Los colores del pasado

Hay un aspecto muy importante de la química que ya pertenece claramente a su pasado. Me refiero al descubrimiento de nuevos elementos naturales. Hago hincapié en “naturales”, ya que los nuevos elementos que se están añadiendo, núcleos superpesados, no existen en el laboratorio más que durante fracciones de segundo, y por supuesto no los encontraremos en la naturaleza.

Aun siendo naturales, muchos elementos están presentes en la corteza terrestre en cantidades tan pequeñas que posiblemente nunca se hubieran descubierto por métodos ordinarios de análisis mineral. Sin embargo, pudieron ser detectados y descubiertos en la segunda mitad del siglo XIX, tras la invención por parte de Kirchhoff y Bunsen del espectroscopio. 

Se trata de un instrumento óptico  consistente en un colimador, o tubo de metal con una lente ajustada en un extremo, y cerrado en el otro excepto por una rendija situada a la distancia focal de la lente para admitir luz de la sustancia incandescente que se examina. Añadamos también una plataforma giratoria que contiene un prisma montado para recibir y separar los rayos paralelos de la lente, y un telescopio para observar el espectro producido por el prisma, y tendremos en instrumental completo. Con la aplicación de este aparato, muy pronto se descubrieron dos nuevos metales, el cesio y el rubidio, que clasificaron como pertenecientes a la misma categoría (o grupo) que el sodio y el potasio, que habían sido descubiertos previamente por Davy, y que el litio, que se añadió a la lista de elementos por Arfvedson. En esos mismos años llegó también el descubrimiento espectroscópico del talio por Sir William Crookes, y el del indio por parte de F. Reich y H.T. Richter, de la Freiberg School of Mines, analizando blenda de cinc. Todo ello, entre 1860 y 1863.

¿Cuál fue el inicio de este modo de detectar nuevos elementos?

Nos tenemos que remontar al siglo XVI, cuando el alquimista suizo-alemán Leonhard Thurneysser (1531-1596) reconoció varias sustancias por su comportamiento cuando se calentaban y por los colores que le daban a la llama. Describió este método de análisis en un poema que comienza como:

“Des Schlichs Gehalt du im Glühen kennst

An der Farbe  der Flamme, wenn du ihn brennst”

Bueno, como muchos no sabemos alemán, casi mejor que ponga la traducción si queremos enterarnos de algo:

“Conoces el contenido del lodo en el resplandor 

Por el color de la llama, cuando lo quemas”

Mucho mejor ahora, no hay color (o sí, mucho, como veremos a continuación).

¿Es este fenómeno fácil de ver? Pues sí, bastante. Solo necesitamos una llama y colocar en ella al elemento (por ejemplo en forma de sal). Aquí dejo unos vídeos que grabé en el laboratorio, mirando de forma rápida, a la llama de un soplete, algunas sales que tenía a mano.

• Sales de cobre

• Sales de cobalto

• Sales de sodio

• Sales de bario

Quedémonos con el color de las sales de sodio, que volverán a aparecer en nuestra historia.

Un par de siglos después de Thurneysser, en 1752, Thomas Melville, experimentando con algunas llamas coloreadas, observó la llama amarilla del sodio (que acabamos de ver en los vídeos), aunque no sabía la causa de esa llama. En 1758, Marggraf observó el color amarillo que daban las sales de sodio a la llama, y el lavanda de las sales de potasio. 

Ya en el siglo XIX, en 1802, Wollaston examinó el espectro de la llama de una vela a través de un prisma, y vio un espectro de bandas discontinuas. Observó que cuando la parte inferior de la llama se examina sola, a través de un prisma, el espectro en vez de aparecer continuo se dividía en 5 zonas a distancia una de otra. La primera es roja, terminada por una línea brillante amarilla. Las 2º y 3º son verdes. La 4º y 5º son azules, la última correspondiendo a la división entre azul y violeta del espectro solar.

