Historia de la química

El metal más antiguo del que se tiene constancia que emplearon los humanos parece ser el oro , que se puede encontrar en estado natural. Se han hallado pequeñas cantidades de oro natural en cuevas españolas utilizadas durante el Paleolítico superior , alrededor del 40 000 a. C. ^{[ 5 ]} La metalurgia del oro más antigua que se conoce proviene de la cultura de Varna en Bulgaria, que data de aproximadamente el 4600 a. C. ^{[ 6 ]}

La plata , el cobre , el estaño y el hierro meteórico también se encuentran en la naturaleza, lo que permitió una cantidad limitada de metalurgia en las culturas antiguas. ^{[ 7 ]} Las armas egipcias hechas de hierro meteórico alrededor del 3000 a. C. eran muy apreciadas como "dagas del cielo". ^{[ 8 ]}

Durante las primeras etapas de la metalurgia, se buscaron métodos de purificación de metales, y el oro, conocido en el antiguo Egipto ya en el año 2900  a. C., se convirtió en un metal precioso.

Los intentos filosóficos de racionalizar por qué las distintas sustancias poseen propiedades diferentes, como color, densidad y olor; existen en distintos estados, como sólido, líquido o gas; y reaccionan de manera diferente al exponerse a diversos entornos, por ejemplo, a cambios de temperatura en el fuego o el agua, llevaron a los filósofos antiguos a postular las primeras teorías sobre la naturaleza y la química. La historia de estas teorías filosóficas relacionadas con la química probablemente se remonta a todas las civilizaciones antiguas. El aspecto común a todas estas teorías fue el intento de identificar un pequeño número de elementos clásicos primarios que componen todas las sustancias de la naturaleza. Sustancias como el aire, el agua y la tierra, formas de energía, como el fuego y la luz, y conceptos más abstractos como el pensamiento, el éter y el cielo, eran comunes en las civilizaciones antiguas incluso sin ninguna interacción entre ellas: por ejemplo, las filosofías griega, india, maya y china consideraban el aire , el agua , la tierra y el fuego como elementos primarios.

La alquimia se define por la búsqueda hermética de la piedra filosofal , cuyo estudio está impregnado de misticismo simbólico y difiere enormemente de la ciencia moderna. Los alquimistas se esforzaron por realizar transformaciones a nivel esotérico (espiritual) y/o exotérico (práctico). ^{[ 30 ]} Fueron los aspectos protocientíficos y exotéricos de la alquimia los que contribuyeron significativamente a la evolución de la química en el Egipto grecorromano , en la Edad de Oro islámica y, posteriormente, en Europa. La alquimia y la química comparten un interés por la composición y las propiedades de la materia, y hasta el siglo XVIII no eran disciplinas separadas. El término «química» se ha utilizado para describir la fusión de alquimia y química que existía antes de esa época. ^{[ 31 ]}

Durante el Renacimiento, la alquimia exotérica siguió siendo popular bajo la forma de la iatroquímica paracelsiana , mientras que la alquimia espiritual floreció, reajustada a sus raíces platónicas , herméticas y gnósticas . En consecuencia, la búsqueda simbólica de la piedra filosofal no fue superada por los avances científicos y siguió siendo dominio de científicos y médicos respetados hasta principios del siglo XVIII. Entre los alquimistas de la Edad Moderna más reconocidos por sus contribuciones científicas se encuentran Jan Baptist van Helmont , Robert Boyle e Isaac Newton .

En el mundo islámico , los musulmanes traducían al árabe las obras de filósofos griegos y helenísticos antiguos y experimentaban con ideas científicas. ^{[ 32 ]} Las obras árabes atribuidas al alquimista del siglo VIII Jābir ibn Hayyān introdujeron una clasificación sistemática de sustancias químicas y proporcionaron instrucciones para derivar un compuesto inorgánico ( cloruro de amonio o sal ) a partir de sustancias orgánicas (como plantas, sangre y cabello) por medios químicos. ^{[ 33 ]} Algunas obras árabes de Jabir (por ejemplo, el "Libro de la Misericordia" y el "Libro de los Setenta") fueron traducidas posteriormente al latín con el nombre latinizado "Geber", ^{[ 34 ]} y en la Europa del siglo XIII un escritor anónimo, generalmente conocido como pseudo-Geber , comenzó a producir escritos alquímicos y metalúrgicos bajo este nombre. ^{[ 35 ]} Eruditos influyentes, como Abū al-Rayhān al-Bīrūnī ^{[ 36 ]} y Avicena ^{[ 37 ]} disputaron las teorías de la alquimia, en particular la teoría de la transmutación de metales .

Durante el período de la alquimia islámica, las obras atribuidas a Geber identificaron correctamente el azufre y el mercurio como elementos.

La alquimia presentaba varios problemas, vistos desde la perspectiva actual. No existía un sistema de nomenclatura sistemático para los nuevos compuestos, y el lenguaje era esotérico y vago hasta el punto de que la terminología tenía diferentes significados para diferentes personas. De hecho, según The Fontana History of Chemistry (Brock, 1992):

El lenguaje de la alquimia pronto desarrolló un vocabulario técnico arcano y secreto, diseñado para ocultar información a los no iniciados. En gran medida, este lenguaje nos resulta incomprensible hoy en día, aunque es evidente que los lectores del Cuento del Yeoman del Canon de Geoffrey Chaucer o el público de El Alquimista de Ben Jonson pudieron interpretarlo lo suficiente como para reírse de él. ^{[ 38 ]}

El relato de Chaucer expuso el lado más fraudulento de la alquimia, especialmente la fabricación de oro falso a partir de sustancias baratas. Menos de un siglo antes, Dante Alighieri también demostró ser consciente de este fraude, lo que lo llevó a condenar a todos los alquimistas al Infierno en sus escritos. Poco después, en 1317, el papa Juan XXII de Aviñón ordenó a todos los alquimistas que abandonaran Francia por falsificar dinero. En 1403 se promulgó en Inglaterra una ley que castigaba con la muerte la «multiplicación de metales». A pesar de estas y otras medidas aparentemente extremas, la alquimia no desapareció. La realeza y las clases privilegiadas seguían buscando descubrir la piedra filosofal y el elixir de la vida. ^{[ 39 ]}

Tampoco existía un método científico consensuado para garantizar la reproducibilidad de los experimentos. De hecho, muchos alquimistas incluían en sus métodos información irrelevante, como el momento de las mareas o las fases lunares. La naturaleza esotérica y el vocabulario codificado de la alquimia parecían más útiles para ocultar su falta de certeza en muchos aspectos. Ya en el siglo XIV, la fachada de la alquimia empezó a resquebrajarse, y la gente se volvió escéptica. Era evidente que se necesitaba un método científico que permitiera repetir los experimentos y presentar los resultados con claridad, indicando tanto lo conocido como lo desconocido.

Se considera que el químico anglo-irlandés Robert Boyle (1627-1691) inició la separación gradual de la química de la alquimia. ^{[ 46 ]} Aunque escéptico respecto a los elementos y convencido de la alquimia, Boyle desempeñó un papel clave en la elevación del "arte sagrado" como una disciplina independiente, fundamental y filosófica. Es más conocido por la ley de Boyle , que presentó en 1662, aunque no fue el primero en descubrirla. ^{[ 47 ]} La ley describe la relación inversamente proporcional entre la presión absoluta y el volumen de un gas, si la temperatura se mantiene constante dentro de un sistema cerrado . ^{[ 48 ] [ 49 ]}

A Boyle también se le atribuye su obra fundamental El químico escéptico (1661), en la que abogaba por un enfoque riguroso de la experimentación entre los químicos. En ella, Boyle cuestionó algunas teorías alquímicas comúnmente aceptadas y defendió que los profesionales debían ser más «filosóficos» y menos centrados en lo comercial. ^{[ 50 ]} Rechazó los cuatro elementos clásicos de tierra, fuego, aire y agua, y propuso una alternativa mecanicista de átomos y reacciones químicas que podía someterse a experimentación rigurosa.

Boyle también intentó purificar sustancias químicas para obtener reacciones reproducibles. Fue un firme defensor de la filosofía mecanicista propuesta por René Descartes para explicar y cuantificar las propiedades físicas y las interacciones de las sustancias materiales. Boyle era atomista, pero prefería el término corpúsculo al de átomo . Comentó que la división más fina de la materia, donde se conservan las propiedades, se encuentra en el nivel de los corpúsculos.

Boyle repitió el experimento del árbol de van Helmont y fue el primero en utilizar indicadores que cambiaban de color con la acidez. También realizó numerosas investigaciones con una bomba de aire y observó que el mercurio descendía al extraer el aire. Asimismo, observó que al extraer el aire de un recipiente se apagaba una llama y se mataban los pequeños animales que se colocaban en su interior. Con sus trabajos, Boyle contribuyó a sentar las bases de la revolución química dos siglos después. ^{[ 51 ]}

Carl Wilhelm Scheele codescubrió el oxígeno y lo llamó "aire de fuego".

Joseph Priestley , codescubridor del elemento oxígeno, al que llamó "aire desflogistizado".

