[Ciencias de Joseleg] [Química] [La materia] [El átomo químico] [Ejercicios resueltos] [Introducción] [Generalidades] [El atomismo filosófico] [Introducción 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]
Las leyes químicas son aquellas leyes de la naturaleza
relevantes para la química, entre ellas, las más fundamentales son las que se
agrupan bajo el concepto de ponderales. Sin embargo, antes de enunciarlas vale
la pena preguntarnos, ¿Cuál es el significado de ponderal?
El significado que emerge de la palabra ponderal corresponde
a un valor relacionado con el peso, es decir, lo que actualmente denominamos la
masa de un objeto, por consiguiente, las leyes ponderales dependen de nuestra
capacidad para medir de manera precisa la masa de los sistemas de estudio, sean
estos: entidades físicas, o entidades químicas en reacción; lo cual nos
traslada a entender los instrumentos de medida de masa, es decir, la balanza.
Historia de la balanza
Las reliquias más antiguas de una balanza se han descubierto
en el valle del río Indo, cerca del actual Pakistán, que datan de alrededor del
año 2000 a.C. A medida que se desarrollaba el comercio durante la antigüedad,
los mercaderes desarrollaron la necesidad de evaluar el valor de bienes tales
como cosechas, ropa y oro, con el fin de intercambiar sus bienes. Esto también
implica la necesidad de evaluar proporciones de cambio para poder hacer
trueques, o usar monedas de metales preciosos
(Petruso, 1981).
Figura 3‑3. Representaciones en
jeroglíficos de la balanza, en estas destaca el juicio del alma, en la cual el
dios Anubis mide el corazón del alma con respecto a la pluma de la
justicia divina o maat, para ver si el alma es digna de pasar al
paraíso, o de lo contrario ser alimento por Ammyt.
Los primeros dispositivos usaban un sistema simple, pero
efectivo, que se basaba en equilibrar bienes. Consistían en dos placas unidas a
una viga superior que estaba fijada en un poste central. Las medidas se tomaron
colocando el objeto medido en un plato y piedras de peso en el otro, hasta que
se alcanzara un equilibrio. Los arqueólogos han descubierto cubos de piedra
pulidos y uniformes en los primeros asentamientos comerciales. En China, la
balanza de pesaje más antigua excavada estaba hecha de madera y usaba masas de
bronce. Se encontró en una tumba que data del siglo III al IV a. C. en el monte
Zuojiagong, cerca de Changsha, Hunan. Cuando los romanos invadieron Gran
Bretaña, las pesas de piedra fueron reemplazadas por pesas de metal más
precisas y se impuso un sistema de medición para eliminar las prácticas de
pesaje deshonestas por parte de los comerciantes (Petruso, 1981).
Este sistema podía ser preciso, pero también se podía
engañar fácilmente, siendo el ejemplo más famoso de una balanza manipulada
cuando el cacique celta Brennus capturó Roma alrededor del 390 a. C. y exigió
un rescate de 1000 libras de oro, por lo que fue acusado de usar pesas
adulteradas (Norwood, 1950). Los comerciantes solían llevar sus propios
pesos inexactos para trabajar a su favor, lo que llevó a la necesidad de un
sistema más preciso, y la estandarización de los pesos fue una preocupación de
los gobiernos durante este período. Una serie de variedades de balanzas, cada
una con ventajas y mejoras entre sí, aparecen a lo largo de la historia
registrada, con inventores como Leonardo da Vinci ayudando personalmente en su
desarrollo .
A pesar de esto, hasta el siglo XVII d.C., los avances en el
diseño y desarrollo de básculas fueron esencialmente todas las variaciones de
la balanza. No surgió un método de pesaje más preciso hasta finales del siglo
XVII, cuando la revolución industrial comenzaba a traer importantes mejoras
tecnológicas. Tras la invención de la báscula de resorte por el fabricante de
balanzas británico Richard Salter, alrededor de 1770, la balanza de pesaje ya
no dependía de contrapesos. La báscula de resorte utilizó los efectos de la
gravedad para calcular el peso, como se define en la Ley de Hooke, que
determina el desplazamiento de la fuerza en el resorte. Funciona midiendo la
presión ejercida sobre un resorte para deducir el peso de un objeto. La
plausibilidad científica de las básculas de resorte llevó a que se convirtieran
en la forma de báscula comercial y doméstica más utilizada y todavía son
comunes hoy en día debido a su bajo costo (Bedini, 1965; Büttner & Renn, 2016).
