Química Recreativa
Enviado por • 2 de Septiembre de 2014 • 28.310 Palabras (114 Páginas) • 202 Visitas
Capítulo 1
Los habitantes de la gran casa
Contenido:
El sistema periódico de los elementos químicos a vista de pájaro
Cómo los astrónomos prestaron un mal servicio a los químicos
El elemento de dos caras
El primero y el más sorprendente
¡Cuántos hidrógenos existen en la tierra!
Química = física + matemáticas
Un poco más de matemática.
Cómo los químicos tropezaron con lo inesperado.
Solución que no daba consuelo
En busca de una idea "loca" o cómo los gases inertes dejaron de serlo
Nueva disconformidad y cómo vencerla
El "omnívoro"
La "piedra filosofal" de Hennig Brand
El olor a frescura o un ejemplo de cómo la cantidad pasa a calidad
Tan simple y, sin embargo, tan asombroso...
"El hielo naciente sobre las aguas del río"...
¡Cuántas aguas existen en la tierra!
Los secretos de un carámbano...
Algo del campo de la lingüística o "dos grandes diferencias"
¡Por qué "dos grandes diferencias"!
Otros dos "por qué"
Arquitectura original
Catorce hermanos gemelos
El mundo de los metales y sus paradojas
Metales líquidos y un metal gaseoso (¡!)
Compuestos insólitos
El primer "programista"' de la química
Breves palabras sobre el renio
La "máquina cibernética" se ha detenido
Cómo convertir un elemento en otro
La muerte y la inmortalidad en el mundo de los elementos
Uno, dos, mucho...
¡Es que la naturaleza tiene razón!
El sendero de soles falsos
El destino de uno entre 104...
¡Dónde está tu lugar, uranio!
Pequeños episodios del campo de la arqueología
Uranio y sus oficios
¡Un edificio no acabado!
Un himno a los alquimistas de hoy
En el umbral de lo desconocido
Noticias del cosmos
El "santoral" de los elementos
Números imprescindibles para la química
El sistema periódico de los elementos químicos a vista de pájaro
Una mirada fugaz y la primera impresión que se forma es, por lo común, de poco valor. A veces el observador queda indiferente, a veces se siente sorprendido y hay casos en que reacciona como el personaje de una anécdota muy en boga que, al ver en el parque zoológico a una jirafa, exclamó: "¡Esto no puede ser!"
Sin embargo, puede ser provechoso incluso un conocimiento en rasgos generales de un objeto 0 fenómeno; por decirlo así: "un conocimiento a vista de pájaro".
El sistema periódico de los elementos químicos de D. Mendeléev de ningún modo se puede denominar objeto o fenómeno. Es, más bien, una especie de espejo que refleja la esencia de una de las leyes más importantes de la naturaleza, la Ley Periódica. Esta es un código que reglamenta la conducta de más de cien elementos que abundan en la Tierra o que han sido creados artificialmente por el hombre, un ordenamiento sui géneris que reina en la Gran Casa de los elementos químicos...
La primera mirada permite ya captar muchas cosas. Lo primero que sentimos es admiración, como si entre edificios triviales, construidos con grandes bloques, surgiera de súbito una casa de arquitectura insólita y extraña, pero muy elegante.
¿Qué es lo que asombra en la tabla de Mendeléev? En primer lugar, el hecho de que sus períodos (que hacen las veces de pisos) son muy desiguales.
El primer piso (primer, período de la tabla de Mendeléev) tiene sólo dos casillas. El segundo y el tercero, ocho. El cuarto y el quinto están– arreglados a modo de un hotel: dieciocho piezas en cada uno; lo mismo que el sexto y el séptimo, cada uno con treinta y dos habitaciones. ¿Han visto Uds. en su vida una edificación así?
Empero, precisamente con ese aspecto se nos presenta el sistema periódico, la Gran Casa de los elementos químicos.
¿Por qué ese aspecto insólito? ¿Por antojo del arquitecto? ¡De ningún modo! Cualquier edificio se construye de acuerdo con las leyes de la física. De no seguirlas, se derrumbaría al primer hálito del viento.
La idea arquitectónica del sistema periódico también se corrobora por las rigurosas leyes físicas. Estas dicen: cualquier período de la tabla de Mendeléev debe contener un número perfectamente determinado de elementos, por ejemplo, el primero debe tener dos. Ni más, ni menos.
Así afirman los físicos, en pleno acuerdo con los químicos.
Hubo otros tiempos. Los físicos no afirmaban nada y no se rompían la cabeza con los problemas de la ley periódica. En cambio, los químicos, que casi cada año descubrían nuevos elementos, estaban muy preocupados: dónde encontrar domicilio para estos novatos. Hubo casos desagradables, cuando una sola casilla de la tabla la pretendían, alineándose en cola, varios elementos.
Entre los científicos hubo no pocos escépticos que afirmaban con plena seriedad que el edificio de la tabla de Mendeléev estaba construido sobre arena. Entre éstos figuraba el químico alemán Bunsen, que junto con su amigo Kirchhoff descubrió el análisis espectral. Pero en cuanto a la ley periódica Bunsen manifestó una miopía científica asombrosa. "Con el mismo éxito se puede buscar regularidad en las cifras de los boletines de Bolsa" – exclamó con furor en una ocasión,
Antes que Mendeléev, se hicieron intentos de imponer algún orden en el caos de los sesenta y tantos elementos químicos. Pero todos fracasaron. Probablemente, el que más se acerca a la verdad fue el inglés Newlands. Este sugirió la "ley de las octavas". Tal como en la escala musical cada octava nota repite la primera, en la escala de Newlands, que dispuso los elementos en serie de acuerdo con la magnitud de sus pesos atómicos, las propiedades de cada octavo elemento eran parecidas a las del primero. ¡Pero qué reacción irónica despertó su descubrimiento! ¿Por qué no trata de disponer los elementos en orden alfabético? ¿Puede ser que en este caso también se pone de manifiesto alguna regularidad?"
¿Qué podía contestar Newlands a su opositor sarcástico? Resulta que nada. Era uno de los que se acercaron al descubrimiento de la nueva ley de la naturaleza, pero la caprichosa repetición de las Propiedades de los elementos "después de cada séptimo" no sugirió en la mente de Newlands la idea de la "periodicidad".
Al principio, la tabla de Mendeléev no tuvo mucha suerte. La arquitectura del sistema periódico se sometía a furiosos ataques, puesto que muchas cosas seguían siendo confusas y necesitaban explicación. Era más fácil descubrir media docena de elementos nuevos que encontrar para éstos un domicilio legal en la tabla.
Sólo en el primer piso los asuntos, al parecer, eran satisfactorios. No había necesidad de temer una concurrencia inesperada de pretendientes. En la actualidad, habitan este piso el hidrógeno y el helio. La carga del núcleo del átomo de hidrógeno es + 1, y la del helio, + 2. Claro está que entre ellos no hay ni puede haber otros elementos, puesto que en la naturaleza no se conocen núcleos ni otras partículas cuya carga se exprese con números fraccionarios.
(Verdad es que, en los últimos años los físicos teóricos discuten persistentemente el problema sobre la existencia de los "quarks". Así se denominan las partículas elementales primarias, a partir de las cuales se pueden construir todas las demás, hasta los protones y neutrones, que son, por su parte, material constructivo de los núcleos atómicos. Se supone que los "quarks" tienen cargas eléctricas fraccionarias: +1/3 y –1/3. Si los "quarks" existen realmente, el cuadro de la "estructura material" del mundo puede tomar para nosotros otro aspecto).
Cómo los astrónomos prestaron un mal servicio a los químicos
"Nunca se me ocurrió que el sistema periódico debe comenzar precisamente con el hidrógeno.
¿A quién pertenecen estas palabras? A lo mejor, a alguno de la innumerable legión de los investigadores o simplemente aficionados quienes tenían por objeto crear un nuevo y propio sistema periódico, o reconstruirlo a su modo. A decir verdad, aparecían no menos variantes de "sistemas periódicos" de lo más diverso, que proyectos del "famoso" movimiento perpetuo.
Bueno, la frase entre comillas pertenece al propio Dmitri Ivanovich Mendeléev y está escrita en su célebre manual "Fundamentos de Química" que sirvió de texto para decenas de miles de estudiantes.
¿Por qué incurrió en error el autor de la ley periódica?
Porque en aquel entonces ese error era muy lógico. Los elementos se disponían en la tabla de acuerdo con el incremento de sus pesos atómicos. El peso atómico del hidrógeno es 1,008, y del helio, 4,003. Con toda razón se podía pensar que existen elementos con pesos atómicos 1,5; 2; 3, etc. O elementos más livianos que el hidrógeno, cuyos pesos atómicos eran menores que la unidad.
Mendeléev no rechazaba esta posibilidad, al igual que otros muchos químicos, sostenidos por los astrónomos, representantes de una ciencia bastante alejada de la química. Eran los astrónomos los que demostraron por vez primera que los nuevos elementos se podían descubrir no sólo en los laboratorios, analizando minerales terrestres.
En 1868 el astrónomo inglés Lockyer y el francés Janssen observaron el eclipse total de Sol, dejando pasar el brillo cegador de la corona solar a través del prisma de un espectroscopio. Y en la densa empalizada de las líneas del espectro descubrieron unas que no podían pertenecer a ningún elemento conocido en la Tierra. De esta forma fue descubierto el helio, lo que en griego significa "solar". Sólo 27 años después el físico y químico inglés Crookes encontró helio en la Tierra.
Este descubrimiento resultó muy contagioso. Los astrónomos dirigieron los oculares de los telescopios hacia las lejanas estrellas y nebulosas. Los resultados de sus descubrimientos se publicaban con gran escrupulosidad en los anuarios astronómicos y algunos se reproducían en las páginas de las revistas de química, más precisamente aquellos que trataban de los supuestos descubrimientos de nuevos elementos en lo infinito de los espacios cósmicos. Les bautizaban con nombres rimbombantes como coronio y nebulio, arconio y protoflúor. Los químicos no sabían nada de esos elementos, salvo sus nombres, pero recordando la feliz epopeya del helio se apresuraban en alojar a los forasteros celestes en el sistema periódico, los disponían delante del hidrógeno o en el espacio entre el hidrógeno y el helio y abrigaban la esperanza de que nuevos Crookes demostrarían en algún tiempo la existencia en la Tierra del coronio y de sus enigmáticos compañeros.
Pero, en cuanto los físicos se las entendieron con el sistema periódico, estas esperanzas se desvanecieron. El peso atómico resultó ser un soporte inseguro para la ley periódica y fue sustituido por la carga del núcleo, el número atómico del elemento.
Al pasar de un elemento a otro en el sistema periódico, la carga se incrementa en una unidad.
Con el decurso del tiempo los instrumentos astronómicos más precisos disiparon el mito sobre los misteriosos nebulios. Estos eran átomos de elementos bien conocidos que perdieron parte de sus electrones y por tal causa exhibían espectros insólitos. Las "tarjetas de visita" de los forasteros celestes resultaron falsas.
Elemento de dos caras
Puede ser que en la clase de química Ud. mismo, a lo mejor, fue testigo de un diálogo como éste:
Maestro:
– ¿En qué grupo del sistema periódico está el hidrógeno?
Alumno:
– En el primero. Y la razón es la siguiente. El átomo de hidrógeno tiene en su única capa electrónica un solo electrón, al igual que otros elementos del primer grupo, los metales alcalinos: litio, sodio, potasio, rubidio, cesio y francio. Lo mismo que éstos, el hidrógeno tiene valencia positiva, que es igual a la unidad en los compuestos químicos. Además, el hidrógeno puede desalojar algunos metales de sus sales.
¿Es esto cierto? No. No del todo.
La química es una ciencia exacta. No tolera verdades a medias. El ejemplo del hidrógeno lo confirma rotundamente.
¿Qué hay de común entre el hidrógeno y los metales alcalinos? Solamente la valencia positiva igual a la unidad e igual estructura de la capa electrónica exterior. En lo demás no hay ningún parecido. El hidrógeno es un gas. El hidrógeno es un no metal. El hidrógeno forma una molécula compuesta de dos átomos. Mientras que los demás elementos del primer grupo son metales clásicos, muy activos en las reacciones químicas. Al exhibir su único electrón, el hidrógeno tan sólo trata de vestirse como un metal alcalino, pero por su esencia le es extraño.
La Gran Casa está arreglada de tal manera que en cada peldaño de la escalera, uno sobre otro, viven elementos parientes. Estos, precisamente, componen los grupos y subgrupos del sistema periódico. Esta es una ley para los habitantes de la Gran Casa. Al caer en el primer grupo, el hidrógeno infringe involuntariamente esta ley.
¿Adónde, pues, tiene que ir el pobre? Pero, el sistema periódico tiene nueve grupos, es decir, en la Gran Casa existen nueve tramos de escalera.
Y sólo en el grupo cero escogió su casilla el helio, vecino del hidrógeno en el primer piso. En los demás, los sitios están vacantes. Mire, ¡cuántas posibilidades hay para reconstruir el primer piso y encontrar para el hidrógeno un "lugar verdadero bajo el Sol"!
¿Acaso se puede alojar en el segundo grupo, con los metales alcalino–térreos encabezados por el berilio? De ningún modo. Estos no experimentan sentimiento familiar alguno respecto al hidrógeno. El tercero, cuarto, quinto y sexto tampoco se niegan a recibirlo. ¿Y el séptimo? ¡Alto! Los halógenos ubicados en este grupo: flúor; cloro, bromo y otros, están dispuestos a dar al hidrógeno su mano amistosa.
...Imagínese un encuentro de dos niños.
– ¿Cuántos años tienes?
– Tantos.
– Yo también.
– Yo tengo una bicicleta.
– Yo también.
– ¿Qué es tu padre?
– Chofer.
– ¡Fenomenal!, el mío también.
– ¿Quieres que seamos amigos?
– ¡Claro está!
– ¿Eres no–metal? – pregunta el flúor al hidrógeno.
– ¡Si, lo soy!
– ¿Eres gas?
– Justamente.
– Lo mismo que nosotros – dice el flúor, indicando al cloro.
– ¡Y mi molécula consta de dos átomos! comunica el hidrógeno.
– ¡Qué raro! se sorprende el flúor, igual que la nuestra.
– Dime, ¿puedes tú tener valencia negativa y ganar electrones complementarios? Lo hacemos de muy buena gana.
– ¡Claro que sí! Con esos metales alcalinos que no guardan para conmigo mucho cariño, yo sé formar compuestos hidrogenados, los hidruros. Y en este caso mi valencia es menos uno.
– Entonces, ¡ven a nuestro lado! ; trabaremos amistad.
El hidrógeno se aloja en el séptimo grupo. Pero, ¿por cuánto tiempo? Al conocer mejor a su nuevo pariente, uno de los halógenos dice desilusionado:
– ¡Eh, hermanito! Es que tienes pocos electrones en la capa exterior. Nada más que uno... Como en el primer grupo. Sería mejor que te fueras para donde están los metales alcalinos...
¡Qué desafortunado es el hidrógeno! Tanto lugar libre y no hay sitio donde alojarse firme y seguramente, con pleno derecho.
Pero, ¿por qué? ¿En qué reside la causa de esa asombrosa dualidad del hidrógeno, de sus dos caras? ¿Por qué se comporta de modo tan inusitado?
Las propiedades características de cualquier elemento químico se manifiestan cuando entra en composición con otros. En este caso entrega o gana electrones, que o bien salen de la capa electrónica exterior, o bien se adjuntan a ésta. Cuando un elemento pierde todos los electrones de la capa exterior, las envolturas internas, por lo común se mantienen intactas. Esto sucede en todos los elementos, excepto en el hidrógeno. Apenas pierde su único electrón, queda con el núcleo atómico desnudo.
Queda el protón. Justamente este protón es el núcleo del átomo de hidrógeno (a decir verdad, no es siempre protón; pero más adelante hablaremos de esa importante sutileza). Esto quiere decir que la química del hidrógeno es química peculiar, única en su género, de una partícula elemental, del protón. En el caso del hidrógeno el protón influye en forma activa en el curso de las reacciones en que participa aquél. Aquí radica la solución de la conducta tan inconsecuente del hidrógeno.
El primero y el más sorprendente
El hidrógeno fue descubierto por el famoso físico inglés sir Henry Cavendish. "El más rico entre los sabios y el más sabio entre los ricos", dijo de él uno de sus contemporáneos. Podemos añadir: y el más pedante. Se dice que cuando Cavendish tomaba un libro de su propia biblioteca, lo registraba en la ficha. Siempre muy concentrado y enfrascado en sus investigaciones, tuvo fama de persona huraña. Pero precisamente estas cualidades le permitieron descubrir un nuevo gas, el hidrógeno. Y, ¡créalo Ud.! fue una tarea dificilísima.
El descubrimiento data de 1766, y en 1783 el profesor francés Charles puso en vuelo el primer globo, llenándolo de hidrógeno.
El hidrógeno resultó un hallazgo precioso para los químicos. Ayudó a que al fin y al cabo se aclarara la estructura de los ácidos y bases, esas clases fundamentales de los compuestos químicos. Llegó a ser un reactivo insustituible en los laboratorios, precipitando metales a partir de las soluciones de sus sales y reduciendo óxidos metálicos. Aunque parece paradójico, pero de no ser descubierto el hidrógeno en 1766, sino unos cincuenta años más tarde (lo que hubiera sido muy probable), se retardaría por largo tiempo el desarrollo de la química, tanto teórica como práctica.
Cuando los químicos investigaron bastante bien el hidrógeno y los prácticos empezaron a aprovecharlo para la preparación de sustancias importantes, este gas atrajo la atención de los físicos. Y los físicos proporcionaron muchos datos nuevos que enriquecieron enormemente la ciencia.
¿Quiere Ud. convencerse de esto? Primero: el hidrógeno se solidifica a una temperatura inferior que cualesquiera otros líquidos o gases (salvo el helio), con más exactitud: a –259,1° C; segundo: el átomo de hidrógeno permitió a Niels Bohr, físico danés, elaborar la teoría de la distribución de los electrones alrededor del núcleo atómico, sin la cual no se podría entender el sentido físico de la ley periódica. Esto despejó el terreno para otros grandes descubrimientos.
Los físicos transmitieron el relevo a sus parientes cercanos en cuanto a profesión, a los astrofísicos. Estos últimos estudian la composición y la estructura de las estrellas. Los astrofísicos llegaron a la conclusión de que en el Universo el hidrógeno es el elemento número uno. Es el componente principal del Sol, de las estrellas, de las nebulosas y el "relleno" fundamental del espacio interestelar. La proporción del hidrógeno en el Cosmos es mayor que la de todos los demás elementos químicos, a diferencia de la Tierra, donde constituye menos de uno por ciento.
Desde el hidrógeno, precisamente, los científicos extienden la larga cadena de transformaciones de los núcleos atómicos. Esta es la cadena que condujo a la formación de todos los elementos químicos, de todos los átomos, sin ninguna excepción. Nuestro Sol y los demás astros brillan porque en éstos se efectúan reacciones termonucleares que transforman el hidrógeno en helio, desprendiéndose una enorme cantidad de energía. El hidrógeno es un químico distinguido en la Tierra y una eminencia en el Cosmos.
Citemos otra propiedad asombrosa de este elemento: el átomo de hidrógeno emite radiaciones con longitud de onda de 21 cm. Es la así llamada constante universal, porque es la misma para todo el Universo. Y los científicos están reflexionando si se puede organizar la comunicación por radio con otros mundos habitados, aprovechando la onda del hidrógeno. Si viven en esos mundos seres racionales, deben tener noción de esta constante: 21 centímetros.
¡Cuántos hidrógenos existen en la tierra!
El galardón superior para un hombre de ciencia es el Premio Nobel. En el mundo hay un numeroso ejército de científicos, pero sólo a un poco más de cien se les ha otorgado ese honor. Por los descubrimientos más sobresalientes entre los más destacados.
En 1932 en esta lista honorífica fueron incluidos Murphy, Urey y Brickwedde.
Antes se consideraba que en la Tierra existía un solo hidrógeno, con peso atómico igual a la unidad. Murphy y sus colaboradores descubrieron al hermano del hidrógeno, que era dos veces más pesado que éste, el isótopo con peso atómico 2. Se llaman isótopos a aquellas variedades de átomos que tienen igual carga, pero distinto peso atómico. O, en otras palabras, los núcleos de los átomos de los isótopos contienen igual número de protones y diferente cantidad de neutrones. Todos los elementos químicos tienen sus isótopos: unos existen en la naturaleza, otros se obtuvieron artificialmente, mediante reacciones nucleares.
El isótopo de hidrógeno, cuyo núcleo es un protón desnudo, se denomina protio y se designa 1 H. Es el único ejemplo de un núcleo atómico que no contiene neutrones (otra propiedad, única en su género, del hidrógeno).
Si a ese protón solitario se añade un neutrón, tenemos el núcleo del isótopo del hidrógeno pesado, el deuterio (2 H o D). El protio, en comparación con el deuterio, es mucho más abundante en la naturaleza, constituyendo más del 99 por ciento del total de hidrógeno.
Sin embargo, resulta que existe una tercera variedad de hidrógeno (con dos neutrones en el núcleo), el tritio (3H o T). Nace incesantemente en la atmósfera por la ficción de los rayos cósmicos. Nace para desaparecer con relativa rapidez. El tritio es radiactivo y, al desintegrarse, se transforma en isótopo del helio (helio–3). La proporción de tritio es despreciable: en toda la atmósfera de la Tierra, sólo seis gramos. Por cada 10 cm 3 de aire hay nada más que un átomo de tritio. No hace mucho que los científicos lograron obtener artificialmente otros dos isótopos de hidrógeno, aún más pesados: 4H y 5H. Estos son en sumo grado inestables.
