REDACCIÓ

El sistema espanyol de ciència i tecnologia és un dels principals afectats per la política de retallades del govern. Diverses societats científiques i molts investigadors i investigadores han signat la Carta oberta per la ciència que promou la Confederació Espanyola de Societats Científiques (COSCE) juntament amb la Conferència de Rectors i altes entitats.

Podeu llegir més aquí

Podeu signat el document aquí

REDACCIÓ

Les nostres companyes Pepa Alabort i María Alcaraz dels departaments didàctics de Geografia i Història i de Filosofia participen en el I Congrés Geografies Literàries que organitza el Grup d’Innovació Docent de la Facultat de Magisteri (Universitat de València).

El congrés integra ponències, una taula rodona, una ruta literària i quaranta comunicacions al voltant dels temes següents:

1. El marc general de la didàctica de les eixides fora de l’aula, els itineraris didàctics, el treball de camp i les rutes literàries.
2. L’anàlisi d’experiències didàctiques relacionades amb el treball fora de l’aula, les eixides escolars i els viatges culturals.
3. Propostes i experiències didàctiques basades en obres literàries, llocs literaris i espais geogràfics que guien itineraris didàctics i rutes literàries.

La comunicació que presenten les nostres companyes porta per títol L’intercanvi com a experiència i exercici de descobriment i tracta sobre els intercanvis escolars que es realitzen al nostre centre. La seua lectura serà demà dimecres 25 d’abril a les 11.30 hores a l’aula EP.02 de la Facultat de Magisteri (Avinguda Tarongers 4, 46022 València).

Podeu descarregar el programa del congrés aquí

Pep Vañó Piedra
Departament de Física i Química

 

La química en acció (I)

Sobre la reversibilitat de les reaccions químiques: l’equilibri químic

21 de marc de 2011

 

Donem les gràcies a En Francisco Javier Gómez, Vicerector Adjunt d’ajuda a l’estudi, per la seua bona acollida i per l’excel·lent preparació, explicació teòrica i desenvolupament de les practiques realitzades al laboratori. En nom del Departament de Física i Química de l’IES Andreu Sempere, moltíssimes gràcies.

El proppassat dimecres 21 de marc de 2012, un grup de 23 alumnes de l’IES Andreu Sempere de 1r de batxillerat B i 2n de batxillerat B, acompanyats pels professors:  Alejandra Gallen i Pep Vañó, ens traslladarem a la U.M.H. per tal de passar el matí fent practiques de Termoquímica i Equilibris Químics.

Aquesta primera part de les practiques tractava sobre del principi d’acció i reacció en química. Com influenciar una mescla en equilibri: el principi de Le Chatelier.

El guió de la pràctica defineix l’equilibri químic com la situació que s’assoleix quan les concentracions de reactius i productes d’una determinada reacció química romanen constants amb el temps. Macroscòpicament res canvia…A menys que fem quelcom, que interfereix en l’equilibri.

Molts professors de química consideren que  l’equilibri químic, és un dels temes més complicats d’ensenyar, mentre que els alumnes solen classificar aquest tema com un dels més difícils d’aprendre.

Diferents revisions bibliogràfiques han classificat cadascun dels aspectes més problemàtics de l’ensenyament-aprenentatge d’aquest tema. Dins d’aquesta classificació, les dificultats corresponen a l’enteniment, correcta aplicació i rang d’utilització del principi de Le Chatelier ocupen un lloc destacat.

En allò que respecta a les proves de selectivitat de química, són molt habituals les qüestions en les quals es sol·licita l’evolució d’una mescla en equilibri per variació d’alguna de les condicions que el defineixen. Això ha propiciat, entre altres factors que l’anomenat principi de Le Chatelier tinga una importància considerable en el currículum de Química de 2n de batxillerat. Donat que les proves de selectivitat influeixen en el futur acadèmic de molts estudiants, la seua naturalesa, així com els criteris que determinen la seua correcta resolució, adquireixen un paper rellevant. En conseqüència, convé estudiar la possible existència de problemes de selectivitat de química  en els quals els estudiants mostren dificultats en la seua resolució analitzant en aquest cas el seu possible origen.

El desenvolupament de la ciència és un procés extraordinàriament complex. Així, per exemple, es sobradament conegut el paper que jugaren els models mecànics de l’èter en la síntesi electromagnètica de Maxwell o la importància de les investigacions sobre l’espectre continu dels sòlids incandescent de Raleigh i Jeans.

Semblaria que la ciència avança linealment i és obra dels grans genis, del seu talent innat( ajudat per la inspiració i l’atzar), oblidant el seu caràcter col·lectiu, fruit del treball de molts homes i dones. Aquesta visió és la que pretenem des del  Departament de Física i Química de l’IES Andreu Sempere. L’evolució històrica i dificultat conceptual a prop de l’equilibri químic i el principi de Le Chatelier n’és un exemple paradigmàtic.

 En aquest primer lliurament estudiem els antecedents del concepte d’equilibri químic des de Newton fins a Berzelius. Posteriorment, en un segon lliurament estudiarem l’evolució del concepte des de Guldberg i Waage fins a Le Chatelier. En un tercer lliurament estudiarem el concepte modern d’equilibri químic i l’explicació detallada .

Objectius

  • Reconèixer la importància històrica de la idea de la afinitat per designar la capacitat de reacció d’unes substàncies amb les altres.
  • Ressaltar l’interès de la llei d’acció de masses com origen de la formalització actual de l’equilibri químic.
  • Descriure la formulació de la constant d’equilibri a partir dels criteris termodinàmics generals d’evolució i equilibri dels sistemes naturals.
  • Discutir els criteris qualitatius i quantitatius que permeteren predir el desplaçament de l’equilibri químic en variar paràmetres externs tals com la temperatura i pressió.
  • Establir les motivacions, d’origen químic, què donaren lloc a la investigació dels fenòmens tèrmics en les proximitats del zero absolut, induint-se així la formulació del Tercer Principi de la Termodinàmica.

 

L’AFINITAT, UN TRENCACLOSQUES PER ALS QUÍMICS

 

Newton alquimista

Com alquimista i filòsof, Isaac Newton estudià durant anys diversos mites, relats, texts I investigacions sobre l’anomenada pedra filosofal. Com home de ciència, tal vegada cride l’atenció que Newton es dedicara a aquests tipus d’estudi, però, la gran majoria de texts relacionats amb l’alquímia envers l’any 1600, són veritablement el pas previ a la naixença de la química moderna.

Newton elaborà, aleshores, una espècie de recepta o text en el qual explicava com crear la pedra filosofal, una pedra amb propietats de transmutació realment fantàstiques. Allò ben cert és que Newton finalment la creà, però no obtingué resultats. A l’any 2005, amb les seues notes de laboratori, amb més de 300 anys d’antiguitat, recrearen la pedra, però cap tipus de transmutació o propietat especial esdevingué.

Newton s’interessà durant tota la seua vida per la química. Publicà un únic article de química, però encontrem importants i influents idees químiques en els Principia Matematica (1687) i a l’Òptica (1704). Sembla  que Newton s’interessà tant per l’alquímia exotèrica com l’esotèrica, és a dir, que els seus interessos anaven més enllà de la informació empírica i experimental fins arribar als “misteris” i secrets que les obres alquímiques difonien en forma de metàfores i al·legories.

Newton estigué influenciat, fonamentalment per van Helmony i Boyle. En els Principia Newton suggereix que tota la matèria es troba a l’aigua:

“Els vapors que s’enlairen del Sol, les estrelles fixes i les cues del cometes, es troben a la fi i cauen a les atmosferes dels planetes per efecte de la gravetat, i allí es condensen i es converteixen en aigua i en esperits humits; i d’ahí, per acció del calor moderat, passen gradualment a prendre la forma de sals, i sofres, i fang, i argila, i pedres i corall i altres substàncies terrestres”.

No obstant , Newton s’adscriví incondicionalment a la filosofia corpuscular de Boyle, a la qual afegí els mecanismes d’atracció i repulsió per explicar no tan sols els fenòmens gravitacionals de la matèria planetària, sinó també les simpaties ( afinitats) i antipaties( repulsions)I químiques que les substàncies individuals exerceixen entre sí. Aquestes facultats inherents a la matèria reemplaçaren les influències astrals de Paracels i el blas de van Helmont com causes del moviment i del canvi.

Newton suggeria que entre les partícules dels cossos existien forces d’enorme intensitat que, tanmateix, tan sols assolien curts abasts i la potència de les quals variava d’una espècie química a l’altra. Aquesta hipòtesi de les forces de curt abast li portà a especular a prop d’allò que els químics del segle XVIII anomenares en “ afinitats electives”, i la raó per la qual els metalls es reemplacen mútuament en les dissolucions aportant el propi Newton l’orde de substitució de sis metalls dissolts en àcid nítric.

La química aspirava a convertir-se en una ciència respectable. La tradició científica del moment era la newtoniana i alguns químics del segle XVIII tenien posades les esperances en el fet que els seus successors farien de la química un reflex de la física newtoniana. Imaginaven que aquest procés no seria el fruit d’una especulació teòrica sinó la conseqüència de l’observació dels fets, la recerca de regularitats en aquests fets i la inducció de lleis matemàtiques.

L’afinitat es convertí en un dels problemes més candents de la química. L’afinitat entre les substàncies, la raó per la qual es formaven certs compostos i no uns altres i per què alguns es desfeien per refer-se de manera diferent preocupava els investigadors en els darrers temps de l’alquímia i els primers de la química moderna.

 

Étienne-François de Geoffroy ( 1672-1731)

El químic i metge francès Étienne-François Geoffroy va ser el precursor de les taules d’afinitats. Els químics francesos van adoptar la taula de Geoffroy com un estàndard.

Al segle XVIII els químics anomenarien aquesta força «afinitat electiva». El primer intent de composar una taula d’afinitat la portà a terme, el 1718, el francès Étienne-François de Geoffroy, usualment nomenat Geoffroy el Major, per distingir-lo del seu germà, que també era químic.

 Geoffry construí una taula amb setze columnes, cadascuna encapçalada per un símbol alquímic d’una substància química, i escriví en ella les altres substàncies que, segons l’experiència demostrava, eren capaces de reaccionar amb la que encapçalava la columna. L’ordenació era tal que l’afinitat entre la substància primera i qualsevol de les altres de la mateixa columna disminuïa a mesura que es trobava dessota . Així, per exemple, “esperits àcids” ocupaven el cap de la primera columna, i de sota figuraven el símbols de les sals alcalines fixes (carbonats), de les sals alcalines volàtils ( sals amòniques), de les terres absorbents (bases no efervescents) i de les substàncies metàl·liques.

Va presentar a l’Acadèmia de Ciències la seua Taula de les diferents relacions observades en química entre les diferents substàncies. A la presentació, Geoffroy assenyala que hi ha unes lleis i uns graus de preferència perquè quan es barregen diverses substàncies n’hi hagi algunes que tenen clara preferència a unir-se amb unes altres de concretes. Però,  també destaca que si n’apareix una tercera que tingui encara més preferència per una de les dues, la substància es trencarà i se’n formarà una altra. Aquest  tipus de taules es féu molt popular i, assolí  la seua culminació en 1775  amb l’ elaborada compil·lació del químic suec Torbern Bergman.

 

Taula d’afinitats de Geoffroy (Mémoires de l’académie royal des sciences. 1718, p. 212)

L’afinitat no era una idea nova, però Geoffroy intentava establir aquest ordre de preferències. I a mitjan segle XVIII ja havien aparegut desenes de taules d’afinitats. Esbrinar les causes d’aquestes afinitats i establir clarament quines substàncies eren afins i amb quina intensitat es convertiria en un dels problemes bàsics de la química del segle. I la idea que hi actua alguna força equiparable a l’atracció gravitatòria és present en la majoria d’autors. Per bé que Geoffroy no en fa cap esment, probablement perquè la França cartesiana encaixava encara  malament –intel·lectualment i patriòticament- el triomf de Newton.

Després de la publicació de la taula de Geoffroy el 1718 es té coneixement de l’existència de catorze taules més fins a l’aparició el 1775 de les taules de Torbern-Olof Bergman (1735-1784), però les diferents taules d’afinitats publicades entre la de Geoffroy i la de Bergman són d’una importància menor.

