domingo, 7 de junio de 2009

Notas ulteriores sobre la Teoría Atómica de Dalton

La teoría atómica propuesta por Dalton, a fin de cuentas fue un esfuerzo por explicar las reacciones químicas basándose en la estructura de la materia y atemperarla a las leyes de proporciones definidas y de la conservación de la materia. No se debe entender que fue el único esfuerzo con tal propósito.
Si de explicar se tratara, siempre existirán diversas formas de hacerlo sobre un mismo fenómeno, suceso, actividad, etc. Hasta los testigos de un mismo crimen facilitan evidencias, a veces en conflictos unas con otras. En el desarrollo de las ciencias, cabe destacar la estructura y el funcionamiento del sistema del mundo los cuales se explicaron de diversas maneras. Aún la estructura de la materia se ha explicado tanto con los elementos griegos, los gérmenes de Anaxágoras, los átomos de Leucipo y Demócrito, etc. La química, esto es las reacciones que llevan a cabo las substancias para transformarse en otras, también se explicaron con una teoría rival llamada la Teoría de las afinidades químicas, propuesta por Bergman y Claude Louis Berthollet , su principal exponente. En palabras de Berthollet:
Una teoría de afinidades químicas sólidamente establecida, y sirviendo como la base para la explicación de las preguntas sobre la química, debe ser una colección de, o contener, todos los principios de los cuales las causas de los fenómenos químicos puedan proceder, en cualquier variedad posible de circunstancias; porque la observación ha probado, que todos estos fenómenos son solamente los variados efectos de la afinidad, a la cual todos los variados poderes de los cuerpos pueden atribuirse1.
En esta teoría el concepto afinidad se traduce casi literalmente al más fuerte “apego o simpatía” de una substancia por otras. Según Berthollet:
Supongamos, dice Bergman, que la substancia A se satura completamente con la substancia C y que la combinación puede identificarse como AC; si la adición de otra substancia, B, a esta combinación, remueve a C , resultará la combinación AB, en vez de la AC.

El afirma, entonces que para determinar Ia afinidad electiva de dos substancias, debe tratarse una de ellas que pueda ser removida de su combinación con una tercera, y vice-versa. El considera como cierto que ese cuerpo que ha removido a otro de una combinación, no puede de ninguna manera, ser expulsado por aquel otro y que ambos experimentos concurrirán en probar que el prirnero tiene una mayor afinidad electiva que el segundo..........1.
Sin embargo, de acuerdo con esta teoría, la afinidad sola no bastaba para explicar ciertas observaciones que se detectaban en las reacciones químicas. La cantidad jugaba un rol muy importante. En este aspecto, Berthollet señalaba:

Es mi propósito probar que la afinidad electiva, en general, no actúa como fuerza determinante, por la cual un cuerpo separa completamente a otro de una combinación; sino que en todas las composiciones y descomposiciones producidas por la afinidad electiva, ocurre una partición de la base de la combinación, entre los dos cuerpos cuyas acciones son opuestas.; y que la proporción de esta partición está determinada, no solamente por la diferencia en energía en las afinidades, sino también por las diferencias de las cantidades de los cuerpos; así un exceso en la cantidad del cuerpo que tenga la afinidad más débil, compensará esa debilidad en la afinidad.

Si yo puedo probar que el grado de debilidad en la afinidad puede ser compensado por un aumento en la cantidad, de aquí seguirá que la acción de cualquier cuerpo es proporcional a la cantidad necesaria para producir un cierto grado de saturación. Esta cantidad, la cual es Ia medida de la capacidad de saturación de cuerpos diferentes, la Ilamaré masa.1

Continúa Berthollet, muy seguro de sí mismo:

