo XIV se evidenciaban las grietas en la fachada de la alquimia, y mucha gente se mostraba escéptica. Para haber avanzado habría necesitado un método normalizado que permitiera a otros reproducir los experimentos, y haberlos registrado de un modo claro que permitiera exponer lo que se sabía y lo que se desconocía.

  1. EL RENACIMIENTO: LOS INICIOS DE LA QUÍMICA

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. Por ejemplo la obra describe la diversidad de tipos de altos hornos usados para la fundición de las menas minerales. Aborda el tema eliminando el misticismo que tenía asociado anteriormente, creando una base práctica que otros pudieran desarrollar, y estimuló el interés por los minerales y su composición. En 1605, Francis Bacon publicó The Proficience and Advancement of Learning (La capacidad y progreso del aprendizaje), una obra científico-filosófica que contiene una descripción de cómo debería ser la práctica experimental que posteriormente se conocería como el método científico.45 En 1605 Michal Sedziwój publicó el tratado alquímico Novum Lumen Chymicum (La nueva luz de la química), que propone por primera vez la existencia en el aire de un «alimento para la vida», que posteriormente se reconocerá como el oxígeno. En 1615 Jean Beguin publicó Tyrocinium Chymicum (La práctica de la química), el primer libro de texto de química, donde aparece la primera ecuación química.46 En 1637 René Descartes publicó Discours de la méthode (El discurso del método), un ensayo que basa la investigación científica en los cálculos matemáticos y la desconfianza en los hechos no probados.

La obra del químico holandés Jan Baptist van Helmont, Ortus medicinae (El origen de la medicina) publicada póstumamente en 1648, se considera la principal obra de transición entre la alquimia y la química. El libro contiene el resultado de numerosos experimentos y enuncia una versión inicial de la ley de conservación de la masa. Indicó que existían otras materias «insustanciales» además del aire, y acuñó para ellas el nombre de «gas» (del griego cáos).

Robert Boyle

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 reconoce como un hito científico la publicación de la obra de Boyle The Sceptical Chymist: or Chymico-Physical Doubts & Paradoxes (El químico escéptico: o las dudas y paradojas quimio-físicas) en 1661, que se considera un pilar fundamental del campo de la química. En la obra Boyle presenta su hipótesis de que todos los fenómenos son el resultado de la colisión de las partículas en movimiento.

También declaró que la química debería dejar de estar subordinada a la medicina o la alquimia y debería alzarse al estatus de ciencia por sí misma. Destaca su defensa de la experimentación científica rigurosa. Boyle creía que todas las teorías deberían probarse experimentalmente antes de ser consideradas ciertas. Su obra además contiene algunas de las primeras ideas modernas sobre átomos, moléculas y reacciones químicas, por lo que marcó el inicio de la historia de la química moderna.

Boyle también trató de purificar las sustancias químicas para obtener reacciones reproducibles. Fue un defensor de la filosofía mecánica propuesta por René Descartes para explicar y cuantificar las propiedades e interacciones de las sustancias químicas. Boyle era un atomista, pero prefería la palabra corpúsculo a átomo. Puntualizó que la división más pequeña de la materia a la que se mantenían las propiedades era a nivel de los corpúsculos.

  1. TEORÍA DEL FLOGISTO

A finales del siglo XVII y principios de XVIII se propuso la teoría del flogisto para intentar explicar los procesos de combustión y oxido-reducción mediante la pérdida o transferencia, respectivamente, de un supuesto fluido denominado flogisto.53 La teoría fue propuesta inicialmente por Johann Becher y desarrollada por Georg Stahl, ambos químicos alemanes. Becher postuló otra reforma de la teoría de los cuatro elementos en la que solo la tierra y el agua serían componentes de las materias, en distintas proporciones, y el fuego y el aire serían meramente agentes de las transformaciones. A su vez existirían tres tipos distintos de tierras, cada una de ellas portadora de una propiedad: el aspecto vítreo, la fluidez o volatilidad, y el carácter inflamable. Para esta última Georg Stahl acuño el término flogisto en 1702. Toda sustancia susceptible de sufrir combustión contendría cierta cantidad de flogisto, y el proceso de combustión consistiría básicamente en la pérdida de dicha sustancia. Se conocía desde la antigüedad que algunas sales metálicas podían ser transformadas de nuevo en los metales de partida. Stahl explicó este proceso suponiendo que los metales estaban formados por una cal y un principio inflamable carente de masa, el flogisto, por lo que la calcinación, es decir, la formación de la cal, se podía explicar, al igual que la combustión, como un desprendimiento de flogisto, el cual se liberaba del metal y dejaba la cal al descubierto en las cenizas. El proceso inverso, la reducción de la cal al metal, podía ser igualmente explicado como una adición de flogisto. Joseph Priestley usó la teoría del flogisto en sus experimentos de química pneumática para explicar las transformaciones de los gases. Priestley denominó al residuo de aire que quedaba tras un proceso de combustión «aire flogistizado» (en realidad, una mezcla de nitrógeno y dióxido de carbono), pues pensaba que durante la combustión dicho aire había absorbido todo el flogisto que tenía capacidad de albergar, y por eso cesaba la combustión.

La teoría del flogisto fue popular durante el siglo XVIII hasta que Antoine Lavoisier la refutó en su obra Réflexions sur le phlogistique, pour servir de suite à la théorie de la combustion et de la calcination (Reflexiones sobre el flogisto, para formar parte de la teoría de la combustión y la calcinación) publicada en 1777. Según Stahl cualquier sólido liberaba flogisto bajo la acción del fuego, luego tras la combustión perdería masa o la mantendría (según el flogisto tuviera masa o no). Sin embargo, Lavoisier hizo experimentos calcinando metales y después de la calcinación en algunos el peso del residuo (los óxidos) era mayor que el cuerpo inicial. En estos casos el flogisto tendría un peso negativo, lo que resultaba absurdo, y demostraba la inconsistencia de la teoría del flogisto.

Antoine Lavoisier

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. 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. Repitiendo los experimentos de Priestley demostró que el aire estaba compuesto de dos partes (no era un elemento), y una de ellas se combinaba con los metales para formar las cales. Demostró que la parte del aire responsable de la combustión también era la fuente de la acidez en disoluciones. Al año siguiente nombró a esta parte
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