Capítulo V

LA TEORÍA ATÓMICA

~Tres leyes fundamentales de la materia.~ Antes de que podamos obtener una idea realmente precisa sobre la estructura de la materia y la forma en que diferentes tipos de sustancias actúan químicamente entre sí, es necesario tener claramente presentes tres leyes fundamentales de la materia. Estas leyes han sido establecidas mediante experimentos, y cualquier concepción que se forme acerca de la materia debe, por lo tanto, estar en armonía con ellas. Las leyes son las siguientes:

~Ley de conservación de la materia.~ Esta ley ya ha sido mencionada en el capítulo introductorio y no requiere mayor discusión. Se recordará que puede enunciarse así: La materia no puede ser creada ni destruida, aunque puede transformarse de una forma a otra.

~Ley de composición definida.~ En los primeros tiempos de la química hubo mucha discusión sobre si la composición de un compuesto dado es siempre exactamente la misma o si está sujeta a alguna variación. Dos franceses, Berthollet y Proust, fueron los líderes en esta discusión, y se realizaron muchos experimentos sumamente útiles para resolver la cuestión. Sus experimentos, así como todos los posteriores, han demostrado que la composición de un compuesto químico puro es siempre exactamente la misma. El agua obtenida al derretir hielo puro, condensar vapor o quemar hidrógeno en oxígeno, contiene siempre 11.18% de hidrógeno y 88.82% de oxígeno. El óxido rojo de mercurio, sin importar su origen, contiene 92.6% de mercurio y 7.4% de oxígeno. Esta verdad se conoce como la ley de composición definida, y puede enunciarse así: La composición de un compuesto químico nunca varía.

~Ley de las proporciones múltiples.~ Ya se ha señalado, sin embargo, que el hidrógeno y el oxígeno se combinan en dos proporciones diferentes para formar agua y peróxido de hidrógeno, respectivamente. Se observará que este hecho no contradice la ley de composición definida, ya que se forman sustancias completamente diferentes. Estos compuestos difieren entre sí en composición, pero la composición de cada uno es siempre constante. Esta capacidad de dos elementos para unirse en más de una proporción se observa con mucha frecuencia. El carbono y el oxígeno se combinan en dos proporciones diferentes; el nitrógeno y el oxígeno se combinan para formar hasta cinco compuestos distintos, cada uno con su composición precisa.

En la primera década del siglo pasado, John Dalton, un maestro y filósofo inglés, intentó encontrar alguna regla que se cumpliera entre las proporciones en que dos sustancias dadas se combinan. Sus estudios sacaron a la luz una relación muy simple, que los siguientes ejemplos aclararán. En el agua, el hidrógeno y el oxígeno están combinados en la proporción de 1 parte en peso de hidrógeno por 7.94 partes en peso de oxígeno. En el peróxido de hidrógeno, la 1 parte en peso de hidrógeno está combinada con 15.88 partes en peso de oxígeno. La proporción entre las cantidades de oxígeno que se combinan con la misma cantidad de hidrógeno para formar agua y peróxido de hidrógeno, respectivamente, es por lo tanto 7.94: 15.88, o 1: 2.

De manera similar, el elemento hierro se combina con oxígeno para formar dos óxidos, uno de los cuales es negro y el otro rojo. Por análisis se ha demostrado que el primero contiene 1 parte en peso de hierro combinada con 0.286 partes en peso de oxígeno, mientras que el segundo contiene 1 parte en peso de hierro combinada con 0.429 partes en peso de oxígeno. Aquí nuevamente encontramos que las cantidades de oxígeno que se combinan con la misma cantidad fija de hierro para formar los dos compuestos están en la proporción de pequeños números enteros, es decir, 2:3.

Podrían darse muchos otros ejemplos de esta sencilla relación, ya que se ha comprobado que se cumple en todos los casos en que se forma más de un compuesto a partir de los mismos elementos. La ley de Dalton de las proporciones múltiples enuncia estos hechos de la siguiente manera: Cuando dos elementos, A y B, se combinan para formar más de un compuesto, las cantidades de B que se unen con una cantidad fija de A guardan entre sí la proporción de pequeños números enteros.

~Hipótesis necesaria para explicar las leyes de la materia.~ Estas tres generalizaciones se llaman leyes porque expresan en lenguaje conciso verdades que se han comprobado mediante experimentos cuidadosos en todos los casos. No ofrecen ninguna explicación de los hechos, sino que simplemente los enuncian. Sin embargo, la mente humana no se conforma con los simples hechos, sino que busca siempre conocer la explicación de los mismos. Una sugerencia que se ofrece para explicar un conjunto de hechos de este tipo se llama hipótesis. La sugerencia que Dalton propuso para explicar las tres leyes de la materia, llamada la hipótesis atómica, fue motivada por su visión de la constitución de la materia, y comprende tres suposiciones distintas sobre la naturaleza de la materia y la acción química. Dalton no pudo probar que estas suposiciones fueran ciertas, pero vio que, de serlo, las leyes de la materia se vuelven muy fáciles de comprender.

