jueves, 15 de diciembre de 2011

3 EL MODELO ATÓMICO DE DALTON

Aunque parezca gracioso, no se tiene una fuente confiable sobre cómo fue que Dalton racionalizó su teoría atómica (Nash, 1956). Sin embargo, la mayoría de los libros de texto y los libros de divulgación vinculan la formulación del modelo atómico de Dalton con la química neumática y las reacciones químicas que pueden sufrir los gases (Bell, 2005; Brown, LeMay, Bursten, Murphy, & Woodward, 2009; Chang & Overby, 2011; Chang, 2010). Dalton mismo realizó experimentos empleando gases para poder determinar algunas de sus hipótesis.

Cabe destacar que la primera formulación del modelo atómico de Dalton no fue aceptada por la comunidad científica, muchos la tomaron como una ficción conveniente a la espera de encontrar una respuesta mucho más “realista” (Bent, 1986).  En cualquier caso, la teoría atómica con su primer modelo científico van a estar vinculadas a tres leyes que si fueron aceptadas por la mayor parte de la comunidad científica: la ley de la conservación de la masa, la ley de las proporciones definidas y la ley de las proporciones múltiples.

3.1 La ley de la conservación de la masa

El principio de conservación de la masa fue inicialmente  tocado por Mikhail Lomonosov (1711-1765) aproximadamente en 1748 de forma experimental aunque sus resultados fueron controvertibles (Pomper, 1962). Aunque otros autores trabajaron sobre ideas similares como Joseph Black (1728-1799), Henry Cavendish (1731-1810) y Jean Rey (1583-1645), es a Antoine Lavoisier (1743-1794) quien se le da el crédito por su postulación en 1774 (Whitaker, 1975).

La conservación de la masa fue una cuestión compleja por milenios, aun cuando los griegos acariciaban la noción mediante la máxima –nada viene de la nada –el problema es que a ninguno le dio por considerar que los gases también poseen una masa, un peso asociado y una capacidad de llevarse masa de un sistema. De esta forma, cuando se quema madera parte de su masa de carbono se pierde en forma de Dióxido de Carbono gaseoso, dando la impresión de que la masa total del sistema se perdió hacia la nada.

Estos problemas fueron solucionados con el desarrollo de contenedores cerrados para que los gases no escaparan y con el desarrollo de la bomba de vacío que permitió determinar de una vez por todas que los gases poseen un peso asociado aun cuando tienden a la dispersión. La ley de la conservación de la masa en la actualidad se emplea para sistemas no relativistas y no nucleares, los cuales afortunadamente constituyen la inmensa mayoría de procesos químicos experimentales e industriales. Por lo anterior, la ley de la conservación de la masa puede definirse para un sistema no nuclear/relativista como:

La masa no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Uno de los experimentos más paradigmáticos para demostrar la ley de la conservación de la masa fue conducido por Hans Heinrich Landolt (Oesper, 1945), un químico germano. 
(experimento de landolt)

El experimento se basaba en el uso de dos tubos conectados herméticamente por un brazo formando una estructura en forma de H. En el tubo A se colocó nitrato de plata y en el tubo B ácido clorhídrico. 

Una vez sellado herméticamente, el tubo fue pesado antes de que se mezclara su contenido. Posteriormente los reactivos se mezclaron agitando el tubo e invirtiéndolo. La reacción se dio normalmente con la precipitación de cloruro de plata junto con la formación de ácido nítrico. Cuanto el tubo fue pesado nuevamente, no se encontró cambio en la masa total del sistema.

3.2 La ley de las proporciones definidas

En química, la ley de las proporciones definidas –algunas veces denominada ley de Proust –establece que un compuesto químico contiene siempre cantidades fijas en proporciones semejantes de las masas de los elementos que lo componen. Otra forma de denominarla es –ley de composición constante –en el sentido de que toda especie química posee una proporción constante de los elementos que la componen sin importar la masa que se tome.

