Chemistry: A Volatile History Episodio 3

Chemistry: A Volatile History es una serie documental de la BBC de 2010 sobre la historia de la química presentado por Jim Al-Khalili. Fue nominada para los Premios de Televisión de la Academia Británica 2010 en la categoría Specialist Factual.

Episodio 3: El poder de los elementos

Sólo 92 elementos se combinan para formar todos los compuestos de la Tierra. El hierro, cuando se combina con el cromo, el carbono y el níquel, se convierte en acero inoxidable. El vidrio está hecho de silicona y oxígeno.

Desde la prehistoria, la gente se ha dedicado a la “química del cubo”, es decir, a añadir todo tipo de productos químicos, sólo para ver qué pasaba. Como resultado, muchos de los primeros descubrimientos en química fueron accidentales.

Heinrich Diesbach produce la primera pintura sintética

En la Prusia del siglo XVIII, Heinrich Diesbach intentaba producir una pintura roja sintética. Comenzó calentando potasa (carbonato de potasio), sin saber que su potasa había sido contaminada con sangre. Cuando se calientan, las proteínas de la sangre se alteran, permitiendo que se combinen con el hierro de la sangre, mientras que el carbonato reacciona con la hemoglobina para producir un sólido.

Después de calentar el sólido resultante a ceniza, filtrar y diluir, Diesbach añadió vitriolo verde (sulfato de hierro) para crear un ión complejo: ferrocianuro férrico. Por último, la adición de alcohol de sal (ácido clorhídrico) le confiere un color brillante: Azul de Prusia.

Justus von Liebig y Friedrich Wöhler se encuentran con el isomerismo

Desde que vio los fuegos artificiales cuando era niño, otro químico alemán, Justus von Liebig, se obsesionó con tratar de comprender mejor los elementos creando combinaciones explosivas. Específicamente, estaba interesado en el compuesto explosivo fulminante de plata.

En 1825 leyó un artículo escrito por Friedrich Wöhler en el que describe un compuesto llamado cianato de plata, hecho en partes iguales de plata, carbono, nitrógeno y oxígeno, que describió como inofensivo y estable. Von Liebig respondió inmediatamente una carta enfurecida condenando a Wöhler como un analista sin esperanza: esos elementos combinados en proporciones iguales fueron exactamente lo que hizo que el explosivo fulminante de plata.

En lugar de dar marcha atrás, Wöhler desafió a von Liebig a fabricar cianato de plata para sí mismo. Los resultados le habrían sorprendido: los mismos elementos que combinaban según el método de von Liebig, cuando se combinaban según el método de Wöhler, formaban dos compuestos completamente diferentes.

Wöhler y von Liebig habían descubierto inadvertidamente el isomerismo: el mismo número de átomos de los mismos elementos que se combinan de diferentes maneras para formar diferentes compuestos. Con el tiempo, esto explicaría cómo sólo 92 elementos podrían hacer la vasta gama de compuestos que conocemos hoy en día.

Los químicos empezaron a darse cuenta de que comprender la disposición de los átomos dentro de los compuestos era crucial si deseaban diseñar nuevos compuestos, y el primer paso en esta dirección fue el estudio del carbono.

Smithson Tennant descubre de qué están hechos los diamantes

En 1796 Smithson Tennant estaba experimentando con diamantes cuando decidió quemar uno. Usando sólo la luz del sol y una lupa, logró encender un diamante lo suficiente para que produjera un gas, que recogió y pudo identificar como dióxido de carbono.

Después de haber empezado sólo con diamantes y oxígeno, y haber producido un gas que contiene sólo carbono y oxígeno, Tennant había descubierto que los diamantes están hechos de carbono.

Sin conocer la teoría atómica de la época, los científicos no pudieron explicar cómo el carbono, ya conocido como una de las sustancias más blandas en forma de grafito, podía ser también el único elemento constituyente de la sustancia más dura conocida: el diamante.

Exactamente 50 años después, un joven químico escocés descubrió que no hay premios en Ciencias por ser segundo.

Archibald Scott Couper formula la teoría de los enlaces químicos

En 1856, Archibald Scott Couper fue a trabajar para un químico francés, Charles-Adolphe Wurtz. Durante su estancia en París se le ocurrió la idea de los vínculos entre los átomos que podrían explicar cómo los átomos individuales formaban compuestos. Llamó a estos enlaces “bonos”. De alguna manera, Couper se dio cuenta de que el carbono puede formar cuatro enlaces, uniéndose así con diferentes fuerzas a otros átomos de carbono en un compuesto:

En el diamante, los cuatro enlaces están conectados a otros átomos de carbono en tres dimensiones, lo que los hace tan duros.

