HISTORIA DE LA FISICOQUÍMICA

De acuerdo con el gran científico holandés Jacobus Henricus van’t Hoff, la fisicoquímica es una ciencia que se encarga de conferir conocimiento físico a la química. Uno de los primeros pasos fundamentales para comprender la materia y sus propiedades fue el estudio de la propiedad física del peso y la introducción del instrumento balanza para medirlo. Antoine Lavoisier fue uno de los primeros en hacer uso de este conocimiento físico y ligarlo al descubrimiento de la Ley de la Conservación de la Materia. Lo anterior motivó a John Dalton a concebir, como lo hicieron los antiguos griegos, entre ellos Demócrito, la materia como constituida por átomos (unidades indivisibles de naturaleza propia). Asimismo, los conceptos de densidad y volumen llevaron a Joseph-Louis Gay Lussac y Amadeus Avogadro a concebir la idea de moléculas (estructuras formadas por átomos). Avogadro llegó a la conclusión de que un mismo número de moléculas de diferentes gases ocupan, sin embargo, el mismo volumen bajo las mismas condiciones de temperatura y presión (Hipótesis de Avogadro). Esto condujo a poder establecer los pesos relativos (masas molares) de diferentes moléculas. Pierre Dulong y Alexis Petit lograron relacionar que una propiedad física conocida como el calor específico, es casi el mismo para compuestos formados por diferentes átomos; es decir, se requiere una cantidad aproximadamente igual de calor para elevar la temperatura en una unidad tanto para siete partes de litio como para 240 de uranio. Michael Faraday, al estudiar otra propiedad física, la conductividad eléctrica de soluciones de sales en agua, encontró que la cantidad de electricidad que transportan las sales de zinc corresponde al doble de la que transportan las sales de potasio, bajo condiciones molares idénticas. Hermann von Helmholtz explicó que no sólo la materia, sino también la electricidad existen en cantidades discretas (las cargas de los iones que se producen al disolver sales son múltiplos de la carga del electrón). Otra propiedad física, la luz emitida por gases tratados a alta temperatura, inspiró a Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff la idea de los espectros de emisión de los átomos al ser excitados por energía térmica. La idea de la existencia del átomo fue reforzada una vez más. Alexander Newlands, Dimitri Mendeleev y Lothar Meyer pudieron correlacionar propiedades físicas, como el volumen molar o atómico con las masas relativas de los elementos químicos, lo cual dio lugar a la construcción de la Tabla Periódica de los Elementos. La termoquímica, una de las principales ramas de la fisicoquímica, ha sido definida por Frederick D. Rossini como aquella que trata de los cambios de energía interna o entalpía asociados con reacciones químicas. La termoquímica proporciona datos experimentales que son compilados en tablas, las cuales permiten la evaluación de los calores de reacción de muchas reacciones. El fin último de la termodinámica química es la evaluación de la energía libre de formación de los compuestos químicos en todos sus posibles estados físicos. 

La termodinámica, según el profesor Gilbert N. Lewis, es una de las tres ramas principales de las ciencias naturales debido a la variedad de deducciones que se pueden realizar a partir de un pequeño número de postulados fundamentales. Esta ciencia es un monumento al poder de la mente humana, y su estudio intensivo es ampliamente recompensado por la satisfacción estética e intelectual derivada del reconocimiento de que el orden y simplicidad han sido descubiertos a pesar de la enorme complejidad de la mayoría de los fenómenos naturales. Los métodos de la termodinámica han conseguido una precisión cuantitativamente alta, en comparación con las ideas vagas de la afinidad química utilizadas desde tiempos de los alquimistas como Paracelso. Irving Langmuir, considerado el padre de la fisicoquímica de superficies en Estados Unidos, desarrolló el concepto de adsorción (cuando moléculas de un gas se adhieren a la superficie de un sólido) y de reacciones químicas en superficies (moléculas adsorbidas sobre una superficie pueden reaccionar entre sí cuando se les ubica muy cerca una de otra), noción muy útil en catálisis heterogénea.

Albert Einstein expresó alguna vez lo siguiente sobre la termodinámica, una de las ramas más importantes de la fisicoquímica:

Una teoría es más impresionante mientras las premisas sobre las que se apoya sean las más sencillas, relacione la más amplia variedad de cosas y más extensa sea su área de aplicación. Por lo anterior la termodinámica clásica ha dejado en mí la más honda impresión ya que es la única teoría física de contenido universal que jamás será depuesta.

Visión general de la termodinámica como una rama importante de la fisicoquímica.

La termodinámica es una ciencia física relacionada con la transferencia de calor y la aparición o desaparición de trabajo durante la ocurrencia de procesos químicos y físicos. Los procesos sujetos a consideraciones termodinámicas incluyen no sólo los fenómenos naturales que ocurren cotidianamente, sino también reacciones químicas controladas, funcionamiento de maquinaria, y aun procesos hipotéticos, como reacciones químicas que no ocurren, pero que se pueden imaginar. La termodinámica tiene una amplia aplicabilidad, lo que la hace poderosa para atacar muchas clases de problemas importantes; al mismo tiempo, sin embargo, esta generalidad la hace incapaz de responder a muchas de las preguntas específicas que resultan en conexión con tales problemas. La termodinámica, por ejemplo, nos puede informar que un proceso ocurrirá, pero no qué tan rápido lo hará, y puede describir con frecuencia cuantitativamente un cambio global de estado sin darnos ninguna indicación del carácter del proceso por medio del cual el cambio ocurre.

