Notas introductorias a la Teoría Atómica

Notas introductorias a la Teoría Atómica
La Teoría Atómica se considera uno de los logros más significativos del intelecto humano. Aproximadamente en el 1808, el químico y meteorólogo inglés John Dalton, publicó un tratado sobre química. Debido a que su contenido resultó ser parcialmente contrastable experimentalmente, se le considera el primero en exponer una teoría atómica científica. Como la mayoría de las aportaciones valuables, esta teoría surgió sobre la base de afirmación o negación de hipótesis previas. De modo que para lograr alguna comprensión acerca del surgimiento de la Teoría Atómica que nos ocupa, resulta necesario destacar algunas de las aportaciones más significativas, las que permitieron la invención de su configuración intelectual.

Es posible identificar siete aportaciones empíricas y otras teóricas que proveyeron las ideas fundamentales de la Teoría Atómica formulada por Dalton. Estos son: 1) el surgimiento de los conceptos elemento y átomo, 2) la aportación de los alquimistas, 3) las sugerencias de los iniciadores de la ciencia moderna, 4) las investigaciones en torno a la naturaleza del calor, 5) la teoría del flogisto, 6) la hipótesis de la conservación de la materia y, 7) la hipótesis de proporciones definidas en la formación de compuestos. En lo que sigue se provee información fundamental de cada una de ellas.

1. Surgimiento del concepto de elemento y la teoría atómica griega.
Empédocles, acuñó el término elemento, quizás previo al surgimiento de la hipótesis atómica. Es un fenómeno notable, que 2000 años más tarde, en la época moderna, aún se sostenía la hipótesis de que existían cuatro entidades fundamentales de las cuales, por la mezcla de las mismas en proporciones diversas, se originan todas las cosas o cuerpos. Postuló estas sustancias elementales y de naturaleza material, como agua, tierra, aire y fuego. De esta manera intentó explicar el origen o causa material del Universo.
Uno de los postulados de la teoría atómica de Dalton sugiere que la materia está constituida por partículas extremadamente pequeñas e indivisibles. Los griegos, durante la época preclásica (650 al 450 antes de J.C.), llamaron a dichas partículas átomos, que en el idioma griego significa indivisible. Probablemente esta idea fue inicialmente enunciada por Anaxágoras (498 al 428 a. de J.C.). Según Aristóteles (384-322 a. de J.C.), la misma idea fue expresada por Leucipo (aprox. 500 a. de J.C.) y Demócrito (468 a 370 a. de J.C.), filósofos, que al igual que Empédocles, postulaban que la causa fundamental de todas las cosas era material. Es probable que estos pensadores antiguos lograsen desarrollar alguna explicación o teoría mas o menos compleja que diese cuenta de la materia, de sus distintos estados y de sus cambios en general, quizás hasta con potencial para la verificación experimental. De haber sido así, tendría que considerarse como la primera Teoría Atómica científica, sin embargo, no se cuenta con suficientes registros que lo evidencien.
Para Aristóteles, estos elementos determinaban las propiedades fundamentales de la materia. En sus escritos posteriores este admitió un quinto elemento: “la quintaesencia” o éter, la cual daba cuenta de la “materia celestial.”, la otra parte del universo.

2. Surgimiento de los alquimistas
Una trayectoria histórica breve aparece en la lectura Orígenes de la química. Aquí sólo repetiremos el interés primordial de esta actividad humana: la transmutación (transformación) de metales ordinarios en metales preciosos.
3. Sugerencias de los iniciadores de la ciencia moderna
Aproximadamente, dos siglos previos a la teoría de Dalton, al tratar de explicar el calor, Galileo sugirió la hipótesis de que el mismo es generado debido a partículas que se encuentran en movimiento constante, y algunos años mas tarde, Pierre Gassendi hizo referencia en sus escritos a la antigua hipótesis griega acerca de la existencia de los átomos. En el mismo siglo, específicamente en 1661, se publicó un tratado titulado: El Químico Escéptico. A su autor Robert Boyle se le considera, no por pocos, como el fundador de la ciencia química moderna. Boyle sostuvo que si los elementos fuesen como decía Paracelso, tales entidades nunca podrían conocerse a satisfacción razonable. En una serie de famosos experimentos, Boyle encontró que era imposible combinar los cuatro elementos griegos para transformarlos en sustancias nuevas; o que, por el contrario, de alguna substancia en particular, no se podían obtener los mismos. Propuso, en su obra, que la mejor forma de lidiar con este problema era redefinir el concepto elemento, pero partiendo de la observación cuidadosa. De este modo, toda aquella substancia que aún con los mayores esfuezos humanos disponibles no pudiese descomponerse, se consideraría elemento. Es obvio que si alguna substancia no resistiese los rigores de los intentos de descomposición o separación, entonces se clasificaría como compuesto.

