Química, la ciència de les substàncies
La definició de Química més utilitzada -paraules més, paraules menys- és la següent:
la Química és la ciència que estudia la matèria, l’energia i els seus canvis.
Tot i que aquesta definició és certa, és summament imprecisa. La Química no estudia tot el que té a veure amb la matèria i l’energia. Més aviat és la Física és la que estudia la majoria dels fenòmens que tenen a veure amb aquests dos objectes d’estudi. La Química només estudia una petita part d’aquest univers:
La Química és la ciència que estudia tot el relacionat amb aquells processos en què s’obtenen unes substàncies a partir d’altres (Sosa i Méndez, 2011).
l’objecte d’estudi de la química són les substàncies i les seves interaccions. La Química és la ciència de les substàncies.
La química ha acompanyat a l’home al llarg de tota la seva història (fins i tot des d’abans de la seva aparició, fa gairebé 200,000 anys, com Homo sapiens sapiens). I en aquest llarg camí, la Història ha influït en la Química i aquesta, al seu torn, ho ha fet sobre aquella. A continuació, una breu ressenya d’alguns processos químics que han tingut un paper clau en el transcurs de la Història (Sosa, 2015).
El foc
Curiosament, no vam ser nosaltres, els primers a dominar el foc. Fa 500,000 anys, l’Homo erectus pekinensis ja feia servir el foc per cuinar, ja que en la seva cova s’han trobat cendres i carbó vegetal associats a ossos d’animals ja llavors cremades.
La ceràmica
Segurament, els homes antics van conviure amb la química de molt diverses maneres. Però el primer procés químic, 10,000 a.C., que va tenir gran influència en la història humana va ser la possibilitat de formar una pasta modelable agregant-li aigua a l’argila i la seva posterior enduriment amb la forma desitjada mitjançant l’acció de foc. La fórmula de l’argila és Al2O3 · 2SiO2 · H2O i el seu nom químic és silicat hidratat d’alúmina
La ceràmica, l’art de fabricar recipients i atuells, va ser peça clau en el pas de la vida nòmada a la vida sedentària de la humanitat. La paraula ceràmica deriva de el grec Keramikos que significa, ni més ni menys, substància cremada.
El coure
L’home va tenir accés a l’coure des del principi dels temps. Per això s’han trobat utensilis de coure, al voltant dels 7,000 a. C., a Turquia ia l’Iraq.
No obstant això, els nostres avantpassats van aprendre a obtenir-químicament al voltant dels 4,000 a. C. Feien reaccionar minerals com la malaquita i l’atzurita amb carbó. Aquests minerals contenen diverses substàncies però les que estan en major quantitat són els carbonats de coure. En el cas de la malaquita, es tracta del dihidròxid de carbonat de coure (II). La reacció és la següent:
l’obtenció química de l’coure va ser l’inici de l’anomenada Edat de l’coure, apareixent gresols en tota la zona entre els Balcans i l’Iran, incloent Egipte.
El bronze
El bronze va resultar ser l’aliatge més innovadora de la història tecnològica de la humanitat. Eines, armes, i diversos materials de construcció com mosaics i plaques decoratives van aconseguir major duresa i durabilitat que els seus predecessors en pedra o coure.
La tecnologia de el bronze era coneguda cap a 4.500 a. C., prop de Bang Chieng, Tailàndia. La tècnica consistia en posar en contacte un mineral de coure (calcopirita o malaquita) amb un mineral d’estany (cassiterita) en un forn alimentat amb carbó vegetal. El carboni de l’carbó vegetal reacciona amb els minerals i es produeixen coure i estany. La reacció que donava lloc a l’estany és la següent:
A la temperatura de forn, els dos metalls es fonien i estant líquids es barrejaven perfectament. La quantitat d’estany era d’un 5 a 10% de la massa de l’aliatge resultant. La metal·lúrgia de la fabricació de bronze va donar origen a l’anomenada Edat de Bronze.
El guix i la calç
El foc -a part d’il·luminar, donar calor, protegir de les feres i cuinar- va permetre a l’home fabricar els seus primeres substàncies: el guix i la calç. En el Proper Orient, durant el mil·lenni IX a. C., es troben construccions en les que es van usar el guix i la calç.
Tant el guix com la calç es fabricaven mitjançant l’ús de foc. El guix s’obtenia calcinant una pedra natural anomenada aljiez. Mentre que la calç es produïa sotmetent la pedra calcària a foc.
