Aprender Física con un ladrillo

 

No, el título de este artículo no se refiere a cómo aprender Física leyendo un libro farragoso o soportando a un profesor pesado. Se refiere a un ladrillo en sentido literal, de los de las obras.

Cuando daba clase de Física en la E.S.O., además de otros materiales que usaba con frecuencia, solía llevar conmigo al aula el ladrillo que se ve en la foto. El ladrillo hacía su aparición a lo largo del curso en momentos puntuales para ilustrar diferentes aspectos de la Física, llegando a convertirse en un complemento familiar para todos.

¿Por qué un ladrillo?

Un ladrillo es un objeto concreto, simple y sobrio. Cuando nos fijamos en él para estudiarlo nos acerca a nuestro mundo real más cercano a la vez que nos aleja de distracciones innecesarias; pero sobre todo porque está a medio camino entre la realidad y esos “bloques” abstractos que llenan los libros de Física deslizándose por planos y poleas tirados por cuerdas o empujados por manos de no se sabe quién, o que aparecen como cuerpos idealizados en los ejercicios de todas las lecciones. Ya sabes: “sea un bloque que desliza por un plano…”

A la vista de la experiencia, al centrar la atención en él, a los alumnos les resultaba más fácil y entretenido llegar entender las leyes de la física que se estaban explicando en ese momento, y de alguna manera servía de hilo conductor entre los distintos aspectos físicos que se estudian por separado en las diferentes lecciones. La idea que se trataba de transmitir con ello es que un mismo cuerpo cualquiera puede ser estudiado en muchos aspectos diferentes: Cuánto mide y pesa, cómo se mueve o permanece en equilibrio, cuánto cuesta calentarlo o hundirlo en el agua, y que la Física sirve para explicar y comprender todos y cada uno de estos aspectos.

La idea que hay detrás de todo esto no consiste en explicar un día la lección en la pizarra y otro día hacer una práctica de esa lección con un ladrillo, sino que se trata de utilizarlo durante la explicación para captar la atención de los alumnos mientras jugamos y experimentamos entre todos, a la vez que se proyectan en este objeto real y concreto los conceptos teóricos y abstractos que se está tratando de explicar en ese momento.

Veamos algunos de los muchos aspectos de la Física que nos puede ayudar a entender “nuestro ladrillo de cabecera” tal como solía hacerlo yo con mis alumnos.

 

1- Magnitudes y su medida. Propiedades de la materia

Lo primero que nos puede enseñar el ladrillo es cómo hacer medidas de diversas magnitudes de un objeto y valorar las dificultades o limitaciones que esto conlleva, aprovechando para expresar el resultado en diferentes unidades y estimar en cada caso el margen de error que le corresponde a cada medida.

Medidas de longitud.

Por ejemplo medir el largo, ancho y alto con una regla milimetrada y acompañar los resultados de su margen de imprecisión

Medida de su masa o su temperatura.

Son también medidas directas, empleando balanzas de varios tipos  y un termómetro.

Medidas de superficie y volumen.

Estas ya son medidas indirectas, que además ponen de manifiesto la dificultad de obtener un valor exacto y preciso, teniendo que conformarnos en ocasiones con una estimación. Se pueden medir valores aproximados de las superficies de las caras laterales ancha y estrecha multiplicando las longitudes obtenidas para sus lados, pero dado que las caras están estriadas, habrá que discutir entonces cómo se podría mejorar esa estimación. Seguro que tras un poco de debate surgen algunas buenas e ingeniosas ideas.

En cuanto al volumen, se pueden ir planteando las diferentes opciones que estén realmente a nuestro alcance y discutir qué grado de exactitud va a resultar de cada una. No olvidemos que el ladrillo tiene huecos y estrías. Primera aproximación, muy grosera: multiplicar las tres dimensiones: largo x ancho x alto. Segunda aproximación, más realista: restar a la anterior el volumen vacío de los seis huecos, aproximándolos a prismas rectangulares ideales. Tercera aproximación: valorar cómo puede llegar a modificar a la  medida anterior la presencia de estrías e irregularidades que se pueden observar y que no se han tenido en cuenta. Finalmente, se puede discutir algún método directo para medir el volumen como, por ejemplo, midiendo el volumen de agua desplazada, y cómo se podría llevar a cabo en la práctica. Cuidado, esto último es bastante más difícil de lo que parece si se quiere hacer con una precisión aceptable.

Medida de la densidad.

Este punto merece un comentario más detenido porque puede dar lugar a una buena y completa experiencia para ver tanto las posibilidades como las dificultades que ofrece la Física experimental a la hora de medir una magnitud en un caso práctico.

A mí me gusta plantear el problema de la siguiente manera: Se entra en el aula con el ladrillo bajo el brazo, se coloca en medio de la mesa y se comienza diciendo: “Tenemos que hacer obras en un pabellón y disponemos de 10 palets de 1 tonelada aproximada de ladrillos como éste, pero necesitamos saber el valor de su densidad para valorar después las resistencias y esfuerzos en los muros que vayamos a construir. Así que, con el material que tengamos a mano por aquí cerca y las ideas que surjan entre todos vamos a hallar ahora mismo la densidad de este cargamento de ladrillos. ¡Vamos!, ¡ideas! ”