La ley de las proporciones definidas en la actualidad se toma por sentada en la forma en que expresamos las fórmulas para las especies químicas moleculares, y adicionalmente esto forma la base de los cálculos químicos o estequimetría (J. A. Bell, 2005; Brady & Humiston, 1986; Brown et al., 2009; Chang & Overby, 2011; Chang, 2010; Jespersen, Brady, & Hyslop, 2012a; Matamála, M., & Gonzalez, 1976; Petrucci, Herring, Madura, & Bissonnette, 2010; Zumdahl & Zumdahl, 2007).

A pesar de lo anterior, la ley de las proporciones definidas fue muy controversial cuando fue propuesta originalmente y adicionalmente posee algunas excepciones notables.

3.2.1 La ley de las proporciones definidas como tema controversial

El químico Francés Joseph Proust (1754-1826) basado en una serie de experimentos realizados entre 1798 y 1804 (Leicester & Klickstein, 1952) realizó en 1906 la siguiente afirmación:

El hierro así como otros metales está sometido a la ley natural que determina que toda combinación real con el oxígeno, siempre une al hierro con dos proporciones fijas de oxígeno. En este respecto no se diferencia del mercurio o el plomo”.

La ley de las proporciones definidas viene implícita en la formulación de las moléculas –que enseñamos vía un modelo, es decir la tabla periódica –y aunque puede parecernos obvia en la actualidad, en la época de Proust no lo era, esto es debido a que los conceptos de mezcla, sustancia pura y compuesto no se habían terminado de definir (Daubeny, 1850).

Las mezclas aparentaban la idea de especies químicas con cantidades variables de componentes químicos, y basados en esta oponentes de Proust, como Claude Louis Berthollet se opusieron a esta ley (Buchdahl, 1965).

3.2.2 Excepciones a la ley de las proporciones definidas

Existen especies químicas que no se ajustan al modelo de las proporciones definidas, un ejemplo es el mineral de hierro llamado wüstita que puede contener un intervalo de hierro de entre 0.83-0.95 átomos de Fe por cada átomo de oxígeno (Gusev, 2014; J.-C. Park, Kim, Lee, & Kim, 1999).

Por suerte para Proust medir esto hubiera sido imposible con la tecnología disponible en su tiempo. Adicionalmente, la composición isotópica de los elementos que componen una misma especie química puede variar dependiendo de la fuente, cuestión que ha servido para la datación geoquímica debido a que algunos procesos astronómicos, atmosféricos, oceánicos y de la corteza pueden filtrar especies con algunos isótopos a una tasa de tiempo constante.

Con la excepción de los isótopos del hidrógeno –protio, deuterio y tritio –el efecto en las propiedades de la especie química son bajos y solo pueden ser medidos mediante la tecnología analítica moderna (J. A. Bell, 2005; Brady & Humiston, 1986; Brown et al., 2009; Chang & Overby, 2011; Chang, 2010; Jespersen et al., 2012a; Matamála, M., & Gonzalez, 1976; Petrucci et al., 2010; Zumdahl & Zumdahl, 2007). Otras especies químicas como los biopolímeros de proteína y ADN poseen composiciones moleculares altamente variables por lo que no sirven para realizar cálculos estequiométricos.

3.2.3 Calculando la ley de Proust

Existen cerca de tres formas para obtener la ley de Proust, pero sea cual sea la ruta el objetivo es obtener una proporción, es decir una relación en números enteros y pequeños de las cantidades proporcionales de la composición de una sustancia. Otro aspecto de los ejercicios de lápiz y papel es que se dan los datos de una sola replica, lo cual es experimentalmente poco preciso, en realidad los experimentos para determinar la composición de un compuesto implicaban varias réplicas como en el ejemplo siguiente.


