2.1 Ideas tempranas en la teoría atómica

Un concepto esencial que subyace a este objetivo es el de la identidad de una molécula, que está determinada por los números y tipos de átomos que contiene, y cómo están unidos entre sí. Este capítulo describirá algunos de los principios químicos fundamentales relacionados con la composición de la materia, incluidos los fundamentales para el concepto de identidad molecular.

La primera discusión registrada sobre la estructura básica de la materia proviene de los antiguos filósofos griegos, los científicos de su época. En el siglo quinto antes de Cristo, Leucipo y Demócrito argumentaron que toda la materia estaba compuesta de pequeñas partículas finitas que llamaban atomos, un término derivado de la palabra griega que significa "indivisible" . Pensaban que los átomos eran partículas en movimiento que diferían en forma y tamaño, y que podrían unirse. Más tarde, Aristóteles y otros llegaron a la conclusión de que la materia consistía en varias combinaciones de los cuatro "elementos" (fuego, tierra, aire y agua) y podía dividirse infinitamente. Curiosamente, estos filósofos pensaron en los átomos y los "elementos" como conceptos filosóficos, pero aparentemente nunca consideraron realizar experimentos para probar sus ideas.

La visión aristotélica de la composición de la materia prevaleció durante más de dos mil años, hasta que el maestro de escuela inglés John Dalton ayudó a revolucionar la química con su hipótesis de que el comportamiento de la materia podría explicarse utilizando una teoría atómica. Publicada por primera vez en 1807, muchas de las hipótesis de Dalton sobre las características microscópicas de la materia siguen siendo válidas en la teoría atómica moderna. Aquí están los postulados de la teoría atómica de Dalton.

1. La materia está compuesta de partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. Un átomo es la unidad más pequeña de un elemento que puede participar en un cambio químico. 2. Un elemento consta de un solo tipo de átomo, que tiene una masa que es característica del elemento y es la misma para todos los átomos de ese elemento (Figura 2.2). Una muestra macroscópica de un elemento contiene una cantidad increíblemente grande de átomos, todos los cuales tienen propiedades químicas idénticas.

Figura 2.2. Un centavo de cobre anterior a 1982 (izquierda) contiene aproximadamente 3 × 1022 átomos de cobre (varias docenas se representan como esferas marrones a la derecha), cada una de las cuales tiene las mismas propiedades químicas (crédito: modificación del trabajo por "slgckgc"/Flickr).

3. Los átomos de un elemento difieren en propiedades de los átomos de todos los demás elementos. 4. Un compuesto consiste en átomos de dos o más elementos combinados en una pequeña proporción de números enteros. En un compuesto dado, los números de átomos de cada uno de sus elementos están siempre presentes en la misma proporción (Figura 2.3).

Figura 2.3. El óxido de cobre (II), un compuesto negro en polvo, resulta de la combinación de dos tipos de átomos: cobre (esferas marrones) y oxígeno (esferas rojas), en una proporción de 1: 1 (crédito: modificación del trabajo de "Chemicalinterest"/Wikimedia Commons).

5. Los átomos no se crean ni se destruyen durante un cambio químico, sino que se reorganizan para producir sustancias que son diferentes de las presentes antes del cambio (Figura 2.4).

La teoría atómica de Dalton proporciona una explicación microscópica de las muchas propiedades macroscópicas de la materia que has aprendido. Por ejemplo, si un elemento como el cobre consta de un solo tipo de átomo, entonces no puede descomponerse en sustancias más simples, es decir, en sustancias compuestas por menos tipos de átomos. Y si los átomos no se crean ni se destruyen durante un cambio químico, entonces la masa total de materia presente cuando la materia cambia de un tipo a otro permanecerá constante (la ley de conservación de la materia).

Figura 2.4. Cuando los elementos cobre (un sólido de color marrón rojizo brillante, mostrado aquí como esferas marrones) y oxígeno (un gas claro e incoloro, mostrado aquí como esferas rojas) reaccionan, sus átomos se reorganizan para formar un compuesto que contiene cobre y oxígeno (un polvo sólido negro). (crédito cobre: modificación del trabajo por http://images-of-elements.com/copper.php).

En la siguiente escena interactiva, diseñada por Claudio Francisco Nebbia Rubio, podrás observar diferentes modelos sobre el átomo. Esta escena hace parte del proyecto Telesecundaria, publicado por la Red Descartes.

El interactivo permite que tengas una visión histórica del desarrollo del concepto de átomo con el fin de que puedas explorar cada modelo atómico, sus propiedades y características principales.

Ejemplo 2.1

Probando la teoría atómica de Dalton

En el siguiente dibujo, las esferas verdes representan átomos de un elemento determinado.

Las esferas moradas representan átomos de otro elemento. Si las esferas se tocan, son parte de una sola unidad de un compuesto. ¿El siguiente cambio químico representado por estos símbolos viola alguna de las ideas de la teoría atómica de Dalton? ¿Si es así, Cuál?

Solución

Los materiales de partida consisten en dos esferas verdes y dos esferas de color púrpura. Los productos consisten en una sola esfera verde y una esfera púrpura.

