1. NUEVOS MATERIALES, SUS ORÍGENES


HEMOS visto cómo el descubrimiento de un nuevo material o elemento, influía en el desarrollo de la civilización. Así la historia se divide en la Edad de la Piedra, Edad del Bronce y Edad del Hierro.


El estudio de diversos materiales se impulsa en Egiptoen la búsqueda de sustancias para los procesos de momificación. El egipcio Zozimus, alrededor del año 300, describe los desarrollos de la alquimia y de sus escritos se infiere que conocía el arsénico y un modelo primitivo de alambique.


Abu Geber (721-815). Alquimista iraquí. Al ocupar los árabes Siria y Egipto hacia el año 640, asimilaron gran parte de la cultura griega que poseían esos países. Los europeos habían olvidado la ciencia griega, y durante mil años los árabes preservaron, desarrollaron y transmitieron la ciencia y el pensamiento de los países en los que hubo grandes civilizaciones.

Los alquimistas, por medio de alambiques, obtenían mercurio y azufre a partir del mineral de cinabrio (también lo hicieron los chinos). De ahí, pensaban transmutar el mercurio en oro, y también encontrar la piedra filosofal o elíxir (al-iksir) de la vida. En este vano intento de encontrar el elíxir, Geber publica una serie de valiosos experimentos químicos. Él describe el cloruro de amonio, prepara ácido nítrico diluido y destilando vinagre, prepara ácido acético concentrado.


Geber trabajó con pigmentos, barnices y perfumes. También ideó métodos para purificar metales.


La alquimia atrajo el interés de numerosas personas, aunque los resultados fueron muy pobres. Podemos mencionar que el alquimista Paracelso fue el primero en describir al metal cinc.


La transmutación de los elementos, el sueño de los alquimistas, se logró en pequeña escala con el desarrollo de la moderna física nuclear.


La teoría atómica de la materia


Hemosvisto que los filósofos griegos Demócrito y Epicuro consideraban que la materia estaba constituida por átomos indivisibles. Según Lucrecio, Epicuro consideraba que 'la materia es eterna las cosas no pueden hacerse de la nada ni, una vez engendradas, regresar a la nada'.


Antonio Lorenzo Lavoisier (1743-1794). Químico francés. Se le considera el padre de la química moderna. Estudió la combustión de las sustancias. Uno de sus primeros experimentos consistió en poner un diamante dentro de un frasco con aire y calentarlo por medio de una lente que concentraba la luz solar. Observó como el diamante desaparecía y en el frasco quedaba bióxido de carbono, de donde dedujo que el diamante estaba constituido por una forma de carbón. Observó que cuando en el frasco había vacío, o no había aire, el diamante no podía quemarse.


Poniendo en combustión diversos materiales, observó que el peso de los materiales que intervenían en ella (incluyendo al aire), era el mismo antes y después. Así encontró el principio de la conservación de la masa —que en los cambios químicos no se gana ni pierde materia—. El científico ruso Mikhail Lomonosov, 25 años antes, había propuesto el mismo principio.


Lavoisier fue el primero en demostrar que el aire, considerado por los griegos como uno de los elementos fundamentales, estaba formado por dos elementos: uno que produce la combustión y que él llamó oxígeno, y otro al que llamó ázoe. En griego ázoe quiere decir sin vida, esto es, que no soporta la vida o la combustión. Al ázoe se le dio posteriormente el nombre denitrógeno.


Al gas inflamable que al arder en el aire producía agua le dio el nombre de hidrógeno que en griego significa 'el que produce agua'.


Lavoisier observó que los animales ingieren alimentos ricos en carbón e hidrógeno, respiran oxígeno y expelen al respirar bióxido de carbono y agua. De ahí dedujo que la vida es una especie de combustión.


En colaboración con otros químicos publicó, en 1787, el libro Métodos de nomenclatura química, donde se establecen los principios para asignar nombres a los productos químicos.


En 1789 publicó el primer libro de texto de la química moderna, titulado Tratado elemental de química, que incluye una lista de todos los elementos conocidos.


Por su posición social fue guillotinado durante la Revolución francesa. Dos años después de su muerte, los franceses iniciaron la construcción de monumentos en su memoria.


Juan Dalton (1766-1844). Químico inglés. Estableció bajo bases científicas la teoría atómica del griego Demócrito.


