El ingeniero que domó el Sol

El diario EL PAIS, en sus “Historias de cerebros fugados”, publica una referida a Federico Molero, baluarte de la defensa de Madrid, que diseñó en la URSS en 1945 una central pionera de energía solar. El reportaje está en: http://cultura.elpais.com/cultura/2013/08/30/actualidad/1377879972_969661.html

COMIENZA LA ERA DE LA ELECTRICIDAD

El primero en conseguir la producción de corriente eléctrica de una manera continua fue el físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) mediante un dispositivo que hoy conocemos como ‘pila voltaica’. Volta se basó en dos hechos experimentales conocidos en su época:

  • Las experiencias del profesor de anatomía italiano Galvani (1777-1798) sobre las contracciones sufridas por la pata de una rana al tocar el músculo y nervio correspondiente con dos metales distintos unidos entre sí.
  • El hecho de que poniendo en contacto la lengua con los extremos de dos barras de metal unidas entre sí por el otro extremo se apreciaba una sensación desagradable.

En ambos casos, se observaba una pequeña chispa al poner en contacto los dos metales entre sí.

Galvani había interpretado sus experiencias suponiendo la existencia de ‘electricidad animal’. Volta comprobó que el efecto luminoso que acompañaba a las observaciones anteriores también tenía lugar al introducir los extremos de dos metales en una disolución salina y hacer que se tocaran por el otro extremo, por lo que explicó estos fenómenos como algo ‘no animal’. Sin embargo, no llegó a darse cuenta de que la producción de corriente iba asociada a una reacción química.

Para aumentar los efectos producidos, Volta construyó en 1793 una batería, es decir, varias pilas en serie, constituída cada una de ellas por placas e metales distintos sumergidas en una disolución de un ácido, una base o una sal, o en contacto a través de una tela o papel humedecido en dicha disolución. El flujo de corriente producido en estas pilas era mayor o menor según en par de metales utilizados.

Tan pronto como los trabajos de Volta fueron conocidos en Londres por los miembros de la Royal Society -institución inglesa que alentaba y subvencionaba las investigaciones científicas-, se pusieron a construir pilas análogas y a investigar sobre ellas. Conectando la pila a electrodos de platino y sumergiéndolos en agua observaron en ambos electrodos un desprendimiento de gases, que reconocieron como hidrógeno y oxígeno. Por primera vez se había descompuesto el agua en sus elementos por el paso de la corriente eléctrica.

El químico inglés Humphry Davy (1778-1829) intentó descomponer por medio de la corriente eléctrica sustancias tales como la sosa (carbonato de sodio), la potasa (carbonato de potasio) y la cal viva (óxido de calcio), hasta entonces consideradas como elementos por no haberse logrado su descomposición térmica. Por electrólisis de los carbonatos de sodio y potasio fundidos y de la cal apagada (hidróxido de calcio) fundida obtuvo por vez primera los elementos sodio, potasio y calcio. A partir de este momento se facilitó el camino para distinguir entre elementos y compuestos, así como para obtener elementos hasta entonces imposibles de aislar.

De igual manera que la corriente eléctrica es la causa de una reacción química en una electrólisis, Davy pensó que la electricidad producida en una pila podía ser debida a una modificación química de los metales que la constituyen y no a un mero contacto entre ellos, como había creído Volta. El primero que logró conseguir una corriente apreciable con una sola pila fue el químico inglés John Daniell (1790-1845).

(Tomado de GRUP RECERCA-FARADAY, Una introducción a la Química de las sustancias)

(a) ¿Por qué crees que son importantes en la Química los experimentos de Davy que se mencionan?.
(b) Compara las interpretaciones que Volta y Davy dan al fenómeno de producción de una corriente eléctrica.

FARADAY Y LA ELECTRÓLISIS

Michael Faraday (1791-1867) empezó trabajando de encuadernador asalariado y adquirió una formación autodidacta leyendo los libros que encuadernaba. Andaba buscando emplearse en un laboratorio cuando se encontró con Humphrey Davy -que había conseguido obtener sodio y potasio por electrólisis-, quien le contrató en 1812 como auxiliar en los experimentos químicos.

