Hoy empezamos a complementar el par de entradas acerca del Premio Nobel de Física de 1901, hablando del Premio Nobel de Química del mismo año, el primero de todos. Mientras a Wilhelm Röntgen se le concedía el galardón que mencionamos al iniciar la serie, el Nobel de Química se le otorgaba al holandés Jacobus Henricus van ‘t Hoff. Al contrario que en el caso de Röntgen, el premio de van ‘t Hoff no se debió a un único descubrimiento; se le concede, en palabras de la Academia,
En reconocimiento a los servicios extraordinarios que ha rendido al descubrir las leyes de la dinámica química [hoy en día utilizamos el término "cinética química"] y la presión osmótica en disoluciones.
La razón de este reconocimiento “global”, en vez de hacia un descubrimiento concreto, se debe a que la figura de van ‘t Hoff es de gran importancia por el impulso general que dio a una faceta de la Química que, hasta él, no había tenido demasiada relevancia: la química física. Piensa que estamos hablando, cuando el holandés finaliza sus estudios, del siglo XIX: la Física ya está bien desarrollada en muchos de sus aspectos (tanto que algunos pensaban, a finales del XIX, que no quedaba nada por descubrir en Física, ¡qué equivocados estaban!), pero la Química es bastante más joven. Desde luego, se trata ya de una ciencia relativamente madura, pero no tiene comparación con la Física — en particular, las conexiones entre los fenómenos químicos y los físicos no se conocen bien, a pesar de que unos son la consecuencia de los otros.
Dicho de otro modo: a pesar de que se conoce el hecho de que la materia está compuesta de átomos, y éstos forman moléculas, no existen relaciones teóricas sólidas entre el comportamiento de las sustancias químicas y sus reacciones y la física que rige cada uno de sus átomos de forma individual. En la segunda mitad del siglo XIX empiezan a realizarse avances en este aspecto, pero incluso cuando van ‘t Hoff inicia su trabajo en este campo es objeto de ridículo por parte de ciertos sectores de la comunidad científica.
En 1874 el químico publica La chimie dans l’éspace (La química en el espacio), en la que explica la isomería óptica de ciertos compuestos del carbono a partir de su disposición en el espacio tridimensional: según van ‘t Hoff, el comportamiento de estos compuestos se justifica perfectamente si se supone que los átomos de carbono forman enlaces con otros átomos en las direcciones de los vértices de un tetraedro. A pesar de que no fue el primero en explicar una isomería a partir de la disposición de los átomos de una sustancia (ya mencionamos hace bastante en El Tamiz al primero en hacerlo, Louis Pasteur), su trabajo fue revolucionario por su solidez — van ‘t Hoff ya se estaba perfilando como uno de los padres de la química física.
Jacobus Henricus van ‘t Hoff (1852-1911).
De hecho, tan revolucionario fue su trabajo que le cayeron bastantes palos. Aunque parezca mentira, algunos químicos “heavy metal” de la época consideraban mezclar la Química con la Física como un pasteleo sin ningún rigor, algo que un químico “de verdad” nunca haría. Como ejemplo, una crítica a su La chimie dans l’éspace de un químico de renombre en la época, Adolf Kolbe, que debía de ser un tipo de cuidado:
Un tal Dr. H. van ‘t Hoff, de la Escuela Veterinaria de Utrecht, no tiene, aparentemente, ningún interés por la investigación química rigurosa. Le ha parecido más cómodo montarse en Pegaso (tomado prestado, al parecer, de la Escuela Veterinaria) y proclamar en su “La chimie dans l’espace” cómo le parece que los átomos se disponen en el espacio cuando está subido al Monte Parnaso, que ha alcanzado mediante un atrevido vuelo.
Me pregunto qué pensaría Kolbe unos años después, cuando los galardones y los elogios caían a van ‘t Hoff a diestro y siniestro. Se ve aquí en el caso de la Química algo que sucedería también en la Física alrededor del mismo momento (en algunos casos algo después, pero ya llegaremos a ello): una “vieja guardia” que se aferra a sus concepciones y paradigmas y no deja que la siguiente generación avance. Sin embargo, el paradigma cambió y –afortunadamente– la Química avanzó a pesar de Kolbe y personas similares.
