La química

La química es la ciencia que estudia la composición de la materia y los cambios que puede experimentar su composición. Esta definición puede confundir a los neófitos, pues, siendo la física el estudio de la materia y la energía, los campos de ambas ciencias parecen solaparse. En realidad, la diferencia es muy sencilla. La física estudia la materia como un todo, sin interesarse por su composición, mientras que la química no se interesa por las propiedades generales de la materia, sino por las específicas de cada sustancia material.

Unos sencillos ejemplos pueden facilitar la distinción. La mecánica, parte de la física que estudia el movimiento de los cuerpos, maneja conceptos como masa, fuerza, velocidad o aceleración, y los relaciona en leyes como la segunda ley de Newton, según la cual la aceleración que experimenta un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a su masa. Da lo mismo si el cuerpo que se mueve está hecho de madera, de mármol o de hierro; él único factor que incide en el movimiento es su masa, que es una propiedad inherente a la materia; por definición, la materia es aquello que posee masa y extensión.

Pensemos ahora en una verja de hierro. Si no ha sido sometida a ningún tratamiento, inevitablemente aparecerán en los barrotes una pequeñas costras rojizas que en nada se parecen al hierro. Vulgarmente decimos que la verja se ha oxidado, y, en efecto, al contacto con el oxígeno contenido en la atmósfera, la capa de hierro más superficial se han convertido en una nueva sustancia, el óxido de hierro. En otras palabras, se ha producido espontáneamente la clase de fenómeno que centra el interés de la química: una reacción química. Y, para explicarla, será preciso un profundo conocimiento de la composición y propiedades específicas de los distintos «tipos de materia».

El tipo de fenómeno a explicar, en definitiva, es lo que determina que su estudio corresponda a la física o a la química. Un fenómeno físico es cualquier proceso experimentado por un sistema que no comporta un cambio en la naturaleza de las sustancias implicadas, mientras que un fenómeno químico es aquel en el que unas determinadas sustancias experimentan transformaciones que alteran su naturaleza, es decir, un fenómeno en el que se producen sustancias nuevas.


Lámina del Tratado elemental de química de Lavoisier (1789)

Otros ejemplos de fenómenos físicos naturales pueden ser la emisión de sonido por una cuerda vibrante, la caída de un cuerpo por la acción de la atracción gravitatoria o la aparición del arco iris tras una tormenta. Fenómenos químicos cotidianos son la oxidación de un objeto de hierro en el aire húmedo, la transformación de la glucosa de la uva en alcohol etílico por fermentación o nuestra propia respiración. Hay que advertir, sin embargo, que ciertos fenómenos, llamados precisamente «fisicoquímicos», participan de las características de fenómeno físico y de fenómeno químico (por ejemplo, la disolución de sal común en agua), y que ciertos campos, como la estructura del átomo, no pueden adscribirse exclusivamente a una de estas disciplinas.

Historia de la química

Aunque la humanidad posee conocimientos químicos prácticos desde la Edad de los Metales (hacia el cuarto milenio antes de Cristo en Europa), la constitución de la química como ciencia no se produjo hasta finales del siglo XVIII, época en que la labor sistematizadora del «padre de la química», Antoine Lavoisier, llevó a su fundamentación sobre sólidas bases: la definitiva clarificación de los conceptos de elemento y compuesto, la ley de la conservación de la materia, el establecimiento de una nomenclatura química universal y la adopción de una metodología fundada en la experimentación y en las medidas cuantitativas.


Antoine Lavoisier y su esposa (óleo de Jacques-Louis David, 1788)

Hoy, tras más de dos siglos de avance ininterrumpido de la ciencia química, sus aplicaciones han adquirido tal amplitud que puede afirmarse que, en el mundo contemporáneo, no existe prácticamente ningún campo de actividad humana en que no tengan una importancia decisiva los productos comercializados por la industria química, comenzando, por ejemplo, por la agricultura, que en los países industrializados consume grandes cantidades de fertilizantes, herbicidas y plaguicidas, en un intento de obtener elevados rendimientos que deja de lado las implicaciones ecológicas.