En el grafito sólo tres enlaces están conectados con otros átomos de carbono en una red hexagonal bidimensional, permitiendo que las capas se deslicen unas sobre otras, haciendo que el grafito sea blando.

La capacidad del carbono para formar cuatro enlaces también significa que puede existir en una gran variedad de estructuras químicas, como cadenas largas e incluso anillos, lo que lo convierte en una rareza entre los elementos. Esto ayudó a explicar la abundancia de carbono en todas las formas de vida, desde la proteína y la grasa, hasta el ADN y la celulosa, y por qué el carbono existe en más compuestos que cualquier otro elemento.

Todo lo que le quedaba a Couper era publicar su artículo….

Friedrich Kekulé formula la misma teoría de los enlaces químicos

Friedrich Kekulé era un científico alemán que pasó algún tiempo estudiando en Londres. Al parecer, mientras viajaba en un autobús londinense, se topó con la idea de que los átomos `se cogían de la mano’ para formar largas cadenas. Kekulé se apresuró a componer un documento que formalizaba sus ideas sobre una teoría equivalente de los enlaces químicos.

Mientras tanto, en París, Wurtz había tardado en publicar el periódico de Couper y Kekulé, cuyo trabajo apareció primero impreso, se llevó todo el mérito. Cuando Couper descubrió que Wurtz se había demorado en enviar su trabajo para ser publicado, se enfureció y fue expulsado rápidamente del laboratorio por Wurtz.

La aplastante decepción de haber perdido su oportunidad de reconocimiento científico lo llevó primero a retirarse de la Ciencia y luego a sufrir un colapso nervioso. Pasó años entrando y saliendo de un asilo.

Sin embargo, ahora que los científicos estaban empezando a entender la forma en que el carbono se combina consigo mismo y con otros elementos, era posible crear nuevos compuestos mediante el diseño y nació la química industrial.

Wallace Carothers inventa el nylon

Dos décadas después de que se inventara el primer plástico del mundo, la baquelita, en 1907, Wallace Carothers logró extraer una fibra de la interfase de dos líquidos: el hexano-1,6-diamina y el decanodioil-dicloruro, que podía ser hilado en un hilo muy fino y muy fuerte. Se le dio el nombre de nylon.

Sorprendentemente, sólo tres semanas después de que se presentara la patente del nylon, un deprimido Carothers introdujo otro compuesto a base de carbono en su propia bebida, el cianuro de potasio, y se suicidó.

Evidentemente, la química industrial no estaba exenta de sus desventajas, y se puede decir que un químico fue responsable de contaminar toda la Tierra con plomo por sí solo.

Thomas Midgley Junior evita que los motores golpeen

En su calidad de ingeniero de General Motors, Thomas Midgley experimentó con una miríada de compuestos diferentes, que añadió a la gasolina en un intento de evitar que los motores golpearan. Eventualmente, descubrió un compuesto que funcionó brillantemente: tetraethylplomo.

En la década de 1970, el uso de la gasolina con plomo era omnipresente en todo el mundo, pero estaban surgiendo investigaciones sobre el daño que estaba causando a los seres humanos y al medio ambiente. En 1983, una Comisión Real hizo la pregunta: “¿Hay alguna parte de la superficie de la Tierra, o alguna forma de vida que no esté contaminada?”

En la actualidad, casi toda la gasolina está sin plomo, aunque en los vehículos de motor las baterías siguen funcionando con plomo.

Henri Becquerel descubre la radiactividad

En 1896 el científico francés Henri Becquerel estaba trabajando con cristales de uranio cuando descubrió que la luz UV los hacía brillar. Dejando los cristales de uranio en una placa fotográfica no expuesta durante la noche, regresó a la mañana siguiente para descubrir que habían causado que se revelara la parte de la placa sobre la que estaban sentados.

Becquerel razonó correctamente que la única fuente de energía que pudo haber causado esto fueron los propios cristales. Había descubierto la radioactividad y un joven científico polaco comenzó a investigar.

Marie Curie investiga la radiactividad

Marie Curie comenzó sus investigaciones probando un mineral de uranio llamado pechblenda con un electrómetro. Descubrió que era cuatro veces más radioactivo que el uranio puro, y se preguntó si esto se debía a la presencia de un elemento aún más radioactivo en la pechblenda.