El segundo de sus avances fundamentales llega diez años después, y sería una de las dos razones de que recibiera el Premio Nobel: en 1884 publica Études de Dynamique chimique (Estudios de dinámica química), donde define y postula muchos de los conceptos y principios que hoy seguimos utilizando en cinética química (que, como ves, por entonces se conocía como dinámica química). Por cierto, recordarás que Röntgen publicaba en alemán, como casi todos sus compatriotas, pero los científicos de países con idiomas menos extendidos elegían el “idioma de la ciencia”… que entonces era todavía el francés. Cómo han cambiado las cosas, ¿verdad?
Sería difícil resumir todo el conocimiento contenido en Études de Dynamique chimique, pero para que te hagas una idea, en él aparecen entre otras cosas:
Lo que hoy conocemos como ecuación de van ‘t Hoff. En ella, el químico holandés describe el cambio en el equilibrio de una reacción cuando se modifica la temperatura. Sé que puede sonar algo simple, pero Jacobus Henricus logra nada menos que combinar las ecuaciones de la Termodinámica con las del equilibrio químico para llegar a su ecuación — una vez más, un lazo entre las dos ciencias hermanas que daría una potencia enorme al cálculo químico, y que convierte a van ‘t Hoff en uno de los padres de la termoquímica.
El método gráfico de cálculo del orden de reacción, uno de los factores fundamentales en el cálculo de la velocidad de reacción y el equilibrio químico.
La concepción moderna de afinidad química , la tendencia de cada átomo a formar unos compuestos u otros a partir de su estructura electrónica.
Además, van ‘t Hoff sistematiza y cohesiona los primeros pasos de la cinética química dados antes de él, haciendo de esta disciplina algo mucho más consistente. Sólo dos años después utilizaría gran parte de los conocimientos descritos en “Études…” para aplicarlos a lo que sería su mayor contribución a la Química; en palabras de los miembros de la Academia, como veremos luego, “el mayor descubrimiento en Química desde Dalton” — la explicación del fenómeno de la presión osmótica .
Como en el caso de la isomería o el hecho de que el equilibrio químico y la velocidad de las reacciones químicas se modificaban al cambiar las condiciones de su entorno, la existencia de la presión osmótica era algo bien conocido desde principios del siglo XIX. Una vez más, van ‘t Hoff no descubre nuevos fenómenos: explica, con una agudeza y un rigor extraordinarios, fenómenos que todos conocían pero no sabían explicar. Y una vez más lo logra combinando sus conocimientos de Física con los de Química. Las fuerzas eléctricas y la geometría en el espacio habían explicado la isomería, y para explicar la presión osmótica van ‘t Hoff recurriría… a los gases.
Aunque hablaremos más en detalle sobre ella en la segunda parte de esta entrada, la presión osmótica consiste básicamente en lo siguiente: imagina que tienes dos disoluciones de azúcar en agua, y una de ellas está más concentrada (tiene más azúcar) que la otra. Si ambas disoluciones se ponen en contacto a través de una membrana semipermeable –que deje pasar el agua, pero no el azúcar–, se producen dos fenómenos curiosos: por un lado, aparece una presión que puede llegar a ser muy grande sobre la membrana. Por otro, el agua empieza a atravesar la membrana desde la concentración más diluida hacia la más concentrada hasta que se igualan las dos concentraciones.
Dos disoluciones de azúcar (los puntos rojos) en contacto a través de una membrana semipermeable. Imagen de dominio público.
¿Por qué sucedía esto? Es posible, desde luego, decir simplemente que “la Naturaleza busca el equilibrio” y por eso el agua iguala las concentraciones (y estoy seguro de que muchos entonces recurrirían a esa respuesta), pero esa actitud es justo la contraria a la de van ‘t Hoff. ¿Por qué aparecía esa presión osmótica? ¿Por qué era tanto mayor cuanto mayor era la diferencia de concentración? ¿Por qué cambiaba si el soluto era sal o azúcar? La respuesta, aunque suene raro, era la ecuación de los gases perfectos.