La aportación de Faraday a la ciencia fue muy amplia. Su nombre va unido a los transformadores eléctricos, a la utilización de magnetismo para producir electricidad, al benceno, a la electrólisis, …

Lee detenidamente la carta que Faraday escribió a los 20 años a su viejo amigo Benjamin Abbott y contesta a las preguntas que al final se hacen.

‘Ultimamente he realizado unos cuantos experimentos galvánicos (o electroquímicos) para aclararme a mí mismo los primeros principios de la ciencia. Yo fui a los Knight para obtener algún níquel y pensé que tendrían cinc maleable. Me enteré y compré algo. – ¿Ha visto Vd. alguno todavía?- La primera porción que obtuve era de los trozos más delgados posible y de forma plana. Según me informaron era bastante delgado para la varilla eléctrica o, como antes le llamé, la columna eléctrica de De Luc. Mi propósito era hacer discos, con los cuales y cobre formar una pequeña batería. La primera que terminé contenía el número inmenso de ¡siete pares de discos!, cada uno del inmenso tamaño ¡de medio penique!.

Yo, señor, corté por mí mismo siete discos del tamaño de medio penique cada uno, los cubrí con siete medios peniques e interpuse siete, mejor dicho seis, trozos de papel empapados en una solución de clorhidrato de sodio (hoy diríamos cloruro de sodio). Pero no se siga riendo de mí querido Abbott, más bien sorpréndase del efecto producido por este trivial aparato. Fue suficiente para producir la descomposición del sulfato de magnesia -un efecto que me sorprendió sumamente- porque no tenía ni podría tener idea de que este agente fuera capaz de este resultado. Entonces se me ocurrió una idea; voy a decírsela. Puse en comunicación la parte inferior y superior de la pila y la solución mediante un alambre de cobre. ¿Pensará Vd. que era el cobre, la parte sumergida en la solución, lo que descomponía al sulfato terroso?. De que se había producido un fenómeno galvánico estaba seguro, porque ambos alambres se cubrieron en pocos minutos de burbujas de algún gas y una corriente continua de burbujas, parecidas a pequeñas partículas, corrían a través de la solución desde el alambre negativo. Mi prueba de que el sulfato se había descompuesto fue que, al cabo de dos horas, la solución antes clara se hizo turbia: el magnesio estaba suspendido en ella.’

(Tomado de GAMOW: Biografía de la Física).

(a) ¿Qué experimento se describe en la carta?
(b) En el relato se habla de un ‘trivial’ aparato. ¿A qué dispositivo se refiere?
(c) ¿Cómo se realiza la electrólisis? ¿Qué electrólito usa? ¿Que pasa con los electrodos? ¿Qué pasa con el color de la disolución?
(d) ¿Por qué dice ‘aclararme a mí mismo’?

 

LEY DE GAY-LUSSAC E HIPÓTESIS DE AVOGADRO

Se realizaron muchos experimentos durante el siglo XVIII y principios del XIX antes de que fuera posible determinar con certeza el número de los diferentes átomos que forman cada molécula. La confusión llegó a ser tan grande que algunos químicos se desesperaban con la teoría atómica. Afortunadamente, el número de átomos existentes en una molécula de un gas pudo ser precisado gracias a la interpretación que el químico italiano Amadeo Avogadro (1776-1856) dió de la ley de los volúmenes de combinación establecida por el químico francés y maestro de química experimental J.L. Gay-Lussac (1778- 1850).enunciado

En 1.808, Gay-Lussac había observado que el experimento de la explosión de los gases hidrógeno y oxígeno para la obtención de vapor de agua podía interpretarse con una gran simplicidad: vió que 2 volúmenes de hidrógeno se combinaban con 1 volumen de oxígeno para formar 2 volúmenes de vapor de agua. Como sabía que las propiedades físicas de los gases, en general, tienen una uniformidad característica, Gay-Lussac pensó que otros gases, además de oxígeno e hidrógeno, se combinarían según proporciones simples de volumen. Esta conjetura fue confirmada por sus cuidadosos experimentos, con los que obtuvo los siguientes resultados:

