El estudio de la química

La química es la ciencia cuyo ámbito de estudio cubre las características y propiedades de las sustancias, así como los intercambios de materia que se establecen entre ellas. Se trata probablemente de la disciplina experimental cuyo campo de acción se va expandiendo en mayor medida con el devenir del tiempo, dado el creciente número de nuevas sustancias y materiales sintetizados por el hombre. Fármacos, plásticos, plaguicidas o fertilizantes de la más diversa índole se incorporan continuamente a las distintas áreas de la actividad humana, mejorando las prestaciones de los empleados con anterioridad. Así sucedió en tiempos relativamente recientes con materiales como los cristales líquidos, cuyo uso permitió el paso de los voluminosos monitores de televisión y computadoras de sobremesa a las pantallas planas, que, entre otras cosas, hicieron posible el desarrollo de las computadoras portátiles. El paso siguiente en esta línea de evolución lo conforman los plásticos conductores, materiales que pueden dar lugar a la consecución de pantallas digitales flexibles, similares a hojas de papel. No es éste más que un ejemplo de que esta ciencia se encuentra en un pujante campo de experimentación, cuyos orígenes se remontan a la más remota antigüedad, en un tiempo en el que la especulación y, en ocasiones, la desbordada imaginación de ciertos pensadores, sentaron los frágiles fundamentos sobre los que se desarrollaría el moderno conocimiento químico.

La ciencia química se estudia, por otra parte, sobre la base de la distinción de ramas, como las químicas orgánica e inorgánica, la analítica o la bioquímica, cada una de las cuales ha alcanzado campos de cobertura tan amplios que constituyen por sí mismas áreas de especialización independientes.

Reseña histórica

Los primeros atisbos de una actividad asimilable a la química en la historia de la humanidad pueden situarse en la conquista del fuego y en el descubrimiento de los medios para conservarlo y activarlo, así como en el desarrollo de las primeras técnicas metalúrgicas. En civilizaciones antiguas como la china, la india y la egipcia, la progresión de esas técnicas discurrió en paralelo a las primeras experiencias de alquimia, disciplina que se interesaba por un conocimiento de la materia y sus transformaciones, imbuida de connotaciones mágicas y religiosas. En culturas como la egipcia, se realizaron, además, importantes hallazgos en el campo de la elaboración de vidrios, jabones, perfumes, ungüentos y bálsamos, constituyendo estos últimos la base de las complejas técnicas de momificación.

La civilización griega cuenta en su haber con las primeras especulaciones sobre la estructura íntima de la materia, que corresponden a los filósofos del siglo v a.C. Leucipo de Mileto y Demócrito de Abdera, quienes elaboraron una teoría atómica de cierta entidad, en la que ya se definía la noción de átomo (en griego, indivisible). Las teorías atomistas serían no obstante despreciadas por los grandes referentes del pensamiento heleno –Sócrates, Platón y Aristóteles– y permanecerían en el olvido hasta principios del siglo xix.

La ilustración representa los símbolos de algunos de los principales instrumentos, operaciones y sustancias propios de la tradición alquímica.

Desde la antigüedad hasta la implantación del pensamiento científico experimental en los siglos xviii y xix, el saber químico quedó en manos de los alquimistas. En el mundo occidental éstos se centraron en el estudio de la trasmutación de unas materias en otras y, más concretamente, en la búsqueda de una sustancia, a la que denominaron elixir o piedra filosofal, capaz de convertir cualquier material en oro o plata. Los alquimistas orientales encauzaron sus trabajos hacia el conocimiento de los medios de prolongación de la vida. Así, la alquimia occidental suele considerarse antecedente de la ciencia química, mientras que la oriental se vincula a la medicina.

A pesar de sus aspectos rituales y mágicos, los alquimistas emplearon instrumentos –matraces, retortas, alambiques– y técnicas –sublimación, destilación, combustión– que perduraron cuando la química adquirió connotaciones experimentales. Igualmente, establecieron una notación simbólica para los elementos y compuestos químicos que conocían, y que fue empleada hasta finales del siglo xix.

En este contexto, destacan figuras como el árabe del califato de Córdoba Ibn Sina, conocido como Avicena, autor del Canon, principal referente de las artes curativas medievales; el alemán san Alberto Magno y el británico Francis Bacon, quienes recopilaron el saber científico de la tradición aristotélica, así como el suizo Paracelso, primero en renunciar a la trasmutación de sustancias en oro y establecer que la primordial función del alquimista era sanar enfermedades, entroncando así con la tradición alquimista de Oriente.