La experiencia suele ser la misma todos los años. Los alumnos empiezan diciendo que se mide la masa de los palets, se mide su volumen, se divide y ya está. Evidentemente, no está. ¿Cómo haces para medir diez toneladas de ladrillos aquí y ahora?. En seguida alguien propone tomar sólo un ladrillo, puesto que todos son iguales, y la densidad es una propiedad específica que no depende de la cantidad del material. Esto sí que es un avance importantísimo en nuestro objetivo ¡un aplauso para quien se haya dado cuenta!. Vale, aquí tenemos uno de los ladrillos, ¿qué hacemos ahora con él?. No tardará alguien en proponer que lo pesemos en una balanza y midamos el volumen sumergiéndolo en una probeta con agua y viendo cuánta desplaza. Pero eso tampoco es viable, ya que la balanza de que disponemos aquí marca 1000 g como máximo, y además ¿cómo puedo meter el ladrillo en una probeta de 500 mL, que es la más grande que tenemos?. Llegados a este atolladero, es el momento de dar una pista. Se saca entonces un martillo ¿alguna idea?... Pues claro, finalmente todo el grupo acaba llegando a la conclusión de que lo mejor es trocear el ladrillo en fragmentos pequeños, seleccionar un número suficiente de éstos para que el error sea lo menor posible pero que quepan todos a la vez en la probeta con el agua, medir su masa en la balanza, meterlos en la probeta y medir el volumen de agua desplazada. Finalmente dividir la masa entre el volumen para hallar así la densidad de la manera más exacta posible para nuestros medios. Es preciso aclarar que antes de que los alumnos empiecen a emocionarse con la idea de liarse a golpes con el ladrillo en medio del aula, se ataja el asunto sacando en ese momento los fragmentos de otro ladrillo similar que ya se había roto previamente.

 

2.- Fuerzas y movimiento: Leyes de Newton

Para observar bien el efecto de aplicar una fuerza sobre el ladrillo es preciso situar éste sobre un plano horizontal encima de un pequeño carrito de ruedas como los que vienen en los equipos didácticos de mecánica. La fuerza normal anula al peso y el rozamiento es despreciable mientras esté parado o ruede libre una pequeña distancia, con lo que la fuerza resultante es nula.

1ª ley. Principio de inercia

Si se deja el ladrillo sobre la superficie de la mesa seguirá en reposo a menos que alguien le aplique una fuerza. De hecho se ve que lleva ahí todo el rato, y se puede experimentar cómo permanece en el mismo sitio al desplazar la mesa con un buen empujón (aunque visto desde la propia mesa parece que se haya desplazado hacia atrás). A continuación se puede comprobar que si ya estaba en movimiento, seguirá con la misma velocidad y dirección mientras no actúe una fuerza sobre él. Esto se ve transportando entre varias personas la mesa con el ladrillo sobre ruedas encima de ella, despacio pero a velocidad constante y haciendo que se detengan de repente. El ladrillo sigue su camino con la misma velocidad que tenía antes sin inmutarse (aunque visto desde la mesa parece que se haya puesto en movimiento hacia delante)

2ª ley. Principio fundamental de la dinámica

Si ahora se le aplica una fuerza al ladrillo, éste se pondrá en movimiento con una aceleración a proporcional a la fuerza aplicada F. La constante de esa proporcionalidad es su masa  m (una medida de su inercia), éste es el principio fundamental:  

F = m . a .

Para comprobarlo, ponemos el ladrillo sobre ruedas sobre la mesa o el suelo y tiramos horizontalmente de él con un dinamómetro enganchado a éste. Observaremos cualitativamente el tiempo que tarda en recorrer medio metro sobre el plano, cuanto menos tiempo más aceleración. Conocemos y anotamos la masa m y la fuerza F con la que tiramos.

Primera experiencia: Tiramos del ladrillo tratando de mantener constante cierta fuerza en el dinamómetro. Observamos cómo se ha acelerado y calculamos:  

a = F / m

Segunda experiencia: Tiramos del mismo ladrillo pero con el doble de fuerza. Observamos cómo se acelera el doble que antes y calculamos:  

a’ = 2F / m = 2a

Tercera experiencia: Ponemos otro ladrillo igual encima del primero y tiramos con la misma fuerza que al principio. Observamos cómo ahora se acelera la mitad que antes y calculamos:

 a’’ = F / 2m = a /2

3ª ley. Principio de acción y reacción

Cuando mi mano (1) tira de un dinamómetro sujeto a un objeto cualquiera (2), lo que mide es la fuerza que mi mano está aplicando sobre dicho objeto: F₁₂ . Dejando ésto claro, se engancha un dinamómetro al ladrillo mientras otro dinamómetro es empuñado por mi mano. Llegado el caso, cada dinamómetro va a medir la fuerza que el cuerpo al que va ligado va a aplicar sobre cualquier otro. Se pone el ladrillo como y donde se quiera, y se tira de éste con los dos dinamómetros ligados mediante una pequeña cuerda o bien enganchados directamente. Se puede observar que independientemente de que esté quieto o acelere, de que este en plano horizontal o inclinado, de que se tire fuerte o flojo, los dos dinamómetros marcan siempre lo mismo. La fuerza (acción) con que mi mano tira del ladrillo F₁₂ es igual pero opuesta a la fuerza (reacción) con que el ladrillo tira de mi mano F₂₁, ambas fuerzas son simultáneas y actúan en cuerpos diferentes. 

 F₁₂ = - F₂₁

 

3.- Movimiento acelerado de caída libre

Llega el día de explicar el movimiento de caída libre uniformemente acelerado por la gravedad. La clase empieza cuando el profesor, con el ladrillo en una mano y una pluma de ave en la otra les dice a sus alumnos:

- Si dejo caer desde la misma altura un ladrillo y una pluma ¿Cuál llega antes al suelo?.