1 volumen de hidrógeno + 1 volumen de cloro = 2 volúmenes de ácido clorhídrico

1 volumen de nitrógeno + 3 volúmenes de hidrógeno = 2 volúmenes de amoniaco

1 volumen de oxígeno + 2 volúmenes de monóxido de carbono = 2 volúmenes de dióxido de carbono

1 volumen de nitrógeno + 1 volumen de oxígeno = 2 volúmenes de óxido nítrico

En función de estos resultados, Gay-Lussac pudo enunciar la siguiente ley:

Los volúmenes de los gases que reaccionan o se obtienen en una reacción química, medidos en iguales condiciones de presión y temperatura, guardan relación de números enteros sencillos.

Cuando Gay-Lussac puso de manifiesto este sorprendente comportamiento de los gases, Dalton lo rechazó totalmente. Fue necesario la aportación de Avogadro, en 1811, para que la teoría atómica de la materia surgiera más fuerte que nunca, casi en su formulación actual.

La ley de Gay-Lussac hizo pensar acertadamente a Avogadro que:

la relación de volúmenes de los gases que reaccionaban o se formaban era la misma que la relación entre el número de partículas -átomos o moléculas- que reaccionaban o se formaban de cada gas.

Así, según Avogadro, si se produce la siguiente reacción entre gases:

1 volumen de hidrógeno + 1 volumen de cloro = 2 volúmenes de ácido clorhídrico

el número de partículas intervinientes están en la misma proporción:

N moléculas de hidrógeno + N moléculas de cloro = 2N moléculas de ácido clorhídrico

Esta importante contribución de Avogadro se conoce con el nombre de hipótesis de Avogadro, la cual también se enuncia así:

Bajo las mismas condiciones de temperatura y presión, volúmenes iguales de todos los gases -ya sean simples, compuestos o mezclas- contienen el mismo número de moléculas.

EL ÁTOMO QUÍMICO

El primer enunciado científico de una teoría atómica se debe al químico inglés John Dalton (1766-1844). Dalton fue un auténtico autodidacta; hijo de un tejedor manual, tuvo que mantenerse pobremente como maestro y tutor general de Manchester; poseía una fuerte iniciativa y rica imaginación, pero lo más notable era su extraordinaria intuición que le llevó a importantes conclusiones. La ‘hipótesis’ atómica de Dalton, publicada bajo el título ‘Nuevo sistema de filosofía química’, puede resumirse en los siguientes puntos:

(a) La materia consta de átomos indivisibles.

‘La materia -escribe Dalton-, aunque divisible en un grado extremo, no es infinitamente divisible. Esto es, debe haber un punto más allá del cual no podemos ir en la división de la materia … Yo he elegido la palabra átomo para representar estas últimas partículas …’.

(b) Cada elemento consta de una clase característica de átomos idénticos.

Existen consecuentemente tantas clases diferentes de átomos como elementos; los átomos de un elemento ‘son perfectamente semejantes en masa y figura, etc’. Aquí Dalton simplificaba más que los primitivos atomistas, que consideraban átomos de diferentes dimensiones, en un mismo elemento. Nótese que Dalton da al concepto de elemento una especificidad que hasta entonces no había tenido (recuérdese la definición operativa y provisional debida a Lavoisier).

(c) Los átomos son invariables.

Los átomos de los diferentes elementos ‘nunca pueden transformarse los unos en los otros por ninguna potencia que podamos controlar’. Dalton recogía así la impotencia de la alquimia para obtener el elixir de la ‘eterna juventud’ o la ‘piedra filosofal’ que serviría para transmutar otras sustancias en oro.

(d) Cuando se combinan diferentes elementos para formar un compuesto, la porción más pequeña del compuesto consta de un número definido de átomos de cada elemento.

