Introducción a la ciencia I. Ciencias Físicas (62 page)

Estas presiones ultraelevadas permitieron a Bridgman forzar a los átomos y moléculas de una sustancia a adoptar agrupaciones más compactas, que a veces se mantenían una vez eliminada la presión. Por ejemplo, convirtió el fósforo amarillo corriente —mal conductor de la electricidad— en fósforo negro, una forma de fósforo conductora. Logró sorprendentes cambios, incluso en el agua. El hielo normal es menos denso que el agua líquida. Utilizando altas presiones, Bridgman produjo una serie de hielos («hielo-II», «hielo-III», etc.), que no sólo eran más densos que el líquido, sino que eran hielo sólo a temperaturas muy por encima del punto normal de congelación del agua. El hielo-VII es un sólido a temperaturas superiores a la del punto de ebullición del agua.

La palabra «diamante» es la más sugestiva en el mundo de las altas presiones. Como sabemos, el diamante es carbón cristalizado, igual que el grafito. (Cuando aparece un elemento en dos formas distintas, estas formas se llaman «alótropas». El diamante y el grafito constituyen los ejemplos más espectaculares de este fenómeno. Otros ejemplos los tenemos en el ozono y el oxígeno corriente.) La naturaleza química del diamante la demostraron por vez primera, en 1772, Lavoisier y algunos químicos franceses colegas suyos. Compraron un diamante y procedieron a calentarlo a temperaturas lo suficientemente elevadas como para quemarlo. Descubrieron que el gas resultante era anhídrido carbónico. Más tarde, el químico británico Smithson Tennant demostró que la cantidad de anhídrido carbónico medida sólo podía obtenerse si el diamante era carbono puro, y, en 1799, el químico francés Guyton de Morveau puso punto final a la investigación convirtiendo un diamante en un pedazo de grafito.

Desde luego, se trataba de un mal negocio; pero, ¿por qué no podía realizarse el experimento en sentido contrario? El diamante es un 55 % más denso que el grafito. ¿Por qué no someter el grafito a presión y forzar a los átomos componentes a adoptar la característica disposición más densa que poseen en el diamante?

Se realizaron muchos esfuerzos, y, al igual que había sucedido con los alquimistas, varios investigadores informaron haber alcanzado éxito. El más famoso fue el químico francés Ferdinand-Frédéric-Henri Moissan. En 1893 disolvió grafito en hierro colado fundido, e informó que había encontrado pequeños diamantes en la masa después de enfriada. La mayor parte de los objetos eran negros, impuros y pequeños; pero uno de ellos era incoloro y medía casi un milímetro de largo. Estos resultados se aceptaron en general, y durante largo tiempo se creyó que Moissan había obtenido diamantes sintéticos. Pese a ello, nunca se repitieron con éxito sus resultados.

Sin embargo, la búsqueda de diamantes sintéticos proporcionó algunos éxitos marginales. En 1891, el inventor americano Edward Goodrich Acheson descubrió, durante sus investigaciones en este campo, el carburo de silicio, al que dio el nombre comercial de «Carborundo». Este material era más duro que cualquier sustancia conocida hasta entonces, a excepción del diamante, y se ha empleado mucho como abrasivo, es decir, que se trata de una sustancia usada para pulir y abrillantar.

La eficacia de un abrasivo depende de su dureza. Un abrasivo puede pulir o moler sustancias menos duras que él, y, en este aspecto, el diamante, como la sustancia más dura, es la más eficaz. La dureza de las diversas sustancias suele medirse por la «escala de Mohs», introducida, en 1818, por el minerólogo alemán Friedrich Mohs. Dicha escala asigna a los minerales números desde el 1 —para el talco— hasta el 10 — para el diamante—. Un mineral de un número determinado puede rayar todos los minerales de números más bajos que él. En la escala de Mohs, el carborundo tiene el número 9. Sin embargo, las divisiones no son iguales. En una escala absoluta, la diferencia de dureza entre el número 10 (diamante) y el 9 (carborundo) es cuatro veces mayor que la existente entre el 9 (carborundo) y el 1 (talco).

La razón de todo esto no resulta muy difícil de comprender. En el grafito, los átomos de carbono están dispuestos en capas. En cada capa individual, los átomos de carbono se hallan dispuestos en hexágonos en mosaico, como las baldosas del suelo de un cuarto de baño. Cada átomo de carbono está unido a otros tres de igual forma y, dado que el carbono es un átomo pequeño, los vecinos están muy cerca y fuertemente unidos. La disposición en mosaico es muy difícil de separar, pero es muy tenue y se rompe con facilidad. Una disposición en mosaico se halla a una distancia comparativamente grande en relación al siguiente mosaico, por encima y por debajo, por lo que los lazos entre las capas son débiles, y es posible hacer deslizar una capa por encima de la siguiente. Por esta razón, el grafito no es sólo particularmente fuerte sino que, en realidad, puede usarse como lubricante.