En 1776 Guyton de Morveau, seguint amb entusiasme la direcció indicada per Buffon mesura la força mecànica necessària per separar planxes de diferents metalls del bany de mercuri en el qual suren. Guyton intenta així quantificar l’afinitat, atribuir a una mesura la  relació entre dos cossos, independentment de les operacions químiques de desplaçament. Amb aquesta mateixa perspectiva Carl Wenzal, químic que treballà en una fàbrica de porcellana, proposà en 1777 un  altre procediment: connectar el valor numèric de l’afinitat a la velocitat de reacció; determina la pèrdua de pes d’uns cilindres metàl·lics submergits en un bany àcid passada una hora. Desprès de Wenzel , Bergman i Kirwan adopten com unitat de mesura les quantitats respectives de diferents bases que permeten neutralitzar una mateixa quantitat de base, o a l’inrevés, les quantitats de diferents bases que permeten neutralitzar la mateixa quantitat d’àcid.

Richter, un antic alumne de Kant, mamprèn el mateix treball però a major escala, animat per les possibilitats d’una matematització de la química. Entre 1792 i 1802 publica, amb un estil difícil,  degut al seu interès per les matemàtiques, un nou tipus de taules que defineixen de manera sistemàtica les relacions que anomena “estequiomètriques” entre àcids i bases que es neutralitzen mútuament. El terme “estequiomètric” tindrà èxit, no en el marc de la química de les afinitats sinó en el de la química analítica, basada en  la llei de les proporcions definides.

 

Torbern Bergman (1735–1784)

Les taules de Bergman

Nomenat professor de química a la Universitat d’Uppsala  sota el mecenatge del príncep de la corona sueca ( futur rei Gustau III) malgrat que Bergman no era químic. Va aprendre ràpidament  química i ho va fer tan bé que es convertí en un dels químics més importants d’Europa. Hui se’l considera el fundador de la química moderna a Suècia. El llibre més important que publicà Disquiticio de Attracctionibus Elictivis (1775) (una dissertació sobre afinitats atractives), en el qual inclou taules d’elements ordenant-los per afinitats. Aquestes taules foren molt celebrades i citades en la química.

Estudiar totes les reaccions químiques possibles per confeccionar una taula, tal és el programa d’investigació mamprès pel químic suec Torbern Bergman. Les seues taules, publicades de 1775 a 1783, suposen un enorme treball i fastigós. Ordena  diversos milers de reaccions químiques i consten de 49 columnes ( 27 àcids, 8 bases, 14 metalls i altres) amb un doble registre: les reaccions “per via humida”, en dissolució i, per “via seca”, obligades pel foc.

La gegantina tasca de Bergman va acompanyada d’un treball sobre nomenclatura en el qual aplica els mètodes de Linneu, durant llarg temps negociada amb Guyton de Morveau. Afegeix altre treball de simbolització de les reaccions químiques. Els components es representen, con ja succeïa en les taules de Geoffroy per símbols inspirats en l’alquímia: el compost es situa fora d’una clau que agrupa els components. En el cas de doble descomposició, hi ha quatre claus que formen un quadrat, i les dues claus horitzontals corresponen als productes de la reacció. Bergman indica també la solubilitat (punta de la clau cap amunt) o la insolubilitat (punta cap avall) de les substàncies.

 

 

El projecte de Bergman extrau les conseqüències de la idea relativa a l’afinitat inspirada en Newton. Ja no interessen els cossos químics com a tals, o la potència d’un o d’altre reactiu. Ja no és pot explicar la fortalesa de l’àcid nítric en si mateix, desprès d’estudiar-lo amb algunes reaccions típiques. Les propietats químiques depenen de les relacions entre els cossos, i la identitat d’un cos químic es defineix per la suma total de les seues possibles relacions, a l’espera que un dia es deduixca. Reconverteix la  reacció, que en la tradició artesanal concloïa en la creació de productes nous, en la química de les sals. A les primeres dècades del segle XVII, en instrument d’identificació, però segueix concernint a  productes, àcids, bases, interessants com a tals. Amb Bergman, la reacció química passa de ser procediment a ésser fenomen. En el successiu , tota reacció química és interessant i no té res de fortuït: la major part de les reaccions utilitzades produeixen bé l’un o bé l’altre compost químic, doncs, en ambdós casos, el producte fuig del medi  reactiu, la qual cosa en termes moderns, produeix una reacció completa.

A més a més, el fet que prevalesquen les reaccions completes permet comprendre un dels aspectes essencials de la“ unió mixtiva”: si un cos experimenta cap a un segon una afinitat superior a la que uneix aquest amb un tercer, el primer rebutja per complet al tercer ( si existeix en quantitat suficient, es sobreentén)Tots els químics, siguen newtonians o no, ho admeten i Bergman ho reprèn en parlar “ d”atraccions electives”. L’afinitat o l’atracció electiva, reflecteix una tendència a unir-se segons la lògica del tot o res en la qual guanya el més fort.

 

Bergman es va trobar amb problemes que altres “creadors de taules” menys ambiciosos que ell havien pogut ignorar. Què és en definitiva una reacció interessant? És una reacció que permet produir un nou compost. La importància de la distinció entre cossos “fixes” i volàtils en l’alquímia i desprès en la  química moderna.

Aquestes taules d’afinitat electiva no foren les primeres a publicar-se, però si les més completes del seu temps. Bergman escrivia:

 

A very tiny portion of Torbern Bergman’s “Table of Elective Attractions,” from Disquisitio de attractionibus electivis, Nova Acta Regiae Societatis Scientiarum Upsaliensis 2 ([1775] 1968): 161-250, trans. J. A. Schuffle, Dissertation on Elective Attractions.

Va ser traduït a l’alemany el 1782 i Goethe no només el coneixia sinó que en una carta a un amic reconeixia que el títol de la novel·la havia sorgit del que deia aquest tractat.

Bergman cercava la raó per la qual, per exemple, si es posa un bocí de terra calcària junt a un àcid feble en una dissolució diluïda d’àcid sulfúric aquest agafa la cal i l’àcid feble es desprèn en forma gasosa.

Va ser dels primers a utilitzar un sistema de nomenclatura dels compostos químics i elaborà un sistema de representació, mitjançant símbols, de les fórmules químiques.

Bergman introduí nous reactius que encara s’utilitzen en els laboratoris de tot el món i inventà mètodes analítics per anàlisis químics. La seua obra De Analysi Aquorum (1778) és la primera exposició científica  del’ anàlisi de les aigües minerals.

A mesura que el prestigi de la imatge newtoniana del món fou creixent, els químics i els filòsofs naturals  també començaren a interpretar aquestes taules en termes d’atraccions de curt abast.

En 1785 Buffon inclús identificà eixes lleis d’afinitat amb l’atracció gravitacional ; però totes les temptatives que es realitzaren per veure complimentat el “somni newtonià”, és a dir, quantificar l’afinitat, acabaren fracassant.

 

A portion of Bergman’s legend for decoding the chemical symbols

Podríem pensar que Goethe, doncs, extreu el títol,d’ algunes referències explícites i fins i tot la trama d’un problema ben actual pels químics de l’època. Tanmateix, cal matisar-ho, perquè a poc a poc la idea d’afinitat tal com es formulava va desdibuixant-se i finalment desapareixerà. El 1803, Claude Louis Berthollet diu que hi ha factors com la concentració, la temperatura o la pressió que afecten l’afinitat. Així explica que haguessin fracassat els intents de trobar unes lleis i unes relacions quantitatives ben establertes, que donessin a les reaccions químiques un fonament tan predictiu com les lleis de Newton als moviments dels astres.

 

Claude Louis Berthollet (1748 – 1822)

Acadèmic, químic que treballa a la indústria, viatger, professor, senador, fundador de la Société d’Arcueil  ( primer equip interdisciplinar), segueix una trajectòria singular.

Durant la Revolució Francesa  Bertholet volgué racionalitzar l’extracció de salitre (és una mescla de nitrat de sodi (NaNO3) i nitrat de potassi (KNO3)) que permetia fabricar les tan necessàries pólvores de canó . L’abandonament de l’antic mètode del rentat de roques nitroses in situ, en benefici d’una producció centralitzada, li donà l’ocasió de constatar quelcom estrany: era millor rentar les roques diverses vegades utilitzant aigua neta cada vegada, ja que quan més salitre hi havia dissolt a l’aigua, menys eficaç era el rentat.

Tal vegada molts artesans s’adonaren d’aquest fet, però Berthollet ho tradueix al llenguatge científic: la tendència d’un cos a combinar-se amb altre disminueix proporcionalment al grau de combinació ja existent. Per tant, la tendència a reaccionar no és purament química sinó que és una funció de la concentració dels reactius. En 1798 Berthollet acompanya a Bonaparte a Egipte, i es conta que és allí on fa l’observació que precipitarà la seua “conversió”: un “llac de sodi”, és a dir, un llac salat les ribes del qual estan invadides de sosa ( Na2CO3), a la qual podem nomenar modernament com carbonat de sodi. Ara bé, Berthollet sap, igual que tothom, que la sal ( NaCl) no és transforma espontàniament en sosa: la reacció espontània es produeix en sentit invers. El llac constitueix un medi de reacció molt particular: abunden els dos reactius, la sal i el carbonat càlcic ( CaCO3) dipositats en el fons del llac, i els dos productes de la reacció s’eliminen de manera contínua, ja que el clorur de calci es drena a través del terra i la sosa es diposita a les ribes.

Berthollet extrau d’aquest exemple una tesi radical: el sentit d’una reacció no és un absolut, determinat per les tendències electives dels cossos presents. Cal abandonar la distinció entre el fenomen vertaderament químic, que correspondria a una reacció completa i, els factors físics que explicarien les anomalies. Berthollet inverteix així els conceptes de Bergman. Per ell, d’ara endavant, són les reaccions completes les que cal explicar. Usant les taules de Bergman demostra que cada vegada que el desplaçament és complet, s’escapa un producte del medi reaccional, bé perquè és volàtil, bé perquè, en ser poc soluble, es precipita.

En Statique chímique (1803) Berthollet mostra que la concepció newtoniana implica que les reaccions químiques generalment són incompletes, i s’oposa a què les circumstàncies (concentracions, temperatura) es definisquen com “allò que permet” o “ allò que obstaculitza” l’acció pròpiament química de les afinitats. L’afinitat, per tant, tan sols és un factor més entre els factors que intervenen en la reacció, la qual ja no té un sentit natural, sinó un sentit que depèn d’un conjunt de condicions. El resultat normal d’una reacció és un equilibri, en el qual la concentració relativa de reactius i productes de la reacció està en funció d’aquest conjunt  de condicions. L’única particularitat de l’afinitat és la força d’atracció: el químic no pot manipular-la de manera directa.

Berzelius i l’afinitat química

 

Jöns Jacob Berzelius, (Väfversunda, Suècia, 1779-Estocolm, 1848)

Berzelius perdé a son pare quan no era més que un xiquet, i a sa mare poc després. Estudià a la Facultat de Medicina de la Universitat d’Uppsala, on es llicencià en medicina, però allò en el que  més destacà fou en els estudis de Química i en anys posteriors fou a aquesta ciència a la qual dedicà la seua vida professional.

En 1807 determina l’exacta composició elemental de diversos composts químics. Realitzant centenars d’anàlisis donà proves tan repetides de la validesa de la llei de les proporcions constants, expressada per Proust, que els químics ja no dubtaren més de la seua validesa.

Aquestos fets ajudaren també a fonamentar més la teoria atòmica de Dalton; fou Berzelius  un dels primers químics en acceptar-la i es dedicà intensivament a estudiar el pes atòmic dels elements coneguts; eixa tasca es recolzà en generalitats anteriorment exposades pels seus contemporanis Dulong i Petit i Mitscherlisch.

Aquestes generalitats, ajudades amb la llei dels volums del gasos de combinació que es donen en una reacció química, llei de Gay Lussac, li resultaren suficients per avançar i preparar una taula de pesos atòmics considerada la primera amb certa exactitud.

Malauradament, Berzelius no sapigué apreciar el valor de la hipòtesi d’Avogadre i confonia els conceptes d’àtom i molècula. Això féu disminuir en part la utilitat de la seua taula, per la qual cosa els pesos atòmics no arribaren a ser allò que hui representen, fins que Cannizzaro exposà la seua tesi basada en la hipòtesi d’Avogadre en el Congrés de Karlsruhe de 1860, passats deu anys des de la mort de Berzelius.

