sábado, 30 de julio de 2022

7. Ley de las proporciones recíprocas | 🎱 El átomo químico | Joseleg

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La ley de las proporciones recíprocas fue propuesta por Jeremias Richter en 1792. Establece que, "si dos elementos diferentes se combinan por separado con el mismo peso de un tercer elemento, la relación de las masas en las que lo hacen es la misma o un simple múltiplo de la relación de masa en la que se combinan".  En otras palabras, la ley de las proporciones recíprocas dice que, si conocemos la proporción de elementos en el compuesto AB y la proporción de elementos en los compuestos BC, podemos determinar la proporción de elementos en el compuesto AC. ¿Pero que es una proporción? Cuando hablamos de proporciones en química generalmente hablamos de radios o cocientes, en este caso cocientes de masa.

Esta es la menos conocida de las leyes ponderales, a tal grado de haber sido expulsada del libro de química general moderno, probablemente debido a que su algoritmo de resolución matemático es complejo. La ley de Ricther plantea dos cosas implícitas:

1- las proporciones de masa de los reactivos y productos en una reacción química son fijas o iguales a una constante que denominaremos cociente de masas y que representaremos con la letra griega “zeta ζ”. Esta idea es semejante a la ley de Proust, pues en ambos casos estamos hablando de una proporción de finida, pero en la ley de Proust nos limitamos a reacciones de descomposición de un compuesto a elementos, o de una reacción de síntesis desde elementos a un compuesto. La ley de proporciones recíprocas se plantea para grupos de reacciones con reactivos o productos semejantes que no necesariamente involucran elementos puros.

2- es posible usar información conocida de dos reacciones químicas estándar para inferir información desconocida de una tercera ecuación química.

Normalmente tendremos tres cocientes de masa experimentales, que son los que se calculan directamente. Una de las reacciones normalmente se selecciona arbitrariamente para ser calculada indirectamente a través de la información de las otras dos reacciones, y luego se compara el cociente experimental con el cociente calculado indirectamente.

DEMOSTRACIÓN: Demostrar las ecuaciones que sirven para contrastar la ley de proporciones recíprocas o ley de Richter.

Para que las ecuaciones anteriores funcionen, la sustancia II debe ser aquella que se repite en las reacciones 1 y 2, y que no aparece en la reacción 3. Algunas variantes del enunciado de la ley de proporciones recíprocas emplean la unidad de fracción de masas o su porcentaje. Sin embargo, la fracción de masas solo es una forma de expresar las proporciones de masa.

DEMOSTRACIÓN: Demuestre que la fracción de masas permite calcular la proporción de masas del elemento en el compuesto, asumiendo que los compuestos analizados son binarios, es decir compuestos de solo dos elementos.

Ejemplo. En una reacción 4 gramos de hidrógeno y 32 gramos de oxígeno consumen completamente 12 gramos de carbono. Determinar cuál sería la proporción entre hidrógeno y oxígeno y compararla con la proporción medida de oxígeno a hidrógeno 8/1.

Ejemplo. En una reacción se requirieron 46 g de sodio para consumir 32 gramos de azufre. En una segunda reacción se necesitaron 2 gramos de hidrógeno para consumir 32 gramos de azufre. Determinar la proporción entre sodio he hidrógeno y determinar si cumple o no con la ley de las proporciones recíprocas si la proporción entre sodio he hidrógeno es de 21/1.

Ejemplo. El CO2 contiene 27.27% de carbono, el CS2 contiene 15.79 % de carbono y el SO2 50% de azufre. Muestre que los datos concuerdan con la ley de las proporciones recíprocas.

Richter dirigió sus intereses a las reacciones de neutralización ácido-base. En estos experimentos, midió exactamente cuánto ácido se requería para neutralizar una determinada cantidad de base y viceversa. Lo que encontró fue que se requerían cantidades fijas y definidas de cada uno. Publicó esta idea de "peso equivalente" en 1792. La idea fue rápidamente adoptada por dos químicos franceses que lógicamente preguntaron si la proporción en masas se mantenía constante para otros tipos de reacción química, en especial las reacciones de síntesis y descomposición, ya que esto permitiría estudiar la composición de sustancias químicas y permitir separar o categorizar tipos de sustancias.