... aplicaré los resultados de estas consideraciones a las afinidades de los compuestos, y a esos cuerpos compuestos: y finalmente, me empeñaré en recalcar, y sentar las bases sobre las cuales deben establecerse las teorías generales y particulares de los fenómenos químicos.
Como consecuencia de las observaciones anteriores, sigue que la acción de una substancia que tiende a descomponer una combinación, disminuye en la proporción en que progresa su saturación; esta substancia pueden, en tal caso, se puede considerar como formada por dos partes, una que está saturada y la otra libre. La primera parte puede considerare como inerte, pero como está conectada a la otra la cantidad que disminuye de acuerdo con el progreso de la saturación, mientras que por el contrario, la acción de la que ha sido eliminada, aumenta en la proporción del aumento de su cantidad, hasta que el equilibrio de las fuerzas contendientes termina la operación y limita el efecto.
He considerado todas las fuerzas que pueden, por su concurrencia u oposición con la afinidad recíproca de las substancias actuando de acuerdo con el principio expuesto, ejercer cualquier influencia en las combinaciones y fenómenos químicos. Estas fuerza se pueden reducir en lo siguiente: La acción de los disolventes, o la afinidad que ellos ejercen en proporción a sus cantidades; la fuerza de cohesión, la cual es el efecto de las afinidades mutuas de las partes de una substancia sencilla o compuesta; elasticidad, sea natural o producida por el calórico, el cual se debe considerar como un efecto de la afinidad del calórico, florescencia, que puede atribuirse a la afinidad no determinada y que actúa solamente en circunstancias muy raras; gravitación , ejerce alguna influencia, particularmente cuando se produce la compresión de los fluidos elásticos; pero no causa inconveniente cuando se le confunde con la fuerza de cohesión.
El mismo término, afinidad electiva puede inducir a error, si supusiera la unión del todo de una substancia en preferencia de una tercera; cuando lo que ocurre es sólo una división de acción la cual está subordinada a otras circunstancias químicas.1

Obviamente, Berthollet no estaba solo como disidente de la Teoría atómica de Dalton. El ilustre científico recibió el apoyo de otro célebre químico e inventor: Jöns Jacob Berzelius.

En una férrea defensa de Berthollet y su teoría, Berzelius señaló:

Algunos químicos han afirmado que la existencia de las proporciones químicas es contraria a los principios de la teoría de afinidades con la cual el ilustre Berthollet ha enriquecido la Química. En eso se basan para rechazarla......... Los químicos antes de Berthollet, estaban extraviados cuando consideraban a la más débil de las dos fuerzas químicas, o afinidades, anulándose por oposición, una a la otra . Berthollet señaló este punto y demostró el efecto que produce la masa química.
El mismo Berthollet, lejos de negar la posibilidad de las proporciones químicas, ha contribuido significativamente a probar su existencia, si bien algunos de sus experimentos no han sido muy precisos. El ha probado que cuando los elementos cesan de oponerse uno al otro, como resultado de su masa química, sus combinaciones siempre resultan en proporciones definidas e invariables. Las dudas de algunos químicos de la verdad de los principios de Berthollet se originan ciertamente de los celos de algunos de sus seguidores, quienes han extendido sus doctrinas a casos en donde no aplica, y han mantenido la existencia de combinaciones indefinidas aún cuando la acción de las masas químicas no puede interferir. Esta opinión no ocasionaron dudas en los finos experimentos de Proust, cuyo objeto fue demostrar que cuando los óxidos metálicos absorben más oxígeno, ellos pasan de un grado de oxidación a otro, sin pasar por los pasos intermedios; y que lo que se consideraba como paso intermedio era meramente una mezcla de un óxido perfecto con uno imperfecto2.

No obstante, Berzelius aprovecha para lanzar un ataque sutil a Dalton:

El hecho de que los cuerpos se combinan en proporciones químicas definidas cuando otras fuerzas no se oponen a su reunión, añadido a la observación de que cuando dos cuerpos, A y B, se combinan en diferentes proporciones, las porciones adicionales de uno son siempre múltiplos de números enteros, 1, 2, 3, 4, etc. nos permite concluir la existencia de una causa que como consecuencia de ella todas las otras combinaciones son imposibles. Ahora, ¿cuál es la causa? Es obvio que la contestación a esta pregunta es la base principal de la teoría atómica.
…………………………………………………………………………………
Hasta donde yo sé, el filósofo inglés, Sr. John Dalton,guiado por las experimentaciones de Bergman, Richter, Wenzel, Berthollet, Proust y otros, fue el primero que se esforzó por establecer la hipótesis. El señor H. Davy últimamente nos ha asegurado que el Sr. Higgins, en un libro publicado en 1789, estableció la misma hipótesis. Yo no he visto el trabajo del Sr. Higgins, y sólo anoto la circunstancia con la autoridad de Davy.
A pesar de la gran claridad y simplicidad que caracteriza a esta hipótesis, está conectada con grandes dificultades que se ponen de manifiesto cuando nosotros la aplicamos a un número de fenómenos químicos. Estas dificultades acrecientan las dudas sobre la veracidad de la hipótesis. Entre los numerosos experimentos que yo he hecho de tal manera que pueda descubrir la ley de proporciones químicas en que los cuerpos se unen, me he encontrado con algunos casos en que no obstante el completo acuerdo con la ley la cual yo concibo que he descubierto, la composición de un cuerpo no se puede explicar de acuerdo con la hipótesis que estamos considerando. Expondré algunos casos, sin considerarlos como prueba absoluta en contra de la hipótesis, sino más bien como unas dificultades sobre las cuales debemos esforzarnos para obtener una clara y bien establecida teoría de las proporciones químicas.

