Física XIX. En el siglo XVIII (I1)
Teoría atómica
La teoría atómica está vigente de alguna manera desde los antiguos griegos. Leucipo y Demócrito fueron los primeros atomistas, pero Aristóteles fue el rival de esta teoría y si tenemos en cuenta su influencia en los tiempos, no es de extrañar que esta hipótesis estuvo radicalmente relegada tanto en la Antigüedad como en la Edad Media. El Renacimiento permitió dar a conocer estas ideas. Galileo gustaba de los átomos y Newton y Boyle los consideraron en sus razonamientos físicos y químicos. Sin embargo, luego se volvieron a relegar, aunque quedaron como eco en el pensamiento científico.
XIX. A principios del siglo XX algunos científicos recurrieron de nuevo a esta teoría para expresar ciertas peculiaridades físicas, los tres estados de la materia y los resultados cuantitativos de algunas combinaciones químicas.
Tras prescindir de la teoría del flogisto, quedó claro que la materia tenía tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Cada sustancia aparece en alguna de estas situaciones, pero si las condiciones lo permiten puede aparecer en cualquiera de las tres. El agua, por ejemplo, a pesar de aparecer generalmente en estado líquido, también puede aparecer en forma de hielo o de vapor.
Por otro lado, también comenzaron a investigar las leyes de las reacciones químicas. Se hacía principalmente con gases, ya que era más fácil que en otras situaciones. Para entonces los gases ya habían perdido su aspecto misterioso y espiritual antiguo y se estudiaban como cualquier otro cuerpo.
Tras varios estudios realizados con las precisiones que permitió la coyuntura de la época, algunos (contra los prestigiosos científicos Lavoisier, Prout, Richter y Berthollet) demostraron que las partes siempre entran en la misma cantidad a la hora de formar cualquier compuesto químico. Esta constante de composición fue muy importante en el desarrollo de la nueva química.
Así, se sabe que el agua, proveniente de cualquier fuente o procedencia, está siempre formada por hidrógeno y oxígeno y que el peso de estos componentes está en proporción 1/8. De ahí surgió la idea de peso de combinación; si consideramos como unidad el peso del hidrógeno, el peso de combinación del oxígeno será zortziko.
En aquella época se incorporó John Dalton (1766-1844). Era maestro de escuela y en su tiempo libre se sumergía en matemáticas, química y física. Tras conseguir el puesto de trabajo en Manchester, comenzó a investigar con gases y vio que la teoría de los átomos era la más adecuada para expresar las peculiaridades de los gases. Posteriormente, estas mismas ideas las empleó en química y demostró que las combinaciones podían expresarse mediante sumas de fracciones con peso específico de los elementos. En su New Systems of Chemical Philosophy, publicado en 1808, dijo:
"En todos mis estudios sobre síntesis química, la guía se basa en las siguientes normas generales:
- Cuando por medio de dos cuerpos sólo tenemos una combinación y no hay razón alguna, debemos pensar que es una combinación binaria.
- Cuando aparecen dos combinaciones debemos pensar que son binarias y ternarias.
- Cuando se obtienen tres combinaciones, la una binaria y las otras dos son ternarias.
La aplicación de estas normas a los fenómenos químicos probados hasta el momento puede llegar a las siguientes conclusiones:
- Que el agua es un compuesto binario de hidrógeno y oxígeno y que los pesos relativos de los dos átomos elementales aparecen aproximadamente en la relación 1/7.
- Debido al hidrógeno y al compuesto binario del nitrógeno, los pesos relativos de ambos átomos se encuentran en una relación aproximada de 1/5.
- El gas nitroso es un compuesto binario de nitrógeno y oxígeno y sus átomos pesan entre cinco y siete.
- El óxido carbónico es un compuesto binario formado por un átomo de carbono y dos de oxígeno que pesa doce; el ácido carbónico es un compuesto ternario (a veces binario) formado por un átomo de carbono y dos de oxígeno, que pesa diecinueve, etc. En todos estos casos damos el peso al hidrógeno, ajustando la unidad de peso a sus átomos..."
En este informe Dalton cometió algunos errores: los pesos de combinación dados a veces no son adecuados, por ejemplo cuando en lugar de ocho para el oxígeno con el hidrógeno da siete.
Al no tratar más de dos elementos en un compuesto, suponer que la combinación átomo a átomo es binaria es otro error y se equivocó al aplicar estructuras de agua y amoniaco. Sin embargo, Dalton dio un gran paso en la historia de la ciencia, convirtiendo lo que era una hipótesis difusa en teoría científica.
