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Ordenando los elementos:
 De
vez en cuando llega un científico que sugiere una nueva manera de pensar. Cuando
esto ocurre, decimos que la ciencia tiene un nuevo paradigma, un nuevo modelo
del mundo natural. El paradigma que dio sentido a la química y que todavía
sustenta el armazón de la ciencia es la tabla periódica, que tiene sus orígenes
en el trabajo del químico ruso Dmitri Mendeleyev.
Mendeleyev nació en Tobolsk, Siberia occidental, en 1834, y era el más joven de
14 hijos. Su padre era director de la escuela secundaria local, pero quedó ciego
el mismo año en que nació Mendeleyev. Su madre era la hija de un empresario, y
volvió a abrir una de las fábricas de su padre para apoyar a su familia. El
joven Dimitri no tenía ningún interés por aprender, pero un tutor privado le
inspiró el amor por la ciencia.
Cuando tenía trece años murió su padre y ardió la fábrica de su madre.
Esta, al no quedarle ya ninguna razón para permanecer en Siberia y
deseando mejorar la educación de su hijo, viajó 2.000 kilómetros/1.300 millas
hasta Moscú con Dimitri y una hija mayor que él. En Moscú se le negó la entrada
en la universidad; así que viajaron otros 650 kilómetros/400 millas hasta San
Petersburgo, donde un amigo de su padre le consiguió una beca para estudiar
ciencia en el Instituto Pedagógico Central, adjunto a la universidad. Su madre y
su hermana murieron un año después, y él fue
admitido en el hospital del
instituto aquejado de tuberculosis. Le dieron dos años de vida, pero sobrevivió.
Tras
una larga estancia en el hospital, se convirtió en maestro y conferenciante no
pagado de la Universidad de San Petersburgo, dependiendo de las cuotas de los
estudiantes privados. Cuando tenía veintidós años, obtuvo una beca para estudiar
en el extranjero. Primero fue a París y después a Heidelberg, donde tuvo la
suerte de conocer a Bunsen y a Kirchhoff, directores de las investigaciones que
sentarían los cimientos de la espectroscopia.
En
septiembre de 1860 viajó a Karlsruhe, Alemania, para asistir al Primer Congreso
Internacional de Química, que se celebró para sellar una disputa sobre qué
sistema era mejor para llegar a los pesos de los elementos individuales. A él acudieron 140 de
los químicos más eminentes del mundo, y los discursos que oyó le despertaron un
interés que le duró el resto de su vida.
En
1860, la química todavía estaba confusa. En los cincuenta años desde que Dalton
perfilase su teoría atómica, varios químicos, sobre todo Berzelio, construyeron
sobre los cimientos que puso él, pero todavía no existía un consenso general
sobre los aspectos más básicos de esta ciencia. La confusión era tal que
existían 20 fórmulas diferentes para describir compuestos bastante simples.
Una
contribución significativa a la regularización del tema fue hecha por el químico
inglés Edward Frankland. Nacido en Lancashire, en 1825, era aprendiz de
farmacéutico que había estudiado química por cuenta propia, con tan buenos
resultados que logró un doctorado por la Universidad de Marburgo en Alemania, y
se convirtió en profesor de química en el Owens College de Manchester. En 1852
había introducido el concepto de valencia: la idea de que los átomos de cada
elemento individual tenían una capacidad específica propia para combínarse con
los átomos de otros elementos, y que esto determinaba las proporciones en las
que se unían para formar compuestos. El hidrógeno tiene una valencia 1 y el
oxígeno una valencia 2, así que un átomo de oxígeno se combinará con dos átomos
de hidrógeno para formar una molécula de agua, que se escribe 1120. De forma
semejante, un átomo de carbono, que tiene una valencia 4, se combinará con dos
átomos de oxígeno, que tiene valencia 2, para formar una molécula de anhídrido
carbónico o CO2. Por tanto, la valencia se convirtió en una herramienta útil
para el trabajo diario de los químicos... pero el motivo de que los elementos
poseyeran esa propiedad no quedaría claro hasta cinco décadas después.
Una
contribución importante a la comprensión de los elementos fue la de otro
portavoz en la conferencia, el italiano Stanislao Cannizzaro. Hijo de un
magistrado, nació en Palermo, Sicilia, en 1826. Tuvo una carrera pintoresca, que
incluía el destierro en París por su participación en una insurrección contra el
rey de Nápoles en 1848. Más tarde pudo volver a Italia, y en el momento que se
celebró la conferencia era profesor de química en Génova. En 1858había publicado
un folleto en el que establecía por primera vez la distinción crucial entre
átomos y moléculas.