En 1704 Issac Newton escribió en su obra Óptica lo siguiente:
“… parece probable que Dios al Principio formó la materia sólida, masiva, dura, impenetrable, con partículas móviles, de tales dimensiones y forma, con tales propiedades y en tal proporción que mejor se ajustara al fin para el cual las había formado; y estas partículas primitivas siendo sólidas son incomparablemente más pesadas que cualquier cuerpo poroso compuesto de ellas. Y tan sumamente duras, que nunca pueden romperse en trozos…”
“...los cambios de las cosas corporales tienen lugar solamente cuando se dan distintas separaciones, asociaciones y movimientos de estas partículas permanentes.”

Dada la trascendencia de las obras de Galileo y Newton, y de trabajos como el de Boyle, la hipótesis acerca de la naturaleza discreta de la materia tomaría auge nuevamente teniendo influencia en las mentes más privilegiadas del siglo XVIII. Así por ejemplo, alrededor de 1738, el matemático suizo Daniel Bernoulli desarrolló una teoría en la cual su postulado fundamental era que los gases estaban constituidos por partículas en movimiento constante y azaroso (idea de los antiguos atomistas griegos) de donde dedujo una generalización empírica que se atribuye (quizás erróneamente) a Boyle: La presión de un gas es inversamente proporcional a su volumen.

4. la investigaciones en torno a la naturaleza del calor y el calórico.
Por otro lado, los descubrimientos de la primera mitad del siglo XVIII, de una serie de fenómenos naturales asociados al calor han jugado un papel protagónico en el desarrollo de la teoría atómica. Aunque en este tiempo no se diferenciaba este concepto del de temperatura, las investigaciones de Joseph Black condujeron a hallazgos significativos. Por ejemplo, encontró que la resistencia al calor no era la misma para las diferentes substancias. Así, el agua presentaba una alta resistencia en comparación a otras substancias comunes. Al mezclar cantidades iguales de agua a diferentes temperaturas, 100 oF y 150 oF, la mezcla resultante alcanzaba una temperatura intermedia: 125 oF. Sin embargo, cuando se mezclaban volúmenes iguales de agua y mercurio, mientras que el éste descendía en su temperatura dramáticamente, al agua no le correspondía un incremento comparable, sino mucho menor. Es cuando se comienza a explicar este fenómeno utilizando el concepto de conservación del calor y con el concepto de capacidad calórica de una substancia: La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una substancia en un grado de temperatura. Se definió, además el concepto de calor específico: “La cantidad de calor necesaria para que la temperatura de un gramo de una substancia se eleve por 1oC”.
En esta época al descubrirse la conservación del calor el supuesto de que el calor es un fluido material cobró fuerza. Por esta razón fueron numerosos los intentos por separarlo o aislarlo. A la clase de materia que se pensaba constituía el calor se le llamó calórico, nombre sugerido por otro gran investigador: Antoine Laurent Lavoisier, francés. Fue él quien introdujo el uso de la balanza en el estudio de la materia. Esto y otras aportaciones significativas ameritan para que se le considere como el iniciador de la química moderna.

