Identificación química

[Introducción a la química] Sección 4. Conceptos Clave [Elementos y compuestos] [Identificación química] [Cocientes químicos: densidad y masa molar] [Tablas de densidades notables] Otros conceptos [Historia de la química 5. Ciencia de materiales y geopolítica]

La identificación química es el proceso mediante el cual se determina la naturaleza y composición de una sustancia, es decir, qué elementos o compuestos la conforman. Para ello, se utilizan sus propiedades químicas y físicas características, que permiten distinguir una sustancia de otra. Entre las propiedades más útiles están la masa molar, que es la masa de un mol de partículas (átomos o moléculas) de una sustancia, y la densidad, que relaciona su masa con su volumen. Otras propiedades incluyen el punto de ebullición, el pH, la reactividad y el color de la llama que emiten ciertos elementos al quemarse. Estas propiedades permiten comparar resultados experimentales con datos conocidos y así identificar de manera precisa una sustancia.

Figura 1. La reacción de los metales con oxígeno y oxidación es una propiedad química, porque es común a los metales, excepto unos pocos como el oro, transformando la estructura metálica a una estructura terrosa-rojiza propia del óxido férrico. Esta transformación no solo implica un cambio visual y físico, sino una alteración en la composición química de la sustancia, lo que la distingue de un cambio físico como la fusión o la fragmentación. La oxidación es también un indicador del nivel de reactividad química del metal, y se manifiesta de formas diversas: desde la formación de herrumbre en el hierro hasta la pátina verde del cobre. Su estudio permite identificar metales y predecir su durabilidad, utilidad o necesidad de protección química.

La identificación química funciona mediante la observación y medición de una o más propiedades características de una sustancia, como su masa molar, densidad, punto de fusión, o espectro electromagnético. Estas propiedades se cuantifican y estandarizan previamente para sustancias puras bien conocidas, creando así una base de datos confiable o un patrón físico de referencia. Al analizar una muestra desconocida, también llamada analito, se miden las mismas propiedades bajo condiciones controladas y luego se compara con los datos registrados o con el patrón estándar. Si los valores coinciden dentro de un margen aceptable, se puede identificar con precisión la sustancia. Este método es esencial tanto en laboratorios científicos como en aplicaciones industriales, forenses y ambientales.

Figura 2. La reacción química entre un centavo de cobre y ácido nítrico es un ejemplo clásico de una reacción de oxidación-reducción. El cobre metálico se oxida, liberando electrones, mientras que el ion nitrato del ácido se reduce, generando un gas marrón rojizo: dióxido de nitrógeno (NO₂), un compuesto tóxico y corrosivo. Al mismo tiempo, el cobre se disuelve formando iones de cobre (Cu²⁺), que se combinan con los iones nitrato para producir una solución de nitrato de cobre, caracterizada por su color azul-verdoso intenso. Esta transformación es irreversible, lo que confirma su carácter químico, e ilustra cómo una sustancia puede cambiar completamente de identidad al reaccionar con otra, dando lugar a productos con propiedades muy distintas de los reactivos originales.

Esto nos lleva a una distinción clave en la ciencia: la diferencia entre propiedades físicas y propiedades químicas. Una propiedad física es aquella que puede medirse sin alterar la composición de la sustancia, pero no siempre permite distinguirla con claridad. Por ejemplo, la masa o el volumen por sí solos no son suficientes para identificar una sustancia, ya que diferentes materiales pueden compartir valores similares. En cambio, las propiedades químicas están profundamente ligadas a la identidad de la sustancia, ya que muchas de ellas son constantes características o relaciones (ratios) entre propiedades físicas. Cuando se analizan dos o más propiedades y su relación se mantiene constante en una sustancia específica, se revela una huella química distintiva, útil para su identificación precisa.

La corona del rey.

A pesar de lo sofisticadas que son hoy en día las técnicas analíticas para la identificación de sustancias, como los espectros de absorción y emisión de luz o la cromatografía en gel, la historia de la identificación química tiene un origen casi mítico. Una de sus anécdotas fundacionales es el famoso episodio de Arquímedes y la corona del rey Hierón II.

Figura 3. Ese inspirador momento eureka que solo llega cuando el cerebro desconecta, cuando uno deja de forzar la mente y permite que el inconsciente conecte ideas de forma inesperada, ha sido descrito por muchos científicos y pensadores a lo largo de la historia. Sucede en el baño, caminando, justo antes de dormir, o incluso soñando. Es cuando la mente, tras horas o días de concentración intensa, encuentra por fin una solución de forma casi mágica. Es la chispa creativa, el momento de revelación, como el de Arquímedes en su bañera, o Kekulé soñando con serpientes que se muerden la cola. Estos momentos revelan que la intuición, el descanso y el juego mental son tan importantes como el estudio riguroso.