- ¡El ladrillo! , todos a coro (menos algunos que sospechan que hay truco)

- Sí. ¿y por qué?

- Porque es más pesado…

-  Ah ¿sí?, ¿y si se dejan caer un ladrillo y un paracaidista?

- ¿…? (silencio en la sala)

A continuación se deja caer el ladrillo con la pluma al lado, con cuidado de recogerlo antes de que choque contra el suelo. Efectivamente, el ladrillo cae mucho más deprisa que la pluma. No porque sea más pesado, que lo es, sino porque la pluma es mucho más sensible a la fuerza de resistencia que le opone el aire en comparación con su peso. Es el momento de explicar entonces que en ausencia del rozamiento del aire o en condiciones en que éste sea despreciable (por el peso, la forma y la altura de caída), todos los cuerpos caen con la misma aceleración g que es la aceleración de la gravedad terrestre. Es lo que se conoce como movimiento de caída libre. A continuación se comprueba esta afirmación volviendo a dejar caer la pluma y el ladrillo, pero ahora con la pluma posada encima de éste, de tal manera que no encare el aire durante su caída. Sorprendentemente, la pluma cae a la vez que el ladrillo sin separarse de éste. La gravedad acelera a los dos por igual ya que, aunque el peso del ladrillo (la fuerza con que la gravedad terrestre tira de él hacia abajo ) sea 1000 veces mayor que el de la pluma, su masa (su inercia al movimiento) es también 1000 veces mayor. La aceleración de caída no depende de la masa: 

a = F / m = m.g / m = g = 9,8 m/s².

 

4.- Fuerza de rozamiento

Nuestro ladrillo ayudará a entender perfectamente todo lo que se suele enseñar sobre la fuerza de rozamiento que aparece cuando se intenta hacer deslizar un cuerpo sobre la superficie de otro, experimentando con él a la vez que se explica.

Se coloca el ladrillo sobre la mesa horizontal. La fuerza de rozamiento que opone la mesa sobre el ladrillo puede medirse directamente, ya que es igual y opuesta a la fuerza con que hay que tirar de éste para que se mueva a velocidad constante (fuerza resultante nula), o bien para que siga en reposo. Así, tirando del ladrillo a través de un dinamómetro mientras es arrastrado sobre la mesa, se puede comprobar todo esto:

1.- Tirar del ladrillo a través del dinamómetro paralelamente al plano de la mesa y mantenerlo en movimiento despacio y con velocidad constante. Probar primero con el ladrillo posado sobre su lado ancho y después sobre el estrecho; probar rozando directamente con la mesa o interponiendo hojas de diferentes materiales como papel, fieltro o vidrio; probar también apoyando la mano encima oprimiendo con más o menos fuerza. La conclusión de estas observaciones es que La fuerza de rozamiento es paralela a las superficies deslizantes, no depende del área de contacto, aumenta proporcionalmente con la fuerza normal N y depende de la naturaleza de las superficies ( F_r = μ .N)

2.- Dejar el ladrillo con su dinamómetro reposando sobre la mesa horizontal, y empezar a tirar gradualmente con una fuerza cada vez mayor mientras estamos atentos a la lectura del dinamómetro (F) y los cambios en el movimiento. Al principio no se mueve a pesar de que se va tirando cada vez con más fuerza. En este caso, se cumple en todo momento que Fr = F desde que Fr = 0 hasta que se alcanza un valor llamado rozamiento estático máximo: Fr = μ_e.N  justo cuando su arranque es inminente. En ese momento, se puede observar que el ladrillo arranca aceleradamente y, si se quiere mantener con velocidad constante (para que F sea igual a F_r), hay que tirar con una fuerza F inferior a la que provocó el arranque. En este caso, se habla de fuerza de rozamiento dinámico: Fr = μ_d.N , que es constante mientras se mueva a cualquier velocidad, independientemente de ésta. Es evidente que μ_d < μ_e . Se puede demostrar que una forma práctica de hallar los valores de los coeficientes de rozamiento  μ_d y μ_e consiste en ir inclinando el plano de la mesa hasta que el ladrillo empiece a deslizar (μ_e) o que se mantenga bajando con velocidad constante (μ_d). En cada caso, el coeficiente μ es igual a la tangente del ángulo de inclinación del plano.

 

5.- Fuerzas en un cuerpo apoyado sobre un plano.

Existen multitud de problemas que tratan de bloques o cuerpos sólidos apoyados sobre planos. Casi todos ellos se pueden reproducir con el ladrillo sobre una mesa mientras se resuelven. En reposo, deslizando con movimiento uniforme o acelerado, sobre plano horizontal o inclinado, libre o empujado, con rozamiento apreciable o despreciable; incluso con varios cuerpos enganchados.

Para resolver estos problemas, muchos estudiantes hacen sus cálculos componiendo y descomponiendo fuerzas de manera automática, aplicando un procedimiento, aprendido a base de repetir ejercicios en casa o en la academia. Pero la experiencia dice  que un buen número de ellos no sabe identificar por su nombre y naturaleza las fuerzas reales que están actuando en esos bloques, y toman la fuerza resultante o las componentes paralela y normal al plano como si fuesen otras fuerzas más añadidas a las fuerzas reales. Una buena forma de aclarar esto es trabajar en clase manipulando el ladrillo sobre el plano de la mesa, y no imaginando un bloque abstracto, a la vez que de forma paralela se dibuja el correspondiente diagrama de fuerzas en la pizarra y se hacen cálculos, pero nunca perdiendo de vista el problema real que tenemos delante.