3.3 La ley de las proporciones múltiples

En química la ley de las proporciones múltiples es una de las tres leyes básicas de la estequiometría que sirvió para poder defender la teoría atómica de Dalton junto con la ley de la conservación de la masa y la ley de las proporciones definidas. Algunas veces también se la denomina como la ley de Dalton en honor a su descubridor, el químico Inglés John Dalton (Bernatowicz, 1970). La formulación de la ley establece:

Si dos elementos forman más de un compuesto entre ellas, cuando se analizan los radios/proporciones de las masas dejando uno de los elementos fijos, el segundo se combina en múltiples masas fijas de acuerdo a radios expresables en números enteros pequeños.

Hay que anotar que la formulación de esta ley se establece para defender en núcleo central de la teoría atómica –postura deductivista de lo general a lo concreto (Niaz, 2001).


3.3.1 Calculando la ley de las proporciones múltiples

Se realizaron tres repeticiones para cada uno de los óxidos de nitrógeno con el fin poder tener datos estadísticamente significativos. La masa que intentó fijarse para el nitrógeno fue de 28.000 gramos.


3.3.2 Limitaciones de la ley de las proporciones múltiples

La ley de las proporciones múltiples también fue objeto de ardua controversia, debido a que estaba basada en una teoría que pretendía demostrar –por lo que existían acusaciones de circularidad –además de que el asunto de las mezclas y los compuestos aún no estaba del todo aclarado (Niaz, 2001).

Adicionalmente, el mayor problema de la ley de las proporciones múltiples es que solo funciona bien para moléculas simples de bajo peso molecular, cuando se emplean moléculas grandes como alcanos o ácidos grasos de más de diez carbonos de largo las proporciones difícilmente se acoplan a “números enteros pequeños”. Al ser una ley reduccionista encontraba problemas para describir sistemas más complejos como los polímeros y oligómeros.

3.4 Problemas experimentales de Dalton

La historia del modelo atómico de Dalton es por lo demás muy inusual en términos del mecanismo de publicación, de hecho sus resultados presentados en 1803 fueron realizados de forma oral (Nash, 1956). De hecho, el artículo correspondiente a esta primera intervención no fue publicado sino hasta 1805, pero sin discutir el factor más relevante, es decir, como es que obtuvo las figuras (Dalton, 1805).

El método no fue revelado sino hasta 1807 por un conocido suyo llamado Thomas Thomson en la tercera edición de su libro de texto, Un Sistema para la Química (T. Thomson, 1820). Dalton se vio forzado a publicar sus métodos en su propio libro de texto llamado, Un Nuevo Sistema de la Filosofía de la Química (Dalton, 2010) entre los años de 1808 y 1810.

Dalton estimaba los pesos de muchas especies químicas puras en estado elemental como una unidad, sin embargo esto crea problemas con especies químicas como el oxígeno molecular y en general cualquiera de los gases elementales. Esto se debe a que los gases elementales se encuentran en un estado elemental, si se tomara el peso del gas de oxígeno como su unidad, entonces pensaría que un átomo de oxígeno pesa el doble de lo que realmente hace. Relacionado con lo anterior, alunas moléculas salían expresadas en sus radios de forma diferente a la actualidad –por ejemplo, la fórmula del agua en los resultados de Dalton emergía como HO y no como H2O  (Lipeles, 1983).

Adicionalmente, la crudeza tecnológica del equipo de Dalton generaban serias desviaciones de los pesos lo cual hubiera podido invalidar sus resultados –y el resto de la teoría atómica –si alguien se hubiera dado cuenta. Port suerte para la teoría atómica, quien se dio cuenta no se encargó de hundir la teoría, sino por el contrario corrigió el procedimiento, esta persona fue el famoso Amadeo Avogadro quien publicó los nuevos resultados en 1811.

Avogadro empleó gases a presión, temperatura y volumen constante. Bajo esta perspectiva si se hacen reaccionar dos litros de gas de hidrógeno, con un litro de gas de oxígeno. Los resultados esperados si el modelo de Dalton para el agua fueran correctos era de un litro de vapor de agua, sin embargo el resultado real fue de dos litros de agua. Lo anterior implicaba que el volumen de oxígeno se dividía en dos para poder reaccionar con el hidrógeno, lo cual indicaba que el oxígeno molecular estaba compuesto por dos equivalentes elementales de oxígeno.

