LA DESCOMPOSICIÓN Y LOS EQUIVALENTES ELECTROQUÍMICOS

Reseña Elaborada por Oscar Cardona[1]

Sobre un nuevo medidor de volta-electricidad

En este escrito, Faraday describe las características de diferentes dispositivos que permitan medir la electricidad, que pasa a través de un proceso de descomposición electroquímica. Para ello tiene en cuenta unas condiciones técnicas: los gases desprendidos de la descomposición del agua posibilitan la medición, la necesidad de evitar la recombinación de los gases en el electrodo durante la descomposición electro química del agua, forma y posición de los electrodos, entre otros. Para cumplir con estas condiciones, Faraday dispone de diferentes montajes, que permitan satisfacer esas condiciones. Sobre los electrodos, encuentra que la mejor posición es vertical, con el fin de evitar retener los gases que se forman y reducir el tiempo de estos en la sustancia, evitando así la recombinación del gas en el líquido. También dispone de recipientes graduados, en los cuales se pueda medir el volumen del gas producido. Respecto a esto, Faraday ofrece diferentes variantes, una en la que mide los gases producidos en ambos electrodos y acumulados en un mismo recipiente, o medir el gas que se produce en un solo electrodo (preferiblemente el que produce gas hidrógeno). Entre los diferentes montajes, proporciona uno que ya resuelve los problemas mencionados (figura 1).

Fig 1: Dispositivos para medir la electricidad. Izq: Medir gas de un electrodo. a) alambre que atraviesa recipiente cerrado en el que se recoge el gas a ser medido. b) Alambre introducido en un recipiente abierto, del cual se deja escapar el gas. c) electrodos dispuestos en forma vertical. d) tubo de vidrio acodado. Der: para medir gases combinados.  a) probeta graduada, b)electrodo incrustado de forma hermética en la pared de la probeta, c) recipiente contenedor del agua acidulada, d) tapón-orificio por el cual se agrega/retira el agua acidulada.

Estos aparatos, junto a diferentes montajes, le permitieron a Faraday comprobar que la descomposición química del agua es constante para una corriente, sin importar si se modifican la intensidad de la electricidad, o si se varia la fuente que proporciona la electricidad; si se modifica el tamaño o forma de los electrodos, la naturaleza de los materiales y sustancias conductoras, entre otros factores. A su vez, Faraday proporciona el único instrumento práctico para su tiempo con el cual medir la electricidad, aunque si bien, ya Gay-Lussac y Thenard habían propuesto con anterioridad, medir la electricidad de la pila voltaica por medio de la descomposición química.

Sobre la cantidad absoluta de electricidad asociada a las partículas o átomos de materia

Faraday observa, que la formulación de la teoría de la electroquímica guarda una estrecha relación con la cantidad de energía eléctrica que reside en diferentes cuerpos. A pesar de cierta resistencia a la idea de átomo, toma prestado este término para explicar la relación entre la afinidad química, y las propiedades eléctricas que presentan las sustancias. Faraday encuentra esta relación gracias a diferentes experimentos que le permitieron estimar la proporción entre los gases formados y la electricidad que circula. Entre ellos figuran los siguientes.  Para descomponer un gramo de agua acidulada (con ácido sulfúrico disuelto en ella) Faraday señala que se requiere  de un tiempo de 3min, 45s. Dicha electricidad es la misma para poner un alambre de platina  de 1/104 pulgadas (0,2mm, el espesor aproximado de dos hojas de papel), al rojo vivo. Faraday estima que esta corriente eléctrica equivale a 800.000 cargas de una botella de Leyden. (fig. 2)

Fig. 2: Botella de Leyden y sus componentes. Tomado de Zapata, 2019.

Otro de los experimentos realizados, Faraday toma dos placas de zinc. La placa A tenía una masa de 163,1gr y la placa B 148,3 gr. Después de introducirlas en un montaje por el cual paso electricidad, en un tiempo de 10 a 12 min, la masa de la placa B se mantuvo igual, en tanto la placa A, tiene una masa final de 154,65 gr (8,45gr menos). Faraday calcula a partir del volumen de hidrógeno, que la cantidad de agua descompuesta fue de 2,3535 gr. Y que este peso es al del zinc disuelto, en una razón de 1 a 8,45 o de 9 a 32,5.