Berzelius fou autor d’un llibre de text popular i de fàcil exposició del seu contingut químic, publicat en 1808, tingué cinc edicions i fou traduït a  l’alemany i al francès; el seu manual sobre anàlisi amb el soplet fou modèlic al llarg de molts anys.

El seu laboratori privat estigué obert ocasionalment a selectes estudiants que reberen instrucció en ell. Friedich Wöler i Eihardt Mitscherlich foren els seus alumnes més famosos; també estudiaren sota la seua direcció Nils Gabriel Sefström, Johan August Arfwedson, Carl Gustav Mosander, Chistian Gottlob Gmelin, Heinrich i Gustav Rose, i Gustav Magnus. Tots assoliren llocs molt destacats com professors de química en Suècia i Alemanys. Arfwedson, el descobridor de l’element liti, arribà a ser un important industrial. Aconseguiments:

  • Conceptes de : Isomeria,  Al·lotropia, Metàmer, Polímer
  • Anàlisi química ( perfeccionà el mètode gravimètric)
  • Teoria dualista ( sistema electroquímic).
  • Moderna simbologia basada en el nom llatí de l’element
  • Primer aïllament dels elements: Ceri. Sel·leni, Tori, Silici I Zirconi
  • Primer aïllament de l’àcid piruvic
  • Aïllà un bon número de composts químics.
  • Introduí el paper de filtre, el dessecador i els tubs de goma per connectar balons i retortes

La teoria dualista fou formulada per Berzelius en un intent de sistematitzar el comportament químic de les substàncies en relació amb els estudis que s’havien fet en electroquímica.

La llavor de la teoria es recolza en els treball de Sir Humphry Davy ( 1778-1829) sobre la descomposició de composts químics per electròlisi, i en 1812 ja publica una exposició sobre ella. Berzelius, seguint a Davy, accepta que les atraccions químiques i elèctriques són essencialment idèntiques.

 

La teoria dualista estigué de moda un temps en la Química, ja que explicava aparentment el per què es formaven els composts; fou un intent rudimentari d’explicar l’enllaç químic, però prompte hi hagué que marginar-la. Amb l’arribada de la Química Orgànica entre 1830 i 1840, degut a la metodologia científica la teoria dualista arriba a ser un impediment per comprendre els composts orgànics; alguns pensaven que la teoria dualista tan sols era aplicable a la Química Inorgànica, per ésser coherent amb la formació dels seus composts, però no devia aplicar-se a l’Orgànica per la confusió que produïa d’ intentar aplicar-la als seus; no era fàcil aplicar els conceptes electropositiu o electronegatiu als seus elements i compostos.

La teoria dualista sigué essent popular entre els mineralogistes i analistes, i encara hui queden vestigis d’ella i de la notació dualista de Berzelius. Per exemple, en l’anàlisi quantitatiu, els elements es calculen freqüentment com òxids més que com elements; açò és pràcticament normal en els anàlisis de minerals i en les pràctiques comercials; per exemple en la compra d’adobs inorgànics, s’adquireixen sobre la base del seu contingut en K2O i P2O5 més que en el seu contingut en potassi i fòsfor.

Correspongué a Berzelius formular una teoria sobre l’afinitat química en termes elèctrics i, amb el pes de la seua autoritat, imposar en tot el camp de la química la seua hipòtesi dualista. Berzelius se sentia particularment impressionat per les càrregues oposades existents en els dos pols dels aparells electrolítics per les atraccions i repulsions que elles exerceixen. L’antiga doctrina dels oposats no havia perdut mai el seu prestigi entre els científics i, això féu fàcil l’acceptació d’una “ física dels contraris” nova.

Suposà Berzelius que tot àtom posseeix a la vegada una càrrega positiva i una negativa, açò és, que tenia polaritat amb l’única excepció de  l’oxigen, l’element més electronegatiu. Tots els demès podien ordenar-se en una sèrie tal que cadascun fos electropositiu respecte dels situats més amunt i electronegatiu amb relació amb els de sota. A l’extrem inferior de la taula estaria el potassi, l’element més electropositiu de tots.  És clar que havia sempre en cada àtom un excés d’electricitat positiva o d’electricitat negativa i ,que en formar-se els compostos, es produïa la neutralització d’ambdues classes de càrregues, sovint amb despreniment de llum o calor. El compost resultant no havia de ser necessàriament neutre, ja que càrregues desiguals no es neutralitzen exactament. Així, per exemple , el sofre, electropositiu respecte a l’oxigen, es combinaria amb ell per formar el compost triòxid de sofre, SO3, en el qual predominaria l’electricitat negativa, quedant el compost en total carregat amb aquest signe. De la mateixa manera es combinarien el potassi i l’oxigen, donant l’òxid K2O, el qual conservaria càrrega positiva. En conseqüència, podrien combinar-se els òxids de potassi i sofre per donar una sal ternària, el sulfat potàssic, formulat KO·SO3, que tampoc seria una sal neutra, donat que era capaç d’unir-se amb el sulfat d’alumini per formar l’alumbre KO·Al2O3·4SO3 i, aquest, a la seua vegada, podria incorporar aigua de cristal·lització mitjançant un procés semblant.

 

The new chemical language of symbols to represent elements is first adopted by Jöns Berzelius and became universally accepted leading to the introduction of equations to describe chemical reactions.

Berzelius incorre en l’orde científic en importants errades, derivades en la seua gran majoria de la seua teoria electroquímica o teoria dualista a prop de l’afinitat química. Per Berzelius, la formació dels compost químics ocorre quan es neutralitzen parcialment les càrregues. L’existència de molècules constituïdes per dos àtoms iguals no era explicable a partir dels postulats de la seua hipòtesi dual, per la qual cosa no és d’estranyar el seu rebuig al principi d’Avogadre.

La teoria dualista, segons la qual tot compost estava format per una part positiva i un altra negativa, fou fecunda en la comprensió dels fenòmens electrolítics, explicava la naturalesa de les forces d’afinitat que mantenien unides les sals i altres composts, i era possible comprendre a partir d’ella, les reaccions de neutralització i, les d’intercanvi. D’ahí la seua acceptació pels químics de l’època.

Al voltant de l’any en el qual apareix la novel·la de Goethe, científics com Humphry Davy i Jöns Jacob Berzelius ja han començat a elaborar una teoria electroquímica que donava un nou enfocament a les reaccions entre substàncies. Intentant explicar l’electròlisi, es constata que les superfícies carregades elèctricament, sigui positivament o negativament, alteren l’equilibri i poden modificar fins i tot l’afinitat electiva que tindrien determinades substàncies. Ja més entrat el segle XIX, apareixen els treballs sobre termodinàmica química, que incloïen nous factors a les explicacions sobre l’afinitat entre substàncies. L’expansió de la indústria obligava també a caracteritzar de manera molt més precisa, i fins i tot quantificable, aquestes relacions.

 

Símbols dels elements de Berzelius

Berzelius incorporà un sistema de notació simplificat, en lloc de signes arbitraris, que utilitzava la primera lletra del nom llatí de l’element, o en tot cas, dues lletres per representar els distints elements. El prendre com a base el nom llatí, és degut a que  la llengua internacional en la terminologia científica d’aleshores era el llatí, féu que la proposició de Berzelius fóra universalment acceptada. Aquest sistema de símbols és el que se segueix actualment. A més a més, establí una escala correcta de pesos atòmics que, a diferència de Dalton, no eren nombres sencers.

 

Taula de masses atòmiques de Berzelius

Berzelius, en 1814, presentà la  seua primera taula de “pesos atòmics” contenint 43 elements, i a l’any1818 l’amplià a 45 elements amb un annex de composició percentual i pes-fòrmula de prop de dos mil composts. Berzelius es declarà contra el patró de Dalton, l‘hidrogen, per formar rarament composts inorgànics, essent que “l‘oxigen reuneix tots els avantatges en sí mateix; i per dir-ho així és el centre al voltant del qual gira tota la química.”

Berzelius perfeccionà l’anàlisi gravimètric, fet que li permeté validar les lleis ponderals i corregir les masses atòmiques de Dalton. El valor de les masses atòmiques donades per Berzelius són pròxims als valors actuals. Per exemple, per al pal·ladi (Pd), Berzelius informà el valor de 106,22 ( la seua massa actual és de 106,42).

La hipòtesi d’Avogadre no fou la única idea científica rebutjada de pla per Berzelius. S’oposà als treballs de Faraday a prop de l’equivalent electroquímic, en confondre les magnituds de quantitat d’electricitat i d’intensitat de corrent. També rebutjà la teoria dels radicals en el camp de la Química Orgànica per anar en contra de la seua hipòtesi dualista.

El cas de Berzelius és un altre exemple més de la influència de determinats paradigmes en l’anàlisi dels resultats científics, i del fet cert que la historia de la Química, conegué: avanços, retrocessos, errades, encerts, i no avançà per un camí triomfal de veritats inequívoques.

 

Cato Guldberg ( 1836-1902) i Peter Waage ( 1833-1900)

Els estudis relatius a l’afinitat

P. Waage i CM Guldberg 

Les teories que prevalien amb anterioritat en la química amb relació al tipus d’acció de les forces químiques són reconeguts per tots els químics no són satisfactòries. Això s’aplica a l’electroquímica, així com a les teories termoquímiques, en general ha de considerar-se com dubtós que amb l’ajuda de l’electricitat i l’evolució de calor que acompanyen els processos químics, ser capaç de trobar les lleis que operen forces químiques.

La nostra feina, que es va iniciar a la tardor de 1862 i inclou prop de 300 investigacions quantitatives, ens ha portat a una opinió definitiva dels processos químics i per avançar en una nova teoria i les lleis particulars que presentarem una breu descripció  i demostrar amb experiments, en la nostra part pròpia i en  la part  d’altres químics.

En 1867 dos químics noruecs Cato Guldberg (1836-1902) i Peter Waage (1833-1900), havien proposat una llei que anul·lava tota distinció entre reaccions químiques exo- i endotèrmiques, i creava un nou tipus d’analogia amb la física. Quedà establert el concepte de “ massa activa”, és a dir, de concentració de reactius efectivament presents en el medi reaccional en un moment donat i disponibles per a la reacció. La “llei d’acció de masses” té l’aspecte d’una llei mecànica: com la força newtoniana, la força química de la reacció es defineix pel producte de “ masses actives” i l’equilibri es produeix quan les forces corresponents a reaccions oposades s’igualen. Però, a diferència de la mecànica, les “masses actives” són variables, ja que evolucionen amb la reacció i assoleixen proporcions relatives determinades quan s’assoleix l’equilibri. A més a més, la relació entre les forces i les masses fa intervindre un “ coeficient d’activitat” específic per cada tipus de reacció. En equilibri, quan la suma de les diferents forces químiques s’anul·la, la reacció entre les “ masses actives” ve donada per la relació entre els coeficients d’activitat, depenents a la seua vegada de la pressió i temperatura. En eixa època, la velocitat de reacció era una magnitud fenomenològica nova. Tan sols les reaccions molt lentes que trobem en la química orgànica permeteren seguir les variacions de les concentracions de reactius al llarg del temps.

Ferdinand Wilhelmy (1812-1864) estudià de manera quantitativa la velocitat amb la qual es produïa   la hidròlisi del sucre de canya en medi àcid en fructosa i sacarosa, mesurant el gir del pla de polarització òptica que la dissolució de sacarosa havia produït, i utilitzant el seu valor per a deduir la quantitat de sucre invertit.  Modificant diversos factors: augmentant la concentració de sacarosa, modificant la temperatura i afegint un àcid com catalitzador, demostrà que si es representa per Z la concentració del sucre, la disminució d’aquesta substància (dZ) a l’ interval de temps dt ve donada per l’expressió –dZ/dt=kZ esta equació referent a una reacció mononuclear fou la primera expressió matemàtica d’un procés químic.

Malgrat que Wiilhemy inclou la concentració d’àcid en la velocitat de descomposició de la sacarosa no mencionà la paraula catalitzador ni tracta d’explicar la raó per la qual l’àcid accelera la reacció sense, aparentment, intervenir en ella. El seu article sobre la velocitat de reacció, per cert, no despertà massa interès al principi. Farien falta dècades per comprendre la seua importància i l’arribada de Wilhelm Ostwald.