Sin embargo, en el diamante los átomos de carbono están dispuestos con una simetría absolutamente tridimensional. Cada átomo de carbono se halla enlazado a otros
cuatro
y a iguales distancias, y cada uno de los cuatro constituyen los ápices de un tetraedro en el que los átomos de carbono en consideración constituyen el centro. Esta disposición es muy compacta, por lo que, sustancialmente, el diamante es más denso que el grafito. No puede separarse en ninguna dirección, excepto bajo una fuerza enorme. Otros átomos pueden adoptar la
configuración diamantina
, pero de ellos el átomo de carbono es el más pequeño y el que se mantiene más fuertemente unido. Así, el diamante es más duro que cualquier otra sustancia bajo las condiciones de la superficie terrestre.

En el carburo de silicio, la mitad de los átomos de carbono están sustituidos por átomos de silicio. Dado que los átomos de silicio son considerablemente más grandes que los átomos de carbono, no se unen a sus vecinos con tanta fuerza y sus enlaces son débiles. De este modo, el carburo de silicio no es tan duro como el diamante (aunque sea lo suficientemente fuerte para numerosos fines).

Bajo las condiciones de la superficie de la Tierra, la disposición de los átomos de carbono del grafito es más estable que la disposición del diamante. Por lo tanto, existe una tendencia a que el diamante se convierta espontáneamente en grafito. Sin embargo, no existe el menor peligro en que uno se despierte y se encuentre a su magnífico anillo de diamantes convertido en algo sin valor de la noche a la mañana. Los átomos de carbono, a pesar de su inestable disposición, se mantienen unidos con la fuerza suficiente como para que hagan falta muchísimos millones de años para que este cambio tenga lugar.

La diferencia en estabilidad hace aún más difícil el convertir al grafito en diamante. No fue hasta la década de los años 1930 cuando, finalmente, los químicos consiguieron los requisitos de presión necesarios para convertir el grafito en diamante. Se demostró que esta conversión necesitaba de una presión, por lo menos, de 10.000 atmósferas, y aun así era una cosa impracticablemente lenta. El elevar la temperatura aceleraría la conversión, pero también aumentaría los requisitos en la presión. A 1.500 °C, se necesita por lo menos una presión de 30.000 atmósferas. Todo esto probó que Moissan y sus contemporáneos, bajo las condiciones que empleaban, no hubieran podido producir diamantes del mismo modo que los alquimistas oro. (Existen algunas pruebas de que Moissan fue en realidad víctima de uno de sus ayudantes, el cual, para librarse de aquellos tediosos experimentos, decidió acabar con los mismos colocando un diamante auténtico en la mezcla de hierro fundido.)

Ayudado por el trabajo de pionero de Bridgman al conseguir las elevadas temperaturas y presiones necesarias, los científicos de la «General Electric Company» consiguieron al fin esta hazaña en 1955. Se lograron presiones de 100.000 atmósferas o más, con temperaturas que alcanzaban los 2.500 °C. Además, se empleó una pequeña cantidad de metal, como el cromo, para formar una película líquida a través del grafito. Fue en esta película en la que el grafito se convirtió en diamante. En 1962, se llegó a una presión de 200.000 atmósferas y una temperatura de 5.000 °C. El grafito se convirtió directamente en diamante, sin emplear un catalizador.

Los diamantes sintéticos son demasiado pequeños e impuros para emplearlos como gemas, pero en la actualidad se producen comercialmente como abrasivos y herramientas de corte, e incluso son una fuente importante para tales productos. A fines de esa década, se llegó a producir un pequeño diamante de una calidad apta en gemología.

Un producto más nuevo conseguido por la misma clase de tratamiento puede sustituir a los usos del diamante. Un compuesto de boro y nitrógeno
(nitruro bórico)
es muy similar en propiedades al grafito (excepto que el nitruro bórico es blanco en vez de negro). Sometido a las elevadas temperaturas y presiones que convierten al grafito en diamante, el nitruro de boro lleva a cabo una conversión similar. Desde una disposición cristalina como la del grafito, los átomos de nitruro de boro se convierten en una parecida a la del diamante. En su nueva forma se denomina
borazón
. El borazón es cuatro veces más duro que el carborundo. Además, posee la gran ventaja de ser más resistente al calor. A una temperatura de 900 °C el diamante arde, pero el borazón permanece incambiable.

El boro posee un electrón menos que el carbono y el nitrógeno un electrón más. Combinados ambos, alternativamente, llegan a una situación muy parecida a la de la disposición carbono-carbono, pero existe una pequeña diferencia respecto de la simetría del diamante. Por lo tanto, el boro no es tan duro como el diamante.