Comenzaré con una corta explicación sobre la teoría corpuscular, tal y como yo la concibo. Emplearé la palabra átomo para significar a los corpúsculos... ... ...1

En las citas anteriores, Berzelius se ha referido a una supuesta ley que el ha descubierto. En los siguientes extractos2 de uno de sus escritos Ensayo sobre la Teoría de las Proporciones Químicas y de la influencia de la electricidad en la Química se podrá observar la trascendencia de este descubrimiento.

En muchos experimentos cuidadosos Volta observó que dos metales puestos en contacto se electrificaban y que esto es la causa del fenómeno de la pila eléctrica. Más tarde, Davy demostró que este estado eléctrico aumenta debido a las fuerzas de las afinidades mutuas de los cuerpos usados, y que este efecto puede ser producido, y aún visto, por medio de ciertas precauciones en todos los cuerpos que tienen afinidad por otros.
Estos hechos están en buen acuerdo con la conjetura de que las electricidades opuestas de los cuerpos que se combinan, mutuamente neutralizan a cada uno de los cuerpos en el momento de la combinación y que el fuego es producido en la misma manera que en una descarga eléctrica.
Creemos saber ahora con certeza que los cuerpos que se pueden combinar muestran, libres, electricidades opuestas las cuales aumentan en fuerzas según se acercan a la temperatura a la cual la combinación se produce...
En el estado actual de nuestro conocimiento, la explicación más probable de la combustión y el encendido que resulta de esto es: que en todas las combinaciones químicas hay una neutralización de electricidades opuestas, y que esta neutralización produce fuego en la misma manera que es producido en la descarga de un recipiente, la pila eléctrica y el trueno, sin estar acompañado en este último fenómeno, por una combinación química.
Los experimentos realizados en relación con la relaciones eléctricas mutuas de los cuerpos, nos han enseñado que ellos se pueden dividir en dos clase: electropositivos y electronegativos.
En el arreglo de los cuerpos por orden de su naturaleza eléctrica, se forma un sistema el cual, en mi opinión, es más apropiado que cualquier otro para dar una idea de lo que es la química. El oxígeno es el más electronegativo de todos los cuerpos.
En resumen, lo que Berzelius propuso fue lo que se conoció como la Teoría dualista de la materia, aquella que sostiene que los cuerpos se forman por la atracción de “una parte eléctricamente negativa con otra parte eléctricamente positiva”. Con la aceptación general por la comunidad científica, esta teoría reforzó la de las afinidades de Berthollet.

Berzelius aportó otra idea brillante. Veamos:

