SIGLO DEL PROGRESO La Hipótesis Atómica

SIGLO DEL PROGRESO

La Hipótesis Atómica

A fines del siglo XVIII, gracias a Lavoisier, la noción moderna de elemento se había establecido firmemente. Sin embargo, y a pesar de que se consideraba que los elementos estaban compuestos de partículas muy pequeñas, aún no existía un esquema claro y preciso sobre la estructura corpuscular de la materia. Varios químicos de la época pensaban que la teoría atómica era atractiva pero al momento de explicar un fenómeno con ella, los detalles que cada investigador escogía eran muy diversos y, por supuesto, esto generaba un alto grado de especulación. Además de esto, el esfuerzo por resolver otros problemas más apremiantes hizo que el cuestionarse sobre todas las implicaciones de la teoría atómica pasara a un segundo plano.

Ya superados los obstáculos con los que los químicos del siglo XVIII se tuvieron que enfrentar, volvió a surgir la inquietud de la constitución corpuscular de la materia y cómo, a partir de los átomos, podría explicarse las propiedades de los elementos. La primera persona que pudo establecer una hipótesis claramente atómica fue John Dalton y gracias a él se reconoció que la teoría de los átomos era muy valiosa para dar cuenta de los fenómenos químicos. Aparte de ser un esquema sencillo, la hipótesis atómica de Dalton permitía explicar diferentes leyes químicas que se habían descubierto y además señaló el camino hacia la determinación de algunas propiedades de los átomos como el peso atómico.

John Dalton (1766 – 1844), nacido en Inglaterra de un humilde tejedor manual, y quien fue un autodidacta completo, llegó a la teoría de los átomos a través del estudio de las propiedades físicas de los gases, lo cual es natural pues su principal interés era la meteorología. Sin embargo, su trabajo fue muy influenciado por la química ya que sin los descubrimientos que le precedieron en esta rama del conocimiento tal vez nunca hubiera avanzado tanto con su hipótesis atómica. El hecho de que los gases presentes en la atmósfera terrestre formaran una mezcla homogénea a pesar de que tuvieran densidades diferentes fue algo que le impresionó bastante. El conde de Rumford había propuesto una solución de esto al indicar que el movimiento continuo de las partículas que componen los gases hacía que ellas se difundieran unas en otras y de esta manera la mezcla de gases se volvía homogénea. No obstante, Dalton no tuvo en cuenta esta solución pues para él los gases estaban compuestos de partículas estáticas.

Dalton había adoptado un modelo estático para los gases por varias razones, entre las que se cuenta su convencimiento en la teoría del calórico, que consideraba al calor como un fluido, y además la discusión favorable que hacía Newton de este modelo en sus Principia. Para explicar la homogeneidad de los diferentes gases que están presentes en la atmósfera Dalton postuló una serie de hipótesis. La primera, cada partícula de gas está rodeada por una atmósfera de calórico que va disminuyendo su densidad a medida que la distancia hacia la partícula se hace más grande. La segunda, las atmósferas de calórico de las partículas adyacentes están en contacto unas con otras; con esto Dalton se aseguraba de que las fuerzas entre los átomos tuvieran algún medio para actuar pues él no creía en las interacciones a distancia. Y la tercera, todas las partículas gaseosas de cualquier sustancia química tienen el mismo diámetro exterior contando la atmósfera del calórico y si las sustancias eran diferentes también lo eran los diámetros de partículas. Ahora vendría la justificación que Dalton buscaba: las partículas menos densas no flotarían sobre las más densas ya que las partículas de igual dimensión tenderían a separarse unas de otras por mutuas repulsiones y así se lograba la homogeneidad en la atmósfera terrestre.

En su obra más famosa A New System of Chemical Philosophy, que se publicó en dos partes, en 1808 y 1810, Dalton describió su teoría atómica de la química, aunque varios de sus principios ya habían sido propuestos desde antes, como se evidencia en otros escritos anteriores. Los postulados básicos de esta teoría son:
- La materia consta de átomos individuales, que son “sumamente pequeños y que no pueden apreciarse ni aún con dispositivos microscópicos”.
- Cada elemento consta de una clase característica de átomos idénticos. Ellos son “perfectamente semejantes en peso y figura”.
- Los átomos son inmutables, es decir, “nunca pueden transformarse los unos en los otros por ninguna potencia que podemos controlar”.
- Cuando se combinan diferentes elementos para formar un compuesto, la porción más pequeña del compuesto consta de un número definido de átomos de cada elemento. A esta porción la llamó “átomo compuesto”.
- En las reacciones químicas, los átomos ni se crean ni se destruyen, solamente cambian de distribución.

Con este conjunto de postulados Dalton interpretaba de manera sencilla varias leyes de la química. Como puede verse la ley de conservación de la masa estaba incluida en el último postulado y la ley de proporciones definidas, formulada por J. L. Proust en 1797, también se justificaba con el penúltimo de ellos. Un logro de Dalton con su teoría fue la formulación de la ley de proporciones múltiples que fue descubierta en 1803. En ese mismo año, y también gracias a su teoría, Dalton construye la primera tabla de pesos atómicos.

Como se ha visto, los logros de Dalton con su teoría fueron impresionantes y tuvo gran acogida. Sin embargo, hay que decir que en varios aspectos Dalton estaba equivocado, por ejemplo el modelo estático para los gases que él usaba era erróneo, lo cual se demostró casi medio siglo después. Otro aspecto fue su regla de máxima simplicidad que no era cierta para todas las sustancias. Según esta regla cuando sólo se puede obtener una combinación de dos elementos la combinación que hay que considerar es la binaria y cuando se observan dos combinaciones, debe considerarse una binaria y otra ternaria. Para la combinación del carbono con el oxígeno se conocían dos combinaciones así que éstas debían ser, según su regla, CO y OCO lo cual era cierto. No obstante, al considerar la combinación del hidrógeno y el oxígeno para dar agua la regla no funcionaba. Según la regla de simplicidad de Dalton la única combinación posible para el agua era HO ya que el peróxido de hidrógeno aún no se había identificado. De todas formas en varios casos llegó a la fórmulas químicas correctas y puede decirse que en parte esta regla fue exitosa.