Sus postulados o supuestos fueron


1) Cada elemento químico se compone de átomos indestructibles.


2) Todos los átomos de un elemento tienen iguales propiedades, que son diferentes a la de otros elementos.


3) En los compuestos químicos, los átomos de elementos diferentes están unidos entre sí en proporciones numéricas simples; por ejemplo, un átomo de A con uno de B, uno de A con dos de B, etcétera.


En la sal común, por ejemplo, se une un átomo de sodio con uno de cloro y en el agua dos átomos de hidrógeno con uno de oxígeno.


Los grandescazadores de elementos y materiales


Las investigaciones de Lavoisier, el descubrimiento de la pila de Volta (1800) y el descubrimiento de Kirchhoff (1859) de que cada elemento al quemarse emite líneas espectrales características del elemento de que se trata, transformaron a los físicos y a los químicos en grandes cazadores de elementos.


Martin Enrique Klaproth (1743-1817). Químico alemán. Seguidor de las teorías de Lavoisier, se transformó en uno de los grandes cazadores de elementos. Del negro y pesado mineral llamado pechblenda, obtuvo, en forma de óxido, un nuevo elemento al que llamó uranio, en honor al nuevo planeta Urano, que había sido descubierto por Herschel ocho años antes. También descubrió el titanio, el circonio, el cerio y, junto con Muller, el telurio. El uranio que descubrió, en manos de Enrico Fermi dio lugar al desarrollo de la energía nuclear.


Guillermo Nicholson (1753-1815). Químico inglés. El mismo año en que Volta dio a conocer el descubrimiento de la pila eléctrica (1800) construyó una en Inglaterra y su gran contribución científica fue el emplearla para producir la electrólisis del agua. Los dos alambres que salen de la pila eléctrica los introdujo en un tanque con agua y observó que de ellos se desprendían burbujas de gas. Había descompuesto al agua en los elementos que la forman, el hidrógeno y el oxígeno.


Smithson Tennant (1761-1815). Químico inglés. En 1803 descubrió dos metales de la familia del platino, el iridio, y el osmio.


Humphry Davy (1778-1829). Químico inglés. En 1807 construyó la pila deVolta más grande de su tiempo contenía 250 placas metálicas. Lo importante fue que la usó para hacer la electrólisis de potasa fundida, encontrando que en uno los alambres que salían de la pila se había despositado un elemento que él llamó potasio. Una semana después, empleando un recipiente que contenía soda fundida, pudo producir el sodio. En 1808 pudo aislar el bario, el estroncio, el calcio y el magnesio.


José Luis Gay-Lussac (1778-1850). Físico y químico francés. En 1802 descubrió que diferentes gases, a presión constante, sufren la misma expansión al darles el mismo aumento de temperatura. Diferentes sólidos al calentarse se dilatan en forma diferente, mientras que diferentes gases se dilatan en la misma forma. Este sorprendente resultado condujo al físico italiano Avogadro a deducir que volúmenes iguales de gases diferentes, bajo las mismas condiciones de temperatura y presión, están constituidos por el mismo número de partículas o moléculas. De este resultado se pudo obtener cuántas veces es más pesada una molécula de cualquier gas que la molécula del gas hidrógeno, dividiendo el peso de un volumen de gas entre el peso del mismo volumen de hidrógeno, si ambos se encuentran a la misma presión y temperatura.


En la lucha de prestigio entre Francia e Inglaterra, Napoleón suministró fondos a Gay-Lussac para que construyera una batería eléctrica mayor que la de Davy, y así encontrar nuevos elementos.


La batería no fue necesaria, pues Gay-Lussac y Thenard empleando el potasio descubierto por Davy, aislaron el boro sin necesidad de laelectricidad. Al tratar óxido de boro con potasio se produjo el elemento boro.


En 1811 el químico francés Courtois, por medio de una reacción química produjo un gas violeta que Gay-Lussac identificó como un nuevo elemento y le dio el nombre de yodo, que en griego significa violeta.


Otros descubrimientos importantes de Gay-Lussac fueron que exactamente se requieren dos volúmenes de hidrógeno por uno de oxígeno para producir agua. Igualmente encontró que al combinar un volumen de hidrógeno con uno de cloro se produce ácido clorhídrico y que tres partes de hidrógeno y una de nitrógeno forman una de amoniaco.