Cuando intentamos expresar las proporciones químicas, encontramos la necesidad de utilizar los símbolos químicos. La química siempre los ha tenido, pero hasta ahora han sido de muy poca utilidad. Su origen, sin duda, está ligado a lo supuesto por los alquimista, de que existía una misteriosa relación entre los metales y los planetas, y al deseo que tenían de expresarse entre ellos de una manera incomprensible para el público. Los que les siguieron en la revolución antiflogística publicaron nuevos signos, fundado en un principio razonable, cuyo objeto era que los signos o símbolos, como los nuevos nombres, deben ser definiciones de la composición de las substancias, y que estos nombres deben ser más fáciles de escribir que los de las mismas substancias. Pero como hemos conocido, estos símbolos fueron inventados tan ingeniosamente, no fueron de utilidad; porque es más fácil escribir una palabra abreviada que dibujar una figura que tiene poca analogía con letras, y que para poder ser legible, se debe hacer en un tamaño más grande que nuestra manera ordinaria de escribir. Al proponer nuevos símbolos químicos debo esforzarme por evitar las inconveniencias que poseen los viejos signos de poca utilidad. Debo observar aquí que el propósito de los nuevos símbolos no es que, como los viejos, deben ser los empleados en las etiquetas de los envases de los laboratorios: Están destinado solamente a facilitar la expresión de las proporciones químicas y capacitarnos para indicar sin largos rodeos, el número relativo de volúmenes de los diferentes constituyentes de los compuestos. Determinando el peso de los volúmenes elementales, estos números nos capacitan para expresar los resultados numéricos de un análisis tan sencillo, y de una manera tan fácil de recordar, como las fórmulas algebraicas de la filosofía mecánica.
Los símbolos químicos deben ser letras, por la facilidad en el escribir y no para desfigurar un libro impreso. A pesar de que esta última circunstancia parece no tener importancia, se debe evitar siempre que se pueda. Tomaré, por lo tanto, para el símbolo químico, la letra inicial del nombre en Latín de cada una de las substancias elementales: pero como existen varias que tienen la misma letra inicial, distinguiré entre ellas de Ia siguiente manera:
1. En la clase que llamo metaloides, emplearé la letra inicial solamente, aun cuando esta letra sea común para los metaloides como para algunos metales.
2. En la clase de los metales, distinguiré aquellos que tengan la misma letra inicial con otro metal, o metaloide, escribiendo las primeras dos letras de la palabra.
3. Si las primeras dos letras son comunes a dos metales, añadiré a la letra inicial la primera consonante que no tengan en común, por ejemplo S = sulfur, Si = silicium, St = stibium (antimony), Sn = stannun (tin ), C = carbonium, Co = cobaltum (cobalt), Cu = cuprum (Koper), 0 = oxygen, Os = osmium, &c.
El símbolo químico expresa siempre un volumen de la substancia. Cuando sea necesario indicar varios volúmenes, se hace añadiendo el número de volúmenes: por ejemplo, oxidum cupricum ( protóxido de cobre) se compone de un volumen de oxígeno y un volumen del metal; por lo tanto su símbolo es Cu + 0. El oxidum cupricum (peróxido de cobre) se compone de un volumen del metal y 2 volúmenes de oxígeno; por lo tanto su síbolo es Cu + 2 O . .........................................................

Berzelius contribuyó, además con la invención y construcción de equipo (cristalería, principalmente) para laboratorio.
Ante la rivalidad de estos dos eminentes científicos, Dalton no se amilanó y defendió su teoría de manera enérgica. En uno de sus escritos Dalton contraataca:

Comprometido como he estado por muchos años, y todavía lo estoy, en el laberinto de las investigaciones químicas, es muy fácil imaginarse que no tengo tiempo para controversias………Sean cuales sean nuestras especulaciones teóricas, serían de poco valor a menos que sean respaldadas por los hechos; y sin importar los avances en la práctica de la química, ninguna teoría puede avanzar sin encontrar en el camino las dificultades que a menudo surgen debido a observaciones imprecisas. Espero demostrar a la entera satisfacción del Dr. Berzelius que algunas de las dificultades que él encuentra son de este tipo y que el resto son imaginadas....................