Origen del concepto de estequiometría

El término “estequiometría” es de origen griego; stoicheion = elemento y metron = medida, por lo que stoicheion + metron significa: medida del elemento. La ley de proporciones recíprocas representa uno de los primeros intentos de hacer medidas de elementos siendo introducida por el químico alemán Jeremias Benjamin Richter (1762-1807) en su tesis doctoral “De usu matheseos in chemia” (Sobre el uso de matemáticas en química, 1789), su trabajo de 3 volúmenes titulado Anfangsgrunde der St ¨ ochiometrie oder ¨ Meßkunst chemischer Elemente (Fundamentos de la estequiometría o el arte de medir elementos químicos) publicado en 1792–1793 (Richter, 1968) y 11 pequeños volúmenes titulados Ueber die ¨ neuen Gegenstande der Chemie ¨ (Sobre los nuevos temas de la química) publicados entre 1791 y 1802 (Michałowska-Kaczmarczyk, Asuero, & Michałowski, 2015).

Richter descubrió que la proporción en peso de los compuestos consumidos en una reacción química completan en la que no hay residuos de un reactivo excedente era siempre la misma, sin importar que la masa absoluta de partida fuera diferente. La ley de proporciones recíprocas se formuló bajo supuestos de que se cumple la ley de composición constante, para estos compuestos, lo cual implica que la ley de proporciones definidas antecedió a su reconocimiento generalizado por Proust, lo cual explica la paradoja matemática en la que aunque la ley de Ricther es “más antigua” también es matemáticamente mas compleja de la ley de Proust (Michałowska-Kaczmarczyk et al., 2015).

Cabe señalar que Richter estudió filosofía y matemáticas en la Universidad de Konigsberg, donde enseñó el gran filósofo Immanuel Kant. El joven Richter estuvo fuertemente influenciado por la afirmación kantiana de que “cualquier disciplina entre las ciencias naturales es una verdadera ciencia solo en la medida en que contiene matemáticas”. Su fascinación por el papel de las matemáticas en la química se expresó en su tesis doctoral. Richter creía implícitamente en el libro bíblico La Sabiduría de Salomón (XI:22), por lo que tomó en sus escritos sobre estequiometría el lema “Dios ha ordenado todas las cosas en función del peso, el número y la medida(Michałowska-Kaczmarczyk et al., 2015).

El nivel de "matemáticas químicas" utilizado por Richter para explicar los principios de la estequiometría ciertamente no era congruente con el nivel sofisticado demostrado por los primeros matemáticos y físicos y los contemporáneos de Richter (Lagrange, Laplace). Sin embargo, las matemáticas químicas utilizadas por Richter no eran comprensibles (consideradas “oscuras y torpes”) por los químicos contemporáneos y sus ideas pasaron inicialmente desapercibidas. Como dijo Thomson: "Richter, en cierta medida, fue anterior a la época en que vivió..." (Michałowska-Kaczmarczyk et al., 2015).

Origen de las proporciones recíprocas

En 1792, Richter observó que la neutralidad se conserva cuando se mezclan soluciones de dos sales neutras, aunque se produzca una doble descomposición. Escribió: "De esto no pude sacar ninguna inferencia directa aparte de que deben existir relaciones cuantitativas fijas entre los constituyentes de las sales neutras. Por lo tanto, se sigue que si se conocen las proporciones de combinación en los compuestos originales, las de los compuestos recién formados también son conocidos". Determinó los pesos de varias bases requeridas para neutralizar un peso dado de un ácido y encontró que la proporción de estos pesos era constante, sin importar el ácido, y viceversa, la misma relación se mantiene cuando un peso fijo de una base es neutralizado por varios ácidos. En otras palabras, las cantidades de ácidos y bases equivalentes en una neutralización lo son en todas. Desafortunadamente, Richter expresó sus generalizaciones en un estilo extremadamente complicado y confuso, sus escritos no fueron leídos cuidadosamente y el crédito por sus conclusiones se le dio al precursor de Richter, Carl Friedrich Wenad (1740-1793) (Darmstaedter & Oesper, 1928).