El hecho de que el hidrógeno tiene isótopos no lo destaca entre otros elementos químicos; lo que le distingue es otra cosa: los isótopos de hidrógeno se diferencian marcadamente por sus propiedades, en primer lugar, por las físicas, mientras que los isótopos de otros elementos son casi indistinguibles.
Cada variedad de hidrógeno tiene su propio aspecto. Al participar en las reacciones químicas su comportamiento es diferente. El protio, por ejemplo, es más activo que el deuterio. Al analizar la conducta de los isótopos de hidrógeno, los científicos descubrieron una rama de la ciencia completamente nueva, la química de los isótopos. La química a que estamos acostumbrados tiene que tratar el elemento en su integridad, los isótopos en conjunto. La química de los isótopos se ocupa de los isótopos en particular, ayudando a los investigadores a escudriñar los detalles más sutiles de los distintos procesos químicos.
Química = física + matemáticas
¿Qué diría usted de los constructores que primero erigen el edificio, lo techan y sólo después dan a los diseñadores el encargo de calcular si todo está construido correctamente?
Parece más bien un episodio del cuento sobre el Estado en el cual todo se hacía al revés.
Más, precisamente, esto le ocurrió al sistema periódico de los elementos. Primero se erigió la Gran Casa y después se alojaron los elementos químicos en sus respectivas casillas. Los químicos tomaron la tabla de Mendeléev como instrumento. No obstante, en el transcurso de muchos años no podían fundamentar, por qué se repiten periódicamente las propiedades de los elementos.
La explicación la dieron los físicos. Ellos calcularon la resistencia de la estructura del edificio del sistema de Mendeléev y se puso de relieve una cosa muy notable: la construcción es perfectamente correcta; corresponde a todas las leyes de la "mecánica química". De modo, que lo único que se puede hacer es admirar la intuición verdaderamente genial de Mendeléev, su intuición y su conocimiento profundo de la química.
Los físicos decidieron comenzar por el estudio detallado de la estructura del átomo.
El núcleo es el corazón del átomo. A su alrededor giran los electrones. El número de estos últimos es igual a las cargas positivas que hay en el núcleo. Por ejemplo, el hidrógeno tiene un electrón; el potasio, 19; el uranio, 92... ¿Qué forma tiene su movimiento alrededor del núcleo? ¿Acaso es caótico, asemejando el de un enjambre de mariposas nocturnas revoloteando en torno de una bombilla? ¿O guarda cierto orden?
Para dilucidar este problema, los científicos tuvieron que valerse de nuevas teorías físicas y elaborar nuevos métodos matemáticos. El resultado obtenido fue que los electrones se mueven alrededor del núcleo disponiéndose en determinadas órbitas, cual planetas alrededor del Sol.
– ¿Cuántos electrones tiene cada órbita, una cantidad arbitraria o un número limitado?
–preguntaron los químicos.
– Estrictamente limitado– contestaron los físicos. Todas las capas electrónicas tienen una capacidad finita.
Los físicos tienen sus símbolos para cada capa electrónica. Estos son las letras K, L, M, N, O, P, Q. Estas letras designan las capas en orden de su alejamiento del núcleo.
La física, junto con la matemática, señaló muy detalladamente cuántos electrones contiene cada una de las capas.
En la capa K puede haber no más de 2 electrones. El primero de éstos aparece en el átomo de hidrógeno y el segundo, en el de helio. Es por eso, precisamente, que el primer período de la tabla de Mendeléev consta sólo de dos elementos.
La capa L es capaz de comprender un número más considerable de electrones, a saber: 8. El primer electrón de esta capa está presente en el átomo de litio y el último, en el átomo de neón. Los elementos desde el litio hasta el neón forman el segundo período del sistema de Mendeléev.
¿Y cuántos electrones tienen las siguientes capas? La capa M tiene 18; la N, 32; la P, 50; P, 72, etc.
Si las capas electrónicas exteriores de dos elementos están estructuradas de la misma manera, entonces las propiedades de estos elementos son similares. Por ejemplo, la capa exterior del litio y sodio comprende un electrón. Por lo tanto, se alojan en el mismo grupo del sistema periódico, en el primero. En ese caso se ve que el número del grupo es igual al número de electrones valencia de los átomos de los elementos que forman parte de este grupo.
Se puede sacar la siguiente conclusión: las capas electrónicas exteriores de igual estructura se repiten periódicamente. Es por eso que se repiten periódicamente las propiedades de los elementos químicos.
Un poco más de matemática.
La lógica es inherente a cualquier cosa. Incluso el fenómeno más incomprensible posee su lógica. Esta no siempre es perceptible a primera vista, entonces surge la disconformidad. Para cualquier teoría y cualquier hipótesis la disconformidad es una cosa bastante desagradable. O revela lo erróneo de la teoría, o bien hace pensar seriamente. Y con frecuencia, estas cavilaciones permiten penetrar más a fondo en la esencia de lo incomprensible.
Aducimos un ejemplo de una tal disconformidad. Sólo en los dos primeros períodos de la tabla de Mendeléev se conserva la igualdad: cada uno de estos períodos contiene la misma cantidad de elementos como electrones hay en la capa electrónica exterior correspondiente. Así, en los átomos de los elementos del primer período– hidrógeno y helio –se llena la capa K. Esta no puede comprender más de dos electrones y, por lo tanto, en el primer período figuran tan sólo dos elementos. En los átomos de los elementos del segundo período– desde el litio hasta el neón –se forma una capa completa de ocho electrones, por consiguiente, el segundo período contiene ocho elementos.
En adelante el cuadro se complica.
Calculemos cuántos elementos existen en los siguientes períodos. En el tercero, 8; en el cuarto, 18; en el quinto, 18; en el sexto, 32; en el séptimo (que por ahora está sin completar) también debe haber 32. ¿Y qué números revelan las capas correspondientes? Son completamente distintos: 18; 32; 50; 72. . .
¿Acaso nos hemos apresurado con la conclusión de que los físicos no descubrieron ningún defecto en el edificio del sistema periódico, cuando asumieron la tarea de explicar su estructura? ¡Qué bien sería, si los habitantes de cada piso de la Gran Casa completasen una capa electrónica determinada y este completo comenzase en el metal alcalino y terminase en el gas inerte! Entonces, la capacidad de un período se igualaría a la capacidad de la capa…
Desgraciadamente, tenemos que hablar en modo subjuntivo: "si fuese, sería...". Por ahora, el balance no coincide. El tercer período de la tabla de Mendeléev contiene menos habitantes que electrones en la tercera capa, la M, etc., etc.
Una disconformidad lamentable. Empero, precisamente en esa discrepancia reside la respuesta al enigma de la esencia intrínseca del sistema periódico.
Fíjese: el tercer período terminó en el argón, pero la tercera capa de su átomo, la M, sigue sin completar, puesto que debe tener 18 electrones, mientras que por ahora comprende sólo 8. El argón es seguido por el potasio. El potasio es ya un elemento del cuarto período, el primer habitante del cuarto piso, y en vez de alojar el electrón de turno en la tercera capa, el átomo de potasio prefiere instalarlo en la cuarta capa, la N. No es una casualidad, sino una ley estricta establecida por los físicos. Simplemente, no pueden existir átomos cuya capa exterior tenga más de ocho electrones. La combinación de 8 electrones exteriores es una estructura muy sólida.
En el calcio, el vecino más próximo del potasio, al electrón de turno le es también más "provechoso" alojarse en la capa exterior. En este caso el átomo de calcio poseerá la menor reserva de energía, que con cualquier otra combinación de la distribución de los electrones. Mas ya el escandio, que sigue al calcio, pierde esa tendencia de completar la capa exterior del átomo. Su electrón "se zambulle" en la capa anterior no completa, la capa M. Y como ésta tiene diez sitios vacantes (ya sabemos que la capacidad máxima de la capa M constituye 18 electrones), en la serie de diez elementos sucesivos –del escandio al zinc– los átomos están completando la capa M. En fin, al llegar al zinc, todos los electrones de la capa M se ven juntos. Luego, la capa N vuelve a aceptar electrones. Resulta que en ésta hay 8 electrones y tenemos el gas inerte kriptón. Con el rubidio la historia se repite: la quinta capa aparece antes de que se complete la cuarta.
Ese completo escalonado de las capas electrónicas es "la norma de conducta" para los habitantes de la tabla de Mendeléev, empezando por el cuarto período. Es la base del férreo reglamento de la Gran Casa de los elementos químicos.
Justamente a eso se debe que en la Casa se destaquen subsecciones principales y secundarias. Los elementos que completan las capas electrónicas exteriores integran los subgrupos principales, y los que lo hacen en las capas penúltimas, pertenecen a los secundarios.
Pero la cuarta capa, la N, no se forma de una vez. Al contrario, su completamiento se extiende a tres pisos de la Gran Casa. El primer electrón perteneciente a ella aparece en el potasio, inquilino de la casilla N° 19. Y el trigésimo segundo electrón penetra en esta capa tan sólo en el lutecio, cuyo número atómico es 71.
Como se puede ver, se reveló el aspecto positivo de la supuesta disconformidad. Al tratar de explicarla, junto con los físicos penetramos al fondo de la estructura del sistema periódico.
Cómo los químicos tropezaron con lo inesperado.
Herbert Wells escribió una magnífica novela de ciencia ficción titulada "La guerra de los mundos", que trata de la invasión de la Tierra por los emisarios de Marte.
Recuérdese: murió el último de los marcianos, la vida en la Tierra empezó a tomar su curso normal y los científicos, recuperando las fuerzas después de la catástrofe, se apresuraron a investigar lo poco que quedó de los inesperados invasores procedentes del vecino planeta. Entre otras cosas investigaron el misterioso polvo negro que sirvió a los marcianos para el exterminio de la vida en la Tierra.
Después de varios experimentos que no tuvieron éxito y terminaron con explosiones terribles, los científicos aclararon que la malvada sustancia era una combinación del gas inerte argón con cierto elemento aún desconocido en la Tierra.
Pero en la época en que el gran fantasta redactó su obra, los químicos estaban completamente seguros de que el argón no puede en ningunas condiciones combinarse con ningún otro elemento. Esa convicción se basaba en muchísimos experimentos reales. Al argón lo llaman gas inerte. En griego "inerte" significa "inactivo". El argón forma parte de una falange de holgazanes químicos, integrada, además, por el helio, neón, kriptón, xenón y radón.
En el sistema periódico forman el llamado grupo cero, puesto que la valencia de estos elementos es igual a cero. Los átomos de los gases inertes no son capaces de entregar ni aceptar electrones.
¡Cuáles no fueron los métodos aplicados por los químicos con el fin de hacerlos reaccionar! Los calentaban hasta temperaturas tan altas que los metales más refractarios se convertían en líquido fogoso e hirviente; los enfriaban hasta tal punto que los transformaban en hielo; pasaban por ellos enormes descargas eléctricas: los sometían a la acción de los reactivos químicos más fuertes. ¡Todo en vano!
Allí, donde otros elementos hace mucho que se hubieran rendido, los gases inertes seguían impasibles. Parecía que decían a los investigadores: "No consumáis inútilmente tantas fuerzas.
No tenemos ningún deseo de entrar en reacción. Estamos por encima de todo eso". Por su altivez se les concedió otro título, el de "gases nobles". Pero en éste se siente cierto matiz irónico...
Crookes, que fue quien descubrió helio en los minerales terrestres, podía sentirse orgulloso: él regaló al mundo un nuevo elemento químico cuya existencia es completamente real.
¿¡Elemento químico!? Cuánto no daría sir William Crookes para conseguir que el helio se comportase como otros inquilinos de la tabla de Mendeléev: que se combinase con el hidrógeno, oxígeno, azufre y que los reverendos profesores pudieran hablar desde sus cátedras de los óxidos y las sales de helio...
Pero el helio, el primero en el grupo de los gases inertes, no justificó las esperanzas. A finales del siglo pasado los compatriotas de Crookes, Ramsay y Rayleigh, descubrieron el neón, argón, kriptón y xenón. La lista de los holgazanes químicos fue concluida con el radón. Todos ellos eran elementos con sus pesos atómicos. Pero, palabra de honor, la mano no quería escribir al lado de "elemento argón" la palabra "químico".
Y los científicos desplazaron la altiva familia de los gases nobles a la periferia de la tabla de Mendeléev, añadiendo a ésta una nueva sección, el grupo cero. Y en los manuales de química se fijó: entre los elementos químicos existen aquellos que no son capaces, en ningunas condiciones, de formar compuestos químicos.
A los científicos les daba pena que seis elementos (y no por su culpa) se vieran apartados de la esfera de la actividad de la química.
Solución que no daba consuelo
Al principio, incluso el propio D. Mendeléev quedó desconcertado. Hasta sugirió la idea "salvadora" de que el argón no es un elemento nuevo sino un compuesto peculiar del nitrógeno cuya molécula consta de tres átomos, N3. A semejanza de como a la par de la molécula de oxígeno O2 se conoce la molécula de ozono O3 .
Al fin y al cabo los hechos convencieron a Mendeléev de su error y reconoció que Ramsay tenía la razón. En la actualidad, todos los manuales del mundo mencionan al científico inglés como el primer descubridor de la–pléyade de los gases nobles. Y nadie intenta discutir este hecho.
... Durante veinte años estuvo encerrado en los calabozos de la Fortaleza de Schliesselburgo Nikolaí Morózov, miembro de "Naródnaya Volia". En los años de Poder Soviético llegó a ser hombre de ciencia de fama mundial. El lóbrego pozo de piedra no podía extinguir en él el vehemente deseo de creación científica. Trabajó constante y persistentemente, sugiriendo ideas e hipótesis audaces y originales. En la fortaleza, Morózov llevó a cabo una investigación consagrada al sistema periódico. En este trabajo predijo la existencia de elementos que deben ser químicamente inactivos.
Cuando Morózov fue liberado de la presión, los gases inertes ya habían sido descubiertos y encontraron su lugar en la tabla de Mendeléev...
Se decía que poco antes de la muerte de Mendeléev lo visitó Morózov y que los dos grandes compatriotas hablaron largo rato de la ley periódica. Lamentablemente, no se conoce el contenido de su conversación y, evidentemente, no se revelaría nunca.
Mendeléev murió poco antes de que se aclarara el misterio de la inactividad de los gases nobles. Este enigma consiste en lo siguiente.
Los físicos, que con tanta frecuencia acuden en ayuda de los químicos, establecieron que la capa exterior con ocho electrones es extraordinariamente estable. A su modo es una especie de límite de solidez a que tiende la capa electrónica. Por consiguiente, ésta no tiene ninguna razón para perder o, en cambio, ganar electrones sobrantes.
He aquí la base de la "nobleza" de los gases inertes: 8 electrones en la capa exterior. O dos como en el caso del helio. Su capa de, 2 electrones no cede por su solidez a la de 8 en otros holgazanes químicos.
También se aclaró para los químicos otra cosa: la adición del grupo cero a la tabla de Mendeléev no es una medida forzada. Sin esa sección el sistema periódico parecería un edificio cuya construcción está sin terminar, puesto que cada período concluye con un gas inerte. Luego empieza a completarse la siguiente capa electrónica y se erige el piso de turno de la Gran Casa.
Como se ve, todo se explica con bastante sencillez. Los gases nobles, a pesar de su título aristocrático, mostraron cierta capacidad de actividad práctica: el helio se utiliza para llenar los aeróstatos y dirigibles, para combatir la enfermedad de los buzos, las luces de los letreros de argón y neón alumbran las calles nocturnas de las ciudades.
Bueno, puede ser que los físicos dejaron algo sin pensar y calcular hasta el fin, y los químicos no aprovecharon todas sus armas que obligan a las sustancias a reaccionar unas con otras?
En busca de una idea "loca" o cómo los gases inertes dejaron de serlo
– ¡Dos rectas paralelas nunca se intersecan! – afirmaba la geometría clásica por la boca del gran matemático de la Antigüedad Euclides.
– ¡No, tienen que intersecarse! – declaró a mediados del siglo pasado el matemático ruso Nikolái Lobachewski.
Y nació una nueva geometría, la no euclidiana.
– ¡Delirio y fantasía! – así reaccionaron a su aparición muchos renombrados hombres de ciencia de aquel tiempo.
Sin embargo, sin la geometría de Lobachewski no hubiera podido desarrollarse la teoría de la relatividad, m muchas ideas audaces que tratan de dilucidar a qué leyes está sujeta la estructura del Universo.
El escritor soviético Alexei Tolstoi escribió la novela "El hiperboloide del ingeniero Garin".
– Qué maravillosa fantasía – decían los críticos literarios de todo el mundo.
– Una fantasía que nunca puede volverse realidad – les hacían eco los científicos.
Le faltaron a Alexei Tolstoi unos quince años de vida, para ver cómo de un cristal de rubí emanó un rayo de luz de un brillo y potencia nunca vistos y la palabra "láser" se hizo conocida no sólo entre los especialistas .
. . . Los químicos entusiastas seguían creyendo en la posibilidad de romper la obstinada resistencia de los gases inertes. Si se hojean las páginas, que ya empiezan a marchitarse, de las revistas científicas de los años veinte, treinta y cuarenta, se verán muchos artículos y noticias interesantes que confirman: los químicos no renunciaron a la idea de incorporar los gases inertes en la esfera de su actividad.
Estas páginas exponen fórmulas inusitadas que tratan de sustancias fantásticas, compuestos de helio con mercurio, paladio, platino y otros metales. Todos estos compuestos tienen un solo defecto, no son aquellos compuestos que se quería obtener. En ellos queda intacta la capa bioelectrónica del helio y, además, pueden subsistir únicamente a una temperatura muy baja, en el reino del cero absoluto...
Seguimos hojeando las revistas químicas. Otra noticia: el químico soviético Nikitin obtuvo compuestos mucho más prosaicos del xenón y radón con agua, fenol y algunos otros líquidos orgánicos, Xe · 6H 2 0, Rn · 6H 2 0. Son estables en condiciones normales, no son difíciles de preparar, pero...
Pero, al igual que antes no tienen nada que ver con el enlace químico. Los átomos de xenón y radón defienden abnegadamente la perfección de sus capas exteriores: había 8 electrones, 8 electrones quedaron. Pasaron más de cincuenta años desde el descubrimiento de los gases inertes, mas "el carro sigue sin moverse".
...Terminará el siglo veinte, el más tormentoso y memorable de todos los que vivió la humanidad. Los científicos harán el balance de los progresos y las cumbres que habrá alcanzado en este siglo el pensamiento científico. Y en la lista interminable de los descubrimientos destacados ocupará un lugar notorio la "Obtención de los compuestos químicos de los gases inertes". Y un comentarista entusiasmado añadirá que fue uno de los descubrimientos más sensacionales.
¿Descubrimiento sensacional? ¡No me diga! Más bien es una historia romántica. O incluso una historia de cómo y con qué sencillez se puede a veces resolver un problema que durante decenios torturó a muchos científicos debido a su irresolubilidad...
En nuestros días la química recuerda un potente árbol con una inmensa copa en constante crecimiento. Un solo hombre ya es incapaz de estudiar una rama entera. Con frecuencia, el investigador invierte años para conocer detalladamente una ramita, un brote, un vástago apenas visible. Y de miles de tales estudios se compone el conocimiento sobre una u otra rama.
El químico canadiense Neil Bartlett estudiaba la "ramita" que era el compuesto llamado en el lenguaje químico hexafluoruro de platino, PtF 6 . No era casual que el químico prestara tanta atención a esta sustancia. Los compuestos de flúor con metales pesados son sustancias muy interesantes, necesarias tanto para la ciencia como para la práctica humana. Por ejemplo, para separar los isótopos del uranio – uranio–235 y uranio–238 – de acuerdo con las necesidades de la energética nuclear. La separación de un isótopo del otro es un trabajo muy complicado, el hexafluoruro de uranio, UF 6 , los ayuda a clasificar. Además, los fluoruros de los metales pesados son sustancias químicas muy activas.
Bartlett sometió el PtF 6 a la acción del oxígeno y obtuvo un compuesto muy interesante. Este contenía oxigeno en forma de molécula positiva 0 2 , es decir, en forma de molécula que perdió un electrón. ¿Qué hay aquí de extraño? Que es muy difícil separar un electrón de la molécula de oxígeno. Hace falta invertir una gran energía. El hexafluoruro de platino resultó ser susceptible de arrancar un electrón a la molécula de oxígeno.
Para separar un electrón de la capa exterior de los átomos de los gases inertes también se necesita mucha energía. Aquí se observa una regularidad: cuanto más pesado es el gas inerte, tanto menor es la energía necesaria. Resultó más fácil hacer que el átomo de xenón se despida de un electrón, que arrancar un electrón de la molécula de oxígeno.
Por consiguiente... ¡Aquí empieza lo más interesante! Bartlett decidió obligar al hexafluoruro de platino a que raptara un electrón al átomo de xenón. Sus esfuerzos se coronaron con el éxito: en 1962 vio la luz un compuesto químico de un gas inerte, el primero en el mundo. Su fórmula es XePtF 6 . Además, es bastante estable, a diferencia de las exóticas combinaciones de helio con platino o mercurio.