La Antigüedad

Entre las antiguas civilizaciones, fueron los egipcios quienes dominaron los procedimientos y técnicas artesanales más avanzadas relativas a la transformación de la materia: fabricaban vidrio, colorantes con los que teñían sus telas, productos cosméticos, jabón, perfumes y muchos medicamentos. Los artesanos griegos aprendieron mucho de los egipcios y llamaron chymeía al arte de transformar unas materias en otras; al margen de ello, además, los filósofos de la Grecia clásica formularon las primeras teorizaciones sobre la materia.

En su búsqueda racional de un principio constitutivo de todos los seres, los filósofos griegos plantearon hipótesis diversas. El «padre de la filosofía», Tales de Mileto, vio tal principio en el agua, pero pensadores posteriores señalaron el aire (Anaxímenes), la tierra (Jenófanes) o el fuego (Heráclito). En el siglo V a.C., el ecléctico Empédocles de Agrigento sostuvo que todos los entes naturales son una combinación de agua, aire, tierra y fuego. Desarrollada por Aristóteles (siglo IV a.C.) y respaldada por la incontrovertible autoridad del Estagirita, la teoría de los cuatro elementos se mantendría inconmovible durante casi dos mil años.


Aristóteles

Para Aristóteles, la materia estaba formada por la combinación de estas cuatro sustancias elementales (tierra, agua, aire y fuego), las cuales se podían explicar por la unión de las cualidades de frío, caliente, húmedo y seco. Así, el aire se caracterizaba por ser húmedo y caliente; el agua, por ser húmeda y fría; la tierra, por ser fría y seca y el fuego, por ser seco y caliente. La tierra representaba el estado sólido, el agua el líquido, el aire el gaseoso y el fuego el estado de incandescencia.

A cada elemento le correspondía un lugar natural. Así, el elemento tierra ocupaba el centro del universo. Junto a él, el agua, que formaba los lagos, mares y océanos. El aire, sobre los anteriores, constituía la atmósfera. El lugar natural del fuego se hallaba sobre el aire; así se explicaban el calor procedente del sol o de los relámpagos. De este modo se comprendía que un sólido (que se consideraba formado por un elevado contenido en elemento tierra), cayera al suelo (su lugar natural) al dejarlo en libertad en el aire. Una alteración importante de una propiedad esencial explicaba los cambios de estado. Y lo que actualmente llamamos reacciones químicas se entendían considerando que se producía un cambio en la composición de los elementos que constituían los cuerpos.

La alquimia

Heredera de las tradiciones artesanales de Egipto, Grecia y Mesopotamia y de la visión aristotélica de la materia, la alquimia inició su andadura en el Oriente helenístico hacia el siglo I después de Cristo. Con la expansión del Islam (siglos VII y VIII), los árabes asimilaron, perfeccionaron y difundieron la tradición alquímica griega, incorporando a la misma algunos conceptos de la alquimia china. En el siglo XI, la alquimia árabe pasó al Occidente cristiano, donde contaría con reputados cultivadores hasta el Renacimiento.


Detalle de El laboratorio del alquimista (1570), de Giovanni Stradano

La alquimia suele describirse como una especie de prequímica que se ocupaba de estudiar la naturaleza de la materia, pero sin el enfoque científico formal de la química moderna. Por el modo en que se «transmitían» los conocimientos (en realidad, se ocultaban tras crípticos simbolismos) y por los objetivos a que aspiraba (la piedra filosofal, que había de permitir convertir los metales en oro, o el elixir de la inmortalidad, entre otras quimeras), más bien parece un galimatías esotérico del mismo tipo que la astrología. No obstante, los alquimistas de la Edad Media descubrieron una serie de sustancias y compuestos, y perfeccionaron algunas técnicas químicas como la destilación (purificación de un líquido) y la cristalización (transformación de sustancias en cristales sólidos); crearon asimismo muchos de los instrumentos básicos de los modernos laboratorios químicos.

Con todo, las concepciones alquímicas, lo mismo que las aristotélicas, fueron principalmente un lastre del que costó casi dos siglos desprenderse y que determinó el retraso de la ciencias químicas respecto a la física. La revolución científica del Renacimiento fue sobre todo una revolución de la astronomía y la física; mientras que de la mano de Galileo y Newton la física clásica quedaba firmemente establecida, los siglos XVI y XVII apenas si aportaron, en el campo de la química, una reorientación en un sentido más práctico de la alquimia, que renunció a sus ilusorios objetivos para aplicarse a la metalurgia y a la preparación de medicamentos (iatroquímica).