A partir de dichos ejercicios, Faraday concluye que la electricidad que interviene en la descomposición y la materia que “evoluciona” (o disuelve para el caso del zinc) de una cierta cantidad de materia, son similares. Es decir, los pesos equivalentes de los cuerpos descompuestos, corresponden a las cantidades de ellos, en las que hay cantidades iguales de electricidad. Para Faraday esto tiene una implicación desde el modelo atómico que considera necesario mencionar. Y es que los átomos de los cuerpos que son equivalentes entre sí en una acción química ordinaria, contienen igual cantidad  de electricidad. Ello implica también que dicha cantidad de electricidad, le da a la materia su poder de combinación. En este sentido, Faraday proporciona las condiciones teóricas y prácticas para realizar la separación de materia compuesta, y posteriormente, aumentar la comprensión sobre la naturaleza de las fuerzas químicas implicadas.

Referencias:

Faraday, M. (1831) Sobre un nuevo medidor de volta-electricidad. En: Serie VII de 

Experimental Researches in Electricity.

             (1831) Sobre la cantidad absoluta de electricidad asociada a las partículas o átomos de materia. En: Serie VII de Experimental Researches in Electricity.

Zapata, F. (2019). Botella de Leyden: partes, funcionamiento, experimentos. Lifeder. Recuperado 15 abril 2020, a partir de https://www.lifeder.com/botella-de-leyden/

[1] Lic. Diseño Tecnológico. Estudiante Maestría Docencia de las Ciencias Naturales. Universidad Pedagógica Nacional.

PROPORCIONALIDAD Y EQUIVALENCIA EN LA ACTIVIDAD QUIMICA

LA CARACTERIZACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENTRE LAS SUSTANCIAS Y LA FORMULACIÓN DE LAS RELACIONES ENTRE   MOLÉCULAS

Se ha propuesto la lectura de las memorias de Avogadro y Gay Lussac para abordar la manera como los científicos estudiaron que las sustancias podían ser simples o compuestas, y que aquellas que eran compuestas, sus componentes presentaban una relación de números enteros sencillos. Este aspecto lleva a pensar también, como en el caso de la afinidad, qué mantiene unidas los átomos en las moléculas y cuál es la razón por la que se unen manteniendo siempre la misma relación numérica.  Para iniciar este aspecto se ha preparado una reseña de las dos memorias mencionadas.

Reseña realizada por Elena Díaz Bolívar[1]

ENSAYO SOBRE UNA MANERA DE DETERMINAR LAS MASAS RELATIVAS DE LAS MOLÉCULAS ELEMENTALES DE CUERPOS, Y LAS PROPORCIONES EN LAS CUALES ENTRAN EN ESTOS COMPUESTOS. Amadeo Avogadro (1776-1856)

El estudio de las transformaciones de las sustancias posibilitó profundizar sobre el conocimiento de la naturaleza, la estructura y el comportamiento de la materia vista desde las interacciones entre las sustancias participantes en una reacción química. De esta manera, el fenómeno de la combinación de diferentes proporciones de volumen de gases a las mismas condiciones de presión y temperatura, permitió establecer relaciones de combinación con respecto a los volúmenes obtenidos al final de la reacción. A partir de estas observaciones se pudo inferir la existencia de entidades discretas capaces de combinarse en iguales relaciones de proporción. Estas partículas invisibles a los sentidos se establecen como modelo explicativo de la estructura y composición de la materia.

En consecuencia de lo anterior, uno de los escritos más significativos en la historia del desarrollo de la teoría atómica molecular, da cuenta de las formulaciones realizadas por el científico Italiano Amadeo Avogadro en su más famosa memoria “Essay on a Manner of Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies, and the Proportions in Which They Enter into These Compounds^[2] estableciendo una hipótesis que supone que, “el número de moléculas integrantes en unos gases cualesquiera es siempre la misma en un volumen igual o es siempre proporcional a los volúmenes” efectivamente, si nosotros supusiéramos que las moléculas contenidas en un volumen dado fueran distintas para diferentes gases, apenas podría ser posible concebir que la ley que regula las relaciones simples que se dan entre ellas,  como también, los hechos que nos obligan a reconocer entre el volumen y el número de moléculas. Por una parte, está bien considerar que las moléculas de gases están a una distancia tal que la atracción mutua no puede ser ejercida, su atracción que varía por el calórico puede estar limitada a la condensación de la atmósfera formada por este fluido teniendo alguna extensión, en un caso, más grande que en el otro, y, consecuentemente, sin que la distancia de las moléculas varíe; o, en otras palabras, sin que el número de moléculas contenidas en un volumen dado sea diferente.