Este grano, apenas visible, inmediatamente dio retoños que empezaron a crecer con la velocidad del bambú. Se formó una nueva rama de la química, la química de los gases inertes. Tan sólo ayer muchos científicos serios se mostraron escépticos; hoy, tienen en sus manos más de cincuenta verdaderos compuestos químicos de los gases inertes. Principalmente los fluoruros de xenón, kriptón y radón. La riqueza de la química del xenón sorprende. Se conocen cuatro fluoruros de éste: XeF 2 , XeF 4 , XeF 6 y XeF 8 . No cada elemento "corriente" puede jactarse de tanta abundancia de estados de valencia.
En consecuencia, se desvaneció el mito sobre la inmutabilidad de la capa electrónica exterior de los gases nobles.
¿Cómo están estructuradas las moléculas de diferentes compuestos de los gases inertes? Los científicos, a duras penas, empiezan a esclarecerlo. Resulta que los átomos pueden poseer una reserva mucho mayor de fuerzas de valencia de lo que se suponía antes. Las ideas anteriores sobre la valencia se basaban en el reconocimiento de una estabilidad e inmutabilidad especial de la capa de ocho electrones. Ahora científicos se ven obligados a reflexionar si todo está claro en esas teorías. Puede ser que Ud., estimado lector, junto con ellos descubrirá nuevas regularidades...
Nueva disconformidad y cómo vencerla
...Cuéntase que una vez vino a un instituto de investigación científica un hombre de aspecto pensativo con un portafolio voluminoso en las manos. Expuso ante los científicos sus papeluchos y con un tono que no podía soportar ninguna objeción, declaró:
– ¡La tabla de Mendeléev debe tener sólo siete grupos de elementos, ni más ni menos!
– ¿Cómo puede ser esto? – se sorprendieron los científicos que habían visto bastantes cosas raras en su vida.
– Muy sencillo. El número "siete" encierra un gran sentido. Siete colores del arco iris, siete notas de la escala musical...
Los científicos entendieron que el hombre que se hallaba ante ellos no estaba del todo sano y trataron de convertir en broma las pretensiones del recién aparecido reconstructor de la tabla de Mendeléev.
– No olvide que en la cabeza humana hay siete orificios – se sonrió uno.
– Y que hay uno que sabe más que siete añadió otro ... He aquí el caso que se dice ocurrió en uno de los institutos de Moscú.
Según parece, hubo un sinnúmero de casos análogos en la historia del sistema periódico. Uno tras otro fueron los intentos de recortarlo. A veces estos intentos tenían un sentido determinado pero en la mayoría de los casos derivaron de la tendencia de algunos autores a mostrarse originales.
En 1969 se celebró el centenario del gran descubrimiento. Y precisamente antes de esta fecha trascendental los químicos serios empezaron a pensar en la necesidad de reconstruir algo en el sistema periódico...
Hubo un tiempo en que los científicos no se atrevían a llamar químicos a los elementos del grupo cero. Ahora las cosas cambiaron. Ya era incómodo llamar inertes a los elementos de dicho grupo. Raras veces pasó un mes sin que aparecieran en las revistas químicas artículos dedicados a la química de los elementos inert..., perdón, del grupo cero. De distintos países llegaban noticias sobre la síntesis de nuevos compuestos químicos del kriptón, xenón, radón... Xenón bi–, tetra– y hexavalente, kriptón tetravalente... Lo que hace unos diez o quince años parecían términos locos, ahora se han hecho palabras habituales.
– ¡Sobre la tabla de Mendeléev se cierne la pesadilla de los fluoruros de xenón! – exclamó espantado un famoso científico.
Aunque las palabras suenan exageradas, de todos modos hace falta desvanecer esta "pesadilla", y sin demora... Pero, ¿cómo hacerlo?
Algunos proponen: "archivar" en la historia de la ciencia el concepto del "grupo cero" y ubicar todos los gases llamados "inertes" en el octavo grupo, ya que capa exterior contiene ocho electrones...
¡Un momento! El octavo grupo existe ya. Fue el propio Mendeléev quien lo "incrustó" en la tabla. Este grupo incluye nueve elementos:
hierro, cobalto, níquel, rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio y platino. Estos forman tríadas de elementos de transición.
Entonces, qué hacer con este grupo?
En otras palabras, los químicos tropezaron cara a cara con un nuevo obstáculo. Los contornos de la tabla de Mendeléev a que estamos acostumbrados están a punto de cambiarse.
Un viejo proverbio dice: "Siempre hay algo que estorba". El cambio de los contornos de la tabla lo impide el "viejo" octavo grupo. ¿A dónde desplazarlo?
Un poco de paciencia. Hablaremos más tarde de este asunto. A su debido tiempo.
El "omnívoro"
Así lo llamó el conocido científico soviético Alexandr Fersman. (Ver Geoquímica Recreativa). Pues no hay en el mundo elemento más furioso, no hay en la naturaleza sustancia más activa químicamente que el héroe del presente ensayo. En general, no se encuentra en la naturaleza en estado libre, sino sólo en forma de combinaciones.
Su nombre es flúor, lo que en griego significa "destructor". Es otro calificativo que caracteriza las peculiaridades de este representante del séptimo grupo de la tabla de Mendeléev.
Alguien dijo en una ocasión: "El camino hacia el flúor libre atravesó por tragedias humanas". No es una frase altisonante. Los hombres han descubierto y obtenido artificialmente más de cien elementos. En busca de nuevas sustancias elementales los investigadores salvaron un sinnúmero de obstáculos, pasaron por una multitud de desilusiones, se vieron víctimas de faltas curiosas. ¡Cuánto trabajo les costó a los científicos seguir las huellas de los elementos desconocidos!
Pero el flúor, el elemento flúor en estado libre, devoraba vidas. Larga es la lista fúnebre de los que perecieron durante los intentos de obtener flúor en estado libre. Cayeron víctimas del "omnívoro" el miembro de la Academia de Ciencias irlandesa Knox, el químico francés Niklesse, el investigador belga Lavette, y otros muchos sufrieron serios lesiones. Entre estos últimos mencionamos a los célebres químicos franceses Gay-Lussac y Thenard, el inglés Humphry Davy... Sin duda hubo otros investigadores desconocidos de quienes el flúor se vengó, por su atrevido intento de separarlo de sus compuestos.
Cuando el 26 de junio de 1886 Henri Moissan informó a la Academia de Ciencias de París que por fin se había logrado obtener flúor libre, un ojo del químico lo cubría un vendaje negro...
El químico francés Moissan fue el primero en entender qué representa el elemento flúor en estado libre. Además, hay que reconocer que muchos químicos simplemente tenían miedo de trabajar con este elemento.
Los químicos del siglo XX encontraron métodos para dominar la furia del flúor y ponerlo al servicio de la humanidad. La química de este elemento llegó a ser una gran rama independiente de la química inorgánica.
El temible "espíritu maligno" encerrado en el flúor fue domado. Los trabajos de los numerosos combatientes por el flúor libre fueron remunerados con creces.
En muchos tipos de máquinas frigoríficas modernas como agente refrigerante se emplea el freón. Pero su nombre químico es mucho más complicado: diclorodifluormetano. El flúor es su indispensable parte integrante.
Resulta que el "destructor" es capaz de formar compuestos que son, de hecho, indestructibles. No arden ni se pudren, no se disuelven en álcalis, ni en ácidos; es más, ni siquiera el propio flúor libre puede afectarlos; son casi indiferentes al frío glacial del Antártico y a los cambios bruscos de la temperatura. Unos de estos compuestos son líquidos, otros, sólidos. Su nombre común es fluoruros de carbono y son combinaciones que ni la propia naturaleza podía ingeniar. Fueron obtenidos por el hombre. La alianza entre el flúor y el carbono resultó ser muy útil. Los fluoruros de carbono se emplean como líquidos refrigerantes para motores, para impregnar telas especiales, como lubricantes con un plazo de acción muy prolongado, como aislantes y como materiales para construir diferentes aparatos de la industria química.
Cuando los científicos estaban explorando el camino para apoderarse de la energía del núcleo, necesitaban separar los isótopos del uranio: uranio–235 y uranio–238. Y, como ya hemos dicho, llegaron a resolver este complicadísimo problema con ayuda de un interesante compuesto: el hexafluoruro de uranio.
Fue precisamente el flúor el que ayudó a los químicos a demostrar que los gases inertes no son tan holgazanes como se consideró durante decenios. El primer compuesto de un gas inerte, el xenón, fue un compuesto fluorado.
Tales son los éxitos era la actividad laboral del flúor.
La "piedra filosofal" de Hennig Brand
En la época medieval, vivió en la ciudad alemana de Hamburgo el negociante Hennig Brand. No sabemos hasta qué punto era ingenioso en su comercio: tampoco sabemos qué nociones tenía de la química, si era un aficionado o leía en las horas de asueto tratados científicos.
No obstante, no podía resistir la tentación de enriquecerse de golpe y porrazo. Lo único que le faltaba era poca cosa, tan sólo necesitaba hallar la decantada "piedra filosofal" que, según decían los alquimistas, podía convertir en oro hasta un cantó rodado .
...Pasaron los años. Los negociantes raras veces se acordaban ya del nombre de Brand, y si lo hacían, movían tristemente la cabeza. Mientras tanto Brand estaba enfrascado cabeza. disolver, mezclar, triturar, pasar por criba y calentar diferentes minerales y materias, y sus manos estaban cubiertas de quemaduras incurables producidas por ácidos y álcalis.
Una tarde la fortuna le sonrió al ex–negociante. En el fondo de su retoma se depositó cierta sustancia, blanca como la nieve. Ardía muy enérgicamente produciendo un humo denso y asfixiante. Pero lo más curioso era que tenía la propiedad de lucir en la oscuridad. Esta luz fría era tan intensa que permitía leer los antiguos tratados alquímicos (ahora éstos sustituían los papeles de negocios de Brand) .
...De este modo, por casualidad, fue descubierto un nuevo elemento químico, el fósforo, que en griego significa "que lleva luz".
El fósforo es el componente principal de muchos compuestos luminiscentes. ¿Se acuerda Ud. del famoso sabueso de los Baskerville que tanto tiempo fue cazado por Sherlock Holmes? Su boca estaba untada con fósforo.
No hay representante de la tabla de Mendeléev que tenga esta propiedad tan peculiar.
El fósforo tiene un sinnúmero de valiosas e importantes propiedades.
El químico alemán Moleschott dijo en una ocasión: "Sin fósforo no existe pensamiento". En efecto, es así, porque los tejidos cerebrales contienen muchos compuestos complejos de fósforo.
Ni la propia vida puede existir sin fósforo. Sin este elemento no podrían transcurrir los procesos respiratorios, ni los músculos podrían acumular reservas de energía. En fin, el fósforo es uno de los "ladrillos" más importantes de cualquier organismo vivo, ya que el componente principal de los huesos es el fosfato de calcio.
Ahora diga, ¿no es el fósforo una verdadera "piedra filosofal" que permite convertir lo inanimado en lo vivo?
Y, finalmente, ¿por qué luce el fósforo?
Por encima de un trocito de fósforo blanco hay una nube de vapor de fósforo. El vapor se oxida desprendiendo gran cantidad de energía. Esta excita los átomos de fósforo, debido a lo cual aparece la fosforescencia.
El olor a frescura o un ejemplo de cómo la cantidad pasa a calidad
¡Qué bien se respira después de una tormenta! El aire transparente parece que está impregnado de frescor.
Esto no es una figura poética; el hecho consiste en que los relámpagos engendran en la atmósfera gas ozono, que purifica el aire.
El ozono es el mismo oxígeno, pero su molécula en vez de dos átomos del elemento contiene tres. O2 y O3, un átomo de oxígeno más, un átomo menos, ¿qué importancia puede tener esto?
Resulta que la diferencia es enorme: el oxígeno corriente y el ozono son sustancias muy distantes.
Sin oxígeno no hay vida. Al contrario, el ozono en grandes concentraciones es capaz de matar toda materia orgánica. No hay otro oxidante tan fuerte, con excepción del flúor, como el ozono. Al combinarse con sustancias orgánicas, las destruye de inmediato. Todos los metales atacados por el ozono (salvo el oro y el platino) se convierten en óxidos rápidamente.
El ozono tiene dos caras: es asesino de lo vivo y al mismo tiempo hace su aportación a la existencia de la vida en la Tierra.
Esta paradoja es de fácil explicación. La irradiación solar no es homogénea. De ella forman parte los llamados rayos ultravioleta. Si todos estos rayos hubieran alcanzado la superficie de la Tierra, la vida resultaría imposible, puesto que estos rayos dotados de una enorme energía son mortíferos para los organismos vivos.
Afortunadamente, hasta la superficie terrestre llega tan sólo una parte insignificante de irradiación ultravioleta del Sol. La mayor parte pierde su fuerza en la atmósfera, a la altura de unos 20–30 km. En esta frontera, la manta aérea del Planeta contiene mucho ozono. Este, precisamente, absorbe los rayos ultravioleta (a propósito, una de las teorías modernas de la procedencia de la vida en la Tierra remonta la aparición de los primeros organismos a la época de formación de la capa de ozono en la atmósfera).
Los hombres necesitan de ozono en la Tierra, y, además, en grandes cantidades.
A los hombres –en primer lugar a los químicos– son muy necesarias miles y millares de toneladas de ozono.
La industria química estaría muy contenta de poder aprovechar la asombrosa capacidad oxidante del ozono.
Los que trabajan en la industria petrolera también recurrirían al ozono. El petróleo de muchos yacimientos contiene azufre. Y estos petróleos sulfurados causan muchas preocupaciones, porque destruyen en plazos muy cortos los aparatos e instalaciones, por ejemplo, las calderas de las centrales eléctricas. El ozono permitiría, más fácilmente, eliminar el azufre de tales petróleos. Por otra parte, a costa de este azufre se podría duplicar, o incluso, triplicar, la producción de ácido sulfúrico.
Bebemos agua clorada suministrada por los conductos de agua. Es inofensiva, pero su sabor está lejos de asemejarse al del agua de los manantiales. Si tratamos el agua potable con ozono, perecerán todas las bacterias patógenas y, además, el agua no tendrá ese gustillo molesto.
El ozono puede renovar neumáticos viejos, blanquear telas, celulosa y fibras. Y puede muchas cosas más. Es por eso que los hombres de ciencia e ingenieros trabajan para crear potentes ozonadores industriales.
Así es el ozono, 03 , que tiene no menos importancia que el O2 .
El pensamiento filosófico hace mucho que ha formulado uno de los principios dialécticos: el paso de los cambios cuantitativos a los cualitativos. El ejemplo del oxígeno y el ozono es una de las manifestaciones más marcadas de la dialéctica en la química. Los científicos conocen otra molécula de oxígeno que consta de cuatro átomos, 04. Pero, a decir verdad, ese "cuarteto" es inestable en extremo y casi no se conoce nada sobre sus propiedades.
Tan simple y, sin embargo, tan asombroso...
Para la vida el agua es la sustancia número uno. Su fórmula es muy simple: H 2 0. Un átomo de oxígeno más dos átomos de hidrógeno. Se puede decir que es la primera fórmula química de la que uno se entera.
Intentemos imaginarnos qué aspecto tendría nuestro Planeta si de súbito quedase privado de agua .
...Lúgubres y vacías "ojeras" de las depresiones de los océanos y los mares cubiertos de una gruesa capa de sales antes disueltas en el agua. Lechos resecos de los ríos y manantiales sumidos en eterno silencio. Rocas desmoronándose hasta el polvo por falta de agua que ligaba sus componentes. Ningún arbusto, ni flor, ni ser viviente en la Tierra exánime. Y en lo alto, un cielo siniestro e insólito donde nunca, jamás, aparece ni siquiera una nubecilla solitaria.
El agua es, al parecer, el más simple de los compuestos, pero sin ella es imposible cualquier clase de vida, tanto racional como irracional.
Tratemos de aclarar el porqué de esto.
Ante todo, porque el agua es el más maravilloso de los compuestos químicos que hay en el mundo.
Cuando Celsio inventó el termómetro, se fundamentó en dos magnitudes, dos constantes: la temperatura de ebullición del agua y la temperatura de su congelación. La primera la igualó a 100 grados, y la segunda, a cero. Después dividió el intervalo entre estos puntos extremos en cien partes iguales. Así apareció el primer instrumento para medir la temperatura.
Pero, ¿qué habría pensado Celsio si se hubiera enterado de que el agua debía congelarse no a 0° y hervir no a 100°? Y sin embargo lo hace precisamente a estas temperaturas.
La ciencia moderna estableció que el agua se nos presenta como un grandísimo impostor. Es el compuesto más anómalo del globo.
Los científicos dicen que el agua debe hervir a una temperatura de 180 grados inferior, es decir, a 80 grados bajo cero. Por lo menos, el reglamento que rige en el sistema periódico le prescribe que hierva a esa temperatura antártica.
Las propiedades de los elementos que forman parte de uno u otro grupo del sistema periódico varían con cierta regularidad, cuando se pasa de los elementos ligeros a los pesados. Consideremos, por ejemplo, las temperaturas de ebullición. Tampoco varían por antojo las propiedades de los compuestos. Estas dependen de la posición, en la tabla de Mendeléev, de los elementos que forman las moléculas. Entre otras, también las propiedades de los compuestos hidrogenados, o hidruros de los elementos que pertenecen a un mismo grupo.
El agua se puede llamar hidruro de oxígeno. El oxígeno es miembro del sexto grupo. En este mismo grupo están alojados el azufre, selenio, telurio y polonio. Las moléculas de sus hidruros tienen la misma estructura que la molécula de agua: H2S, H2, Se, H2 Te, H2 Po. Para cada uno de estos compuestos se conocen las temperaturas de ebullición que cambian con bastante regularidad al pasar del azufre a sus compañeros más pesados.
Pero la temperatura de ebullición del agua sobresale bruscamente en este grupo. Es mucho más alta de lo debido. Parece que el agua no quiere tomar en consideración las reglas establecidas en la tabla de Mendeléev, desplazando a 180 grados el proceso de su transición a estado de vapor. Es la primera anomalía asombrosa del agua.
La segunda está relacionada con su congelación. Los estatutos del sistema periódico prescriben que el agua deba pasar a sólido a 100 grados bajo cero, empero, el agua infringe maliciosamente esta exigencia, convirtiéndose en hielo a cero grados.
Esa desobediencia del agua permite sacar la siguiente e interesante conclusión: el estado líquido y sólido del agua en la Tierra es anormal. De acuerdo con el "reglamento" debería encontrarse en forma de vapor. Imagínese el mundo en que el agua cumpla estrictamente las prescripciones del sistema periódico. Es un tema muy fecundo para los autores de obras de ciencia ficción. Estos pueden aprovechar este hecho, único en su género, para escribir numerosas novelas y narraciones sugestivas. Pero para nosotros, estimado lector, al igual que para los científicos, es una confirmación más del hecho de que la tabla de Mendeléev es una construcción mucho más complicada de lo que puede parecer a primera vista, y que el genio de sus habitantes se asemeja, en grado sumo, al carácter de las personas. No se puede encerrar en marcos determinados. Y el carácter del agua es muy caprichoso...
Pero, ¿por qué?
Porque es muy peculiar la estructura de las moléculas del agua, gracias a lo cual éstas tienen una propiedad muy acusada de atraerse mutuamente con gran fuerza. En vano buscaríamos en un vaso de agua moléculas solitarias. Las moléculas forman grupos que los científicos llaman asociaciones. Sería más correcto escribir la fórmula del agua de otro modo: (H 2 0) , donde n designa el número de moléculas en la asociación.
Estos enlaces asociativos entre las moléculas del agua se pueden romper sólo con grandes esfuerzos. Por eso el agua se funde y hierve a temperaturas mucho más altas de lo que se podía esperar.
"El hielo naciente sobre las aguas del río"...
En 1912 se difundió por el mundo una triste noticia. Al chocar contra un iceberg se hundió el gigantesco barco de línea "Titanic". Los expertos explicaban de distinta forma las causas de la catástrofe, pero todos coincidieron en que el capitán, en la niebla, no divisó la enorme mole de hielo y al chocar con ésta el barco naufragó.
Si analizamos este acontecimiento funesto desde el punto de vista de un químico, llegaremos a una inesperada conclusión: El "Titanic" resultó ser víctima de la tercera anomalía del agua.
Los horripilantes témpanos de hielo, los "icebergs" que pesan decenas de miles de toneladas nadan como un corcho sobre la superficie del agua.
Esto ocurre, porque el hielo es más ligero que el agua.
Trátese de fundir cualquier metal y echar en la masa fundida otro fragmento de este mismo metal: éste se hundirá inmediatamente, puesto que en estado sólido toda sustancia tiene mayor densidad que en estado líquido: cualquiera, menos el hielo y el agua, que son una extraña excepción de esta regla. Sin esa excepción, todos los depósitos de agua de las latitudes medias se congelarían hasta el fondo, pereciendo todos los seres vivos que habitan estas aguas.
Recuérdese de los versos de Nekrásov:
El hielo naciente sobre las aguas del río
Cual blanco azúcar esparcido está...
Viene el gélido invierno y el hielo se robustece. Por el río se abre un camino invernal. Pero, como antes, bajo el hielo corren las aguas. El río no se congela hasta el fondo.
El hielo, es decir, el agua en estado sólido, es una sustancia muy peculiar. Existen varios tipos de hielo. La naturaleza conoce sólo uno, el que se funde a cero grados centígrados. Mas los científicos en los laboratorios, al aplicar altas presiones, obtuvieron seis variedades más de hielo. La más fantástica de éstas, el hielo VII, se forma a una presión mayor de 21700 atmósferas, y se puede llamar hielo incandescente. Se funde a 192 grados sobre cero y a la presión de 32000 atmósferas.