El
libro de texto de Mendeleyev
Los
discursos de Cannizzaro en Karlsruhe tuvieron un efecto poderoso en Mendeleyev.
Este volvió a Rusia convencido de la verdad de la afirmación de Cannizzaro, de
que la única medida racional del peso de un elemento era la del peso de sus
átomos individuales. Esta seguridad inspiraría sus investigaciones futuras.
En su
vuelta a San Petersburgo, en 1861, obtuvo un puesto de profesor en el Instituto
Técnico, y rápidamente se convirtió en un evangelista de las últimas ideas en
química, casi desconocidas en Rusia. Al descubrir que no existía ningún libro de
texto ruso sobre química orgánica (la química de los compuestos que forman la
base de la materia viviente), decidió escribir uno... y lo terminó en dos meses.
En
1866, cuando tenía treinta y dos años, se convirtió en profesor de química de la
universidad. Poco después empezó a escribir un libro de texto titulado Los
principios de la química, cuyo primer volumen apareció en 1868. Fue un libro que
se traduciría a muchos idiomas y que se convirtió en el texto estándar para dos
generaciones de estudiantes. Estaba escribiendo el segundo volumen cuando hizo
el descubrimiento que ordenó los elementos y aseguró su fama.
El
sueño de Mendeleyev
Hacía
tiempo que se sabía que ciertos elementos compartían propiedades similares, y
los químicos habían empezado a preguntar-se si sería posible clasificarlos tal
como Linneo había clasificado a los animales. En 1864, el químico inglés John
Newlands atrajo atención al hecho de que, silos elementos se colocan según el
orden de sus pesos atómicos, la tabla resultante mostraba una periodicidad, lo
que significaba que algunas características similares se repetían a intervalos
regulares. Expresó esa idea en una regla que llamó la ley de los octavos, dado
que esas características similares parecían repetirse cada ocho lugares de la
tabla. Pero cuando anunció su «descubrimiento» en una reunión de químicos, fue
ridiculizado.
Mendeleyev era consciente del trabajo de Newlands, pero no le gustaba la manera
en que lo expresaba. En particular, detestaba la forma en que algunos elementos
parecían haber sido metidos con calzador para mantener la impresión de
periodicidad. Cuando empezó el segundo volumen de su libro de texto, intentó
encontrar algo que le proporcionara un armazón para entender la relación de un
elemento con otro pero que le librara de los defectos que percibía en el esquema
de Newlands. Estaba convencido de que la química no podría ser una verdadera
ciencia hasta que se identificasen unos principios fundamentales subyacentes en
la práctica.
El
principio organizativo de su libro era agrupar los elementos según sus
propiedades compartidas. En febrero de 1869 ya había escrito dos capítulos del
segundo volumen y estaba ponderando el siguiente grupo de elementos sobre el que
debía escribir. Se encontraba bajo una gran presión. Sus reflexiones sobre la
clasificación de los elementos le daban la sensación de que el principio que
buscaba estaba casi a su alcance. Había escrito los nombres y los pesos de los
elementos conocidos en una serie de tarjetas que reestructuraba una y otra vez,
poniendo a prueba su paciencia. Las circunstancias le obligaban a realizar un
viaje y temió que si no encontraba la solución antes de partir, perdería la
concentración y
perdería su oportunidad. Durante tres días y gran parte de sus respectivas
noches luchó con el problema, hasta quedar atontado por la falta de sueño. El
día en que se suponía que debía partir, se durmió sobre su escritorio. Mientras
dormía, su cerebro continuó ba¡ajando las tarjetas y, cuando despertó,
comprendió que tenía la solución.
La
tabla periódica
El
secreto que el inconsciente de Mendeleyev había vislumbrado mientras dormía, era
que los elementos podían colocarse en filas horizontales en orden ascendente
según su peso atómico, y en columnas verticales según sus características
químicas... dejando huecos allí donde las pautas parecían requerirlos.
Publicó estas ideas en un escrito titulado Relación entre las propiedades de los
elementos y su peso atómico. Este contenía su ley periódica, que señalaba que
si los elementos conocidos se listaran según un orden de peso atómico
ascendente:
1.
Mostrarían una pauta repetitiva de valencias ascendentes y descendentes (la
proporción en que se combinan con otros elementos).
2.
Formarían grupos que muestran una pauta recurrente de otras características.