Por lo tanto, los gases están formados por moléculas (concepto que aparece por primera vez con el principio de Avogadro) y éstas se divide en átomos cuando dos gases reaccionan entre sí. Según Avogadro, en una reacción química una molécula de reactivo debe reaccionar con una o varias moléculas de otro reactivo, dando lugar a una o varias moléculas del producto, pero una molécula no puede reaccionar con un número no entero de moléculas, ya que la unidad mínima de un reactivo es la molécula. Debe existir, por tanto, una relación de números enteros sencillos entre las moléculas de los reactivos, y entre estas moléculas y las del producto. Amedeo Avogadro implementó la noción de que estos gases están conformados por moléculas que poseen un par de átomos y que a través de la ley que hoy en día lleva su nombre, se puede determinar el peso relativo a los átomos y las moléculas, lo que implica su diferenciación[3].

MEMORIA SOBRE LA COMBINACIÓN DE SUSTANCIAS GASEOSAS, LAS UNAS CON LAS OTRAS (SUR LA COMBINAISON DES SUBSTANCES GAZEUSES, LES UNES AVEC LES AUTRES) Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) [4]

Gay Lussac experimentó con volúmenes diferentes de fluorobórico, gas muriático, y los gases carbónicos[5] haciéndolos reaccionar con volúmenes iguales de amoníaco, en estas reacciones los resultados obtenidos se vieron afectados por las condiciones experimentales, dependiendo de si colocaba primero uno de ellos y agregaba el otro después. Obtuvo dos tipos de sales con algunos de ellos, por ejemplo, un carbonato compuesto por 100 partes de gas carbónico y 200 partes de amonio y otro carbonato compuesto de volúmenes iguales de gas carbónico y amoniaco, con estos resultados concluyó que en la obtención de una sal neutra o una sub-sal, sus elementos se combinan en proporciones sencillas que pueden considerarse como límites a sus proporciones. A partir de esto concluye que los ácidos toman exactamente su propio volumen de gas amoniaco para formar sales neutras y para la formación de las sub-sales toman el doble de volumen de gas amoniaco, mostrando así que los gases se combinan entre sí en proporciones simples.

Halló resultados similares al estudiar los compuestos de nitrógeno con oxígeno, las proporciones en volumen encontradas de nitrógeno con oxígeno fueron: para el óxido nitroso 100:50, para el gas nitroso 100:100 y para el ácido nítrico 100:200. Por el contrario, observó que al mezclar 50 partes de oxígeno con 100 partes de óxido de carbono se producen 100 partes de gas ácido carbónico, con lo que determinó que no sólo se combinan en proporciones sencillas, sino que la reducción de volumen que sufren al combinarse tiene también una relación simple respecto del volumen de por lo menos uno de ellos.

De sus experimentos pudo concluir que los compuestos de sustancias gaseosas siempre se forman en proporciones muy simples, que la relación de combinación es de 1 a 1, 1 a 2, o de 1 a 3, observó que al considerar los pesos no existe una relación simple y finita entre los elementos de un compuesto, pero los gases sí parecen combinarse en proporciones simples por volumen y es sólo cuando hay un segundo compuesto entre los mismos elementos que la nueva proporción del elemento que se ha agregado es un múltiplo de la primera cantidad, dando lugar siempre a compuestos cuyos elementos en volumen son múltiplos de unos a otros. Estas proporciones en volumen no se observan con sustancias sólidas o líquidas, solamente se dan en gases en los que se presentan las mismas condiciones de temperatura y presión, lo que los lleva a obedecer unas mismas.

Es así como durante los primeros años del siglo XIX quedaba clara la manera como los elementos se combinaban para formar compuestos, convirtiéndose estas proporcionalidades en la piedra angular de la química y abriendo a la vez un amplio panorama de interrogantes acerca de las proporciones cuantitativas de las substancias en los compuestos, con relación al número de moléculas que se forman.