Parece que no hay cuadro más trivial que aquel cuando el hielo se derrite. Sin embargo, ¡qué maravillas acompañan ese proceso!
Cualquier sustancia sólida, después de su fusión, comienza a dilatarse. En cambio, el agua que se produce en el deshielo, se comporta de un modo completamente distinto: al principio se contrae y sólo en el caso de que siga aumentándose la temperatura, empieza a dilatarse. La causa de este fenómeno también reside en la propiedad de las moléculas de agua de atraerse mutuamente. Esta propiedad se manifiesta particularmente a cuatro grados sobre cero. Por lo tanto, a esta temperatura el agua tiene su máxima densidad; precisamente por esta razón nuestros ríos, lagos y estanques no se congelan hasta el fondo ni siquiera con los fríos más severos.
El hombre se alegra cuando viene la primavera y admira los bellos días del otoño dorado, el jovial tac–tac de las gotas cuando se derrite la nieve, y el traje purpúreo de los bosques...
¡Esto se debe a otra propiedad anómala del agua!
Para que el hielo se derrita, se necesita gran cantidad de calor. Incomparablemente más que para fundir cualquier otra sustancia tomada en la misma cantidad.
Cuando el agua se congela, este calor vuelve a desprenderse. El hielo y la nieve, al devolver el calor absorbido, calientan la tierra y el aire. Amortiguan el brusco paso hacia los fríos del invierno y permiten que durante varias semanas reine el otoño. Al contrario, en la primavera retardan la llegada de días bochornosos.
¡Cuántas aguas existen en la tierra!
Los científicos encontraron en la naturaleza tres isótopos de hidrógeno. Cada uno de éstos puede combinarse con oxígeno. Por consiguiente, se puede hablar de tres clases de agua: de protio, de deuterio y de tritio, o sea, H2O, D2O y T2O.
Pero puede haber aguas "mixtas", cuando en la composición de la molécula entran, por ejemplo, el átomo de protio y el átomo de deuterio, o el átomo de deuterio y el de tritio. Entonces la lista de las aguas aumenta en HDO, HTO y DTO.
Mas el oxígeno que entra en la composición del agua, es también una mezcla de tres isótopos: oxígeno–16, oxígeno–17 y oxígeno–18. Entre ellos el más difundido es el primero.
Si tenemos en cuenta estas variedades del oxígeno, el número de aguas posibles crecerá en 12. Al tomar un poco de agua de un río o de un lago, es probable que Ud. no sospeche que la misma está constituida por 18 variedades distintas de agua.
El agua, dondequiera que la saquemos, es una mezcla de diferentes moléculas. Desde la más ligera, H2O16 , hasta la más pesada, T2O18 . Los químicos saben preparar cada una de estas dieciocho aguas en forma pura.
Los isótopos de hidrógeno se diferencian considerablemente por sus propiedades. ¿Y cómo se comportan los diversos tipos de agua? También tienen algunos rasgos distintos. Por ejemplo, se distinguen sus densidades y las temperaturas de congelación y de ebullición.
Al mismo tiempo, en la naturaleza, la composición de aguas distintas siempre y en todas partes es distinta.
Por ejemplo, el agua tomada del conducto contiene 150 g por tonelada de agua pesada de deuterio, D 2 0. Y el agua del Pacífico la contiene en una cantidad algo mayor, cerca de 165 g. Una tonelada de hielo de los glaciares del Cáucaso tiene 7 g de agua pesada más que un metro cúbico del agua de los ríos. En una palabra, por doquier, el agua se distingue por su composición isotópica. Esto se debe a que en la naturaleza se desarrolla ininterrumpidamente el grandioso proceso del intercambio isotópico. Los diferentes isótopos del hidrógeno y oxígeno se sustituyen continuamente en condiciones diversas.
¿Hay otro compuesto natural que tenga un número tan grande, o mayor, de variedades? No, no lo hay.
Está claro que principalmente tenemos que ver con el agua de protio. Pero no se puede pasar por alto las demás aguas. Algunas de éstas encuentran una vasta aplicación en la práctica, sobre todo, el agua pesada D2O. Esta se utiliza en los reactores nucleares para el retardo de los neutrones que provocan la desintegración del uranio. Además, los científicos aprovechan distintas clases de agua en sus investigaciones de la química de los isótopos.
Llegamos a la conclusión de que existen 18 clases de agua, y por qué no más? En efecto, resulta que las variedades de agua pueden ser más numerosas. No se olvide que además de los isótopos naturales del oxígeno existen también los radiactivos, preparados artificialmente: oxígeno–14, oxígeno–15, oxígeno–19 y oxígeno–20. Al mismo tiempo, hace poco que ha aumentado el número de hidrógenos: ya hemos hablado del 4H y 5H.
Basta tener en cuenta los isótopos artificiales del hidrógeno y oxígeno, y en la lista de todas las aguas posibles ya figurarán más de cien denominaciones. A propósito, si Ud. quiere, puede por su cuenta calcular fácilmente su número exacto...
Agua "viva", vivificante y omnipresente...
Por los innumerables cuentos de diferentes pueblos pasa como un hilo rojo la leyenda sobre el agua "viva". Esta agua curaba las heridas y reavivaba a los muertos, convertía en audaz al cobarde y centuplicaba las fuerzas del valiente.
No es casual que el hombre adjudicara al agua estas propiedades mágicas. El hecho de que tuvimos en la Tierra, que estamos rodeados por bosques verdes y campos en flor, que en verano paseamos en lanchas, que mojados por la lluvia corremos por los charcos y en invierno tomamos parte en las competiciones de esquiar y patinar: todo esto se debe a la presencia del agua. Más exactamente, a la propiedad que tienen sus moléculas de atraerse mutuamente, formando asociaciones. Es una de las condiciones de la aparición y ,el progreso de la vida en nuestro planeta.
La historia de la Tierra es, en primer término, la historia del agua. El agua cambiaba, ininterrumpidamente y sigue cambiando la faz de nuestro planeta.
El agua es el químico más grande del mundo. Sin su participación no puede efectuarse ningún proceso químico: sea la formación de nuevas rocas y minerales, sea una complicadísima reacción bioquímica que se desarrolla en el organismo animal o vegetal.
Sin agua, los químicos no tendrían nada que hacer en sus laboratorios. Porque sólo en casos muy raros pueden pasársela sin agua al estudiar nuevas propiedades de las sustancias y sus transformaciones y al sintetizar nuevos compuestos. El agua es uno de los mejores disolventes que se conocen. Y para obligar a reaccionar a muchas sustancias, en primer lugar es necesario disolverlas.
Qué le sucede a una sustancia cuando se disuelve? El agua debilita centenas de veces las fuerzas que actúan entre los átomos y las moléculas alojados en la superficie. Entonces, las moléculas y los átomos del cuerpo empiezan a separarse de su superficie y pasar al agua. En un vaso de té el terrón de azúcar se disgrega en moléculas aisladas. La sal común se disocia en partículas cargadas, iones de sodio y cloro. La estructura de la molécula de agua es tal que posee una propiedad muy fuerte de atraer a su lado los átomos y las moléculas del cuerpo que se disuelve. Esta propiedad es mucho más manifiesta que en la mayoría de otros disolventes.
No existe en la Tierra roca que pueda oponerse a la actividad destructora del agua. Incluso los granitos, lenta pero inevitablemente, se someten a su acción. Las impurezas que el agua disuelve van a parar a los mares y océanos. Esta es la razón por la cual el agua de estos gigantescos depósitos es salobre. No se olvide que hace centenares de millones de años su agua era dulce...
Los secretos de un carámbano...
Los niños sienten un deseo irresistible de cogerse un carámbano. ¡Son tan bonitas estas brillantes varillas de hielo!
De la mano de un niño el carámbano pasa inmediatamente a la boca. Acaso es éste tan sabroso? Pero el niño se aflige seriamente, si se le priva de este placer.
¿Es esto un gentil antojo pueril? No, las cosas resultan ser mucho más serias.
En un laboratorio daban de beber a los pollos. Un grupo de pollos recibía agua común y corriente y el otro, la de deshielo, con trocitos de hielo no derretido.
Era un experimento de lo más sencillo, pero daba resultados sorprendentes. El agua corriente los pollos la tomaban tranquila y decentemente. Mientras tanto, al lado del platillo con agua de deshielo se armaba un verdadero escándalo. Los pollos se la tragaban ávidamente, como si se tratara de algo extraordinariamente sabroso.
Dentro de un mes y medio se pesó a los pollos experimentales y resultó que los que bebieron agua de deshielo eran más pesados, es decir, cobraron más peso en comparación con los que recibían agua corriente.
En una palabra, el agua de deshielo posee propiedades maravillosas. Es muy provechosa para los organismos vivos. Por qué ocurre esto?
Al principio pensaron que la causa radica en que el agua de deshielo tiene más deuterio. Y el agua pesada en pequeñas concentraciones influye benéficamente en el desarrollo de los organismos vivos. Pero esta explicación era justa sólo en parte.
Ahora se está buscando otra solución basada en el propio proceso del deshielo.
El hielo tiene estructura cristalina. Sin embargo, el agua, en general, también es un cristal líquido. Sus moléculas no están dispuestas caóticamente sino que forman una estricta armazón calada, aunque estructurada de otro modo que la armazón del hielo.
Cuando el hielo se derrite, guarda durante largo rato su estructura primitiva. Y aunque el agua de deshielo, por su aspecto exterior, es un líquido, sus moléculas siguen manteniendo la armazón del hielo. Debido a esta circunstancia, la actividad química del agua de deshielo parece aumentar. Con mayor facilidad toma parte en muchos procesos bioquímicos. Al entrar en el organismo, se muestra más apta que la corriente para combinarse con distintas sustancias.
Los científicos consideran que la estructura del agua contenida en el organismo es muy parecida a la del hielo. Por eso, el agua corriente que consume el organismo debe reestructurarse. En cambio, el agua de deshielo no necesita una tal reestructuración y el organismo puede ahorrar energía.
Al parecer, el papel que desempeña el agua de deshielo en la vida es muy importante.
Algo del campo de la lingüística o "dos grandes diferencias"
Sin palabras no existe el habla, sin letras no existen palabras. Empezamos el estudio de cualquier idioma por el alfabeto. En cada alfabeto figuran dos categorías de letras: las vocales y las consonantes. Sin las unas y las otras la sonora habla humana se hiciera añicos... A decir verdad, en una novela de ciencia ficción los habitantes de un ignoto planeta hablaban entre sí con sonidos que eran consonantes exclusivamente. ¡Pero qué cosas que no inventan los autores de ciencia-ficción!
La naturaleza habla con nosotros en el lenguaje de compuestos químicos. Cualesquiera de éstos es una combinación peculiar de "letras" químicas, o sea, de los elementos que existen en la Tierra. El número de "palabras" que forman estas "letras" supera los 3 millones, mientras que las "letras" del "alfabeto" químico constituyen nada más que unas cien.
El "alfabeto" químico tiene sus vocales y consonantes; todos los elementos químicos desde antaño se dividen en dos grupos: metales y no metales.
La cantidad de los no metales es mucho menor que la de los metales. La relación entre ellos se parece al tanteo del baloncesto: 21:83…Al igual que en el habla humana donde las consonantes prevalecen mucho sobre las vocales.
En el lenguaje humano, la combinación de las vocales únicamente expresa raras veces algo inteligible, en la mayoría de los casos se asemeja a un aullido exento de sentido.
No obstante, en el lenguaje químico es muy frecuente la unión de las vocales (no metales) por sí solo. Todo ser viviente de la Tierra debe su existencia precisamente a las combinaciones de los no metales unos con otros.
No es casual que los científicos llamen organógenos a los cuatro no metales principales, que son: el carbono, el nitrógeno, el oxígeno y el hidrógeno. Con eso quieren recalcar que estos elementos han engendrado la vida orgánica. Si a éstos les añadimos el fósforo y el azufre, resulta que prácticamente, esos seis "ladrillos" agotan el juego de materiales que la naturaleza emplea para construir albúminas e hidratos de carbono, grasas y vitaminas, en una palabra, todos los compuestos químicos vitales.
Dos no metales – oxígeno y silicio (dos "vocales" del "alfabeto" químico) – al combinarse dan una sustancia que en el lenguaje químico se escribe SiO 2 y se denomina dióxido de silicio. Esta sustancia es el fundamento y apoyo de la tierra, una especie de cemento que impide que las rocas y minerales se disgreguen hasta el polvo.
No cuesta trabajo concluir la lista de las "vocales" del "alfabeto" químico, basta con incluir en ésta los halógenos, gases raros del grupo cero (helio y sus compañeros) y tres elementos no muy conocidos: el boro, selenio y telurio.
Mas incurriríamos en un error si dijéramos que todo lo vivo en la Tierra está construido sólo por los no metales.
Los científicos descubrieron en el organismo humano más de 70 elementos químicos diferentes: todos los no metales y muchos metales, comenzando por el hierro y terminando con los elementos radiactivos, incluyendo el uranio.
Los lingüistas discuten hace mucho el problema de por qué en el lenguaje humano las consonantes prevalecen sobre las vocales.
Los químicos tratan de dilucidar el problema de por qué en el sistema periódico existen esas "dos grandes diferencias": no metales y metales. En estos dos destacamentos caen a veces elementos muy ajenos uno del otro. Y, sin embargo, tienen entre sí cierto parecido.
¡Por qué "dos grandes diferencias"!
Cierto bromista dijo en una ocasión que las personas se distinguen de los animales, en primer lugar, por tener dos cualidades notables: el sentido del humor y el sentido de la experiencia histórica. El hombre puede reírse de su mala suerte y no cae dos veces en la misma trampa. Aquí cabe mencionar otra cualidad del hombre: la de plantearse la pregunta por qué? y tratar de encontrar la respuesta.
Ahora nos valdremos precisamente de ese ¿por qué?
¿Por qué, por ejemplo, los no metales no están diseminados por los diferentes pisos de la Gran Casa, sino que se agrupan en un lugar determinado? ¿Por qué los metales son metales y los no metales son no metales? qué diferencia existe entre ellos? Empezamos por el último "por qué".
Cuando dos elementos (por ahora, es indiferente cuáles) comienzan a interactuar químicamente, las capas electrónicas exteriores de sus átomos se reestructuran. El átomo de un elemento entrega sus electrones, y el otro, los acepta.
La diferencia entre los metales y los no metales reside precisamente en esa importantísima ley de la química.
Los no metales son susceptibles de efectuar dos acciones opuestas: por regla general son capaces tanto de ganar electrones, como de entregarlos. Su conducta es bastante flexible y, según las circunstancias, pueden cambiar de aspecto. De ser más provechoso ganar electrones, los no metales se presentan en forma de iones negativos. En caso contrario, salen a la luz los iones positivos. Sólo el flúor y el oxígeno no quieren, prácticamente, mostrarse transigentes: únicamente aceptan electrones y nunca los entregan.
Los metales, en cambio, no son tan "diplomáticos", son más persistentes en sus tendencias. Su lema, que siguen con firmeza, es: entregar y sólo entregar electrones, convirtiéndose en iones positivos. Y en cuanto a ganar electrones sobrantes, esto no les conviene. Tal es la férrea norma de conducta que observan los elementos metálicos.
En esto radica la diferencia fundamental entre los metales y los no metales.
No obstante, los químicos de ojo escudriñador se las ingeniaron para encontrar una excepción incluso en esta regla tan estricta. Entre la sociedad de los metales hay caracteres caprichosos. Dos y (¡por ahora!) sólo dos metales acusaron una propiedad "no metálica". El astato y el renio (que habitan las casillas N° 85 y 75 respectivamente de la tabla de Mendeléev) se conocen en forma de iones negativos univalentes. Este hecho parece que deja una pequeña mancha en la reputación de la familia de los metales tan asombrosamente organizada...
En resumidas cuentas, cuáles átomos entregan con facilidad los electrones, y cuáles los aceptan fácilmente? Para los átomos en cuya capa exterior hay pocos electrones es más fácil entregarlos y los átomos con muchos electrones en la capa exterior prefieren aceptarlos, para obtener en esta capa ocho electrones. Los metales alcalinos tienen en la última órbita un solo electrón. Y les vale un comino perderlo. Hecho esto, se hace tangible la capa electrónica estable del gas noble vecino. Por esa razón, los metales alcalinos son los más activos químicamente entre todos los metales conocidos. Y el más, pero más activo entre todos ellos, es el francio (casilla N° 87). Puesto que cuanto más pesado es el elemento en el grupo, tanto mayor es el tamaño de su átomo y tanto menor la fuerza con que el núcleo retiene el único electrón periférico.
En el reino de los no metales el más furioso es el flúor. Por su "esfera exterior" giran electrones. Para llegar a la perfección le falta precisamente el octavo. Y lo arranca ávidamente casi a cualquier elemento del sistema periódico; nada ni nadie puede resistir su sañuda embestida.
Otros no metales aceptan electrones con distinto grado de facilidad, algunos con mayor, otros con menor. Ahora se entiende por qué se agrupan principalmente en el ángulo derecho exterior de la tabla: en su periferia se concentran más electrones y ese cuadro puede presentarse sólo en los átomos próximos al final del período.
Otros dos "por qué"
Por qué en la Tierra los metales son tan numerosos y los no metales son pocos? Por qué entre los metales existe mucho mayor parecido que entre los no metales? En efecto, es muy difícil confundir por el aspecto exterior el azufre y el fósforo, o el yodo y el carbono. Mas ni siquiera un ojo experto puede distinguir al instante qué metal está presente: niobio o tantalio, potasio o sodio, molibdeno o tungsteno.
...Al intercambiar de lugar los sumandos, la suma no se altera. Es uno de los principios básicos de la aritmética. Pero para la química, cuando empieza a desentrañar la estructura de las manifieste valencia positiva. Por ejemplo, se logró obtener el óxido F 2 0 donde el oxígeno tiene valencia positiva igual a dos. Este hecho pertenece ya a la esfera del exotismo químico. Son también muy raros los compuestos del flúor electropositivo.
El "Reglamento de la Gran Casa" tiene un punto muy importante: la valencia positiva superior del elemento es igual al número del grupo donde éste se encuentra ubicado.
El oxígeno y el flúor infringen esta regla. Mientras tanto tienen su domicilio permanente en el sexto y el séptimo grupo, respectivamente. Y no hubo ocasionen que surgiera el problema de su mudanza, ya que por todos los demás aspectos la conducta química del oxígeno y del flúor no se diferencia en nada de la de sus vecinos más pesados en otros pisos de la Gran Casa.
No obstante, existe cierta inconcordancia. Los químicos están bien enterados de ella, mas no le prestan gran atención. Ya que la arquitectura de la tabla de Mendeléev no sufre ningún daño por culpa de ésta.
Lamentablemente, existe otra inconcordancia, y esta vez mucho más grave.
En la Edad Media los mineros encontraban a veces minerales extraños muy parecidos a los de hierro. Pero, ¡qué infortunio! Nunca lograron fundir hierro de esos minerales. Los mineros explicaron sus fracasos por las picardías de los duendes de las minas, los malvados enanos llamados "kobolds" y el viejo diablo guasón Nick.
Claro está, después se averiguó que los duendes no tienen nada que ver con eso. Los minerales sencillamente, no contenían hierro, sino otros dos metales parecidos al primero. En memoria de los antiguos errores se bautizó a los nuevos metales con los nombres de cobalto y níquel.
También en la Edad Media, a las orillas del río Pinto en la América del Sur, los conquistadores españoles encontraron una extraña sustancia metálica, brillante y pesada, que no se disolvía en ningún ácido. El enigmático metal recibió el nombre de platino. Al pasar tres siglos se esclareció que el platino, en la naturaleza, siempre se halla en compañía de cinco satélites: rutenio, rodio, paladio, osmio e iridio. Estos seis metales sólo con dificultad se pueden distinguir uno del otro. Esa cohorte aliada se denominó familia del platino.
Llegó el momento de alojarlos en la Gran Casa.
De seguro, que Ud. está esperando una sugestiva narración de lo difícil que resultó hacer esto y cómo los científicos, paso a paso, salvaron estas dificultades grandes y pequeñas.
No. Todo resultó muy sencillo...
Arquitectura original
¿Tuvo Ud. la ocasión de ver una casa en la que todos los tramos y todas las secciones son iguales, que corresponden a un mismo proyecto, y sólo una es de distinta construcción? Como si la calculara y erigiera otro arquitecto, con otra fantasía creadora.
A lo mejor, nunca han visto algo semejante.
Mas la Gran Casa es precisamente un edificio bastante curioso. Mendeléev dio a una de sus secciones esa estructura peculiar. Añadimos entre paréntesis, se vio obligado a proceder así.
Esta sección es el octavo grupo del sistema periódico. Los elementos que lo integran se disponen de a tres. Además, no en cada piso, sino sólo en los que corresponden a los grandes períodos de la tabla. En uno se ubican el hierro, el cobalto y el níquel, y en otros dos, los metales de la familia del platino.
Mendeléev se esforzó mucho para encontrar para ellos lugares más convenientes. Pero no los encontró. Como resultado, tuvo que añadir al sistema periódico un grupo complementario, el octavo.
Por qué el octavo? Porque hasta aquel entonces como último figuraba el séptimo grupo perteneciente a los halógenos.
Pero en este caso el número del grupo desempeña un papel puramente formal.