Estos descubrimientos permitieron determinar los llamados pesos moleculares de los compuestos químicos.


Amadeo Avogadro (1776-1856). Físico italiano. Interpretó el descubrimiento de Gay-Lussac de que todos los gases se expanden lo mismo al sufrir el mismo aumento de temperatura, como que volúmenes iguales de gases, bajo las mismas condiciones de presión y temperatura, debían estar formados por el mismo número de partículas. Cada partícula, que actualmente recibe el nombre de molécula, puede estar formada por uno o más átomos. En muchos gases, las partículas primarias son moléculas formadas por varios átomos unidos entre sí.


Este descubrimiento permite determinar el peso de diversos átomos o moléculas, relativos al peso de un átomo de hidrógeno, que es el más ligero.


Por ejemplo, si tenemos dos volúmenes iguales, uno de hidrógeno y otro de oxígeno, bajo las mismas condiciones de temperatura y presión, de acuerdo conAvogadro tendrán el mismo número de moléculas. Si ponemos esos gases en dos pequeños tanques iguales, que inicialmente estaban al vacío (comprimiéndolos); el aumento de peso del tanque con oxígeno entre el aumento de peso del tanque con hidrógeno, nos dará el peso molecular del oxígeno en unidades del peso molecular del hidrógeno. El resultado obtenido es 16, o sea que la molécula de oxígeno pesa dieciséis veces más que la de hidrógeno.


Como las moléculas de hidrógeno y oxígeno están formadas por dos átomos, el átomo de oxígeno también pesará dieciséis veces más que el de hidrógeno.


El agua, de acuerdo con los descubrimientos de Gay-Lussac, se forma al combinar dos volúmenes de hidrógeno con uno de oxígeno; de acuerdo con Avogadro, su molécula estará formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (2H + O) y su peso molecular será de dieciocho veces la del átomo de hidrógeno, dos que corresponden al hidrógeno y dieciséis al oxígeno.


Juan Jacobo Berzelius (1779-1848). Químico sueco. Empleando el método de volúmenes constantes de Gay-Lussac, fue el primero en publicar una lista de los pesos atómicos de los elementos conocidos, pero en ella hay errores, porque no tomó en cuenta los descubrimientos de Avogadro, que distinguen los átomos de las moléculas.


Descubrió el selenio en 1818, el silicio en 1824 y el torio en 1829. Berzelius fue el químico más notable de su tiempo.


Gustavo Roberto Kirchhoff (1824-1887). Físico alemán. En el capítulo de óptica vimos como Kirchhoff, empleando un espectroscopio (formado por una rendija,un prisma y un anteojo), al quemar un elemento en un mechero de Bunsen, observó que emitía líneas de colores cuya posición en el espectro era característica del elemento, equivalente a sus 'huellas digitales'. Así pudo observar que el Sol estaba formado por los mismos elementos que hay en la Tierra.


Trabajando con Bunsen descubrió el cesio en 1860 y, un año después, el rubidio.


Empleando esta tecnología, Reich y Richter en Alemania descubrieron el elemento indio (1863), y Crooks en Inglaterra descubrió el talio (1861).


Dimitrio Ivanovich Mendeleiev (1834-1907). Químico ruso. En 1869, cuando Mendeleiev publicó su famosa Tabla Periódica de los Elementos, se habían descubierto 63 de ellos, a los que se les había medido su peso atómico, empleando el método de Avogadro, o por medio de la electrólisis. También se conocían sus propiedades químicas, manifestadas por la llamada 'valencia' (capacidad que posee cada átomo para combinarse con otros). El hidrógeno, el litio, el sodio y el potasio, tienen una valencia de uno y sus propiedades químicas son similares; tienen la propiedad de combinarse con sólo un átomo de otro elemento de valencia uno. Un átomo con valencia de dos se puede combinar simultáneamente con dos átomos de valencia uno o con un solo átomo de valencia dos.


Mendeleiev ordenó los elementos conocidos por pesos atómicos a lo largo de renglones, de manera que en la misma columna coincidieran los que tenían la misma valencia y propiedades químicas similares.

