Instrumentos
científicos utilizados en química
El desarrollo de la
espectroscopia
Aunque anteriormente se
habían realizado notables aportaciones en este campo, podemos
considerar que la espectroscopia moderna parte de los trabajos
desarrollados en 1859 por Robert Wilhelm Eberhard Bunsen
(1811-1899) y Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887), profesores de
química y de física en la Universidad alemana de Heidelberg,
respectivamente. Kirchhoff estaba interesado por los problemas de
la óptica, mientras que Bunsen había trabajado anteriormente en
los análisis cualitativos de elementos basados en el color de la
llama.
• En 1857, Bunsen construyó un
mechero de gas que producía una llama sin humo y que podía ser
fácilmente regulada. En la exposición aparecen varios de estos
"mecheros Bunsen", cuyo esquema aparece representado en
el panel dedicado al desarrollo de la espectroscopía.
• En 1860, Bunsen y Kirchhoff
publicaron un importante trabajo sobre la espectroscopia, cuya
traducción castellana puede contemplarse en la exposición. Esta
traducción apareció en la Revista de los progresos de las
ciencias exactas, físicas y naturales, dos años después de
la publicación del artículo original. Sobre este artículo
puede contemplarse una de las primeras láminas publicadas en
España con espectros atómicos que procede de la traducción
castellana del Tratado de Análisis Química Cualitativa
de R. Fresenius, realizada, como hemos indicado, por Vicente
Peset y aparecida en Valencia en 1885. En el panel, entre los dos
retratos de Bunsen y Kirchhoff se encuentra un esquema del nuevo
instrumento, procedente del artículo publicado por estos autores
en 1860 así como un ejemplo de su modo de empleo.
Esquema
del funcionamiento del espectroscopio:
El grabado que representa un modelo de espectroscopio semejante
al de la exposición, que procede de la Facultad de Ciencias de
la Universidad de Valencia. Su funcionamiento puede ser
fácilmente comprendido a través del esquema que se encuentra
reproducido a continuación. El tubo "B" contiene la
lente de observación y el tubo "A" está destinado al
paso de la luz que se pretende analizar. El tubo "C"
contiene una imagen fotográfica de una escala, hecha sobre una
lámina de vidrio, de manera que la posición de cada raya
espectral puede determinarse sobre esta escala. La imagen
procedente del tubo "A" se refracta sobre el prisma
"P" mientras que la imagen de la escala se refleja
sobre una las caras del prisma, de modo que se pueden observar
ambas imágenes a través del ocular situado en "B".
• El uso del espectroscopio
permitió a los químicos del siglo XIX detectar sustancias que
se encontraban en cantidades demasiado pequeñas para ser
analizadas con procedimientos químicos tradicionales. Los
nombres de algunos elementos, como el rubidio, cesio, talio e
indio, descubiertos gracias a la aplicación de esta nueva
técnica de análisis, recuerdan el color de sus líneas
espectrales características. En la lámina coloreada con los
espectros de emisión de los elementos puede observarse la línea
espectral característica del cesio que es de color azul celeste.
A partir de esta propiedad, se acuñó el nombre de este elemento
que procede del adjetivo latino caesius que significa
"azul claro".
Colorímetro
El
colorímetro es un aparato basado en la ley de absorción de la
luz habitualmente conocida como de "Lambert-Beer". En
realidad, estos dos autores científicos nunca llegaron a
colaborar puesto que un siglo separa el nacimiento de ambos.
Lambert (1728-1777) realizó sus principales contribuciones en el
campo de la matemática y la física y publicó en 1760 un libro
titulado Photometria, en el que señalaba la variación de
la intensidad luminosa al atravesar un rayo de luz un cristal de
espesor "d" podía establecerse como I = Io ·
e–kd, siendo "k" un valor característico para
cada cristal. En 1852, August Beer (1825-1863) señaló que esta
ley era aplicable a soluciones con diversa concentración y
definió el coeficiente de absorción, con lo que sentó las
bases de la fórmula que seguimos utilizando actualmente: ln(I/Io) = –kcd
k = coeficiente de absorción molecular,
característico de la sustancia absorbente para la luz de una
determinada frecuencia.
c = concentración molecular de la disolución
d = espesor de la capa absorbente
Esta propiedad comenzó
a ser utilizada con fines analíticos gracias a los trabajos de
Bunsen, Roscoe y Bahr, entre otros.