Curie comenzó a almacenar toneladas de pechblenda, luego en el más básico de los talleres con equipo primitivo emprendió una multitud de procedimientos complejos y peligrosos en un intento de aislar este nuevo elemento.

En el evento, Curie descubrió dos nuevos elementos, el polonio que lleva el nombre de su Polonia natal y el radio. Aunque se trataba de elementos naturales, alimentaron el deseo científico de crear elementos artificiales totalmente nuevos.

Ernest Rutherford explica la radiactividad

A principios del siglo XX se creía que los átomos nunca cambian: un átomo de un solo elemento permanece así para siempre. Rutherford ya había revelado que la estructura de un átomo consistía principalmente en un espacio vacío con un núcleo denso de protones en el centro, y Henry Mosley había demostrado que es el número de protones lo que le da a un átomo su identidad como elemento particular. Un átomo del elemento carbono tiene 6 protones, mientras que un átomo con 7 protones es uno de nitrógeno.

Rutherford llegó a la conclusión de que el número de protones en un elemento radiactivo podría cambiar – a través de un proceso de descomposición donde partes del núcleo son expulsadas del átomo. Rutherford nombró a estos fragmentos de partículas alfa del núcleo expulsado.

Rutherford se dio cuenta de que si un átomo está perdiendo protones, su identidad está cambiando al mismo tiempo, ya que la identidad de un átomo está gobernada por su número de protones. La desintegración radioactiva hace que los átomos de un elemento se transmuten en átomos de otro elemento. Luego trató de diseñar artificialmente una transmutación específica.

Rutherford fijó una fuente de partículas alfa -cada una de las cuales contiene dos protones- en un extremo de una cámara cilíndrica. En el otro extremo arregló una pantalla. Cada vez que una partícula alfa llegaba a la pantalla, producía un destello. Luego introdujo nitrógeno en la cámara y observó destellos adicionales y diferentes en la pantalla. Ocasionalmente, una partícula alfa colisionaba con un núcleo de nitrógeno y era absorbida por éste, eliminando un protón en el proceso. Estos protones luego viajaron a través de la cámara hacia la pantalla para producir los destellos adicionales.

Sin embargo, el núcleo de nitrógeno – habiendo absorbido dos protones pero perdido sólo uno – había ganado un protón y se había convertido en un núcleo de oxígeno. El trabajo de Rutherford dio esperanza a los científicos que trataban de crear nuevos elementos, pero fue necesario un descubrimiento final sobre el átomo.

En 1932 el científico de Cambridge James Chadwick descubrió el neutrón – partículas eléctricamente neutras que también se encuentran dentro del núcleo junto con los protones.

Enrico Fermi afirma haber hecho elementos más pesados que el uranio

Ahora en Italia, Enrico Fermi, apodado “el Papa” por sus colegas por su infalibilidad, se dio cuenta del potencial del recién descubierto neutrón en la búsqueda de elementos más pesados que el uranio. Hasta ahora, los científicos habían estado bombardeando uranio con partículas alfa con la esperanza de que entraran en el núcleo. Desafortunadamente, esto era muy improbable porque tanto las partículas alfa como los núcleos están cargados positivamente – las partículas alfa nunca pudieron superar la repulsión electrostática del núcleo.

Fermi razonó que debido a que los neutrones no llevan carga eléctrica, tendrían una mejor oportunidad de penetrar el núcleo de un átomo de uranio. Así que Fermi se puso a disparar neutrones al uranio. Fermi pensó que esto, junto con su conocimiento de la descomposición beta, por la cual un núcleo inestable intenta estabilizarse convirtiendo un neutrón en un protón y expulsando un electrón recién formado, resultaría en un elemento con un protón extra que el uranio: el elemento 93.

De hecho, Fermi descubrió elementos que no reconocía. Analizó elementos por debajo del uranio en la tabla periódica: radio, actinio, polonio, hasta el plomo – no era nada de eso. Así, en 1934, el infalible Fermi declaró al mundo que había creado elementos más pesados que el uranio.

Otto Hahn refuta las afirmaciones de Fermi

En 1938, un equipo de científicos alemanes, dirigido por Otto Hahn, decidió investigar la audaz afirmación de Fermi. Desafortunadamente para Fermi, rápidamente refutaron su afirmación; uno de los elementos producidos fue el bario, que, con 56 protones, no estaba ni mucho menos cerca de los 92 protones con los que comenzó el núcleo cuando era uranio.

