Breve historia de la química (13 page)

Muchos compuestos orgánicos están formados únicamente por carbono, hidrógeno y oxígeno. Una vez medidos el carbono y el hidrógeno y dando por supuesta la presencia de oxígeno para explicar cualquier residuo, podía determinarse a menudo la fórmula empírica. Hacia 1811 Gay-Lussac había obtenido, por ejemplo, las fórmulas empíricas de algunos azúcares simples.

Este procedimiento fue posteriormente mejorado por un químico alemán, Justus von Liebig (1803-73), quien, en 1831, obtuvo como resultado fórmulas empíricas claramente fiables
^[13]
. Poco después, en 1833, el químico francés Jean Baptiste André Dumas (1800-84) ideó una modificación del método que permitía al químico recoger también el nitrógeno entre los productos de combustión. De esta manera podían detectarse las proporciones de nitrógeno en una sustancia orgánica.

Estos pioneros del
análisis orgánico
obtuvieron en el curso de sus investigaciones resultados que acabaron con la creencia en la importancia de la fórmula empírica. Ocurrió de esta manera:

En 1824, Liebig estudió un grupo de compuestos, los
fulminatos
, mientras Wóhler (que después sería íntimo amigo de Liebig y que pronto sintetizaría la urea, ver pág. 102) estaba estudiando otro grupo de compuestos, los
cianatos.
Ambos enviaron informes de su trabajo a una revista editada por Gay-Lussac.

Gay-Lussac notó que las fórmulas empíricas dadas para estos compuestos eran idénticas y que, sin embargo, las propiedades descritas eran muy diferentes. Por ejemplo, el cianato de plata y el fulminato de plata constan ambos de moléculas que contienen un átomo de plata, carbono, nitrógeno y oxígeno.

Gay-Lussac comunicó esta observación a Berzelius, a la sazón el químico más famoso del mundo; pero Berzelius descubrió que dos compuestos orgánicos, el
ácido racémico
y el
ácido tartárico
, si bien poseían propiedades diferentes, parecían tener la misma fórmula empírica (que ahora se sabe es G
₄
H
₆
O
₆
).

Como los elementos estaban presentes en estos diferentes compuestos en las mismas proporciones, Berzelius sugirió que tales compuestos se llamasen
isómeros
(de la palabra griega que significa «iguales proporciones»), y la sugerencia fue adoptada. En las décadas siguientes se descubrieron otros casos de isomería.

Parecía claro que si dos moléculas estaban hechas del mismo número de cada tipo de átomos, y si poseían propiedades distintas, la diferencia debería residir en el modo como los átomos estaban enlazados dentro de la molécula. En el caso de las moléculas sencillas de los compuestos inorgánicos mejor conocidos, podía ocurrir que sólo fuera posible un ordenamiento de los átomos en la molécula. Por esa razón, no podían darse isómeros, y la fórmula empírica sería suficiente. Así, H
₂
O sería agua y nada más que agua.

Sin embargo, en las moléculas orgánicas más complicadas, había lugar para diferentes ordenamientos y, por tanto, para isómeros. En el caso de los cianatos y fulminatos, los diferentes ordenamientos son fáciles de descubrir, pues cada molécula no contiene más que unos pocos átomos. El cianato de plata puede escribirse AgOCN, mientras que el fulminato es AgNCO.

Aquí solamente intervienen cuatro átomos. Cuando la cantidad es mayor, el número de ordenamientos posibles se hace tan grande que es realmente difícil decidir cuál de ellos corresponde a cada compuesto. Incluso el caso del ácido racémico y el ácido tartárico, con dieciséis átomos en sus moléculas, eran demasiado difícil de manejar en la primera mitad del siglo xix. La situación se volvería simplemente imposible (así debió parecer entonces) al considerar moléculas aún mayores.

El problema de la estructura molecular tendría que haber sido abandonado sin esperanza, tan pronto como se detectó la verdadera naturaleza del problema, de no haber surgido una posibilidad de simplificación.

A partir de 1810 Gay-Lussac y Thénard trabajaron con cianuro de hidrógeno (CNH), demostrando que era un ácido, aunque no contenía oxígeno (esto, junto con el descubrimiento casi simultáneo de Davy sobre el mismo hecho referido al ácido clorhídrico [véase página 97], refutaba la creencia de Lavoisier de que el oxígeno era el elemento característico de los ácidos), Gay-Lussac y Thénard hallaron que la combinación CN (el grupo cianuro) podía desplazarse de un compuesto a otro sin que se separasen los átomos de carbono y nitrógeno. En efecto, la combinación CN actuaba del mismo modo que un átomo aislado de cloro, bromo, etc., hasta el punto de que el cianuro sódico (CNNa) tenía algunas propiedades en común con el cloruro sódico (CINa) y el bromuro sódico (BrNa)
^[14]
.