Esto viola el postulado de Dalton de que los átomos no se crean ni se destruyen durante un cambio químico, sino que simplemente se redistribuyen (en este caso, los átomos parecen haber sido destruidos).

Comprueba tu aprendizaje

En el dibujo, las esferas verdes representan átomos de un elemento determinado. Las moradas representan átomos de otro elemento. Si las esferas se tocan, son parte de una sola unidad de un compuesto. ¿El siguiente cambio químico representado por estos símbolos viola alguna de las ideas de la teoría atómica de Dalton? ¿Si es así, Cuál?

Dalton conoció los experimentos del químico francés Joseph Proust, quien demostró que todas las muestras de un compuesto puro contienen los mismos elementos en masa en la misma proporción. Esta declaración se conoce como la ley de proporciones definidas o la ley de composición constante. La sugerencia de que los números de átomos de los elementos en un compuesto dado siempre existen en la misma proporción es consistente con estas observaciones.

Por ejemplo, cuando se analizan diferentes muestras de isooctano (un componente de la gasolina y uno de los estándares utilizados en el sistema de clasificación de octano), se encuentra que tienen una relación de masa de carbono a hidrógeno de 5.33: 1, como se muestra en la tabla 2.1.

Vale la pena señalar que aunque todas las muestras de un compuesto particular tienen la misma proporción de masa, lo contrario no es cierto en general. Es decir, las muestras que tienen la misma relación de masa no son necesariamente la misma sustancia. Por ejemplo, hay muchos otros compuestos además del isooctano que también tienen una relación de masa de carbono a hidrógeno de 5.33: 1.00.

Tabla 2.1. Composición constante de isooctano

Dalton también usó datos de Proust, así como los resultados de sus propios experimentos, para formular otra ley interesante. La ley de proporciones múltiples establece que cuando dos elementos reaccionan para formar más de un compuesto, una masa fija de un elemento reaccionará con masas del otro elemento en una proporción de números enteros pequeños. Por ejemplo, el cobre y el cloro pueden formar un sólido verde cristalino con una relación de masa de 0.558 g de cloro por 1 g de cobre, así como un sólido marrón cristalino con una relación de masa de 1.116 g de cloro por 1 g de cobre.

Estas relaciones por sí mismas pueden no parecer particularmente interesantes o informativas; sin embargo, si tomamos una proporción de estas relaciones, obtenemos un resultado útil y posiblemente sorprendente: una proporción pequeña de números enteros.

Esta relación de 2 a 1 significa que el compuesto marrón tiene el doble de cloro por cantidad de cobre que el compuesto verde.

Esto puede explicarse por la teoría atómica si la proporción de cobre a cloro en el compuesto marrón es de 1 átomo de cobre a 2 átomos de cloro, y la relación en el compuesto verde es de 1 átomo de cobre a 1 átomo de cloro. La proporción de átomos de cloro (la proporción de sus masas) es, por lo tanto, de 2 a 1 (Figura 2.5).

1.116 g Cl 1 g Cu 0.558 g Cl 1 g Cu 2

1

Figura 2.5. En comparación con el compuesto de cloro de cobre en (a), donde el cobre está representado por esferas marrones y el cloro por esferas verdes, el compuesto de cloro de cobre en (b) tiene el doble de átomos de cloro por átomo de cobre (crédito a: modificación del trabajo por "Benjah-bmm27"/Wikimedia Commons; Crédito b: modificación del trabajo por "Walkerma"/Wikimedia Commons).

Ejemplo 2.2

Leyes de proporciones definidas y múltiples

Se analiza una muestra del compuesto A (un gas transparente e incoloro) que contiene 4.27 g de carbono y 5.69 g de oxígeno. Se analiza una muestra de compuesto B (también un gas transparente e incoloro) que contiene 5.19 g de carbono y 13.84 g de oxígeno. ¿Son estos datos un ejemplo de la ley de proporciones definidas, la ley de proporciones múltiples, o ninguna? ¿Qué te dicen estos datos sobre las sustancias A y B?

Solución

En el compuesto A, la relación de masa de carbono a oxígeno es

En el compuesto B, la relación de masa de carbono a oxígeno es

La razón entre estas dos proporciones, es:

1.33 g O 1 g C

2.67 g O 1 g C

1.33 g O 1 g C 2.67 g O 1 g C

Esto apoya la ley de proporciones múltiples. Esto significa que A y B son compuestos diferentes, con A que tiene la mitad de oxígeno por cantidad de carbono (o el doble de carbono por cantidad de oxígeno) que B. Un posible par de compuestos que encajarían en esta relación sería A = CO y B = CO2.

Comprueba tu aprendizaje

Se analiza una muestra de compuesto X (un líquido transparente, incoloro, combustible con un olor notable) y se encuentra que contiene 14.13 g de carbono y 2.96 g de hidrógeno. Se analiza una muestra del compuesto Y (un líquido transparente, incoloro, combustible con un olor notable que es ligeramente diferente del olor de X) y se encuentra que contiene 19.91 g de carbono y 3.34 g de hidrógeno. ¿Son estos datos un ejemplo de la ley de proporciones definidas, la ley de proporciones múltiples, o ninguna? ¿Qué te dicen estos datos sobre las sustancias X e Y?