John Dalton

Introducción a los Conceptos y Teorías de las Ciencias Físicas
Gerald Holton y Stephen G. Brush  1988.
Sumario: Emilio Viciana.

  1. Biografía

  2. Modelo de Dalton para los gases

  3. Propiedades del átomo químico de Dalton

  4. Simbolos de Dalton para la representación de los átomos


1. Biografía


Dalton, John (1766-1844), químico y físico británico, trabajó con eficacia para conseguir la unión entre el concepto de elemento químico y las hipótesis atómicas antiguas, que servio para desarrollar la teoría atómica en la que se basa la ciencia física moderna. Nació el 6 de septiembre de 1766, en Eaglesfield, (Cumbria). Educado en una escuela cuáquera de su ciudad natal, fue un auténtico autodidacta. Tuvo que mantenerse humildemente como maestro desde los 12 años. En 1781 se trasladó a Kendal, donde dirigió una escuela con su primo y su hermano mayor. Se fue a Manchester en 1793 y allí pasó el resto de su vida como profesor, primero en el New College y más tarde como tutor privado.

En 1787 Dalton comenzó una serie de estudios meteorológicos que continuó durante 57 años, acumulando unas 200.000 observaciones y medidas sobre el clima en el área de Manchester. El interés de Dalton por la meteorología le llevó a estudiar un gran número de fenómenos así como los instrumentos necesarios para medirlos. Fue el primero en probar la teoría de que la lluvia se produce por una disminución de la temperatura, y no por un cambio de presión atmosférica.

Sin embargo, a la primera obra de Dalton, Observaciones y ensayos meteorológicos (1793), se le prestó muy poca atención. En 1794 presentó en la Sociedad Filosófica y Literaria de Manchester un ensayo sobre el daltonismo, un defecto que él mismo padecía; el ensayo fue la primera descripción de este fenómeno, denominado así por el propio Dalton.

Su contribución más importante a la ciencia fue su teoría de que la materia está compuesta por átomos de diferentes masas que se combinan en proporciones sencillas para formar compuestos. Esta teoría, que Dalton formuló por primera vez en 1803, es la piedra angular de la ciencia física moderna. En 1808 se publicó su obra Nuevo sistema de filosofía química, (obra que se publico en dos partes, la primera en 1.808 y la segunda en 1.810) que incluía las masas atómicas de varios elementos conocidos en relación con la masa del hidrógeno. Sus masas no eran totalmente precisas pero constituyen la base de la clasificación periódica moderna de los elementos. Dalton llegó a su teoría atómica a través del estudio de las propiedades físicas del aire atmosférico y de otros gases. En el curso de la investigación descubrió la ley conocida como =ley de Dalton de las presiones parciales=, según la cual, la presión ejercida por una mezcla de gases es igual a la suma de la presiones parciales que ejercería cada uno de los gases si él solo ocupara el volumen total de la mezcla.

Dalton poseía una fuerte iniciativa y rica imaginación, particularmente para los modelos mecánicos e imágenes mentales, pero lo más notable era su extraordinaria intuición física que le llevó a importantes conclusiones, a pesar de ser solamente Aun experimentador tosco@, como le llamó su contemporáneo Humphry Davy.

Dalton fue elegido miembro de la Sociedad Real de Londres en 1822 y cuatro años más tarde se le concedió la medalla de oro de esta sociedad. En 1830 Dalton se convirtió en uno de los ocho socios extranjeros de la Academia de Ciencias Francesa. Murió el 27 de julio de 1844 en Manchester.

 

2. Modelo de Dalton para los gases


Como Kepler y Newton, a quienes se semejaba en muchos aspectos, Dalton trabajó sobre gran variedad de temas; pero el principal trabajo de Dalton surgió de su interés por la estructura física de los gases. Decía que, debido a su interés por la meteorología, se admiraba de cómo la atmósfera terrestre, siendo una mezcla de gases de densidades muy diferentes (principalmente nitrógeno, oxígeno y vapor de agua), presentaba, sin embargo, una homogeneidad tan grande. Encontró que las muestras de aire, tomadas a diversas alturas, tenían la misma proporción de estos componentes, cuando podía esperarse que el nitrógeno, por ser menos denso que el oxígeno, se mantendría *flotando+ sobre este último, como ocurre con el aceite sobre el agua. (Afortunadamente, quizás, para el avance de la teoría atómica, no era entonces posible tomar muestras de aire en regiones superiores a varios kilómetros sobre la superficie de la Tierra; existe una diferencia notable de composición a alturas superiores.)