5. La teoría del flogisto
Las causas del fuego y el calor se relacionaron en un principio con el misticismo. Un sinnúmero de ritos todavía hoy en día, usan al fuego como parte importante de los mismos. El fluido del calor o calórico fue muy importante para la empresa del inquirir, dado el hecho que desde que el ser humano descubrió el fuego algunas preguntas continuaban sin contestación, como por ejemplo: ¿Porqué los materiales se queman o sufren combustión? ¿Por qué ocurren cambios de temperatura durante las reacciones químicas?
En el caso de los metales, se observó que, con excepción del oro, al calen¬tarse al aire dejaban un residuo que al cual se le llamó cal. A esta observación se ofrecieron diversas explicaciones. Se tenía la idea de que la combustión lograba la destrucción de la ma¬teria, separándose del cuerpo combustible algo en forma de llama, mientras que el residuo correspondía a otro componente de la materia. Entre éstas, hubo otras ideas místicas, tal corno la de liberación de ciertos espíritus que hay en la materia, etc. También se pensó en términos de variación de la masa por uni¬dad de volumen, o sea, la densidad de la materia cambiada en el proceso de la combustión.
Las hipótesis del flogisto se concibió durante la primera mitad del siglo XVIII para contestar las preguntas formuladas sobre el problema de la combustión. Se supuso que las substancias combustibles tienen en ellas “el principio” de la combustión que Ernst Stähl llamó flogisto. De acuerdo con esta teoría, todas las substancias combustibles tienen algo en común en su constitución, el flogisto, que se transforma en fuego a elevadas temperaturas. En palabras de Stähl:
“De todas estas variadas condiciones, por lo tanto, creo que se debe nombrar como el primero, el único, básico, principio inflamable. Pero como no se puede, hasta ahora, encontrarse por sí mismo fuera de todos los compuestos y uniones con otros materiales y como no hay fundamentos o base para darle un nombre descriptivo basado en sus propiedades, creo que lo debemos nombrar de acuerdo con su comportamiento más general, el cual exhibe en todos sus compuestos. Y por lo tanto, he seleccionado el nombre griego flogisto, en alemán brennlich.“
Si se considera el caso de la combustión de los metales como un caso representativo, el proceso se puede describir en la siguiente forma:
metal en combustión = cal metálica + flogisto,
donde se infiere que la teoría del flogisto implica que en el proceso de combustión una sustancia se escapa al aire y que las cales metálicas son substancias libres de flogisto.
Esta teoría también ofreció una explicación de la naturaleza reversible del proceso de la combustión. Tomando el caso de los metales otra vez:
una cal metálica + carbón = metal,
de donde podemos concluir que el flogisto es una sustancia que puede pasar de un cuerpo a otro. El propio Stähl lo había establecido:
“Si esta nueva sal del ácido de azufre y sales alcalinas formada como se indica,, cuando el flogisto ha sido usado en su totalidad, se trata con carbón, un cuarto de hora el liver de azufre original reaparece; y esto se puede hacer cientos de veces.......”.
También puedo demostrar por varios experimentos como el flogisto de substancias grasas y carbón puede entrar rápidamente en los metales mismos y regenerarlos desde las cales quemadas a sus propios estados fundibles, maleables y amalgamables.............1
Así, mediante la Teoría de Flogisto se logró vincular un número de hechos que antes parecían independientes entre ellos. Sin embargo, se fue acumulando una serie de hechos que no eran fáciles de explicar mediante esta teoría. Lavoisier escribió en una de sus Memorias:
“Este no es el sitio para demostrar la analogía que existe entre la respiración de animales y la calcinación. Regresaré a ella en la continuación de esta memoria. Estos diferentes problemas de la calcinación de los metales y la combustión son explicados de una manera muy buena por la hipótesis de Stahl, pero es necesario suponer con Stähl, que la materia del fuego, de flogisto es fijada en metales, en los sulfuros y en todos los cuerpos que se conocen como combustibles. Ahora, si nosotros demandáramos de los seguidores de la doctrina de Stahl que probaran la existencia de la materia del fuego en los cuerpos combustibles, caerían en un círculo vicioso y tendrían que alegar que los cuerpos combustibles contienen la materia del fuego porque se queman y que se queman porque contienen la materia del fuego. Es fácil ver en el último análisis que esto es explicar la combustión por la combustión.”
La existencia de la materia del fuego, de flogisto en metales, sulfuros, etc., es verdaderamente nada más que una hipótesis, una suposición la cual, una vez admitida explica, es cierto, algunos de los problemas de la calcinación y la combustión; pero si pudiera ser capaz de demostrar que estos fenómenos pueden ser explicados justamente de una manera natural por una hipótesis opuesta, es decir sin suponer que la materia del fuego o flogisto existe en los materiales combustibles, el sistema de Stahl se estremecería en sus fundamentos.1