En 1814, Fraunhofer, un joven físico alemán que tuvo un cierto entrenamiento en el trabajo del vidrio, realizó un prisma inusualmente perfecto, y vio por primera vez las líneas oscuras en el espectro del sol. 10 años después, Herschel mostró que se podía detectar cantidades pequeñas de un álcali por su espectro de llama. Más tarde, sin embargo, la presencia de las líneas amarillo-naranja del sodio (sodio por todas partes, cómo olvidarnos de su color amarillo) en casi cualquier fuente que investigara, impidió que llegara a la conclusión de que cada elemento tiene su línea característica.

Talbot, un científico inglés, descubrió en 1834 que con la ayuda de un prisma, podía distinguir litio de estroncio, incluso sabiendo que las llamas de ambos son rojas. Determinó también que las líneas oscuras de los espectros se debían a absorción de luz.

En 1854, David Alter, de Pennsylvania, ya por fin consiguió demostrar que cada elemento estudiado tenía su propio espectro. A edad temprana leyó libros sobre electricidad y “filosofía natural” (física) y más tarde, mientras practicaba medicina, encontró tiempo para diseñar e inventar varios dispositivos eléctricos, construir lentes, prismas, telescopios, y espectroscopios, y construir un excelente daguerrotipo de las líneas oscuras del espectro solar. En 1854, publicó que la aleación de dos metales mostraba las líneas de ambos metales, y claramente determinó que cada elemento tiene su espectro característico. Además, no se confundió con la presencia casi universal de líneas de sodio. Un año después, publicó que se podría determinar con el prisma los elementos en las estrellas fugaces o meteoros luminosos. 

Ya estaban todas las herramientas listas para el siguiente paso.

Y ese paso lo dieron Bunsen y Kirchhoff, que establecieron las bases de la ciencia del análisis espectroscópico, con el cual se descubrieron elementos muy poco abundantes. Vamos allá.

En 1859, Bunsen y Kirchhoff estaban implicados en un trabajo que no les dejaba dormir (según las propias palabras de Bunsen  a su amigo Sir Henry Roscoe). Kirchhoff había encontrado la causa de las líneas oscuras en el espectro solar, las había intensificado artificialmente en el espectro. De espectros que no tenían esas líneas, en la misma posición, determinó la composición del sol y de las estrellas fijas con la misma exactitud que podían determinar composiciones con reactivos químicos. También vieron que podían determinar composiciones de substancias en la tierra fácilmente por ese método, de forma que, por ejemplo, detectaron litio en 20 g de agua de mar (hay menos de 0.2 ppm).

Vieron que cuando la sal común se espolvoreaba sobre la llama de un mechero Bunsen, se observaba una línea amarilla en el espectroscopio (de nuevo el sodio, os avisé), justo en la posición de la doble línea oscura del espectro del sol (conocida como línea D). Tratando de observar la línea oscura D y la línea brillante del sodio simultáneamente, dejaron que brillaran en un espectroscopio a la vez la luz del sol y la luz amarilla del sodio procedente de una llama de alcohol acuoso que contiene NaCl disuelto. Se quedaron sorprendidos porque la línea oscura no se volvía amarilla, sino que se hacía aún más oscura. Kirchhoff se llevó un día y una noche intentando explicarlo, y finalmente consiguió producir la línea D oscura de forma artificial. Para ello, en vez de la luz del sol usó una llama, que daba un espectro continuo sin líneas oscuras (en concreto, un hilo de platino llevado casi a su punto de fusión), y luego colocando la llama amarilla procedente del cloruro de sodio disuelto en la mezcla alcohol-agua frente a la rendija, como antes con la luz solar. Dio como explicación la analogía de vibraciones solidarias. La luz blanca de la llama luminosa, al pasar por la llama de sodio, perdía las vibraciones que correspondían con la línea amarilla. Y así, quedaba una línea oscura en el espectro en su lugar (tengamos en cuenta que la explicación actual de esas líneas oscuras nos la da la mecánica cuántica de principios del siglo XX).