Veamos como ejemplo el ladrillo arrastrado a velocidad constante sobre la mesa horizontal tirado por una cuerda, haciendo hincapié en las fuerzas reales que aparecen, que son las que se muestran en la figura:

Para describir, hallar y relacionar las cuatro fuerzas, primero se dibuja el diagrama de sólido libre  asimilando el ladrillo a un punto material en el que se aplican todas las fuerzas, y se descomponen las que haga falta en sus componentes paralela y perpendicular al plano. En este caso sólo es preciso descomponer la tensión. Como su velocidad es constante, su aceleración es nula y la fuerza resultante es también nula. Así se cumple que:

 T + P + N + Fr = 0  ; separando en direcciones paralela y perpendicular al plano: 

T. cosa – Fr = 0 , T.sena + N – P = 0

por lo que N = T.sena – mg , Fr = T.cosa , siendo T, a y m conocidas.

 

6.- Concepto de presión

Después de definir el concepto de presión como fuerza que actúa en la unidad de superficie, P = F / S, y definir sus unidades, resulta útil aplicar inmediatamente este concepto colocando el ladrillo sobre la mesa sobre cada una de sus tres caras, y calculando en cada caso la presión que hace sobre la mesa. Los datos necesarios (peso, longitudes de los lados) se miden ahí mismo a medida que se vayan necesitando, y se utilizan las unidades que resulten más convenientes.

 

7.- Empuje y principio de Arquímedes

Todos hemos observado alguna vez cómo es fácil mover una gran piedra en el fondo de un río pero hay que hacer un esfuerzo mayor para sacarla del agua. El principio de Arquímedes explica por qué el peso aparente de un objeto dentro de un fluido es menor que su peso real y que la diferencia equivale a la fuerza de empuje que hace el fluido sobre el objeto verticalmente hacia arriba. Mientras se explica, se puede ir visualizando todos los conceptos involucrados, como peso, peso aparente, empuje, volumen del objeto, volumen de fluido desalojado, etc. Para ello es necesario disponer del ladrillo,  un cubo lleno agua, y un dinamómetro de 5 o 10 kg. La diferencia entre el peso aparente del ladrillo sumergido y el peso real al aire es el empuje que hace el líquido, que equivale al peso del agua que ha desplazado al sumergirlo, como se habrá podido observar a medida que se va realizando la experiencia. Los datos tomados en esta experiencia pueden utilizarse además para hallar de forma indirecta el volumen y la densidad del ladrillo.

 

8.- Trabajo y energía mecánica

¿Cuánta fuerza es 1 newton? ¿Cuánto trabajo o energía es 1 julio? ¿Cuánta potencia es 1 vatio?

Nuestro fiel ladrillo nos permite asimilar estas cuestiones sopesándolo con nuestras propias manos. Puesto que, redondeando, su masa es de unos 2 kg, la fuerza que estás haciendo para sostenerlo en tu mano o para levantarlo lentamente del suelo es igual a su peso, que es de unos 20 N ( P = m.g = 2 kg. 9,8 m/s² = 20 N ) Así que un newton es aproximadamente la fuerza que tienes que hacer para sostener un tozo de un veinteavo de ladrillo.

Si ahora elevas el ladrillo 5 cm en vertical, habrás hecho un trabajo mecánico igual a la energía potencial que ha ganado: W = F. d = m.g.h = 20 N . 0,05 m = 1 J, así que un julio es más o menos el trabajo que has hecho, o la energía útil que das, para subir un ladrillo unos 5 cm de altura. Poca cosa.

Si esa acción la haces durante un segundo de tiempo,  o sea, despacito, estarás trabajando a 1 vatio de potencia: P = W / t = 1 J / 1s = 1 W. Poca cosa de nuevo. Pero si quieres trabajar desarrollando una potencia de 1 kilovatio, ya tendrías que subir, por ejemplo, un palet de 100 ladrillos (unos 200 kg) a una altura de 5 m en tan sólo 10 segundos. Esto ya está fuera de tu alcance, a no ser que uses una grúa.

Un ejercicio práctico para manejar todos estos conceptos en el momento de ser explicados en clase consiste en recoger el ladrillo en el suelo y colocarlo a cierta altura, por ejemplo sobre el borde de una mesa o sobre el marco superior de la pizarra, y más tarde dejarlo caer, recogiéndolo con cuidado antes de que golpee el suelo. Mientras tanto se van repasando y calculando todos los conceptos relacionados: fuerza que se aplica para subirlo, peso, trabajo, potencia, y las energías potencial, cinética y  mecánica que tiene arriba, abajo y a media altura.

Y así, podríamos seguir hablando de unas cuantas cosas más de Física que podría enseñarnos nuestro amigo el ladrillo, como de mecánica del sólido rígido o de  termología y termodinámica. Pero tampoco es cosa de que este post se convierta definitivamente en un ladrillo más.

 

 

Pt, W, V. Los elementos químicos descubiertos por españoles

 

No hace mucho que circulaba por las redes una infografía que mostraba la tabla periódica de los elementos con la bandera de los países de sus descubridores. (Enlace aquí)

En ella llamaban la atención algunas cosas, como los muy pocos elementos que se conocían hasta que se crearon la mayoría de los estados europeos actuales, o la abundancia abrumadora de banderas británicas, suecas, alemanas y finalmente norteamericanas, países de grandes químicos que fueron relevándose sucesivamente en su liderazgo de la carrera por hallar nuevos elementos. Pero lo que más me llamó la atención fue que sólo había dos banderas españolas, cuando tenía entendido y siempre había contado a mis alumnos que eran tres: el platino, el wolframio y el vanadio. Faltaba este último, que aparecía con la banderita de Suecia. ¿Por qué? ¿Cuál es la historia que hay detrás del descubrimiento de estos tres elementos?