El primer renglón de la Tabla estaba ocupado por un soloelemento, el hidrógeno, que es el más ligero, valencia uno, y peso atómico uno. El segundo renglón por el litio (valencia uno), berilio (valencia dos), boro (valencia tres), carbón (valencia cuatro), nitrógeno (valencia tres), oxígeno (valencia dos) y flúor (valencia uno). Los cuatro primeros renglones de la Tabla de Mendeleiev, con sus pesos atómicos fueron:
 
 
|H=1 |
|Li=7; |Be=9; |B = 11; |C=12; |N = 14; |O=16; |F=19 |
|Na=23; |Mg=24; |Al =27; |Si=28; |P=31; |S=32; |Cl=35.5 |
|K=39; |Ca=40; |(?); |Ti=48; |V=51; |Cr=52; | |

 

Continuando la Tabla, Mendeleiev colocó a los 63 elementos conocidos. De inmediato se dio cuenta de que existían huecos que podían referirse a elementos aún no descubiertos. Él predijo la existencia de un elemento con peso atómico entre 40 y 48 que tendría propiedades químicas similares al boro y lo llamó eka-boro. También predijo la existencia de eka-silicio y del eka-aluminio. Estos elementos fueron descubiertos poco tiempo después y se les llamó respectivamente, escandio, germanio y galio.


Mendeleiev se convirtió en el químico más famoso del mundo. En suhonor, un nuevo elemento descubierto en 1955, y producido artificialmente por medio de reacciones nucleares, se le dio el nombre de Mendelevio.


Guillermo Ramsay (1852-1916). Químico escocés. Le correspondió el honor de agregar una columna a la Tabla de Mendeleiev, la que corresponde a la valencia cero. A un cierto volumen de nitrógeno obtenido del aire, lo hizo reaccionar con magnesio y observó que quedaba una burbuja de gas sin reaccionar. Al estudiar este gas con el espectroscopio (1894), encontró que emitía líneas espectrales diferentes a las de los elementos conocidos. A este gas le llamó argón, que en griego quiere decir inerte.


Janssen y Lockyer apuntando su telescopio a la atmósfera solar (fuera del disco del Sol) y analizar la luz con un espectroscopio descubrieron líneas espectrales que no correspondían a las de los elementos conocidos. Ellos llamaron helio a este elemento que en griego quiere decir Sol.


Ramsay, estudiando un gas producido por minerales radiactivos, encontró que el helio existe en la Tierra (1895) y que corresponde a la familia de los gases inertes (valencia cero).


Por medio de la destilación del aire líquido, Ramsay pudo producir 15 litros de gas argón, que licuó y destiló, obteniendo tres fracciones. Al analizarlas con el espectroscopio, correspondieron a tres nuevos gases inertes que llamó: neón, kriptón y xenón. El único gas inerte que no descubrió fue un gas radiactivo encontrado por Dorn en 1900: el radón.


Ramsay recibió el premio Nobel en 1904.


Producción de aceros


La Revoluciónfrancesa produjo grandes cambios económicos y sociales, que condujeron a la revolución industrial que tuvo lugar en la primera mitad del siglo XIX. El desarrollo notable de la ciencia, la electricidad, la óptica, el calor, la máquina de vapor, las comunicaciones y la química, crearon la necesidad de transformar las pequeñas máquinas que los relojeros (principalmente franceses) habían diseñado en grandes máquinas para construir motores de vapor. También se necesitó producir en mayor escala, hierro, acero, cobre y diversos metales y materiales descubiertos recientemente.


Inglaterra encabezó la revolución industrial.


Por muchos siglos había sido conocido el acero, siendo famoso el manufacturado por chinos, árabes y españoles. Su costo era muy elevado, por lo que su producción era limitada.


En 1850 Inglaterra era el mayor productor del mundo y su producción llegaba a sólo 60 000 toneladas de acero, mientras que su producción de hierro alcanzaba la cifra de dos y medio millones de toneladas.


Enrique Bessemer (1813-1898). Metalurgista inglés. El hierro que salía de los hornos (hierro fundido) contenía grandes cantidades de carbón. Era duro pero quebradizo. Para hacerlo maleable y poderlo forjar se necesitaba eliminar el carbón para transformarlo en casi hierro puro (hierro forjable). A este material se le podía dar cualquier forma pero se gastaba fácilmente. El acero, muy resistente al esfuerzo y al desgaste, tiene una cantidad de carbón intermedia entre el hierro fundido y el hierro forjado.