Rumford habría dado una solución a este problema, pues al discutir el caso análogo de mezclas de líquidos distintos, decía que las partículas individuales *por su movimiento peculiar y continuo+ (agitación térmica) pueden difundirse unas en otras, dando lugar a una mezcla homogénea. Dalton no podía admitir tal solución, pues había adoptado el modelo estático para los gases y no el cinético (erróneamente), convencido de que el gran Newton habla probado la validez de la teoría estática en el breve pasaje de sus Principia.

Dalton escribió en una ocasión: *Newton ha demostrado a partir de los fenómenos de condensación y enrarecimiento que los fluidos elásticos están constituidos por partículas que se repelen entre sí por fuerzas que crecen a medida que la distancia entre sus centros disminuye; en otras palabras, las fuerzas están en razón inversa con las distancias. Esta deducción será válida en tanto las leyes de los fluidos elásticos persistan en su forma actual.>>

Dalton se vio obligado de manera natural a rechazar el punto de vista cinético del calor, junto con el punto de vista cinético de los gases y a adoptar la teoría del calórico que constituía entonces aún el esquema conceptual general para los fenómenos caloríficos. La única solución satisfactoria al problema de la homogeneidad de las mezclas gaseosas basada en un modelo estático era, para Dalton, el siguiente conjunto de hipótesis y deducciones, algunas de ellas tomadas de la labor de sus predecesores:

a) Cada partícula de gas está rodeada por una atmósfera de calórico. Como Dalton decía en su obra principal, *una vasija llena de un fluido elástico puro, puede imaginarse como si estuviera llena de perdigones. Los glóbulos son todos de las mismas dimensiones, pero las partículas de fluido difieren de las de los perdigones en que están constituidas de un átomo central, muy pequeño, de materia sólida, rodeado por una atmósfera de calor de mayor densidad cerca del átomo y que va disminuyendo según cierta potencia de la distancia+. (A New System of Chemical Philosophy.)

b) Las partículas están esencialmente en reposo y sus capas de calórico en contacto. En la parte superior de la fig. 2º, tomada del libro de notas de Dalton, se observa el caso de dos átomos de gas próximos. Para Dalton, el único modo de que un cuerpo ejerciera una fuerza sobre otro era estando en contacto directo; la noción de acción a distancia le era tan poco convincente como para la mayoría de los contemporáneos de Newton.

c) El diámetro total de cada partícula, teniendo en cuenta la capa o atmósfera de calórico, difiere de una sustancia a otra.

* ... lo siguiente puede adoptarse como un postulado, a menos que aparezca alguna razón en sentido contrario; a saber: cada especie de fluido elástico puro tiene sus partículas globulares del mismo tamaño; dos especies no concuerdan en el tamaño de sus partículas a igual presión y temperatura.+

Este punto resultó ser crucialmente importante en desarrollos posteriores. Dalton pensaba haber deducido este postulado sin ambigüedades a partir de evidencias experimentales del siguiente tipo: Uno de los productos formados cuando el oxígeno y el nitrógeno se combinan es el óxido nítrico, o como Dalton decía, *el gas nitroso+. Sobre otras bases, Dalton había decidido que en este gas un átomo de nitrógeno se combina siempre con un átomo de oxígeno. Sin embargo, en sus propios experimentos parecía que la razón de volúmenes de gas oxígeno a gas nitrógeno, necesaria para la reacción, no era 1:1 (que indicarla volúmenes iguales para ambos tipos de átomos), sino más aproximadamente 0,8 : 1, indicando que los átomos de nitrógeno eran algo mayores que los átomos de oxígeno. (En realidad, los resultados experimentales son confusos, ya que, simultáneamente, pueden producirse diferentes compuestos de nitrógeno y oxígeno.)

La misma serie de experimentos parecía dar a Dalton otra confirmación de su *postulado+, El gas nitroso así formado poseía doble volumen que cualquiera de los elementos componentes. En términos de un gas cuyas partículas se tocan, esto parecía indicar claramente que las partículas o átomos (compuestos) del gas nitroso poseían un volumen doble al de las partículas de oxígeno o nitrógeno.

Los experimentos realizados sobre vapor de agua parecen soportar el mismo tipo de conclusión: *Cuando se mezclan dos porciones de hidrógeno y una de oxígeno y se queman con una chispa eléctrica, el conjunto se convierte en vapor y, si la presión es grande, este vapor pasa a ser agua. Lo más probable es que exista el mismo número de partículas en dos porciones de hidrógeno que en una de oxígeno ... +, es decir, los átomos de hidrógeno son dos veces mayores que los de oxígeno.

d) Volviendo al problema inicial Dalton, basándose en especulaciones cualitativas, sacaba la conclusión de que no podía haber estratificación del aire en sus distintos elementos porque las partículas contiguas de diversos tamaños tenderían a repelerse hasta que se alcanzara la estabilidad en una mezcla homogénea.

e) Por tanto -razonaba-, los constituyentes de la atmósfera deben mezclarse entre sí en el desequilibrio durante su encuentro original y, a partir de entonces, permanecen homogéneos.