En el octavo grupo, la valencia positiva igual a ocho es una rara excepción y no una regla. Sólo el rutenio y el osmio tratan arduamente de corresponder a esta exigencia: se conocen para ellos óxidos inestables Ru4O y OsO4. Los demás metales no pueden alcanzar esas "alturas", por mucho que los científicos se esfuerzan en ayudarles.
Busquemos juntos la solución.
Préstese atención al siguiente hecho: los metales pertenecientes a la familia del platino sólo con gran dificultad entran en reacciones químicas. Por eso, en la actualidad, los químicos utilizan frecuentemente en los experimentos recipientes hechos de platino. El platino y sus acompañantes ocupan entre los metales un lugar parecido al de los "gases nobles". Y no es casual que desde hace mucho se les otorgara el título de "nobles". Además, en la naturaleza abundan en estado libre, nativo.
Ahora consideremos el hierro. El hierro común y corriente se comporta como un elemento de actividad química media, mas el hierro puro es muy estable.
(A propósito, es otro hecho que hace meditar. Puede ser que muchos elementos, y no sólo metales, en estado extra puro se distinguen por su alta resistencia a las acciones químicas).
La "nobleza" de los metales de la familia del platino se debe no a la última, sino a la penúltima capa electrónica de sus átomos.
A ésta le falta muy poco para completarse, es decir, llenarse de 18 electrones. Resulta ser que la capa de 18 electrones tiene una estructura bastante sólida. Debido a ello, los metales de la familia del platino no tienen deseos de entregar electrones de esta capa, mas tampoco pueden aceptarlos porque en fin de cuentas son metales.
La explicación del asunto reside precisamente en esa "incertidumbre".
Sin embargo, el octavo grupo no corresponde muy bien con la lógica inherente a la tabla de Mendeléev. Con el fin de eliminar esa disconformidad, los químicos proponen unir los grupos ocho y cero en un sólo grupo. Y hacerlo de modo que los gases nobles constituyan su subgrupo principal y los elementos de las tríadas, el secundario. Ya han aparecido variantes de la tabla de elementos con semejante estructura en su parte derecha.
Sólo el futuro puede mostrar hasta qué punto es justo tal paso, pues el concepto de "grupo cero" solamente sirve para el kriptón, xenón y radón. En cuanto al helio, neón y argón, no se ha logrado obtener sus compuestos químicos y es muy dudoso que, en general, se obtengan.
Catorce hermanos gemelos
A éstos los llaman lantánidos. Porque todos ellos, catorce en total, se parecen al lantano y uno a otro casi como dos gotas de agua. Gracias a esa asombrosa semejanza química todos ellos se alojan en una sola casilla, la del lantano, que figura en la tabla con el número 57.
¿No puede haber aquí algún malentendido? Es que el propio Mendeléev y otros muchos científicos discurrían que cada elemento debe ocupar su lugar único y estrictamente determinado en el sistema periódico.
Mas en este caso, en una casilla se atropellaron una decena y media de inquilinos, y todos ellos resultaron elementos del tercer grupo y del sexto período.
¿Se puede hacer el intento de distribuirlos por otros grupos?
Sí. Muchos químicos, entre ellos el propio Mendeléev, trataron de hacerlo. El cerio se alojaba en el cuarto grupo; el praseodimio, en el quinto; el neodimio, en el sexto, etc. Pero todas estas distribuciones carecían de lógica. En los subgrupos principales y secundarios de la tabla de Mendeléev se ubican elementos semejantes. Y el cerio no tenía nada que ver con el circonio; el praseodimio y neodimio eran forasteros con respecto al niobio y molibdeno. Otros elementos de tierras raras (es el nombre común del lantano y los lantánidos) tampoco encontraron parientes en los respectivos grupos. En cambio, son muy parecidos entre sí, al igual que hermanos gemelos.
Cuando a los químicos se les preguntaba en qué casillas de la tabla debían de alojarse los lantánidos, indecisos, se encogían de hombros. Además, qué podían contestar, si no sabían la causa del sorprendente parecido de estos elementos.
Mas la explicación resultó ser muy simple. El sistema periódico incluye grupos de elementos muy interesantes cuyos átomos tienen una estructura en sumo grado peculiar. En estos átomos los electrones de turno no van a parar a la capa exterior, ni siquiera a la penúltima, sino sujetos a las estrictas leyes de la física, penetran hasta la tercera capa, contando desde la exterior.
En esta tercera capa se sienten muy a sus anchas y no quieren abandonar sus sitios en ningunas circunstancias, participando en las reacciones químicas sólo en casos excepcionales.
Esta es la razón por la cual todos los lantánidos, por regla general, son por excelencia trivalentes. Por cuanto tienen en sus capas exteriores 3 electrones.
Tampoco es casual que los lantánidos sean catorce, ni más ni menos. En la tercera capa, desde la exterior, que es la que se completa en sus átomos, existen catorce sitios vacantes que antes han quedado sin llenar.
Es por eso que los químicos creyeron posible alojar a todos los lantánidos en una sola casilla, junto con el lantano. A decir verdad, no consideramos que es un método irreprochable, ya que al colocar los lantánidos en una misma casilla parece que los aislamos. Sin embargo, este procedimiento refleja manifiestamente lo específico de sus propiedades.
El mundo de los metales y sus paradojas
Más de ocho decenas de elementos del sistema periódico son metales. En su conjunto, se parecen más unos a otros que los no metales. Sin embargo, son innumerables las sorpresas que acechan a uno en el reino metálico.
Por ejemplo, ¿de qué color son los distintos metales?
Los metalúrgicos no se cansan en repetir que hay metales ferrosos y no ferrosos. A los ferrosos pertenecen el hierro y sus aleaciones. A los no ferrosos, todos los demás, excepto los nobles: "sus majestades" plata, oro, platino y su séquito.
¿Esta división es muy burda y los propios metales se pronuncian categóricamente contra una tal igualación.
A cada metal le es propio su matiz especial. Cada fondo metálico– sea oscuro, mate o argentino –tiene su tinte determinado. Los científicos se aseguraron de ello al estudiar los metales en el estado muy puro. Resulta que la mayoría de los metales expuestos al aire se recubren, tarde o temprano, con una finísima película de óxido que vela su verdadera coloración. En cambio, los metales puros revelan una riquísima gama de colores.
Un ojo atento distingue metales con matices azulencos, azul celeste, verdoso, rojizo y amarillento, metales de color gris oscuro como el agua del mar en un sombrío día otoñal, y brillantes y argentinos, reflejando cual un espejo los rayos del sol.
El color de un metal depende de muchas causas, entre ellas, del modo de su tratamiento. Un metal preparado por aglomeración de su polvo y el mismo metal obtenido en forma de lingote tienen aspecto muy diferente.
Cuando los metales se comparan por el peso se distinguen metales ligeros, medios y pesados. Entre esas "categorías ponderales" existen sus campeones.
El litio, el sodio y el potasio no se hunden en el agua. Son más livianos que ésta. Por ejemplo, la densidad del litio es casi dos veces menor que la del agua, tomada por unidad. Si el litio no fuese un elemento tan activo, podría servir de magnífico material para las más diversas estructuras. ¡Figúrese un barco o un automóvil fabricado completamente con litio! Por desgracia, la química pone su veto sobre esa tentadora posibilidad.
El "campeón absoluto" por el peso entre los metales es el osmio. Un centímetro cúbico de ese noble metal pesa 22,6 gramos. Para equilibrar un cubo de osmio, en el otro platillo de la balanza habría que colocar, digamos, tres cubos de cobre, dos de plomo o cuatro de itrio. Índices igualmente altos acusan los vecinos más próximos del osmio: el platino y el iridio. Los metales nobles resultan ser los más pesados.
La dureza de los metales es proverbial. De una persona con voluntad y con principios se dice que tiene "carácter férreo". Mas en el mundo de los metales el asunto resulta algo distinto.
El hierro de ningún modo se cotiza como modelo de dureza. En este caso la palma la gana el cromo que en cuanto a dureza cede muy poco ante el diamante. Nótese aquí otra paradoja: entre los elementos químicos los metales están lejos de ser los campeones de dureza. En la escala de la dureza comparativa el primer lugar lo ocupan el carbono en forma de diamante y el boro cristalino. El hierro es más bien un metal blando. Es dos veces menos duro que el cromo. En cuanto a nuestros conocidos ligeros– los metales alcalinos–, éstos son casi tan blandos como la cera.
Metales líquidos y un metal gaseoso (¡ !)
Todos los metales son cuerpos sólidos, sólidos en tal o cual grado. Es una regla general. Sin embargo, existen excepciones de esta regla.
Algunos metales son más bien líquidos. Los granos de galio o de cesio se podrían derretir fácilmente en la palma de la mano, ya que su temperatura de fundición no excede de 30°C. El francio, que hasta ahora no se ha obtenido en forma de metal puro, se fundiría en cualquier local con temperatura ambiente. Y el mercurio, tan bien conocido por todos, es un ejemplo clásico de un metal líquido. Se congela a –39 °C, razón por la cual se aplica en la fabricación de los más diversos termómetros.
A este respecto, el galio resulta ser un rival serio del mercurio, debido o las siguientes circunstancias. El mercurio hierve a temperatura relativamente baja, aproximadamente a 300 °C. Por consiguiente, es imposible medir altas temperaturas empleando termómetros de mercurio. En cambio, para evaporizar el galio se necesitan unos 2000 °C. No hay otro metal que puede permanecer en estado líquido en un intervalo tan grande, tener tanta diferencia entre las temperaturas de fundición y de ebullición. El galio es la única excepción. Debido a esa propiedad es un verdadero hallazgo para fabricar termómetros destinados a medir altas temperaturas,
Por añadidura, hablaremos de otro rasgo, que parece fantástico. Los científicos demostraron teóricamente que si existiera el análogo pesado de mercurio (un elemento con el número atómico 11 2, desconocido en la Tierra, inquilino del séptimo piso de la Gran Gasa), su estado natural en condiciones normales sería el gaseoso. ¡Gas que tendría propiedades químicas de un metal! Llegará el tiempo en que los científicos conocerán algo tan extraordinario?
El alambre de plomo se puede fundir a la llama de un fósforo. La hoja de estaño introducida en el fuego, al instante se convierte en una gota de estaño líquido. En cambio, para transformar en líquido el tungsteno, tantalio o renio es necesario elevar la temperatura por encima de 3 000 °C. Estos metales son más difíciles de fundir que todos los demás. Esta es la causa del porqué los filamentos de incandescencia de las bombillas eléctricas se hacen de tungsteno y renio.
Las temperaturas de ebullición de algunos metales alcanzan valores verdaderamente fantásticos. Por ejemplo, el hafnio hierve a 5400°C (¡!); ésta es casi la temperatura de la superficie del Sol.
Compuestos insólitos
Cuál era el primer compuesto químico preparado conscientemente por el hombre?
Los historiadores no pueden contestar a esta pregunta con plena certidumbre.
Nosotros nos arriesgamos a sentar nuestra propia hipótesis.
La primera sustancia que los hombres prepararon sabiendo de antemano lo que querían obtener era... la composición de dos metales, de cobre y estaño.
Concienzudamente no empleamos la palabra "química", ya que la combinación de cobre y estaño (que es el bronce común y corriente, por todos conocido) es un compuesto insólito. Se denomina aleación.
Los hombres de antaño primero aprendieron a fundir los metales a partir de las menas, y sólo después, alearlos unos con otros.
De esta forma, a los albores de la civilización aparecieron los gérmenes de una de las ramas de la futura ciencia química. Ahora se llama química de los metales.
La estructura de las combinaciones de los metales con los no metales se determina actualmente por la valencia de los elementos integrantes. Por ejemplo, la molécula de la sal común contiene sodio univalente positivo y cloro univalente negativo. En la molécula de amoníaco NH 3 el nitrógeno trivalente negativo está combinado con tres átomos de hidrógeno univalentes positivos.
Las combinaciones de los metales, unos con otros (se llaman compuestos intermetálicos), generalmente no obedecen las leyes de valencia. Su composición no está ligada con la valencia de los elementos reaccionantes. Por eso, las fórmulas estequeométricas de los compuestos intermetálicos tienen un aspecto bastante raro, por ejemplo: MgZn5 , KCd7 , NaZn12 , etc., etc. Este mismo par de metales puede formar con frecuencia varios productos intermetálicos, por ejemplo, el sodio con el estaño dan nueve de esas formaciones extrañas.
Como regla, los metales pueden interactuar entre ellos en estado fundido. Pero no siempre los metales, que se mezclan al fundirse, forman compuestos químicos. A veces un metal simplemente se disuelve en el otro. Se forma una mezcla homogénea de composición indefinida que no se puede expresar con una fórmula química precisa. Tal mezcla se denomina solución sólida.
Existe un sinnúmero de aleaciones. No hay nadie quien asuma el trabajo de calcular, aunque aproximadamente, cuántas ya se conocen y cuántas se pueden obtener, en general. En este caso "se trata" de millones, al igual que en el mundo de los compuestos orgánicos.
Se conocen aleaciones que se componen de una buena decena de metales y cada nuevo componente influye a su modo en las propiedades de la aleación. También se conocen aleaciones que constan de dos metales – bimetálicas – ,en las cuales las propiedades son distintas según varíen las cantidades de los componentes tomados.
Unos metales se alean con gran facilidad y en cualquier proporción. Tales son el bronce y el latón (aleación del cobre y el zinc). Otros se oponen a formar aleaciones, cualesquiera que sean las condiciones, por ejemplo, el cobre con el wolframio. Los científicos, no obstante, prepararon su aleación, pero por un camino inusual, empleando el procedimiento de la llamada metalurgia de polvos: aglomerando los polvos de cobre y volframio bajo presión.
Existen aleaciones que son líquidos a temperatura ambiente y aleaciones de extraordinaria termoestabilidad que la técnica cósmica emplea de buena gana. Finalmente, hay muchas aleaciones que no se destruyen ni por la acción de los agentes químicos más fuertes, y también otras que por su dureza ceden muy poco al diamante...
El primer "programista” de la química
Las máquinas cibernéticas saben hacer muchas cosas. Aprendieron a jugar ajedrez, pronosticar el tiempo, revelar lo que ocurre en las entrañas de las lejanas estrellas, verificar cálculos complejos hasta lo inconcebible. Lo único que se necesita es saber designarles el programa de operaciones. Cada día se hace más íntima la amistad entre la cibernética y la gran química. Surgen enormes plantas automatizadas controladas por computadoras electrónicas. Estas máquinas permiten a los investigadores escudriñar la esencia de muchos procesos químicos antes de que estos procesos se realicen en la práctica.. .
Pero los químicos disponen de una máquina "cibernética" completamente inusitada.
Esta fue descubierta hace cien años, cuando la propia palabra "cibernética" no existía en los idiomas de los pueblos del mundo.
Esta maravillosa máquina es el sistema periódico de los elementos.
El sistema periódico permitió a los científicos hacer cosas a las cuales antes no se arriesgaban ni los investigadores más atrevidos. Este sistema dio la posibilidad de predecir la existencia de los elementos aún ignotos, aún no descubiertos en los laboratorios. Y no sólo predecir la existencia. Aportó datos sobre cuáles propiedades poseerían estos forasteros. Si serían metales o no metales. Si serían pesados como el plomo o ligeros como el sodio. En qué minerales y menas terrestres haría falta buscar elementos desconocidos. La "máquina cibernética" ingeniada por D. Mendeléev daba respuesta incluso a estas preguntas.
En 1875 el científico francés Lecoq de Boisbaudran comunicó a sus colegas una noticia importante. En la mena de zinc logró descubrir los indicios de un nuevo elemento, un pequeño granito cuyo peso no superaba 1 gramo. El experto investigador estudió en todos los aspectos las propiedades del galio (tal fue el nombre con que se bautizó al recién nacido), y, como se suele hacer, publico un artículo al respecto.
No tardó mucho en recibir por correo una carta sellada en San–Petersburgo. El breve mensaje le comunicaba a Boisbaudran que su correspondiente está plena y perfectamente de acuerdo con sus resultados, menos en un detalle: el peso específico del galio no debe ser 4,7 sino 5,9.
Firmaba la carta: D. Mendeléev.
Boisbaudran se inquietó. ¿Es posible que el titán ruso de la química se le adelantó en el descubrimiento del nuevo elemento?
No. Mendeléev no tuvo galio entre sus manos. La cosa era más sencilla: supo manejar diestramente el sistema periódico. El gran químico ya sabía que en su tabla, en el sitio que ocupó el galio, debería alojarse tarde o temprano un elemento desconocido. El nombre previo que le dio Mendeléev era ekaaluminio y, conociendo las propiedades de sus vecinos en el sistema periódico, vaticinó con extraordinaria precisión su naturaleza química...
De este modo, Mendeléev llegó a ser el primer "programista" de la química. Hubo otra buena decena de elementos desconocidos cuya existencia Mendeléev predijo y cuyas propiedades describió con mayor o menor plenitud. Sus nombres son: escandio, germanio, polonio, astato, hafnio, renio, tecnecio, francio, radio, actinio y protactinio. En 1925 la mayoría de estos elementos ya estaban descubiertos.
Breves palabras sobre el renio
Las propiedades de este elemento las predijo Mendeléev, que lo denominó dvimanganeso. En el sistema periódico debía ocupar el lugar entre el tantalio y el osmio como análogo pesado de manganeso. Cuando la ley periódica obtuvo su fundamentación física, se puso de manifiesto que el número atómico del dvimanganeso es 75.
Sus búsquedas en la naturaleza duraron largo tiempo. Reiteradas veces en las páginas de las revistas científicas aparecieron notas sobre el descubrimiento del elemento desconocido, pero estas informaciones siempre se refutaron. Era posible que el dvimanganeso hubiera sido descubierto ya una vez a finales del siglo pasado. El científico ruso Kern insistía con tenacidad que había logrado descubrir este análogo misterioso del manganeso. Kern le dio el nombre de davio, en honor del gran químico inglés Humphry Davy, y describió varias reacciones analíticas características para este elemento. Sin embargo, pronto el davio fue olvidado. Mas cabe señalar que, cuando el elemento número setenta y cinco fue descubierto efectivamente, se puso de relieve una cosa sorprendente: acusa las mismas reacciones analíticas que Kern describió para el davio.
El verdadero descubrimiento del elemento N° 75 es una brillante demostración del "poder vaticinador" del sistema periódico. Los autores de este descubrimiento son los famosos químicos alemanes Ida y Walter Noddack ayudados en su trabajo por el físico Otto Berg, especialista en espectros de rayos X. Al principio los investigadores, haciendo uso del sistema periódico, formularon un pronóstico muy detallado de las posibles propiedades del elemento N° 75 y de sus compuestos principales. Después limitaron el círculo de los minerales en que era conveniente buscarlo (los Noddack se conocen en la historia de la ciencia también como geoquímicos eminentes). Por fin, eligieron el método de búsqueda. Según su opinión el más conveniente era el método del análisis roentgenoespectral.
Los trabajos de los Noddack y Berg son un ejemplo de labor titánica y servicio abnegado a la ciencia. Durante varios años analizaron más de un millar de diferentes minerales y aproximadamente sesenta meteoritos. En 1925 sus experimentos se coronaron con el éxito. Los científicos mostraron el espectro de rayos X del nuevo elemento al que dieron el nombre de renio. Dos años después en el laboratorio químico los Noddack ya tenían acumulados 100 mg de renio.
Por qué durante tanto tiempo el renio permaneció inalcanzable?
El asunto reside en que, según la, clasificación geoquímica, el renio pertenece al número de los llamados elementos dispersos. Estos elementos tienen minerales propios sólo en casos excepcionales (y el renio no los tiene). Por esta razón se encuentran sólo como impurezas insignificantes en los minerales de otros elementos. Además, el renio es un elemento muy raro: una tonelada de la corteza terrestre contiene nada más que 10 mg del septuagésimo quinto.
No obstante, en la actualidad el renio encuentra una extensa aplicación en la esfera de la electrotecnia y en la obtención de aleaciones resistentes a los ácidos y termo resistentes, se emplea como catalizador en la industria química y en la fotografía en colores.
La "máquina cibernética" se ha detenido
En la tercera década de nuestro siglo, la química y la física podían ostentar grandiosos éxitos. Se diría, que en sólo dos decenios estas ciencias lograron más que durante toda la historia precedente de la humanidad.
Sin embargo, en cuanto al descubrimiento de nuevos elementos, el asunto se estancó. En el sistema periódico quedaron varias "lagunas" por llenar. A éstas les correspondían las casillas con los números 43, 61, 85 y 87.
En fin, ¿cuáles son estos elementos extraños que no querían, de ningún modo, incorporarse al sistema periódico?
El desconocido número uno es un elemento del séptimo grupo: su número atómico es 43. En la tabla se dispone entre el manganeso y el renio. Por sus propiedades debe asemejarse a estos elementos. Convenía buscarlo en las menas de manganeso.
El desconocido número dos, hermano de los elementos de tierras raras, está obligado a parecerse a éstos en todos los aspectos: su número atómico es 61.
El desconocido número tres, el más pesado de los halógenos, es el hermano mayor del yodo. Podría ser motivo de sorpresa para los químicos, ya que no se excluía que tuviese débiles propiedades metálicas. ¡Halógeno y metal!, un ejemplo magnífico de dualidad en un elemento de la naturaleza. A éste le esperaba el apartamento número 85 de la Gran Casa.
El desconocido número cuatro. ¡Pero qué elemento tan interesante! El más furioso, el más activo entre los metales, que se fundiría fácilmente en la palma de la mano. El más pesado de los elementos alcalinos: su número es 87.
