Las ciencias fisico-químicas en los inicios del siglo XX

Introducción

A finales del siglo XVIII, gracias fundamentalmente al trabajo de Lavoisier y su escuela, la Química había comenzado a adquirir el estatuto de ciencia. La medida y el control experimental habían sustituido a la observación cualitativa y el asombro que generaban los espectaculares procesos químicos se había mutado en análisis. Pronto surgieron las primeras regularidades, las primeras leyes, y con ellas volvió a avivarse la vieja indagación sobre la constitución y estructura de la materia.

Antoine-Laurent Lavoisier y su esposa. Jacques-Louis David (1788) John Dalton (1766-1844) Torricelli y el "mar de aire" Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) Newton y la desconposición espectral de la luz Dimitri Ivánovich Mendeléyev (1834-1907) James Clerk Maxwell (1831-1879) James Prescott Joule (1818-1889) Julius von Mayer (1814-1878)

También en el ámbito de la Física, como consecuencia del desarrollo de la ciencia de la Pneumática y la formulación de las primeras leyes del comportamiento de los gases, el modelo atómico había ido ganando adeptos.

No puede olvidarse, por otra parte, que la publicación de los Principia en 1687 había producido un impacto enorme, no sólo en el ámbito de la ciencia sino también de la cultura, y que la figura de Newton había adquirido proporciones míticas. No es extraño, por tanto, que apareciera como desideratum de todas las ciencias, lo que se etiquetaría con el nombre de programa de Newton y cuya esencia no era otra que investigar el carácter de las fuerzas de la Naturaleza a partir de sus manifestaciones –obtener, en suma, su expresión matemática de modo similar a como él hizo en el caso de la gravitación apoyándose en las leyes de Kepler– para, con posterioridad, demostrar el resto de los fenómenos. Subyacía en esta concepción la idea de reducir los fenómenos a meras manifestaciones de materia y fuerza. Será, pues, el estudio de estas categorías el hilo conductor del desarrollo de la Física y la Química a lo largo del siglo XIX y más allá.

Material y fuerza: visión atomista e interacciones atómicas y moleculares

La visión atomista de la materia, hasta entonces limitada a una presencia fantasmal en el ámbito de la especulación filosófica, irrumpió con fuerza en el marco de la Física y la Química para, desde ellas, aunque no sin contradicciones, ir –al compás de los nuevos desarrollos científicos– ganando espacio a lo largo de todo el siglo XIX.

A lo largo de este proceso se iría perfilando, también, la naturaleza de las interacciones que explicaban la textura de los cuerpos macroscópicos, estableciéndose, así, puentes entre lo visible y lo invisible, entre el macrocosmos y el microcosmos.

Apuntamos a continuación algunos de los “momentos” más significativos de una historia que acabaría dando cima al proyecto de mecanización del mundo que tiene sus raíces más próximas en el Cartesianismo:

1. La obtención de las leyes ponderales de conservación de la masa (Lavoisier) y de las proporciones definidas (Proust).
2. La elaboración, por John Dalton, de una hipótesis atómica en la que sugiere, por un lado que las combinaciones químicas se efectúan mediante unidades discretas, átomo por átomo, y por otro que los átomos de cada elemento son idénticos. Este modelo permite no sólo formular la ley de las proporciones múltiples (Dalton) sino, también, fortalecer la convicción de que: […] Sin la hipótesis atómica las leyes de las combinaciones químicas seguirían siendo misteriosas al igual que lo eran las leyes de Kepler antes del trabajo de Newton.
3. La puesta en marcha de un programa de investigación con el objetivo conjunto de determinar los pesos relativos de las partículas últimas, tanto de los cuerpos simples como de los compuestos, así como, el número de partículas simples elementales que constituyen una partícula compuesta y el número mínimo de partículas compuestas que entran en la formación de una nueva partícula compuesta [...]. ¡Todo un reto para la Química del momento!
4. El desarrollo de la ciencia de la Pneumática y la obtención de las leyes de Boyle y Charles para los gases. Estas leyes sugieren que, a diferencia de lo que sucede para sólidos y líquidos, todas las sustancias gaseosas, independientemente de su composición química, tienen un comportamiento físico similar. Se construye un modelo mecánico, de raíz atómica, para los gases, y el mismo Newton combina corpúsculos y fuerzas para tender el primer puente, de naturaleza cuantitativa, entre lo microscópico y lo macroscópico.
5. Las leyes volumétricas para las reacciones químicas entre gases avalan el comportamiento especial de estas sustancias. Los trabajos de Gay-Lussac, Cannizaro y Avogadro, usando como sustrato interpretativo la hipótesis atómica, permiten reconciliar todos los resultados mediante la introducción de las moléculas poliatómicas.
6. Se producen avances significativos en el estudio de la naturaleza del calor. Black, Thompson, Davy, Mayer y Joule, entre otros, acaban estableciendo, más allá de toda duda, que el calor no es ninguna sustancia material o fluido imponderable, sino energía asociada al movimiento de diminutas partículas de materia ordinaria. La teoría cinético-molecular se extiende, así, a nuevos ámbitos de la Física para adquirir, finalmente, una enorme capacidad explicativa, en manos de Maxwell y Boltzmann, con la interpretación estadística de las leyes de la termodinámica.
7. La noción de afinidad se introdujo para dar cuenta de los procesos que tienen lugar cuando en un compuesto se produce la eliminación de uno de los constituyentes de un compuesto en beneficio de un tercer cuerpo: se dice entonces, que éste último presenta una amistad, simpatía o predisposición afectiva, una afinidad en suma, por el segundo de aquellos, más fuerte que la que había provocado la primera reacción.
8. El uso de las descargas eléctricas y, más tarde, el de la pila como métodos para descomponer sustancias introdujo la electricidad en la Química dando un nuevo sesgo tanto al estudio de la estructura de las sustancias como al de la naturaleza de las interacciones entre los constituyentes últimos de éstas.
   • En el primer caso, permitiendo el descubrimiento de nuevos elementos (el número de éstos crece espectacularmente pasando de los 33 que Lavoisier incluía en 1789 a los 70 que clasificará Mendeleiev en 1869).
   • En el segundo, estimulando teorías que aventuraban una explicación de la afinidad en términos eléctricos: "Creemos [dirá Berzelius] saber ahora con certeza que los cuerpos que tienen tendencia a combinarse muestran electricidades opuestas que aumentan en intensidad a medida que se aproximan a la temperatura a la que tiene lugar la combinación, hasta que, en el instante de la unión, la electricidad desaparece produciéndose una elevación de temperatura que a menudo es tan grande como para producir una llama [...]. En nuestro actual estado de conocimientos, la explicación más probable de las reacciones de ignición y combustión es la siguiente: en todas las combinaciones químicas hay una neutralización de electricidades opuestas y, esta neutralización, produce fuego del mismo modo que se produce en la descarga de un condensador, una pila, o un rayo [...]."

     La carga eléctrica se convirtió así en la primera causa de toda actividad química. Sobre la base de dos fuerzas opuestas, atracción y repulsión, se podría construir un método simple de previsión de las reacciones químicas.