~Hipótesis atómica de Dalton.~ Las tres suposiciones que Dalton hizo respecto a la naturaleza de la materia, y que juntas constituyen la hipótesis atómica, son las siguientes:

1. Todos los elementos están formados por diminutas partículas independientes que Dalton denominó átomos.

2. Todos los átomos de un mismo elemento tienen masas iguales; los de diferentes elementos tienen masas distintas; en cualquier cambio al que se someta un átomo, su masa no cambia.

3. Cuando dos o más elementos se unen para formar un compuesto, la acción consiste en la unión de un número pequeño y definido de átomos de cada elemento para formar una pequeña partícula del compuesto. Las partículas más pequeñas de un compuesto dado son, por lo tanto, exactamente iguales en el número y tipo de átomos que contienen, y masas mayores de la sustancia son simplemente agregados de estas partículas mínimas.

~Moléculas y átomos.~ Dalton aplicó el nombre de átomo no solo a las diminutas partículas de los elementos, sino también a las partículas más pequeñas de los compuestos. Más tarde, Avogadro, un científico italiano, señaló que ambos son diferentes, ya que la partícula más pequeña de un elemento es una unidad, mientras que la de un compuesto debe tener al menos dos unidades en su interior. Sugirió el nombre de molécula para la partícula más pequeña de un compuesto que puede existir, reservando el nombre de átomo para la partícula más pequeña de un elemento. De acuerdo con esta distinción, podemos definir el átomo y la molécula de la siguiente manera: Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que puede existir. Una molécula es la partícula más pequeña de un compuesto que puede existir. Se mostrará en un capítulo posterior que, a veces, dos o más átomos del mismo elemento se unen entre sí para formar moléculas del elemento. Por lo tanto, mientras que el término átomo es aplicable solo a los elementos, el término molécula es aplicable tanto a elementos como a compuestos.

~La hipótesis atómica y las leyes de la materia.~ Suponiendo que la hipótesis atómica sea cierta, veamos ahora si está en armonía con las leyes de la materia.

1. La hipótesis atómica y la ley de conservación de la materia. Es evidente que si los átomos nunca cambian sus masas en ningún cambio al que se someten, la cantidad total de materia nunca puede cambiar y la ley de conservación de la materia debe cumplirse.

2. La hipótesis atómica y la ley de composición definida. Según la tercera suposición, cuando el hierro se combina con el azufre, la unión es entre números definidos de los dos tipos de átomos. En el caso más simple, un átomo de un elemento se combina con un átomo del otro. Si los átomos de azufre y de hierro nunca cambian sus respectivas masas al unirse para formar una molécula de sulfuro de hierro, todas las moléculas de sulfuro de hierro tendrán cantidades iguales de hierro y también de azufre. Por consiguiente, cualquier masa compuesta de moléculas de sulfuro de hierro tendrá la misma fracción de hierro en peso que las moléculas individuales de sulfuro de hierro. El sulfuro de hierro, sea cual sea su origen, tendrá la misma composición, lo que concuerda con la ley de composición definida.

3. La hipótesis atómica y la ley de las proporciones múltiples. Pero este caso más simple puede no ser el único. En otras condiciones, un átomo de hierro podría combinarse con dos de azufre para formar una molécula de un segundo compuesto. En tal caso, el único átomo de hierro estaría combinado con el doble de masa de azufre que en el primer compuesto, ya que todos los átomos de azufre tienen masas iguales. Lo que es cierto para una molécula lo será para cualquier cantidad de ellas; por lo tanto, cuando se seleccionan cantidades de estos dos compuestos que contienen la misma cantidad de hierro, uno contendrá el doble de azufre que el otro.

La combinación entre los átomos puede, por supuesto, darse en otras proporciones sencillas. Por ejemplo, dos átomos de un elemento podrían combinarse con tres o con cinco del otro. En todos estos casos, es claro que la ley de las proporciones múltiples debe cumplirse. Pues al seleccionar tales cantidades de los dos tipos de moléculas que tengan el mismo número de un tipo de átomos, los números del otro tipo de átomos estarán en una proporción sencilla entre sí, y sus masas, por lo tanto, estarán en la misma proporción sencilla.

Prueba de la hipótesis. Se han hecho esfuerzos para encontrar compuestos que no se ajusten a estas leyes, pero todos esos intentos han resultado fallidos. Si se llegaran a encontrar tales compuestos, las leyes dejarían de ser verdaderas y la hipótesis de Dalton perdería su valor. Cuando una hipótesis ha sido puesta a prueba de todas las formas posibles mediante experimentos y aún así se encuentra en armonía con los hechos, se le denomina teoría. Ahora hablamos de la teoría atómica en lugar de la hipótesis atómica.

