La ley de proust y su controversia

[Introducción a la química] Sección 4. Conceptos Clave [Cantidad de sustancia] [La ley de Proust y su controversia] Otros conceptos [Historia de la química 3. De la revolución francesa a la teoría atómica]

La ley de Proust, también conocida como ley de las proporciones definidas, establece que un compuesto químico puro siempre contiene los mismos elementos combinados en una proporción fija en masa, sin importar su origen o el método de preparación. Esta idea fue propuesta por el químico francés Joseph-Louis Proust a principios del siglo XIX, en un contexto donde aún no existía consenso sobre la composición constante de las sustancias. Su formulación surgió como una respuesta a la necesidad de dar coherencia cuantitativa a los estudios de química, que hasta entonces eran en gran medida cualitativos y empíricos.

Figura 1. Joseph Louis Proust fue un químico francés que formuló la ley de las proporciones definidas, demostrando que los compuestos tienen proporciones fijas de masa. Estudió carbonato de cobre y óxidos metálicos, y enseñó en España hasta la invasión napoleónica. También investigó azúcares naturales. Su legado incluye la proustita, un mineral que lleva su nombre.

Proust defendió esta ley a partir de experimentos rigurosos con compuestos como el óxido de cobre y el carbonato de estaño, demostrando que, sin importar cómo se obtuvieran, sus proporciones entre elementos constituyentes eran siempre constantes. Esta observación iba en contra de las ideas de su principal oponente, el químico Claude-Louis Berthollet, quien sostenía que los elementos podían combinarse en proporciones variables dependiendo de las condiciones de reacción. Berthollet defendía una visión más flexible y dinámica de la materia, influida por la química analítica de su época y por observaciones mal interpretadas sobre mezclas y disoluciones.

El debate entre Proust y Berthollet fue clave para el desarrollo de la química moderna, ya que motivó nuevas investigaciones que, con el tiempo, respaldaron la propuesta de Proust. Su ley se convirtió en uno de los pilares de la teoría atómica de John Dalton, quien la utilizó para fundamentar la idea de que los elementos están formados por átomos indivisibles que se combinan en relaciones fijas para formar compuestos. Así, la ley de Proust marcó un hito en la transición de la química empírica a una ciencia cuantitativa basada en principios medibles y reproducibles.

Fórmulas moleculares

Como vimos anteriormente, tanto los elementos como los compuestos pueden agruparse en moléculas, con excepción de dos casos importantes: los gases nobles, que existen como átomos individuales, y los metales, que forman una única estructura continua de átomos unidos en una red metálica. Las moléculas, en general, pueden representarse mediante esquemas simbólicos llamados fórmulas moleculares. En términos más concretos, una fórmula molecular indica la cantidad de átomos de cada elemento químico que constituye una molécula, lo que permite identificar su identidad estructural.

Figura 2.  La fórmula molecular H₂SO₄ representa al ácido sulfúrico, compuesto clave en la industria química. Indica dos átomos de hidrógeno, uno de azufre (implícito por la regla del “1 algebraico”) y cuatro de oxígeno. Esta notación facilita cálculos estequiométricos y construcción de modelos estructurales, permitiendo entender su acidez, reactividad y función en múltiples procesos industriales

Esta representación simbólica, aunque hoy nos parece obvia, fue el resultado de un largo proceso de discusión y estandarización. Por ejemplo, durante el Congreso de Karlsruhe en 1860 —donde Stanislao Cannizzaro presentó su método para determinar los pesos atómicos—, también se debatió intensamente cómo debían representarse las fórmulas químicas. En ese contexto, muchos científicos proponían formas diversas de notación, algunas con exponentes, otras con letras duplicadas, reflejo de una comunidad aún en construcción. Gracias a esos debates, se consolidó una convención que hoy seguimos utilizando.

Representación de la ley de Proust

Actualmente, la fórmula molecular estándar se compone por el símbolo químico de cada elemento seguido de un subíndice numérico colocado a su derecha. Este subíndice indica cuántos átomos de ese elemento hay en una molécula. Por ejemplo, H₂O indica dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

De esta forma, podemos afirmar que la fórmula molecular es la manifestación simbólica de la ley de Proust en el lenguaje químico. Los subíndices que acompañan a los símbolos de los elementos no son simples números arbitrarios: representan las proporciones definidas en las que los átomos se combinan para formar un compuesto químico. Cada subíndice codifica la relación fija y constante entre los elementos que integran una molécula, tal como lo establece dicha ley.

