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a las leyes ponderales] [Ley
de la conservación de la masa] [Ley
de las proporciones definidas] [Ley
de las proporciones recíprocas] [Ley
de las proporciones múltiples] [Teoría
atómica de Dalton] [Postulado
de composición] [Postulado
de identidad atómica] [Postulado
de identidad molecular] [Postulado
de asociación] [Postulado
de la ecuación química] [Pesos
atómicos] [La
hipótesis de Avogadro] [La
técnica de Cannizzaro] [Del
molécula-gramo al mol] [Del
mol a la cantidad de sustancia] [Historia
de la teoría cinética] [Modelo
matemático de la teoría cinética] [Estequiometría
de composición] [Ley
de Dulong y Petit] [Referencias]
Figura 9‑1.
John Dalton (Eaglesfield, Cumberland
(Reino Unido), 6 de septiembre de 1766-Mánchester, 27 de julio de 1844) fue un
naturalista, químico, matemático y meteorólogo británico. Entre sus trabajos
destacan el modelo atómico y su tabla de pesos relativos de los elementos, que
contribuyeron a sentar las bases de la química moderna. También es conocido por
haber descrito el daltonismo, defecto visual relativo a la percepción de los
colores que padecía y que lleva su nombre.
El modelo atómico de Dalton se diferencia de otras ideas
anteriores en que se basa en las leyes ponderales para argumentar o inferir la
existencia de los átomos, en lugar de intentar deducir una estructura atómica
que explicaría las propiedades de la materia. Sin embargo, algo que todos los
modelos atómicos tienen en común es que son principalmente construcciones
numéricas que luego se trasladan a dibujitos para poder enseñar sus fundamentos
rápido, pero estos dibujitos no son realmente la esencia de cada modelo. Las
matemáticas de cada modelo nuevo sí que se hacen más complejas con el tiempo,
sin embargo, algo que quedará demostrado en estas presentaciones, es que dicho
modelo matemático para el modelo de Dalton es el que en verdad le es útil a la
química cuantitativa.
Desde kilogramos a átomos
El descubrimiento del gas hidrógeno surgió de las dudas planteadas por las observaciones de científicos y filósofos. No creían que el agua y el oxígeno fueran elementos básicos. El hidrógeno fue identificado por primera vez por el científico británico Henry Cavendish, quien demostró a la Royal Society of London en 1766 que había dos tipos diferentes de aire: "aire fijo" o dióxido de carbono y "aire inflamable" o hidrógeno empleando la electrólisis, una corriente eléctrica sobre agua, que la separa en hidrógeno y oxígeno. Cavendish también demostró que el hidrógeno era mucho más liviano que el aire cuando se toman iguales volúmenes, y fue el primero en producir agua a partir de hidrógeno y oxígeno con la ayuda de una chispa eléctrica. El químico francés Antoine Laurent Lavoisier repitió los experimentos de Cavendish. Los experimentos de 1785 de Lavoisier, realizados frente a numerosos científicos, se consideraron definitivos. El francés también fue el primer científico en asignar nombres al hidrógeno y al oxígeno.
Figura 9‑2. Henry Cavendish (1731-1810) fue un físico y
químico británico y francés. Como físico, es conocido por el experimento de
Cavendish (mediante el que posteriormente se determinó la constante de gravitación
universal); y como químico, por el descubrimiento del hidrógeno y de la
composición del agua. Parte de su popularidad posterior deriva de su singular
carácter personal (extremadamente reservado) y de las múltiples anécdotas que
jalonan su biografía.
Después de este, otros experimentos permitieron descomponer
otras sustancias, como el amoníaco en nitrógeno he hidrógeno entre muchos
otros. La pregunta es ¿Cómo llegamos de la idea de masa medible con una balanza
de pesar cualquiera a átomos y sus respectivos pesos que no podemos medir
directamente? ¿si la ciencia se basa en lo observable y medible entonces porque
tantos científicos se apasionaron con la defensa de algo que no podía ser
observado ni medido? Los debates sobre esto se acaloraron tanto que se arruinaron
carreras, se generaron enemistades, y hasta uno se suicidó, el célebre Ludwig
Eduard Boltzmann.
Para entender estos razonamientos, exploraremos los
postulados de la teoría atómica, y los traduciremos a expresiones matemáticas
que usan los símbolos modernos de cada concepto, ya que, en su época, estos
químicos usaban técnicas aritméticas sin fórmulas generales.
Resumen de los postulados de la teoría atómica
👉 Postulado de
composición: Toda la materia consta de partículas indivisibles llamadas átomos.
Este postulado implica que los átomos son entidades discretas que en teoría
podrían contarse, pero son muchos y muy pequeños, lo cual lo hace difícil.
👉 Postulado de identidad:
Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí, poseen igual
tamaño, masa y comportamiento físico y químico. El postulado de identidad ha
sido el que más ha cambiado a lo largo de la historia de la química, pues,
aunque los átomos de un elemento se definen por su comportamiento químico, su
masa no es exactamente igual en todos los casos, sin embargo, para los
ejercicios de lápiz y papel enmarcados en la teoría atómica clásica asumiremos
que las masas de los elementos indican su identidad.
👉 Postulado de cambio
de identidad: Los átomos no se pueden crear ni destruir. Este es otro de
los postulados que han cambiado, actualmente sabemos que los átomos pueden
cambiar su identidad a otros átomos o incluso descomponerse en energía pura.