En 1702, el químico alemán Georg Stahl acuñó el nombre " flogisto " para la sustancia que se creía liberada durante la combustión. Alrededor de 1735, el químico sueco Georg Brandt analizó un pigmento azul oscuro encontrado en el mineral de cobre. Brandt demostró que el pigmento contenía un nuevo elemento, posteriormente llamado cobalto . En 1751, un químico sueco y discípulo de Stahl llamado Axel Fredrik Cronstedt identificó una impureza en el mineral de cobre como un elemento metálico separado, al que llamó níquel . Cronstedt es uno de los fundadores de la mineralogía moderna . ^{[ 52 ]} Cronstedt también descubrió el mineral scheelita en 1751, al que llamó tungsteno, que significa "piedra pesada" en sueco.

En 1754, el químico escocés Joseph Black aisló el dióxido de carbono , al que llamó "aire fijo". ^{[ 53 ]} En 1757, Louis Claude Cadet de Gassicourt , mientras investigaba compuestos de arsénico, creó el líquido humeante de Cadet , que más tarde se descubrió que era óxido de cacodilo , considerado el primer compuesto organometálico sintético . ^{[ 54 ]} En 1758, Joseph Black formuló el concepto de calor latente para explicar la termoquímica de los cambios de fase . ^{[ 55 ]} En 1766, el químico inglés Henry Cavendish aisló el hidrógeno , al que llamó "aire inflamable". Cavendish descubrió el hidrógeno como un gas incoloro e inodoro que arde y puede formar una mezcla explosiva con el aire, y publicó un artículo sobre la producción de agua mediante la combustión de aire inflamable (es decir, hidrógeno) en aire desflogistizado (ahora conocido como oxígeno), este último un constituyente del aire atmosférico ( teoría del flogisto ).

En 1773, el químico sueco-alemán ^{[ 56 ]} Carl Wilhelm Scheele descubrió el oxígeno , al que llamó "aire de fuego", pero no publicó su logro de inmediato. ^{[ 57 ]} En 1774, el químico inglés Joseph Priestley aisló de forma independiente el oxígeno en su estado gaseoso, llamándolo "aire deflogistizado", y publicó su trabajo antes que Scheele. ^{[ 58 ] [ 59 ]} Durante su vida, la considerable reputación científica de Priestley se basó en su invención del agua carbonatada , sus escritos sobre electricidad y su descubrimiento de varios "aires" (gases), el más famoso de los cuales fue lo que Priestley denominó "aire deflogistizado" (oxígeno). Sin embargo, la determinación de Priestley de defender la teoría del flogisto y rechazar lo que se convertiría en la revolución química acabó por aislarlo dentro de la comunidad científica.

En 1781, Carl Wilhelm Scheele descubrió que se podía obtener un nuevo ácido , el ácido túngstico , a partir de la scheelita de Cronstedt (en aquel entonces llamada tungsteno). Scheele y Torbern Bergman sugirieron que podría ser posible obtener un nuevo metal reduciendo este ácido. ^{[ 60 ]} En 1783, José y Fausto Elhuyar encontraron un ácido hecho de wolframita que era idéntico al ácido túngstico. Más tarde ese mismo año, en España, los hermanos lograron aislar el metal ahora conocido como tungsteno mediante la reducción de este ácido con carbón vegetal , y se les atribuye el descubrimiento del elemento. ^{[ 61 ] [ 62 ]}

El físico italiano Alessandro Volta construyó un dispositivo para acumular una gran carga mediante una serie de inducciones y conexiones a tierra. Investigó el descubrimiento de la " electricidad animal " realizado en la década de 1780 por Luigi Galvani y halló que la corriente eléctrica se generaba por el contacto de metales diferentes, y que la pata de rana solo actuaba como detector. En 1794, Volta demostró que cuando dos metales y un paño o cartón empapado en salmuera se disponen en un circuito, producen una corriente eléctrica .

En 1800, Volta apiló varios pares de discos alternos de cobre (o plata ) y zinc ( electrodos ) separados por tela o cartón empapado en salmuera ( electrolito ) para aumentar la conductividad del electrolito. ^{[ 63 ]} Cuando los contactos superior e inferior se conectaron mediante un cable, fluyó una corriente eléctrica a través de esta pila voltaica y el cable de conexión. Por lo tanto, a Volta se le atribuye la construcción de la primera batería eléctrica para producir electricidad .

Así, Volta es considerado el fundador de la disciplina de la electroquímica . ^{[ 64 ]} Una celda galvánica (o celda voltaica) es una celda electroquímica que obtiene energía eléctrica de una reacción redox espontánea que tiene lugar en su interior. Generalmente consta de dos metales diferentes conectados por un puente salino , o de semiceldas individuales separadas por una membrana porosa.

Antoine-Laurent de Lavoisier demostró, mediante mediciones precisas, que la transmutación del agua en tierra era imposible, y que el sedimento observado al hervir agua provenía del recipiente. Quemó fósforo y azufre en el aire y comprobó que los productos pesaban más que las muestras originales, perdiéndose la masa ganada en el aire. Así, en 1789, estableció la Ley de Conservación de la Masa , también conocida como «Ley de Lavoisier». ^{[ 65 ]}

Repitiendo los experimentos de Priestley, demostró que el aire se compone de dos partes, una de las cuales se combina con metales para formar calcos . En Consideraciones generales sobre la naturaleza de los ácidos (1778), demostró que el «aire» responsable de la combustión era también la fuente de la acidez. Al año siguiente, denominó a esta porción oxígeno (del griego «formador de ácido») y a la otra azote (del griego «sin vida»). Debido a su caracterización más exhaustiva del oxígeno como elemento, Lavoisier tiene derecho a reclamar el descubrimiento del oxígeno junto con Priestley y Scheele. También descubrió que el «aire inflamable» descubierto por Cavendish —al que denominó hidrógeno (del griego «formador de agua»)— se combinaba con el oxígeno para producir rocío, como había informado Priestley, que parecía ser agua. En Reflexiones sobre el flogisto (1783), Lavoisier demostró que la teoría del flogisto sobre la combustión era inconsistente. Mikhail Lomonosov estableció de forma independiente una tradición química en Rusia en el siglo XVIII; también rechazó la teoría del flogisto y anticipó la teoría cinética de los gases . Lomonosov consideraba el calor como una forma de movimiento y enunció el principio de conservación de la materia.

Lavoisier colaboró ​​con Claude Louis Berthollet y otros para idear un sistema de nomenclatura química , que sirve de base al sistema moderno de denominación de compuestos químicos. En su obra Métodos de Nomenclatura Química (1787), Lavoisier inventó el sistema de denominación y clasificación que aún se utiliza ampliamente hoy en día, incluyendo nombres como ácido sulfúrico , sulfatos y sulfitos . En 1785, Berthollet fue el primero en introducir el uso del gas cloro como blanqueador comercial. Ese mismo año, determinó por primera vez la composición elemental del gas amoníaco . Berthollet produjo por primera vez un líquido blanqueador moderno en 1789 haciendo pasar gas cloro a través de una solución de carbonato de sodio ; el resultado fue una solución débil de hipoclorito de sodio . Otro oxidante y blanqueador de cloro potente que investigó y del que fue el primero en producir, el clorato de potasio (KClO₃ ₎ , se conoce como sal de Berthollet. Berthollet también es conocido por sus contribuciones científicas a la teoría del equilibrio químico mediante el mecanismo de reacciones reversibles .

El Traité Élémentaire de Chimie (Tratado elemental de química, 1789) de Lavoisier fue el primer libro de texto de química moderno y presentó una visión unificada de las nuevas teorías químicas, contenía una clara formulación de la Ley de Conservación de la Masa y negaba la existencia del flogisto. Además, incluía una lista de elementos, o sustancias que no podían descomponerse más, entre los que se encontraban el oxígeno, el nitrógeno , el hidrógeno, el fósforo , el mercurio , el zinc y el azufre . Sin embargo, su lista también incluía la luz y el calórico , que él consideraba sustancias materiales. En la obra, Lavoisier subrayó la base observacional de su química, afirmando: «He intentado... llegar a la verdad uniendo hechos; suprimir en la medida de lo posible el uso del razonamiento, que a menudo es un instrumento poco fiable que nos engaña, para seguir en la medida de lo posible la antorcha de la observación y la experimentación». No obstante, creía que la existencia real de los átomos era filosóficamente imposible. Lavoisier demostró que los organismos desintegran y reconstituyen el aire atmosférico de la misma manera que un cuerpo en combustión.

Junto con Pierre-Simon Laplace , Lavoisier utilizó un calorímetro para estimar el calor liberado por unidad de dióxido de carbono producido. Encontraron la misma proporción para una llama y para los animales, lo que indicaba que estos últimos producían energía mediante un tipo de combustión. Lavoisier creía en la teoría de los radicales , que postulaba que los radicales, que funcionan como un solo grupo en una reacción química, se combinarían con el oxígeno en las reacciones. Creía que todos los ácidos contenían oxígeno. También descubrió que el diamante es una forma cristalina del carbono.