Para representar los átomos elementales, Dalton utilizó puntos, asteriscos y cruces. El químico sueco Berzelius (1779-1848) refinó este método y inventó el que se utiliza en la actualidad, es decir, expresó el peso relativo que corresponde a su peso atómico utilizando una letra para representar un elemento. Así, "H" no expresa el hidrógeno en su totalidad, sino una unidad de masa de hidrógeno —un gramo, un kilogramo, o lo que se desee—, y en el sistema mencionado por "O" representa dieciseisavos de la masa del átomo de oxígeno.
La mayor aportación de Berzelius fue encontrar pesos atómicos lo más precisos posible o, mejor dicho, equivalentes de combinación. Descubrió nuevos elementos, investigó muchos compuestos y dio grandes pasos en el campo de la mineralogía. Junto a Davy investigó las leyes básicas de la electroquímica, empezando a destacar la relación entre la química y la electricidad. Se adelantó demasiado para su época: pensaba que todos los átomos tienen un tipo u otro de electricidad y que estas fuerzas eléctricas serían necesarias para dar combinaciones, es decir, veía en cada compuesto la suma de dos partes de carga eléctrica opuesta, así como la influencia de las cargas eléctricas cuando se daba una combinación entre los dos compuestos.
Esta teoría dualista no era muy adecuada y pronto tuvo que dejar sitio a otras más apropiadas. Sin embargo, sabemos que los fenómenos químicos y eléctricos están estrechamente relacionados, aunque no tan simples como pensaba Berzelius.
Cuando se profundizó en la investigación de los fenómenos producidos en la combinación de gases, se destacó la escasez de ideas atómicas. Gay-Lussac (1778-1850) comprobó que al combinar los gases, sus volúmenes lo hacen en relaciones sencillas. Avogadro (1776-1856), según la teoría de Dalton, concluyó que los resultados de Gay-Lussac deben suponer que los volúmenes iguales de todos los gases deben guardar relaciones simples entre el número de átomos.
Por todo ello, es decir, por los resultados de las combinaciones de gases y de tantos ensayos físicos, se concluyó que era necesario distinguir entre el átomo químico y la molécula física: mientras que el primero sería la parte más pequeña de una materia en las combinaciones, el segundo sería la parte más pequeña en estado libre. La forma más sencilla de expresar la hipótesis de Avogadro es aceptar que existen iguales cantidades de moléculas en los mismos volúmenes de gases, y así se supuso.
Volviendo al caso del agua, se observó que combinando dos volúmenes de hidrógeno, y por tanto dos moléculas, con un volumen de oxígeno, o molécula, se obtienen dos volúmenes de vapor, o moléculas. La forma más sencilla de expresarlo es suponiendo que cada molécula de hidrógeno y oxígeno contiene dos átomos químicos y que la molécula de vapor de agua es H2O, es decir, 2H2+ O = 2H2O. Por tanto, dado que el peso combinado del oxígeno es zortziko y cada átomo de oxígeno se asocia a dos átomos de hidrógeno, considerando el peso atómico del hidrógeno como unidad, el peso atómico del oxígeno es hexadecimal.
Esto obligaba a adaptar los pesos combinacionales de Dalton para obtener los verdaderos pesos atómicos de los elementos. Esto lo hizo por primera vez de forma totalmente sistemática Cannizzaro. Así, al reaccionar un átomo de oxígeno con dos átomos de hidrógeno, se observó que éste tenía de alguna manera el mismo valor que dos hidrógenos, y a esa equivalencia se le denominó "valencia", por lo que, tomando el hidrógeno como unidad, es decir, reconociendo que es su valencia, el oxígeno tenía dos valencia. Este nuevo concepto de valencia dio lugar a una fructífera cosecha.
Dalton comprobó veinte elementos, después los descubrimientos continuaron. El uso de nuevas vías de investigación en los ensayos químicos era frecuente encontrar nuevos elementos. Debido a la corriente galvánica, Davy (1778-1829) obtuvo metales alcalinos de sodio y potasio en 1807. Posteriormente, mediante el análisis espectral se descubrieron rubidio, cesio, talio y galio. La radiactividad nos ha revelado otros elementos como el radio y su familia, pero la mayoría de ellos son XX. Son resultados del siglo XX.
En 1815, después de Prout, otros investigadores buscaron la relación entre el peso atómico de los elementos y sus características físicas, pero hubo que esperar a 1869 para conseguirlo. En este año Julius Lothar Meyer y Mendeleiev ordenaron los elementos en función del peso atómico, lo que permitió observar la periodicidad de los elementos y mostrar una cierta afinidad en grupos de ocho filas, de forma que se podía formar una tabla colocando por columnas elementos de similares características. Esta tabla abría el camino para dar por supuesto los pesos atómicos dudosos y Mendeleiev llenó los huecos de la tabla anunciando algunos elementos desconocidos, algunos de los cuales luego se encontraron realmente.