• Además de un colorímetro
de Dubosq, se
expone un colorímetro eléctrico diseñado por B. Lange. Ambos
proceden de la Facultad de Ciencias de Valencia. Este último
contiene en la parte superior dos recipientes que sirven para
introducir los prismas de cuarzo con la disolución analizada y
una disolución de concentración conocida. Una célula
fotoeléctrica permite medir la intensidad luminosa que atraviesa
una y otra muestra, de modo que, si la concentración de una
disolución es conocida puede calcularse la otra.
Balanza analítica
La balanza ha sido un
instrumento utilizado tradicionalmente por los cultivadores de la
química a lo largo del tiempo. Algunos autores suelen considerar
la obra de Antoine Lavoisier como el punto de partida del empleo
sistemático de las balanzas en química, gracias al uso del
principio de conservación de la masa. Hemos visto en nuestra
exposición que esta afirmación no es totalmente correcta puesto
que la balanza era un instrumento fundamental de trabajo de los
"ensayadores de metales", como lo demuestra el libro de
Juan de Arfe expuesto, una de cuyas láminas representa una
balanza. En cualquier caso, podemos afirmar que el
establecimiento de las leyes químicas cuantitativas a finales
del siglo XVIII y principios del siglo XIX supuso un mayor
protagonismo de la balanza dentro de la química. El desarrollo
de los métodos gravimétricos de análisis durante el siglo XIX
obligó a la búsqueda de balanzas más cómodas y precisas para
el trabajo cotidiano de los químicos. En la exposición se puede
contemplar una balanza analítica de este siglo que fue utilizada
en la Facultad de Ciencias de Valencia.
Polarímetro
El fenómeno de la
polarización de la luz era conocido desde los trabajos de
Christian Huygens (1629-1695) pero fue estudiado a fondo por Jean
Baptiste Biot (1774-1862) a principios del siglo XIX. Tras
estudiar el fenómeno sobre un cristal de cuarzo, Biot encontró
la existencia de sustancias que giraban el plano de polarización
de la luz hacia la derecha (dextrógiras) y otras que lo hacían
hacia la izquierda (levógiras). Los primeros polarímetros
fueron diseñados en los años cuarenta del siglo pasado, gracias
al uso de los prismas ideados en 1828 por William Nicol
(1768-1851), El desarrollo comercial del polarímetro tuvo lugar
en Alemania y Francia, debido a su valor en el análisis del
azucar, lo que llevó a desarrollar un tipo especial de
polarímetros, especialmente adaptados para estos análisis, que
se denominaron sacarímetros.
El principio del
polarímetro es muy simple, como puede comprobarse a través de
la figura adjunta. La luz introducida es polarizada en un
plano determinado mediante el polarizador (A) y luego se hace
pasar a través de la disolución de la sustancia que se pretende
analizar. A continuación, esta luz pasa por un nuevo polarizador
(C) que deberá estar colocado en la posición adecuada para
permitir el paso de la luz hasta el objetivo (F), para lo cual se
dispone de un sistema que permite girarlo alrededor de un eje.
Gracias a la lente (D), podemos leer en el círculo (EE) el
ángulo que es necesario girar el segundo polarizador para
obtener un máximo de intesidad luminosa. Si medimos este ángulo
cuando el recipiente está vacío y cuando el recipiente está
lleno con una sustancia opticamente activa, la diferencia entre
ambos valores nos permite calcular el poder rotatorio de la
disolución.
El poder
rotatorio de una disolución de una sustancia depende del espesor
de la capa atravesada, la naturaleza de la sustancia analizada,
la concentración de la disolución, la longitud de onda de la
luz y la temperatura. Si conocemos la rotación ([a]tl) producida por un disolución de 1 g/ml
de la sustancia en una columna de líquido de 1 decímetro de
longitud para una longitud de onda fija (l),
podemos determinar la concentración de la muestra analizada a
través de la fórmula:
[a] = [a]tl · l· c
donde [a]tl es el poder rotatorio
específico de la sustancia correspondiente para una temperatura
y una longitud de onda determinada, que normalmente suele ser la
línea D del sodio. [a] es la rotación producida por
una columna de líquido de longitud "l" (dm) y
concentración "c" (g/ml).
El polarímetro que se
expone utiliza un método más exacto para el cálculo de
rotación del plano de rotación de la luz, mediante el uso de
tres polarizadores. Se trata de un modelo conocido como
"polarímetro de Lippich".
Más información sobre el
polarímetro