Aunque muchos de los socios de Lavoisier fueron influyentes para el avance de la química como disciplina científica, su esposa Marie-Anne Lavoisier fue posiblemente la más influyente de todos. Tras su matrimonio, la Sra. Lavoisier comenzó a estudiar química, inglés y dibujo para ayudar a su esposo en su trabajo, ya fuera traduciendo artículos al inglés, un idioma que Lavoisier desconocía, o llevando registros y dibujando los diversos aparatos que Lavoisier utilizaba en sus laboratorios. ^{[ 66 ]} Gracias a su habilidad para leer y traducir artículos de Gran Bretaña para su esposo, Lavoisier tuvo acceso al conocimiento de muchos de los avances químicos que se producían fuera de su laboratorio. Además, la Sra. Lavoisier llevó registros del trabajo de su esposo y se aseguró de que sus trabajos se publicaran. La primera señal del verdadero potencial de Marie-Anne como química en el laboratorio de Lavoisier se produjo cuando estaba traduciendo un libro del científico Richard Kirwan . Durante la traducción, encontró y corrigió varios errores. Cuando presentó su traducción, junto con sus notas, a Lavoisier, sus contribuciones llevaron a que Lavoisier refutara la teoría del flogisto.

Lavoisier realizó numerosas contribuciones fundamentales a la ciencia química. Gracias a su trabajo, la química adquirió un carácter riguroso y cuantitativo, lo que permitió realizar predicciones fiables. La revolución que impulsó en la química fue el resultado de un esfuerzo consciente por integrar todos los experimentos en el marco de una única teoría. Estableció el uso sistemático del equilibrio químico, utilizó el oxígeno para refutar la teoría del flogisto y desarrolló un nuevo sistema de nomenclatura química. Sus futuras contribuciones se vieron truncadas cuando Lavoisier fue decapitado durante la Revolución Francesa .

En 1803, el meteorólogo y químico inglés John Dalton propuso la ley de Dalton , que describe la relación entre los componentes de una mezcla de gases y la presión relativa que cada uno aporta a la presión total de la mezcla. ^{[ 68 ]} Descubierto en 1801, este concepto también se conoce como la ley de Dalton de las presiones parciales.

Dalton también propuso en 1803 una teoría atómica moderna que establecía que toda la materia estaba compuesta de pequeñas partículas indivisibles llamadas átomos, que los átomos de un elemento dado poseían características y peso únicos, y que existían tres tipos de átomos: simples (elementos), compuestos (moléculas simples) y complejos (moléculas complejas). En 1808, Dalton publicó por primera vez su obra * Nuevo sistema de filosofía química* (1808-1827), en la que esbozó la primera descripción científica moderna de la teoría atómica. Este trabajo identificó los elementos químicos como un tipo específico de átomo, rechazando así la teoría de las afinidades químicas de Newton .

En cambio, Dalton dedujo las proporciones de los elementos en los compuestos calculando las proporciones de los pesos de los reactivos y asignando al hidrógeno un peso atómico idéntico de uno. Siguiendo a Jeremias Benjamin Richter (conocido por introducir el término estequiometría ), propuso que los elementos químicos se combinan en proporciones enteras. Esto se conoce como la ley de las proporciones múltiples o ley de Dalton, y Dalton incluyó una descripción clara de la ley en su obra Nuevo Sistema de Filosofía Química . La ley de las proporciones múltiples es una de las leyes básicas de la estequiometría utilizada para establecer la teoría atómica. A pesar de la importancia de la obra como la primera visión de los átomos como entidades físicamente reales y la introducción de un sistema de símbolos químicos, Nuevo Sistema de Filosofía Química dedicó casi tanto espacio a la teoría calórica como al atomismo.

El químico francés Joseph Proust propuso la ley de las proporciones definidas , que establece que los elementos siempre se combinan en proporciones pequeñas de números enteros para formar compuestos, basándose en varios experimentos realizados entre 1797 y 1804. ^{[ 69 ]} Junto con la ley de las proporciones múltiples, la ley de las proporciones definidas constituye la base de la estequiometría. La ley de las proporciones definidas y la composición constante no prueban la existencia de los átomos, pero son difíciles de explicar sin asumir que los compuestos químicos se forman cuando los átomos se combinan en proporciones constantes.

Jöns Jacob Berzelius , químico sueco y discípulo de Dalton, emprendió un programa sistemático para realizar mediciones cuantitativas precisas y exactas, y para garantizar la pureza de los productos químicos. Junto con Lavoisier, Boyle y Dalton, Berzelius es considerado el padre de la química moderna. En 1828, compiló una tabla de pesos atómicos relativos, donde el oxígeno se utilizó como estándar, con un peso de 100, e incluía todos los elementos conocidos hasta entonces. Este trabajo aportó pruebas a favor de la teoría atómica de Dalton: que los compuestos químicos inorgánicos están formados por átomos combinados en cantidades enteras . Determinó los constituyentes elementales exactos de un gran número de compuestos; los resultados respaldaron firmemente la Ley de las Proporciones Definidas de Proust. Al descubrir que los pesos atómicos no son múltiplos enteros del peso del hidrógeno, Berzelius también refutó la hipótesis de Proust de que los elementos están formados por átomos de hidrógeno.

Motivado por sus extensas determinaciones de peso atómico y con el deseo de facilitar sus experimentos, introdujo el sistema clásico de símbolos y notación química con su publicación de 1808, Lärbok i Kemien , en la que los elementos se abrevian a una o dos letras para formar un símbolo distinto de su nombre en latín. Este sistema de notación química —en el que a los elementos se les asignaban etiquetas escritas simples, como O para el oxígeno o Fe para el hierro, con proporciones indicadas por números— es el mismo sistema básico que se utiliza hoy en día. La única diferencia es que, en lugar del subíndice numérico que se usa actualmente (por ejemplo, H₂O ₎ , Berzelius usaba un superíndice (H₂O ⁾ . A Berzelius se le atribuye la identificación de los elementos químicos silicio , selenio , torio y cerio . Los estudiantes que trabajaban en el laboratorio de Berzelius también descubrieron el litio y el vanadio .

Berzelius desarrolló la teoría radicalaria de la combinación química, que sostiene que las reacciones ocurren cuando grupos estables de átomos, llamados radicales , se intercambian entre moléculas. Creía que las sales son compuestos formados por ácidos y bases , y descubrió que los aniones en los ácidos eran atraídos por un electrodo positivo (el ánodo ), mientras que los cationes en una base eran atraídos por un electrodo negativo (el cátodo ). Berzelius no creía en la teoría vitalista , sino en una fuerza reguladora que producía la organización de los tejidos en un organismo. También se le atribuye la creación de los términos químicos " catálisis ", " polímero ", " isómero " y " alótropo ", aunque sus definiciones originales difieren drásticamente del uso moderno. Por ejemplo, acuñó el término "polímero" en 1833 para describir compuestos orgánicos que compartían fórmulas empíricas idénticas pero que diferían en su peso molecular total; los compuestos de mayor tamaño se describían como "polímeros" de los más pequeños. Según esta definición preestructural, ya obsoleta, la glucosa (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) se consideraba un polímero de formaldehído (CH ₂ O).

El químico inglés Humphry Davy fue un pionero en el campo de la electrólisis , utilizando la pila voltaica de Alessandro Volta para separar compuestos comunes y así aislar una serie de nuevos elementos. Posteriormente, electrolizó sales fundidas y descubrió varios metales nuevos, especialmente sodio y potasio , elementos altamente reactivos conocidos como metales alcalinos . El potasio, el primer metal aislado por electrólisis, fue descubierto en 1807 por Davy, quien lo obtuvo a partir de hidróxido de potasio (KOH). Antes del siglo XIX, no se hacía distinción entre potasio y sodio. El sodio fue aislado por primera vez por Davy ese mismo año al hacer pasar una corriente eléctrica a través de hidróxido de sodio fundido (NaOH). Cuando Davy supo que Berzelius y Pontin preparaban amalgama de calcio mediante la electrólisis de cal en mercurio, lo intentó él mismo. Davy tuvo éxito y descubrió el calcio en 1808 mediante la electrólisis de una mezcla de cal y óxido mercúrico . ^{[ 70 ] [ 71 ]} Trabajó con la electrólisis durante toda su vida y, en 1808, aisló magnesio , estroncio ^{[ 72 ]} y bario . ^{[ 73 ]}

Davy también experimentó con gases inhalándolos. Este procedimiento experimental casi resultó fatal en varias ocasiones, pero condujo al descubrimiento de los efectos inusuales del óxido nitroso , que llegó a conocerse como gas de la risa. El cloro fue descubierto en 1774 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele , quien lo llamó "ácido marino deflogistizado" (véase teoría del flogisto ) y pensó erróneamente que contenía oxígeno . Scheele observó varias propiedades del gas cloro, como su efecto blanqueador sobre el tornasol, su efecto mortal sobre los insectos, su color amarillo verdoso y la similitud de su olor con el del agua regia . Sin embargo, Scheele no pudo publicar sus hallazgos en ese momento. En 1810, Humphry Davy le dio al cloro su nombre actual (derivado de la palabra griega para verde), quien insistió en que el cloro era de hecho un elemento . ^{[ 74 ]} También demostró que no se podía obtener oxígeno de la sustancia conocida como ácido oximuriático (solución de HCl). Este descubrimiento revolucionó la definición de ácidos que Lavoisier había dado, considerándolos compuestos de oxígeno. Davy era un conferenciante popular y un experimentador muy capaz.