El ferro
El ferro no es troba com a substància elemental en la natura. Cal obtenir-lo a partir de substàncies compostes.Es pot obtenir mitjançant reaccions químiques, a altes temperatures, a partir de minerals com l’hematita i la magnetita que contenen òxids de ferro.
El poble dels hitites va ser un dels primers a utilitzar espases de ferro. Les civilitzacions que encara estaven en l’Edat de Bronze, com els egipcis o els aqueus, van pagar car, davant d’aquells, el seu endarreriment tecnològic.
El material obtingut no era pur ferro sinó un aliatge amb una petita quantitat de carboni (entre 0.05 i 0.25% de la massa) anomenat ferro forjat. La seva característica principal és que quan està molt calent (a el vermell viu) és molt tou però que s’endureix a l’refredar de cop. Així, mentre està sota l’acció de el foc se li pot donar la forma que es desitgi que conservi quan es refredi.
A el període en què es va substituir l’ús de el bronze pel de el ferro -que es va produir en diferents dates, segons el lloc- se li denomina Edat del Ferro.
Però va ser fins al 1,400 d. C. que es van començar a utilitzar els forns proveïts de manxa, que permeten arribar a la temperatura de fusió de l’ferro: uns 1,535 ° C!
I va ser tot just, fins 1,855 d. C., que es va poder tenir un procés de refinat i reducció de ferro per produir acer en quantitats industrials a baix cost.
El vidre
El vidre és un altre material que vam aprendre a fabricar. Els primers objectes de vidre que es van fabricar van ser comptes de collaret. La manufactura de l’vidre es va poder haver originat a l’Orient Mitjà durant el Tercer Mil·lenni a. C.
Amb tota seguretat, la fabricació de el vidre es va desenvolupar extraordinàriament en l’Antic Egipte (1,500 a. C.) com evidencien els nombrosos objectes d’ús quotidià i d’adorn descoberts en les tombes.
El vidre de l’antiguitat va poder estar fet principalment de quars, SiO2. El carbonat de sodi, Na2CO3, s’agregava per ajudar a que el quars es fongués a menor temperatura. Finalment, per millorar la qualitat de l’vidre, se li afegia carbonat de calci, CaCO3.
El color era a causa de la presència d’altres òxids metàl·lics: de ferro, de manganès, de coure, de cobalt, etcètera .
el paper
a l’Antic Egipte (3,000 a. C.), s’escrivia sobre papir (d’on prové la paraula paper). El papir s’obtenia a partir de la tija d’una planta (Cyperus papyrus) molt abundant en les riberes del riu Nil.
Els primers a fabricar paper van ser els xinesos en Segle II d. C. El fabricaven a partir dels residus de la seda, la palla d’arròs i de cànem, i fins i tot de l’cotó.
Es considera tradicionalment que el primer procés de fabricació de el paper va ser desenvolupat per l’eunuc Cai Lun, conseller de l’emperador He d’Han.
Durant uns 500 anys, la fabricació de paper només es va realitzar a la Xina. L’any 610 es va introduir al Japó, i al voltant de l’750 a l’Àsia central. El coneixement es va transmetre als àrabs, qui al seu torn ho van portar a Espanya i Sicília al segle X. Més tard, l’elaboració de paper es va estendre a França que va començar a produir-lo a partir d’el lli des del segle XII.
la cel·lulosa constitueix la matèria primera de el paper i dels teixits de fibres naturals. És un polímer fet de fragments de glucosa que es repeteixen en la seva estructura un sens fi de vegades. La cel·lulosa forma la major part de la biomassa terrestre.
La pólvora
La pólvora va ser inventada a la Xina per fer focs artificials i armes, aproximadament al segle IX de la nostra era. Els grecs i els àrabs la van introduir a Europa al voltant de l’1200.
En 1334, la pólvora ja es fabricava a Anglaterra i, en 1340, Alemanya comptava amb instal·lacions per produir-la.
El primer intent d’emprar la pólvora per minar els murs de les fortificacions es va dur a terme durant el lloc de Pisa (Itàlia) en 1403. en la segona meitat de segle XVI, la fabricació de pólvora era un monopoli de l’Estat en la majoria dels països.
en la Batalla de Lepant en 1571, entre turcs i cristians, la pólvora va tenir un paper definitiu. Mentre que els cristians van usar arcabussos, els turcs van preferir les fletxes, considerant que, en el temps de carregar un arcabús, un arquer podia disparar trenta fletxes. Però ni els danys, ni l’abast, ni la punteria eren comparables.