Una
consecuencia del descubrimiento de Mendeleyev fue que pudo recolocar 17
elementos en la tabla basándose en sus propiedades químicas, implicando que sus
pesos atómicos aceptados eran incorrectos. También fue capaz, gracias a los
huecos de su tabla, de postular la existencia de tres elementos hasta entonces
desconocidos e incluso prever sus propiedades.
La
reacción inicial al escrito de Mendeleyev fue tan precavida como la que habían
recibido los anteriores intentos de ordenar los elementos, pero cuando se
descubrió que los pesos atómico s aceptados de algunos elementos eran realmente
incorrectos, sus ideas comenzaron a ser tomadas en serio. Y quince años después,
los tres huecos de su tabla se rellenaron gracias al descubrimiento del galio
(1875), el escandio (1879) y el germanio (1886), y todos ellos poseían las
características que había predicho. Aunque no fue el primero en sugerir que era
posible colocar los elementos en un orden que mostrara su periodicidad,
Mendeleyev, a diferencia de sus predecesores, demostró que había una lógica
subyacente que dictaba su tabla.
En
1876, tras muchos años de matrimonio infeliz, se divorció de su primera esposa.
Según la ley rusa no podía volver a casarse durante siete años, pero se había
enamorado de una preciosa estudiante de arte de origen cosaco. Incapaz de
esperar, se casó con ella y fue acusado de bigamia, pero el zar se negó a
castigarlo, diciendo: «Mendeleyev tiene dos esposas, pero Rusia sólo tiene un
Mendeleyev». Este segundo matrimonio fue feliz. Tuvieron dos hijas y dos hijos a
los que amó, y años de trabajo productivo en un estudio amueblado con los
dibujos de sus héroes hechos por su esposa: Newton, Faraday y Lavoisier.
La
física tras la química:
Desde
que fue creada, la tabla de Mendeleyev se ha visto modificada. La versión
moderna (véase la página 146) refleja el conocimiento adquirido desde su época.
También contiene 109 elementos, comparados con los 63 que él conocía. Pero su
tabla sigue siendo reconocible porque descubrió la relación fundamental entre los elementos, aunque no tenía la
más mínima idea de cómo se unían sus átomos.
Los
elementos del 1 (hidrógeno) al 92 (uranio) son naturales, ingredientes básicos
de los que está hecho el mundo, el resto es creación del hombre. Todos los
elementos están formados por unas partículas elementales sumamente pequeñas
llamadas protones, neutrones y electrones. Todos los átomos de todos los
elementos tienen un núcleo compuesto de protones y neutrones, y alrededor de
éste giran los electrones como los planetas giran alrededor del Sol. Así como el
Sol contiene la mayoría de la masa del sistema solar, el núcleo contiene la
mayoría de la masa del átomo. Y así como los planetas están separados del Sol
por inmensos espacios vacíos, las órbitas de los electrones están separadas del
núcleo central por inmensos espacios vacíos. Lo que determina el peso atómico de
un elemento es el número de neutrones y protones que contiene el núcleo (un
protón pesa 1,836 veces más que un electrón), pero son el número y la
disposición de los electrones los que determinan las propiedades químicas de un
elemento, porque cuando los átomos se combinan, los que se unen son sus
electrones.
Los
números de la tabla periódica son números atómicos y representan el número de
protones del núcleo. También corresponden al número de electrones que giran en
torno al núcleo, porque cada átomo contiene el mismo número de protones que de
electrones. Los electrones tienen una carga negativa, que es equilibrada por la
carga positiva de los protones. El peso atómico de un elemento depende del
número total de protones y neutrones en el núcleo, y tiende a aumentar a medida
que crece el número atómico, pero algunos elementos tienen versiones múltiples,
los llamados isótopos. Por ejemplo, el uranio natural (de número atómico 92)
tiene dos versiones: el uranio 235, con 92 protones y 143 neutrones, por tanto
con un peso atómico de 235; y el uranio 238, con 92 protones y 146 neutrones, y
un peso atómico de 238 (igual a 238 átomos de hidrógeno).
Las
columnas verticales son llamadas «grupos»: son familias de elementos con
propiedades similares. Así, la columna de la derecha contiene los gases «nobles»
o «inertes»: el helio, el neón, etc. También suelen ser llamados gases
«perezosos» (argos es «perezoso» en griego), porque son lentos para combinarse
con otros elementos. Esto los hace útiles para llenar globos aerostáticos (el
helio es más seguro que el hidrógeno) y lámparas fluorescentes (el argón).
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