Los científicos compusieron expedientes detallados de los desconocidos misteriosos. Sherlock Holmes buscaba a los criminales guiándose por las cenizas de sus cigarros, por las partículas de arcilla adheridas a las suelas de sus zapatos. Pero sus métodos ni remotamente se podían comparar con los finísimos procedimientos empleados por los químicos que aprendieron a identificar cantidades ínfimas, despreciables, de sustancias desconocidas.
El ingenioso detective siempre tenía suerte, mientras que a los químicos la fortuna los engañaba. Por mucho que los científicos persiguieran a los misteriosos forasteros, que tercamente se oponían a alquilar los apartamentos ya preparados, sólo les esperaban decepciones.
Los desconocidos eran buscados por doquier: en las cenizas de los cigarros, en las de las plantas incineradas, entre los minerales más exóticos que eran orgullo de los museos de mineralogía; en el agua de los mares y océanos. ¡Todo en vano!
En el estante de los problemas sin resolver se añadió la carpeta con la "Causa sobre la misteriosa desaparición de los elementos químicos N° 43, 61, 85, 87". "Causa desalentadora" dirían algunos jueces de instrucción.
¿Es posible que la naturaleza hiciera un truco inesperado, eliminando estos elementos de la lista de sustancias simples que existían en nuestro planeta? Por un extraño antojo propio a la naturaleza...
En efecto, el asunto parecía tener algo místico. Como se sabe, no hay lugar para cosas mágicas en el mundo real, sin embargo, de modo inexplicable, cuatro apartamentos de la Gran Casa seguían vacíos.
Y solamente cuando los científicos aprendieron a preparar artificialmente elementos químicos, estos apartamentos fueron alquilados.
Cómo convertir un elemento en otro
En el mundo que nos rodea transcurre un sinnúmero de reacciones químicas. Todas éstas están sujetas al poder de la química de las envolturas electrónicas. El átomo puede ganar electrones y puede cederlos, llegando a ser un ión negativo o positivo.
El átomo, en conjunto con centenas y millares de otros, es capaz de formar moléculas gigantes. Pero siempre sigue siendo portador de las propiedades del mismo elemento. El carbono forma dos y pico millones de diferentes compuestos. Mas, en cada uno de éstos, sea anhídrido carbónico CO2 o un antibiótico complejísimo, el carbono siempre es carbono.
Para convertir un elemento en otro hay que reconstruir los núcleos de sus átomos. Es necesario cambiar la carga del núcleo.
Los químicos, al efectuar procesos químicos, recurren a altas temperaturas y grandes presiones, emplean catalizadores, adiciones de pequeñas cantidades de diferentes sustancias que aceleran el curso de las reacciones.
Pero ni temperaturas que alcanzan miles de grados, ni presiones de centenas de apiles de atmósferas pueden reestructurar el núcleo atómico. Siguiendo por este camino es imposible convertir un elemento en otro.
Sólo una nueva ciencia, la química nuclear, tiene fuerzas suficientes como para conseguirlo.
La química nuclear tiene sus métodos. Sus "temperaturas y presiones" son protones y neutrones, núcleos del isótopo pesado de hidrógeno (deuterones) y núcleos de los átomos de helio (partículas alfa) y, en fin, iones de los elementos ligeros de la tabla de Mendeléev: del boro y oxígeno, neón y argón. Sus aparatos químicos son los reactores nucleares en los cuales nacen algunas partículas para "bombardeo", y aceleradores (complejas instalaciones físicas donde las partículas se aceleran hasta grandes velocidades). Porque para penetrar en el núcleo atómico la partícula proyectil (sobre todo si está cargada positivamente) debe poseer una gran energía; en este caso, le es más fácil vencer la acción repelente de la carga del núcleo. La química nuclear tiene sus notaciones, pero las ecuaciones de sus reacciones también se escriben de modo semejante a las ecuaciones químicas "corrientes".
Esta nueva ciencia permitió llenar las casillas vacías de la tabla de Mendeléev.
La palabra griega "tecnetos" (de tekhné, arte) formó parte del nombre del primer elemento creado artificialmente por el hombre. A finales de 1936 un torrente rápido de deuterones acelerados en el ciclotrón cayó sobre una lámina de molibdeno. Los veloces deuterones irrumpieron, cual cuchillo que corta un trozo de mantequilla, a través de las envolturas electrónicas alcanzando el núcleo. El deuterón, que consta de un protón y un neutrón, se desintegró al chocar con el núcleo, su neutrón se apartó y el protón quedó en el núcleo. De esta manera, la carga del núcleo aumentó en una unidad y el molibdeno que habita la casilla número 42 pasó a ser su vecino derecho, el elemento número 43.
Al igual que en la química común y corriente, en la que el mismo compuesto puede obtenerse de diferentes modos, en la química nuclear se logra preparar artificialmente el mismo elemento mediante distintas reacciones nucleares.
Los hombres aprendieron a preparar el tecnecio en cantidades medidas en kilogramos, en la fábrica más maravillosa del mundo. Esta fábrica es la caldera atómica. Aquí se produce la energía de desintegración de los núcleos de uranio por la acción de neutrones lentos.
Los núcleos de uranio se fisionan en los más diversos fragmentos, cada uno en dos; además, aunque muy raras veces, se puede observar la desintegración en tres fragmentos. Estos fragmentos son los núcleos de los elementos pertenecientes a la parte media de la tabla de Mendeléev. El uranio, al desintegrarse, engendra elementos que ocupan más de 30 casillas del sistema periódico, desde el número 30 hasta el 64. Entre ellos figura el tecnecio y otro elemento cuyas búsquedas en la corteza terrestre duraron decenios. Es el prometio, el inquilino de la casilla número 61. Todos estos elementos surgen en el curso de las sucesivas transformaciones radiactivas de los fragmentos formados inicialmente.
La química del núcleo puso a disposición de los científicos elementos más pesados que el uranio. En la fisión de los núcleos de uranio, además de fragmentos, se desprenden numerosos neutrones que pueden ser absorbidos por los núcleos no desintegrados. Así aparece la posibilidad de la síntesis de los elementos con números atómicos 93; 94, etc., es decir, de los elementos transuránicos.
En la química nuclear se tienen muchos procedimientos para la obtención de tales elementos. En la actualidad se conocen 12 elementos transuránicos: neptunio, plutonio, americio, curio, berkelio, californio, einstenio, fermio, mendelevio, laurencio y curchatovio. Este último, el más pesado de los transuránicos fue sintetizado en 1964 por un grupo de físicos soviéticos encabezado por el académico G. N. Fliorov. Este mismo grupo, al parecer, ha logrado sintetizar varios átomos del elemento número 105. Uno de los transuránicos, con el número atómico 102, por ahora carece de nombre. También provoca algunas dudas el nombre de laurencio, puesto que los trabajos que sirvieron de fundamento para ello, no han tenido una confirmación posterior.
Figúrense la sorpresa del albañil que hoy ha terminado de colocar los ladrillos de un piso de una nueva casa y mañana descubre que todo lo que ha hecho ha desaparecido. Precisamente, ésta es la situación en la que se encuentran los investigadores que estudian las propiedades químicas de los transuránicos pesados. Estos elementos son inestables en sumo grado, el período de su vida se mide en minutos e incluso en segundos. Al trabajar con elementos corrientes, el químico no piensa en los marcos del tiempo. Mientras tanto, cuando a sus manos van aparar los representantes de la tabla de Mendeléev de una vida muy corta, sobre todo los transuránicos pesados, cada minuto de experimentación puede valorarse a precio de oro. Como si fuera poco la amenaza de los objetos de estudio de desaparecer instantáneamente, las cantidades de que dispone el químico son ínfimas, a veces no más que átomos contados.
Es por ello que precisan métodos especiales de trabajo. Estos métodos corren a cargo de la joven y nueva rama de la química, la química de los elementos radiactivos, la química de la radiación.
La muerte y la inmortalidad en el mundo de los elementos
Llegó el tiempo en que los químicos se convirtieron en arqueólogos su¡ géneris. Ellos aprendieron a medir la edad de diferentes minerales de la corteza terrestre, al igual que el arqueólogo determina los siglos en que se fue hecho un adorno de bronce o una ánfora.
Resultó ser que la edad de algunos minerales supera cuatro y medio mil millones de años. Estos son tan viejos como el propio planeta Tierra. Mas los minerales son compuestos químicos, constan de elementos. Por consiguiente, los elementos son prácticamente inmortales…
¿No les parece absurdo el propio planteamiento del problema de que un elemento puede extinguirse? Pues se sabe que la muerte es el triste sino de los seres vivos...
Empero, esta pregunta no carece de sentido, como puede parecer a primera vista.
Existe cierto fenómeno físico llamado radiactividad. Esta consiste en que los elementos (o, más precisamente, los núcleos de sus átomos) pueden destruirse espontáneamente. Unos núcleos expulsan electrones de sus entrañas, hecho que se produce al transformarse los neutrones del núcleo en protones; otros emiten las así llamadas partículas alfa (los núcleos de helio). Otros más se parten en dos fragmentos casi iguales: este último proceso se denomina desintegración espontánea.
Son radiactivos todos los elementos? No, no lo son todos. Principalmente son radiactivos los elementos que se encuentran al final del sistema periódico, empezando por el polonio.
Al descomponerse, el elemento radiactivo no desaparece del todo. Se transforma en otro. Estas cadenas de transformaciones radiactivas pueden ser muy largas.
Por ejemplo, del torio y uranio, en fin de cuentas, se forma plomo estable. Pero en el camino de esta transformación surge y perece una buena decena de elementos radiactivos.
Los elementos radiactivos poseen distinta vitalidad. Unos, antes de desaparecer por completo subsisten decenas de miles de millones de años. La vida de otros es tan corta que se mide en minutos e incluso segundos. Los científicos valoran la vitalidad de los elementos radiactivos empleando una magnitud especial: el período de semidesintegración. En ese intervalo la cantidad de elemento tomada se desintegra exactamente en la mitad.
Los períodos de semidesintegración del uranio y del torio equivalen a varios miles de millones de años.
Por el contrario, otra cosa ocurre con sus predecesores en la tabla de Mendeléev: el protactinio, actinio, radio y francio, radón, astato y polonio. Su vida es mucho más breve, en todo caso, no más de cien mil años. Y esto se traduce en una inesperada sorpresa.
Por qué, entonces, subsisten aún en la Tierra estos elementos de vida corta? Se conoce que nuestro planeta tiene cerca de 5 mil millones de años. En este lapso tan difícil de imaginar deberían haber desaparecido centenares de veces y el radio, y el polonio y otros elementos de su grupo.
Sin embargo, siguen viviendo. Y desde antaño se ocultan en los minerales terrestres... Parece que la naturaleza tiene a su disposición un elixir de vida que no les deja morir.
La respuesta es otra: simplemente vuelven a nacer sin interrupción, ya que los alimenta un manantial eterno: las reservas de uranio y de torio que contiene la Tierra. Resulta que mientras esos "patriarcas" entre elementos radiactivos atraviesan el largo y arduo camino de transformaciones hasta llegar a plomo estable, de paso se convierten en elementos intermedios. De este modo, entre los elementos químicos podemos distinguir dos grupos grandes: los primarios y los secundarios.
A los elementos primarios pertenecen todos los elementos no radiactivos y el uranio y el torio, cuyos períodos de semidesintegración superan la edad de la Tierra. Fueron testigos de la formación del sistema solar.
Los demás elementos son secundarios.
Sin embargo, llegará el instante en que el sistema periódico se verá exento de algunos elementos. El uranio y el torio son un manantial eterno de elementos secundarios, pero relativamente eterno. En un futuro muy lejano desaparecerán de la faz de la Tierra. Desaparecerán por completo... dentro de unos cien mil millones de años. Y junto con ellos se sumergirán en el Leteo los productos de sus transformaciones radiactivas.
Uno, dos, mucho...
Estas fueron aproximadamente las capacidades de contabilidad del hombre primitivo. Su aparato matemático contaba con sólo dos magnitudes cuantitativas: "mucho–poco".
Pero incluso hace unos cien años las personas se valían casi del mismo criterio al tratar de apreciar cuántos y cuáles elementos "almacena" la naturaleza en sus "graneros".
Por ejemplo, en la práctica se utilizan mucho el plomo, el zinc y la plata, por consiguiente, abundan mucho, de lo que a su vez se puede deducir que son elementos divulgados. Y las tierras raras (lantánidos) son raras precisamente porque casi no se encuentran en la Tierra. Hay poca cantidad de estos elementos.
¡Mire qué fácil era discurrir hace un siglo!
En efecto, el trabajo de los primeros inspectores de los almacenes de los elementos químicos no era demasiado abrumador. Al recordar "sus actividades" nuestros contemporáneos se sonríen alegremente.
Y tienen pleno derecho de sonreír, ya que ahora pueden contestar con exactitud a la pregunta: ¿cuántos y cuáles? Hasta pueden decir cuántos átomos de cada elemento hay en la corteza terrestre. Saben con seguridad que la cantidad de tierras raras contenidas en los minerales de nuestro planeta es sólo un poco inferior a la de plomo, zinc y plata tomados en conjunto.
El "registro" escrupuloso de las reservas de los elementos químicos se inició con una hazaña científica, realizada por el científico norteamericano F. Clark. Este efectuó más de cinco mil quinientos análisis químicos ensayando los más diversos minerales, traídos de los trópicos y de la tundra. Y de las más diversas aguas, desde las del Pacífico hasta las de los perdidos lagos de la taigá. El investigó también muestras de todo tipo de suelos sin soslayar los rincones más apartados del mundo.
Veinte años duró esta titánica labor. Gracias a Clark y a otros científicos, la humanidad obtuvo una idea bien clara de qué elementos abundan más en la Tierra.
Así fueron colocados los cimientos de la geoquímica, ciencia que narró a los hombres historias tan maravillosas con que antes ni se podía soñar.
Las deducciones eran sorprendentes: resultó que los primeros 26 representantes de la tabla de Mendeléev – desde el hidrógeno hasta el hierro – forman prácticamente toda la corteza terrestre. Constituyen el 99,7% de su peso. Y la parte de los 67 elementos restantes que hay en la naturaleza es tan sólo de unos "míseros" 0,3%.
En fin, ¿qué elementos son los más abundantes en la Tierra?
Estos no son ni el hierro, ni el cobre, ni el estaño, aunque el hombre los aprovechó durante milenios y sus reservas se figuraban enormes e inagotables. La Tierra es más rica en oxígeno. Si en un platillo de una balanza imaginaria se colocara el oxígeno y en el otro todos los demás elementos, los platillos casi se equilibrarían. El oxígeno constituye casi la mitad de la corteza terrestre, encontrándose por doquier: en el agua y en la atmósfera, en un sinnúmero de minerales y en cualquier organismo animal y vegetal, y dondequiera que se halle este elemento desempeña un papel en sumo grado importante.
La cuarta parte del "firmamento" terrestre
está constituida por silicio, que es la base principal de la materia inorgánica.
Los ocho lugares que le siguen se distribuyen así: aluminio, 7,4%; hierro, 4,2%; calcio, 3,3%; sodio, 2,4%; potasio y magnesio, 2,35%; hidrógeno, 1,0%; titanio, 0,6%.
Esta es la primera decena de los elementos químicos de nuestro planeta.
¿Y en qué elementos la Tierra es más pobre?
Hay muy poco oro, platino y sus satélites. Por eso se aprecian tanto.
Empero, una cosa paradójica: el oro fue el primero de los metales que conoció el hombre. El platino fue descubierto cuando ni siquiera hubo noción de oxígeno, de silicio ni de aluminio.
Los metales nobles tienen una particularidad única en su género. Abundan en la naturaleza no en forma de compuestos, sino en estado nativo. No hace falta gastar fuerzas para su fundición. Esta es la razón por la cual fueron hallados en la Tierra– justamente hallados en tiempos tan remotos.
No obstante, en todo caso, no ganan el premio por su rareza. Con este "triste" premio son distinguidos los elementos radiactivos secundarios.
Estamos en nuestro justo derecho para llamarlos elementos fantasmas.
Los geoquímicos dicen: en la Tierra hay solamente 9600 toneladas de polonio; de radón, menos aún, sólo 260 toneladas; y 26 mil toneladas de actinio. El radio y el protactinio son verdaderos gigantes entre los fantasmas: en conjunto constituyen cerca de 100 millones de toneladas, mas esta cantidad es infinitamente pequeña comparando a con la de oro y platino. En cuanto al astato y el francio, parecen tan poco materiales que ni siquiera es conveniente incluirlos entre los fantasmas. Las reservas terrestres de estos elementos se miden (¡es para reírse!)... en miligramos.
El nombre del elemento más raro en la Tierra es astato (69 miligramos en todo el espesor de la corteza terrestre). Como se dice, no se necesitan comentarios.
Se descubrió que los primeros elementos transuránicos, el neptunio y el plutonio, también existen en la Tierra. Nacen en la naturaleza debido a reacciones nucleares de uranio muy raras con neutrones libres. Estos fantasmas "pesan" cientos y miles de toneladas. Pero en lo que se refiere al prometio y tecnecio, de cuya aparición también se "acusa" al uranio (al uranio le es propio el proceso de desintegración espontánea, cuando los núcleos se fisionan en dos fragmentos aproximadamente iguales), resulta que de estos elementos nada se puede decir. Los científicos encontraron huellas apenas tangibles de tecnecio y en cuanto al prometio, no abandonan sus intentos de descubrirlo en los minerales de uranio. Aún no se ha inventado la balanza en la que se podrían pesar las "reservas" de prometio y tecnecio existentes en la Tierra.
¡Es que la naturaleza tiene razón!
En la actualidad, los científicos afirman que en la muestra de cualquier mineral se puede descubrir la presencia de todos los elementos químicos conocidos en la naturaleza. De todos, sin excepción. Aunque en proporción muy distinta. Mas, ¿por qué hay gran cantidad de unos elementos y muy pequeña de otros?
En el sistema periódico todos los elementos poseen plena igualdad de derechos. Cada uno ocupa su lugar determinado. Pero apenas se comienza a hablar de las reservas de los elementos existentes en la Tierra esta igualdad se disipa como si fuera humo.
La masa fundamental de la corteza terrestre está constituida por los elementos ligeros de la tabla de Mendeléev, en todo caso, las primeras tres decenas de sus representantes. No obstante, ni siquiera entre éstos reina la igualdad. Unos abundan más, otros menos. Por ejemplo, el boro, el berilio y el escandio pertenecen a los elementos bastante raros.
En la Tierra, durante el período de su existencia, tuvo lugar una especie de "revisión" de las reservas de los elementos. Una cantidad considerable de uranio y torio ha desaparecido a causa de su radiactividad. En los vastos espacios del Universo se esparció la mayor parte de los gases nobles y del hidrógeno. Pero el cuadro general no cambió en nada.
El científico de nuestros días apunta que la abundancia de los elementos químicos en la corteza terrestre decrece, con regularidad, desde los elementos ligeros hacia los medios y, más adelante, hacia los pesados. Pero no hay regla sin excepción. Por ejemplo, el pesado plomo abunda mucho más que muchos representantes ligeros de la tabla de Mendeléev.
Cuál es la razón de este hecho? ¿Por qué no se encuentran en cantidades iguales? ¿Es que la naturaleza actuó injustamente al "acumular" unos elementos, sin pensar en las reservas de otros?
No, existen leyes conforme a las cuales unos elementos abundan en la Tierra y otros son raros. A decir verdad, no conocemos estas leyes hasta el final, satisfaciéndonos con sugerencias.
Resulta que los elementos químicos no existieron siempre. El Universo está constituido de tal forma que en sus diferentes confines se desarrolla ininterrumpidamente un grandioso proceso, sin igual por su inmensidad, de formación y de síntesis de los elementos. Los reactores nucleares cósmicos y los aceleradores cósmicos son las estrellas. En las entrañas de muchas de éstas se "cocinan" los elementos químicos.
Allá reinan temperaturas inauditas y presiones inconcebibles. Allá están en su elemento las leyes de la química nuclear y gobiernan las reacciones químicas nucleares que transforman un elemento en otro y los elementos ligeros en pesados. Estas leyes son tales que unos elementos se forman con mayor facilidad y en cantidades considerables, y otros, más difícilmente y por lo tanto en menor proporción.
Todo depende de la estabilidad de los núcleos atómicos, y la química nuclear tiene al respecto una opinión bien determinada. Los núcleos de los isótopos de los elementos ligeros contienen cantidades casi iguales de protones y neutrones. Estas partículas elementales forman aquí estructuras muy estables los núcleos ligeros se sintetizan con mayor facilidad. En general, a la naturaleza le es inherente la tendencia a formar sistemas de máxima estabilidad. Pero, estos núcleos ligeros, al sintetizarse más fácilmente, tienen muy pocas ganas de participar en reacciones nucleares para abrir camino a la formación de núcleos con grandes cargas. En estos últimos, el número de neutrones ya supera en mucho el de los protones, razón por la cual los núcleos de masa media y grande no pueden jactarse de ser muy estables. Están más sujetos a la acción de cualquier casualidad y más propensos a las transformaciones, debido a lo cual no son capaces de acumularse en cantidades muy grandes.
Las leyes químicas nucleares dicen que cuanto mayor es la carga del núcleo tanto más difícil es sintetizar tales núcleos y, por consiguiente, en tanta menor cantidad se forman.
La composición química de nuestra Tierra es como una silenciosa copia, un mudo reflejo de la dinámica de las leyes que rigen el proceso de génesis de los elementos. Y sólo cuando los científicos conozcan estas leyes hasta el final, estará claro y comprensible por qué distintos elementos químicos están difundidos en cantidades tan diferentes.