Bessemer diseñó (1856) un convertidor enel que se soplaba aire en una masa de hierro fundido para reducir su cantidad de carbón y transformarlo directamente en acero, reduciendo notablemente el costo de producción (Figura 33).



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Figura 33. Convertidor de Bessemer para producir acero.

Para que su método funcionara se necesitaba que el hierro fundido no contuviera azufre ni fósforo como contaminantes, por lo que tuvo que emplearse mineral de hierro de Suecia. Aun así, con esta tecnología se redujo el precio del acero a la décima parte de su precio anterior.


El problema del fósforo como contaminante fue resuelto por el inglés Thomas, quien descubrió que agregando piedra caliza al mineral se combinaba con el fósforo y lo eliminaba del metal. El alemán Siemens (1861) y el francés Martin desarrollaron el proceso de hornos de corazón abierto, que permitió el empleo de minerales de carbón de baja calidad (como combustible).


En 1870, Lorena, región que tiene importantes depósitos de mineral con azufre, quedó unida a la cuenca carbonífera del Ruhr. Con el desarrollo de la nueva tecnología, esta región de Alemania se transformó en un emporio industrial que sobrepasó a la Gran Bretaña en la producción de acero.


El desarrollo de la tecnología para producir acero a bajo costo permitió el desarrollo en gran escala del ferrocarril.


En Rusia, Estados Unidos y en las colonias británicas, los ferrocarriles se desarrollaron rápidamente a partir de 1857.


Hasta 1872, Inglaterra fue el principal productor de acero y de rieles de ferrocarril, siendo entonces superadopor Alemania. Desde 1889, los Estados Unidos se transformaron en el mayor productor mundial de acero.


El desarrollo de la metalurgia


La segunda mitad del siglo XIX se caracterizó por un avance notable en los procesos metalúrgicos. La tabla siguiente nos muestra el aumento en la producción de algunos metales importantes.


 

|Producción mundial en toneladas |
pic] |
1850 |1875 |1900 |

|Cobre |55 000 |130 000 |525 000 |
|Plomo |130 000 |320 000 |850 000 |
|Cinc |65 000 |165 000 |480 000 |
|Estaño |18 000|36 000 |85 000 |
|Níquel |20 |500 |8 000 |
|Aluminio |0 |2.5 |7 300 |



 


El desarrollo de la metalurgia implicó idear nuevos métodos de concentración de minerales y nuevos tipos de hornos para lograr su extracción.


El aumento notable en la producción del cobre se debió al desarrollo de la industria eléctrica.


El aluminio, aislado por el alemán Wohler en 1827 al hacer reaccionar el potasio con compuestos de aluminio, era una curiosidad y por lo tanto muy costosa. El francés Saint-Claire Deville sustituyó al potasio por el sodio, y así, en 1855, produjo un lingote de siete kilogramos. El precio del aluminio bajó de 30 000 francos el kilogramo a 300 francos en corto tiempo.


Las aleaciones de metales


Desde hace miles de años el hombre comenzó a emplear y producir aleaciones de metales. Mezclando el oro con la plata y el cobre encontró aleaciones que brillaban como el oro puro, pero que eran más resistentes al desgaste.


El bronce, que definió una edad en la historia de la humanidad, es unaaleación de cobre y estaño.


A principios de este siglo, el hombre disponía de diversos elementos que mezclar, y así desarrollo combinaciones de metales con propiedades muy importantes.


Aleando hierro con silicio produjo la lámina de acero al silicio, fundamental en el desarrollo de la industria eléctrica, pues con ella se construyen los motores, los generadores y los transformadores.


Aleando fierro con cromo y níquel se produjo una gran variedad de aceros inoxidable que resisten, como su nombre lo indica, la corrosión, o enormes esfuerzos de tensión.


Aleando al aluminio con cinc, magnesio, cobre y cromo, en proporciones adecuadas, se pueden producir superaluminios que resisten esfuerzos como el acero ordinario y pesan mucho menos.


La disponibilidad de otros elementos, como el tungsteno, el silicio y el germanio, permitió desarrollar la electrónica, o sea el mundo en que vivimos con los equipos de sonido, los radios, la televisión y las computadoras.