No trato de descubrir nada nuevo, pues sobre esto ya está casi todo investigado y escrito. Una buena documentación sobre la historia de estos y otros elementos del sistema periódico se puede encontrar por ejemplo en el monográfico del Boletín das Ciencias nº 87, o en La tabla periódica dinámica Ptable (ptable-propiedades-wikipedia) que, a través de Wikipedia, aporta abundante información sobre la historia de cada elemento.

En este artículo se resumen las circunstancias que rodearon al descubrimiento de estos tres elementos con acento español y a sus protagonistas. Son historias de esfuerzo y aventuras no exentas de controversia, en las que no faltan viajes por el mundo, lugares perdidos en la selva, errores imperdonables, corsarios y naufragios.  Es la historia de los descubrimientos del platino, el wolframio y el vanadio.

El contexto histórico de los descubrimientos

Además de su paternidad española, los tres elementos de los que hablamos tienen en común que su descubrimiento se produjo durante la segunda mitad del siglo XVIII. Con el reinado de Carlos III la Ilustración alcanza su apogeo en España, y bajo el amparo de la monarquía se crean instituciones y organismos oficiales inspirados por esta corriente ilustrada, en donde se forman académicamente una generación de marinos, ingenieros, científicos y naturalistas de un nivel equiparable a los que ya estaban trabajando en el resto de Europa. Paralelamente, se intensifica el intercambio entre instituciones científicas españolas y europeas, con el consiguiente enriquecimiento cultural que esto supuso para los nuevos científicos españoles. En esa época, el movimiento ilustrado en España también suscitó el interés de científicos europeos, como Humboldt o Proust, quienes permanecieron un tiempo investigando en nuestro país.

Este es el contexto en el que ocurrieron los hechos históricos de los que nos vamos a ocupar ahora: El descubrimiento del platino por A. de Ulloa en 1748 en una expedición internacional de carácter científico; el descubrimiento del wolframio por los hermanos D’elhuyar y la purificación del platino por F. Chavaneau en 1783 en el Real Seminario de Vergara, y finalmente, el descubrimiento del Vanadio en 1801 en Méjico por A.M. del Río, salpicado de una cierta polémica entre la comunidad científica europea.

 

Antonio de Ulloa y el descubrimiento del platino

Descripción del elemento

El platino, de símbolo Pt y número atómico 78 tiene una  masa atómica de 195,08. Es un metal de transición del grupo 10 del sistema periódico de los elementos, de configuración electrónica [Xe] 6s¹ 4f¹⁴ 5d⁹. Su temperatura de fusión es 1768 ºC, y su densidad 21.450 kg/m³.

El platino  es un metal precioso de aspecto grisáceo, denso, dúctil, maleable y muy resistente a la corrosión. En la naturaleza se encuentra asociado sobre todo a minerales de níquel y cobre o como metal nativo.  Una de sus principales y más antiguas aplicaciones es en joyería, debido a su bello aspecto y estabilidad. Más recientemente, el platino ha encontrado importantes aplicaciones como conductor eléctrico, como componente en instrumentos de laboratorio, como catalizador en la industria química para la obtención  de diversos  productos, y en los catalizadores que reducen las emisiones de gases nocivos de los automóviles.

El descubrimiento del platino

El platino fue descubierto por el marino y naturalista español Antonio de Ulloa y de la Torre-Giralt (1716-1795) durante una misión científica cuando hacía trabajo de campo en los residuos de los  lavaderos de las minas de oro del Chocó (Colombia). En 1748 dio a conocer su descubrimiento al publicar su Relación Histórica del Viage a la América Meridional, en el que describía un nuevo metal nativo, muy denso, que no se podía fundir ni calcinar con los medios disponibles entonces, diferente a los otros metales nobles conocidos, y  al que él mismo denominó “platina” por su similitud con la plata. Se trataba del elemento Z=78, hoy conocido como platino.

Aunque ignorasen su identidad como tal elemento químico, está documentado que este metal noble ya era conocido y utilizado en orfebrería por algunos indígenas de la época precolombina en Ecuador, así como por los propios indios de la selva del Chocó, quienes no entendían que los españoles que explotaban el oro y la plata rechazasen ese material al que denominaban “plata de la mala”, confundiéndolo con una variedad inútil de este metal.

Antonio de Ulloa, nacido en Sevilla, hizo su carrera en la Marina Española y se embarcó junto al gran marino y matemático español Jorge Juan en una de las mayores empresas científicas de la Ilustración, la expedición promovida por la Academia de Ciencias de Francia para determinar la forma de la Tierra y sus dimensiones, en la que se demostró el achatamiento polar y se midió de forma precisa la longitud del meridiano. Juan y De Ulloa, viajaron a la zona ecuatorial de Sudamérica para tal fin, pero terminaron explorando y cartografiando toda a costa del Pacífico, desde Panamá hasta Chile. El descubrimiento del platino por Antonio de Ulloa durante su paso por la selva Colombiana hay que enmarcarlo dentro del contexto de esta gran aventura científica llena de descubrimientos en el campo de la geodesia, la geografía y la mineralogía.

