2.5.1: Biología- Agua

Se suelen aplicar dos criterios a cualquier teoría. Primero, ¿concuerda con hechos que ya se conocen? Segundo, ¿predice nuevas relaciones y estimula la observación y experimentación adicionales? La teoría atómica de Dalton fue capaz de hacer ambas cosas. Fue especialmente útil para tratar datos sobre las masas de diferentes elementos que estaban involucrados en compuestos químicos o reacciones químicas.

Para probar una teoría, primero la usamos para hacer una predicción sobre el mundo macroscópico. Si la predicción concuerda con los datos existentes, la teoría pasa la prueba. Si no lo hace, la teoría debe ser descartada o modificada. Si no se dispone de datos, entonces se debe hacer más investigación. Eventualmente los resultados de nuevos experimentos pueden compararse con las predicciones de la teoría. Un sello distintivo de una teoría científica es que sugiere pruebas que pueden falsificar la teoría. Las teorías no científicas no lo hacen. Por ejemplo, la teoría del Diseño Inteligente (ID) propone que el mundo fue creado por un diseñador inteligente, pero no propone pruebas de esa afirmación. Es una teoría, pero no una teoría científica.

Varios ejemplos de este proceso de prueba de una teoría contra los hechos son proporcionados por la obra de Dalton. Por ejemplo, el postulado 3 de la Teoría Atómica de Dalton establece que los átomos no se crean, destruyen o cambian en una reacción química. El postulado 2 dice que los átomos de un elemento dado tienen una masa característica: Por deducción lógica, entonces, deben aparecer números iguales de cada tipo de átomo en los lados izquierdo y derecho de ecuaciones químicas como

O ₂ (g) + 2 H ₂ (g) → 2 H ₂ O (l) (1)

y la masa total de los reactivos debe ser igual a la masa total de los productos. La teoría atómica de Dalton predice la ley experimental de conservación de la masa de Lavoisier.

Una segunda predicción de la teoría atómica es un poco más compleja. Un compuesto se compone de moléculas, cada una de las cuales contiene un cierto número de cada tipo de átomo. No importa cómo, cuándo, o dónde se haga un compuesto, sus moléculas siempre serán las mismas. Así, las moléculas de agua siempre tienen la fórmula H ₂ O. No importa cuánto tengamos o de dónde provenga el compuesto, siempre habrá el doble de átomos de hidrógeno que los átomos de oxígeno. Dado que cada tipo de átomo tiene una masa característica, la masa de un elemento que se combina con una masa fija del otro debe ser siempre la misma. En agua, por ejemplo, si cada átomo de oxígeno es 15.873 veces más pesado que un átomo de hidrógeno, la relación de masas sería

\[\dfrac{\text{mass of 1 O atom}}{\text{mass of 2 H atoms}}= \dfrac{\text{15.873 x mass of 1 H atom}}{\text{2 x mass of 1 H atom}} \nonumber \]

y cancelando “masa de 1 átomo H” en el numerador y denominador obtenemos

\[\dfrac{\text {15.873}}{2} = \dfrac{7.937}{1} \nonumber \]

No importa cuántas moléculas de agua tengamos, cada una tiene la misma proporción de oxígeno, por lo que cualquier muestra de agua debe tener 7.937 veces más oxígeno que hidrógeno. Acabamos de derivar la ley de la composición constante, a veces llamada la ley de proporciones definidas. Cuando los elementos se combinan para formar un compuesto, siempre lo hacen exactamente en la misma proporción de masas. Esta ley había sido postulada en 1799 por el químico francés Proust (1754 a 1826) cuatro años antes de que Dalton propusiera la teoría atómica, y su derivación lógica de la teoría contribuyó a la aceptación de esta última. La ley de la composición constante hace el punto importante de que la composición y otras propiedades de un compuesto puro son independientes de quién lo preparó o de dónde vino. Se puede esperar que el dióxido de carbono que se encuentra en Marte, por ejemplo, tenga la misma composición que el de la Tierra, mientras que la vitamina C natural extraída y purificada de escaramujos tiene exactamente la misma composición que la vitamina C sintética preparada por una compañía farmacéutica. La pureza absoluta es, sin embargo, un límite ideal al que solo podemos acercarnos, y las propiedades de muchas sustancias pueden verse afectadas por la presencia de cantidades muy pequeñas de impurezas.

De la teoría atómica se puede deducir una tercera ley de composición química. Se trata de la situación en la que dos elementos pueden combinarse de más de una manera, formando más de un compuesto. Por ejemplo, el hidrógeno y el oxígeno forman otro compuesto, el peróxido de hidrógeno, modelado aquí:

Se trata de un modelo “Jmol”. Si coloca el puntero del mouse sobre la molécula, mantiene pulsada la tecla izquierda del mouse y mueve el mouse, puede rotar el modelo para obtener una perspectiva 3D. Los átomos de oxígeno son rojos, gris hidrógeno.