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[1] Licenciada en química de la Universidad Pedagógica Nacional, Estudiante de Maestría en docencia de las ciencias naturales

[2] Ensayo de una manera de determinar las masas relativas de las moléculas elementales de los cuerpos y las proporciones según las cuales ellas entran en estas combinaciones. Obra publicada por el italiano Amadeo Avogadro en Paris 1811, en el Journal Physique. Tomo 73. 

[3] Fue durante el siglo XVIII que se empezaron a esclarecer diferentes afirmaciones y que propondrían la existencia de átomos y moléculas, los cuales poseían propiedades microscópicas y macroscópicas que permitían entender el comportamiento mismo de las sustancias.

[4] Memorias de la Sociedad d'Arcueil 2, 207 (1809)

[5] El gas muriático conocido como ácido clorhídrico, gas fluorobórico" (ácido fluorobórico) es un complejo entre el fluoruro de hidrógeno y trifluoruro de boro: HF · BF y "El gas carbónico", también conocido en este momento como ácido carbónico.  

CUARTA CONFERENCIA: AFINIDAD QUÍMICA, CALOR

Tomado de Faraday, Michael (1860)

CUARTA CONFERENCIA DE FARADAY

AFINIDAD QUÍMICA Y CALOR[1]

Comentario preparado por Martha Helena Barrera Brijalba[2]

Lograr explicar de qué manera ocurre la transformación de las sustancias y determinar qué es lo que da cuenta de ella desde nuestros sentidos, es algo que ha ocupado al hombre de ciencia en diferentes momentos históricos. Por medio de distintas experiencias con sustancias químicas y trabajos con electricidad, y desde una visión del funcionamiento del mundo como la interrelación de procesos físicos y químicos, Michael Faraday, expone y sustenta que la transformación de las sustancias se puede explicar desde lo que él ha llamado afinidad química, definida como una fuerza que vence a la fuerza que mantiene unidas las partículas de una sustancia determinada y que al interactuar con otra sustancia se pone de manifiesto; es decir, esta afinidad química solo se da cuando dos o más sustancias entren en contacto.

Para Faraday esta afinidad química responde a la forma como una sustancia cambia al interactuar con otra; de la misma manera, afirma que se deben dar unas condiciones para que tal afinidad química se ponga de manifiesto y por ende haya transformación de las sustancias, entre ellas menciona: la atracción recíproca entre sustancias, entendida como un carácter en común a las dos sustancias que es lo que les permite su transformación mutua; y la concentración de las sustancias, indicando que para que haya cambio las sustancias (en el caso de las sales), éstas deben estar saturadas. Así mismo, atribuye a la afinidad química la capacidad de actuar de inmediato o retrasar el proceso de transformación a partir de experiencias con sustancias en diferentes estados físicos; tal es el caso expuesto por él

[…] he aquí algunas partículas de oxígeno y también un bloque formado de partículas de carbón. Colocaré estas partículas en el oxígeno: pueden actuar, pero no lo hacen: se comportan lo mismo que esta vela apagada: allí permanece tranquila encima de la mesa esperando que queramos encenderla. Pero tal no es el caso en esta otra oportunidad: he aquí una substancia gaseosa como el oxígeno, y si introduzco en ella estas partículas de metal, éstas y aquél se combinan de inmediato. El cobre y el cloro se unen debido a su poder de afinidad química y producen un cuerpo enteramente distinto de cualquiera de sus componentes. En el otro caso, no es que la afinidad entre el carbón y el oxígeno sea deficiente, pero en cuanto los coloque en condición de ejercerla notarán la diferencia. (Faraday Michael, 1860)

Faraday también aborda el problema de la combustión y la expone como una forma de manifestación de la afinidad química que posee el oxígeno presente en la atmósfera; además, afirma que dicha afinidad es cuantificable y que – en sus palabras – no puede faltar ni excederse, de lo contrario no se da la combustión. Al oxígeno atmosférico también la atribuye la capacidad, desde su afinidad química, de transformar metales como el plomo y el hierro, haciendo que estos queden recubiertos de un barniz (óxidos de estos metales) que le dificulta tener otro tipo de transformaciones con otras sustancias.