Es importante recalcar que por la mayor parte del siglo XIX los equivalentes elementales fueron asumidos de forma continua por la mayor parte de la comunidad científica, mientras que unos muy pocos los asumían como evidencia indirecta de la naturaleza atómica y discontinua de la materia.


3.5 Postulados del modelo atómico de Dalton

3.5.1 Postulado 0 del modelo atómico de Dalton, sobre la teoría atómica

El modelo atómico de Dalton puede ser descrito en términos de un Programa de Investigación (Lakatos, 1978) en el cual hay un núcleo fuerte y una serie de hipótesis auxiliares que al demostrarse en el curso de la investigación convierten al programa de investigación en progresivo y útil para las ciencias.

El núcleo fuerte del modelo atómico de Dalton es el mismo que para cualquier modelo atómico:

Toda la materia está compuesta de pequeñas partículas llamadas átomos (Bell, 2005; Brady & Humiston, 1986; Brown et al., 2009; Chang & Overby, 2011; Chang, 2010; Jespersen et al., 2012a; Matamála, M., & Gonzalez, 1976; Petrucci et al., 2010; Zumdahl & Zumdahl, 2007).

Sin embargo esta aseveración debe ser matizada en el sentido de nuevos descubrimientos hechos posteriormente, en especial en lo que respecta a las partículas que componen la luz. Los fotones al igual que cualquier quantum no son átomos, pero son materia –aunque no tengan masa asociada.

Por lo cual una definición más acertada del núcleo fuerte de cualquier modelo atómico es que:

Toda la materia con masa está hecha de pequeñas partículas llamadas átomos.

3.5.2 Postulado 1 del modelo atómico de Dalton, sobre la identidad de los elementos

El primer postulado del modelo atómico de Dalton tiene que ver con la identidad de un elemento químico, este puede ser separado en dos afirmaciones:

a- Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí, poseen igual tamaño, masa y comportamiento físico y químico. 
b- Los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de los demás elementos.

El primer postulado de la teoría atómica de Dalton lo podemos visualizar como un principio de identidad, al igual que 1 es diferente de dos, un átomo de hidrogeno es diferente de un átomo de oxígeno en masa, propiedades físicas y propiedades químicas. Para que un átomo se describa como de un mismo elemento de otros átomos, debería coincidir exacta y precisamente en todas sus propiedades con otros átomos.

El problema es que no todos los átomos que comparten un mismo comportamiento químico –identidad química – comparten las mismas propiedades físicas –identidad física.

Para la época de Dalton la tecnología para distinguir la identidad química de la identidad física aún no se habían desarrollado, pero con el advenimiento de la era del núcleo y el descubrimiento de los isótopos se hizo claro que existían elementos con diferentes masas “una propiedad física” pero con el mismo comportamiento químico. Esta diferencia posibilitó el desarrollo de nuevas tecnologías de marcado en el siglo XX. 

Sin embargo, regresando a Dalton, el principio de identidad es fuerte. Gráficamente lo representamos por átomos con diferentes propiedades –en la imagen principal están los símbolos empleados por Dalton – nosotros los representamos como esferas sólidas de distintos colores.

3.5.3 Postulado 2 del modelo atómico de Dalton, sobre la identidad de las moléculas

Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, la relación de los átomos que lo constituyen siempre son siempre es un número entero o una fracción sencilla.

El segundo postulado de Dalton es una extensión, o mejor dicho una explicación teórica para dos leyes empíricas lanzadas poco antes de su teoría atómica, la ley de las proporciones definidas y la ley de las proporciones múltiples. Cabe destacar que la idea de compuesto no implicaba en la época de Dalton la existencia de los átomos, desde la época de Lavoisier y mucho antes se sabía que algunas especies químicas non podían ser separadas en otras más simples, pero que muchas si podían ser descompuestas, de allí el nombre de compuesto.