Cuando acabó esta misión, el navío francés en el que navegaba De Ulloa de vuelta a España fue apresado por corsarios ingleses. Una vez en Inglaterra, ya liberado, continuó ampliando conocimientos e incluso llegó a ingresar en la prestigiosa Royal Society en 1746, el mismo año en que regresa a España, donde tras 11 años de viaje es ascendido a capitán de navío y enviado a Europa por el rey Fernando VI para abrirse a los últimos avances científicos del momento. Dos años más tarde es cuando publica el relato de su descubrimiento de “la platina” en su Relación Histórica. De Ulloa fue gobernador en Perú y La Luisiana, fundador de varias instituciones científicas y miembro de algunas prestigiosas Academias de Ciencias europeas. 

Como ya se ha dicho, se le reconoce Antonio de Ulloa el mérito del descubrimiento del platino. Sin embargo,  la determinación precisa de sus propiedades se debe a los químicos ingleses, W. Watson, W. Brownrigg y W. Lewis, mientras que  el método para su purificación y conversión en un metal maleable de aplicación industrial  fue conseguida en 1783 en España por Pierre-François Chabaneau, un químico francés que trabajaba junto a Fausto D’Elhuyar en el  Seminario de Vergara. Al publicar los resultados de su estudio, Chabaneau insistió en diferenciar la platina (mineral formado mayoritariamente por el nuevo elemento e impurezas de otros) del metal maleable ya purificado al que denominó platino.

 

Los hermanos D’Elhuyar  y el descubrimiento del wolframio

Descripción del elemento

El wolframio, de símbolo W, tiene número atómico 74 y su masa atómica es de 183,84. Es el tercer metal de transición del grupo 6 de la tabla periódica, de configuración electrónica [Xe] 6s² 4f¹⁴ 5d⁴. Su temperatura de fusión es 3.422 ºC, y su densidad 19.250 kg/m³.

El wolframio o volframio, llamado también wólfram o tungsteno, es un metal escaso en la corteza terrestre que se encuentra en forma de óxidos o sales en diferentes minerales como la wolframita o la scheelita.  De color gris acerado, muy duro y denso, tiene el punto de fusión más elevado de todos los metales y el de ebullición más alto de todos los elementos, y debe precisamente a estas propiedades singulares sus numerosas e importantes aplicaciones en la industria.

Destaca en primer lugar, aprovechando su elevado punto de fusión, su uso generalizado como filamento en las lámparas incandescentes, en resistencias eléctricas y como electrodo no consumible en soldaduras. Si a eso le añadimos su elevada dureza y densidad, el wolframio se hace imprescindible en la aleación de aceros especiales para herramientas de corte y en la fabricación de piezas muy resistentes para armamento militar, además de para otros usos civiles, como en piezas de motores de medios de transporte. El 60% de la demanda mundial de wolframio se destina actualmente al carburo de wolframio sinterizado, que es el material industrial más duro que hay y se emplea en la fabricación de herramientas de corte.

El wolframio y sus yacimientos mineros son un asunto considerado como estratégico en el mundo desarrollado actual. Su valor empezó a cotizarse durante la primera guerra mundial y se disparó durante la segunda, precisamente por  su aplicación en la fabricación de cañones.

En ese periodo de tiempo, hasta los años cincuenta, España  desarrolló un importante y a la vez polémico comercio con este material estratégico. Las principales reservas de este mineral de toda la península ibérica se encontraban en Galicia, y en la actualidad sus minas están inactivas. Sin embargo se prevé una próxima reapertura alentada por la nueva estrategia europea de no dependencia de materiales estratégicos frente a gigantes de la industria minera como China.

El descubrimiento del wolframio

El wolframio fue descubierto en 1783 en España por los hermanos Juan José y Fausto Fermín D’Elhuyar y De Lubice, ambos nacidos en Logroño (La Rioja), Juan José en 1754 y Fausto Fermín, en 1755. Hijos de padre francés, en 1773 se trasladaron a Paris, donde estudiaron medicina, cirurgía, química, física e historia natural, y más tarde a Freiberg (Alemania), donde continuaron formándose en geología y mineralogía y hablando más idiomas, ejemplificando el auténtico espíritu de la Ilustración.

El descubrimiento del wolframio no fue producto del azar, ya que había evidencias de la presencia de un nuevo elemento en ciertos minerales. P. Woulfe, ya había predicho en 1779 que la wolframita ((Mn,Fe)WO₄) debería de contener un elemento desconocido. Dos años más tarde, los químicos suecos C. W. Scheele y T. Bergman, calcinando el denominado ácido túngstico obtenido a partir del mineral conocido hoy con el nombre de scheelita (CaWO₄), obtuvieron una nueva sustancia que pensaron que podría ser un nuevo elemento, a la que denominaron “tunsgten” por su aspecto sólido y pesado. Sin embargo no era ésta el elemento buscado, sino uno de sus óxidos (WO₃).