Tal grupo de dos (o más) átomos que permanecían combinados al pasar de una molécula a otra se denominó un
radical
, vocablo que proviene de la palabra latina que significa «raíz». La razón de este nombre estaba en la creencia de que las moléculas podían construirse a partir de un número limitado de combinaciones de átomos pequeños. Los radicales serían entonces las «raíces» a partir de las cuales la molécula crecería, por así decirlo.

Desde luego, el grupo CN era muy sencillo, pero Wóhler y Liebig, trabajando juntos, describieron un caso mucho más complejo. Descubrieron que el grupo benzoílo podía traspasarse de una molécula a otra sin ser destruido. La fórmula empírica del grupo benzoílo se sabe actualmente que es C
₇
H
₅
O.

En resumen, comenzó a verse que para resolver el misterio estructural de las grandes moléculas había que resolver primero las estructuras de determinado número de radicales diferentes. Las moléculas podrían después construirse sin mucha dificultad (así se esperaba) a partir de los radicales. ¡Las cosas prosperaban!

La teoría de los tipos

Berzelius hizo suya la idea de que los radicales podían ser las unidades a partir de las cuales se construyesen las moléculas orgánicas. Creía que las moléculas orgánicas estaban formadas de radicales, igual que las moléculas inorgánicas estaban formadas de átomos individuales, y llegó a pensar que los radicales eran casi tan indivisibles e inmutables como los propios átomos.

Berzelius mantuvo que la fuerza que une a los átomos en una molécula inorgánica o en un radical orgánico era de naturaleza eléctrica (lo que finalmente acabaría siendo cierto). Cada molécula, pues, debía contener una parte positiva y una parte negativa, ya que sólo existía atracción entre los elementos de cargas opuestas.

Para las sustancias inorgánicas simples como el cloruro sódico, este concepto de positivo y negativo demostró finalmente concordar con los hechos (véase pág. 212). Para que esto se cumpliese en las sustancias orgánicas, Berzelius tuvo que insistir en que los radicales consistían en carbono e hidrógeno solamente, siendo el carbono negativo y el hidrógeno positivo. Por tanto, mantuvo que el radical benzoílo

(C
₇
H
₅
O) no contenía ni podía contener oxígeno, lo que se contradecía con los estudios realizados sobre este radical. Berzelius estaba seguro también de que era imposible sustituir un elemento negativo por otro positivo sin cambiar drásticamente las propiedades del compuesto.

Rápidamente se demostró que estaba equivocado en esta última afirmación. Dumas (véase pág. 108) era un entusiasta defensor de Berzelius, pero uno de los alumnos de Dumas, Auguste Laurent (1807-53), consiguió sustituir por átomos de cloro algunos de los átomos de hidrógeno existentes en la molécula de alcohol etílico. Este experimento asestó el golpe mortal a la teoría de Berzelius, ya que el cloro se consideraba negativo y el hidrógeno positivo, y sin embargo se podía sustituir el uno por el otro sin que cambiasen de forma drástica las propiedades del compuesto.

Además, en este compuesto clorado el carbono debía estar unido directamente al cloro y, si ambos eran átomos negativos, ¿cómo era ello posible? Las cargas eléctricas negativas se repelían entre sí. Siguiendo el mismo razonamiento, ¿cómo podían unirse dos átomos de cloro para formar una molécula de cloro? Estas cuestiones no se clarificaron hasta un siglo más tarde, como veremos en las págs. 228-29).

Berzelius, testarudo y extremadamente conservador en sus últimos años, rehusó cambiar sus ideas. Al enterarse del informe de Laurent, atacó fieramente los nuevos hallazgos. El mismo Dumas, en 1839, había sustituido cloro en el lugar ocupado por tres átomos de hidrógeno en el ácido acético. No obstante, ante la oposición de Berzelius, Dumas se retractó cobardemente y no reconoció el trabajo de Laurent.

Pero Laurent se mantuvo firme y continuó acumulando pruebas en el sentido de que los radicales no eran tan indestructibles, tan estables, como Berzelius creía, y de que no se debía sobreestimar la cuestión de lo positivo y lo negativo. La ira de Berzelius alejó a Laurent de los laboratorios más famosos, y, mientras Berzelius vivió, su versión de la teoría de los radicales siguió existiendo por la sola fuerza de su personalidad. A la muerte de Berzelius en 1848, su teoría murió y la de Laurent ganó popularidad.

Laurent dejó por completo de insistir en las fuerzas eléctricas. Creía que una molécula orgánica tenía un núcleo (que podía ser un solo átomo) al que se enlazaban los diferentes radicales. Las moléculas orgánicas podían agruparse así en familias o
tipos
(de ahí el nombre de
teoría de los tipos).
Todos los miembros de un tipo tendrían un núcleo idéntico al cual podía unirse cualquiera de una serie de radicales semejantes; y dentro de los radicales existían muchas posibilidades de variación.