Mendeleiev consideró que su tabla era puramente empírica. Sin embargo, a la vista de estas relaciones, surgió en algunos la antigua idea de la base común de la materia. Algunos pensaron que esta base podía ser hidrógeno y entonces, tomando su peso atómico como patrón, dijeron que todos los demás elementos requerirían números enteros, pero, aunque en muchos casos esto se cumple aproximadamente, en otros no se da en absoluto. Habrá que esperar medio siglo para encontrar aquella base común de la materia y poder dar todos los pesos atómicos con números enteros, pero esos logros serán el XIX. no accesibles con medios subordinados.
Teoría cinética de gases
En 1845 Waterston envió a la Royal Society un informe en el que explicaba la teoría cinética de los gases y desarrolló la misma teoría; desgraciadamente, aquel informe se quedó sin estudiar durante años. Sin embargo, tras observar la afinidad entre calor y energía, esta hipótesis alcanzó un gran éxito y Joule la sucumbió. Por su parte, estos dos investigadores calcularon la velocidad media del movimiento molecular. En 1857 Clausius publica la primera teoría cinética completa de la materia.
Se partió de la hipótesis de que en un gas las moléculas se desplazan en todas direcciones y que los choques entre ellas eran totalmente elásticos. La energía total de traslación de todas las moléculas es la medida del contenido total de calor del gas y la energía media de cada molécula la medida de la temperatura. A partir de ahí, la presión p se puede calcular matemáticamente demostrando que 1/3 nmv2, donde n es el número de moléculas por unidad de volumen, la masa de cada uno de esos m y el valor medio del cuadrado de la velocidad v. Así, nm es la masa total de gases por unidad de volumen, es decir, su densidad, por lo que si la temperatura de un gas es constante v2, la presión es directamente proporcional a su densidad e inversamente proporcional a su volumen (ley de Charles). Si mantenemos dos gases a la misma presión y temperatura, por la ecuación, ambos tendrán el mismo número de moléculas que las unidades de volumen (utilizando la vía química a la que llegó Avogadro).
Por tanto, la teoría cinética realizada por Bernoulli, Joule y Clausius se ajustaba a las características detalladas de los gases. Por otra parte, esta teoría permite calcular velocidades, como demostraron Waterston y Joule. En 1865 Loschmidt, basándose en la teoría cinética, pudo calcular el número de moléculas de un gas en la unidad de volumen a la presión atmosférica habitual y cero grados en los Celsius.
Maxwell y Boltzmann adaptaron a la distribución de velocidades la ley de combustión de Gauss basada en la teoría de probabilidades, según la cual estudiaron la tendencia que podía ser la más normal a la velocidad de las moléculas y concluyeron que se correspondía con el máximo de la característica llamada entropía en termodinámica. La ley de gases perfectos (pV = RT) era conocida en este siglo, pero al comenzar con los gases reales se observaban algunas desviaciones. Para corregir estas desviaciones, Van der Waals utilizó la teoría cinética y en 1873 consiguió la ley que lleva su nombre: (p + a/v2) (v - b) = RT, donde las constantes para cada gas a y b son la constante universal R, la presión p y la velocidad v; esta ley corrigió algunas de estas desviaciones.
- Robert Boyle. Físico y químico irlandés (1627-1691). Dio la ley de la compresibilidad de los gases, estableció el concepto moderno de elementos químicos y descubrió la función del oxígeno en la combustión.
- Antoine Laurent de Lavoisier. Químico francés (1743-1794). Fue uno de los fundadores de la química moderna. Inventó la nomenclatura química.
- John Dalton. Físico y químico británico (1766-1844). Es el creador de la teoría atómica.
- Dmitri Ivanovitx Mendeleiev. Químico ruso (1834-1907). Publicó una tabla periódica de elementos químicos (1869) y los intervalos que dejó vacíos se han ido completando a medida que se han ido descubriendo nuevos elementos.
- Joseph Louis Proust. Químico francés (1754-1826). Fue profesor del Real Seminario de Bergara. Dictó la ley de las proporciones fijas en 1808.
- Ludwig Boltzmann. Físico austríaco (1844-1906). Dictó la teoría cinética de los gases y aplicó las leyes estadísticas.
- James Clerk Maxwell. Físico escocés (1831-1879). A través de los trabajos sobre distribución de velocidades de moléculas gaseosas, trabajó la termodinámica.
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