A pesar de todo lo que se había avanzado en los modernos laboratorios de los químicos suecos, el auténtico descubrimiento del wolframio se produjo sin embargo en suelo español, en el Real Seminario de Vergara, donde tenía su laboratorio la Real Sociedad Bascongada de Amigos del País, un laboratorio moderno y bien dotado tanto de material como de personal. En 1783, los hermanos D’Elhuyar se habían puesto a trabajar allí para conseguir aislar el nuevo elemento que perseguían los suecos. Obtuvieron un ácido idéntico al ácido túngstico, pero esta vez a partir de la wolframita procedente de las minas de estaño situadas en Zinnualde (Alemania). Juán José, que había sido discípulo de Bergman en Upsala (Suecia) fue quien trajo de Europa las muestras del mineral, las técnicas adecuadas y bien aprendidas y la intuición de la presencia del nuevo elemento en dichas muestras. Así, el día 28 de mayo de 1783, los dos hermanos consiguieron aislar el nuevo elemento metálico reduciendo el ácido del tungsteno con carbón vegetal. Seguros como estaban de haber descubierto por fin el buscado elemento, decidieron llamarlo wólfram (actualmente wolframio), tomando el nombre del mineral del que fuera extraído. En septiembre del mismo año publicaron su descubrimiento con el título de “Análisis químico del wolfram y examen de un nuevo metal que entra en su composición”, primeramente en Vergara y más tarde en París (1784) y Londres (1785). Finalmente, en 1820 el gran químico sueco Berzelius obtuvo wolframio mediante una reducción con hidrógeno. Con este método, aún empleado en la actualidad, comenzó a popularizarse el uso industrial de este metal extraordinario en aleación con los aceros.

 

Andrés Manuel del Río y el descubrimiento del vanadio

Descripción del elemento

El vanadio, de símbolo V, tiene número atómico 23 y una masa atómica de 50,94. Es un metal de transición, el primero del grupo 5 de la tabla periódica.  Su configuración electrónica es [Ar] 4s²  3d³. Su temperatura de fusión es 1.910 ºC y su densidad 6.110 kg/m³.

El vanadio es un metal de color blanco grisáceo dúctil pero duro y no muy pesado. La formación de una pátina de óxido lo protege de su oxidación al aire. En la corteza terrestre es poco abundante y se encuentra formando una gran variedad de minerales y en depósitos de combustibles fósiles. También es un oligoelemento importante en muchos seres vivos. Su aplicación principal es en aleación con el hierro en aceros especiales. El vanadio dota al acero de mayor ligereza y más resistencia de tracción. Otra aplicación muy importante es la utilización del pentóxido de divanadio (V₂O₅) como catalizador en la producción industrial del ácido sulfúrico.

El descubrimiento del vanadio

El vanadio fue el último de los tres elementos en ser descubierto. Sucedió en 1801 y su descubridor fue el científico español Andrés Manuel del Río Fernández (Madrid, 1764 – Ciudad de México,1849). Sin embargo este hallazgo estuvo envuelto en una polémica que afectó no solo a su nombre y símbolo sino también al reconocimiento de su descubridor.

Del Río se formó como científico especialista en química analítica, mineralogía y metalurgia, la principal aplicación de la química en aquella época, en la Universidad de Alcalá de Henares, pasando después a ampliar sus estudios y experiencia en varios Institutos Mineros punteros europeos (Almadén, París, Freiberg, Schemnitz) donde entró en contacto con influyentes personalidades científicas como el geógrafo Alexander von Humboldt, el mineralogista  A. G. Werner, y Antoine de Lavoisier. En 1795, del Río se trasladó a Méjico, en donde ocupó la Cátedra de mineralogía del Colegio de Minería de México hasta el final de su carrera. Además de reencontrarse con Von Humboldt, allá conoció a Fausto Fermín D’Elhuyar, codescubridor  del wolframio junto a su hermano Juan José.

La controvertida historia del descubrimiento del elemento número 23 del sistema periódico, hoy conocido como vanadio, data del año 1801, cuando Del Río examinaba unas muestras de minerales procedentes de Zimapán, en el estado mejicano de Hidalgo. Una de estas muestras era “plomo marrón” que fue identificado como un nuevo mineral, que el propio Del Río denominó zimpanio, y hoy es conocido como vanadinita (Pb₅(VO₄)₃Cl). Del Río consiguió identificar en él un elemento que tenía cierto parecido con el cromo pero que no acababa de encajar del todo con sus propiedades. Seguro de haber encontrado un nuevo elemento químico, al ver la gran diversidad compuestos coloreados que podía formar, decidió llamarle pancromio (pancromium), nombre que cambió poco después por el de eritronio (erythronium) en referencia al color rojo que presentaban la mayoría de sus compuestos después de ser calentados.  

Un año más tarde, Del Río aprovechó el paso de Humboldt por Méjico para divulgar y anunciar oficialmente su descubrimiento. De esta manera le confió una muestra del mineral, junto a las notas de su análisis, el procedimiento empleado y la conclusión del descubrimiento  en éste del nuevo metal, con el fin de que llegasen a Europa, se certificasen los resultados de su hallazgo y fuese publicado en las revistas más prestigiosas.

Pero una fatalidad hizo que el barco de equipaje de la expedición de vuelta de Humboldt naufragase y se perdiesen todas las notas de Del Río. Humboldt sólo pudo conservar la muestra, que entregó a un químico francés, de nombre H. V. Collet-Descotils, para que lo analizase en París. Tras analizar —¡equivocadamente!—  la muestra e ignorando el lamentable error que había cometido, Collet-Descotils  informó que en realidad se trataba de cromo, un elemento descubierto apenas unos años antes. Humboldt, y tras él la comunidad científica internacional, rechazó la pretensión de Del Río de haber descubierto el elemento eritronio. Después de su rechazo inicial, finalmente, Del Río se resignó a aceptar la declaración de Collet-Descotils y se retractó de su afirmación, con el consuelo de que al menos fuese reconocido como el primero en descubrir cromo en América.