 

Polarització de la llum per una dissolució de sacarosa

Al mateix temps que  Wilhelmy, Williamson havia observat que quan una reacció produeix substàncies amb una velocitat definida i , a la vegada aquestes substàncies reaccionen de nou,també amb velocitat definida per regenerar els materials de partida, deu arribar un moment en el qual s’assoleix l’equilibri. Aquest concepte d’equilibri dinàmic no aconseguí una gran acceptació entre els químic i la tasca de Wilhelmy fou continuada  per  Péan de St,-Gilles i Berthelot en 1860.

 

Reacció d’esterificació

Estudiaren la cinètica de l’esterificació dels àcids pels alcohols, i novament amb la idea de mesurar les relacions d’afinitat entre les substàncies reaccionant conclouen dels seus estudis que : a cada instant, la velocitat d’una reacció és proporcional a les concentracions dels reactius presents en el medi reaccional; la velocitat disminueix a mesura que s’aproxima a l’equilibri. La definició de “força química” integra l’estudi fenomenològic de les velocitats i el model mecànic.

 

Marcellin Berthelot

Sols investigaren la formació d’esters, però no la seua hidròlisi,  per tant ni Berthelot ni Péan St. Gilles pogueren adonar-se que existia un equilibri dinàmic associat a aquestes reaccions.

D’aquesta manera, Guldberg i Waage pogueren utilitzar els resultats dels estudis previs i s’adonaren de la vertadera importància del concepte. En un article publicat a Noruega, en 1863, enunciaren la llei d’acció de masses, sobre la què es basa en tan gran mesura la Química Moderna. L’article roman virtualment ignorat inclús quan és publicà en francès en 1867. No fou fins a 1879 que publicaren els seus treballs complets en una revista científica alemanya. Des d’aleshores han rebut tot el crèdit que es mereixien.

La hipòtesi cinètica

La llei de Guddberg i Waage, acceptada com llei fenomenològica, tingué un enorme èxit en química. Però deixava oberta la qüestió de la seua interpretació. Aquesta és la qüestió que donarà lloc al trasllat a la química de  la llei formulada alguns anys abans en la física.

En aquesta hipòtesi l’equilibri es defineix com l’estat en el qual les velocitats són tals que els efectes de les diferents reaccions es compensen, sense que les reaccions s’aturen per això. És la interpretació cinètica de l’equilibri que Clausius havia proposat en 1857, en el cas de la vaporització. Adoptada oficialment per Maxwell en 1865, conduí en 1867 “ al dimoni de Maxwell”, capaç de determinar evolucions que s’allunyen d’un sistema en equilibri.

 

Dimoni de Maxwell separant molècules segons la seua velocitat mitjana

La hipòtesi cinètica remet el concepte de “ força química”, siga quina siga la seua mesura, el repertori d’analogies ja que l’equilibri no és l’estat en el qual les forces, i les velocitats que aquestes determinen, s’anul·len. L’equilibri no té res de particular: és l’estat en el qual les “ col·lisions reaccionals” entre molècules que determinen una reacció donada són per terme mitjà tan nombroses com les col·lisions que determinen la reacció inversa. El concepte central de la cinètica és el concepte probabilista de la freqüència. Si un augment de la temperatura augmenta la velocitat en la proximitat de l’equilibri, això es deu a que augmenta la freqüència de totes les col·lisions reaccionals. Per la qual cosa es referix a la qüestió de l’afinitat, de la “força” respectiva dels reactius, de la diferència entre reaccions endo- i exotèrmiques, i de la composició de l’equilibri químic, la teoria cinètica no diu res, excepte que aquesta qüestió deuria ser objecte d’una ciència “futura”, que s’ocupe de la col·lisió de la mateixa reacció. El químic cinètic tan sols pot saber el número de molècules que participen en una col·lisió ( que s’anomena ordre de reacció). La qual cosa, per altra banda, li és suficient. En efecte, l’anàlisi cinètic va demostrar que darrere d’una reacció química  s’amaga freqüentment una successió molt més complexa de reaccions intermitges.

La hipòtesi cinètica és una hipòtesi realista. Implica que les molècules dels químics són realment reconegudes com entitats discretes, susceptibles de moviment, de col·lisions, en poques paraules, de comportaments individuals. Tot el contrari a símbols còmodes d’usar per a químics de síntesi.

En aquest treball Guldberg i Waagetornaren a suggerir, com ja ho havia fet mig segle abans Berthollet, que el sentit d’una reacció depenia de la massa individual de les substàncies que prenien part en ella. Però, a més a més,   i eixa fou la seua aportació original, depenien del volum i, per tant, de la concentració de la substància. Els seus resultats els plasmaren en forma de dues lleis. La llei d’acció de masses i la llei d’acció de volum . A partir d’aquestes es deriven les condicions d’equilibri per les forces actuants. La primera redacció d’aquestes lleis quedà de la següent forma:

Llei d’acció de masses

“La força de substitució, essent iguals les altres condicions, és directament proporcional al producte de les masses elevades  a un exponent”

Llei d’acció de volums

“Si les masses de les substàncies  que interaccionen estan en volums diferents, l’acció d’eixes masses és inversament proporcional al volum”.

En una reacció general del tipus :

aA +bB↔ cC + dD

(La doble fletxa↔ indica que la reacció és reversible) , l’expressió matemàtica de la llei d’acció de masses seria :

 

Reaccions que no es completen

Habitualment, en una reacció química s’utilitza una fletxa per a separar els productes dels reactius. Això sembla suggerir que la conversió dels reactius en productes progressa fins que, finalment algun dels reactius s’esgota.

No obstant això, en molts casos, la reacció deixa de progressar encara que queden quantitats apreciables de tots els reactius. Per exemple, el nitrogen i l’oxigen reaccionen formant monòxid de nitrogen, un gas tòxic:

N2(g) + O2(g)→ 2NO(g)

Si aquesta reacció progressara fins al final, en l’aire no quedaria O2. En el seu lloc tindríem NO. Afortunadament, a temperatura ambient, la conversió de N2 i O2 avança molt lentament. Una vegada que s’han  format aproximadament 10-17 mol/l de NO, s’arriba a una situació d’equilibri, encara que quasi no s’ha gastat gens de N2 i O2.

Es tracta d’un equilibri dinàmic: les molècules de N2 i O2, continuen reaccionant per formar NO. Però les molècules de NO també reaccionen entre si i formen N2 i O2. En l’equilibri es forma NO amb la mateixa velocitat que es descomposa, de manera que les concentracions romanen constants.

La composició en l’equilibri depén de distints factors. Un d’aquests és la temperatura. Així, l’avanç de la reacció entre el N2 i O2 és considerablement major a aproximadament 2100 ºC. Per això, durant la combustió de la gasolina en el cilindred’un automóbil es forma una quantitat apreciable de NO.

La situació d’equilibri pot aconseguir-se a partir tant dels reactius com dels productes. Per aquesta raó, aquests tipus de reacció s’anomenen reversibles i es representen per una doble fletxa:

N2(g) + O2(g)→ 2NO(g)

Conèixer els mètodes que permeten desplaçar la posició d’equilibri químic en el sentit desitjat resulta de gran importància pràctica. Un exemple extraordinari és el procés per a purificar el níquel metàl·lic, ideat el 1899 pel químic alemany Ludwig Mond, i que es basa en la reacció del níquel amb el monòxid de carboni:

Ni(s)  + CO(g)  Ni(CO)4(g)

A 50ºC, l’equilibri està molt desplaçat cap a la formació de Ni(CO)4,  que com és gas, pot separar-se de les impureses sòlides . A continuació s’escalfa el Ni(CO)4 gasós a 230ºC. A aquesta temperatura, l’equilibri es troba molt desplaçat cap al costat del níquel metàl·lic i el CO:

N2(g) + O2(g)←  2NO(g)

Es recupera, així, el níquel pur. Primerament, es du a terme una reacció química en un sentit. Després, es produeix la mateixa reacció en sentit contrari. És com un meravellós truc de prestidigitació química.

La llei del desplaçament de l’equilibri químic de Le Chatelier s’acceptà com a principi. Una de les raons de la seua popularitat fou el seu caràcter metafísic, en el sentit d’explicar algun principi bàsic en termes de sentit comú o d’experiències quotidianes. El principi de Le Chatelier s’ha relacionat amb les idees filosòfiques d’ Aristòtil, Teofraste i Boyle, segons les quals la naturalesa actua oposant-se a les infraccions de les seus normes per conservar les lleis contra qualsevol canvi.

Altre dels motius pels quals gaudeix de gran popularitat és l’aparent simplicitat amb la qual és enunciat, no necessitant-se per la seua formulació cap aparatatge matemàtic. Això permet que aquells que estiguen poc familiaritzats amb el llenguatge matemàtic disposen d’una regla senzilla que els facilita fer prediccions i aplicar-les a diferents sistemes. Aquestes dues qualitats del principi: la seua simple formulació i la capacitat de predicció li han donat una reputació de principi infalible, la validesa del qual no pot ser qüestionada.

Per alguns autors, consideren que  la universalitat del principi de Le Chatelier va més enllà del camp estrictament químic, per exemple assenyalen que pot aplicar-se amb èxit en : sociologia, psicologia, biologia, ciència política ,economia, etc. . Addueixen exemples de la vida quotidiana que demostren la seua utilitat general.

 En el llibre de química de Bailar i altres (1983) es pot llegir: S’observa que aquest enunciat no  limita el principi de Le Chatelier als sistemes químics. S’aplica amb igual validesa als equilibris físics, biològics, econòmics i d’altres equilibris.

EL PRINCIPI QÜESTIONAT

Els primers problemes que presentà el principi de Le Chatelier sorgeixen com a conseqüència de les dificultats d’interpretació d’un enunciat en llenguatge no matemàtic i tenen un origen didàctic. Ehrenfest (1911) trobà que el principi de Le Chatelier podia conduir a l’obtenció de resultats incorrectes. La seua argumentació es basa en què en algunes situacions els sistemes pertorbats evolucionen “ oposant-se” a la pertorbació, però en altres ho fan “ afavorint-la”.  Un exemple senzill, com és la reacció d’obtenció de l’amoníac , ens permet demostrar el no compliment en alguns casos del principi de Le Chatelier. Però, aquest és l’exemple típic que s’usa en el llibres de text per a explicar aquest principi.

El procés el podem representar mitjançant la següent reacció:

N2(g) +   3 H2(g) ↔ 2 NH3(g)

Si preguntem que ocorrerà si afegim al sistema en equilibri, a pressió i temperatura constant, una certa quantitat d’hidrogen, el principi de Le Chatelier ens respon que es consumirà part del nitrogen afegit, formant-se una major quantitat d’amoníac. Però, la resposta correcta estableix que tot depèn de la composició inicial de la mescla gasosa. Si la fracció molar del nitrogen és superior a 0,5, l’addició, en aquestes condicions, d’una petita quantitat del mateix a la mescla d’equilibri provocarà  la descomposició de l’amoníac.

Nous problemes s’han presentat en la utilització indiscriminada del principi de Le Chatelier. Un d’ells fa referència a la variació de la temperatura d’un equilibri químic a volum constant. En aquest cas es produeix una variació de la pressió del sistema. En el cas què el procés siga exotèrmic ( ΔH>0), i en la reacció  es produeixca una disminució en el número de mols  (Δ ν <0), l’intent d’aplicació del principi de Le Chatelier pot provocar la predicció d’un desplaçament de l’equilibri per variació de la temperatura oposat al corresponent a la variació de pressió.

En aquestes condicions,el principi és incapaç de proporcionar l’efecte global corresponent a la modificació simultània de dos variables intensives (PiT). Considerem el següent equilibri:

2NO2 (g)↔ N2O4(g)  ΔH = -60 kJ/mol

Pel qual la pertorbació correspon a  augment de la  temperatura a volum constant. En aquest cas l’intent d’aplicació del principi de Le Chatelier pot portar-nos a una situació contradictòria: Un augment de temperatura desplaça l’equilibri en el sentit de la reacció endotèrmica (producció de major quantitat de NO2). Però junt a aquest augment de temperatura s’ha produït un augment de la pressió total. Per aquest augment de la pressió, el citat principi prediu un desplaçament en el sentit de producció d’un menor número de molècules ( producció d’una major quantitat de N2O4). En aquestos casos l’ús de l’equació de van’t Hoff apropiada permet eliminar qualsevol tipus d’ambiguitat o situaciò contradictòria.