Finalmente, Faraday habla del calor y la luz como efectos poderosos de la afinidad química de las sustancias, que cesan tan pronto ésta se acaba, atendiendo a que él cuantifica tal afinidad y se formula interrogantes muy interesantes a los que él mismo da respuestas:

¿Qué es entonces esta curiosa propiedad que llamamos calor? Es la evolución de otra facultad de la materia: un poder nuevo para nosotros, que debemos considerar como si fuera traído ahora ante nuestra atención por primera vez. ¿Qué es el calor? Lo reconocemos por su poder de licuar los cuerpos sólidos y de transformar en vapor los cuerpos líquidos por su poder de licuar los cuerpos sólidos y de transformar en vapor los cuerpos líquidos; por su poder de activar y, a menudo, de vencer la afinidad química. (Faraday Michael, 1860)

En este sentido Faraday se contradice cuando en un principio afirma que el calor depende directamente de la cantidad de afinidad química de una sustancia y posteriormente dice que su poder es tal, que incluso puede vencerla, dejando una inconsistencia en la teoría que propone.

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[1] En Faraday, Michael (1860/1946) Las fuerzas de la materia e historia química de una vela. Emecé Editores.

[2] Licenciada en Ciencias Naturales Universidad Minuto de Dios. Estudiante Maestría en Docencia de las Ciencias Naturales. Universidad Pedagógica Nacional.

TERCERA CONFERENCIA: COHESIÓN, AFINIDAD QUÍMICA

Tomado de Faraday (1860)

TERCERA CONFERENCIA: COHESIÓN, AFINIDAD QUÍMICA[1]

Comentario preparado por Rondón Hernández, Diego[2]

Para la aproximación del fenómeno de transformación, se vuelve necesario reconocer la importancia, que tienen las relaciones entre sustancias, o componentes, y las condiciones o factores asociados. Por lo cual, buscando entender cómo se encuentra constituida la materia y cómo interactúa unas sustancias con las otras.

De lo anterior, se construyen explicaciones teóricas, que permiten asociar los de cambios de color, aparición de gases, emisión de luz o calor, cambios de fase, entre otros a abstracciones del mundo no observable ­–reacciones químicas-. De lo cual, según Geoffroy, se entendían estas como meras descomposiciones de compuestos químicos determinados y las posteriores recomposiciones de nuevos productos reactivos a partir de los componentes resultantes. En ese sentido se introducen términos como sustancia, elemento químico, átomo, reacción, entre otros, refiriendo la transformación, no como una simple separación de la materia, sino por el contrario, pensar cómo ciertas propiedades como masa, forma, cargas eléctricas, permiten explicar las interacciones y transformaciones de las sustancias, aun cuando no siempre son exactas y precisas.

Retomando la tercera conferencia, se establece que “…el agua se compone de dos substancias, distintas de ella misma, que aparecen en distintos lugares cuando se la somete a la fuerza que tengo en estos alambres. Si en un tubo invertido recojo este gas (H), verán que no es de ninguna manera semejante al que recogimos en el aparato anterior. En este caso, se producía una ruidosa explosión cuando se lo encendía, pero éste arde silenciosamente. Se llama hidrógeno. Al otro lo denominamos oxígeno; es el gas que sustenta tan brillantemente la combustión, pero que no arde de por sí. Vemos ahora que el agua se compone de dos clases de partículas que se atraen mutuamente en una forma muy diferente a la de la gravitación o de la cohesión. A esta nueva fuerza la llamaremos afinidad Química, o fuerza de la acción química entre diferentes cuerpos…”

De lo anterior, se configura la transformación de las sustancias, como una  dependencia de la energía con la cual las partículas de diferentes especies se atraen mutuamente; siendo “la afinidad química la tendencia que tienen las partículas … de los cuerpos … unas hacia las otras y la fuerza que las hace adherirse cuando están unidas” (Dictionnarie de Chimie, 1766); y asociando a este fenómeno diversas causas como la glutinosidad del líquido, su movimiento, la forma de las partes precipitantes o precipitadas, la fuerza llamada calor, la atracción de la cohesión cuando se absorbe calor, la cohesión que tienen las partículas, la atracción entre las partículas de naturaleza diferente, entre otras; refiriendo el hecho que la transformación de la sustancias como problema de estudio que no debe limitarse, a ciertas manifestaciones organolépticas y descriptivas sobre unas denominas recombinaciones, si no, que por el contrario debe profundizarse en abstracciones mentales y explicativas que construyan explicaciones de ese mundo abstracto, en concordancia con las manifestaciones organolépticas y descriptivas.