Este vínculo entre la ciencia, la tecnología, la técnica y
la artesanía de precisión ya había alcanzado un grado de interacción muy
avanzado en el siglo XVIII, por ejemplo, Antoine Laurent de Lavoisier
considerado el padre de la química moderna. El realizó experimentos que
condujeron a la identificación del oxígeno, la ley de conservación de la masa
("nada se pierde, nada se crea, todo se transforma") y la síntesis
del agua fueron hitos en la historia de la química (Donovan, 1996; Golinski, 1994).
Figura 3‑3. Representación del
laboratorio de Lavoisier.
Para llevar a cabo con éxito sus experimentos, Lavoisier
utilizó unos trece mil instrumentos y aparatos, incluidos termómetros,
barómetros, areómetros, relojes de arena, crisoles, reglas, bombas de vacío,
balanzas y espejos reflectores. Trabajó en estrecha colaboración con los
fabricantes para construir los instrumentos necesarios para sus experimentos.
Con Nicolás Fortin ideó balanzas con una precisión hasta entonces desconocida
para determinar la equivalencia del kilogramo . También creó gasómetros para la
síntesis de agua y calorímetros para medir la cantidad de calor de un cuerpo.
Administrador de la Ferme Générale, fue guillotinado en 1794, pero su esposa se
encargó de la custodia de su laboratorio. Su sobrina nieta, Madame de
Chazelles, donó algunas de las piezas más prestigiosas a la Académie des
Sciences, y fueron trasladadas al Conservatorio en 1866. En 1956, la
empresa Du Pont de Nemours adquirió unos quinientos aparatos para el museo, que
dan testimonio a la química en tiempos de Lavoisier. De hecho, el fabricante Nicolás
Fortin debería ser reconocido para muchas de las leyes que se mencionan en este
capítulo y en el capítulo de gases, pues diseñó instrumentos para científicos
tan prestigiosos como Gay-Lussac, François Arago, y Pierre Dulong (Beretta, 2014; Beretta & Brenni, 2022b, 2022a; Levere, 1990).
La balanza de Fortin
A medida que avanzaba el trabajo de Lavoisier para
cuantificar la química, se hizo evidente que las balanzas que estaba usando no
eran lo suficientemente precisas. Para compensar esto, Lavoisier había adoptado
el pesaje doble, donde cada medición se hacía dos veces, intercambiando el
matraz y los pesos entre las dos bandejas y tomando el valor promedio. Ahora,
sin embargo, Lavoisier necesitaba un equilibrio con un nivel de precisión
diferente al que había tenido antes. En el verano de 1788 recurrió a Fortin
para el trabajo (Beretta, 2014; Beretta & Brenni, 2022b, 2022a; Levere, 1990).
Fortin entregó algo verdaderamente exquisito que sentó las
reglas para futuros balances analíticos. La balanza en sí estaba encerrada en
una gran caja de palisandro con paredes de vidrio y puertas corredizas para
protegerla de la menor corriente de aire; Lavoisier ordenó que se sentara en
una habitación separada para evitar la influencia de los vapores corrosivos del
laboratorio. Dos cacerolas grandes colgaban de los extremos de una viga de
acero dulce de un metro de largo. Una gran palanca en la base de la caja podía
levantar la viga usando dos brazos conectados al poste central, de modo que la
viga se bloqueaba mientras se cargaba. Al deslizar la palanca, la viga
descendió suavemente sobre un filo de cuchillo hecho de acero templado
(martensítico) resistente al desgaste. Un pequeño microscopio permitía al
experimentador leer un puntero desde el exterior de la caja cerrada. La balanza
operaba con una precisión de alrededor de una parte por millón. Con él,
Lavoisier pudo sacar la conclusión que sustenta toda la química (pero que en
realidad nunca escribió): Rien ne se perd. Rien ne se crée. Tout se transforma.
(Nada se pierde. Nada se crea. Todo cambia) (Beretta, 2014; Beretta & Brenni, 2022b, 2022a; Levere, 1990).