Ya para esa época se dejaba ver en el campo de la química un movimiento hacia lo cuantitativo en contraste con el pasado. Lavoisier, al hacer uso sistemático de la balanza, observó que los metales aumentaban de peso al calentarse. Si la naturaleza del flogisto fuera como la de cualquier otra sus¬tancia material, al escaparse éste de un cuerpo debiera dejarlo menos pesado. Se pensó que la naturaleza del flogisto era tal que tenía peso negativo, de modo que la pérdida de flogisto su¬ponía un aumento en peso del cuerpo. Así para la primera mitad del siglo XVIII, ésta fue la explicación más aceptable ofrecida.

En 1774, en un trabajo titulado “El aumento en el peso de los metales al calcinarse”, Lavoisier encontró evidencia a favor de que la combustión se debía a la combinación del cuerpo combustible con al¬guna porción o constituyente del aire, ya que el sistema cons¬tituido por el aparato usado en el experimento y los reactivos pesó lo mismo después de la calcinación cuando el sistema era cerrado. Lavoisier repitió un experimento echo por Boyle sobre la calcinación de estaño en presencia de aire en un recipiente herméticamente cerrado. De aquí ideó la explicación de que al mantenerse el mismo peso del sistema, el aumento en peso del metal cal¬cinado debía ser igual a la pérdida en peso que había experimentado el aire. Postuló entonces que la calcinación se debía a la absorción de un constituyente del aire y no a la pér¬dida del flogisto. En experimentos independientes, Joseph Priestley aisló el constituyente que se combinaba con los materiales en combustión, al cual llamaron “aire desflogisticado”. Más tarde Lavoisier lo bautizó con el nombre de oxígeno (formador de ácidos). Continúa Lavoisier:
El aire puro, el aire desflogisticado de el Sr. Pristley, es entonces, desde este punto de vista el cuerpo combustible verdadero y quizás el único en la naturaleza, vemos que ya no necesitamos, para explicar el fenómeno de la combustión, suponer que existe una inmensa cantidad fija de fuego en todos los cuerpos que llamamos combustibles, que por el contrario es muy probable que poco de este fuego exista en los metales, azufre y fósforo y en la mayoría de los cuerpos bien sólidos, pesados y compactos2.

Muchos investigadores de la época modificaron sus posiciones ante los trabajos experimentales de Lavoisier y la Teoría del Flogisto comenzó a perder adeptos y a desaparecer.

6. La hipótesis acerca de la conservación de la materia Fue Lavoisier el primero en utilizar cabalmente la técnica de pesar en la experimentación. Como consecuencia del uso sistemático de la balanza, estableció formalmente la hipótesis acerca de la conservación de la materia, la cual expresó así : “ Nada es creado, ni en las operaciones del arte ni en esas de la naturaleza, y se puede considerar como un prin¬cipio general que en toda reacción existe una cantidad igual de materia antes y después de la reacción”. Esta hipótesis fue ve¬rificada en casos particulares, como en la calcinación del estaño, la descomposición del óxido mercúrico y otros. La evidencia acumulada a favor de la hipótesis se logró mediante análisis cuantitativo, y por razonamiento inductivo se dice que el peso total de las substancias que se combi¬nan y el producto total de la reacción contiene igual masa hasta los límites de precisión de análisis. Se han identificado otras contribuciones de este gran científico que escapan al propósito de este trabajo. Debido a sus múltiples aportaciones al desarrollo de la ciencia, especialmente en la química, tiene méritos suficientes para que se le considere como el fundador de la química moderna. Insólitamente y en uno de los procesos más infames que registra la historia científica, Lavoisier fue guillotinado en una plaza pública y ante una numerosa concurrencia durante la Revolución Francesa en 1794 (Favor leer más detalles en la Guía de Estudio).