El químico francés Joseph Louis Gay-Lussac compartía el interés de Lavoisier y otros por el estudio cuantitativo de las propiedades de los gases. A partir de su primer programa de investigación importante en 1801-1802, concluyó que volúmenes iguales de todos los gases se expanden por igual con el mismo aumento de temperatura: esta conclusión se conoce generalmente como la " ley de Charles ", ya que Gay-Lussac reconoció el mérito de Jacques Charles , quien había llegado a una conclusión casi idéntica en la década de 1780, pero no la había publicado. ^{[ 75 ]} La ley fue descubierta independientemente por el filósofo natural británico John Dalton hacia 1801, aunque la descripción de Dalton fue menos exhaustiva que la de Gay-Lussac. ^{[ 76 ] [ 77 ]} En 1804, Gay-Lussac realizó varios ascensos audaces de más de 7000 metros sobre el nivel del mar en globos llenos de hidrógeno —una hazaña que no se igualó hasta 50 años después— que le permitieron investigar otros aspectos de los gases. No solo recopiló mediciones magnéticas a diversas altitudes, sino que también tomó mediciones de presión, temperatura y humedad, así como muestras de aire, que posteriormente analizó químicamente.

En 1808, Gay-Lussac anunció el que probablemente fue su mayor logro: a partir de sus propios experimentos y los de otros, dedujo que los gases a temperatura y presión constantes se combinan en proporciones numéricas simples por volumen, y el producto o productos resultantes —si son gases— también guardan una proporción simple por volumen con los volúmenes de los reactivos. En otras palabras, los gases en condiciones iguales de temperatura y presión reaccionan entre sí en proporciones volumétricas de números enteros pequeños. Esta conclusión se conoció posteriormente como la « ley de Gay-Lussac » o la « ley de los volúmenes de combinación ». Junto con su colega profesor de la École Polytechnique , Louis Jacques Thénard , Gay-Lussac también participó en las primeras investigaciones electroquímicas, investigando los elementos descubiertos mediante este método. Entre otros logros, descompusieron el ácido bórico utilizando potasio fundido, descubriendo así el elemento boro . Ambos también participaron en debates contemporáneos que modificaron la definición de ácidos de Lavoisier e impulsaron su programa de análisis de compuestos orgánicos para determinar su contenido de oxígeno e hidrógeno.

El elemento yodo fue descubierto por el químico francés Bernard Courtois en 1811. ^{[ 78 ] [ 79 ]} Courtois dio muestras a sus amigos, Charles Bernard Desormes (1777–1862) y Nicolas Clément (1779–1841), para que continuaran la investigación. También dio algo de la sustancia a Gay-Lussac y al físico André-Marie Ampère . El 6 de diciembre de 1813, Gay-Lussac anunció que la nueva sustancia era un elemento o un compuesto de oxígeno. ^{[ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]} Fue Gay-Lussac quien sugirió el nombre "yodo" , de la palabra griega ιώδες (iodes) para violeta (debido al color del vapor de yodo). ^{[ 78 ] [ 80 ]} Ampère había dado algo de su muestra a Humphry Davy. Davy realizó algunos experimentos con la sustancia y notó su similitud con el cloro. ^{[ 83 ]} Davy envió una carta fechada el 10 de diciembre a la Royal Society de Londres afirmando que había identificado un nuevo elemento. ^{[ 84 ]} Surgieron discusiones entre Davy y Gay-Lussac sobre quién identificó primero el yodo, pero ambos científicos reconocieron a Courtois como el primero en aislar el elemento.

En 1815, Humphry Davy inventó la lámpara Davy , que permitía a los mineros trabajar con seguridad en las minas de carbón en presencia de gases inflamables. Se habían producido numerosas explosiones mineras causadas por grisú o metano, a menudo encendidos por las llamas abiertas de las lámparas que utilizaban los mineros en aquel entonces. Davy ideó el uso de una malla de hierro para confinar la llama de la lámpara y así evitar que el metano que ardía en su interior se dispersara en la atmósfera. Si bien la idea de la lámpara de seguridad ya había sido demostrada por William Reid Clanny y por el entonces desconocido (pero posteriormente muy famoso) ingeniero George Stephenson , el uso de la malla metálica por parte de Davy para evitar la propagación de la llama fue empleado por muchos otros inventores en sus diseños posteriores. Hubo cierta controversia sobre si Davy había descubierto los principios de su lámpara sin la ayuda del trabajo de Smithson Tennant , pero en general se aceptó que el trabajo de ambos había sido independiente. Davy se negó a patentar la lámpara, y su invención le valió la medalla Rumford en 1816. ^{[ 85 ]}

Tras la publicación de la teoría atómica de Dalton en 1808, algunas de sus ideas centrales fueron rápidamente adoptadas por la mayoría de los químicos. Sin embargo, durante medio siglo persistió la incertidumbre sobre cómo configurar y aplicar la teoría atómica a situaciones concretas; químicos de distintos países desarrollaron diversos sistemas atomísticos incompatibles. Un artículo que proponía una solución a esta difícil situación fue publicado ya en 1811 por el físico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856), quien planteó la hipótesis de que volúmenes iguales de gases a la misma temperatura y presión contienen el mismo número de moléculas, de lo cual se deducía que los pesos moleculares relativos de dos gases cualesquiera son iguales a la relación de sus densidades en las mismas condiciones de temperatura y presión. Avogadro también argumentó que los gases simples no estaban formados por átomos aislados, sino por moléculas compuestas de dos o más átomos. De este modo, Avogadro pudo superar la dificultad que Dalton y otros habían encontrado cuando Gay-Lussac informó que, por encima de los 100  °C, el volumen de vapor de agua era el doble del volumen del oxígeno utilizado para formarlo. Según Avogadro, la molécula de oxígeno se había dividido en dos átomos durante la formación del vapor de agua.

La hipótesis de Avogadro fue ignorada durante medio siglo tras su primera publicación. Se han citado numerosas razones para este olvido, entre ellas algunos problemas teóricos, como el "dualismo" de Jöns Jacob Berzelius, que afirmaba que los compuestos se mantienen unidos por la atracción de cargas eléctricas positivas y negativas, lo que hacía inconcebible la existencia de una molécula compuesta por dos átomos eléctricamente similares, como el oxígeno. Otro obstáculo para su aceptación fue la reticencia de muchos químicos a adoptar métodos físicos (como la determinación de la densidad de vapor) para resolver sus problemas. Sin embargo, a mediados de siglo, algunas figuras destacadas comenzaron a considerar intolerable la caótica multiplicidad de sistemas contrapuestos de pesos atómicos y fórmulas moleculares. Además, empezaron a acumularse pruebas puramente químicas que sugerían que el enfoque de Avogadro podría ser correcto. Durante la década de 1850, químicos más jóvenes, como Alexander Williamson en Inglaterra, Charles Gerhardt y Charles-Adolphe Wurtz en Francia, y August Kekulé en Alemania, comenzaron a abogar por la reforma de la química teórica para hacerla coherente con la teoría avogadriana.

En 1825, Friedrich Wöhler y Justus von Liebig realizaron el primer descubrimiento y explicación confirmados de los isómeros , denominados previamente por Berzelius. Trabajando con ácido ciánico y ácido fulmínico , dedujeron correctamente que la isomería se debía a diferentes disposiciones de los átomos dentro de una estructura molecular. En 1827, William Prout clasificó las biomoléculas en sus grupos modernos: carbohidratos , proteínas y lípidos . Tras esclarecerse la naturaleza de la combustión, surgió una controversia sobre el vitalismo y la distinción esencial entre sustancias orgánicas e inorgánicas. La cuestión del vitalismo se revolucionó en 1828 cuando Friedrich Wöhler sintetizó la urea , demostrando así que los compuestos orgánicos podían producirse a partir de materias primas inorgánicas y refutando la teoría del vitalismo.

Esto abrió un nuevo campo de investigación en química, y a finales del siglo XIX, los científicos lograron sintetizar cientos de compuestos orgánicos. Entre los más importantes se encuentran el malva , el magenta y otros colorantes sintéticos , así como el fármaco aspirina , ampliamente utilizado . El descubrimiento de la síntesis artificial de la urea contribuyó enormemente a la teoría de la isomería , ya que las fórmulas químicas empíricas de la urea y el cianato de amonio son idénticas (véase la síntesis de Wöhler ). En 1832, Friedrich Wöhler y Justus von Liebig descubrieron y explicaron los grupos funcionales y los radicales en relación con la química orgánica, además de sintetizar por primera vez el benzaldehído . Liebig, químico alemán, realizó importantes contribuciones a la química agrícola y biológica , y trabajó en la organización de la química orgánica , siendo considerado uno de sus principales fundadores. ^{[ 88 ]} Liebig también es considerado el "padre de la industria de los fertilizantes " por su descubrimiento del nitrógeno como un nutriente esencial para las plantas y por su formulación de la Ley del Mínimo que describía el efecto de los nutrientes individuales en los cultivos.