Esta correspondencia entre notación y ley no es meramente formal, sino que tiene profundas implicaciones para el análisis cuantitativo en química. Gracias a esta regularidad estructural, es posible predecir la composición en masa, calcular la masa molar, y establecer relaciones precisas entre moles, átomos y gramos. Así, la fórmula molecular se convierte en un puente entre la representación simbólica y la realidad material de las sustancias.

En definitiva, al escribir una fórmula como H₂O, CO₂ o H₂SO₄, no solo comunicamos cuántos átomos hay de cada elemento, sino que también hacemos explícita la proporción constante que garantiza la identidad química del compuesto. La fórmula molecular, por tanto, no es una simple convención: es una expresión condensada de una de las leyes fundamentales que rigen la materia

[1] Ley de Proust de las proporciones definidas entre un elemento y un compuesto. Pulsa aquí para ver la descripción completa de esta fórmula junto a su factor de conversión homólogo.

La fórmula anterior resulta útil para resolver ejercicios que implican conversiones de molécula a átomo y viceversa. Pero, ¿qué ocurriría si nos enfrentamos a un escenario en el que intervienen dos elementos dentro de la misma molécula? Para abordar este tipo de casos, adaptaremos la ley de Proust a nuestro análisis.

[2] Ley de Proust de las proporciones definidas entre dos elementos. Pulsa aquí para ver la descripción completa de esta fórmula junto a su factor de conversión homólogo.

Bertólidos

Si sabemos que las moléculas y redes cristalinas se forman a partir de interacciones electrostáticas entre átomos e iones con el fin de mantener la conservación de la carga, surge una pregunta inevitable: ¿cómo se forman los bertiolidos, cuyas fórmulas químicas no presentan relaciones estequiométricas simples? La explicación más común radica en la existencia de defectos estructurales en los cristales, los cuales pueden producirse por adición o por vacancia.

Figura 3. Los cristales pueden presentar defectos estructurales como vacancias e intersticiales, permitiendo cierta tolerancia composicional. Cuando esta variación es pequeña, forman sustancias estequiométricas o daltonidos. Si es significativa, surgen compuestos no estequiométricos o bertólidos, que no siguen la ley de Proust. Esta propiedad refleja la flexibilidad de la red cristalina ante desviaciones en la proporción de sus componentes.

Un defecto por adición ocurre cuando un cristal incorpora más átomos o iones de los que corresponderían a la proporción ideal, como cuando iones intersticiales se introducen en huecos de la red. En cambio, un defecto por vacancia se da cuando faltan partículas en posiciones que deberían estar ocupadas según la estructura ideal, alterando la relación de átomos en el compuesto final. En ambos casos, la composición global se modifica y deja de cumplir con la ley de Proust de proporciones definidas de manera estricta.

Es importante recordar que nosotros calculamos los subíndices de una fórmula química a partir de cantidades macroscópicas, por lo que lo que medimos realmente es un promedio. Incluso los compuestos que cumplen aparentemente con la ley de Proust pueden tener defectos a nivel microscópico. Sin embargo, estos son tan escasos que, al redondear al entero más cercano durante análisis como el de combustión, los defectos se vuelven inapreciables dentro del límite de las cifras significativas, y los resultados son consistentes sin importar la muestra del mismo daltonido.

Por el contrario, en un bertiolido las desviaciones respecto a una relación estequiométrica entera son tan grandes que no pueden ignorarse. Estas composiciones no se ajustan a ningún número entero razonable, y varían entre muestras, lo cual es indicativo de un alto grado de defectos o de una estructura fundamentalmente no estequiométrica. Un ejemplo es la wüstita (Fe₁₋ₓO), cuya proporción entre hierro y oxígeno no se fija en un valor constante sino que depende de condiciones de síntesis, variando en un rango como Fe₀.₉₄O a Fe₀.₈₄O. Otro ejemplo representativo es el óxido de titanio TiOₓ, donde x puede variar entre 1 y 2, reflejando múltiples estados de oxidación del titanio y la capacidad del cristal para tolerar amplios defectos sin perder su estructura global.

Historia

Imagina que tienes frente a ti dos vasos. Uno contiene agua pura; el otro, agua con azúcar disuelta. A simple vista, ¿podrías notar alguna diferencia entre ellos? Probablemente no. Ambos líquidos son transparentes, sin color ni partículas visibles. Pero, ¿y si tuvieras que juzgarlos únicamente con los ojos, sin oler, probar ni utilizar instrumentos? Esta situación nos lleva a una pregunta fundamental en química: ¿cómo clasificamos la materia si solo podemos guiarnos por lo que percibimos? Más aún, ¿cómo saber si lo que estamos viendo es una sustancia pura o una mezcla?