La química moderna

Aun habiendo abandonado el oscurantismo de los alquimistas medievales, y a pesar de la multitud de aplicaciones y conocimientos acumulados, en el siglo XVIII la química seguía siendo un saber más empírico y especulativo que una verdadera ciencia. Los investigadores únicamente anotaban y describían cuidadosamente sus técnicas y experimentos, sin que de ello resultase la enunciación de leyes universalmente válidas que explicasen los fenómenos estudiados.


Robert Boyle

De ahí que, como ya se ha indicado, la labor sistematizadora de Lavoisier sea considerada el hito decisivo que señala el nacimiento de la química moderna. Su más insigne precursor había sido el británico Robert Boyle, autor de importantes descubrimientos sobre el aire y los gases (ley de Boyle-Mariotte) y de obras como El químico escéptico (1661), en que combatió los dogmas aristotélicos y alquímicos y planteó hipótesis y propuestas que serían recogidas por el francés.

La distinción entre compuesto y elemento (sustancia no descomponible por medios químicos), la ley de la conservación de la materia (la masa total se mantiene en el decurso de toda reacción), la fijación de una terminología química universal (de tal claridad que los nombres de las sustancias indican ya sus componentes, como en «óxido de hierro») y el establecimiento de una metodología experimental con rigurosas mediciones cuantitativas fueron los sólidos principios a partir de los cuales la química, gracias a Lavoisier, comenzó a progresar a un ritmo vertiginoso.

No por ello ha de olvidarse el papel de otras importantes figuras que realizaron aportaciones fundamentales en la constitución de la química moderna. Entre ellos sobresalen el inglés John Dalton, que formuló la primera teoría atómica moderna; el sueco Jöns Jacob Berzelius, que creó los símbolos químicos; y el italiano Amedeo Avogadro, que,con la introducción del concepto de molécula, resolvió las aparentes incoherencias de la teoría atómica.


John Dalton formuló la teoría atómica

La química del siglo XIX logró aún dos trascendentales descubrimientos. En primer lugar, las técnicas de espectrografía, debidas a Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff (1859), que permiten deducir la composición de las sustancias a partir de la energía absorbida por sus átomos a diferentes frecuencias características de luz. El segundo y no menos importante fue la tabla periódica de los elementos, ideada independientemente por Dmitri Mendeléyev y Julius Lothar Meyer, que estableció una clasificación estructurada de los elementos conocidos (y de los aún no descubiertos), de cuyo análisis se extraen conclusiones sobre la composición atómica y las propiedades de cada elemento.

El desarrollo de la química a lo largo del siglo XX se inspiró en la confirmación de la teoría atómica a nivel experimental, en estrecha conexión con los avances de la física; al quedar establecida la estructura real del átomo (protones, neutrones y electrones), pudo finalmente resolverse la espinosa cuestión de la afinidad química y explicar la relación entre compuestos polares y no polares.

Por otra parte, la explosión tecnológica e industrial del siglo XX, consecuente con unos avances científicos acelerados, dio origen al nacimiento de las industrias químicas a gran escala. La química médica y farmacéutica y la química de grandes polímeros (plásticos, fibras, derivados del petróleo, etc.) experimentaron un desarrollo espectacular en la segunda mitad del siglo e influyeron directamente sobre los hábitos sociales con la expedición al mercado de consumo de innovadores productos fabricados en diversos materiales y la universalización de la distribución de fármacos y otros productos terapéuticos. Asimismo, otros muchos aspectos de la vida cotidiana (como la alimentación, los cultivos agrícolas y el tratamiento de combustibles con fines energéticos) experimentaron nuevos enfoques paralelos a los resultados de una ciencia en continua evolución, cuya contrapartida son los riesgos medioambientales que entrañan los residuos de los procesos industriales y el abuso de sustancias como los plaguicidas y fertilizantes.

Ramas de la química

La amplitud de los campos estudiados por la química y el gran número de interrelaciones que posee con otras disciplinas científicas dificultan el propósito de clasificación de esta ciencia en ramas perfectamente definidas e independientes. Desde finales del siglo XIX se estableció en los claustros universitarios una división de la química en cuatro grandes grupos que atiende a diversos enfoques de una realidad científica única: química orgánica, química inorgánica, química física y química analítica. Cada disciplina estudia un aspecto diferente de las propiedades y reacciones de la materia.