GUIÓ DE LES PRÀCTIQUES

Com influenciar una mescla en  equilibri químic: El principi de Le Chatelier

Segons el Principi de Le Chatelier: quan es sotmet un sistema en equilibri a una modificació dels paràmetres que el governen ( pressió, temperatura, concentracions de reactius o productes, etc. ), el sistema evoluciona assolint un nou estat d’equilibri que li permet contrarestar parcialment la modificació introduïda.

1.- Precipitació de Cu(OH)2

El Cu2+ forma un hidròxid molt insoluble, Cu(OH)2 d’acord amb l’equilibri:

Cu2+(aq) + 2OHCu(OH)2 (s)

En aigua pura, l’equilibri està desplaçat cap a l’esquerre, la qual cosa implica que el Cu2+ a penes forma hidròxid ( recordeu que en aigua pura la concentració de OH és molt petita, [OH] = 10-7 M).

 

Però, si augmentem la concentació de OH, d’acord amb el principi de Le Chatelier, l’equilibri es desplaçarà cap a la dreta ( intentant consumir part del OHafegit per donar Cu(OH)2 sòlid). Per tant si afegim NaOH a una dissolució que conté ions Cu2+ provocarem la precipitació de l’hidròxid Cu(OH)2.

Procediment

  • Utilitzant la proveta de 10 mL, afegim 3mL, de la dissolució de CuSO4 en un tub d’assaig net.
  • Utilitzant la pipeta Pasteur neta, afegim 20 gotes ( gota a gota) de la dissolució de NaOH. Cada 2 o 3 gotes s’agita el tub d’assaig per mesclar bé el seu contingut.
  • Observaras l’aparició d’un precipitat grumollós de color blavenc Cu(OH)2.

 

Pipeta Pasteur

2.- Solubilització de precipitats

L’ hidròxid format en l’apartat anterior està regit per l’equilibri:

Cu2+(aq) + 2OHCu(OH)2(s

D’acord amb el principi de Le Chatelier, si disminuïm la concentació de OH (un reactiu) l’equilibri es desplaçarà cap a l’esquerre amb objecte d’oposar-se parcialment al canvi introduït. L’única forma que té l’equilibri d’augmentar la concentració de OH és solubilitzar l’hidròxid Cu(OH)2(s), per donarCu2+ i OH.

Si, a la dissolució resultant de l’apartat anterior se li afegeix un àcid fort tal com l’àcid sulfúric, H2SO4, els protons afegits neutralitzaran els ions hidroxils OH-, inicialment presents en la dissolució d’acord amb la reacció:

H+ (aq) + OH(aq)↔H2O(l)

En disminuir la concentració de OH present en la dissolució, l’equilibri de solubilitat es desplaçarà cap a l’esquerre, solubilitzant el precipitat.

Procediment

  • Agafa el tub d’assaig de l’apartat anterior que conté el precipitat de Cu(OH)2.
  • Utilitzant una pipeta Pasteur neta, afegeix 20 gotes ( gota a gota) de la dissolució de H2SO4.Cada 2 o 3 gotes, agita el tub d’assaig per mesclar bé el contingut.

Observaras que a mesura que afegeixes H2SO4 (neutralitzant els OH) més i més precipitat es solubilitza fins obtenir-se una dissolució transparent.

3.- Solubilitat de gasos: generació de CO2(g

El CO2 és un gas poc soluble en aigua. En dissoldre’s, reacciona amb una molècula d’aigua, donant lloc a l’àcid carbònic:

CO2(g) + H2O(l) H2CO3(aq

En la present experiència, generarem CO2(g) mitjançant l’addició d’àcid sulfúric , H2SO4, al carbonat de sodi, Na2CO3 . En efecte, si afegim protons ( provinents del H2SO4.) al carbonat, s’estableix el següent equilibri:

CO32-(aq) + 2 H+(aq) H2CO3(ac)

Al mateix temps, l’àcid carbònic, H2CO3 està involucrat en l’equilibri anterior, per la qual cosa part delH2CO3 es dissocia enCO2(g) i  H2O(l).

Procediment

  • Agafa un tub d’assaig net i afegeix 10 mL de la dissolució de carbonat de sodi, Na2CO3. Afegeix dues gotes de fenolftaleïna ( indicador). Observaràs que la dissolució es torna rosada indicant que es tracta d’una dissolució alcalina ( el  Na2CO3és una base).
  • Utilitzant la pipeta Pasteur neta, agafa un cert volum de la dissolució de H2SO4disponible. Introdueix la punta de la pipeta (sense afegir el seu contingut) fins els fons del tub d’assaig.
  • Afegeix  molt lentament la dissolució de H2SO4.

Observaràs que a mesura que afegeixes H2SO4 ( en formar-se H2CO3 i dissociar-se en CO2(g) i H2O(l)) que la dissolució es torna incolora (en corvertir-se en una dissolució àcida per efecte de l’àcid sulfúric afegit) al mateix temps que el CO2  format bombolletja en escapar-se de la dissolució (degut a la seua escasa solubilitat).

4.- Precipitació del Cu(OH)2 en augmenter el pHper addició de Na2CO3. Reversibilitat del procès per addició de H2SO

Com hem vist abans, el Cu(OH)2(s) pot precipitar si la concentració de OH en la  dissolució augmenta. Per altra banda,  l’ió carbonat és una base feble que s’hidrolitza (donant lloc a OH) d’acord amb l’equilibri:

CO32- (aq) +  H2O(l)↔ HCO3 (aq)+ OH (aq)4

 

Per tant, l’addició de la dissolució de Na2CO3 a la dissolució de CuSO4 provocarà la precipitació de l’hidròxid de coure, Cu(OH)2 (s). El procès pot revertir-se mitjantçant addició de H2SO4, però, ara, la presència del carbonat CO32-, farà que es desprenga CO2 (de forma similar a com ocorregué a l’apartat anterior).

Procediment

  •  Afegeix 3 mL. de la dissolució de CuSO4 en un tub d’assaig net.
  • Utilitzant la pipeta Pasteur neta, afegeix carbonat sòdic,Na2CO3, gota a gota fins que es produeix la precipitació total del Cu(OH)2.
  • Utilitzant la pipeta Pasteur distinta (assegurat que està neta), afegeix la dissolució de H2SO4gota a gota fins que desapereixca el precipitat. Cada 2 o 3 gotes, remena el tub d’assaig per mesclar bé el seu contingut.

Observaràs que a mesura que afegeixes H2SO4 ( al neutralitzar els H+ de l’àcid amb els OH inicialment presents i formar-se, com conseqüència, el H2CO3 i dissociar-se en CO2(g) i H2O(l)) el precipitat es solubilitza i el CO2 format bombolletja en abandonar la dissolució ( degut a la seua poca solubilitat).

5.- Formació de complexes entre el Cu2+ i el NH3

Molts cations de metalls de transició de la taula periòdica ( Cu2+ , Zn2+ , Co2+ , etc.) tenen capacitat de formar composts de coordinació amb lligands que posseeixen parells solitaris d’electrons en la seua estructura tal com l’amoníac:

 

Cu 2+(aq) + 4NH3(aq) ↔ Cu(NH3)42+ (aq)

Una de les propietats característiques d’aquests complexes de coordinació és que augmenten la solubilitat dels hidròxids d’aquests metalls de transició.

Procediment

  • Utilitzant la proveta de 100 mL., afegeix 25 mL d’aigua a un got de precipitats de 100 mL. Posa en el got un agitador magnètic, afegeix 20 gotes de la dissolució de CuSO4 al got de precipitats i comença a remenar suaument la dissolució.
  • Utilitzant la pipeta Pasteur neta, afegeix 10 gotes (gota a gota, lentament) de la dissolució de NH3 ( entre gota i gota deixa que l’agitació homogeinitze la dissolució).

Observaràs que a mesura que afegeixes NH3 el color feblement blavenc de la dissolució (degut a la presencia de Cu2+ ) es fa ,més fort. Això es degut a que el complex format, Cu(NH3)42+ és d’un color blau molt més intens que el propi catió Cu2+.

6.- Augment de la solubilitat del Cu2+ mitjantçant la formació de complexes entre Cu2+ i el NH3

Procediment

  • Agafa dos tubs d’assaig. Afegeix 3 mL. de la dissolució de CuSO4a cadascun d’ells.
  • A un d’ells afegeix-li  2 gotes de  NH3 ( observaràs un fort increment en la intensitat del color blavenc).
  • .Afegeix a cadascun d’ells Na2CO3 ( gota a gota) fins que es produeix la precipitació total del Cu(OH)2.
  • Per finalitzar, afegeix a cada tub H2SO4 fins que es solubilitze completamentel precipitat.

Observaràs que cal afegir una major quantitat ( nombre de gotes) de la dissolució de carbonat al tub d’assaig que conté amoníac. Això es degut a què, com es comentà abans, un dels efectes de la formació del complex entre Cu2+  i el NH3 és l’augment de la solubilitat del Cu2+ en dissolucions alcalines.

 

 Henry Louis Le Chatelier

Quin estudiant de Química, no ha aplicat alguna vegada el principi que porta el seu nom?. Allò que no se sap és que el principi fou enunciat per primera vegada, en un treball sobre solubilitat, de forma que passà totalment desapercebut i, quan encara no era doctor.

Henry Louis Le Chatelier,nasqué a París, el 8 de octubre de 1850. Net per part materna de Pierre Durand, el promotor junt amb Vicat,dels ciments sintètics. Son pare, Luis Le Chatelier, inspector general de mines a França,fou encarregat per Napoleó III, de la construcció del ferrocarril a França. Sa mare, Elisabeth  Durand, educà als seus cinc fills i una filla, dins les normes més estrictes. Per això Henry començà els seus estudis en l’Acadèmia Militar, compartint-los amb el Col·legi Rollin, on rebé el títol de batxillerat elemental i superior, en 1867 i 1868 respectivament.

A l’any següent començà els seus estudis a l’Escola Politècnica. Els seus estudis s’interrompen en 1871 per la guerra franco-prussiana, i es mobilitzat com tots els alumnes de la politècnica. Durant els seus anys escolars freqüenta el laboratori de Henri Sainte-Claire Deville a l’Escola Normal Superior. El seu professor de Filosofia, Carpentier li fa comprendre la relació entre el mètode científic i la composició literària, i li farà adquirir un gran interès per les humanitats, de les quals seria un ardu defensor. Diria més tard:

“Al meu entendre, el factor determinant en la formació d’un enginyer, és l’ensenyament secundari que forma definitivament la seua intel·ligència i caràcter. En ella, si s’està suficientment dotat, deurà desenvolupar el bon sentit, l’esperit científic i l’activitat intel·lectual, qualitats necessàries per tenir èxit en la vida industrial”

Es gradua en 1873, i accepta treballar pel govern, en el nord d’Àfrica durant diversos anys. Torna en 1875 a Besançon, casant-se a l’any següent amb Geneviève Nicolás, amb la qui té set fills.

En 1877, el Director de la Escola de Mines, Daubrée, li  ofereix un lloc de professor auxiliar de Química General, prenent possessió el 6 de novembre de 1877; aquí comença la carrera científica de Le Chatelier, amb especial inclinació per la Química Industrial i Metal·lúrgica, seguint la tradició familiar. Primer fou l’estudi de la col·lecció de ciments sintètics del seu avi. Desprès es dedica a estudiar el comportament del sulfat de calci anhidre en ser escalfat ( a seua primera publicació en 1882). Estudia el comportaments dels silicats de calci i bari i els respectius aluminats en els ciments. La seua tesi doctoral, publicada en 1887, Recherches expérimentales sur la constitution des ciments hydrauliques, li permet ser nombrat professor de Química Industrial i Metal·lúrgia.

En 1882, comença la seua fructífera col·laboració amb  el professor de Metal·lúrgia de l’ Escola de Mines, Mallard, col·laboració que començà amb l’estudi de les causes d’alguns desastres ocorreguts en les mines franceses. Primer estudiaren diverses mescles explosives, i les propietats de l’ hidrogen, metà, monòxid de carboni i aire, Desprès la combustió de l’acetilè d’ús en la làmpada oxiacetilènica. Aquestes investigacions els conduïren a la primera determinació dels calors específics de molts gasos a altes temperatures.