En 1860, Bunsen escribía que en 50 g de una muestra casi pura de cloroplatinato, que para purificar produjo una cierta cantidad de LiCl, al separar ese LiCl encontró un nuevo elemento. Lo llamó cesio por el color azul de su línea del espectro (de caesius, azul cielo en latín), que es como lo detectó. Detectaron unas pocas millonésimas de miligramo, mezclado con sodio, litio y estroncio.

Unos meses después, en 1861, descubrieron un nuevo elemento, el rubidio en el mineral lepidolita. El nombre lo recibió por la línea roja de su espectro, por rubidus, del latín rojo intenso.

Son elementos que se descubrieron en muy pequeña cantidad por espectroscopía antes que por métodos químicos. 

Ese mismo año se describió otro elemento más, el talio. La primera evidencia de su existencia la observó Sir William Crookes examinando residuos de una planta de ácido sulfúrico que guardaba desde hacía unos años, ya que contenía compuestos de selenio con los que extrajo selenocianuros y guardó los restos, que pensó que contendría teluro. Cuando lo miró en el espectroscopio no encontró Te, apenas restos de Se. Pero había una preciosa línea verde que nunca había visto antes. Supuso que era un nuevo elemento, que denomino talio, por thallos, del griego para rama verde. 

Siendo hoy 15 de julio es de justicia añadir que, aunque el descubrimiento espectroscópico del talio fue obra de Crookes, sin embargo, el metal fue aislado por Claude-Auguste Lamy, que nació tal día como hoy en 1820. Desarrolló un método para aislar talio a partir de los lodos generados en las cámaras de plomo usadas para la síntesis de ácido sulfúrico. Además, describió los efectos tóxicos del talio. De hecho, el talio, en su estado de oxidación +1, debido a su tamaño, similar al del catión K⁺, es capaz de sustituir a éste los compuestos y procesos biológicos, dañando sobre todo el sistema nervioso central. Los síntomas son letargo, entumecimiento, hormigueo en las manos y pies, balbuceos, insomnio y desmayos. Una cantidad de menos de ¼ de una cucharilla de té (unos 800 mg) de sulfato o de acetato de talio(I) es mortal para un adulto, y actúa de la siguiente manera: el primer día puede que no haya síntomas o sean suaves, parecidos a un catarro. El segundo día se presentan síntomas de gastroenteritis, como vómitos y diarrea, y sensación de pinchazos en los pies. El tercer día hay una sensación dolorosa de presión en todo el cuerpo, dolor articular, los pies se hacen muy sensibles al tacto, y es casi imposible dormir. Según pasan los días, esos síntomas empeoran y pueden llevar a la muerte. Hasta la década de los 70 del pasado siglo no había antídoto. Fue entonces cuando se descubrió que el azul de Prusia podía eliminarlo del tracto digestivo de manera más o menos efectiva.

Un último elemento descubierto por métodos espectroscópicos en esa misma época fue el indio, descubierto por Ferdinand Reich en 1863. Se descubrió tratando de encontrar talio en menas de cinc procedentes de la mina de Himmelsfürst. Tras toda una serie de procesos de purificación, terminó quedándose con un residuo amarillo, que suponía el sulfuro de un nuevo elemento. Reich sufría daltonismo acromático, es decir, sólo veía en blanco y negro, por lo que el análisis espectroscópico se lo encargó a su ayudante, Hieronymus Theodor Richter. Así, al analizar ese residuo observó una línea de color índigo brillante, que no coincidía con la del Cs ni con otro elemento conocido. Por eso denominó al elemento indio. 

Así, hemos visto como en un plazo de 3 años fueron descubiertos 4 elementos de lo más colorido. Y nombrados en función de esos colores. Sobre los nombres de los elementos, contamos algunas curiosidades aquí, por si tenéis interés.

Esta entrada se ha creado para participar en Café Hypatia con el tema #PVpasado