La química moderna

En el siglo xvii comenzaron a divulgarse los principios de la constatación empírica como base del conocimiento científico. El británico Robert Boyle fue el primero en fundamentar la investigación química en la exactitud de las mediciones y la deducción racional de los resultados. En su obra The Sceptical Chymist (1661; El químico escéptico) planteó una teoría corpuscular de la materia que es antecedente de la noción de elemento químico, concretada posteriormente. Los postulados de la experimentación se consolidaron a partir del siglo xviii y dieron pie a aportaciones de sustancial importancia a cargo de químicos como el francés Antoine-Laurent Lavoisier, quien determinó que el oxígeno, gas al que dio nombre, era el responsable de la combustión de los cuerpos, o los británicos Joseph Black, descubridor del dióxido de carbono, Daniel Rutherford, del nitrógeno, y Joseph Priestley, quien estudió numerosos gases hasta entonces desconocidos como el amoniaco y el dióxido de azufre. Este último contribuyó también al descubrimiento del oxígeno, aunque llamándolo aire deflogisticado, por mantenerse fiel a la teoría del flogisto, en boga en su tiempo, y que otorgaba erróneamente a este principio teórico la responsabilidad de la combustión.

El alquimista, del pintor flamenco David Rickaert. La alquimia puede ser considerada como la actividad que dio pie al nacimiento de la química.

Así, aun con ocasionales teorías equivocadas como la mencionada, la química avanzaba hacia su conformación moderna. En este avance resultó determinante, ya en el siglo xix, la recuperación por parte del británico John Dalton de la olvidada teoría atómica de Leucipo y Demócrito, convenientemente actualizada. Algunos desajustes de los trabajos de Dalton fueron corregidos por el italiano Amedeo Avogadro, cuyas investigaciones permitieron deducir que la unidad básica de la materia es el átomo, pero que la entidad fundamental en las reacciones químicas es la molécula, agrupación de átomos que determina la naturaleza de los diferentes compuestos. No menor importancia tuvo la creación del sistema periódico de los elementos, obra, en simultáneo y por separado, del ruso Dmitri Mendeléiev y el alemán Lothar Meyer. Con este sistema se podía establecer una ordenación, por grupos, de los átomos hasta entonces conocidos y predecir las características de los aún no descubiertos, en función de su estructura atómica.

Uno de los pilares del progreso del conocimiento químico en el siglo xx fue el perfeccionamiento de la teoría atómica, con los modelos del átomo elaborados, entre otros, por el británico Ernest Rutherford y el danés Niels Bohr y en cuya evolución tendría gran influencia la mecánica cuántica, desarrollada por el alemán Max Planck. Se llegó así al conocimiento profundo de las partículas subatómicas. También destacables son las experiencias de los franceses Henri Becquerel y Pierre y Marie Curie, descubridores de la radiactividad en la transición del siglo xix al xx, y las de los esposos Frédéric Joliot e Irene Curie, quienes dieron a conocer en 1934 la radiactividad artificial. Estos hallazgos, junto con el de la fisión del uranio, obtenida por el italiano Enrico Fermi ese mismo año, fueron la base del uso de la energía atómica, que, en su vertiente militar, condicionaría la evolución del mundo, desde la explosión de Hiroshima en 1945 y, en su aplicación civil, constituiría una fuente energética de gran importancia, no exenta de episodios trágicos como el accidente de la central nuclear soviética de Chernóbil, en la actual Ucrania, en 1986.

Lámina de la Encyclopédie de Diderot y D’Alembert en la que se representa un laboratorio químico del siglo xviii junto a una tabla de relación de algunos de los elementos y compuestos químicos entonces conocidos, consignados mediante símbolos alquímicos.

La moderna evolución de la ciencia química adquiere diferentes orientaciones. Cabe citar, por ejemplo, la radical revolución experimentada por la bioquímica, disciplina que, desde los estudios sobre las fermentaciones y la función de las enzimas ha sido objeto de un completo replanteamiento a raíz de los avances registrados en el ámbito de la genética molecular. Otro tanto sucede con la química industrial, base de la revolución tecnológica que ha supuesto la obtención de infinidad de medicamentos, colorantes, cosméticos, plásticos o fibras, y que, entrada la década de 2000, se aboca a la consecución de nuevos materiales, como los polímeros conductores o los metales transparentes, que en ciertos casos pueden ser el punto de partida de nuevas tecnologías.

Pierre y Marie Curie, descubridores de la radiactividad.

La ciencia química actual es, en definitiva, uno de los pilares sobre los que se asienta el progreso tecnológico que ha de constituir uno de los fundamentos del desarrollo en el futuro.

Clasificación de las ciencias químicas

A lo largo de su evolución, las ciencias químicas han tendido a la creación de especialidades más o menos independientes. Las principales son la química analítica, la inorgánica, la orgánica y la bioquímica. Junto a éstas, que pueden considerarse las áreas clásicas dentro de la investigación química, se distinguen otras complementarias como la química industrial, la médica, la de polímeros o la computacional.

Química analítica

La química analítica es la rama de la ciencia química destinada al estudio de métodos y tecnologías que permitan obtener información precisa sobre la composición de las sustancias, tanto en lo que respecta a cuáles son los principios químicos puros que los integran, como en lo referido a las cantidades de cada uno de sus componentes.