 Estudia el comportament dels òxids de ferro amb el monòxid de carboni en els alts forns, i descobreix que el monòxid pot descompassar-se en carboni i diòxid, en una reacció reversible, per l’acció catalítica del ferro.

 

Alts forns

El treball a altes temperatures, tenia un problema i és que els termòmetres de gas usats tan sols mesuraven fins a 500ºC. Després Regnault introduí els termopars de ferro-platí o de platí-pal·ladí, però els resultats donaven un gran marge d’error. Le Chatelier va usar un termopar d’un aliatge de platí-rodi-platí, amb millors resultats, desprès del calibratge empleant com punts fixes els de fusió de l’antimoni, plata, coure, or i pal·ladi. També engegà els piròmetres òptics, encara utilitzats actualment.

És el 10 de novembre de 1884 i el 5 de gener de 1885, quan publica en Comptes Rendus els treballs pels qual serà mundialment famós.

El treball presentat per Daubrée, tenia per títol Sur le lois de la disolution.Es dedica a estudiar termodinàmicament les condicions de solubilitat d’una dissolució. En ell  s’exposa el principi que textualment diu:“Tout systême en équilibre soumis à une action capable de le déformer ne peut éprouver que des modifications qui tendent à produire une réaction de nature semblable, mais de signe contraire à l’action qu’il subit, et réciproquemend”.

Precisament emplea les lleis de la termodinàmica en la solubilitat de sals per corroborar aquest principi, per això continua explicant el principi: “El principi d’oposició de la acció i la reacció permet conèixer la relació del signe que existeix entre els dos fenòmens oposats, però no els  seus aspectes quantitatius. S’ha pogut establir, però, una relació numèrica, basant-se en la teoria mecànica del calor, suggereix que  aquest procediment pot generalitzar-se”.En  el desenvolupament d’aquest treball s’arriba a l’expressió diferencial que relaciona la variació de la solubilitat amb la temperatura, i amb el calor transferit.

En 1895, es dedica a estudiar les diferents fases del ferro en l’alt forn, amb la formació dels carburs de ferro. Precisament el desenvolupament d’aquest estudi permeté a Roozeboom el·laborar el primer diagrama de fases ferro-carboni. Un any abans publicarà en el Journal de Physique la seua  “Mémoire sur les équilibres chimiques”.

 

Diagrama de fases ferro-carboni

En 1898, Le Chatelier obté la càtedra de Química mineral del Col·legi de França, on continuarà fins que en 1907, substituirà a Moissan en la Sorbonne.

Els principals treballs publicats foren:

  • Els  fenòmens de combustió (1898)
  • Teoria dels equilibris químics(1898-1899)
  • Propietats dels aliatges metàl·lics (1899-1900)
  • Mesura de les altes temperatures (1900, en col·laboració amb Boudourad)
  • Aliatges de ferro (1900-1901)
  • Mètodes generals de Química Analítica (1901-1902)
  • Lleis generals de la Mecànica Química(1903)
  • El Silici i seus composts (1905-1906)
  • Aplicacions pràctiques dels principis fonamentals de la Química (1906-1907)
  • Propietats dels metalls i  els seus aliatges(1907)
  • El carboni i les lleis generals de la Química (1908)
  • Introducció a l’estudi de la Metal·lúrgia (1912)
  • La sílice i els  silicats (1914)

Bibliografia

  • Historia de la Química. Bernardette Bensaude –Vincent. Addison-Wesley 1997
  • Panorama histórico de la química. Henry M. Leicester. Alhambra.1967
  • Historia de la química. William H. Brock.Alianza.1998
  • Historia de la Química.  Francisco Aragón de la Cruz. Síntesis. 2004
  • Historia de la Ciencia. Carlos Solís y Manuel Sellés. Espasa.2007
  • Evolución histórica de los principios de la química. Mº Cruz Izquierdo Sañudo i altres.  UNED. 2003
  • Guió de la pràctica : “ Estudia un dia a la U.M.H.”
  • Química. Jose Ignacio del Barrio i altres. S.M.2009.
  • Afinitat. Química. Juan Quílez i altres. Ecir. 2009.
  • La necesidad de un cambio metodológico en la enseñanza del equilibrio químico: limitación del principio de Le Chatelier. Quilez Pardo, J i altres.
  • Torbern Bergman (1735-1784) . Bones taules d’afinitat (quatre). www.chymist.com/Torbern%20Bergman.pdf
  • El principio de le Chatelier a través de la historia y su formulación didáctica en la enseñanza del equilibrio químico. Quílez J y Sanjosé. CEP de Godella y Departamento de Química Orgánica. Universidad de Valencia.
  • Análisis de problemas de selectividad de equilibrio químico: errores i dificultades correspondientes a libros de texto. Quílez, Juan. Departamento de Física y Química .IES Benicalap. Valencia
  • Persistencia de errores conceptuales en el estudio del equilibrio químico. Furió, C.J. y Ortíz, E (1983). Enseñanza de las Ciencias, 2(1), pp 15-20.
  • El principio de Le Chatelier como regla cualitativa: un obstáculo epistemológico en el aprendizaje del equilibrio químico. Quílez, J (1997 a). Infancia y Aprendizaje, 78, pp 73-86
  • Superación de errores conceptuales del equilibrio químico mediante una metodología basada en el empleo exclusivo de la constante de equilibrio. Quílez, J.  (1997b). Educación Química, 8 (1), pp 46-54
  • Dificultades semánticas en el aprendizaje de la química: el principio de Le Chatelier como ejemplo paradigmático.  Quílez , J. (1998ª). Alambique. Didáctica de las Ciencias Experimentales, 17, pp. 105-111.
Pep Vañó Piedra
Departament de Física i Química

 

Figura geomètrica

 

Entre els sentits que ens comuniquen amb el món exterior, destaca la vista per la seua amplitud d’informació que ens la proporciona simultàniament. Els pensadors de totes les cultures han reflexionat des de l’antiguitat sobre el fenomen de la visió, en el qual intervenen dos elements. Per una banda l’òrgan fisiològic- ells ulls- i per altra, un ent extern que anomenem llum. Tan important ens sembla la llum que utilitzem adjectius relacionats amb ella ( clar, lluminós, obscur) per designar conceptes o comportaments que res tenen  a  veure amb la visió. Aquesta admiració es antiquíssima i es troba  en totes les civilitzacions.

El terme grec “òptica” es refereix específicament a les matèries de visió i ,per tant, l’òptica antiga es referia al problema de com veiem. Dels cinc sentits, la vista és un dels que ens proporcionen més informació del nostre entorn.

En les restes d’antigues civilitzacions es trobaren objectes que ens donen una idea dels interessos dels homes pels fenòmens òptics. En les restes de les tombes egípcies aparegueren espills metàl·lics que probablement servien per desviar el raigs del sol. Les lents convergents ( positives) foren usades com a lupes des de temps molt remots. Les troballes arqueològiques demostraren que foren utilitzades per fer les petites inscripcions que aparegueren en objectes trobats a les esfinges de la Tomba de Minos, a Egipte. A Pompeja es trobà una

lent de 5 cm de diàmetre i se sap que fa 3000 anys a. C. a Mesopotàmia es feien lents planoconvexes i biconvexes ( algunes es conserven en museus com el de Berlín). El mateix ocorria a Creta on s’utilitzaven com objectes sagrats per encendre el foc.

Totes les societats i civilitzacions s’han preguntat segurament què és la llum, i com és de suposar, les respostes han estat molt diverses. Per exemple, la resposta podia ser mitològica, tal com feien els antics egipcis, que consideraven la llum com la deessa Maat, filla del déu Ra, el Sol. Els filòsofs de totes les èpoques i civilitzacions s’han plantejat en què consisteix aquest fenomen, en el qual intervenen dos elements : l’ull i la llum.

El coneixement progressiu de les propietats de la llum ha provocat que dos grans corrents de pensament intenten definir què és la llum. Un corrent defensa que la llum es comporta com una ona i l’altre afirma que la llum està formada per partícules. Posteriorment s’ha comprovat que ni cap de les teories és completament certa ni cap completament falsa.

L’òptica geomètrica, juntament amb la mecànica, és una de les branques més antigues de la física. El seu desenvolupament es realitzà quasi completament entre finals del segle XVI i el segle XVII. Això es per causa que la seua descripció matemàtica no entranya massa dificultat, perquè només utilitza conceptes de geometria ( desenvolupats per Descartes al segle XVI) i les lleis de la reflexió i refracció conegudes des de l’antiguitat i enunciades per Willebrord Snell el 1621.

Al seu torn, el concepte de “raig lluminós”, com una línia per la qual avança la llum sense tenir en compte el caràcter ondulatori  ni el corpuscular , va contribuir a l’avanç de l’òptica geomètrica.

EL PRIMER PERÍODE: ÒPTICA GREGA

No es coneixen amb molta precisió les nocions que es tenien d’òptica en la antiguitat, encara que s’han trobat alguns elements òptics en excavacions arqueològiques. Així, és té constància del descobriment d’un espill, a la piràmide de Sesostris II ( 1900 a.C.), que probablement era utilitzat per a desviar raigs de sol. En qualsevol cas, les primeres nocions que sobre la llum tenien les cultures primitives eren de naturalesa religiosa.

Van haver de ser els filòsofs i els matemàtics grecs, els qui qüestionaren i intentaren explicar quina era la naturalesa de la llum que, evidentment, van vincular estretament amb el fenomen de la visió.

 

La Grècia hel·lènica

A l’Antiguitat clàssica aparegueren diverses concepcions totalment diferents del mètode científic dins l’esquema general de la ciència demostrativa. El mètode de postulats patrocinat per Euclides es convertí en el més eficaç en l’aplicació als temes molt abstractes de : la matemàtica pura, l’astronomia matemàtica, l’estàtica i l’òptica.  En essència  no era un mètode experimental: es derivava en llargues cadenes de premisses que eren acceptades com auto evidents. Per exemple, la major part dels problemes investigats per Arquímedes, el major representant grec d’aquest mètode, no exigia, inclús a la física matemàtica, cap experiment: en formular la llei de la balança i de la palanca, Arquímedes apel·lava no a l’experiment, sinó a la simetria. Però, en assumptes més complexos, en particular a l’Astronomia, les hipòtesis postulades  devien provar-se mitjançant la comparació de les conclusions quantitatives, deduïdes d’elles, amb l’observació.

El mètode dialèctic de Plató estava molt pròxim a aquest tipus d’argumentació; en ell l’argumentació era guiada per l’acceptació provisional d’una proposició i es procedia després a demostrar que o bé conduïa a una auto contradicció o a una contradicció amb quelcom acceptat com vertader, o a cap contradicció. Açò donava una base per acceptar-la o rebutjar-la. L’equivalent matemàtic d’aquesta forma d’argumentació és la reductio ad absurdum usat amplament pels matemàtics grecs.

Filòsofs grecs foren, també, els primers a proposar l’extraordinària idea que el principi d’unitat de la naturalesa consisteix que totes les coses estan finalment composades de petites partícules indivisibles, a les quals anomenaren “àtoms”   (atomos, significa indivisible).

 

Empedocles

Empédocles (Agrigent, Sicília, 484 a.C.-?, 424 a.C.) que diu: “Mirar es tocar objectes amb una ma molt llarga” i formula aleshores la teoria de l’EXTRAMISSIÓ que diu que “dels ulls surten emanacions (molt llargues) que fan contacte amb els  objectes i recullen la  seua forma”.

 

Plató (428-347 AC)

Contemporani de Demòcrit. Fundà l’Acadèmia d’Atenes a l’any 387 a. C. Diferencià dins els extrems entre l’essència i aparença ( en dibuixar un triangle en la sorra el principi és permanent i el dibuix transitori). Té poc interés pel món natural. El seu únic llibre “ el Timeu” ,més fantasia que doctrina, està escrit en un to poètic que irritava la ment analítica d’ Aristòtil. Per ell, en la creació, el diví Demiürg construeix l’univers ordenat. El món estaria fet de quatre elements que són polígons regulars.