Naturalmente, los trabajos de Bridgman sobre las presiones elevadas no constituyen la última palabra. A principios de los años 1980, Peter M. Bell, de la «Institución Carnegie», empleó un aparato que oprime los materiales entre dos diamantes, por lo que consiguió alcanzar presiones de hasta 1.500.000 atmósferas, por encima de las dos quintas partes de las existentes en el centro de la Tierra. Creo que es posible con su instrumento llegar a los 17.000.000 de atmósferas antes de que los mismos diamantes se vean afectados.

En el Instituto de Tecnología de California, se han empleado ondas de choque para producir presiones momentáneas aún más elevadas: tal vez hasta de 75.000.000 atmósferas.

La mayor parte de los elementos de la tabla periódica son metales. En realidad, sólo 20 de los 102 pueden considerarse como no metálicos. Sin embargo, el empleo de los metales se introdujo relativamente tarde. Una de las causas es la de que, con raras excepciones, los elementos metálicos están combinados en la Naturaleza con otros elementos y no son fáciles de reconocer o extraer. El hombre primitivo empleó al principio sólo materiales que pudieran manipularse mediante tratamiento simples, como cincelar, desmenuzar, cortar y afilar. Ello limitaba a huesos, piedras y madera los materiales utilizables.

Su iniciación al uso de los metales se debió al descubrimiento de los meteoritos, o de pequeños núcleos de oro, o del cobre metálico presente en las cenizas de los fuegos hechos sobre rocas que contenían venas de cobre. En cualquier caso se trataba de gentes lo bastante curiosas (y afortunadas) como para encontrar las extrañas y nuevas sustancias y tratar de descubrir las formas de manejarlas, lo cual supuso muchas ventajas. Los metales diferían de la roca por su atractivo brillo una vez pulimentados. Podían ser golpeados hasta obtener de ellos láminas, o ser transformados en varillas. Podían ser fundidos y vertidos en un molde para solidificarlos. Eran mucho más hermosos y adaptables que la piedra, e ideales para ornamentación. Probablemente se emplearon para esto mucho antes que para otros usos.

Al ser raros, atractivos y no alterarse con el tiempo, los metales llegaron a valorarse hasta el punto de convertirse en un medio reconocido de intercambio. Al principio, las piezas de metal (oro, plata o cobre) tenían que ser pesadas por separado en las transacciones comerciales, pero hacia el 700 a. de J.C. fabricaron ya patrones de metal algunas entidades oficiales en el reino de Lidia, en Asia Menor, y en la isla egea de Egina. Aún hoy seguimos empleando las monedas.

Lo que realmente dio valor a los metales por sí mismos fue el descubrimiento de que algunos de ellos podían ser transformados en una hoja más cortante que la de la piedra. Más aún, el metal era duro. Un golpe que pudiera romper una porra de madera o mellar un hacha de piedra, sólo deformaba ligeramente un objeto metálico de tamaño similar. Estas ventajas compensaban el hecho de que el metal fuera más pesado que la piedra y más difícil de obtener.

El primer metal obtenido en cantidad razonable fue el cobre, que se usaba ya hacia el 4000 a. de J.C. Por sí solo, el cobre era demasiado blando para permitir la fabricación de armas o armaduras (si bien se empleaba para obtener bonitos ornamentos), pero a menudo se encontraba en la mena aleado con una pequeña cantidad de arsénico o antimonio, lo cual daba por resultado una sustancia más dura que el metal puro. Entonces se encontrarían algunas menas de cobre que contendrían estaño. La aleación de cobre-estaño (bronce) era ya lo suficientemente dura como para utilizarla en la obtención de armas. El hombre aprendió pronto a añadir el estaño. La Edad del Bronce remplazó a la de la Piedra, en Egipto y Asia Occidental, hacia el 3500 a. de J.C., y en el sudeste de Europa, hacia el 2000 a. de J.C.
La Ilíada
y
La Odisea
, de Hornero, conmemoran este período de la cultura.

Aunque el hierro se conoció tan pronto como el bronce, durante largo tiempo los meteoritos fueron su única fuente de obtención. Fue, pues, sólo un metal precioso, limitado a empleos ocasionales, hasta que se descubrieron métodos para fundir la mena de hierro y obtener así éste en cantidades ilimitadas. La fundición del hierro se inició, en algún lugar del Asia Menor, hacia el 1400 a. de J.C, para desarrollarse y extenderse lentamente.

Un ejército con armas de hierro podía derrotar a otro que empleara sólo las de bronce, ya que las espadas de hierro podían cortar las de bronce. Los hititas de Asia Menor fueron los primeros en utilizar masivamente armas de hierro, por lo cual vivieron un período de gran poder en el Asia Occidental. Los asirios sucedieron a los hititas. Hacia el 800 a. de J.C. tenían un ejército completamente equipado con armas de hierro, que dominaría el Asia Occidental y Egipto durante dos siglos y medio. Hacia la misma época, los dorios introdujeron la Edad del Hierro en Europa, al invadir Grecia y derrotar a los aqueos, que habían cometido el error de seguir en la Edad del Bronce.