Lo que piensa van ‘t Hoff es lo siguiente: las ecuaciones que describen el comportamiento de los gases suponen que éstos están formados por moléculas muy pequeñas comparadas con el espacio que las separa, y que la presión que ejerce un gas se debe al choque de sus moléculas contra las paredes que lo contienen. ¿No es esto parecido al caso de una disolución muy diluida? Imaginemos azúcar muy disuelto en agua: al contrario que en el caso de los gases, la mayor parte del espacio no está vacío, sino ocupado por moléculas de agua, pero podemos equiparar éstas al espacio vacío, y ¿qué tenemos entonces? Un conjunto de moléculas de azúcar moviéndose aleatoriamente en un espacio que las separa que es mucho mayor que su propio tamaño: podrían entonces aplicarse las leyes de los gases perfectos a las concentraciones diluidas. Si eres químico no te enfades ante lo que voy a decir, por favor: es algo así como suponer que un gas perfecto es una disolución muy diluida de moléculas de ese gas en el vacío.
Volvamos a nuestro ejemplo del agua y el azúcar: a un lado de la membrana hay agua, y al otro hay agua y azúcar. ¿No supone un gran atrevimiento equiparar las moléculas de agua con el vacío y simplemente considerarlas como la separación entre las moléculas de azúcar? ¡No, porque están a los dos lados y, además, pueden atravesar la membrana! Al final, lo que importa es que a uno de los dos lados hay más moléculas de azúcar que al otro, con lo que los choques de estas moléculas crean una presión diferente a un lado y a otro.
En el caso del gas, si existe una presión diferente a ambos lados de una membrana que sus moléculas no pueden atravesar, la presión puede igualarse si la membrana puede moverse: si es así, lo hará hacia el lado de menor presión de modo que el número de moléculas del gas por unidad de volumen a ambos lados tienda a igualarse. En el caso de la membrana de arriba sucede algo parecido: la presión de las moléculas de soluto (en vez de las de gas) empuja la membrana hacia el lado de menor concentración, con lo que las moléculas de agua la atraviesan (pues es permeable a ellas) y pasan al lado de mayor concentración, igualando ambas. No es “la búsqueda del equilibrio de la Naturaleza”, ¡son los impactos de las moléculas de soluto las que “hinchan” la membrana hacia el lado de menor concentración, trayéndose hacia sí parte del agua que había fuera!
Vuelve a mirar el dibujo de arriba del agua y el azúcar, y olvida por un momento que el azul claro es agua: imagina que es vacío, y que los puntos rojos son moléculas de oxígeno en una cámara herméticamente cerrada con una pared movible. ¿Ves cómo la pared se desplazaría hacia la izquierda, disminuyendo la concentración de moléculas de oxígeno a la derecha y aumentándola a la izquierda? Si lo entiendes, has comprendido la teoría de van ‘t Hoff.
Van ‘t Hoff aplicó su teoría a la presión osmótica de diversas disoluciones, y la clavó en todas: la ecuación de la presión osmótica sobre la pared semipermeable era exactamente la misma que la de los gases perfectos. Conocida la concentración de la disolución y la temperatura era posible calcularla con una precisión enorme. No me digas que el ingenio y –por qué no decirlo– la imaginación y el atrevimiento de van ‘t Hoff no son impresionantes.
No sólo eso: cuando se utilizaban algunos solutos, como la sal común (NaCl), los resultados no coincidían utilizando la concentración real, pero sí cuando se ponía en su lugar el doble (u otras proporciones, dependiendo de la sustancia)… pero van ‘t Hoff tenía una explicación también para eso, una vez más de gran elegancia. La cuestión es que la equivalencia en este caso no es “una molécula de sal es una molécula de gas”… porque cuando la sal se disuelve en agua se disocia casi completamente en Na y Cl. Hay el doble de “moléculas de gas” rebotando contra la membrana, con lo que la presión es también el doble. La comunidad científica cayó rendida a los pies del holandés y, como consecuencia, recibió el primer Premio Nobel de Química en 1901.
Como hice en la entrega anterior, me parece muy interesante leer el discurso de presentación del momento tal y como fue, de modo que aquí lo tienes. Son las palabras del Presidente de la Real Academia Sueca de las Ciencias, pronunciadas el 10 de Diciembre de 1901:
Sus Altezas Reales, damas y caballeros.