7. La hipótesis de proporciones constantes
La hipótesis de las Proporciones Constantes es una de las que se consideran fundamentales en las ciencias químicas. No fue aceptada sin antes encontrar bastante oposición. Esta hipótesis fue expresada en 1797 por Joseph Louis Proust exponiendo que al formarse un compuesto siempre se combinarán las mismas substancias en la misma proporción por peso. Proust concluyó que la razón de combinación de los constituyentes de un compuesto está determinada por la ley natural, y no por la libertad del químico de mezclar cualesquiera cantidades de los constituyentes.
En 1801, Claude Berthollet publicó un tratado titulado Investigaciones sobre las leyes de la Afinidad Química, donde concluye que la composición de los compuestos puede variar dentro de ciertos límites. Las razones presentadas por Berthollet, contra la hipótesis de Proporciones Constantes o Definidas fueron las siguientes:
1. Los metales, como cobre, estaño y plomo, al ser calentados al aire pueden absorber oxígeno continuamente en pro¬porciones que van aumentando hasta cierto límite superior fijo.
Se consigue de este modo una serie continua de óxidos, como es evidente en el caso del cobre, por las variaciones en el color.
2. El mercurio se disuelve en ácido nítrico absorbiendo oxígeno y formando una serie de sales de composiciones que varían en forma continua.
3. Las soluciones, las aleaciones y los vidrios son compuestos formados en proporciones indefinidas.
Berthollet tuvo que reconocer que en muchas de las transformaciones químicas se formaban substancias de composiciones definidas, pero consideraba esos casos como excepciones.
Ante tal situación, Proust presentó su defensa y argumentó:
Si 100 partes del carbonato natural de cobre producen 100 partes de carbonato artificial, debemos reconocer una mano invisible que maneja la balanza en la formación de los compuestos y les asigna propiedades de acuerdo con su voluntad. Debemos concluir que la naturaleza no actúa de modo distinto en las profundidades de la Tierra que en su superficie o en las manos del hombre. Estas proporciones fijas, esas propiedades constantes que caracterizan los verdaderos compuestos, ya sean éstos productos de la naturaleza o del hombre; la modificación de todo esto, digo, está tan fuera del alcance de los químicos como lo están las leyes que rigen todas las combinaciones químicas.
De estas consideraciones, ¿no estamos en lo cierto al creer que el carbonato natural de cobre no diferirá nunca de aquel que es producto de la imitación de la naturaleza por el hombre? ¿Hay alguna diferencia entre el carbonato de soda de origen natural y el artificial que se obtiene en el laboratorio? No. ¿Por qué entonces deberá haber dife¬rencia entre aquellos de cobre o de otros metales?
Pero, ¿qué diferencia reconoce usted entre las combinaciones químicas y esa colección de combinaciones que la naturaleza no ha unido en ninguna proporción fija, de acuerdo con su criterio? ¿Es acaso que son diferentes entre sí el poder que hace que un metal se disuelva en azufre y el que hace que un sulfuro metálico se disuelva en otro? No me apresuro a contestar esta pregunta, por pertinente que ella sea, pues temo extraviarme en una región aún no suficientemente iluminada por hechos científicos. Pero, de todos modos, creo que la distinción que hago entre esos dos poderes podrá apreciarse bien cuando dice: ¿Es la atracción que hace que el azúcar se disuelva en agua la misma o diferente de la que hace que cantidades determinadas de carbono e hidrógeno se disuelvan en otra cantidad determinada de oxígeno para formar el azúcar en las plantas? Pero de lo que nos damos cuenta perfectamente es de que esas dos atracciones son tan diferentes en sus resultados, que es imposible confundirlas entre sí.
Prost concluyó que:
1. Las substancias formadas al calentar los metales al aire eran mezclas de un número pequeño de óxidos definidos.
2. Las sales de mercurio eran mezclas de dos compuestos definidos.
Proust distinguió cuidadosamente entre mezclas y compues¬tos, pero dejó el asunto de las soluciones en manos de futuros investigadores. Esta controversia entre los dos famosos químicos propició el desarrollo de la química porque contribuyó a:
1. definir en forma clara y precisa un compuesto quí¬mico distinguiéndolo de una mezcla.
2. obtener una gran cantidad de información analítica de compuestos químicos para justificar posiciones en la controversia.