El peróxido de hidrógeno es un líquido azul pálido que congela apenas 0.4 ^o C por debajo de 0 ^o, hierve a 150.2 ^o C, y es ligeramente más viscoso que el agua. Se utiliza en solución acuosa al 3% como antiséptico (se usa para desinfectar gabinetes de seguridad biológica) y agente blanqueador. El peróxido de hidrógeno puro es un oxidante peligroso, utilizado en motores de cohetes, que quema la piel incluso en soluciones de agua al 10%. Sorprendentemente, se produce naturalmente en organismos como subproducto del metabolismo del oxígeno. Casi todos los seres vivos poseen enzimas conocidas como peroxidasas, que rápidamente descomponen catalíticamente bajas concentraciones de peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno.

Del modelo molecular del peróxido de hidrógeno, se puede ver fácilmente que su fórmula química es H ₂ O ₂. (Dado que hay dos átomos de cada tipo en la molécula, sería incorrecto escribir la fórmula como HO). El peróxido de hidrógeno no se puede sintetizar directamente por la reacción del hidrógeno y el oxígeno, y se descompone en agua y oxígeno:

2 H ₂ O ₂ (aq) → 2 H ₂ O (l) + O ₂ (g) (2)

De las fórmulas H ₂ O y H _{2 O 2} podemos ver que el agua tiene solo 1 átomo de oxígeno por cada 2 hidrógenos, mientras que el peróxido de hidrógeno tiene 2 átomos de oxígeno por cada 2 hidrógenos. Así, para un número dado de átomos de bromo, el peróxido de hidrógeno siempre tendrá el doble de átomos de oxígeno que el agua. Nuevamente usando el postulado 2 de la Teoría Atómica de Dalton, los átomos tienen masas características, por lo que un número dado de átomos de hidrógeno corresponde a una masa fija de hidrógeno. El doble de átomos de oxígeno corresponden al doble de la masa de oxígeno.

Por lo tanto podemos decir que para una masa dada de hidrógeno, el peróxido de hidrógeno contendrá el doble de la masa de oxígeno que el agua.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Mass Ratio

Dado que la masa de un átomo de oxígeno es 7.937 veces la masa de un átomo de hidrógeno, calcular la relación másica de oxígeno a hidrógeno en peróxido de hidrógeno.

Solución La fórmula H ₂ O ₂ nos dice que hay 2 átomos de oxígeno y 2 átomos de hidrógeno en cada molécula. Por lo tanto, la relación de masa es

\[\dfrac{\text{mass of 2 O atoms}}{\text{mass of 2 H atoms}}= \dfrac{\text{2 x 15.873 x mass of 1 H atom}}{\text{2 x mass of 1 H atom}} \nonumber \]

y nuevamente cancelando “masa de 1 átomo H” en el numerador y denominador obtenemos

\[\dfrac{\text {2 x 15.873}}{2} = \dfrac{15.873}{1} \nonumber \]

Tenga en cuenta que la masa de oxígeno por unidad de masa de hidrógeno es el doble de la calculada anteriormente para el agua.

El razonamiento y los cálculos anteriores ilustran la ley de múltiples proporciones. Cuando dos elementos forman varios compuestos, la relación de masa en un compuesto será un pequeño múltiplo de número entero de la relación de masa en otro. En el caso del agua y el peróxido de hidrógeno, las relaciones másicas de mercurio a bromo son 7.937 y 15.873, respectivamente. El segundo valor es un pequeño múltiplo de número entero de (2 veces) el primero.

Hasta que se propuso la teoría atómica, nadie había esperado que existiera relación alguna entre las relaciones másicas en dos o más compuestos que contenían los mismos elementos. Debido a que la teoría predecía tales relaciones, Dalton y otros químicos comenzaron a buscarlas. En poco tiempo, se acumuló una gran cantidad de pruebas experimentales para demostrar que la ley de múltiples proporciones era válida. Así, la teoría atómica pudo dar cuenta de hechos y leyes previamente conocidos, y también predijo una nueva ley. En el proceso de verificar esa predicción, Dalton y sus contemporáneos hicieron muchos experimentos cuantitativos adicionales. Estos llevaron a más hechos, más leyes y, eventualmente, teorías nuevas o modificadas. Esta característica de estimular más investigación y pensamiento puso los postulados de Dalton en la distinguida compañía de otras buenas teorías científicas.

De ChemPrime: 2.4: Probando la Teoría Atómica