Vladimir Markovnikov, nacido en 1838, fue un científico ruso que desarrolló la mayor parte de su trabajo en la Universidad de Kazán, en Rusia. ^{[ 89 ]} En Kazán, estudió con Butlerov en un laboratorio conocido como "la cuna de la química orgánica rusa", tras lo cual también estudió química en Alemania durante dos años. ^{[ 89 ]} Las contribuciones de Markovnikov al campo de la química orgánica incluyeron el desarrollo de la regla de Markovnikov , que establece que los haluros de hidrógeno, al añadirse a alquenos y alquinos, se adicionan de manera que los hidrógenos se unen al lado del carbono con el mayor número de sustituyentes de hidrógeno. ^{[ 90 ]} Los productos químicos que siguen esta regla se consideran productos de Markovnikov y los que no, productos anti-Markovnikov. ^{[ 90 ]} La regla de Markovnikov fue un ejemplo temprano de regioselectividad en la síntesis orgánica y su comprensión moderna sigue siendo importante en la industria química, donde se han desarrollado catalizadores para producir productos anti-Markovnikov. ^{[ 90 ]} Un aspecto significativo de la regla de Markovnikov es que explica la reactividad basándose en la disposición estructural de los átomos, ya que muchos químicos de la época no consideraban que las fórmulas químicas representaran la disposición física de los átomos (véase también la teoría de los radicales ). ^{[ 91 ]}

En 1840, Germain Hess propuso la ley de Hess , una formulación temprana de la ley de conservación de la energía , que establece que los cambios de energía en un proceso químico dependen solo de los estados de los materiales de partida y producto y no de la ruta específica tomada entre los dos estados. En 1847, Hermann Kolbe obtuvo ácido acético de fuentes completamente inorgánicas, refutando aún más el vitalismo. En 1848, William Thomson, primer barón Kelvin (comúnmente conocido como Lord Kelvin) estableció el concepto de cero absoluto , la temperatura a la que cesa todo movimiento molecular. En 1849, Louis Pasteur descubrió que la forma racémica del ácido tartárico es una mezcla de las formas levógira y dextrógira, aclarando así la naturaleza de la rotación óptica y haciendo avanzar el campo de la estereoquímica . ^{[ 92 ]} En 1852, August Beer propuso la ley de Beer , que explica la relación entre la composición de una mezcla y la cantidad de luz que absorberá. Basándose en parte en trabajos anteriores de Pierre Bouguer y Johann Heinrich Lambert , estableció la técnica analítica conocida como espectrofotometría . ^{[ 93 ]} En 1855, Benjamin Silliman, Jr. fue pionero en los métodos de craqueo de petróleo , lo que hizo posible toda la industria petroquímica moderna . ^{[ 94 ]}

La hipótesis de Avogadro comenzó a ganar popularidad entre los químicos solo después de que su compatriota y colega científico Stanislao Cannizzaro demostrara su valor en 1858, dos años después de la muerte de Avogadro. Los intereses químicos de Cannizzaro se habían centrado originalmente en productos naturales y en reacciones de compuestos aromáticos ; en 1853 descubrió que cuando el benzaldehído se trata con una base concentrada, se producen tanto ácido benzoico como alcohol bencílico , un fenómeno conocido hoy como la reacción de Cannizzaro . En su folleto de 1858, Cannizzaro demostró que un retorno completo a las ideas de Avogadro podía utilizarse para construir una estructura teórica consistente y sólida que se ajustara a casi toda la evidencia empírica disponible. Por ejemplo, señaló evidencia que sugería que no todos los gases elementales constan de dos átomos por molécula: algunos eran monoatómicos , la mayoría diatómicos y algunos incluso más complejos.

Otro punto de controversia fueron las fórmulas de los compuestos de los metales alcalinos (como el sodio ) y los metales alcalinotérreos (como el calcio ), que, dadas sus sorprendentes analogías químicas, la mayoría de los químicos querían asignar al mismo tipo de fórmula. Cannizzaro argumentó que clasificar estos metales en categorías diferentes tenía la ventaja de eliminar ciertas anomalías al utilizar sus propiedades físicas para deducir los pesos atómicos. Desafortunadamente, el folleto de Cannizzaro se publicó inicialmente solo en italiano y tuvo escaso impacto inmediato. El verdadero avance se produjo con un congreso internacional de química celebrado en la ciudad alemana de Karlsruhe en septiembre de 1860, al que asistieron la mayoría de los principales químicos europeos. El Congreso de Karlsruhe fue organizado por Kekulé, Wurtz y algunos otros que compartían la visión de Cannizzaro sobre el rumbo que debía tomar la química. Hablando en francés (como todos los presentes), la elocuencia y la lógica de Cannizzaro dejaron una huella imborrable en los asistentes. Además, su amigo Angelo Pavesi distribuyó el folleto de Cannizzaro entre los asistentes al finalizar la reunión; más de un químico escribió posteriormente sobre la profunda impresión que le causó la lectura de este documento. Por ejemplo, Lothar Meyer escribió más tarde que, al leer el artículo de Cannizzaro, «se me abrieron los ojos». ^{[ 95 ]} Cannizzaro desempeñó así un papel crucial en la victoria de la reforma. El sistema que él defendía, y que poco después adoptaron la mayoría de los químicos más destacados, es prácticamente idéntico al que se sigue utilizando hoy en día.

En 1856, Sir William Henry Perkin , de 18 años, desafiado por su profesor August Wilhelm von Hofmann , intentó sintetizar quinina , el fármaco antipalúdico, a partir de alquitrán de hulla . En un primer intento, Perkin oxidó anilina con dicromato de potasio , cuyas impurezas de toluidina reaccionaron con la anilina, produciendo un sólido negro, lo que sugería una síntesis orgánica fallida. Al limpiar el matraz con alcohol, Perkin observó porciones púrpuras en la solución: un subproducto del experimento fue el primer colorante sintético, conocido como mauveína o malva de Perkin. El descubrimiento de Perkin es la base de la industria de la síntesis de colorantes, una de las primeras industrias químicas exitosas.

La contribución más importante del químico alemán August Kekulé von Stradonitz fue su teoría estructural de la composición orgánica, expuesta en dos artículos publicados en 1857 y 1858 y tratada con gran detalle en las páginas de su extraordinariamente popular Lehrbuch der organischen Chemie ("Libro de texto de química orgánica"), cuya primera entrega apareció en 1859 y se extendió gradualmente hasta alcanzar cuatro volúmenes. Kekulé sostenía que los átomos de carbono tetravalentes —es decir, los que forman exactamente cuatro enlaces químicos— podían unirse para formar lo que él denominó una "cadena de carbono" o un "esqueleto de carbono", al que podían unirse otros átomos con otras valencias (como hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y cloro). Estaba convencido de que era posible para el químico especificar esta arquitectura molecular detallada, al menos para los compuestos orgánicos más simples conocidos en su época. Kekulé no fue el único químico en hacer tales afirmaciones en esta era. El químico escocés Archibald Scott Couper publicó una teoría sustancialmente similar casi simultáneamente, y el químico ruso Aleksandr Butlerov contribuyó en gran medida a clarificar y ampliar la teoría de la estructura. Sin embargo, fueron principalmente las ideas de Kekulé las que prevalecieron en la comunidad química.

El químico y físico británico William Crookes es conocido por sus estudios sobre rayos catódicos , fundamentales para el desarrollo de la física atómica . Sus investigaciones sobre descargas eléctricas a través de un gas enrarecido lo llevaron a observar el espacio oscuro alrededor del cátodo, ahora llamado espacio oscuro de Crookes. Demostró que los rayos catódicos viajan en línea recta y producen fosforescencia y calor al incidir sobre ciertos materiales. Pionero de los tubos de vacío, Crookes inventó el tubo de Crookes , un tubo de descarga experimental primitivo con vacío parcial, con el que estudió el comportamiento de los rayos catódicos. Con la introducción del análisis espectral por Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff (1859-1860), Crookes aplicó la nueva técnica al estudio de los compuestos de selenio . Bunsen y Kirchhoff ya habían utilizado la espectroscopia como método de análisis químico para descubrir el cesio y el rubidio . En 1861, Crookes utilizó este proceso para descubrir talio en algunos depósitos seleníferos. Continuó trabajando con ese nuevo elemento, lo aisló, estudió sus propiedades y, en 1873, determinó su peso atómico. Durante sus estudios sobre el talio, Crookes descubrió el principio del radiómetro de Crookes , un dispositivo que convierte la radiación luminosa en movimiento rotatorio. El principio de este radiómetro ha encontrado numerosas aplicaciones en el desarrollo de instrumentos de medición de alta precisión.