Valor de una teoría. El valor de una teoría es doble. Ayuda a comprender claramente las leyes de la naturaleza porque proporciona una idea inteligente de por qué estas leyes deberían operar.

Una teoría también conduce a descubrimientos. Por lo general, al poner a prueba una teoría se realiza un trabajo valioso y se descubren muchos hechos nuevos. Casi cualquier teoría, al explicar ciertas leyes, implica una serie de consecuencias aparte de las leyes que busca explicar. El experimento pronto mostrará si estos hechos son como la teoría predice que serán. Así, la teoría atómica de Dalton predijo muchas propiedades de los gases que los experimentos han verificado posteriormente.

Pesos atómicos. Sería de gran ventaja en el estudio de la química si pudiéramos determinar los pesos de los diferentes tipos de átomos. Es evidente que esto no puede hacerse directamente. Son tan pequeños que no pueden verse ni siquiera con el microscopio más potente. Se calcula que se necesitarían 200,000,000 de átomos de hidrógeno colocados uno al lado del otro para formar una hilera de un centímetro de largo. Ninguna balanza puede pesar objetos tan diminutos. Sin embargo, es posible determinar sus pesos relativos, es decir, cuánto más pesado es uno respecto a otro. Estos pesos relativos de los átomos se conocen como los pesos atómicos de los elementos.

Si los elementos pudieran combinarse de una sola manera —un átomo de uno con un átomo de otro— el problema de determinar los pesos atómicos sería muy sencillo. Bastaría con tomar algún elemento conveniente como estándar y averiguar experimentalmente cuánto de cada otro elemento se combinaría con un peso fijo de él. Las proporciones así encontradas serían las mismas que las proporciones entre los átomos de los elementos y, de este modo, obtendríamos sus pesos atómicos relativos. La ley de las proporciones múltiples señala el hecho de que los átomos se combinan en otras proporciones además de 1:1, y no hay una manera directa de saber cuál, si acaso alguna, de las varias combinaciones en un caso dado consiste en un solo átomo de cada elemento.

Si se encontrara alguna manera de saber cuánto más pesada es toda la molécula de un compuesto en comparación con el átomo elegido como estándar —es decir, de determinar los pesos moleculares de los compuestos— el problema podría resolverse, aunque su solución no sería del todo sencilla. Existen formas de determinar los pesos moleculares de los compuestos, y hay otros experimentos que arrojan luz directamente sobre los pesos relativos de los átomos. Estos métodos no pueden describirse hasta que se hayan estudiado los hechos en los que se basan. Por ahora, bastará con suponer que estos métodos son confiables.

Estándar para los pesos atómicos. Dado que los pesos atómicos son simplemente relativos a algún elemento elegido como estándar, es evidente que cualquiera de los elementos puede servir como este estándar y que se puede asignar cualquier valor conveniente a su átomo. En algún momento se tomó el oxígeno como este estándar, con el valor de 100, y los pesos atómicos de los demás elementos se expresaron en términos de este estándar. Parecería más racional tomar el elemento de menor peso atómico como estándar y darle el valor de la unidad; en consecuencia, se tomó el hidrógeno como estándar con un peso atómico de 1. Sin embargo, muy recientemente, esta unidad ha sido reemplazada por el oxígeno, con un peso atómico de 16.

Por qué se elige el oxígeno como estándar para los pesos atómicos. Para determinar el peso atómico de un elemento es necesario averiguar el peso del elemento que se combina con un peso definido de otro elemento, preferiblemente el elemento elegido como estándar. Como el oxígeno se combina con los elementos mucho más fácilmente que el hidrógeno para formar compuestos definidos, es mucho más adecuado como elemento estándar y, por lo tanto, ha reemplazado al hidrógeno como estándar. Se podría asignar cualquier valor definido al peso del átomo de oxígeno. Sin embargo, al asignarle un valor, es conveniente elegir un número entero y lo más pequeño posible sin que el peso atómico de ningún otro elemento sea menor que la unidad. Por estas razones, se ha elegido el número 16 como el peso atómico del oxígeno. Esto hace que el peso atómico del hidrógeno sea igual a 1.008, por lo que hay muy poca diferencia entre tomar el oxígeno como 16 y el hidrógeno como 1 como unidad.

Los pesos atómicos de los elementos se encuentran en el Apéndice.

EJERCICIOS

1. Se encontró que dos compuestos tienen las siguientes composiciones: (a) oxígeno = 69.53%, nitrógeno = 30.47%; (b) oxígeno = 53.27%, nitrógeno = 46.73%. Demuestre que la ley de las proporciones múltiples se cumple en este caso.

2. Se encontró que dos compuestos tienen las siguientes composiciones: (a) oxígeno = 43.64%, fósforo = 56.36%; (b) oxígeno = 56.35%, fósforo = 43.65%. Demuestre que la ley de las proporciones múltiples se cumple en este caso.

3. ¿Por qué Dalton asumió que todos los átomos de un elemento dado tienen el mismo peso?