9. La proliferación de elementos químicos provocó cierto desasosiego, porque chocaba con uno de los principios subyacentes en cualquier ciencia que se precie: la simplicidad. Esta necesidad compulsiva de unificación puede explicar la “descabellada” idea de W. Prout quien imagina la diversidad de cuerpos simples derivada supuestamente de un único elemento originario, el hidrógeno. En Mendeleiev, en cambio, hay una aceptación de la existencia de la diversidad de elementos y por ello no busca, como Prout, una materia primera con la que explicar esa diversidad; está convencido, y lo estará siempre, de la pluralidad irreductible de los elementos y de la imposibilidad de trasmutarlos. Tratará, por ello, de restablecer una cierta unidad en el campo de los elementos químicos buscando y hallando regularidades de comportamiento dentro de lo que conceptuará como familias. El éxito de esta búsqueda lo resume su Tabla Periódica y la existencia de esas regularidades induce a pensar en la realidad de estructuras internas capaces de dar cuenta de las mismas: la complejidad de los átomos se atisba así en el horizonte.
10. La naturaleza compleja de la luz, puesta de manifiesto por Newton al hacerla pasar por un prisma, estará en el origen de lo que, más adelante, se conocerá por espectroscopia. Físicos y químicos explorarán las características de la luz emitida por todo tipo de sustancias y, más en particular la de los diversos elementos químicos en fase gaseosa: los resultados muestran que a cada uno de ellos le corresponde un patrón de rayas luminosas único y característico.
11. La existencia de familias de elementos con propiedades similares, así como los datos procedentes del análisis espectroscópico de la luz emitida por las diferentes sustancias, suscitaron la sospecha de que debía existir una estructura interna en los átomos.
12. La naturaleza electromagnética de la luz había permitido no sólo incorporar la óptica al proceso de unificación de la electricidad y el magnetismo, que había experimentado un impulso espectacular a lo largo de este siglo a través de, entre muchos otros, los trabajos de Öersted, Ampere, Faraday y Maxwell, sino también desarrollar un modo plausible para la propagación de interacciones en términos de velocidades finitas. Los diversos éteres, que físicos y químicos habían introducido para explicar múltiples fenómenos, quedaron reducidos a uno sólo –el éter electromagnético– y este éxito permitió alumbrar teorías que pretendían interpretar los cuerpos materiales como vórtices y tensiones del éter: sustituir, en suma, la mecánica por el electromagnetismo.
13. A finales del siglo XIX y comienzos del XX se produce una eclosión de fenómenos ligados a la existencia de una estructura subatómica: desintegración radiactiva, radiaciones desconocidas, descubrimiento del electrón, etc. Será entonces, aunque pueda parecer paradójico, al cuestionarse la misma idea de átomo (como entidad indivisible), cuando se produzca una aceptación general de la naturaleza atómica de la materia. Marie Curie escribiría en 1900: Los átomos [de los elementos radiactivos], indivisibles desde el punto de vista químico, son de hecho divisibles, y, más adelante añadiría, refiriéndose a la explicación de la radiactividad en términos de la expulsión desde el átomo de partículas subatómicas: esto socava de forma grave los principios de la química. En cualquier caso parecía claro que el átomo químico no era el estadio último de la física de partículas.

Actividades

1. Señala las características fundamentales de lo que se conoce como Programa de Newton.
2. Haz una síntesis del proceso que condujo a la unificación de las Físicas celeste y terrestre.
3. Analiza la importancia que tuvo la introducción de la balanza para el desarrollo de la Química.
4. Investiga de qué forma se explican las leyes de las combinaciones químicas mediante el modelo atómico de Dalton.
5. ¿Es suficientemente sutil el modelo daltoniano de átomos sin estructura para explicar la diversidad material? ¿Por qué?
6. ¿Por qué resultó tan importante el descubrimiento de ciertas regularidades en la clasificación periódica de los elementos de Mendeleyev?
7. ¿Qué se pretendía con la noción de afinidad química y por qué resultaron tan cruciales para el desarrollo de la Química los avances en el conocimiento de la electricidad?
8. Investiga en qué consiste la ciencia de la espectroscopía y la importancia que tiene en Química y Astronomía.
9. Estudia con mayor detalle en qué consistió la unificación llevada a cabo por Maxwell.
10. Investiga qué se sabía a principios del siglo XX sobre la naturaleza de la luz y cómo se había llegado a esa convicción.

Bibliografía

• Hernández González, M. y Prieto Pérez, J. L., Historia de la Ciencia Vols. I y II.