Tres representaciones diferentes de la molécula de agua empleando esferas daltonianas para representar los átomos de hidrógeno (gris) y oxígeno (rojo). Dalton pensaba originalmente que el agua estaba compuesta por un átomo de hidrógeno y otro de oxígeno (A); Avogadro mostró que la relación era de dos hidrógenos y un oxígeno (B); en la actualidad mediante el uso de otras teorías de enlace se distingue que el agua posee una geometría especial de tipo angular (C).

Con el modelo atómico de Dalton nace una nueva idea, la molécula, es decir la unión de dos átomos para crear una nueva especie química con propiedades diferentes. De este modo se puede decir que los elementos están compuestos por un solo tipo de átomos, mientras que los compuestos están conformados por un mismo tipo de molécula. Cabe resaltar que la hipótesis de Avogadro reveló que muchos elementos existían en forma de moléculas como los gases diatómicos.

3.5.4 Postulado 3 del modelo atómico de Dalton, una explicación de las reacciones químicas

Una reacción química solo supone el reordenamiento de los átomos, nunca la destrucción o la creación de los mismos. El último postulado de Dalton es otra forma de enunciar la ley de la conservación de la masa, la cual establece que la materia no se crea ni se destruye, tan solo se transforma.

Es importante anotar que el modelo atómico de Dalton era funcional y no pretendía reducir las propiedades del átomo a una forma específica, en este sentido se distinguía de los corpúsculos newtonianos o de los átomos platónicos, que si presentaban formas externas complejas para intentar representar las propiedades macroscópicas de los elementos.

En este sentido el modelo de Dalton no daba una explicación para el comportamiento químico de las sustancias, cuestión que siempre ha sido el talón de Aquiles de la mayoría de los modelos atómicos, pues incluso el modelo cuántico encuentra problemas para predecir el comportamiento químico de las sustancias químicas en altos niveles de complejidad.

3.6 Consecuencias del modelo atómico de Dalton

En comparación de lo rápido que nos movemos del modelo de Dalton al modelo de Thomson en el tablero, el proceso histórico para aceptar al átomo, una entidad no visible, como un concepto científico fue largo, de hecho el asunto completo no sería resuelto sino hasta el siglo XX por dos de los más grandes científicos de todos los tiempos, Albert Einstein (1879-1955) y Jean Perrin (1870-1942).

El modelo de Dalton y su teoría atómica subyacente terminó de ser propuesta de forma firme para 1908 mediante la publicación del primer volumen de “Nuevos Sistemas de la Filosofía de la Química” (Dalton, 2010).

La teoría atómica contó con el apoyo de científicos famosos como Jöns Jakob Berzelius (1779-1848), pero no todos estaban convencidos, por ejemplo Humphry Davy (1748-1829) y Claude-Louis Berthollet “imagen siguiente” (1748-1822) argumentaban en torno al hecho de que los átomos no podían ser evidenciados de forma directa. La evidencia del átomo era de naturaleza sumamente indirecta, pero no por ello poco convincente, de hecho lograba dar una explicación para la estequiometria –y gracias al trabajo de Avogadro – al explicar las proporciones de combinación y facilitar los cálculos.

La aceptación de la teoría atómica de Dalton creación bajo el eslogan de ser “una ficción útil”, se trataba de un modelo sin pretensiones ontológicas, pero debido a su utilidad, el lenguaje cotidiano fue calando poco a poco a través de la formación de químicos, físicos y biólogos desde 1810 hasta 1910 fecha en la que los últimos negacionistas el átomo murieron –negándolo hasta la tumba. Ejemplos famosos de negacionistas del átomo fueron Marcellin Berthelot (1827-1907) y Wilhelm Ostwald “imagen siguiente” (1853-1932).