(e) En las reacciones químicas, los átomos ni se crean ni se destruyen, solamente cambia su distribución.

‘Ninguna nueva creación o destrucción de la materia está dentro del alcance de los agentes químicos … Todos los cambios que podemos producir consisten en la separación de partículas que están en estado de cohesión o combinación y en la unión de aquellas que previamente estaban distanciadas’.

(f) Al formarse los compuestos durante las reacciones químicas, los números de átomos de los elementos que se combinan guardan entre sí relaciones muy sencillas: 1 a 1, 1 a 2, etc.

¿BERTHOLET O PROUST?

Los primeros químicos mantuvieron violentas discusiones acerca de las cantidades relativas de las sustancias que reaccionan para formar los compuestos. De una parte estaba un prestigioso químico francés Bertholet (1748-1822), que sostenía que un par de sustancias se podían combinar en cualquier proporción para formar un compuesto. Citaba la combinación del plomo con el oxígeno como evidencia de que el cambio de composición era continuo:

‘El plomo forma un óxido que en principio es gris, después pasa por varias tonalidades de marrón y termina siendo rojo’.

Se sabía ya en aquella época que los gases reaccionan en proporción de volumen constante -recuerda la relación 2:1 del hidrógeno al oxígeno que has observado en la formación del agua-, pero Berthollet pensó que este comportamiento era sólo característico de los gases.

Por otra parte estaba el químico francés Proust (1724- 1826), quién trabajó en España como profesor de Química de la academia de artillería de Segovia, nombrado por el rey Carlos IV. Proust mantenía que todas las sustancias se combinaban en proporción constante para formar nuevas sustancias. En 1799 enunció la llamada ley de las proporciones constantes con un lenguaje casi poético:

‘Debemos reconocer la existencia de una mano invisible que mantiene el equilibrio en la formación de los compuestos. Un compuesto es una sustancia a la que la Naturaleza asigna relaciones fijas; en pocas palabras, es una entidad que la Naturaleza crea con la balanza en la mano … No se ha observado todavía ninguna diferencia entre los óxidos de hierro del norte y del sur. El cinabrio del Japón está constituído por las mismas proporciones que el de España. La plata no está oxidada de forma diferente en el óxido del Perú que en el de Siberia …’.

En lenguaje más actual, esta ley establece que:
Cuando dos sustancias se combinan para formar un compuesto, lo hacen según una proporción constante. La relación entre las masas que reaccionan permanece fija, independientemente de la proporción en que se encuentren mezcladas. Si un elemento está en exceso, parte del mismo no reaccionará y permanecerá inalterado.

LEY DE CONSERVACION DE LA MASA

Lavoisier realizó decenas de experimentos que incluían todas las reacciones químicas conocidas, llegando siempre, con la indiscutible evidencia de la balanza, a la misma conclusión:

en las reacciones que ocurren dentro de un recinto cerrado la ganancia experimentada por cualquier parte del sistema está contrarrestada por la pérdida del resto del mismo, es decir, la masa total dentro del sistema permanece constante.

Este enunciado corresponde a la Ley de conservación de la masa; en palabras que Lavoisier escribió en 1789:

‘Debemos considerar como un axioma incontestable que en todas las operaciones del Arte y la Naturaleza nada se crea; la misma cantidad de materia existe antes y después del experimento … y no ocurre otra cosa que cambios y modificaciones en la combinación de estos elementos. Todo el arte de realizar experimentos químicos depende de este principio’.

En 1794, declarado convicto, por increible que parezca, de haber echado ‘agua al tabaco del pueblo’, Lavoisier fue decapitado en nombre de la razón y la República. Como muchos ricos, Lavoisier había invertido en la odiada ‘Ferme Générale’, una corporación privada recaudadora de impuestos que estafó y oprimió a las clases populares. Esto y unos pocos enemigos bien situados, en especial el periodista Jean-Paul Marat, consiguieron que aquel brillante, soberbio y arrogante aristócrata acabara de forma repentina su estancia en la Francia revolucionaria.