Química orgánica

La química orgánica se ocupa de estudiar los compuestos del carbono. Esta definición suele desconcertar a los estudiantes de química recién iniciados: existiendo más de cien elementos químicos, ¿cómo es posible que todo un campo de la química se ocupe de estudiar sólo uno de esos elementos y sus compuestos? La respuesta es que el carbono es un elemento muy poco común: es el único cuyos átomos son capaces de asociarse en una cantidad de combinaciones aparentemente infinitas.

Muchos compuestos orgánicos están formados por docenas, cientos y hasta miles de átomos de carbono unidos entre sí en una cadena continua. Otros compuestos orgánicos consisten en cadenas de carbono que a su vez consisten en otras cadenas de carbono, y otros corresponden a átomos de carbono dispuestos en forma de anillos, jaulas, esferas u otras formas geométricas. El hecho de que sean orgánicos más del 90 % de todos los compuestos conocidos por la ciencia (unos diez millones) nos da una medida de la amplitud de la química orgánica.


Friedrich Wöhler

La denominación de esta rama de la química procede de la antigua creencia de que existía una neta separación entre los compuestos «inorgánicos» o inertes que encontramos en el mundo material y los compuestos llamados «orgánicos» por formar parte de los tejidos de los organismos vivos. Se daba por supuesto que existía un principio o «fuerza vital» de naturaleza no observable que animaba a los seres vivos, y que solamente los seres vivos, gracias a la acción de esta fuerza vital, podían producir compuestos orgánicos, de modo que nunca sería posible sintetizarlos en los laboratorios a partir de sustancias del reino mineral. Este concepto empezó a tambalearse con la síntesis de la urea, lograda por el alemán Friedrich Wöhler en 1828, pero no fue abandonado por completo hasta los trabajos de Marcelin Berthelot (La química orgánica fundada sobre la síntesis, 1863), que consiguió sintetizar multitud de compuestos orgánicos.

En vista de ello podría parecer más adecuado hablar de «química del carbono»; sin embargo, se ha mantenido la denominación tradicional, pues ciertamente la mayoría de las sustancias que constituyen los organismos vivientes, desde una simple bacteria unicelular hasta las plantas y animales más complejos, son compuestos de carbono. Aparte del interés que reviste para el estudio de la vida y como fundamento de la bioquímica, la química del carbono se ocupa de numerosos compuestos utilizados en la vida diaria: las fibras artificiales y sintéticas, los productos farmacéuticos, los combustibles derivados del petróleo, el caucho sintético, los plásticos y el papel, entre otros muchos.

Química inorgánica

La química inorgánica estudia la química de todos los elementos de la tabla periódica excepto el carbono. Como sus colegas del campo de la química orgánica, los especialistas en química inorgánica han incorporado a nuestra cotidianeidad incontables productos útiles: fertilizantes, aleaciones, cerámicas, productos para la limpieza doméstica, materiales para la construcción, agentes para ablandar o purificar el agua, pinturas y tinturas, cosméticos, chips para ordenadores y otros componentes electrónicos.


Tabla periódica de los elementos (clic para ampliar)

Los más de cien elementos que abarca el campo de la química inorgánica tienen propiedades muy diversas. Algunos son gases, otros son sólidos y unos pocos son líquidos; algunos son tan reactivos que deben ser almacenados en contenedores especiales, mientras que otros son tan inertes que casi nunca reaccionan con otros elementos. Del mismo modo, unos son tan comunes que el coste de producción resulta irrisorio, mientras que otros son tan raros que se requiere una fuerte inversión para obtener una pequeña muestra. Como el mosaico de elementos y propiedades es muy amplio, por lo general los químicos se especializan en el estudio de un solo elemento o de una familia de elementos, o bien en determinados tipos de reacciones.

Química física

La química física, también llamada fisicoquímica, es la rama de la química que estudia las propiedades físicas de los materiales en relación con su estructura química. Los fisicoquímicos estudian tanto los compuestos orgánicos como los inorgánicos y miden variables como la temperatura que se requiere para licuar un sólido, la energía de la luz absorbida por una sustancia o el calor necesario para que ocurra una transformación química. Esta disciplina incluye el estudio de todas las propiedades mensurables, el desarrollo de métodos experimentales e instrumentos para realizar mediciones, la formulación de teorías con preferencia expresadas en un lenguaje matemático, la predicción de los valores de las propiedades y su contrastación con los resultados experimentales.