El sendero de soles falsos
En los años 80 del siglo pasado una revista química extranjera publicó una nota curiosa en la que el autor, apenas conocido en los círculos científicos, comunicó que había logrado descubrir, a la vez, dos nuevos elementos, dándoles nombres altisonantes: cosmio y neocosmio. En aquel entonces, el descubrimiento de nuevos elementos era un fenómeno "masivo", por así decirlo. Algunos de los investigadores ni siquiera se preocupaban por "bautizar a los recién nacidos", designándolos con letras del alfabeto griego.
Pronto se averiguó que el "descubridor" del cosmio y del neocosmio simplemente se burló de esa epidemia de descubrimientos. Su nota era algo así como una broma del día de los inocentes. El apellido del autor era Kosman .
... En la tabla de Mendeléev se disponen 104 elementos. La historia de la ciencia registró 104 descubrimientos auténticos de elementos. Paralelamente a esta lista existe otra, mucho más larga, que cuenta con varias centenas de nombres. Es una especie de "santoral" de los elementos nacidos muertos que vieron luz como resultado de equivocaciones y errores de experimento, y a veces por mero descuido de algunos investigadores.
Largo y arduo era el camino que seguían los descubridores de los elementos. Cual una senda que apenas serpentea en los matorrales infranqueables para perderse entre las angostas y abruptas rocas... Y a su lado pasa otro sendero hollado y transitable, mas éste es el sendero de los soles falsos, de los descubrimientos falsos de elementos químicos.
¡Cuáles no fueron los casos curiosos y paradojas con que se tropezaba en aquel sendero! El caso de Kosman es prácticamente una gota en el mar de agua.
El científico inglés Crookes separó del itrio un montón de nuevas sustancias simples y las llamó metaelementos. Pero, en realidad, eran mezclas de elementos conocidos ya hace mucho.
El alemán Swienne, en los años 20, buscó elementos transuránicos en las muestras del llamado polvo cósmico recogido en los glaciares de Groenlandia por el famoso investigador polar Nordenskjold. Y se apresuró en comunicar que, al parecer, logró encontrar en este polvo el elemento con el número atómico 108... Swienne supuso que al final del sistema periódico, después del dominio de los elementos inestables, debía aparecer uno de los elementos estables a que pertenecía, en particular, el elemento número 108. En su tiempo esta idea fue refutada. Sin embargo, como veremos más adelante, resurgió, sin que nadie lo esperase, en nuestros días.
Aquí no se puede dejar pasar de lado al inglés Freehand, que organizó expedición especial a Palestina para "pescar" en las aguas exentas de vida del Mar Muerto las huellas de los elementos 85 y 87. O al norteamericano Allison: éste, cuando otros científicos se perdían en conjeturas, por qué faltan en la Tierra los análogos pesados del yodo y cesio, de pronto empezó a descubrirlos en todas partes, en cualesquiera disoluciones y minerales que ensayaba mediante un nuevo procedimiento elaborado por él. Pero el procedimiento resultó ser equivocado. Los ojos del investigador se cansaban durante el experimento y este cansancio engendraba fantasmas.
Ni siquiera los grandes hombres de ciencia se vieron libres de errores en el sendero de los soles falsos. Al italiano Fermi le pareció que en el uranio bombardeado por neutrones aparecían a la vez varios elementos transuránicos. De hecho, éstos eran fragmentos de la desintegración de los núcleos de uranio, o sea, elementos de la parte media del sistema periódico.
Tampoco en nuestros días se interrumpió este sendero. En 1958 un grupo de científicos de Estocolmo sintetizó el elemento número 102. En honor del inventor de la dinamita le dieron el nombre de nobelio. Pero los investigadores soviéticos y norteamericanos refutaron estos resultados. Ahora los científicos dicen en broma que lo único que quedó del nobelio es la mera negación: su símbolo "No". No obstante, en la actualidad, en la URSS y en los EE.UU. se han obtenido por otros métodos isótopos auténticos del elemento 102.
El destino de uno entre 104…
Trátase de un pequeño relato sobre el destino de un elemento químico. Este elemento ocupa la casilla número 92. Su nombre es uranio.
Este nombre habla por sí solo, puesto que con el uranio están vinculados dos de los descubrimientos más grandes de todos los tiempos y pueblos: el descubrimiento de la radiactividad y de la desintegración de los núcleos de los elementos pesados por acción de neutrones. El uranio dio a los hombres la llave para la asimilación de la energía nuclear. El uranio los ayudó a obtener elementos desconocidos en la naturaleza: los transuránicos, tecnecio y prometio.
Los documentos históricos testimonian que la biografía del uranio comenzó el 24 de septiembre de 1789.
En la historia de los descubrimientos de los elementos químicos ocurrían toda clase de cosas. Hubo casos en que no se podía insertar el nombre del autor de un descubrimiento ya que quedaba incógnito. A veces, en cambio, la lista de descubridores parecía muy imponente. Pero el "padrino" del uranio está establecido definitivamente: fue el químico berlinés Martin Klaproth, uno de los fundadores de la química analítica. No obstante, las circunstancias le gastaron una mala broma: Martin Heinrich Klaproth resultó ser tan sólo uno de los "padrinos" del protagonista de nuestro relato.
Desde tiempos muy remotos los hombres conocían la pecblenda, considerándola una mena de zinc y hierro. El ojo escudriñador de Klaproth analítico, sospechó en esta mena la presencia de un elemento desconocido. Esta sospecha se volvió realidad. El nuevo elemento se presentó en forma de polvo negro con brillo metálico. En honor del planeta Urano, descubierto no hacía mucho por el astrónomo Herschel, el nuevo elemento recibió el nombre de uranio.
Durante el medio siglo que transcurrió desde este acontecimiento nadie ni siquiera dudó en lo justo del descubrimiento de Klaproth, ni se atrevía a poner en tela de juicio las razones del más grande químico analítico de Europa. El elemento uranio empezó su marcha por las páginas de los manuales de química.
Sin embargo, en 1843 esta marcha triunfante fue algo refrenada por el químico francés Eugene Peligot.
Este demostró que no era uranio lo que tenía en sus manos Klaproth, sino tan sólo el óxido de uranio. Los imparciales historiadores señalaron después que a Peligot se le podía considerar el segundo "padrino" del elemento.
Pero con esto no finalizó la lista de los "padrinos" del uranio. El tercero fue Dmitri Ivanovich Mendeléev.
Al principio el uranio no quería en modo alguno alojarse en su tabla. Hablando con propiedad, se le ofrecía vivienda en el tercer grupo, entre el cadmio y el estaño, donde ahora está el indio. Este lugar lo exigía el peso atómico del uranio, pero no sus propiedades. En cuanto a sus propiedades el uranio parecía un forastero en la casilla a él asignada.
Mendeléev decidió que el peso atómico del uranio estaba determinado incorrectamente. Y lo aumentó en una vez y media. El uranio fue a parar al sexto grupo de la tabla. El último en la serie de los elementos. Así fue cómo tuvo lugar el "tercer nacimiento" del uranio.
Pasado un corto plazo, los experimentadores confirmaron que Mendeléev tenía la razón.
¡Dónde está tu lugar, uranio!
En el sistema de Mendeléev, en general, no hay elementos sin lugar, aunque en algunos éste no es determinado. Por ejemplo, el primero de ellos es el hidrógeno. Pues hasta ahora los científicos no se han puesto de acuerdo respecto al sitio en que debe colocarse el elemento numero l: en el primer grupo o en el séptimo de la tabla de Mendeléev.
De modo análogo se formó el destino del uranio.
Pero, ¿es que Mendeléev no resolvió definitivamente la cuestión sobre su lugar, de una vez y para siempre?
Durante decenios nadie discutió la situación del uranio en el sexto grupo del sistema periódico, como el hermano más pesado del cromo, molibdeno y wolframio. Esta posición parecía inconmovible.
Pero llegaron otros tiempos. El uranio dejó de ser el último en la serie de los elementos. A su derecha se formó en fila toda una unidad de elementos transuránicos obtenidos artificialmente. Se planteó el problema de dónde alojarlos en la tabla de Mendeléev. ¿En cuáles de sus grupos y en qué casillas disponer los símbolos de los transuránicos? Después de largas discusiones muchos científicos llegaron a la conclusión de que todos deben ser colocados juntos, en un grupo y en una misma casilla.
Esta decisión no cayó del cielo, algo semejante ya sucedió en la tabla de Mendeléev, en su sexto período. Ya mencionamos que los lantánidos, que en total son catorce, se disponen en el tercer grupo en una sola casilla, en la del lantano.
Los físicos predijeron hace mucho que en un período más bajo debe revelarse el mismo cuadro. Indicaron que en el séptimo período debe existir una familia de elementos semejante a la de los lantánidos. Esta familia es la de los actínidos.
Los químicos, en cambio, no todos lo están y no por completo, ya que por sus propiedades el uranio sigue siendo en el tercer grupo el mismo forastero que en los tiempos de Mendeléev. Tampoco conviene el tercer grupo al torio x al protactinio.
En general, los actínidos ligeros se comportan de modo muy distinto a los lantánidos ligeros. Estos últimos, por regla, son trivalentes, y los actínidos se distinguen por una riqueza de estados de oxidación. Hace poco, los químicos soviéticos. N. Krot y A. Guelman han sintetizado compuestos de neptunio y plutonio heptavalentes.
¿Dónde está tu lugar, uranio? Los científicos tienen que discutir aún mucho este problema.
Pequeños episodios del campo de la arqueología
¿Cuándo el hombre por primera vez empezó a aplicar el hierro para sus fines? La respuesta parece obvia: cuando aprendió a fundir hierro a partir de sus menas. Los historiadores incluso definieron la fecha aproximada de este gran acontecimiento como la fecha del comienzo en nuestro planeta del "siglo de hierro".
Mas, este siglo tuvo su inicio antes que el metalúrgico primitivo en un horno rudimentario obtuviera la primera porción de hierro. Tal es la conclusión que sacaron los químicos armados con los potentes métodos de análisis.
Los primeros trozos de hierro que aprovecharon nuestros antepasados cayeron del cielo, en el sentido literal de la palabra. Los llamados meteoritos de hierro siempre contienen, además de hierro, níquel y cobalto. Al analizar la composición de algunos antiquísimos instrumentos de hierro, los químicos descubrieron en ellos la presencia de los vecinos del hierro, según la tabla de Mendeléev: el cobalto y el níquel.
Estos elementos están muy lejos de encontrarse siempre en las menas ferruginosas de la Tierra.
¿Es indiscutible esta conclusión? No podemos confirmarla en un cien por ciento. Conocer la antigüedad es un asunto muy complicado. En este campo uno se puede encontrar con asombrosas sorpresas.
He aquí la sorpresa que dieron a los historiadores de la química los arqueólogos .
... En 1912, el profesor Günther de la Universidad de Oxford hizo excavaciones en las antiguas ruinas romanas cerca de Nápoles y descubrió un mosaico de vidrio de una belleza indescriptible. Parecía que en los milenios la coloración de los vidrios ni siquiera había perdido su intensidad.
A Günther le interesó la composición de las pinturas que aplicaron los antiguos romanos. Dos muestras de vidrio de color verde claro emprendieron el viaje a Inglaterra donde cayeron en las manos del químico Maclay.
El análisis no reveló nada inesperado, a no ser una impureza en una proporción de cerca de 1,5 por ciento. Maclay no pudo explicar su naturaleza.
La casualidad ayudó a superar esta dificultad. A alguien se le ocurrió la idea de ensayar la muestra de la impureza a la radiactividad. La idea resultó ser más que exitosa, ya que efectivamente la impureza acusó radiactividad. ¿Cuál de los elementos es la causa de ello?
Ahora llegó el turno de los químicos que informaron: la impureza desconocida no es otra cosa que óxido de uranio.
¿Equivale esto al descubrimiento de las Américas? De seguro que no. Las sales de uranio hace mucho que se emplean para el teñido del vidrio. Es el ejemplo de la primera aplicación práctica del uranio. Pero en cuanto al vidrio romano parece que el uranio se encontró en él por pura coincidencia.
Provisionalmente en esta historia se puso un punto. Pero al pasar varios decenios el hecho olvidado acertó a ponerse al alcance del químico y arqueólogo norteamericano Kelly.
Kelly realizó un gran trabajo, repitió los análisis y confrontó datos. Y por fin llegó a la siguiente conclusión: la presencia de uranio en el vidrio de los antiguos romanos no es una coincidencia sino, más bien, una norma. Los romanos conocían los minerales uránicos y los aprovechaban para las necesidades prácticas. En particular, para el teñido de los vidrios.
Puede ser que aquí está el inicio de la biografía del uranio?
Uranio y sus oficios
En el siglo XX el elemento número 92 de la tabla de Mendeléev llegó a ser casi el más famoso de todos. Porque es precisamente el uranio el que hizo trabajar el reactor nuclear. El uranio dio a los hombres la llave para dominar un nuevo tipo de energía.
Ahora el uranio se extrae en grandes cantidades: la obtención mundial es más de cuarenta mil toneladas al año. En la actualidad, la energética nuclear se satisface por completo con esta cantidad.
Pero, aunque parece paradójico, no más del 5'% del uranio obtenido se utiliza directamente ("según el destino"). El 95% restante lo denominan desechos de uranio. No pueden emplearse de inmediato, ya que contienen una cantidad muy pequeña del isótopo uranio–235, isótopo que sirve de principal combustible nuclear.
¿Acaso el trabajo de los geólogos, mineros y químicos se gasta en vano?
Es un temor infundado. El uranio tiene otros muchos oficios "no nucleares", pero los no especialistas no están al corriente de éstos. Es un hecho lamentable. El uranio es estudiado con gran interés por los biólogos. Resulta que el elemento número 92 es indispensable para el desarrollo normal de algunas plantas. Por ejemplo, aumenta considerablemente el contenido de azúcar en la zanahoria y en la remolacha, así como en algunas frutas. El uranio contribuye al desarrollo de valiosos microorganismos del suelo. Los animales también necesitan uranio. Los científicos realizaron un experimento interesante. En el alimento de los ratones durante un año se introducía complementariamente un poco de sales de uranio. El contenido del elemento en el organismo prácticamente se mantenía invariable. No se observaban ningunas consecuencias nocivas. Entre tanto, el peso de los animales casi se duplicó.
Los investigadores consideran que el uranio contribuye en gran medida a la asimilación del fósforo, nitrógeno y potasio, o sea, de elementos vitales muy importantes.
¿El uranio en la medicina? Es uno de sus empleos prácticos más antiguos. Con sales de uranio se intentaba tratar diferentes enfermedades, como la diabetes, enfermedades cutáneas y hasta tumores. Y con cierto éxito. En la actualidad, la "uranioterapia" de nuevo está al orden del día.
El uranio encuentra una interesante aplicación en la metalurgia. Su aleación con el hierro (ferrouranio) se añade al acero para eliminar el oxígeno y el nitrógeno. El ferrouranio permite preparar aceros que pueden trabajar a temperaturas muy bajas. Y los aceros a base de uranio y níquel son incluso estables respecto a los reactivos químicos más fuertes, como, por ejemplo, el "agua regia" (mezcla de ácido nítrico y ácido clorhídrico).
El uranio y sus compuestos son también muy interesantes y peculiares como catalizadores de muchas reacciones químicas. A veces, la síntesis de amoníaco a partir del nitrógeno e hidrógeno se realiza utilizando el carburo de uranio. Los óxidos de uranio aceleran los procesos de oxidación del metano por el oxígeno, la obtención de los alcoholes metílico y etílico a partir del óxido de carbono e hidrógeno y la producción del ácido acético. Existen muchos productos de la química orgánica que se obtienen mediante los catalizadores de uranio.
La química del uranio es riquísima. El uranio, en sus compuestos, puede adoptar los más diversos estados de valencia: puede ser hexa–, penta–, tetra– y trivalente. Los compuestos de uranio de diferente valencia tanto se distinguen uno del otro que, diríamos, se puede hablar de la química de cuatro elementos diferentes.
¡Un edificio no acabado!
Hemos dedicado muchas palabras buenas al sistema periódico y a su gran arquitecto. Y de pronto caímos en la cuenta que el edificio no ha sido acabado. Su séptimo piso está construido sólo un poco más que en la mitad. Debe tener 32 apartamentos y se han terminado nada más que 17. Además, muchos de los inquilinos parecen muy extraños, ni siquiera se puede en tender de una vez si viven aquí o no viven. En una palabra, sucede algo fantasmagórico.
Los químicos y los físicos hace mucho que discuten si la tabla de Mendeléev tiene un fin lógico. O, hablando sencillamente, ¿qué número atómico debe tener el último elemento?
Hace unos cuarenta años en las páginas de los libros y artículos especiales de física apareció el guarismo 137. Un científico de renombre escribió incluso un artículo al cual, sin equívocos, dio el título: "La cifra mágica 137".
¿Qué de notorio tiene esta cifra?
En los átomos, la capa electrónica más próxima al núcleo no se dispone siempre a una misma distancia de éste. Al crecer la carga del núcleo el radio de la envoltura se hace menor. En el átomo de uranio está mucho más cerca del núcleo que, por ejemplo, en el átomo de potasio. En fin de cuentas debe llegar el momento en que tanto el núcleo como la capa más próxima serán de iguales dimensiones. ¿Qué sucederá en este caso con sus electrones?
"Caerán" en el núcleo y serán absorbidos por éste. Pero cuando en el núcleo penetra desde fuera una carga negativa, la carga positiva total del núcleo disminuye en una unidad. O sea, se forma un elemento cuyo número atómico resulta ser menor en una unidad.
He aquí el límite de la cantidad de los elementos. El último apartamento de la Gran Casa es el que tiene el número 137.
Después, hace unos diez años, los físicos se convencieron en su error. Verificaron cálculos más exactos y demostraron que el electrón caerá en aquel núcleo cuya carga es mayor por lo menos en 10–15 unidades.
¡Ahora se ve cuál brillantes son las perspectivas para terminar la construcción de la Gran Casa! ¡Cuántos elementos nuevos y cuántos descubrimientos esperan a los químicos en el futuro! Más de cuarenta inquilinos están en espera de permiso para mudarse al edificio cuyos cimientos fueron colocados por Mendeléev.
Lamentablemente, por ahora esto es nada más que un cuento de hadas, una fantasía sugestiva, irreal.
Al calcular el número atómico del último de los elementos, los científicos dejaron pasar por alto una circunstancia muy esencial. No es que la olvidaron; lo hicieron por el mero deseo de ver qué sucedería si...
Si no existiera el fenómeno de radiactividad. Si los núcleos con cargas muy grandes fueran estables en tal grado como los núcleos de muchos elementos que se encuentran en la Tierra.
La radiactividad es la dueña absoluta que rige entre los elementos más pesados que el bismuto. Pero a unos les concede largos plazos de vida y a otros instantes contados.
El período de semidesintegración del elemento número 104, el curchatovio, es solamente de 0,3 segundo.
¿Y del 105°? ¿Y del 106°? Seguramente que aún menor. Por eso, en algún sitio muy cercano se encuentra la triste barrera: el núcleo del nuevo elemento morirá apenas nacido. Hay que estar contentos si éste será el 110°... Esta opinión reinaba tan sólo varios años atrás.
Parecía que es la propia naturaleza y sus estrictas leyes físicas las que tienen la culpa de que el edificio de la tabla de Mendeléev siga sin acabar.
Sin embargo, ¡cuántos ejemplos hay de que el hombre vence a la naturaleza!
Un himno a los alquimistas de hoy
A los malhadados alquimistas del Medioevo les torturaban conforme a todas las reglas de la inquisición y quemaban en las hogueras.
A los alquimistas "nucleares" de hoy les citan con respeto y les galardonan con el premio Nobel.
Los antiguos alquimistas creían en demasiadas cosas y no sabían lo que hacían. Su "teoría" consistía en conjuras y oraciones y tenía por base la fe ciega en las maravillosas propiedades de la "piedra filosofal".
Los alquimistas contemporáneos no creen en dios ni en diablo. Sólo confían en la fuerza de la razón humana y la destreza sin límites de las manos del hombre. Sólo reconocen una teoría física estricta y concienzuda que contiene mucha física, mucha matemática y más aún atrevidas suposiciones e hipótesis.
Los alquimistas de nuestros días quieren irrumpir en el dominio de los elementos muy pesados.
Acaso se asemejan a los constructores de castillos de naipes? Acabamos de mencionar que a los elementos con los números atómicos cerca de 110 la radiactividad concede plazos de existencia más que severos.
Es así, pero no del todo. El gran físico danés Niels Bohr se expresó una vez sobre lo útil que son las hipótesis "locas". A su parecer sólo estas hipótesis son capaces de transformar las representaciones corrientes respecto a la estructuración del Universo.
Los creadores de los elementos superpesados también se atienen a ideas análogas. Sólo que esas ideas no son más "locas" que, digamos, la teoría de la relatividad. Son bien pensadas, se erigen en un fundamento físico sólido y son verificadas por escrupulosos cálculos matemáticos.
Su esencia reside en que en el dominio de los núcleos de cargas grandes debe existir una especie de "islotes de estabilidad". Esto no quiere decir que los elementos situados en aquéllos no están sujetos a la desintegración radiactiva. Su única diferencia consiste en que tendrán más fuerza vital que sus vecinos, existiendo un intervalo de tiempo tal que se logrará no sólo sintetizarlos, sino también investigar sus propiedades principales.