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[1] Tomado de Faraday, Michael (1860/1946) Las fuerzas de la materia: e historia química de una vela. Emecé Editores.

[2] Licenciado en Química. Universidad Pedagógica Nacional. Docente Colegio Mayor de San Bartolomé. Estudiante Especialización en Docencia de las Ciencias para el Nivel Básico, Universidad Pedagógica Nacional.

LAS TABLAS DE AFINIDAD

Edición de Sandra Sandoval Osorio y Juan Alberto Aldana González.

Docentes Universidad Pedagógica Nacional

	Espíritu de sal		Espíritu de nitro
Álcalis Fijos (Carbonato de potasio, carbonato de sodio)	Sal marina regeneratum (Cloruro de potássio)	Álcalis Fijos (Carbonato de potasio, carbonato de sodio)	Sal nitrium (Nitrato de potasio) Nitrato de chile (Nitrato de sodio)
Álcalis volátiles (carbonato de amonio)	Sal de amonio (Cloruro de amonio)	Álcalis volátiles	Nitrium flammans (nitrato de amonio)
Tierra Alcalina (Carbonato de calcio)	Fósforo de Homberg (Cloruro de calcio)	Tierra Alcalina (Carbonato de calcio)	Salitre noruego (nitrato de calcio)
Estaño	(Cloruro de estaño IV)	Hierro	Crocus martis (óxido de hierro)
Antimonio (Sulfuro de antimonio)	Mantequilla de antimonio (Cloruro de antimonio III)	Cobre	Vitriolo de cobre (Nitrato de cobre)
Cobre (Oxido de cobre)	Oleum veneris (Cloruro de cobre II)	Plomo	Vitriolo de plomo (Nitrato de plomo)
Plata	Cal de plata (Cloruro de plata I)	Mercurio	Vitriolo de mercurio (Nitrato de mercurio)
Mercurio	Calomelano (Cloruro de mercurio II, Cloruro de mercurio I)	Plata	Sal de luna (Nitrato de plata)
		Estaño*	Vitriolo de estaño (Nitrato de estaño)
Calamina (Carbonato de zinc)*	Oleum lapidis calaminaris (Cloruro de zinc II)
Hierro*	Oleum martis (cloruro de hierro II)
Plomo (Oxido de plomo II)*	Oleum saturni (cloruro de plomo II)
Arsénico*	Oleum arsenici (cloruro de arsénico)

Fragmento de la tabla elaborada por Ursula Klein con base en la Tabla de rapports de Geoffroy sobre las sales conocidas a mediados del siglo XVII. Las sales marcadas con * no se recogían en la tabla de Geoffroy.  En: Grapí, Pere (Editor) (2012) La Representación de lo Invisible.  Tabla de los diferentes rapports observados en química entre diferentes sustancias. Publicaciones Universidad de Alicante. 

Aunque las tablas de ordenación que se han presentado no dan una medida de la mayor o menor afinidad de una sustancia por otra, tampoco es únicamente una colección de hechos experimentales, es una ordenación en la que se han utilizado criterios experimentales de comparación cualitativa de las transformaciones que sufren las sustancias al ponerse en relación con varias sustancias de otra clase.

Además de lo ya señalado, se pueden ver otros aspectos interesantes: No hay distinción entre las clases de sustancias que ahora conocemos como compuestos y elementos, álcalis fijos, álcalis volátiles, tierras alcalinas, espíritus ácidos, las sales, el alcohol, son compuestos, mientras que los metales y el azufre son elementos.  No se habla de compuestos y elementos, pero entonces, ¿cómo puede decidirse que una sustancia es pura?  

Otro aspecto interesante de la tabla presentada en el módulo, es la asociación de cada sustancia a un símbolo, la utilización de un lenguaje que es universal y especializado para esta época. Esta misma lógica nos mueve actualmente, un lenguaje químico que cumple con las características de universal, sencillo y especializado.