En la segunda parte de su ensayo sobre la causa de las proporciones químicas, el Dr. Berzelius, después de adjudicarme la parte principal en el anuncio y desarrollo de la teoría corpuscular o atómica, procede a dar su explicación de lo que él concibe que debe ser. Sus ideas son algo distintas a las mías; y esto es un punto que yo quiero ser claramente entendido, y el esfuerzo siguiente es para capacitar al lector para que pueda discriminar entre nosotros.
El Dr. Berzelius parece sostener que es necesario que todos los átomos tengan que ser del mismo tamaño. Esto, él piensa, se requiere para que se formen cuerpos de figuras regulares. Esto no es parte de mi doctrina. Yo sí mantengo que todos los átomos de cualquier cuerpo homogéneo, A, son del mismo tamaño, así como en peso; y los átomos de B son del mismo tamaño y peso; pero no veo suficiente razón para concluir que los átomos de A son del mismo tamaño que los de B.
Es divertido para mí las diferentes maneras que el curso del punto de vista del sistema atómico ha impactado a diferentes personas. .........
El Dr. Berzelius piensa que es necesario que cuando un átomo de A se combina con un átomo de B, lo debe tocar. Estamos de acuerdo en esta manera de expresar el hecho, pero nuestras ideas pueden diferir materialmente con su significado. Los átomos contiguos de los fluidos elásticos se tocan los unos a los otros por medio de una delgada atmósfera de calor: yo no sé, ni tampoco admito, cualquier otro tipo de contacto. La materia sólida, impenetrable, si lo fuera, constituye el centro del átomo, nunca contacta ningún otro centro, hasta donde se sabe; porque parece imposible desproveer a los cuerpos de su calor. Los átomos de los cuerpos pueden, por lo tanto coexistir a varias distancias; en las formas líquidas y sólidas están relativamente cerca, y en la elástica, distantes; pero en todos los estados están sujetos a variación, en este aspecto, por la presión y la temperatura. Es posible que los átomos gaseosos de oxígeno puedan condensarse en un volumen, de tal forma que su distancia no pueda exceder la que existe entre los átomos de oxígeno e hidrógeno en el vapor, y no unirse todavía químicamente como para cambiar sus formas. Por lo tanto, parece que la noción de partículas tocándose unas con las otras no es suficiente criterio para la unión química. La unión química se concibe mejor en el estado gaseoso, yo pienso, por la circunstancia de que dos o más átomos de A y B se unirían hasta formar un centro de repulsión común....1

Berzelius, aún más enérgicamente contestó de inmediato a Dalton:

El señor Dalton ha publicado en el Annals of Philosophy, vol. III p.174, Observaciones concernientes a mis memorias Sobre la causa de las proporciones Químicas. Me ha dado pena pensar que el respetable Dalton haya cogido mis ideas sobre la teoría corpuscular como críticas de la suya, entre las cuales él destaca algunas diferencias. Pienso que me he expresado en esa memoria con suficiente precisión como para hacer al lector sensible de que no he querido dar opiniones de la teoría de Dalton ni correciones de ella. Existe una diferencia esencial entre las investigaciones del Sr. Dalton y las mías. El Sr. Dalton ha escogido el método de un inventor, partiendo de un primer principio, del cual se esfuerza para deducir los resultados experimentales. Por mi parte, he sido obligado a coger el camino de un hombre ordinario, coleccionando y poniendo juntos un conjunto de experimentos, en los cuales me he esforzado para derivar conclusiones , más y más generales.

El Sr. Dalton establece que la polaridad electroquímica de los átomos no necesariamente forma parte de la teoría atómica, tal y como él la mantiene; yo tampoco he querido convencer de tal idea al lector. Por mi parte, al considerar la teoría corpuscular de la química, creo que debe constituir la teoría fundamental de la ciencia, y en vez de estar ocupado con parte del fenómeno, deberíamos ampliar al todo. Cuando tratamos de los átomos en la teoría química, debemos esforzarnos por encontrar la causa de la afinidad de estos átomos. Debemos esforzarnos en combinar investigaciones respecto a la causa del por qué los átomos se combinan con las investigaciones del por qué lo hacen solamente en ciertas proporciones.

No puede haber duda de que si le damos total libertad a nuestra imaginación y esta manera, la ciencia degenerará en una masa de vanas especulaciones, sin ninguna utilidad porque se fundaría en nada más que imaginación................
La segunda dificultad consiste en esto- he encontrado compuestos que se pueden representar como por ejemplo, AO3 + 1 ½ BO lo cual es contrario al punto de vista de la teoría atómica; mientras que una combinación de AO3 + BO2 no existe, a pesar de que está conforme con la teoría. El Sr. Dalton remueve la primera parte de estas dificultades alegando, “el cuerpo B en tales casos tiene en realidad 3 átomos de oxígeno por uno del metal, y la unión en cuestión es 2AO3 + BO3.” He dado dos casos adicionales sobre los cuales el Sr. Dalton no ha dicho nada.2

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