Els colors són l’objecte del procés visual i la llum és el medi. La visió és el resultat d’un triple procés: l’ull emet foc. Aquest es combina amb la llum del dia per formar la “sinaugeia” ( raig) i els colors surten a raigs de l’objecte i es combinen amb el raig i la llum. Per Plató la llum és foc, entès com energia. El foc hi està a l’interior a l’exterior dels animals.

El Sol és una lluminària posada pel Demiürg en la segona de les òrbites per tal que el cel estiguera il·luminat per totes les bandes. Per explicar la visió, es requereix a més del Sol, una llum interior dels animals que no és capaç de cremar, tan sols produir una llum suau. Aquest foc, germà del foc exterior, flueix a través dels ulls i quan la llum del dia  envolta eixe corrent de la visió, quan allò semblant trobà a allò semblant, es fon amb ell en un tot, segons l’eix dels ulls formant un únic cos homogeni. Si aquest conjunt toca algun objecte a el  palpa transmet els moviments a través del cos sencer envers l’ànima i es produeix eixa sensació gràcies a la qual diem: “ Dels nostres ulls surt una llum semblant a del Sol”.

Proposava una teoria híbrida:

“Són necessaris la llum del calor innat que travessa els ull ( la principal), la llum exterior similar a la nostra, i aquella que flueix dels propis objectes : sense la conjunció de les tres, la visió no pot ocórrer”.

Per a Demòcrit ( 460-370 a. C.)fora dels àtoms tan sols hi està el buit, de forma que tota la naturalesa està formada per àtoms i buit.

Els atomistes clàssics (Epicur i Lucreci)  consideraven que l’àtom de foc era esfèric. La teoria de la intromissió defensava que els cossos visibles enviaven eidola materials  que entren a l’ull (simulacre, en llatí: com una mena de pel·lícules quasi bidimensionals, còpies exactes de les superfícies visibles) en totes direccions; d’aquestes, les que entraven a l’ull reproduïen l’aspecte dels cossos. Lucreci va comparar les eidola a les pells que les serps generen quan se’n fan una de nova.Com s’esdevenia que còpies materials de cossos molt més grans que l’ull entressin, era un misteri que malmetia seriosament aquesta teoria. Aquesta teoria no fou rellevant ni durant l’Edat Mitjana ni en el Renaixement, només ho fou en el segle XVII quan Gassendi i els mecanicistes revifaren l’integrés per l’atomisme clàssic.

El problema tècnic era que no podia establir-se la correspondència biunívoca entre els punts objecte i imatge que exigeix la geometria.

A l’antiguitat moltes persones pensaven que dels ulls es projectava quelcom que palpava els objectes per veure’ls. Epicur fa notar que és dels objectes d’on brollen.

Els antics pitagòrics afirmaven que els elements estan formats per partícules  amb formes geomètriques regulars, i a la partícula de foc  ( i per tant, la de la llum) li atribuïen la forma d’un tetràedre. L’escola pitagòrica deia que un foc invisible partia dels ulls cap als objectes per tal de palpar-los i explorar-los.

 

Aristòtil

Aristòtil ( 384-322 aC). La teoria de la visió i de la llum d’ Aristòtil intentava superar les dificultats inherents a les altres dues teories rellevants de l’època clàssica, l’atomista i la matemàtica. Per a  Aristòtil, la llum no és una substància pròpia, ni una emanació ( corporal o de cap alta mena) dels cossos materials, sinó un estat de determinades substàncies. Tot agafant com a primària la noció de transparència, Aristòtil distingeix l’estat de transparència electiva o actual ( quan una substància transparent és observada com a tal) de l’estat de transparència  potencial, en el qual una substància transparent no és observada per se. D’aquí la definició aristotèlica de la llum com l’actualització de la transparència d’un medi transparent. Remarquem que la llum aristotèlica no és quelcom visible, sinó una condició necessària de la visió: una condició del medi en què rau  l’ull i li permet rebre els estímuls visuals. L’objecte propi de la visió, allò que l’ull rep és el color, que Aristòtil defineix com allò que pertany a la superfície dels cossos i té el poder de produir canvis qualitatius en un medi transparent ( la transparència del qual ha estat actualitzada). L’ull capta aquests canvis i els comunica al sensus comunis, la facultat de l’ànima que reuneix la informació que els sentits reben. Remarquem que la llum aristotèlica ni és una substància ni pot existir independentment del substrat transparent del qual és un estat. Quant a la visió, però, la llum no hi participa sinó indirectament: n’és una condició necessària, no és pas percebuda en ella mateixa.

Donà una descripció quasi ondulatòria de la llum: els objectes lluminosos vibren i fan vibrar un medi indefinit  presents  (el diàfan) entre l’objecte i l’ull, que provoca el moviment dels humors de l’ull.

 

Epicur de Samos

El filòsof grec Epicur ( 341 a.C- Atenes 270 aC) coneixia la llei de la reflexió de la llum, com ho expressa Lucreci al seu llibre De la naturalesa de les coses en el qual diu clarament que l’angle d’incidència és igual al de reflexió. També parla de la refracció de la llum, indicant que una vareta, parcialment submergida en l’aigua, es veu torta, però no ofereix cap explicació.

 

Euclides

La teoria matemàtica de la visió ens ha arribat en les obres d’Euclides i Ptolmeu. Aquesta teoria pressuposa que la visió es produeix mitjançant raigs visuals que surten de l’ull, que “ toquen” els objectes percebuts i que d’alguna manera no especificada “ informen” l’ull de l’aparença visual dels objectes. D’aquesta teoria se’n diu que és una teoria de l’extramissió, perquè la visió es produeix per quelcom que surt de l’ull. El geòmetra Euclides d’Alexandria (330 a.C- 265 a.C.) va ser el primer a establir un nombre de idees important sobre la llum, que encara hui, d’una manera més elaborada, persisteixen: com ara la propagació rectilínia dels raigs  de llum , la llei de la reflexió i el concepte de raig visual, que dista molt poc del raig lluminós utilitzat hui en dia. És el primer que exposa que la llum està formada per un doll de partícules emeses per la font lluminosa. I també va ser el primer que les va compendiar per escrit en el seu tractat de Catòptica ( reflexió).

 

Model de la visió d’Euclides

El gran avantatge de la teoria matemàtica de la visió és que permet de bastir una ciència òptica matematitzada; aquesta ciència anomenada òptica pels grecs, va rebre el nom llatí de perspectiva. L’Òptica d’Euclides ve encapçalada per “ Definicions”com ara:

  • Les línies ( o rajos visuals) es poden dibuixar en una línies rectes fins a l’objecte
  • Aquestes línies que cauen sobre un objecte formen un con
  • Els objectes observats sota un angle més gran semblen més grans
  • Els objectes  abastits per un raig més alt, apareixen més a dalt
  • Els rajos drets i esquerres apareixen drets i esquerres.
  • Els objectes considerats dins diversos angles apareixen més clars
  • Un angle visual més gran conté més raigs

Amb aquestes hipòtesis, Euclides pot demostrar matemàticament resultats com ara :

  • Teorema V. Magnituds iguals a distàncies diferents de l’ull són vistes ( de mides) diferents, i la que és més a prop de l’ull és vista més gran.
  • Teorema X. Les parts més allunyades de plans situats a sota de l’ull es veuen més elevades.
  • Teorema XXXVI. Les rodes dels carros es veuen de vegades circulars, de vegades oblongues.

Euclides no definí la naturalesa física d’aquestos rajos visuals sinó que, amb els principis de la geometria, estudià els efectes sobre la perspectiva i l’arrodoniment del objectes observats a distància. Euclides tenia una concepció discontínua del con de raigs visuals perquè cada punt sensible de l’ull és origen d’una emissió, de manera que la suma de totes elles produeix un volum troncocònic continu.

 

La teoria de l’extramissió d’Euclides,  seguida pel seu alumne Ptolomeu, on la radiació es emesa per l’ull en forma cònica i en línia recta, en posar-se sobre un objecte opac, es percep perquè la radiació retorna en sentir l’objecte visible

La primera referència històrica del fenomen de la refracció és al llibre d’Euclides “ Catòptica” en el qual recull la següent prova experimental: “ Si es col·loca algun objecte en el fons d’un recipient i s’allunya d’ell la vista de l’observador a una distància a la qual l’objecte no es veja, en omplir el recipient amb aigua, a eixa mateixa distància començarà a veure’s de nou”.

 

Experiment de refracció

No existeix  cap dubte de l’antiguitat de l’experiment ja que s’anomena en altres fonts antigues, com el llibre de Cleòmedes “Teoria dels moviments dels cossos celestes ( any 50), on  comenta: “ Podria el feix lluminós corbar-se en passar a través de les capes humides de l’aire? Aquest fenomen  es semblant al de l’anell que en el fons del recipient no es veu, quan hi està buit, i es fa visible desprès d’omplir-lo amb aigua”.

 

Heró d’Alexandria

.

Si combinem els principis establerts per Euclides, amb els d’Heró d’Alexandria ( 100 dC), que va establir que els rajos de llum recorren el camí més curt, i amb la llei de la refracció estudiada ( encara que no formulada) per Ptolemeu ( 170 dC), tenim quasi en essència les bases d’allò que es coneix com  òptica geomètrica. Heró considerava que els rajos visuals surten a gran velocitat des dels ulls fins a l’objecte i es reflecteixen sobre les superfícies polides però no amb les difuses. Açò es coneix hui com “teoria de l’emissió”.

 

Angle d’incidència i reflexió – Des que Heró d’Alexandria experimentà amb  espills, se sap que un raig de llum (L) que incideix en angle obliquo sobre un espill (E), produeix un efecte de reflexió (R), rebotant el raig lluminós contingut en un pla (P) perpendicular a l’ espill, i formant un angle de reflexió (β) que és igual a l’angle d’incidència (α).

Heró demostrà la igualtat entre l’angle d’incidència i reflexió , ja que el raig segueix la trajectòria més curta. Sobre aquesta base, definí la relació fixa entre l’objecte i la  seua imatge a un espill pla., és a dir, la imatge darrere de l’espill semblà estar a la mateixa distància de l’espill que l’objecte davant d’ell.

 

Ptolemeu ( c. 90 a.C-c. 168 a. C.)

Ptolemeu considerava els raigs visuals com procedents des de l’ull fins a l’objecte, però, a diferència d’Heró, considerava que els raigs visuals no eren línies discretes sinó que formaven un con continu. Ptolemeu amplià el estudi de la visió més enllà de la visió directa i reflectida, abordant la visió dels raigs refractats ( diòptrics). Quan veiem els objectes a través de la interfaç entre dos medis de diferent densitat es produeix la refracció. Féu experiments de refracció quan el raig incident canvia de medi: de l’aire a l’aigua, de l’aire al cristall i de l’aigua al cristall tabulant la relació entre el raig incident i el refractat.

 

Mesures de la refracció

Al llarg de la història es feren diverses mesures de les desviacions dels angles de refracció en espera de trobar proporcionalitats i lleis sense èxit. En el segle II a.C. el grec Ptolemeu tabulà els angles d’incidència i refracció d’un raig lluminós en l’aigua intentant obtenir regularitats entre ambdós i obtingué un resultat semblant al següent. Mentre per a angles petits la relació  roman constant, no succeeix el mateix per a angles majors de 30º.

Ptolemeu empleà un disc la  circumferència del qual estava dividida en 360 parts. En el centre del disc es fixaven els  extrems de dos regles que podien girar al voltant d’ aquest punt. La meitat inferior del disc estava submergida en aigua. Els regles s’orientaven de tal forma que, en mirar al llarg del superior semblarà  que ambdós formaven una línia recta. La mesura de l’ angle β es realitzava per a distints valors de l’ angle α . De les mesures de Ptolemeu es deduïa que no era constant la relació  α/  β sinó que fluctuava entre els valors 1,50 i 1,97 ( sin α/sin β  entre 1,25 i 1,34).

Angle d’incidència i Angle de refracció r Relació
0 0 Indeterminada
10 7 1,5
20 13 1,5
30 20 1,53
40 25 1,59
50 31 1,63
60 35 1,71
70 39 1,81
80 41 1,97

Advertí que els raigs que arriben de les estrelles es refracten en l’atmosfera, per la qual cosa la direcció  observada difereix de la real.

