Identificación química

[Introducción a la química] Sección 5. Conceptos Clave [Identificación química] [La masa y la masa molar] Otros conceptos [Historia de la química 4. El fetiche atómico]

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 oxidación de los metales es una propiedad química que implica un cambio en su composición, no solo en su apariencia. Forma compuestos como el óxido férrico o la pátina del cobre, reflejando su reactividad. Su estudio permite identificar metales, predecir su durabilidad y aplicar medidas de protección química en ingeniería y conservación de materiales.

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 entre cobre y ácido nítrico es un ejemplo de oxidación-reducción: el cobre se oxida a iones Cu²⁺ y el ion nitrato se reduce, liberando dióxido de nitrógeno (NO₂), un gas tóxico. Se forma nitrato de cobre, una solución azul-verdosa. Es una transformación irreversible, que evidencia un cambio químico profundo en la materia.

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. El momento eureka ocurre cuando el cerebro, tras un esfuerzo intenso, se relaja y permite al inconsciente conectar ideas. Surge en situaciones cotidianas como caminar o soñar. Casos famosos como Arquímedes o Kekulé muestran que la intuición y el descanso mental son clave en la creatividad, tanto como el estudio riguroso o el análisis lógico.

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 permite calcular la densidad de un objeto usando el principio de flotación. Al comparar su peso en el aire y en un líquido, se determina su volumen desplazado y así su densidad. Este invento fue clave en la física experimental y la metrología, demostrando la aplicación práctica del conocimiento científico.

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 de Arquímedes explica la fuerza de flotación que permite la boyancia en objetos sumergidos. Es fundamental en el diseño de submarinos, cisternas y estructuras navales. También actúa en organismos acuáticos: los peces óseos usan una vejiga natatoria, evolución de los pulmones, para controlar su flotabilidad, función que estos aún conservan en algunos vertebrados, incluidos los humanos.

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

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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.

Hirshfeld, A. (2009). Eureka man: The life and legacy of Archimedes. Bloomsbury Publishing USA.

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.