Fortin también entregó otras dos balanzas con vigas más
pequeñas. Lavoisier estaba encantado y los describió en detalle en su Traité
Elementaire de Chimie, señalando que “combinan todas las correcciones y
comodidades que uno podría desear. No puedo imaginar ningún otro, con la
posible excepción de uno hecho por [Jesse] Ramsden, que pueda compararse tanto
en exactitud como en precisión”. Había costado 600 libras pero valía su peso en
oro. Durante los próximos 30 años, Fortin haría varias otras balanzas en la
misma línea para químicos como Louis-Jacques Thénard, Joseph-Louis Gay-Lussac y
Michel-Eugène Chevreul. Al menos dos aún sobreviven (Beretta, 2014; Beretta & Brenni, 2022b, 2022a; Levere, 1990).
Números absolutos y números relativos
Un concepto relativo o una cantidad es lo que se define en
relación con otra cosa, de tal manera que una descripción significativa del
concepto o de la cantidad implica necesariamente una referencia a la otra cosa
en relación con la cual se ha definido.
Por ejemplo, si te dijera que tengo el doble de dientes que
mi abuela, entonces te he dado una descripción relativa de la cardinalidad de
mis dientes.
En otras palabras, para saber de manera significativa
cuántos dientes tengo, debes referirte a cuántos dientes tiene mi abuela. Sin
embargo, si les digo que tengo 32 dientes, entonces es una descripción absoluta
de la cardinalidad de mis dientes porque se define significativamente en sí
mismo y no necesita referirse a otra cosa.
Tres de las cuatro leyes ponderales siempre estarán
expresadas como magnitudes relativas, mientras que la última, la ley de la
conservación de la masa puede estarlo o no estarlo dependiendo del modo en que
la estemos expresando, pues esta última ley tiene una amplia gama de formas
matemáticas posibles.
Hay varios significados y contextos ligeramente diferentes
en los que las palabras relativo o absoluto pueden usarse en física, pero el
impulso básico detrás de la idea sigue siendo el mismo. Daré un par de
ejemplos, uno de los cuales ya se ha mencionado en otras respuestas:
👉 En un sentido básico,
todas las descripciones de cantidades que tienen unidades dimensionales son
necesariamente relativas. ¡En particular, transmiten información significativa
solo en relación con sus unidades estandarizadas! Por ejemplo, cuando te digo
que mi bolsa pesa 20 kg, te digo que su inercia es 20 veces mayor que la de la
masa patrón de kilogramo.
👉 Un ejemplo más obvio de
una cantidad relativa es la gravedad específica de una sustancia. Se define
como la relación entre la densidad de dicha sustancia y la densidad del agua.
Como puedes ver, esta es una cantidad relativa porque se define explícitamente
en relación con la densidad del agua. Tenga en cuenta que la gravedad
específica no tiene unidades, pero sigue siendo una cantidad relativa debido a
la forma en que se define (en otras palabras, el hecho de que algo sea un
número puro no significa que sea absoluto).
En general podemos concluir que cualquier magnitud que se
defina como un cociente de otras dos, como la densidad o la masa molar son números
relativos, mientras que las magnitudes que solo dependen de su unidad de
referencia las consideraremos como absolutas. Por ejemplo, medir la masa de un
objeto nos dará su masa absoluta, pero el cociente de la masa entre su volumen nos
dará una masa relativa llamada densidad.
Resumen de las cuatro leyes ponderales
Como se mencionó anteriormente, las cuatro leyes ponderales
se definen en cuanto a que son medidas de masa (o peso como se la denomina en
textos de química)y a que la mayoría son números ponderales o relativos. Las
leyes ponderales son leyes clásicas de la química que se refieren a los
aspectos cuantitativos de las masas de diferentes elementos que se combinan
para formar otros compuestos en reacciones químicas. Las leyes ponderales son:
👉 la ley de la
conservación de la masa de Lavoisier 1774.
👉 la ley de proporciones
equivalentes de Richter 1792.
👉 la ley de las
proporciones definidas de Proust 1794.
👉 la ley de las
proporciones múltiples de Dalton 1804.
Muchas fuentes normalmente excluyen la ley de proporciones
recíprocas, ya que para ser justos su definición es algo confusa, y los
ejercicios de lápiz y papel que se desprenden de ella son complicados al
principio. En las siguientes secciones discutiremos con mayor profundidad cada
una de estas leyes.
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