Durante el mismo año el propio Albert Einstein publicó un artículo en el que empleaba el modelo del átomo para explicar el fenómeno del movimiento Browniano (Einstein, 1905). El artículo de Einstein era teórico –como todo lo que hizo- por lo que su modelo debió ser validado experimentalmente (Haw, 2005).

3.7 La aceptación final de la teoría atómica por la ciencia moderna

El encargado de demostrar finalmente la existencia de los átomos fue Jean Perrin (1870-1942) quien realizó medidas de un sistema real (Perrin, 1909, 1911, 1913), precisamente el mismo empleado por Einstein de forma teórica –un cilindro con una solución que podía ser descrita en términos de las leyes de los gases, la presuposición de la existencia de átomos/moléculas y las suficientes modificaciones –obteniendo resultados que concordaban con el supuesto de la existencia de átomos y moléculas. Gracias a este trabajo recibió el premio Nobel en 1926.

Resulta bastante conmovedor que, a pesar de que muchos contemporáneos e historiadores de las ciencias le acreditan a Perrin el ser el primero en dar una prueba directa de la existencia de la realidad discontinua de la materia (Bigg, 2008), al mismo tiempo jalla terminado por ser excluido del libro de texto y de la historiografía estándar del átomo.

De hecho, Perrin también trabajo alrededor del modelo atómico de Thomson, pero esto es algo que discutiremos en la sección respectiva. En cualquier caso, la aceptación del átomo demuestra algo, el mito científico de los momentos de eureka, desde que Dalton publicara su propuesta, hasta que Perrin aportara el aspecto más importante para aceptar su realidad pasaron más de 100 años de debates, controversias, descalificaciones y puntos de vista sobre el átomo.

También se resalta que pueden existir premios Nobel, expertos en el tema –como Ostwald – que son negacioncitas minoritarios de un modelo o teoría aceptada por el resto de la comunidad, en este caso lo que valida a la teoría no es la apelación a las mayorías, sino al hecho de que el programa de investigación mayoritario se demuestra fructífero y aplicable a aspectos que originalmente no venían incluidos por los proponentes originales, esto es lo que puede ser denominado como un programa de investigación progresivo (Lakatos, 1978). Cabe resaltar que la década en la que Perrin obtiene el Nobel también es la década en la que el modelo del átomo cuántico queda establecido, y el camino hacia el mundo de las partículas cuánticas y la física de partículas se abre camino.


3.8 El átomo de Dalton y los químicos

En comparación con las partículas del átomo newtoniano, las propiedades químicas de las sustancias no pretendían ser re4ducidas a la estructura del átomo, e otras palabras, la estructura del átomo de Dalton era irrelevante, lo que en realidad interesaba era su naturaleza relacional, lo cual lo sitúa al interior de la estructura teórica de la química.

Las partículas de los newtonianos si pretendían reducir las propiedades de los elementos a su estructura (Bernal & Daza, 2010), y este empeño retornarían al átomo poco menos de un siglo después de que Dalton publicara su trabajo.

Los modelos atómicos que suceden al de Dalton si poseen una estructura interna, y muchas de las teorías del enlace químico y de las reacciones son altamente dependientes de dicha estructura interna, por lo que se encuentran más relacionados con el empeño de los newtonianos.

Tal vez por esta razón algunos autores sostienen que el modelo atómico de Dalton es el último átomo químico, mientras que desde finales del siglo XIX y hasta la actualidad, el átomo ha sido retomado por los físicos en un intento de reducir todas las propiedades de la química al átomo mecánico-quántico. 


El asunto de que hayan tenido un éxito parcial –por lo menos para sistemas relativamente simples –puede dividir la opinión, en mi opinión personal me importa un comino el asunto de ser fisicalista e intentar reducir las propiedades de la química y la biología a la física, si al final se demuestra que es un proyecto de investigación útil y con hallazgos espectaculares, entonces será a mi humilde entender el modelo correcto.


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