En 1862, Alexander Parkes exhibió la parkesina , uno de los primeros polímeros sintéticos , en la Exposición Internacional de Londres. Este descubrimiento sentó las bases de la industria moderna del plástico . En 1864, Cato Maximilian Guldberg y Peter Waage , basándose en las ideas de Claude Louis Berthollet, propusieron la ley de acción de masas . En 1865, Johann Josef Loschmidt determinó el número de moléculas en un mol , posteriormente denominado número de Avogadro .

En 1865, August Kekulé, basándose parcialmente en el trabajo de Loschmidt y otros, estableció la estructura del benceno como un anillo de seis carbonos con enlaces simples y dobles alternados . La novedosa propuesta de Kekulé sobre la estructura cíclica del benceno fue objeto de mucha controversia, pero nunca fue reemplazada por una teoría superior. Esta teoría proporcionó la base científica para la espectacular expansión de la industria química alemana en el último tercio del siglo XIX. Kekulé también es famoso por haber esclarecido la naturaleza de los compuestos aromáticos, que son compuestos basados ​​en la molécula de benceno. En 1865, Adolf von Baeyer comenzó a trabajar en el tinte índigo , un hito en la química orgánica industrial moderna que revolucionó la industria de los tintes.

El químico e inventor sueco Alfred Nobel descubrió que al incorporar nitroglicerina en una sustancia inerte y absorbente como la tierra de diatomeas ( kieselguhr ), esta se volvía más segura y fácil de manipular. Esta mezcla la patentó en 1867 como dinamita . Posteriormente, Nobel combinó la nitroglicerina con diversos compuestos de nitrocelulosa, similares al colodión , pero optó por una fórmula más eficaz que combinaba otro explosivo de nitrato, obteniendo una sustancia transparente y gelatinosa, un explosivo más potente que la dinamita. La gelignita , o gelatina explosiva, como se la denominó, fue patentada en 1876; y le siguieron numerosas combinaciones similares, modificadas con la adición de nitrato de potasio y otras sustancias.

Un avance importante para comprender la lista de elementos químicos conocidos (así como la estructura interna de los átomos) fue el desarrollo de la primera tabla periódica moderna por Dmitri Mendeléyev , o la clasificación periódica de los elementos. Mendeléyev, químico ruso, intuía que existía cierto orden en los elementos y dedicó más de trece años de su vida a recopilar datos y desarrollar el concepto, inicialmente con la idea de aclarar el desorden existente en el campo para sus estudiantes. Mendeléyev descubrió que, al ordenar todos los elementos químicos conocidos según su peso atómico creciente, la tabla resultante mostraba un patrón recurrente, o periodicidad, de las propiedades dentro de cada grupo de elementos. La ley de Mendeléyev le permitió construir una tabla periódica sistemática de los 66 elementos conocidos hasta entonces, basada en la masa atómica, que publicó en sus Principios de Química en 1869. Su primera Tabla Periódica se compiló ordenando los elementos en orden ascendente de peso atómico y agrupándolos según la similitud de sus propiedades.

Mendeleev tenía tanta fe en la validez de la ley periódica que propuso cambios en los valores generalmente aceptados para el peso atómico de algunos elementos y, en su versión de la tabla periódica de 1871, predijo la ubicación dentro de la tabla de elementos desconocidos junto con sus propiedades. Incluso predijo las probables propiedades de tres elementos aún por descubrir, a los que llamó ekaborón (Eb), ekaaluminio (Ea) y ekasilicio (Es) , que resultaron ser buenos predictores de las propiedades del escandio , el galio y el germanio , respectivamente, que ocupan cada uno el lugar en la tabla periódica asignado por Mendeleev.

Al principio, el sistema periódico no despertó interés entre los químicos. Sin embargo, con el descubrimiento de los elementos predichos, en particular el galio en 1875, el escandio en 1879 y el germanio en 1886, comenzó a ganar amplia aceptación. La posterior comprobación de muchas de sus predicciones durante su vida le valió a Mendeleev la fama como fundador de la ley periódica. Esta organización superó los intentos previos de clasificación de Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois , quien publicó la hélice telúrica, una versión tridimensional temprana de la tabla periódica de los elementos en 1862; John Newlands , quien propuso la ley de las octavas (precursora de la ley periódica) en 1864; y Lothar Meyer , quien desarrolló una versión temprana de la tabla periódica con 28 elementos organizados por valencia en 1864. Sin embargo, la tabla de Mendeleev no incluía ninguno de los gases nobles , que aún no se habían descubierto. Gradualmente, la ley periódica y la tabla periódica se convirtieron en el marco de gran parte de la teoría química. Para cuando Mendeleev falleció en 1907, gozaba de reconocimiento internacional y había recibido distinciones y premios de numerosos países.

En 1873, Jacobus Henricus van 't Hoff y Joseph Achille Le Bel , trabajando de forma independiente, desarrollaron un modelo de enlace químico que explicaba los experimentos de quiralidad de Pasteur y proporcionaba una causa física para la actividad óptica en compuestos quirales. ^{[ 96 ]} La publicación de van 't Hoff, titulada Voorstel tot Uitbreiding der Tegenwoordige in de Scheikunde gebruikte Structuurformules in de Ruimte , etc. (Propuesta para el desarrollo de fórmulas estructurales químicas tridimensionales) y que constaba de doce páginas de texto y una página de diagramas, impulsó el desarrollo de la estereoquímica . El concepto del "átomo de carbono asimétrico", tratado en esta publicación, proporcionó una explicación para la aparición de numerosos isómeros, inexplicables mediante las fórmulas estructurales vigentes en aquel entonces. Al mismo tiempo, señaló la existencia de una relación entre la actividad óptica y la presencia de un átomo de carbono asimétrico.

El trabajo del físico matemático estadounidense J. Willard Gibbs sobre las aplicaciones de la termodinámica fue fundamental para transformar la química física en una ciencia deductiva rigurosa. Entre 1876 y 1878, Gibbs trabajó en los principios de la termodinámica, aplicándolos a los complejos procesos involucrados en las reacciones químicas. Descubrió el concepto de potencial químico , o el "combustible" que hace que las reacciones químicas funcionen. En 1876 publicó su contribución más famosa, " Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas ", una recopilación de su trabajo sobre termodinámica y química física que estableció el concepto de energía libre para explicar la base física de los equilibrios químicos. ^{[ 97 ]} En estos ensayos se encontraban los inicios de las teorías de Gibbs sobre las fases de la materia: consideraba cada estado de la materia una fase y cada sustancia un componente. Gibbs tomó todas las variables involucradas en una reacción química (temperatura, presión, energía, volumen y entropía) y las incluyó en una ecuación simple conocida como la regla de fases de Gibbs .

En este artículo se encontraba quizás su contribución más destacada: la introducción del concepto de energía libre, ahora universalmente conocida como energía libre de Gibbs en su honor. La energía libre de Gibbs relaciona la tendencia de un sistema físico o químico a disminuir simultáneamente su energía y aumentar su desorden, o entropía , en un proceso natural espontáneo. El enfoque de Gibbs permite a un investigador calcular el cambio en la energía libre durante el proceso, como en una reacción química, y la velocidad a la que ocurrirá. Dado que prácticamente todos los procesos químicos y muchos físicos implican tales cambios, su trabajo ha tenido un impacto significativo tanto en los aspectos teóricos como experimentales de estas ciencias. En 1877, Ludwig Boltzmann estableció derivaciones estadísticas de muchos conceptos físicos y químicos importantes, incluyendo la entropía y las distribuciones de velocidades moleculares en la fase gaseosa. ^{[ 98 ]} Junto con Boltzmann y James Clerk Maxwell , Gibbs creó una nueva rama de la física teórica llamada mecánica estadística (término que él mismo acuñó), que explica las leyes de la termodinámica como consecuencias de las propiedades estadísticas de grandes conjuntos de partículas. Gibbs también trabajó en la aplicación de las ecuaciones de Maxwell a problemas de óptica física. La derivación de Gibbs de las leyes fenomenológicas de la termodinámica a partir de las propiedades estadísticas de sistemas con muchas partículas se presentó en su influyente libro de texto Principios elementales de mecánica estadística , publicado en 1902, un año antes de su muerte. En esa obra, Gibbs revisó la relación entre las leyes de la termodinámica y la teoría estadística de los movimientos moleculares. El sobreimpulso de la función original por sumas parciales de series de Fourier en puntos de discontinuidad se conoce como el fenómeno de Gibbs .

Otto Hahn fue un químico alemán y pionero en los campos de la radiactividad y la radioquímica . Desempeñó un papel fundamental en el descubrimiento de la fisión nuclear y estableció la química nuclear como campo científico. Hahn, Lise Meitner y Fritz Strassmann descubrieron isótopos radiactivos de radio , torio , protactinio y uranio . También descubrió los fenómenos de retroceso atómico e isomería nuclear , y fue pionero en la datación rubidio-estroncio . En 1938, Hahn, Meitner y Strassmann descubrieron la fisión nuclear . En su segunda publicación sobre fisión nuclear, en febrero de 1939, Hahn y Strassmann predijeron la existencia y liberación de neutrones adicionales durante el proceso de fisión, abriendo la posibilidad de una reacción nuclear en cadena . Hahn recibió el Premio Nobel de Química de 1944 por estos descubrimientos. La fisión nuclear fue la base de los reactores nucleares y las armas nucleares .