Figura 4. Claude Louis Berthollet fue un químico francés clave en la teoría del equilibrio químico y la química industrial. Cuestionó la ley de proporciones definidas, proponiendo que algunos compuestos tienen composición variable (bertólidos). Introdujo el concepto de equilibrio dinámico y aplicó la química a procesos como el blanqueo con cloro, dejando una profunda influencia en la ciencia moderna.

Durante el siglo XIX, los químicos debatieron con intensidad sobre si los compuestos tenían proporciones fijas o si podían variar según las condiciones. Este debate se cristalizó en lo que ha venido a denominarse la controversia Berthollet–Proust. Para Berthollet, la materia se combinaba en proporciones variables; para Proust, en proporciones definidas e inmutables. No era solo una disputa técnica, sino una diferencia radical en la forma de concebir la composición de la materia. Esta última visión —la de Proust— terminaría imponiéndose, y con ella, la idea de que las sustancias puras tienen una composición constante, lo que permitió diferenciar con claridad entre una mezcla (como el agua azucarada) y una sustancia pura (como el agua destilada). El problema es que, en el fondo, ambos tenían parte de razón. La naturaleza no siempre se pliega a las categorías absolutas que pretendemos imponerle. Imagina nuevamente ese contexto: cuerpos con una homogeneidad total a simple vista —como el agua pura y el agua azucarada—, pero con diferencias fundamentales en su composición interna.

Algunos, como el agua, al descomponerse en sus elementos, registran una constitución constante: dos partes de hidrógeno por una de oxígeno, siempre en la misma proporción de masa relativa. Es lo que se conoce como la ley de la proporción definida: todo compuesto químico está formado por los mismos elementos, combinados en proporciones fijas y características.

Este principio se vuelve aún más claro cuando observamos sustancias formadas por los mismos elementos, pero con proporciones distintas. Los óxidos del nitrógeno ofrecen un ejemplo clásico: el monóxido de nitrógeno (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO₂) están ambos formados por nitrógeno y oxígeno, pero en relaciones diferentes. Por cada gramo de nitrógeno, el primero contiene 1.14 g de oxígeno, mientras que el segundo contiene 2.28 g. Es decir, una proporción doble, una regularidad tan precisa que condujo a enunciar también la ley de las proporciones múltiples.

Figura 5. Los óxidos de cloro ilustran la ley de las proporciones definidas, ya que combinan cloro y oxígeno en proporciones fijas de masa. Aunque el cloro permanece constante, el oxígeno varía en múltiplos definidos (16, 48, 80, 112 g), formando compuestos únicos. Esto respalda la idea de Proust frente a la propuesta de Berthollet sobre proporciones variables.

Pero en contraste, el caso del agua azucarada revela otro tipo de cuerpo: una mezcla. Aquí, el azúcar y el agua no forman un nuevo compuesto con proporciones definidas. Podemos disolver una cucharadita, dos o tres, y seguir teniendo una sola fase líquida homogénea. Su composición es variable y continua dentro de ciertos límites. No hay una relación fija entre las masas de azúcar y agua: depende de cuánto agreguemos.

Este tipo de materia —mezclada pero aparentemente uniforme— desafía la vista y exige una mirada más profunda, una que distinga no solo lo que parece igual, sino también cómo está constituido lo que observamos.

La razón de esta discrepancia radica en que, cuando estos químicos hablaban de “cuerpos”, no diferenciaban entre una mezcla homogénea y un cuerpo puro compuesto, simplemente porque las mezclas homogéneas aparentan ser sustancias puras. A nivel visual y táctil, no hay separación evidente, no hay fases múltiples. Esa similitud superficial llevó a una confusión conceptual profunda.

Este tipo de error, donde los interlocutores discuten sin compartir las mismas definiciones fundamentales, es conocido como un error de equivocación semántica o, más ampliamente, como una discusión bizantina: se debate con intensidad sobre un desacuerdo que, en el fondo, surge de no hablar de lo mismo, aunque parezca que sí.

En una disolución, como el agua azucarada, los componentes están presentes en proporciones variables. Es decir, la composición del sistema depende de factores externos: la cantidad de soluto añadido, la temperatura, el estado físico. Esta visión de la materia era precisamente la que Berthollet defendía: un cuerpo cuya composición no es fija, sino determinada por el equilibrio con su entorno.