Arquímedes, el sabio griego temido por los romanos por sus invenciones de guerra, era conocido por su genio matemático y su distracción extrema. Amigo cercano del rey de Siracusa, Hierón II, fue consultado para resolver una sospecha: el rey había entregado un bloque de oro a un orfebre para confeccionar una corona, pero aunque esta pesaba lo mismo que el oro original, Hierón temía que el artesano hubiera sustituido parte del oro con plata. El desafío consistía en determinar la composición sin dañar la corona.

Figura 4. La balanza de Arquímedes es un ingenioso dispositivo atribuido al matemático y científico griego Arquímedes, ideado para determinar la densidad de un objeto mediante el principio de flotación. Consiste en una palanca equilibrada en un punto de apoyo, con un gancho en uno de sus extremos para colgar el objeto a medir. Al sumergirse en un líquido, como el agua, el objeto experimenta una fuerza de empuje que reduce su peso aparente. La diferencia entre el peso del objeto en el aire y su peso dentro del líquido permite calcular con precisión su volumen, y con ello, su densidad. Este principio fue un hito en la historia de la física experimental y la metrología, abriendo nuevas vías para el estudio de materiales.

Tiempo después, al sumergirse en su bañera, Arquímedes notó que el agua se desplazaba en proporción al volumen de su cuerpo. Comprendió que un objeto sumergido desplaza un volumen de agua igual al suyo, y además experimenta una fuerza de empuje hacia arriba, lo que le da una sensación de ligereza. De inmediato, se dio cuenta de cómo podía resolver el dilema del rey, y salió corriendo desnudo por las calles gritando “¡Eureka!”, que en griego significa “¡lo he encontrado!”.

Figura 5. El principio descubierto por Arquímedes implicaba que si la corona era de oro puro, al sumergirla debería experimentar la misma fuerza de empuje que un bloque de oro del mismo peso. Si, en cambio, contenía plata (más ligera que el oro), la corona tendría mayor volumen y flotabilidad, revelando así la estafa. Mediante una balanza sumergida, Arquímedes demostró que la corona no era de oro puro, confirmando las sospechas del rey. Gracias a este descubrimiento, el orfebre deshonesto terminó en graves problemas. El principio de Arquímedes no solo permitió resolver este problema, sino que también explica por qué objetos enormes, como los barcos, pueden flotar. Aunque su estructura es colosal, el interior del barco contiene suficiente espacio vacío para reducir su densidad promedio. Esto permite que desplace una gran cantidad de agua, generando una fuerza de empuje igual al peso del líquido desplazado. Si esta fuerza es igual o mayor al peso del objeto, este flota; si es menor, se hunde. Esta ley sigue siendo esencial en la ingeniería naval moderna, y representa uno de los primeros grandes momentos en la historia de la ciencia aplicada a la materia.
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Cocientes químicos notables

Este célebre episodio no solo inaugura la noción de identificación de materiales mediante propiedades intensivas, sino que anticipa un principio fundamental en química: muchas propiedades químicas clave son en realidad relaciones o cocientes entre magnitudes físicas. Un ejemplo clásico es la densidad, definida como la razón entre masa y volumen (ρ = m/V), cuya constancia permite identificar sustancias puras. Otro caso es la masa molar, que relaciona la masa de una sustancia con la cantidad de materia en moles, y que permite predecir comportamientos químicos, calcular proporciones estequiométricas y comparar sustancias con base en su estructura atómica.

Saber calcular estas propiedades a partir de sus definiciones matemáticas es esencial en química, porque permite distinguir entre sustancias que, como en el caso de la corona del rey, pueden tener apariencia y peso similares, pero estructuras internas y composiciones distintas. Así, la química moderna se fundamenta tanto en la observación empírica como en la aplicación precisa de relaciones cuantitativas entre propiedades, lo que permite transformar observaciones cualitativas en evidencia medible, replicable y demostrable.

Referencias

Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., & Lancaster, M. (2022). Chemistry: The central science (15th ed.). Pearson.

Chang, R. (2021). Chemistry: The central science (14th ed.). Pearson.

Costanti, F. (2010). The Golden Crown: A Discussion. In The Genius of Archimedes--23 Centuries of Influence on Mathematics, Science and Engineering (pp. 215–225). Springer.

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Kuroki, H. (2016). How did Archimedes discover the law of buoyancy by experiment? Frontiers of Mechanical Engineering, 11(1), 26–32.

Seager, S. (2022). Chemistry for today: General, organic, and biochemistry (10th ed.). Cengage Learning.