En 1913, Niels Bohr , físico danés, introdujo los conceptos de la mecánica cuántica en la estructura atómica al proponer lo que hoy se conoce como el modelo atómico de Bohr, donde los electrones existen únicamente en órbitas circulares estrictamente definidas alrededor del núcleo, similares a los peldaños de una escalera. El modelo de Bohr es un modelo planetario en el que los electrones con carga negativa orbitan un pequeño núcleo con carga positiva, de forma similar a como los planetas orbitan alrededor del Sol (excepto que las órbitas no son planas). La fuerza gravitatoria del sistema solar es matemáticamente similar a la fuerza de Coulomb (eléctrica) atractiva entre el núcleo con carga positiva y los electrones con carga negativa.

En el modelo de Bohr, sin embargo, los electrones orbitan el núcleo en órbitas de tamaño y energía fijos; se dice que los niveles de energía están cuantizados , lo que significa que solo se permiten ciertas órbitas con radios específicos; las órbitas intermedias simplemente no existen. La energía de la órbita está relacionada con su tamaño; es decir, la energía más baja se encuentra en la órbita más pequeña. Bohr también postuló que la radiación electromagnética se absorbe o se emite cuando un electrón se mueve de una órbita a otra. Debido a que solo se permiten ciertas órbitas electrónicas, la emisión de luz que acompaña al salto de un electrón de un estado de energía excitado al estado fundamental produce un espectro de emisión único para cada elemento. Bohr recibió posteriormente el Premio Nobel de Física por este trabajo.

Niels Bohr también trabajó en el principio de complementariedad , que establece que un electrón puede interpretarse de dos maneras mutuamente excluyentes y válidas. Los electrones pueden interpretarse como modelos de onda o de partícula. Su hipótesis era que una partícula incidente impactaría el núcleo y crearía un núcleo compuesto excitado. Esto sentó las bases de su modelo de gota líquida y, posteriormente, proporcionó una base teórica para la fisión nuclear tras su descubrimiento por los químicos Otto Hahn y Fritz Strassman , y su explicación y denominación por los físicos Lise Meitner y Otto Frisch .

En 1913, Henry Moseley , partiendo de la idea previa de Van den Broek, introdujo el concepto de número atómico para corregir algunas deficiencias de la tabla periódica de Mendeleev, que se basaba en el peso atómico. El punto culminante de la carrera de Frederick Soddy en radioquímica fue en 1913 con su formulación del concepto de isótopos , que establecía que ciertos elementos existen en dos o más formas que tienen diferentes pesos atómicos pero que son químicamente indistinguibles. Se le recuerda por demostrar la existencia de isótopos de ciertos elementos radiactivos, y también se le atribuye, junto con otros, el descubrimiento del elemento protactinio en 1917. En 1913, JJ Thomson amplió el trabajo de Wien al demostrar que las partículas subatómicas cargadas pueden separarse por su relación masa-carga, una técnica conocida como espectrometría de masas .

El químico físico estadounidense Gilbert N. Lewis sentó las bases de la teoría del enlace de valencia ; fue fundamental en el desarrollo de una teoría de enlace basada en el número de electrones en la capa de valencia más externa del átomo. En 1902, mientras Lewis intentaba explicar la valencia a sus alumnos, representó los átomos como una serie concéntrica de cubos con electrones en cada vértice. Este "átomo cúbico" explicaba los ocho grupos de la tabla periódica y representaba su idea de que los enlaces químicos se forman mediante la transferencia de electrones para que cada átomo tenga un conjunto completo de ocho electrones externos (un "octeto").

La teoría de Lewis sobre el enlace químico continuó evolucionando y, en 1916, publicó su artículo fundamental «El átomo de la molécula», en el que sugería que un enlace químico es un par de electrones compartidos por dos átomos. El modelo de Lewis equiparaba el enlace químico clásico con el intercambio de un par de electrones entre los dos átomos enlazados. En este artículo, Lewis introdujo los diagramas de puntos de electrones para simbolizar las estructuras electrónicas de átomos y moléculas. Conocidas actualmente como estructuras de Lewis , se abordan en prácticamente todos los libros de introducción a la química.

Poco después de la publicación de su artículo de 1916, Lewis se involucró en la investigación militar. No retomó el tema del enlace químico hasta 1923, cuando resumió magistralmente su modelo en una breve monografía titulada «Valencia y la estructura de átomos y moléculas». Su renovado interés en este tema fue impulsado en gran medida por las actividades del químico estadounidense e investigador de General Electric, Irving Langmuir , quien entre 1919 y 1921 popularizó y desarrolló el modelo de Lewis. Posteriormente, Langmuir introdujo el término « enlace covalente ». En 1921, Otto Stern y Walther Gerlach establecieron el concepto de espín cuántico en partículas subatómicas.

Para los casos en los que no había compartición de electrones, Lewis desarrolló en 1923 la teoría de pares de electrones de ácidos y bases : Lewis redefinió un ácido como cualquier átomo o molécula con un octeto incompleto, capaz de aceptar electrones de otro átomo; las bases eran, por supuesto, donadoras de electrones. Su teoría se conoce como el concepto de ácidos y bases de Lewis . En 1923, G. N. Lewis y Merle Randall publicaron Termodinámica y la energía libre de las sustancias químicas , el primer tratado moderno sobre termodinámica química .

En la década de 1920 se produjo una rápida adopción y aplicación del modelo de Lewis del enlace de pares de electrones en los campos de la química orgánica y de coordinación. En química orgánica, esto se debió principalmente a los esfuerzos de los químicos británicos Arthur Lapworth , Robert Robinson , Thomas Lowry y Christopher Ingold ; mientras que en química de coordinación, el modelo de enlace de Lewis fue promovido gracias a los esfuerzos del químico estadounidense Maurice Huggins y el químico británico Nevil Sidgwick .

En 1924, el físico cuántico francés Louis de Broglie publicó su tesis, en la que introdujo una teoría revolucionaria de las ondas electrónicas basada en la dualidad onda-partícula . En su época, las interpretaciones de la luz y la materia como ondas y partículas se consideraban contradictorias, pero De Broglie sugirió que estas características aparentemente diferentes eran, en realidad, el mismo comportamiento observado desde distintas perspectivas: que las partículas pueden comportarse como ondas, y las ondas (radiación) pueden comportarse como partículas. La propuesta de Broglie ofrecía una explicación del movimiento restringido de los electrones dentro del átomo. Las primeras publicaciones de la idea de Broglie sobre las "ondas de materia" habían recibido poca atención por parte de otros físicos, pero una copia de su tesis doctoral llegó por casualidad a manos de Einstein, cuya respuesta fue entusiasta. Einstein destacó la importancia del trabajo de Broglie, tanto explícitamente como desarrollándolo aún más.

En 1925, el físico austriaco Wolfgang Pauli desarrolló el principio de exclusión de Pauli , que establece que dos electrones alrededor de un núcleo atómico no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico , descrito por cuatro números cuánticos . Pauli realizó importantes contribuciones a la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos —fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1945 por el descubrimiento del principio de exclusión de Pauli—, así como a la física del estado sólido, y formuló con éxito la hipótesis de la existencia del neutrino . Además de su obra original, escribió síntesis magistrales de diversas áreas de la teoría física, consideradas clásicos de la literatura científica.

${\displaystyle H(t)|\psi (t)\rangle =i\hbar {\frac {d}{dt}}|\psi (t)\rangle }$

La ecuación de Schrödinger

En 1926, a los 39 años, el físico teórico austriaco Erwin Schrödinger publicó los trabajos que sentaron las bases de la mecánica cuántica ondulatoria. En ellos describió su ecuación diferencial parcial, que constituye la ecuación básica de la mecánica cuántica y guarda con la mecánica del átomo la misma relación que las ecuaciones de movimiento de Newton con la astronomía planetaria. Adoptando una propuesta de Louis de Broglie de 1924, según la cual las partículas de materia poseen una naturaleza dual y, en ciertas situaciones, se comportan como ondas, Schrödinger introdujo una teoría que describe el comportamiento de dicho sistema mediante una ecuación ondulatoria, conocida actualmente como ecuación de Schrödinger . Las soluciones de la ecuación de Schrödinger, a diferencia de las de Newton, son funciones ondulatorias que solo pueden relacionarse con la probabilidad de ocurrencia de eventos físicos. La secuencia fácilmente visualizable de eventos de las órbitas planetarias de Newton se reemplaza, en mecánica cuántica, por la noción más abstracta de probabilidad . (Este aspecto de la teoría cuántica causó una profunda insatisfacción a Schrödinger y a otros físicos, y dedicó gran parte de su vida posterior a formular objeciones filosóficas a la interpretación generalmente aceptada de la teoría que él mismo había contribuido tanto a crear).