El asunto del eritronio había quedado zanjado y olvidado. Pero en 1829, 28 años después de la investigación de Del Río, N. G. Sefström, un químico sueco discípulo de Berzelius que estaba investigando nuevas aleaciones del acero, identificó lo que claramente se trataba de un nuevo elemento desconocido hasta el momento. Lo denominó vanadio, aludiendo a Vanadis, una bella diosa de la mitología escandinava.

Pero ese mismo año, F. Wöhler, el célebre químico que sintetizó por vez primera una sustancia orgánica -la urea- en el laboratorio, determinó que el eritronio anunciado por Del Río en México en 1801 y el vanadio descubierto por Sefström en Suecia  en 1829 eran en realidad el mismo elemento. A pesar del apoyo de Berzelius a Sefström, las pruebas de Wöhler fueron determinantes. El elemento conocido ahora por todos como vanadio ya lo había descubierto hace treinta años el químico español Andrés Manuel del Río, y así se reconoce en la actualidad.

El aislamiento del vanadio no fue una tarea fácil.  A pesar de haberlo identificado o incluso confundido con algunos de los compuestos que formaba, ninguno de los protagonistas de los que hemos hablado hasta el momento había conseguido reducir el vanadio a su estado de metal puro. En 1867 el inglés H. E. Roscoe pudo obtener por fin el vanadio puro reduciendo su cloruro (VCl₃) con hidrógeno.

 

Sobre el nombre de estos elementos y como conclusión final

Como acabamos de ver, no debería quedar duda alguna acerca de la “españolidad” de estos tres elementos ni del mérito científico de sus descubridores, a quienes les correspondería el honor de ponerles nombre. La I.U.P.A.C. (Unión internacional de Química pura y aplicada), que es el la institución unánimemente aceptada por la comunidad científica internacional en materia de nomenclatura química, así lo reconoce al establecer que son los descubridores los que tienen el derecho de nombrar los elementos descubiertos por ellos mismos, especialmente en el caso de haberse producido hace bastante tiempo. Sin embargo, la I.U.P.A.C. ha dejado de lado esta norma en ciertas ocasiones puntuales. Con el platino no hubo problema, pero no fue así con los otros dos, revelándose especialmente contradictorio el caso del wolframio.

Dejamos pues el nombre del  platino con su símbolo Pt, universalmente reconocido, derivado de la platina tal como lo propuso su descubridor Antonio de Ulloa, aludiendo a su semejanza con la plata.

El caso del wolframio es el más polémico. El nombre de wolframio, volframio o wolfram procede de las palabras en alemán wolf y rahm ( literalmente lobo y sucio). Este es el nombre que le dieron sus descubridores los hermanos D’Elhuyar, haciendo alusión al nombre dado por los mineros de las minas alemanas de estaño al mineral llamado wolframita, que aparecía junto a la casiterita y se consideraba algo despreciable que corrompía la mena del estaño.

Paralelamente, el influyente metalúrgico sueco A. F. Cronstedt, incluyó una descripción de este mineral desconocido en su libro Ensayos de Mineralogía de 1758 refiriéndose a él con el nombre de tungsnsteno, que viene de los términos suecos tung (pesado) y sten (piedra). En la versión inglesa de la obra, se mantuvo la palabra tungsten, lo que explica la popularidad de este término en el campo de la metalurgia, especialmente en el mundo anglosajón.

La “mugre de lobo” frente a la “piedra pesada”. La comunidad científica se encontró con dos nombres diferentes para referirse al mismo elemento nº 74. En su 15ª conferencia celebrada en Ámsterdam en 1949, la I.U.P.A.C., aplicando la norma establecida que hacía referencia a la nomenclatura del descubridor, adoptó de forma oficial el nombre de “wolfram” (en castellano, wolframio) en lugar de “tungsten” (en castellano, tungsteno), y estableció su símbolo W. Pero sorprendentemente, en la edición de 2005 de su libro Nomenclatura de Química Inorgánica, la IUPAC suprime el nombre de “wolfram”, dando a entender que el término “tungsten” es el que debería prevalecer por el hecho de ser el más utilizado en lengua inglesa, aunque mantiene su símbolo W. Hay que indicar que esta eliminación no ha sido aceptada por los miembros españoles de la IUPAC, que siguen considerando su nombre original wolframio como el nombre correcto, aunque en Latinoamérica suela emplearse más el de tungsteno.

Con el nombre del vanadio tampoco salió bien parado su descubridor A.M. del Río. Éste lo llamó primeramente pancromio (de dodos los colores, según su etimología griega),  y posteriormente eritronio, por ser el color rojo ( eritro- en griego) el más persistente en sus derivados; pero por las circunstancias descritas antes, su hallazgo fue ignorado por la comunidad científica internacional. Casi 30 años más tarde, el sueco N.G. Sefström bautizó con el nombre de la diosa Vanadis a su nuevo (para él) elemento químico. Para cuando se enmendó el error cometido y se reconoció que el vanadio era el mismo metal que el eritronio que aseguraba haber descubierto Del Río años atrás,  ya era demasiado tarde y se mantuvo el nombre de vanadio y su símbolo V; aunque a Del Río se le reconozca hoy oficialmente la autoría del descubrimiento. 

Conclusión sarcástica:  De los tres elementos descubiertos por científicos españoles, platino, wolframio y vanadio, sólo el primero conserva su nombre y su símbolo originales, el segundo mantiene su símbolo, pero no así el nombre en la mayoría de los idiomas, mientras que al tercero no le han dejado ninguno de los dos atributos. Total: 3 de 6. Aprobado raspado. ¡Es que nos tienen manía!! …