Empero, no podemos poner aquí punto final. Algunos núcleos pueden ser tan estables que incluso surge la posibilidad de su descubrimiento en la naturaleza. He aquí que de un modo tan inesperado se verificaron los presentimientos de Swienne, lo que hemos mencionado un poco antes.
¿Dónde está el quid de la cuestión? ¿No es demasiado rica la fantasía de los científicos, al pretender obtener elementos superpesados?
Uno de los modelos de la estructura del núcleo atómico llamado de envoltura, parte de que en los núcleos existen determinadas envolturas o capas de protones y neutrones. Como en los átomos existen envolturas o capas electrónicas. En cada capa del núcleo puede caber un número estrictamente determinado de protones o neutrones. De aquí se puede llegar fácilmente a la suposición de que los núcleos con capas llenas deben diferenciarse de los vecinos por propiedades especiales, por ejemplo, por una estabilidad elevada y por la mayor abundancia en la naturaleza.
En la física nuclear ya hace mucho se notó que los núcleos que contenían el número de protones o neutrones igual a 2, 8, 20, 50 ó 82 o el número de neutrones igual a 126 tienen muchas propiedades peculiares. Estos núcleos se llamaron mágicos y se consideró que, efectivamente, en ellos tienen lugar capas llenas.
Los científicos aplicaron y desarrollaron esta idea precisamente para los núcleos con carga muy grande. Su conclusión era que en este recinto enigmático del sistema periódico se pueden esperar varios islotes de estabilidad relatora, a los cuales pertenecerán elementos con cargas nucleares iguales a 110, 114, 126 y (hasta es terrible pensar en qué periferia más lejana de la tabla de Mendeléev se encuentra este elemento) aún el número 164. Los investigadores esperan también encontrar una estabilidad especial en los núcleos que tienen llena la capa de neutrones con el número de estos últimos igual a 184.
Entre los elementos de este tipo es objeto de gran interés el N° 114, sobre todo aquel isótopo suyo que tiene el número mágico 298. Su núcleo será mágico dos veces: según los protones (114) y según los neutrones (184). Para un núcleo de esta índole la teoría vaticina un período de vida muy largo respecto a su desintegración espontánea, verdadero azote de los núcleos pesados. La obtención de aquel isótopo representa dificultades inverosímiles en virtud de una serie de causas técnicas. Es más fácil sintetizar un isótopo más ligero con menor número de neutrones. Claro que su estabilidad también será distinta.
¿Valiéndose de qué métodos se puede obtener el número 114?
Por ejemplo, se puede contar con éxito al bombardear con iones de calcio el blanco de plutonio, o con iones de argón el blanco de curio. En los EE.UU. ya se hizo un intento de sintetizar este elemento, que por ahora no tuvo éxito.
¿Y cómo llegar al número 126?
Aquí son ineficaces los métodos corrientes de la química nuclear. Aquí no pueden ayudar ni los neutrones, ni los deuterones, ni las partículas alfa, ni siquiera los iones de elementos livianos: argón, neón, y oxígeno. Ya que no existe un elemento–blanco a propósito. Todos los elementos al alcance distan demasiado del número 126. A decir verdad existe la idea de bombardear el torio (número atómico 90) con los iones pesados de kriptón (número atómico 36).
Hay que inventar métodos excepcionales.
He aquí un método original que los científicos están discutiendo: bombardear el uranio con el uranio. Acelerar los iones de uranio en un acelerador especial, lanzándolos luego sobre un blanco de uranio.
Cuál será el resultado? Dos núcleos de uranio confluirán en uno espantosamente complejo. La carga de uranio es igual a 92. Por consiguiente, el núcleo gigante tendrá la carga de 184. No sólo no tiene la posibilidad de existir, sino que ni siquiera tiene derecho a la existencia, y por lo tanto al instante se fisionará en dos fragmentos de masa y carga diferentes. Es muy posible que uno de estos fragmentos sea un núcleo de carga 126…
Esta es la idea. Sería un error no creer en que un día sea una realidad, pues así es la vida.
En el umbral de lo desconocido
Nadie sabe cuándo sucederá esto, pero sabemos que sucederá. El hombre alcanzará una gran victoria sobre la naturaleza, puede ser que la más grande en toda su historia.
Aprenderá a gobernar la radiactividad. Alcanzará a hacer estables los elementos no estables. Y al contrario, obligará a desintegrarse los núcleos más estables de los estables.
Por ahora, ni siquiera los autores de las novelas de ciencia ficción han llegado a utilizar esa hipótesis. Y los científicos siguen indecisos encogiéndose de hombros: no ven aún caminos prácticos ni teóricos para dominar este mar de radiactividad. Pero estamos seguros de que un día se hallarán estos caminos, aunque sea por los métodos más inconcebibles. Tan inconcebibles como hubiera sido para los pitecántropos una central atómica (según la expresión acertada del autor de un libro de divulgación científica).
Supongamos que por fin lo deseable se realizó. En este caso, la síntesis de los elementos superpesados dejará de ser un problema. Los científicos obtendrán decenas de nuevos inquilinos para la Gran Casa. Los químicos, con ardor, comenzarán su estudio.
Y tropezarán con lo inesperado.
Aunque "lo inesperado" no es la palabra del todo adecuada. Incluso ahora conocemos en qué reside este inesperado.
¿Somos nosotros, por ejemplo, capaces de predecir las propiedades del elemento número 126 ya mencionado?
En general, mentalmente, se puede prolongar el sistema periódico tan lejos cuanto a uno le venga en ganas, pues el principio físico de su construcción es claro en general. Un aficionado exhibió a uno de los autores de este libro una tabla conteniendo mil elementos. Y a la pregunta lícita de: "por qué son nada más que mil, por qué no dos o diez mil?" el "inventor" contestó desconcertado: "Sabe Ud. , es que no he tenido más papel a mano..."
Es un caso anecdótico, mas en cuanto al elemento número 126 podemos decir en serio y con plena seguridad que pertenecerá a una nueva familia de elementos, una familia sorprendente. Los químicos nunca, jamás han visto algo semejante.
La familia empieza con el elemento número 121. Y todos sus 18 miembros se parecerán entre sí mucho más que nuestros buenos conocidos, los lantánidos. Se puede estar seguro de que los extraños habitantes de la Gran Casa se distinguirán entre sí no más que los isótopos de un mismo elemento.
La causa de este fenómeno radica en que en los átomos de los elementos de esta familia se completará la cuarta capa electrónica contando desde el exterior, mientras que las tres últimas capas tienen estructura completamente igual. ¿Qué diferencia notoria en las propiedades químicas se puede esperar en este caso?
Una de nuestras historietas se titula "Catorce hermanos gemelos". Si decidiéramos describir las propiedades de esta familia hipotética, entonces, para encontrar un título a propósito, tendríamos que resolver un rompecabezas. "Dieciocho absolutamente idénticos" o "Dieciocho y todos con una misma cara". Ya que, como dicen los físicos, la palabra "gemelos" aquí "no trabaja".
Mas nuestro libro no es de ciencia ficción. Por lo tanto, abstengámonos de características concretas en espera de mejores tiempos...
A propósito. Hemos olvidado otro problema: ¿de qué modo ubicar en el sistema periódico a los dieciocho "absolutamente idénticos"?
Palabra de honor, para nosotros esto no está bien claro. No se olviden, además, que hasta ahora no cesan las discusiones acerca del lugar de los lantánidos y actínidos, aunque es una cosa más sencilla.
Pero el cuadro ideal que acabamos de pintar es ideal en el sentido estricto de la palabra. Si en la realidad todo resultara ser así, la tarea de determinar la naturaleza química del elemento N° 126 sería para los químicos un asunto muy complicado pero realizable.
Es mucho más probable otra cosa: en esa remota región del sistema periódico podríamos tropezar con un amplio conjunto de elementos que se distinguirían por una diversidad extraordinariamente rica de propiedades químicas. Existe ya un precedente semejante: se trata de los actínidos ligeros que tienen poco de común con sus análogos, los lantánidos. Mas en el "umbral de lo desconocido" la situación puede llegar a ser mucho más compleja. En este caso es difícil hasta conjeturar qué elemento de los precedentes puede asemejarse al 126. . .
Es más fácil hacer conjeturas acerca del número 114. Por ahora nadie pone en tela de juicio que debe similar a su hermano menor por el grupo, el plomo. Sin embargo...
Noticias del cosmos
A principios del siglo veinte se descubrió una enigmática emisión que penetraba a la atmósfera terrestre desde las profundidades del Universo. Más tarde, cuando los científicos la conocieron mejor, esta emisión recibió el nombre de cósmica. Aunque se habla de los rayos cósmicos como si fueran un solo tipo de emisión, en realidad tienen una composición compleja. Se diferencian las radiaciones primaria y secundaria. La naturaleza de la radiación primaria es relativamente sencilla, pero al pasar por la atmósfera entra en interacción con el aire. Por esta razón cambian esencialmente la composición y las propiedades de la radiación primaria. Así nace la radiación secundaria.
¿De qué se componen los rayos cósmicos primarios? Los científicos hace mucho que intentan encontrar respuesta a esta pregunta empleando distintos métodos. En 1936 el físico austríaco Blau propuso aplicar para el estudio de los rayos cósmicos placas fotográficas. Con este fin un paquete de placas especiales se coloca en una caja opaca, en la que con facilidad penetra la radiación cósmica. Luego, empleando globos–sonda, la caja se eleva a una altura lo más grande posible, donde permanece algún tiempo. La emulsión fotográfica es mucho más densa que el aire, por eso, al chocar con las capas de la emulsión, las partículas que entran en la composición de los rayos cósmicos retienen su vuelo veloz y se retardan, dejando huellas en la emulsión. Estas huellas se denominan trazas. Las trazas se estudian bajo el microscopio, se miden sus distintas características, por ejemplo, el largo, el ancho v la intensidad. Los datos obtenidos permiten juzgar sobre las propiedades y la naturaleza de las partículas.
Se puso de manifiesto que en los rayos cósmicos primarios el 93% de las partículas corresponde a los núcleos del átomo de hidrógeno, es decir, a los protones; casi el 6% son núcleos de helio, o sea, partículas alfa. El resto corresponde a los núcleos de los elementos con números atómicos mayores. Esta correlación es muy significativa. Es casi análoga a la que existe entre los elementos encontrados en las más diversas partes del Universo: en el Sol, en las estrellas y en el espacio interestelar. La única diferencia es que los rayos cósmicos contienen más elementos pesados.
Mas, ¿cuáles de los elementos pesados? Al principio se consideró que debían ser el litio, berilio y boro, en una palabra, varios elementos con números atómicos relativamente pequeños. Pero el año 1948 trajo una noticia sensacional: al estudiar las trazas que las partículas dejaban en las placas fotográficas subidas a la atmósfera a la altura de 30 km, se logró identificar partículas pesadas con la carga del núcleo desde 11 hasta 41. Después fueron descubiertos elementos más pesados aún; entre ellos, el último era el indio cuyo número atómico es 49. Fin la actualidad, ya se puede hablar, prácticamente, de la presencia en la composición de la radiación cósmica primaria de todos los elementos conocidos en la Tierra.
Como es natural, el contenido cuantitativo de distintos elementos se distingue radicalmente. Por ejemplo, hay centenares de miles de veces más hierro con el número atómico 26 que de elementos con los números de 60 a 90. Estos datos son muy interesantes, pero no se puede decir que provocan gran emoción entre los científicos.
Y al fin llegó lo inesperado. En el verano de 1968, el célebre físico inglés Powell, al hacer uso de la palabra en una asamblea de la Academia de Ciencias de la URSS, habló de los trabajos de su discípulo, el profesor Fowler (a propósito, este último es nieto del gran Rutherford).
En los últimos años Fowler lanzó globos–sonda con placas fotográficas a una altura de hasta 40 km. Al estudiar las trazas dejadas por las partículas en estas placas Fowler logró descubrir varias huellas muy gruesas. El estimó que pertenecían al uranio. Se repitieron los experimentos. Volvieron a ascender los globos–sonda, y decenas de metros cuadrados de placas fotográficas se examinaron escrupulosamente bajo el objetivo del microscopio. Entre los millares de trazas fue descubierta una que puso en alerta al científico. Esta traza era muy clara y larga. La partícula que la dejó provocó en el proceso de su frenado en la capa de emulsión fotográfica una ionización extraordinariamente intensa. Ninguno de los núcleos antes descubiertos produjo cuadro parecido. Ni siquiera la traza del torio, elemento con el número atómico 90, tenía un aspecto tan imponente.
Por consiguiente... Al parecer, Fowler vaciló cierto tiempo antes de sacar una conclusión definitiva. Por consiguiente, la traza admirable debe pertenecer a una partícula con una carga nuclear muy grande. Después de largas cavilaciones, Fowler supuso que en la composición de la radiación cósmica primaria entra el elemento con el número atómico 106. O sea, un elemento desconocido en la Tierra y no obtenido aún artificialmente. Claro que no se podía estar seguro al cien por ciento, pero el propio hecho es muy interesante. El interés que provoca este hecho radica en que se corresponde bien con las deducciones de los físicos teóricos. Se confirma la sugestiva posibilidad de irrumpir en el campo de los elementos muy pesados y esta confirmación se ofrece desde otro lado. Resulta qué no sólo se pueden obtener los elementos superpesados por vía artificial, sino que vale la pena emprender su búsqueda en la naturaleza.
En una palabra, aún no ha terminado la época de los descubrimientos de nuevos elementos.
Y, en fin, entérese de los resultados de los últimos experimentos de Fowler. Se han encontrado 15 trazas que pertenecen a partículas con una carga mayor de 80, tres trazas con una carga que supera 100 y una traza que corresponde a una partícula con una carga superior a 114.
El "santoral" de los elementos
Érase una vez un hombre original que, cuando le contaron de las estrellas, de cómo están constituidas y por qué brillan, dijo: "Todo ello lo entiendo, mas, ¿de qué modo los astrónomos conocieron cómo se nombran las distintas estrellas?"
Los catálogos de los astros contienen centenares de miles de luceros celestes "bautizados". Pero no piensen que todas las estrellas llevan nombres altisonantes como "Betelgeuze" o "Sirio". Para la designación de las estrellas los astrónomos prefieren utilizar una especie de código, combinación de letras y cifras. Y no pueden obrar de otra forma a menos que no quieran embrollarse. En cambio, guiándose por el código, el especialista determina con facilidad en qué parte del firmamento se encuentra la estrella y a qué clase espectral pertenece.
La cantidad de elementos químicos es incomparablemente menor que la de las estrellas. No obstante, también aquí casi cada nombre encierra historias de descubrimientos emocionantes. No era raro el caso en que un químico, al descubrir un nuevo elemento, quedara aturdido: Cómo "'bautizar" al "recién nacido"?
Era de importancia encontrar un nombre que por lo menos en algo reflejase las propiedades del elemento. Estos nombres son, por así decirlo, trabajadores. No están rodeados de un halo de romanticismo. Por ejemplo, hidrógeno (en griego, que engendra agua), oxígeno (que engendra ácidos), flúor (destructor), fósforo (portador de luz). En sus denominaciones se fijan importantes propiedades de los elementos.
Algunos elementos están nombrados en honor de los planetas del sistema solar, por ejemplo, selenio y telurio (de las palabras griega y latina que significan Luna y Tierra, respectivamente), uranio, neptunio y plutonio.
Varias denominaciones se han tomado de la mitología. Por ejemplo, tantalio; su nombre se debe a Tántalo, el hijo predilecto de Zeus, que por un sacrilegio cometido ante los dioses fue condenado a una pena insoportable. Este fue sumergido en un río con el agua hasta la barbilla, pendiendo sobre él ramas con jugosas y fragantes frutas. Pero apenas quería aplacar su sed, las aguas huían de sus labios; tan pronto como quería saciar su hambre y extendía las manos hacia las frutas, las ramas se levantaban. Los sufrimientos que soportaban los químicos en sus intentos de separar este elemento de las menas, antes de que su paciencia fuera coronada con el éxito, sólo pueden compararse con el suplicio de Tántalo...
Los nombres de titanio y vanadio también son eco de la influencia de los mitos griegos.
Se conocen elementos llamados en honor de diferentes países o partes del mundo. Por ejemplo, germanio, galio (el antiguo nombre de , Francia), polonio (en honor de Polonia), escandio (en honor de Escandinavia), francio, rutenio (el nombre latino de Rusia), europio y americio. También existen elementos llamados en honor de ciudades: hafnio (en honor de Copenhague), lutecio (el nombre antiguo de París), berkelio (en honor de la ciudad de Berkeley, EE.UU.), itrio, terbio, erbio e iterbio (estos nombres proceden del de Ytterby, una pequeña ciudad sueca donde por primera vez fue encontrado el mineral que contiene estos elementos).
Al fin y al cabo, en las denominaciones de los elementos se perpetúan los nombres de los grandes científicos: curio, fermio, einstenio, mendelevio, laurencio.
El único nombre que no figura aún en la partida de nacimiento, es el nombre del elemento número 102, obtenido artificialmente.
Entre los científicos no cesan las discusiones respecto a la procedencia de los nombres de los elementos conocidos desde antaño. Hasta ahora no se puede explicar definitivamente, por qué, digamos, el azufre se llama azufre; el hierro, hierro, y el estaño, estaño.
Ve Ud., cuántas cosas interesantes guarda el "santoral" de los elementos químicos.
Números imprescindibles para la química
Hablando con propiedad, sin estos números la química moderna, una ciencia cuantitativa exacta, no podría existir. El químico que quisiera realizar una reacción química no sabría qué cantidad de sustancias iniciales debe tomar y cuál será el rendimiento de la reacción.
Estos números son los pesos atómicos y moleculares. Sin estos números es imposible cualquier cálculo químico.
No es racional (y esto es aún una expresión muy suave) expresar la masa de los átomos o de las moléculas en las unidades a que estamos acostumbrados (por ejemplo, en gramos o en miligramos): estas magnitudes son demasiado voluminosas. Por ejemplo, el átomo de hidrógeno pesa 1,67 · 10– 24 gramos, el átomo de carbono 19,9 · 10– 24 gramos. El peso atómico de todos los demás elementos es aproximadamente del mismo orden.
Por consiguiente, necesitamos una unidad no absoluta sino relativa.
Los primeros cálculos de los pesos atómicos fueron realizados por el fundador de la teoría atómico–molecular, el químico inglés John Dalton. Este tomó el peso atómico del hidrógeno por una unidad y refirió los pesos atómicos de otros elementos al peso atómico del hidrógeno. La masa del átomo dado, expresada en unidades de hidrógeno, era precisamente el peso atómico.
Los números de Dalton subsistieron en la química casi un siglo. Después fueron rechazados, adoptando en lugar de la unidad de hidrógeno la de oxígeno. Esta equivale a 1/16 de la masa del átomo de oxígeno. La unidad de oxígeno resultó ser preferible, puesto que el oxígeno, a diferencia del hidrógeno, se combina con casi todos los elementos.
Pero en 1961 los químicos rechazaron también esta unidad. Este hecho se explica por las siguientes circunstancias. En la actualidad los pesos atómicos de los elementos se determinan con una precisión muy alta, empleando instrumentos especiales, los espectrógrafos de masas. Esta determinación se basaba en la llamada escala física de los pesos atómicos. La base de esta escala es 1/16 de la masa del isótopo de oxígeno más difundido, el oxígeno–16.
Sin embargo, paralelamente a esta escala existía otra: la escala química. Se fundamentaba en una magnitud algo distinta, precisamente en 1/16 de la masa media del átomo de oxígeno natural. Mas, como se sabe, el oxígeno natural tiene tres isótopos:
Por esta razón, el valor de la unidad de oxígeno era distinto entre los físicos y entre los químicos. Aunque si se conocía el valor del peso atómico por una escala se podía calcular su valor por la otra. Así, para obtener el peso atómico "físico" era necesario multiplicar el valor "químico" por un número bastante incómodo: 1,000275.
Realizar esta multiplicación es una cosa sencilla, pero la verdadera dificultad radicaba en otro hecho. Como quiera que los físicos y los químicos empleaban "sus" escalas, obtenían valores diferentes para muchas magnitudes importantísimas de la química, por ejemplo, para el número de Avogadro o para la constante universal de los gases. Además, el propio factor para pasar de una escala a otra tampoco era una magnitud constante: varía en dependencia de las oscilaciones de la composición isotópica del oxígeno natural. En fin, el oxígeno–16 resultó ser un isótopo poco conveniente para la determinación de los pesos atómicos con un espectrógrafo de masas.
Esta fue la causa de que los científicos llegaron a la conclusión de que tenían que rechazar la unidad de oxígeno. En lugar de esta última fue introducida la unidad de carbono, es decir, por la unidad de peso atómico fue tomada 1/12 de la masa del isótopo de carbono–12. En vez de dos escalas se creó una sola, siendo ésta universal.
No es difícil pasar de los pesos atómicos según el "oxígeno" a los de acuerdo con el "carbono". Para este objeto existe una fórmula simple: el peso atómico en las unidades de carbono es igual al peso atómico en unidades de oxígeno multiplicado por 0,999957.
Cabe señalar que hubo otro pretendiente al lugar de la unidad de la nueva escala de los pesos atómicos: el isótopo del flúor, 19 F. Este también representaba muchas ventajas, al extremo que los científicos durante mucho tiempo no podían decidir cuál era preferible: el carbono o el flúor. El problema fue resuelto por mayoría de votos, cosa que no ocurre en la ciencia cada lunes ni cada martes.
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