Con respecto a la composición del agua, Dalton expresó sus dudas de que fuera una sustancia binaria y pensó en las dos combinaciones posibles para que ella fuera ternaria (OHO y HOH) aunque no pudo llegar a la fórmula correcta. Esto se debió a que rechazó dos aportes valiosos que le harían desistir de su regla de máxima simplicidad. Ellos provenían de Francia y de Italia y eran la ley de Gay- Lussac para los volúmenes que se combinan y la hipótesis de Avogadro.

Joseph Gay-Lussac y Amedeo AvogadroEn el año de 1808 el francés Joseph Louis Gay-Lussac (1778 - 1.850) dio a conocer el sorprendente hecho que bajo las mismas condiciones de presión y temperatura, dos gases se combinan según proporciones de volúmenes simples. Esta ley derrumbaba por completo el modelo para los gases de Dalton por lo que este científico rechazó el nuevo descubrimiento diciendo que los resultados experimentales de Gay-Lussac estaban equivocados. La incapacidad de la teoría de Dalton por explicar la ley de los volúmenes de combinación dio origen a un cambio en el modelo atómico, siendo el artífice de tal cambio el científico italiano Amedeo Avogadro.

El modelo que Amedeo Avogadro (1776 – 1856) propuso en 1811 tenía las siguientes características:
- Las partículas no están en contacto, siendo esto contrario de lo que Dalton y Gay-Lussac pensaban. Ahora las partículas eran muy pequeñas comparadas con las distancias que las separa y de esta manera están aisladas unas de otras.
- Bajo las mismas condiciones de temperatura y presión, volúmenes iguales de todos los gases contienen el mismo número de partículas, ya sean ellas simples o compuestas. Esta ley conocida como hipótesis de Avogadro rechazaba la idea de Dalton de que partículas de gases diferentes tenían tamaños diferentes.
- Al menos en algunos elementos, las partículas más pequeñas no son átomos simples, sino un grupo de ellos al que Avogadro llamó “molécula” que representaba la unidad más pequeña en la que puede dividirse un compuesto sin cambiar sus propiedades químicas.
- Si existe más de un proceso que esté de acuerdo con los resultados experimentales y los anteriores postulados se debe elegir como correcto el que sea más simple.

Con estos cuatro postulados la explicación de la ley de los volúmenes de combinación era muy simple y además se justificaba el resultado del experimento que Gay-Lussac realizó en el que dos volúmenes de hidrógeno gaseoso con un volumen de oxígeno, también gaseoso, se hacían reaccionar por medio de una chispa eléctrica y se obtenía dos volúmenes de vapor de agua. Este experimento no podía ser explicado por la teoría de Dalton pues implicaría que un átomo sería divisible.

Las conclusiones de Avogadro fueron rechazadas pues varias de ellas eran dudosas para la época. Avogadro no daba ninguna manera de determinar el número de moléculas que podía haber en un volumen de un gas; sólo decía que dicho número era muy grande y por tanto su hipótesis parecía llena de artificios poco confiables. El hecho que fueran las moléculas y no los átomos la unidades más pequeñas de una sustancia causaba cierto escepticismo pues ¿cómo se podría explicar que átomos idénticos pudieran unirse en grupos de dos o de tres y no formaran un conglomerado mucho mayor? Hacia 1809 ya Dalton había rechazado esa idea pues parecía absurda y nadie más se volvió a interesar en esa posibilidad. Otro factor que contribuyó enormemente en el olvido de las ideas de Avogadro fue la aparición en escena de Jöns Jacob Berzelius uno de los químicos que más influencia tuvo en la primera mitad del siglo pasado.

Jacob BerzeliusUno de los principales objetivos del químico sueco Jöns Jacob Berzelius (1779 – 1848) fue establecer la teoría atómica y su sistema dualista en toda la química. Su gran capacidad para trabajar en el laboratorio le permitió descubrir varios elementos – el cerio en 1803, el selenio en 1817 y el torio en 1828- y le proporcionó una gran fama en la química. Su teoría electroquímica, publicada en 1811 fue tal vez el aporte que más influyó en la química de la primera mitad de siglo. Según ella la estabilidad de las moléculas se debían a cargas eléctricas positivas y negativas que estaban asociadas con los átomos de los elementos. Puesto que dos átomos iguales tienen cargas iguales y por las investigaciones en electricidad se sabía que dos cargas iguales se repelen era natural pensar que dos átomos idénticos no pudieran formar moléculas. De esta manera la explicación de Avogadro de la formación de agua a partir de hidrógeno y oxígeno no era plausible.

En estrecha relación con la teoría electroquímica de Berzelius estaba la hipótesis atómica. Los análisis que Berzelius hizo sobre varios compuestos le permitieron confirmar las leyes de las proporciones fijas y múltiples por lo que inmediatamente se volvió partidario de la hipótesis atómica de Dalton. Basado en sus experimentos y en los recientes descubrimientos del isomorfismo, del isomerismo y de la ley de Dulong y Petit, Berzelius publicó una tabla de pesos atómicos relativos en 1830. Esta tabla era mucho más precisa que la de Dalton hasta el punto que muchos de los pesos que él determinó son prácticamente iguales a los que se usan en estos momentos.