Un determinado tipo molecular podía incluso extenderse al reino de lo inorgánico.

Por ejemplo, la molécula de agua (H
₂
O) podía considerarse formada por un átomo central de oxígeno (el núcleo) al que estaban unidos dos átomos de hidrógeno. Si se sustituye un átomo de hidrógeno por los distintos radicales de una serie, se formará un tipo de compuesto que incluirá entre sus miembros al agua, así como a diversas moléculas orgánicas.

Si un átomo de hidrógeno se sustituye por un grupo metilo (CH
₃
) o un grupo etilo (C
₂
H
₅
), se tendría CH
₃
OH (alcohol metílico) y C
₂
H
₅
OH (alcohol etílico), respectivamente. Muchos otros alcoholes podrían construirse del mismo modo. Y en realidad los alcoholes no sólo tienen muchas semejanzas entre sí, sino que, como clase, manifiestan también ciertas semejanzas con el agua. Los alcoholes más simples, como el alcohol metílico y el etílico, se mezclan con el agua en cualquier proporción. El metal sodio reacciona con los alcoholes del mismo modo que con el agua, aunque más lentamente, etc.

Entre los años 1850 y 1852, el químico inglés Alexander William Williamson (1824-1904) demostró que la familia de compuestos orgánicos llamada éteres podía también formarse según el «tipo agua». En este caso los dos hidrógenos del agua eran sustituidos por radicales orgánicos. El éter común, que comenzaba entonces a utilizarse como anestésico, tiene ambos hidrógenos reemplazados por grupos etilo, de manera que su fórmula es C
₂
H
₅
OC
₂
H
₅
.

Antes de esto, en 1848, el químico francés Charles Adolphfe Wurtz (1817-84) había estudiado un grupo de compuestos relacionados con el amoniaco y que recibieron el nombre de
aminas.
Demostró que pertenecían a un tipo con un núcleo de nitrógeno. En el amoniaco, un átomo de nitrógeno estaba unido a tres átomos de hidrógeno. En las aminas, uno o más de estos hidrógenos estaban reemplazados por radicales orgánicos.

La teoría de los tipos ganó popularidad debido a que podía usarse para organizar el número cada vez mayor de compuestos orgánicos que se estaban estudiando. El químico ruso-germano Friedrich Konrad Beilstein (1838-1906) publicó en 1880 un vasto compendio de compuestos orgánicos y utilizó la teoría de los tipos de Laurent para organizar dichos compuestos dentro de un orden racional.

No obstante, la teoría, tal como surgió del trabajo de Laurent, era incompleta. Todavía utilizaba los radicales como unidades y, más que resolver la cuestión de la estructura molecular, la evadía. Para resolverla correctamente había que enfrentarse a la pregunta: ¿cuál es la disposición atómica real dentro de los mismos radicales?

Valencia

La teoría de los tipos impresionó a algunos químicos por el hecho de que el átomo de oxígeno se combinaba siempre con otros dos átomos o radicales. Podía combinarse con dos átomos de hidrógeno para formar agua, con un átomo de hidrógeno y un radical orgánico para formar un éter. Pero en cualquier caso el átomo de oxígeno se unía a dos entidades.

De manera similar, el átomo de nitrógeno siempre se combinaba con tres átomos o radicales. Kolbe (véase página 103) y otros químicos empezaron a escribir fórmulas para los compuestos orgánicos en las que se daba por supuesta tal constancia en el número de enlaces del oxígeno o del nitrógeno.

El hecho fue generalizado por el químico inglés Edward Frankland (1825-99), el primero en interesarse por los
compuestos organo-metálicos
, en los cuales agrupaciones orgánicas se enlazan a átomos de metales como el cinc
^[15]
. Aquí estaba muy claro que cada átomo metálico podía enlazarse sólo a determinado número de grupos orgánicos y que este número variaba para los diferentes metales. Los átomos de cinc, por ejemplo, se combinaban exactamente con dos agrupaciones orgánicas.

En 1852 Frankland propuso lo que después llegaría a conocerse como teoría de la
valencia
(de la palabra latina que significa «poder»): cada átomo tiene un poder de combinación fijo. Por ejemplo, en condiciones normales, un átomo de hidrógeno solamente se combinará con otro átomo. Esto es también cierto para el sodio, cloro, plata, bromo y potasio. Todos ellos tienen una valencia de 1.

Los átomos de oxígeno pueden combinarse con dos átomos diferentes, igual que los de calcio, azufre, magnesio y bario. Todos estos elementos tienen una valencia de 2. El nitrógeno, fósforo, aluminio y oro tienen una valencia de 3. El hierro puede tener una valencia de 2 ó de 3, y así sucesivamente. A la larga, la cuestión de la valencia reveló que no era ni mucho menos tan simple como parecía en un principio, pero incluso esta versión simplificada de la teoría encerraba ya un valor inestimable.