Química analítica

La química analítica es la rama de la química que se ocupa de identificar sustancias y calcular la composición porcentual de compuestos y mezclas. Estas dos líneas de investigación se conocen, respectivamente, como análisis cualitativo (identificación de elementos) y análisis cuantitativo (determinación de porcentajes). Dos de las técnicas más antiguas usadas por la química analítica son las de análisis gravimétrico y volumétrico. El análisis gravimétrico es el proceso por el cual una sustancia se precipita (cambia a estado sólido), se seca y se pesa. El análisis volumétrico estudia la reacción entre dos líquidos con el fin de determinar la composición de uno o ambos líquidos.

Desde la segunda mitad del siglo XIX se desarrollaron varios sistemas que se usan para la investigación analítica, como por ejemplo la espectroscopia, una tecnología fundada en el hecho de que el espectro de un elemento es absolutamente característico de ese elemento. Después de excitar (o energizar) una muestra desconocida, ya sea mediante la aplicación de calor o algún otro procedimiento, la radiación que despide la muestra puede ser analizada para determinar qué elementos están presentes. Pueden usarse varias formas de espectroscopia (por ejemplo, rayos X, infrarrojos, ultravioletas) según la forma de la radiación. Otras técnicas de análisis empleadas actualmente son la microscopía óptica y la electrónica, la resonancia magnética (que permite obtener una imagen tridimensional), la espectrometría de masas (utilizada para identificar los elementos a partir de su masa) y diversas formas de cromatografía (para determinar los componentes de una mezcla).

El análisis de la composición de la materia para conocer los elementos presentes, la composición porcentual y la estructura en una muestra dada es uno de los procedimientos fundamentales de la química, pero la misma importancia reviste, al menos en la vertiente práctica, la síntesis o creación de sustancias nuevas o de réplicas de las que se encuentran en la naturaleza. En muchos casos, el análisis conduce a la síntesis. Por ejemplo, un químico puede descubrir una sustancia natural que sirve para aliviar el dolor; ese descubrimiento sugiere, a su vez, nuevos caminos de investigación que pueden llevar a elaborar un producto sintético similar al producto natural, pero con otras propiedades deseables, y por lo general más económico o fácil de obtener. Este proceso de análisis y síntesis ha permitido desarrollar muchas de las sustancias químicas de uso cotidiano.

Otros campos de la química

La división de la química en cuatro grandes campos es en cierto modo imprecisa y conduce a confusión. En primer lugar, cada uno de estos campos es tan amplio que ningún investigador podría abarcarlo por completo; un químico inorgánico, por ejemplo, ha de especializarse en la química del azufre, del nitrógeno, de los gases inertes o en temas aún más específicos. Por otra parte, dentro de cada una de las cuatro ramas principales se han ido desarrollando numerosas especialidades, muchas de las cuales pertenecen a dos o más de esas áreas.

Como ejemplo de especialización puede mencionarse la química macromolecular, rama de la química orgánica centrada en los grandes polímeros y sus productos derivados (plásticos, fibras). La química bioinorgánica, que es la rama que se ocupa de estudiar el papel de los elementos inorgánicos y sus compuestos (como el hierro, el cobre y el azufre) en los organismos vivos, sería un ejemplo de disciplina que abraza simultáneamente ámbitos propios de la química orgánica y de la inorgánica.


Laboratorio de química farmacéutica (Alcobendas, España)

El siglo XX asistió al espectacular desarrollo de la bioquímica, que estudia tanto la composición de las moléculas biológicas (ácidos nucleicos, proteínas, hidratos de carbono, lípidos) como el conjunto de reacciones químicas que conforman el metabolismo celular. A menudo se considera la bioquímica como una quinta rama de la química o como una especialidad de la química orgánica; los biólogos objetan que su finalidad última es explicar los procesos vitales, por lo que ha de incluirse entre los estudios biológicos. Probablemente lo más justo es situarla en la exacta intersección entre la química y la biología.

Por su carácter de ciencia fundamental, no debe extrañar que la química haya dado soporte teórico no solamente a la biología, sino también a otras ciencias como la geología o a la astronomía, originando disciplinas híbridas como la geoquímica o la astroquímica. Al margen de las cuatro ramas principales suelen consignarse las diversas especialidades de la química aplicada, como la química industrial, la farmacéutica o la agrícola.