La moderna química analítica se sirve de recursos técnicos que permiten un alto grado de precisión en las mediciones. Pueden mencionarse entre los más empleados la volumetría, basada en la valoración de volúmenes de líquido; la gravimetría, en la que se determina la composición de sustancias a partir de variaciones de peso; la gasometría, que evalúa variaciones de volúmenes gaseosos; la cromatografía, que comprende un conjunto de técnicas de separación de componentes de una mezcla para su posterior identificación, y la espectrografía, basada en la identificación de componentes de sustancias a partir de su interacción con radiaciones de diferentes bandas del espectro electromagnético.

Química inorgánica

Los primeros estudiosos de lo que con el tiempo conformaría la ciencia química centraron su atención en elementos como el hierro, el oro o la plata. Una vez constituida como disciplina experimental, la química se ocupó primordialmente del análisis de las sustancias no asociadas a la composición de los seres vivos. Así se estableció la distinción entre química inorgánica, dedicada al estudio de las sustancias de origen mineral, y química orgánica, a la que compete el de las que componen los seres vivos. La diferenciación ha prevalecido hasta la actualidad, si bien ambas áreas presentan zonas de solapamiento como, por ejemplo, la que engloba las investigaciones sobre elementos traza en los sistemas biológicos, de gran importancia para procesos como la respiración o el metabolismo celular y que son objeto de estudio de la llamada química bioinorgánica.

Química orgánica

La química orgánica estudia las sustancias obtenidas de los organismos vivos, todas las cuales contienen compuestos de carbono, combinados con otros elementos. El carbono es, de hecho, un elemento singular en lo que respecta a la gran variedad y complejidad de las estructuras químicas que pueden obtenerse a partir de él, por lo que la orgánica es la más extensa área de especialización, en lo que se refiere al número de compuestos que integran su campo de estudio.

En los tiempos en los que la química se comenzó a constituir como ciencia experimental, se creía que los compuestos que se obtenían de los seres vivos estaban dotados de la llamada «fuerza vital», que, por sí misma, favorecía su formación. Sin embargo, experimentos como la síntesis de la urea, compuesto orgánico, realizada por el alemán Friedrich Wöhler en 1828, determinaron que la orgánica era una rama de la química del mismo rango que la inorgánica o mineral. Modernamente, la química orgánica tiene como objeto el estudio del carbono y sus combinaciones, en tanto que las transformaciones que experimentan las sustancias que integran los seres vivos en las células y en los tejidos son estudiadas por la bioquímica.

Bioquímica

Aunque en sentido literal el término bioquímica significa química de la vida, esta rama de la ciencia estudia, como se ha dicho, las reacciones que tienen lugar en los organismos vivos.

La volumetría es una de las técnicas de química analítica más empleadas. En ella se emplean sustancias llamadas indicadores, que varían de color según la composición y la concentración de las muestras analizadas.

La bioquímica estudia la composición química de la materia viva y los procesos metabólicos en los seres vivos. Esos procesos serían una especie de mecanismos por los que se regirían las «máquinas» que son los seres vivos. Dentro también de la bioquímica, se halla la genética, la cual estudia todo lo referente a la herencia biológica. En el siglo actual, esta rama de la bioquímica constituye una las grandes líneas evolutivas de la ciencia moderna. Pueden citarse en este contexto nociones como las correspondientes al genoma tanto de los humanos como de numerosas especies animales y vegetales de importancia médica y económica. Las amplísimas perspectivas abiertas en el ámbito de la curación de enfermedades por la terapia génica o ciertas aplicaciones de la ingeniería genética, tales como la síntesis de vacunas o la obtención de sustancias de aplicación terapéutica son ejemplos de la actual importancia de la genética. En el citado campo terapéutico, destacan, como ejemplo de logros, los obtenidos en oncología, tales como los interferones o los moduladores del sistema inmunitario, conocidos como interleucinas.

Otras ramas de la química

Junto a las mencionadas, se han ido configurando numerosas ramas complementarias de la ciencia química en función de su área de aplicación –química industrial, médica, ambiental, farmacéutica, agrícola, etc.–. En otras ocasiones, la base han sido ciertas sustancias específicas sobre las que se desarrollan las investigaciones (química de alimentos, de polímeros, de pesticidas, etc.).

La obtención en el año 2000 de la secuencia completa de los 23 cromosomas que forman el genoma humano abrió un amplísimo campo de posibilidades en la investigación bioquímica y genética.

Por su parte, la química física es una aproximación de ambas ciencias. Analiza las sustancias químicas desde el punto de vista de sus propiedades mensurables, asociándolas en lo posible a leyes matemáticas capaces de predecir la evolución de estas propiedades.

Dada la rápida evolución de la informática en paralelo a las diferentes disciplinas científicas, merece especial mención la química computacional, destinada al diseño y uso de programas informáticos. Gracias a ellos es posible correlacionar los patrones y tendencias que se establecen entre las estructuras químicas y las propiedades de las sustancias que las presentan.