Históricamente, la ciencia de la termodinámica se desarrolló para llegar a tener una mejor comprensión del funcionamiento de las máquinas térmicas, con particular énfasis en la conversión de calor en trabajo útil. Para el funcionamiento de dichas máquinas se encontraron principios básicos que las gobiernan, y a partir de ellos se dedujeron aplicaciones básicas para la química. Por esta razón se puede hablar de la “termodinámica química” como una disciplina, con las mismas consideraciones básicas que cualquier otra rama de la termodinámica, pero con una profusión inigualada de ejemplos y aplicaciones.

Aunque una reacción química típica, tal como la oxidación del hierro o la hidrólisis de un éster, puede parecer tener un comportamiento muy alejado del de una máquina térmica, aplican los mismos principios fundamentales de calor y trabajo. Sin embargo, para facilitar el desarrollo de la termodinámica, es conveniente y a veces necesario definir otros numerosos conceptos que se derivan de, o están relacionados con aquellos de calor y trabajo. Entre otros se definen conceptos como las funciones de energía y entropía, que están sugeridas por, o provienen de ciertas leyes de la termodinámica; estas leyes también proveen una base para el desarrollo lógico del tema. Otras funciones, como la entalpía y la energía libre, son definidas principalmente por conveniencia y no por ser sugeridas por leyes.

La primera y segunda leyes son fundamentales para la comprensión de la ocurrencia de procesos termodinámicos. 

La primera ley trata acerca del intercambio de energía o cuánto de un tipo de energía es equivalente a otro tipo de energía. Sin embargo, se encontró que en la práctica no siempre se puede hacer este intercambio.

La segunda ley probablemente es la más fascinante de la ciencia y tiene que ver con toda clase de procesos. Indica qué cambios son posibles y cuáles no; indica la imposibilidad de desarrollar máquinas de movimiento perpetuo; indica la dirección del tiempo; explica el envejecimiento, etcétera.

La fundación de la termodinámica ocurrió durante la primera mitad del siglo xix. Los trabajos de Black, Rumford, Hess, Carnot, Mayer, Joule, Clausius y Kelvin establecieron los principios básicos de la teoría de la energía.

Posteriormente vino la tarea de construir a partir de estos principios cardinales el gran cuerpo de teoremas termodinámicos. Este fue un trabajo de muchos hombres, entre los que se puede mencionar a Van’t Hoff, y especialmente a J. Willard Gibbs, cuya gran monografía The Equilibrium of Heterogeneous Sustances ha sido una rica e inacabable mina de material termodinámico.

Una tercera etapa del desarrollo termodinámico está caracterizado por el diseño de métodos más específicos y sus aplicaciones a procesos químicos particulares, junto con una acumulación sistemática y utilización de los datos de la termodinámica química.

La fisicoquímica en México.

Según el gran científico y maestro mexicano Leopoldo García-Colín (uno de los 40 integrantes del Colegio Nacional de México), la fisicoquímica es una disciplina que versa sobre el estudio de procesos químicos observados bajo la perspectiva de las leyes de la física. Otra definición aún más drástica afirma que es la aplicación de las leyes de la física al estudio de fenómenos químicos. Con esta última acepción posiblemente simpatizaría Paul Dirac, quien alguna ocasión afirmó que una vez establecida la mecánica cuántica, la química se convertía en una mera aplicación de las leyes de la física.

Por otra parte, García-Colín establece que la enseñanza formal de la química (y por ende de la fisicoquímica) en México se inició el 23 de septiembre de 1916 con la fundación de la Escuela Nacional de Química Industrial, antecesora de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM).

Desde la década de 1990 la inversión extranjera en las industrias químicas de México ha sido de alrededor de 94% en la industria farmacéutica, 90% en la alimenticia, 80% en la del hule, y en la industria petrolera la cantidad de millones de dólares que se pagan anualmente por conceptos de compra de tecnología, asesoramiento, regalías y otros renglones similares es una fracción importante del presupuesto del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP), el cual es el centro de investigación y desarrollo ligado a la industria paraestatal mexicana Petróleos Mexicanos (Pemex). Como ciencia, la fisicoquímica en México experimenta un subdesarrollo aún más notable que en los casos de la física y las matemáticas.

La década de 1960 en México contempló el nacimiento de dos grandes centros de investigación en el Distrito Federal, uno el Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (Cinvestav) y otro, el IMP, ambos relacionados con la investigación en química. El primero, junto con la Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa (UAM-I), cuentan con los mejores departamentos de química que hay en el país. En ellos existen grupos de gran prestigio que realizan investigación básica y aplicada en temas de fisicoquímica moderna: química cuántica, electroquímica, catálisis homogénea y heterogénea, espectroscopia, complejos inorgánicos, química de superficies, química de compuestos boro-fósforo, etc. 

Por su parte, a la par de estos centros de investigación, la Facultad de Química y el Instituto de Química de la UNAM cuentan con excelentes grupos de investigación en las áreas de termodinámica y química cuántica muy consolidados después de tantos años. Los siguientes son temas de la fisicoquímica y están entre los más importantes que se cultivan en las instituciones de educación superior e investigación de México:

1. Fisicoquímica de polímeros y macromoléculas.

2. Biofisicoquímica.

3. Fisicoquímica farmacéutica.

4. Química biomimética.

5. Fisicoquímica y ciencia de materiales.

6. Petroquímica y ciencias afines.

7. Fisicoquímica de semiconductores.

8. Fisicoquímica de superficies.

9. Fisicoquímica de procesos extractivos.

Fuente: Fernando Rojas González e Isaac Kornhauser Strauss, "Introducción a la Fisicoquímica", EMC-COSMOS, La Enciclopedia de las Ciencias y la Tecnología en México, Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa.
 

Para enterarte más sobre la historia de la Termodinámica, te invitamos a leer el siguiente documento:

Fuente: Justo Roberto Pérez Cruz, "La Termodinámica  de Galileo a Gibbs" Fundación Canaria Orotava de Historia de la Ciencia.