Berzelius fue el responsable de este error y su rectificación se debió a G. H. Hess, quien en 1840 señaló que Wenzel no tiene ningún derecho real al mérito de sentar las bases de la equivalencia química. La tardía apreciación de la obra de Richter se debió a varias causas. Aunque no era defensor deñ flogisto, Richter usó a menudo este marco de referencia flogística, y este compromiso no solo oscureció sus conclusiones, sino que no complació a ninguna escuela de química moderna. La controversia del flogisto-oxígeno estaba ocupando las mentes del mundo químico. Además, la cuestión de la composición constante de las sales no había sido resuelta, por lo que cualquier juicio sobre la validez de las conclusiones de Richter quedó necesariamente en suspenso.

El propio Richter no tenía ninguna duda sobre la verdad y la importancia de su teorema y al discutir su ley de equivalentes afirmó: "Esta proposición es una verdadera piedra de toque de los experimentos que tratan con relaciones de neutralización, porque si las relaciones encontradas experimentalmente no se ajustan a la ley los cambios de gobierno ocasionados por la doble descomposición sin cambio en la neutralidad, los resultados deben ser rechazados como erróneos, y los experimentos ciertamente contienen una fuente de error". Los datos se reunieron en tablas de equivalentes de neutralización, una tabla separada para cada ácido y cada base, pero en 1802 G. E. Fischer recopiló los valores numéricos dispersos de Richter y los combinó en una sola tabulación. Richter reconoció el valor de esta compilación y en 1803 él mismo publicó una tabla más completa que contenía los pesos equivalentes de 18 ácidos y 30 bases. En esto se revisaron muchos de sus pesos equivalentes anteriores. Las cifras no son muy precisas, ya que Richter admitió que no era un buen analista. "No soy un manipulador hábil. Nunca puedo terminar un análisis sin perder algo antes de que se completen todas las operaciones. Cuando hago determinaciones estequiométricas, nunca intento trabajar con tan solo 100 granos. Necesito 500".

Richter consideraba la química como una rama de las matemáticas aplicadas y estudiaba sus resultados experimentales con la esperanza de descubrir regularidades aritméticas y encontrarlas a pesar de su inexistencia. Creía que los pesos combinados de los ácidos formaban una serie geométrica, mientras que los de las bases estaban en progresión aritmética. Estaba tan obsesionado con este postulado, que se ha afirmado que no dudó en alterar sus datos para ajustarse a esta noción, y este prejuicio puede haberle impedido percibir el significado real de su ley de proporciones recíprocas. Algunos afirman que sostuvo que la especulación era la más importante de las dos. Sus medidas de los pesos de los metales que se disolvieron en pesos fijos de ácido para formar sales neutras lo llevaron a deducir la afirmación de que los pesos de varias bases que saturan un peso constante de un ácido contienen el mismo peso de oxígeno, y del mantenimiento de neutralidad cuando un metal precipita otro de una sal neutra, también concluyó que las cantidades de dos metales que se disuelven en el mismo peso de un ácido también se unen en sus óxidos con el mismo peso de oxígeno. En sus tabulaciones de estos experimentos, representó los metales por los símbolos alquímicos entonces vigentes, pero su trabajo también incluyó algunos de los metales recién descubiertos y para estos escribió las dos primeras letras de los nombres, anticipándose así a Berzelius, quien más tarde amplió esta idea a todos los elementos.

Completamente convencido de la verdad de la ley de proporcionalidad, profetizó que llegaría el momento en que "se romperá el muro que separa las matemáticas de la química y se descubrirá que las primeras gobiernan aún otros fenómenos de las ciencias naturales". . . .  Como dice Lowig: "De hecho, toda la industria química se colocó por primera vez sobre una base racional con la introducción de las leyes de Richter, y los miles de millones ahorrados son incalculables". Richter creía implícitamente en la verdad del Libro de la Sabiduría XI, 22, y lo colocó como lema guía al comienzo de sus escritos estequiométricos: "Dios ha ordenado todas las cosas por medida, número y peso".

 

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