Esta imagen sugestiva de la atmósfera impulsó a Dalton a considerar a continuación el número de átomos y sus pesos relativos, particularmente *de todos los principios químicos elementales que entran en cualquier tipo de combinación+. Pero antes de considerar los resultados enormemente fructíferos que se reportaron de esta decisión, pasaremos revista al hecho sorprendente de que cada uno de los puntos a) a e) anteriores está equivocado desde el punto de vista actual e, incluso, en función de su consistencia interna-, además de la propia premisa, la prueba supuesta de Newton del modelo estático, está la falsa interpretación de Dalton.

Existe una sutil ilustración de la posición que hemos considerado en la parte D, a saber: que la ciencia no ha de considerarse como un resultado inevitablemente fructífero que se obtiene al seguir paso a paso un método claro. Por otra parte, tampoco puede concluirse que la ciencia avanza "dando palos de ciego" de error en error, realizando descubrimientos sólo por casualidad o por suerte, ni tampoco quesea un conjunto de subproductos de una cantidad prodigiosa de trabajos en gran manera infructuosos realizados en múltiples lugares y a lo largo de los siglos.

 

3. Propiedades del átomo químico de Dalton


Volvamos al crecimiento de la teoría atómica de la química. El tratado de Dalton, Nuevo sistema de filosofía química, se publicó en dos partes, en 1808 y en 1810. Extractaremos de esta obra y de algunos de sus escritos los principales principios que reflejan las ideas fundamentales de su esquema conceptual.

a) La materia consta de átomos indivisibles.

*La materia, aunque divisible en un grado extremo, no es, sin embargo, infinitamente divisible. Esto es, debe haber un punto, más allá del cual no podemos ir en la división de la materia. La existencia de estas últimas partículas de la materia no puede apenas ponerse en duda, aunque probablemente sean tan sumamente pequeñas que no puedan apreciarse ni aun con dispositivos microscópicos. Yo he elegido la palabra átomo para representar estas últimas partículas ... +

b) Los átomos son invariables. Los átomos de los diferentes elementos *nunca pueden transformarse los unos en los otros por ninguna potencia que podamos controlar+, tal como el fallo de la alquimia había manifestado claramente. Ensayos continuos habían demostrado que la transmutación de elementos era imposible obtenido de un modo semejante a la deducción de un postulado de impotencia la ley de conservación de la energía a partir del fracaso de la obtención del móvil perpetuo.

c) Los compuestos están formados por moléculas. Los compuestos químicos están formados por la combinación de átomos de dos o más elementos en *átomos compuestos+, o moléculas que es como ahora llamamos a las partículas más pequeñas de un compuesto.

*A la última partícula de ácido carbónico le llamaré átomo compuesto. Ahora bien, aunque este átomo pueda dividirse, cesará entonces de ser ácido carbónico, resolviéndose, por división, en carbón y oxígeno. Por ello, considero que no hay inconsistencia al hablar de átomos compuestos y que mi significado no puede quedar confuso.+

Aunque estamos tentados a pensar en las partículas de los compuestos o moléculas, formadas por dos o más átomos, y las ideas de Dalton (como veremos en seguida) conducen a la misma impresión, él no tuvo esta concepción. En su lugar, pensaba que el átomo compuesto era esencialmente redondo o *globular% de modo que los centros de los átomos que se combinaban estaban *retenidos en contacto físico por una fuerte afinidad y se suponían rodeados por una atmósfera común de calor+. (Véase fig. l.)

 

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Fig. 1 Del libro de notas de Dalton. Arriba: dos átomos elementales, tal como existirían en una mezcla gaseosa. Las líneas rectas indican la región de( calórico alrededor de cada masa central. Debajo: una molécula de un compuesto formado por dos átomos en íntimo contacto rodeados por una atmósfera de calórico casi esférica. (Reproducido por Roscoe y Harden.)

En el ejemplo concreto de la formación de agua decía que *debería suponerse que cada partícula de hidrógeno se adhiere a una partícula de oxígeno y las dos partículas así unidas forman una, de la cual emana la energía repulsiva (por una redistribución del calórico combinado); as!, el nuevo fluido elástico puede perfectamente obedecer la ley de Newton ... +.

d) Todos los átomos o moléculas de una sustancio pura son idénticos.