La Academia ha concedido el Premio Nobel de Química a Jacobus Henricus van ‘t Hoff, Catedrático en la Universidad de Berlín, por su trabajo pionero en la dinámica química y la presión osmótica de las disoluciones.
Como resultado de sus investigaciones en los campos de teoría molécular y atómica, van ‘t Hoff ha realizado los descubrimientos más importantes en química teórica desde tiempos de Dalton.
En lo que concierne a la teoría atómica, van ‘t Hoff, siguiendo la idea propuesta por Pasteur, postuló la hipótesis de que los átomos elementales tienen puntos de anclaje orientados geométricamente en el espacio — una hipótesis que, en lo que respecta a los compuestos del carbono, llevó a la teoría de la asimetría de los átomos del carbono, y a la creación de la estereoquímica.
Aún más revolucionarios fueron los descubrimientos de van ‘t Hoff en el campo de la teoría molecular. Las investigaciones de van ‘t Hoff mostraron que la ley que recibe su nombre del italiano Avogadro, de acuerdo con la cual el número de moléculas de gas en un volumen determinado es el mismo a la misma presión y temperatura, no sólo es aplicable a sustancias en fase gaseosa, sino también a aquellas en disolución si su presión, denominada presión osmótica, se tiene en cuenta del mismo modo que la presión gaseosa en el caso de los gases. Demostró que la presión de un gas y la presión osmótica son idénticas, y por lo tanto que las moléculas mismas en la fase gaseosa y en disolución son también idénticas. Como resultado de esto, el concepto de molécula en química ha demostrado ser definido y válido universalmente hasta un grado que antes era inimaginable. También descubrió cómo expresar el estado de equilibrio químico en las reacciones y la fuerza electromotriz que puede producir una reacción; explicó cómo ocurre la transición entre los distintos estados de los elementos, entre hidratos con diferente contenido en agua, cómo se forman las sales dobles, etc.
Aplicando estos simples principios, que fueron tomados prestados originalmente de la mecánica y la termodinámica, van ‘t Hoff se ha convertido en uno de los fundadores de la dinámica química. Sus investigaciones han sido un factor fundamental en la realización de avances magníficos en la química física, un campo en el que sus descubrimientos igualan las grandes contribuciones que otros investigadores, incluidos los de nuestro país, han realizado en el campo de la electroquímica y en la teoría de las reacciones químicas. Esto ha abierto grandes perspectivas de investigación científica. Por otro lado, las investigaciones sobre el estado de las sustancias en disolución han tenido y continuarán teniendo las máximas consecuencias prácticas — consecuencias cuyos beneficios para la humanidad pueden comprenderse mejor si recordamos que las reacciones químicas se producen fundamentalmente en disolución, y que las funciones vitales de los organismos vivos se mantienen por procesos metabólicos que tienen lugar en disolución.
El discurso de van’t Hoff es también muy interesante por cómo describe más en detalle de lo que lo he hecho yo el curso de la investigación (suya y de otros) acerca de la presión osmótica. Puedes leer el PDF del discurso –en inglés– aquí. Si tienes tiempo, merece la pena.
Aunque los Premios Nobel eran todavía algo reciente, como sucedió con Röntgen, los galardones y honores varios le llovieron a van ‘t Hoff por todos los lados, aunque ya era, desde luego, un científico muy reputado. Sin embargo, lo que más me llama la atención de este premio (además de la reacción inicial de algunos a las ideas del holandés) es el hecho de que se diera, no a un descubrimiento único y revolucionario, sino más bien a la tarea de fundación de una rama de la Ciencia.
En unos días hablaremos más acerca de esa misteriosa presión osmótica y su importancia para los seres vivos. Ah, y ya estamos preparando el que esperemos se convierta algún día en tradicional regalo de Reyes para los lectores de El Tamiz (el año pasado fue el PDF sobre las mentiras relacionadas con los microondas). Como entonces, no va a ser nada revolucionario, pero sí un detalle para que sepáis que nos acordamos de vosotros en las fiestas (por cierto, ¡felices fiestas a todos!).
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