 

La refracció fa que l’alçària aparent d’un astre siga superior a l’alçària real. Així el Sol sota l’horitzó, en S, es veu en S’, per sobre l’horitzó.

Òptica romana

A la història universal, a la civilització grega li succeí l’Imperi Romà. No els recordem de la mateixa manera: els grecs mai abandonaran els nostres cors per :la  filosofia,la ciència, la literatura i l’art escultòric i arquitectònic,  que ens llegaren, mentre que pensem en els romans més per la seua política, els seus exercits, els sistemes  legals que crearen o la seua arquitectura. Hi ha però, quelcom que devem reconèixer-los: no pogueren -ni sembla que volgueren- competir amb els hel·lens en moltes disciplines que aquests desenvoluparen, però si que contribuïren a que no es perguera cap de les seues creacions. Es per això que homes com Plini el Vell mereix el nostre reconeixement.

 

Galè de Pèrgam (129-194 d.C.)

Junt a Hipocràtes, Galè (129-194) és el metge més cèlebre de l’Antiguitat, tant que el seu nom s’ha identificat com el professional de la medicina. Nasqué a Pèrgam, hui pertany a Turquia occidental, però en el seu temps  formava part de l’Imperi Romà. Era membre d’una família de les classes altes urbanes de l’hel·lenisme romà. De fet, la seua vida coincidí amb un dels períodes més florits de l’Imperi. Fou metge oficial, successivament de quatre emperadors.

Enriqueix el debat amb els seus estudis sobre l’anatomia de l’ull ja que descriu en l’anatomia ocular:  la còrnia, l’humor aquós i cristal·lí, la retina i l’iris. Però, no es queda sols ahí ja que continua la trajectòria del nervi òptic fins arribar a la part interna del cervell.

L’objecte central de l’ull és l’humor aquós cristal·lí que és incolor, transparent, lluminós i redó. No és totalment redó, ja que presenta un cert axatament ,la finalitat del qual no és altra que permetre més impressions d’objectes perceptibles que els que rebria en el cas que fos perfectament esfèric. L’humor cristal·lí ocupa la posició central de l’ull no tan sols amb l’objecte de rebre els serveis d’altres humors oculars i túniques sinó també com expressió del seu rang en ésser el seient o seu del poder visual.

Darrere de l’humor cristal·lí hi està l’humor vitri, la funció principal del qual és nodrir al primer en fer de  mitjancer entre ell  i els vasos sanguinis de la retina. Darrere de  l’humor vitri hi ha tres túniques:  la retina, la coroide i l’escleròtica. A través de venes i artèries nodreix a aquest i per la seua intermediació a l’humor cristal·lí, transportant a més a més a aquest últim, per mitjà del nervi òptic, el pneuma visual. La coroide,cobreix i alimenta a la retina mentre que l’escleròtica neix de l’envoltura externa del nervi òptic i la seua funció és eminentment protectora.

 

Fisiologia i anatomia de l’ull de Galè

Hi ha també un humor i tres túniques en la part anterior del cristal·lí. L’humor aquós ( o albuminoide) d’aparença semblant a la clara d’ou, separa l’humor cristal·lí de la úvea i la seua funció és nodrir i humitejar el cristal·lí. La úvea posseeix una obertura en la seua part anterior a través de la qual pot sortir el pneuma, nodreix, a la vegada a la còrnia i evita que aquesta faça malbé  al cristal·lí. La còrnia prolongació de l’escleròtica, és transparent i dura, actuant com element de protecció del globus ocular. Finalment, l’última túnica, la conjuntiva, recobreix el conjunt.

A més del globus ocular, l’aparell òptic consta dels anomenats nervis òptics que neixen en la part posterior dels ventricles anteriors del cervell, s’uneixen breument en un quiasma òptic i es dirigeixen als ulls, de manera que el nervi que té el seu origen en la part dreta del cervell va a l’ull esquerre i el que neix en el costat esquerre acaba també a l’ull esquerre. Els nervis òptics són buits de manera que poden actuar com a canonades que condueixen el pneuma òptic des cervell fins als ulls.

 

Tall esquemàtic de l’ull humà – © Fototeca.cat

En una descripció somera les  seues tesis són: En presència del Sol, el medi junt amb els  efluvis, es converteixen  en una extensió del “Jo”. Però el pneuma no arriba molt lluny, sí ho fa el medi que es transforma en la interacció. Això podria explicar perquè perceben les estrelles malgrat la seua distància. Aquest medi activat actua a manera de bastó en la detecció dels objectes.

Destaca la importància de l’aire entre l’ànima i la imatge. La informació de la forma i color arriba als buits del cervell o consciència(“hegemonikon“).El medi en aquesta doctrina és actiu, a l’inrevés que en Aristòtil.

Les seues idees es relacionen amb les platòniques: un fluid dirigit cap a l’exterior i d’altre interior que sense sortir de l’ull, sensibilitza aquest òrgan i el fa apte per ésser impressionat pel primer fluid. La seua influència comença a notar-se huit segles després fora del món grecoromà quan Alhacen sintetitza els estudis fisiològics i geomètrics en utilitzar descripcions anatòmiques.

L’ocàs dels clàssics

Quan l’imperi romà conquesta tota la Mediterrània, els seus interessos per la ciència són ben minsos. Segueixen valorant la cultura grega, però la veuen poc pràctica, i de fet mantenen obertes l’Acadèmia i el Liceu als quals envien els seus fills per tal de rebre una polida educació. L’única figura que destaca en el terreny de  l’òptica és el poeta Lucreci, del qual hem parlat junt els atomistes. El filòsof hispà Sèneca té alguna referència aïllada a les lents de Plini el Vell, ens relata que alguns individus veuen millor de prop i d’altres de lluny. Diu també que els gats i els llops veuen en la foscor.

Fou, efectivament, Plini el Vell no un creador sinó un recopil·lador, una deixes persones que afavorides per les circumstàncies del devenir històric faria que el seu nom superara l’oblit. La seua voluminosa Història Natural, està dividida en trenta set llibres, en els quals analitza i descriu : el món,els elements, països, pobles, animals, plantes ,medicaments, geologia, mineralogia etc. En resum una ambiciosa enciclopèdia de tots els coneixements que descrivia el món clàssic.

Quan tenia 56 anys, el Vesubi entrà en erupció i Plini , insaciable en la seua afany de coneixement volgué estudiar de prop el fenomen, traslladant-se a Estàbia, prop de Pompeja.  Mentre continuava amb  les seues observacions, en medi de les cendres i pedres incandescents que vessava el volcà, morí asfixiat pels vapors sulfurosos o cremat pels corrents volcàniques procedents del Vesubi que cobriren Pompeja el 24 d’agost de l’any 79. Com diu la llegenda d’Arquímedes,la mort de Plini el Vell, constitueix un cant a l’amor per la indagació científica

 

Sèneca (3 a 65 d.C.)

Sèneca fou el primer en mencionar la capacitat amplificadora de les lents convergents en descriure com  es  veuen les coses a través d’un globus de vidre ple d’aigua. Descriu els colors que es veuen  a través d’un prisma transparent.

Una vegada que arriben els pobles bàrbars envaeixen el feble imperi, els erudits emigren a Bizanci on es queden i copien  els texts grecs antics. Allí es conservaren les tradicions clàssiques tamisades per la cultura oficial. El tancament del Liceu d’Edesa, continuació del fundat per Aristòtil a l’any 489 d.C., i l’Acadèmia neoplatònica d’ Atenes per ordre de l’emperador Justinià a l’any 529 d.C., provocà un nou èxode de molts intel·lectuals i cristians nestorians envers les corts dels reis Sassànides de Persia i Síria, on foren ben acollits.

Bibliografia

  • Física. 2n de Batxillerat . SM. 2009
  • Introducción a los conceptos y teorías de las ciencias físicas. Gerald Holton. Reverté. 1993
  • La ciencia de la luz . Investigación y Ciencia. Monográfic.
  • Llum i color. IEC. Monografies de la secció de ciències.2001
  • Historia general firmaments i el Sol de las ciencias. La Edad Media. Orbis.1988
  • Historia de la física. De Arquímedes a Einstein.Agustín Udías Vallina Síntesis.2004
  • Historia de la Ciencia: De San Agustín a Galileo/2. Siglos XIII-XVII. A.C. Crombie. Alianza Universidad. 1987
  • Los principios de la física en su evolución histórica. Carlos Sánchez del Rio. Instituto de España. 2004
  • Historia de la Ciencia. Carlos Solís y Manuel Sellés. Espasa. 2007
  • U.A. Departament d’Òptica / Anatomia i Farmacologia. Guió de la pràctica: ÒPTICA GEOMÈTRICA: REFLEXIÓ, REFRACCIÓ I LENTS.
  • The Feynman Lectures on Physics. Fondo Educativo Interamericano. 1971
  • Marcelo Alonso.Física. Volumen II. Interacciones y campos.  Fondo Educativo Interamericano. 1976
  • Cours de Phisique Genérale.Optique. Tome IV . D.Sivoukhine. Mir 1991
  • El canon científico. Jose Manuel Sánchez Ron. Crítica.2005
  • Alhacén. El Arquímedes árabe. Ricardo Moreno. Nivola
  • Paralipòmens a Vitel·lió : els orígens de l’òptica moderna. Kepler, Johannes.
  • IEC 2010
  • Historia de la astronomía. G. Abetti. FCE.1992
  • Historia Social de la ciencia.John D. Bernal. Península.1968
  • Un breu recorregut per l’òptica. Vicent Climent Jordà. Universitat Jaume I. Lliçó inagural del curs 2007/ 08
  • La Nueva Ilustración. Ciencia, Tecnologia y Humanidades en un mundo interdisciplinar.  José Manuel Sáncuez Ron. Ediciones Nobel. 2011
  • Fundamentos de óptica. Bruno Rossi. Reverté.1978
  • Ciencia y filosofía en la Antigüedad. Benjamin Farrington. Ariel. 1984
  • Grandes experimentos científicos. Rom Harré. Labor. 1986
  • Discurso del método, dióptrica, meteoros y geometría. R. Descartes. Alfagura.1981
  • Óptica. I.Newton. Alfaguara. 1977
  • Source Book in Physics. W.F. Magie. Harvard University Press. 1963
  • Great experiments in Physics. M.H. Shanon. Dover .1987
  • Física. Tipler,P.A.Volum 2. Reverté.1994
  • Charlas sobre la refracción de la luz. Tarásov, L ; Tarásova, A. Mir.1985
  • Física conceptual. Paul G. Hewitt. Pearson.1999

REDACCIÓ

 

Collage sobre libritos de papel de fumar (colección Víctor Catalá Monfort)

Papel de fumar de la Colección Víctor Catalá Monfort from Jesús Martínez on Vimeo.

 

Créditos

Trabajo de investigación: La industria del papel en Alcoy y comarcas adyacentes

Autores:Víctor Catalá, Virgilio Colomina y Víctor Vilaplana

Fotografías: Jesús Martínez

Música: Nagpur (Sevillanas Dhun), interpretadas por Miguel Czachowski (2005)

Concurso Esdelibro 2012

Pepa Alabort
Coordinadora UNESCO

 

Tots els anys, el 2 d’abril, l’IBBY (International Board on Books for Young People) cel·lebra el DIA INTERNACIONAL DEL LLIBRE INFANTIL, amb l’objectiu de commemorar el naixement de l’escriptor danès Hans Christian Andersen promocionant els bons llibres infantils i fomentant la seua lectura entre els més joves.

Cada any també és un país membre de dita Organització Internacional l’encarregat d’editar el cartell anunciador i el missatge adreçat a tots els xiquets i les xiquetes del món. Aquest 2012, la secció responsable és Mèxic, que ha encarregat el cartel anunciador a  Juan Gedovius i el missatge institucional a Francisco Hinojosa: Hi havia una vegada un conte que contava el món sencer.

Col·laboren amb IBBY México: Estudio Urquiza, Goethe Institut i SREWeb.

Més informació:

http://www.oepli.org/pag/cas/dia.php

http://www.clijcat.cat/

http://www.que.es/ultimas-noticias/sociedad/201204021344-internacional-libro-infantil-juvenil-guardian-cont.html

http://reau07.blog.com.es/2012/04/02/dia-internacional-del-libro-infantil-y-juvenil-13386796/

http://newsletter.grao.com/boletines/1244201204020000CA.html