*Las últimas partículas de todos los cuerpos homogéneos son perfectamente semejantes en peso, figura, etc. En otras palabras, todas las partículas de hidrógeno son iguales entre si ... +

Aquí Dalton simplificaba más que los primitivos atomistas, que consideraban átomos de diferentes dimensiones, en un mismo elemento, del mismo modo, que dos guijarros de la misma materia pueden tener diferentes dimensiones y forma.

e) En las reacciones químicas, los átomos ni se crean ni se destruyen, solamente cambia su distribución.

*El análisis químico y la síntesis no pueden ir más allá de la separación de las partículas unas de otras, ni de su reunión. Ninguna nueva creación o destrucción de la materia está dentro del alcance de los agentes químicos. Podríamos intentar introducir un nuevo planeta en el sistema solar o aniquilar uno ya existente, lo mismo que crear o destruir una partícula de hidrógeno. Todos los cambios que podemos producir consisten en la separación de partículas que están en estado de cohesión o combinación y en la unión de aquellas que previamente estaban distanciadas.+

Aquí encontramos, por fin, una imagen física sorprendentemente simple para explicar la ley de conservación de la masa que Lavoisier había postulado y demostrado experimentalmente años atrás.

4. Símbolos de Dalton para la representación de los átomos


Hemos descrito un pasaje en el cual se representa, gráficamente, la combinación de hidrógeno y oxígeno dando vapor de agua. Para éste y otros casos inventó Dalton representaciones gráficas simples pero ingeniosas, como muestra la figura 2. Los alquimistas habían representado las distintas sustancias por diferentes símbolos, pero en las gráficas de Dalton se representaban los átomos individuales. Sin embargo, obsérvese que en la fig. 2 algunos de los primeros veinte símbolos no representan los átomos de los elementos, sino moléculas de los compuestos, tal como Dalton las entendía. Por ejemplo, los símbolos 9 y 10 que corresponden a la sosa y a la potasa eran conocidos por Dalton a través de un trabajo de Davy del mismo año (1808) como *óxidos metálicos+ (realmente hidróxidos metálicos).

Como haremos cierto uso de estos símbolos históricos, destacaremos los correspondientes a los compuestos. Por ejemplo, el 21 representa una molécula de agua que Dalton consideraba era un compuesto binario constituido por un átomo de hidrógeno y uno de oxígeno; el número 22 representa una molécula de amoniaco, cuyos átomos constituyentes son: *uno de azoe (nombre dado entonces al nitrógeno) y uno de hidrógeno+; el 23 representa un átomo de gas nitroso (ahora llamado óxido nítrico), compuesto de un átomo de azoe y otro de oxígeno; el 24 era el símbolo de Dalton para lo que ahora llamamos metano; y el 25 el monóxido de carbono, entonces llamado *óxido carbónico+. Entre los compuestos ternarios (que tienen tres átomos por molécula), figura el 26, óxido nitroso, aún llamado así, aun que es más familiar el nombre de *gas hilarante+; el 27 es un átomo compuesto de *ácido nítrico+, más tarde denominado molécula de dióxido de nitrógeno; el 28 es el *ácido carbónico+, llamado ahora dióxido de carbono. De la misma manera, Dalton representaba otros compuestos que sabia contenían más de tres átomos elementales, los cuaternarios, quinquenarios, etc.

 

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Fig. 2 Símbolos de Dalton para átomos elementales y compuestos tomados de su trabajo A New System of Chemical Philosophy, Parte I. Dalton escribe: *Esta lámina contiene las marcas arbitrarias o signos elegidos para representar los diversos elementos químicos o últimas partículas Los nombres modernos para los primeros átomos son: 1, hidrógeno 2, nitrógeno; 3, carbono; 4, oxígeno; 5, fósforo; 6, azufre.

En la actualidad, utilizaremos otros símbolos que son los que introdujo en 1819 el químico sueco Berzelius. Para representar la sustancia se utilizan letras. Hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, carbono y cloro se representan, respectivamente, por H, 0, N, C, y Cl (la lista completa de todos los elementos puede verse en cualquier apendice de un libro de química básica) y los compuestos se representan uniendo los símbolos respectivos de los elementos. Por ejemplo, el ácido clorhídrico se representa por HCl y el dióxido de carbono por C02 .

Una reacción química por ejemplo la combustión de carbono (formación de dióxido de carbono), podría darse de una de las maneras siguientes, la primera es la de Dalton y la última corresponde al convenio actual:

 

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