Teoría Atómica

La idea de una concepción atomista de la materia se remonta a las especulaciones de los filósofos griegos de la antigüedad, pero su formulación en bases científicas es atribuida al químico y físico inglés John Dalton.

Durante la edad media y el renacimiento, la verdad aceptada corrientemente era la de Aristóteles y de los filósofos estoicos que sostenían que la materia era continua.

Con el desarrollo de la química, en la segunda mitad del siglo XVIII, se acumularon hechos que, para ser explicados, necesitaban de una teoría sobre la constitución de la materia.

Cerca de 1785, Antoine Laurent de Lavoisier, demostró que no hay variación de la masa en una reacción química y que la masa de los productos era igual a la suma de las masas de las substancias reactivas. Lavoisier fue también quien introdujo la noción de sustancia elemental “el último punto que el análisis químico alcanza”.

En 1799, Joseph Louis Proust, descubre la ley de las proporciones definidas, la cual afirma que una sustancia dada contienen sus elementos constituyentes en la misma proporción.

La ley de las proporciones definidas indica que las sustancias que participan en una reacción, lo hacen en cantidades precisas o corpusculares.

LA TEORIA DE DALTON

La teoría de Dalton se basa en los siguientes postulados:

• Los elementos químicos consisten en partículas de materia, o átomos, que no se subdividen y que preservan su individualidad en las transformaciones químicas.
• Todos los átomos de un mismo elementos son idénticos y en particular, tienen la misma masa, caracterizándose cada elemento por la masa de su átomo.
• Los compuestos químicos son formados por la unión de átomos de diferentes elementos en proporciones numéricas simples y determinadas, por ejemplo, 1:1, 1:2, 2:3.

De este modo Dalton buscó explicar las leyes de Lavoisier y Proust.

Como los átomos no sufren cambios durante una reacción química, la masa de un compuesto es igual a la suma de las masas de sus elementos.

Un compuesto está formado por la unión de átomos en proporciones determinadas

Consecuentemente, la proporción, en peso, de los dos elementos es siempre la misma en cualquier muestra de compuesto.

LEY DE DALTON

De su hipótesis, Dalton concluyó que, si dos elementos, A y B, pueden formar más de un compuesto, entonces las masas de B que combinan con la misma masa de A en los diversos compuestos, están entre si en la misma proporción que pequeños números enteros.

Por ejemplo el oxígeno y el carbono, pueden formar dos compuestos: en uno de ellos, monóxido de carbono, la proporción de los dos elementos es de 4:3 (masa) respectivamente y en el otro, dióxido de carbono, es de 8:3 (masa).

Las masas de oxígeno que reaccionan con la misma masa de carbono en los dos compuestos están entre si como 4:8 o 1:2. Esta ley, conocida como ley de las proporciones múltiples o ley de Dalton, fue derivada de la teoría y posteriormente confirmada por la experiencia constituyendo la primera predicción y el primer triunfo de la teoría atómica de la materia.

A pesar de su éxito para explicar y predecir las leyes de la combinación química, la teoría de Dalton estaba incompleta, porque no podía determinar el peso relativo de los átomos.

Dalton hizo entonces, arbitrariamente, la suposición más simple: cuando apenas un compuesto de los elementos fuese conocido, estipulando AB para su fórmula estructural. El agua era considerada como formada por un átomo de hidrógeno y uno de oxígeno. Más allá de simple, la hipótesis era incorrecta y generó algunas incongruencias y dificultades.

También el estudio de las propiedades de la combinación de elementos gaseosos levantó problemas que desafiaron la teoría atómica. Joseph Louis Gay-Lussac descubrió en 1805 que en una reacción de elementos en estado gaseoso, los volúmenes de los reactivos y de los productos en las mismas condiciones de presión y temperatura, están entre si como pequeños números enteros.

Por ejemplo, un volumen de oxígeno, se combina con dos volúmenes de hidrógeno, dando lugar a dos volúmenes de vapor de agua, en las mismas condiciones de presión y temperatura; un volumen de nitrógeno reacciona con tres volúmenes de hidrógeno para dar lugar a dos volúmenes de amoníaco.

Si los volúmenes de todos los elementos gaseosos, bien con sus átomos, se combinan en proporciones de pequeños números enteros, debe haber una relación simple entre el número de átomos en volúmenes iguales de todos los gases.

Dalton admitió que volúmenes iguales de todos los gases, sometidos a la misma presión y temperatura, contienen el mismo número de átomos. Pero entonces, cuando un volumen de oxígeno, reacciona con dos volúmenes de hidrógeno para formar dos volúmenes de vapor de agua, cada átomo de oxígeno, debería dividirse, lo que va contra el postulado de la indivisibilidad del átomo en procesos químicos.

LA HIPÓTESIS DE AVOGADRO

El físico italiano Amedeo Avogadro mostró en 1811, que la dificultad podría ser superada distinguiéndose  los átomos de menores partículas de un gas, siendo estas últimas, agregados de átomos que el llamó moléculas. Avogadro postuló entonces que iguales volúmenes de todos los gases en las mismas condiciones físicas, contienen el mismo número de moléculas. En este caso, 2 moléculas de hidrógeno reaccionarán con 1 molécula de oxígeno, dando lugar a 2 moléculas de agua.

Admitiendo que tanto la molécula de hidrógeno cuanto la de oxígeno consistía en dos átomos. Avogadro solucionó, a la luz de la teoría atómica, el conflicto colocado por las experiencias de Gay-Lussac, obtuvo la composición correcta del agua, H2O y de varias otras sustancias, permitiendo el cálculo de los pesos atómicos.

El análisis detallado de muchas reacciones reveló que las moléculas de los elementos gaseosos hidrógeno, oxígeno, cloro y nitrógeno contienen dos átomos, al paso que en los gases inertes como helio, neón, argón, criptón, xenón y radón, la molécula es monoatómica.

La hipótesis de Avogadro no fue aceptada de inmediato, porque sus contemporáneos no  podían concebir la combinación de átomos de un mismo tipo.

Casi 50 años después, con el trabajo de otro químico italiano,  Stanislao Cannizzaro, quedó demostrado que la hipótesis de Avogadro, proporcionaba una base racional para la determinación de pesos atómicos relativos.

En la conferencia internacional sobre pesos atómicos, realizada en Karlsruhe en 1860, las ideas de Avogadro y Cannizzaro fueron reconocidas. Esta fecha simboliza el establecimiento definitivo de la teoría atómica de la materia.

La segunda gran contribución de la química a la teoría atómica, fue la construcción de una tabla de elementos dispuestos en orden de periodicidad de propiedades, enunciada  por Dimitri Ivanovitch Mendeleev en 1869. Disponiendo los elementos conocidos en orden creciente de peso atómico, Mendeleev verificó que elementos químicamente semejantes se veían a intervalos regulares. El fue capaz de prever la existencia de seis nuevos elementos, desconocidos hasta entonces, correspondientes a lugares no ocupados en su tabla.

Tal hecho es una importante indicación de regularidad de la estructura intra-atómica y solo fue completamente explicado con el advenimiento de la teoría cuántica. La estructura del átomo y sus componentes básicos no podría ser revelada por la química convencional y tuvo que esperar por nuevos descubrimientos y nuevos métodos que ocurrirían en el campo de la física a finales del siglo XIX y principios del siglo XX.