Pero, para las reacciones ordinarias estos son eventos exóticos o que afectan
de manera insignificante los cálculos, por lo que podemos ignorarlos.
👉 Postulado de asociación
1 moléculas: Los átomos de diferentes elementos pueden combinarse entre sí
en proporciones de números enteros simples y fijos para formar átomos
compuestos. Dalton expresó el concepto de átomo compuesto a lo que nosotros
llamamos moléculas, en otras palabras, los átomos forman moléculas. Un detalle
a tener en cuenta es que las moléculas de Dalton siempre eran formadas por
átomos de identidad diferente, por lo que no concibió, y hasta se opuso a la
idea, de moléculas de átomos con la misma identidad. Este postulado es una
interpretación molecular de la ley de las proporciones definidas.
👉 Postulado de asociación
2 poder de enlace: Los átomos del mismo elemento pueden combinarse en más
de una proporción para formar dos o más compuestos. Esto implica que los
elementos poseen poderes de enlace diferentes, que pueden cambiar dependiendo
de las cantidades relativas de los reactivos o de las condiciones físicas como
la temperatura o la presión. Este postulado es una interpretación molecular de
la ley de las proporciones múltiples.
👉 Postulado de representación
de la reacción química: El átomo es la unidad de materia más pequeña que
puede participar en una reacción química, y por consiguiente puede usarse para
representar una reacción química en su expresión mas pequeña posible, el evento
de reacción. Por tradición, expresamos las reacciones químicas representando un
solo evento de reacción para poder trabajar con los números enteros mas
pequeños posibles, lo cual mantiene la aritmética química lo mas simple
posible.
Incongruencias
La principal incongruencia de la teoría atómica de Dalton
concierne a su apego de representar los elementos (que son sustancia) como
entidades de un solo átomo, lo cual, vuelve y juega, mantendría la aritmética
simple, pero entra en conflicto con otras leyes de la química, específicamente,
la ley de los volúmenes de combinación de Gay-Lussac. Sería el Conde Avogadro quien
armonizaría la teoría atómica con la ley de volúmenes de combinación, pero para
hacerlo fue necesario romper con el apego de Dalton a elementos monoatómicos,
pues Avogadro debió introducir la noción de elementos compuestos no por átomos
libres, sino por moléculas diatómicas. Al usar moléculas diatómicas todo el
sistema matemático entre la teoría atómica y las leyes de gases calzó
perfectamente, pero aun no se contaba con la tecnología para poner a prueba
directamente estas ideas, por lo que el asunto de la teoría atómica quedó
pendiente durante casi todo el siglo XIX.
Otras incongruencias del modelo de Dalton surgieron con el
avance de la investigación científica, siendo los más importantes:
👉 Se demostró que la
indivisibilidad de un átomo era incorrecta: un átomo se puede subdividir en
protones, neutrones y electrones. Sin embargo, un átomo es la partícula más
pequeña que participa en las reacciones químicas.
👉 Según Dalton, los
átomos de un mismo elemento son similares en todos los aspectos. Sin embargo,
los átomos de algunos elementos varían en sus masas y densidades. Estos átomos
de diferentes masas se llaman isótopos. Por ejemplo, el cloro tiene dos
isótopos con números de masa 35 y 37.
👉 Dalton también afirmó
que los átomos de diferentes elementos son diferentes en todos los aspectos. Se
ha demostrado que esto es incorrecto en ciertos casos: los átomos de argón y
calcio tienen cada uno una masa atómica de 40 uma. Estos átomos se conocen como
isóbaros.
👉 Según Dalton, los
átomos de diferentes elementos se combinan en proporciones simples de números
enteros para formar compuestos. Esto no se observa en compuestos orgánicos
complejos como el azúcar (C12H22O11), los lípidos, las proteínas o el ADN,
sustancias cuya composición absoluta aun no podía medirse en su época.
👉 La teoría no logra
explicar la existencia de alótropos; no tiene en cuenta las diferencias en las
propiedades del carbón vegetal, el grafito y el diamante.
Legado
Aunque los postulados de Avogadro tardaron mucho en
aceptarse, sus modificaciones le permitieron ofrecer estimaciones más precisas
de la masa atómica del oxígeno y varios otros elementos, e hizo una distinción
clara entre moléculas y átomos. Una molécula puede estar compuesta por átomos
de este o de diferentes elementos.
En 1827, el botánico británico Robert Brown observó que las
partículas de polvo dentro de los granos de polen que flotan en el agua se
movían constantemente sin razón aparente. En 1905, Albert Einstein teorizó que
este movimiento browniano era causado por las moléculas de agua que golpeaban
continuamente los granos y desarrolló un modelo matemático hipotético para
describirlo (Einstein, 1905). Este modelo fue validado experimentalmente en
1908 por el físico francés Jean Perrin (Bigg, 2008; Perrin, 1901, 1909, 1911, 1913), lo que proporcionó una
validación adicional para la teoría de partículas (y, por extensión, para la
teoría atómica).
Aunque la teoría atómica que aceptándose gradualmente
durante el curso del siglo XIX no fue sino hasta el experimento de Perrin que
los últimos negacionistas del átomo verdaderamente prestigiosos se convencieron
de la realidad científica de su existencia (Bigg, 2008).
En las secciones siguientes analizaremos a mayor profundidad
los postulados de la teoría atómica de Dalton.
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