La pólvora és un material explosiu que conté diverses substàncies barrejades: nitrat de potassi (KNO3), sofre i carbó. A l’contacte amb una flama, aquestes tres substàncies sòlides reaccionen entre si per produir tres substàncies: sulfur de potassi (K2S), nitrogen (N2) i diòxid de carboni (CO2). La primera és sòlida però les altres dues són gasoses. El truc està en empaquetar fortament la pólvora.Atès que els gasos ocupen volums summament grans, a l’formar-exerceixen una pressió enorme dins de l’empaquetament produint finalment una estrepitosa i violenta explosió.
L’alumini
L’alumini va ser descobert tot just en 1808. en 1880, era encara una raresa. A el fill de Napoleó III, per exemple, li van regalar una exòtica i caríssima sonaja d’alumini.
La invenció de el procés que permet produir alumini en quantitats industrials és una història exemplar de la simultaneïtat d’un descobriment científic.
Charles Martin Hall i Paul Louis Toussaint Héroult van néixer tots dos en 1863 i tots dos van morir en 1914. Els dos es van dedicar a la química però van treballar, sense relació entre si, en dos continents diferents: el primer en un petit poble d’Ohio, el segon als afores de París. Durant l’hivern-primavera de 1886, van trobar per separat solucions pràcticament idèntiques a el problema d’obtenir l’alumini a partir d’un mineral.
El procés Hall-Héroult consisteix a dissoldre alúmina, Al2O3, en criolita, Na3AlF6, i després descomposar en alumini i oxigen mitjançant l’acció de l’electricitat.
l’amoníac
les plantes són les grans fàbriques de la natura. Elles no necessiten menjar vitamines o aminoàcids. El que fan és sintetitzar elles mateixes. Per a això necessiten les matèries primeres adequades. Aquestes matèries primeres són els fertilitzants.
Per exemple, per sintetitzar els aminoàcids de les proteïnes es requereix, com a matèria primera, substàncies les partícules contenen l’element químic nitrogen.
La majoria de els fertilitzants nitrogenats s’obtenen a partir de l’amoníac, NH3. Aquest s’obté industrialment mitjançant el procés Haber-Bosch. Per aquesta aportació, els químics Fritz Haver i Carl Bosch van rebre el Premi Nobel de química en els anys 1918 i 1931, respectivament. El procés consisteix a fer reaccionar les substàncies elementals nitrogen, N2, i hidrogen, H2, a alta temperatura, alta pressió i en presència d’un catalitzador:
Aproximadament la meitat de l’nitrogen contingut en els productes agrícoles prové de fertilitzants sintètics, fabricats a partir de l’amoníac. La producció global d’amoníac gairebé es va duplicar durant la dècada dels cinquanta, es va quadruplicar per a 1975, i després d’un breu període d’estancament a finals dels vuitanta, va aconseguir 130 milions de tones a l’any a la fi de el segle vint.
l’explosió demogràfica de les substàncies
Des del descobriment de foc fins ara, principis de l’Segle XXI, els Homo sapiens hem anat aprenent a obtenir unes substàncies a partir d’altres, hem establert les regles del joc de la Química.
Una vegada conegudes aquestes regularitats, els químics s’han dedicat, entre altres coses, a crear milers, centenars de milers i, ara per ara, milions de substàncies.
Medicaments, tints, conservadors d’aliments, fibres, additius, materials amb propietats òptiques, magnètiques o elèctriques, dures, toves, elàstiques, resistents, durables, etcètera, etcètera. Substàncies a la mesura
L’American Chemical Society té una secció -la Chemical Abstracts Section (CAS) – que es dedica a registrar i capturar els resums (abstracts en anglès) de tots els articles científics relacionats amb la química que es publiquen. El CAS també registra (i els assigna un nombre) totes les substàncies noves que es creen a través de les diferents investigacions en química. Avui es tenen registrades més de 100 milions de substàncies.
De l’amoníac per aquí, s’han creat desenes de substàncies, materials i processos que han transformat agudament la nostra manera de vida. Una ressenya de les aportacions de la Química dels últims temps ameritaría un altre espai i un altre moment. I, segurament implicaria un treball descomunal.