Hahn escribió sobre su confusión a su colega Lisa Meitner quien, como judía austriaca, había huido recientemente de la Alemania nazi hacia Suecia.

Lise Meitner explica el trabajo de Fermi

Durante la Navidad de 1938, Meitner consideró que el problema del núcleo de uranio, que según ella, dado su tamaño relativo, debe ser bastante inestable. Decidió modelar el núcleo como una gota de agua, lista para dividirse con el impacto de un solo neutrón. Se dio cuenta de que el núcleo se había partido por la mitad, y tanto Fermi como Hahn habían sido testigos de lo que ahora se conoce como fisión nuclear.

Sin embargo, al hacer los cálculos para tal evento, Meitner fue incapaz de hacer el balance de las ecuaciones. Calculó que los productos de la reacción de fisión eran más ligeros que el uranio inicial, en aproximadamente un quinto de un protón. De alguna manera, una pequeña cantidad de masa había desaparecido. Luego, lentamente, la solución a esta discrepancia se le ocurrió a Meitner – Einstein y E = mc2 – la masa faltante se había convertido en energía.

El Proyecto Manhattan

El trabajo de Meitner fue publicado en 1939, pero además de generar interés entre la comunidad científica, las revelaciones de Meitner también llamaron la atención de los gobiernos al borde de la guerra. Impulsados por el temor de que la Alemania nazi estuviera investigando sus propias armas nucleares, los científicos se reunieron en Estados Unidos para trabajar en el Proyecto Manhattan con el objetivo de crear la primera bomba atómica.

Para que ocurra una explosión, debe haber una liberación rápida de energía – una liberación lenta de energía de los núcleos de uranio daría lugar a un incendio de uranio, pero no a una explosión. Ambas partes se esforzaron por crear las condiciones necesarias para una reacción en cadena.

En 1942 Enrico Fermi, que ahora vive en Estados Unidos, indujo con éxito una reacción en cadena en uranio, pero el procesamiento de uranio para bombas era difícil y costoso. América acababa de encontrar una solución diferente para ganar la carrera atómica.

Ahora, finalmente, el sueño de los científicos de crear un elemento más allá del final de la tabla periódica estaba a punto de hacerse realidad.

Edwin McMillan y Philip H. Abelson crean el primer elemento sintético

En California, los científicos estaban tratando de crear un nuevo elemento más pesado que el uranio usando máquinas de ciclotrón. Esto implicaba el uso de imanes enormes para dirigir a los átomos en círculos cada vez más rápido hasta que alcanzaban una décima parte de la velocidad de la luz, con lo cual eran aplastados contra un objetivo de uranio.

Edwin McMillan y Philip H. Abelson volaron uranio con un haz de partículas para crear el primer elemento sintético, más pesado que el uranio, el elemento 93, al que llamaron neptunio.

El siguiente elemento sintético, el plutonio, se produjo rápidamente en 1941, y los científicos se dieron cuenta de que era capaz de someterse a la fisión de una manera capaz de producir la reacción en cadena deseada. Pronto se convirtió en una bomba.

Apenas siete años después del descubrimiento de la fisión nuclear, el 6 de agosto de 1945, medio gramo de uranio se convirtió en energía cuando la primera bomba atómica del mundo fue lanzada sobre Hiroshima. Como sugieren los cálculos de Lisa Meitner, esta conversión liberó energía equivalente a 13.000 toneladas de TNT. Una bomba de plutonio fue lanzada sobre Nagasaki tres días después.

Centro Helmholtz de la GSI para la investigación de iones pesados

Utilizando uno de los aceleradores de partículas más grandes del mundo, los científicos que trabajan en las instalaciones de Heavy Ion Research en Darmstadt, Alemania, han confirmado hasta ahora la existencia del elemento 112, al que han llamado copernicium, en honor al astrónomo polaco Nicholas Copernicus.

Estos físicos se han convertido en los nuevos químicos – probando los fundamentos de la tabla periódica, y por lo tanto nuestra comprensión del universo, a la luz de los nuevos descubrimientos.

Además de producir nuevos elementos, los científicos también intentan discernir sus propiedades. Se ha descubierto que el copernicio es un metal volátil que sería líquido a temperatura ambiente si se hiciera lo suficiente – exactamente lo que Mendeleev predeciría para un elemento que se encuentra directamente debajo del mercurio líquido en la tabla periódica.

Mira el primer episodio de Chemistry: A Volatile History aqui

Mira el segundo episodio de Chemistry: A Volatile History aqui


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