El físico teórico alemán Werner Heisenberg fue uno de los principales creadores de la mecánica cuántica. En 1925, Heisenberg descubrió una forma de formular la mecánica cuántica en términos de matrices. Por este descubrimiento, recibió el Premio Nobel de Física en 1932. En 1927 publicó su principio de incertidumbre , sobre el cual construyó su filosofía y por el cual es más conocido. Heisenberg demostró que, al estudiar un electrón en un átomo, se podía determinar su posición (la ubicación del electrón) o su velocidad (la dirección del electrón), pero era imposible expresar ambas simultáneamente. También realizó importantes contribuciones a las teorías de la hidrodinámica de flujos turbulentos , el núcleo atómico, el ferromagnetismo , los rayos cósmicos y las partículas subatómicas , y desempeñó un papel fundamental en la planificación del primer reactor nuclear de Alemania Occidental en Karlsruhe , junto con un reactor de investigación en Múnich, en 1957. Su trabajo en investigación atómica durante la Segunda Guerra Mundial está rodeado de considerable controversia.

Algunos consideran que el nacimiento de la química cuántica se produjo con el descubrimiento de la ecuación de Schrödinger y su aplicación al átomo de hidrógeno en 1926. Sin embargo, el artículo de Walter Heitler y Fritz London de 1927 ^{[ 109 ]} suele reconocerse como el primer hito en la historia de la química cuántica. Esta es la primera aplicación de la mecánica cuántica a la molécula diatómica de hidrógeno y, por lo tanto, al fenómeno del enlace químico . En los años siguientes, Edward Teller , Robert S. Mulliken , Max Born , J. Robert Oppenheimer , Linus Pauling , Erich Hückel , Douglas Hartree y Vladimir Aleksandrovich Fock , entre otros, lograron grandes avances .

Sin embargo, persistía el escepticismo respecto al poder general de la mecánica cuántica aplicada a sistemas químicos complejos. La situación en torno a 1930 es descrita por Paul Dirac : ^{[ 110 ]}

Las leyes físicas fundamentales necesarias para la teoría matemática de gran parte de la física y de toda la química se conocen por completo, y la dificultad reside únicamente en que la aplicación exacta de estas leyes conduce a ecuaciones demasiado complejas para ser resolubles. Por consiguiente, resulta deseable desarrollar métodos prácticos aproximados para aplicar la mecánica cuántica, que permitan explicar las características principales de los sistemas atómicos complejos sin un exceso de cálculos.

Walter Heitler

Fritz Londres

Por lo tanto, los métodos de mecánica cuántica desarrollados en las décadas de 1930 y 1940 a menudo se denominan física molecular o atómica teórica para subrayar que se trataba más de la aplicación de la mecánica cuántica a la química y la espectroscopia que de respuestas a preguntas químicamente relevantes. En 1951, un artículo fundamental en química cuántica fue el trabajo seminal de Clemens C.J. Roothaan sobre las ecuaciones de Roothaan . ^{[ 111 ]} Abrió el camino a la solución de las ecuaciones de campo autoconsistente para moléculas pequeñas como el hidrógeno o el nitrógeno . Estos cálculos se realizaron con la ayuda de tablas de integrales que se calcularon en las computadoras más avanzadas de la época.

En la década de 1940, muchos físicos se volcaron de la física molecular o atómica a la física nuclear (como J. Robert Oppenheimer o Edward Teller ). Glenn T. Seaborg fue un químico nuclear estadounidense conocido por su trabajo en el aislamiento e identificación de elementos transuránicos (aquellos más pesados ​​que el uranio ). Compartió el Premio Nobel de Química de 1951 con Edwin Mattison McMillan por sus descubrimientos independientes de elementos transuránicos. El seaborgio recibió su nombre en su honor, convirtiéndolo en la única persona, junto con Albert Einstein y Yuri Oganessian , a quien se le dedicó un elemento químico en vida.

A mediados del siglo XX, en principio, la integración de la física y la química era extensa, y las propiedades químicas se explicaban como resultado de la estructura electrónica del átomo . El libro de Linus Pauling , * La naturaleza del enlace químico*, utilizó los principios de la mecánica cuántica para deducir los ángulos de enlace en moléculas cada vez más complejas. Sin embargo, aunque algunos principios derivados de la mecánica cuántica permitieron predecir cualitativamente ciertas características químicas de moléculas biológicamente relevantes, hasta finales del siglo XX eran más una colección de reglas, observaciones y recetas que métodos cuantitativos rigurosos ab initio .

Este enfoque heurístico triunfó en 1953 cuando James Watson y Francis Crick dedujeron la estructura de doble hélice del ADN mediante la construcción de modelos condicionados e informados por el conocimiento de la química de sus componentes y los patrones de difracción de rayos X obtenidos por Rosalind Franklin . ^{[ 112 ]} Este descubrimiento dio lugar a una explosión de investigación en la bioquímica de la vida.

Ese mismo año, el experimento de Miller-Urey demostró que los componentes básicos de las proteínas , los aminoácidos simples , podían formarse a partir de moléculas más simples en una simulación de los procesos primordiales en la Tierra. Este primer intento de los químicos por estudiar procesos hipotéticos en el laboratorio bajo condiciones controladas impulsó una prolífica investigación, dentro de las ciencias naturales , sobre los orígenes de la vida .

En 1983, Kary Mullis ideó un método para la amplificación in vitro del ADN, conocido como reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que revolucionó los procesos químicos utilizados en el laboratorio para manipularlo. La PCR podía utilizarse para sintetizar fragmentos específicos de ADN e hizo posible la secuenciación del ADN de los organismos, lo que culminó en el Proyecto Genoma Humano .

Una pieza importante del rompecabezas de la doble hélice fue resuelta por uno de los estudiantes de Pauling, Matthew Meselson , y Frank Stahl . El resultado de su colaboración ( el experimento Meselson-Stahl ) ha sido denominado "el experimento más bello de la biología".

Utilizaron una técnica de centrifugación que separaba las moléculas según sus diferencias de peso. Dado que los átomos de nitrógeno son un componente del ADN, se marcaron y, por lo tanto, se pudo rastrear su replicación en las bacterias.

En 1970, John Pople desarrolló el programa Gaussian , facilitando enormemente los cálculos de química computacional . ^{[ 113 ]} En 1971, Yves Chauvin ofreció una explicación del mecanismo de reacción de las reacciones de metátesis de olefinas . ^{[ 114 ]} En 1975, Karl Barry Sharpless y su grupo descubrieron reacciones de oxidación estereoselectivas, incluyendo la epoxidación de Sharpless , ^{[ 115 ] [ 116 ]} la dihidroxilación asimétrica de Sharpless , ^{[ 117 ] [ 118 ] [ 119 ]} y la oxiaminación de Sharpless . ^{[ 120 ] [ 121 ] [ 122 ]} En 1985, Harold Kroto , Robert Curl y Richard Smalley descubrieron los fullerenos , una clase de grandes moléculas de carbono que se asemejan superficialmente a la cúpula geodésica diseñada por el arquitecto R. Buckminster Fuller . ^{[ 123 ]} En 1991, Sumio Iijima utilizó microscopía electrónica para descubrir un tipo de fullereno cilíndrico conocido como nanotubo de carbono , aunque ya se habían realizado trabajos en este campo desde 1951. Este material es un componente importante en el campo de la nanotecnología . ^{[ 124 ]} En 1994, KC Nicolaou con su grupo ^{[ 125 ] [ 126 ]} y Robert A. Holton y su grupo, lograron la primera síntesis total de Taxol . ^{[ 127 ] [ 128 ] [ 129 ]} En 1995, Eric Cornell y Carl Wieman produjeron el primer condensado de Bose-Einstein , una sustancia que muestra propiedades mecánicas cuánticas a escala macroscópica. ^{[ 130 ]}

La última parte del siglo XIX presenció un enorme aumento en la explotación del petróleo extraído de la tierra para la producción de una gran variedad de productos químicos, lo que sustituyó en gran medida el uso de aceite de ballena , alquitrán de hulla y otros derivados del petróleo . La producción y el refinado a gran escala del petróleo proporcionaron materias primas para combustibles líquidos como la gasolina y el diésel , disolventes , lubricantes , asfalto , ceras y para la producción de muchos de los materiales comunes del mundo moderno, como fibras sintéticas , plásticos, pinturas , detergentes , productos farmacéuticos , adhesivos y amoníaco como fertilizante y para otros usos. Muchos de estos productos requirieron nuevos catalizadores y la aplicación de la ingeniería química para su producción rentable.

A mediados del siglo XX, el control de la estructura electrónica de los materiales semiconductores se perfeccionó gracias a la creación de grandes lingotes de monocristales de silicio y germanio de extrema pureza . El control preciso de su composición química mediante el dopaje con otros elementos hizo posible la producción del transistor de estado sólido en 1951 y posibilitó la fabricación de pequeños circuitos integrados para su uso en dispositivos electrónicos, especialmente ordenadores .

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