Sin embargo, al interior del mundo material no todo son mezclas. También existen cuerpos que muestran un comportamiento radicalmente distinto: sustancias puras compuestas, que siempre se forman a partir de proporciones constantes de sus componentes. No importa cuántas veces repitamos la reacción o en qué lugar del mundo la llevemos a cabo, el resultado es siempre el mismo.

Figura 6. La wüstita (FeO) es un óxido de hierro con aplicaciones clave en la industria siderúrgica, donde participa en la reducción del hierro para producir acero. Gracias a sus defectos estructurales, también se usa en catalizadores, materiales magnéticos y semiconductores, aprovechando su ferroelectricidad y capacidad de conducir electricidad en condiciones específicas. Es un compuesto químico no estequiométrico.

Un ejemplo claro es el cloruro de sodio (NaCl), la sal de mesa común. Al sintetizarlo, se requiere una cantidad precisa de sodio metálico y una cantidad proporcional de gas cloro. Ni más ni menos. Cualquier exceso de alguno de los reactivos no se incorpora al compuesto; simplemente permanece sin reaccionar o da lugar a otro producto, si acaso. La sustancia formada —la sal— tiene una identidad química fija, derivada directamente de esa proporción específica entre sus elementos.

Como todo en la naturaleza, también existen intermedios. Algunas sustancias se comportan como si fueran puras, pero su estructura interna revela imperfecciones microscópicas. Por ejemplo, en ciertos sólidos cristalinos, la disposición ordenada de partículas con cargas opuestas —positivas y negativas— puede presentar defectos, como la ausencia de alguna de las partículas positivas en posiciones donde se esperaría encontrarla.

Esto ocurre en materiales como la wüstita (FeO), un óxido de hierro que, aunque se describe con la fórmula simple "FeO", rara vez se encuentra con una proporción perfecta de un átomo de hierro por cada átomo de oxígeno. En la práctica, su composición varía, porque no todos los sitios que deberían estar ocupados por átomos de hierro están realmente llenos. Es un ejemplo de lo que se conoce como un berthólido: una sustancia cuya composición no sigue estrictamente una proporción definida, aunque mantiene una estructura estable.

Naturaleza de la controversia científica

La controversia entre Berthollet y Proust no se resolvió de inmediato. Durante años, la discusión quedó en tablas, sin una victoria clara, porque ambos presentaban observaciones válidas, pero desde enfoques distintos. Mientras Berthollet describía mezclas y soluciones —sistemas donde la composición puede variar—, Proust se refería a sustancias compuestas formadas en reacciones químicas con proporciones fijas.

Figura 7. En un debate, definir conceptos clave desde el inicio evita malentendidos y garantiza que todos compartan un mismo marco de referencia. Sin esta claridad, pueden surgir argumentos erróneos o discusiones bizantinas. Un moderador que precisa los términos logra un diálogo estructurado, productivo y enfocado, facilitando un intercambio de ideas significativo y centrado en el tema real.

Durante buena parte del siglo XIX, la comunidad científica osciló entre ambas ideas, sin una distinción clara entre lo que hoy llamamos mezcla homogénea y sustancia pura compuesta. El lenguaje de la época no ofrecía las herramientas conceptuales necesarias para separar esas categorías con precisión, lo que dificultó aún más el entendimiento mutuo.

Fue solo con el desarrollo progresivo de la química analítica y la termodinámica de soluciones, junto con avances en la comprensión de la estructura de la materia, que se comenzó a ver con claridad que ambos hablaban de fenómenos distintos. Berthollet tenía razón al observar que ciertas combinaciones, como las soluciones salinas o los gases mezclados, podían presentar proporciones variables. Pero Proust también tenía razón al mostrar que los compuestos químicos verdaderos —como el agua, el cloruro de sodio o el dióxido de carbono— se formaban siempre con proporciones definidas y constantes.

Al final, ninguno fue derrotado, pero fue la clarificación de los conceptos lo que resolvió la disputa. Se entendió que no era un asunto de quién tenía razón, sino de qué tipo de materia se estaba describiendo. Esta distinción fundamental —mezcla vs. compuesto— sentó las bases de la clasificación moderna de la materia y permitió a la química avanzar con mayor precisión en su estudio del mundo material.

[Ejercicios resueltos de ley de Proust y cantidad de sustancia]

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