Hipótesis de Avogadro

Universidad de San Carlos de Guatemala

Escuela de Formación de Profesores de Enseñanza Media, EFPEM

Licenciatura en Enseñanza de la Física y la Matemática

Curso: Física 4

Catedrático: Ing. Hugo Oswaldo Salazar Hernández

Auxiliar: PEM Sandra Jeannette Baldizón Díaz

Hipótesis de Avogadro

Introducción al concepto de “molécula”:

A principios del siglo XIX en países del centro, sur y oeste de Europa se estaban realizando numerosos experimentos con las sustancias químicas que se iban descubriendo.

Hasta ese entonces se sabía que algunos gases podían existir en forma pura como el hidrógeno, el oxígeno, el cloro, el flúor y el nitrógeno.  A este tipo de sustancias de ahora en adelante se les llamaría “elementos”.

Mientras que otros, como el agua, el ácido clorhídrico, el ácido sulfúrico, el metano, el propano, el butano, etc., resultaban de la combinación de dos o más elementos.  A este tipo de sustancias se les llamaría “compuestos”.

Entre los compuestos más famosos estaban el agua, que resultaba de combinar oxígeno con hidrógeno.  

Otro compuesto era metano, que resultaba de combinar carbono con hidrógeno.  

Y también tenemos el amoniaco, de la combinación de nitrógeno e hidrógeno.  

O bien, podemos mencionar al ácido sulfúrico, de la combinación de azufre, hidrógeno y oxígeno.

Sin embargo, aún no se tenía una idea clara sobre lo que sucedía en esos experimentos a nivel microscópico.

Para explicar la formación de compuestos a partir de elementos, el químico italiano Avogadro se basó primeramente en las ideas del atomismo que Demócrito, Leucipo y Dalton ya habían formulado, e introdujo el concepto de “molécula”.  

Según él todos los gases están hechos de unas pequeñas partículas llamadas “moléculas”, y que algunas moléculas están hechas de un solo átomo, otras de dos, otras de tres, etc.  

Debemos argumentar, en este instante que el término “molécula” se aplicó originalmente solo a gases.  Hoy en día sabemos que muchos materiales líquidos y sólidos también presentan estructura molecular.  También le advertimos al estudiante que algunas moléculas no son tan simples como creía Avogadro, pues hoy sabemos que ciertas moléculas pueden llegar a tener cientos o miles de átomos.

La idea que había propuesto Avogadro, y que sería apoyada por muchos otros científicos después de su muerte sería:

Las moléculas son las entidades más fundamentales en que se puede constituir un gas determinado sin perder las propiedades químicas de tal sustancia.

En esta idea, si el gas llamado ácido clorhídrico es una combinación de cloro e hidrógeno, la molécula de ácido clorhídrico estaría formada por un cierto número de átomos de hidrógeno enlazados químicamente con un cierto número de átomos de cloro.  

Lo mismo sucedería con los otros gases.  Cuando uno o unos pocos átomos de nitrógeno se enlazan químicamente con uno o unos pocos átomos de hidrógeno, se forma una molécula de amoniaco.

Y de la misma forma: cuando una o unos pocos átomos de carbono, se enlazan químicamente con uno o unos pocos átomos de hidrógeno, se forma una molécula de metano.

Además de eso, si en un tanque hay solo hidrógeno, es posible que uno o unos pocos átomos de hidrógeno estén enlazados químicamente entre sí para formar una molécula de hidrógeno.

Y si tenemos un tanque de oxígeno, la hipótesis de Avogadro diría que uno o unos pocos átomos de oxígeno, estarían enlazados químicamente formando una molécula de oxígeno.

Entonces, la unidad fundamental de sustancia gaseosa sería la molécula. Por ende, las primeras ideas sobre la molécula dirían que:

Una molécula de hidrógeno puro está hecha solo de átomos de hidrógeno.

Una molécula de oxígeno puro está hecha solo de átomos de oxígeno.

Una molécula de vapor de agua está hecha de átomos de oxígeno e hidrógeno.

Una molécula de vapor de sodio está hecha solo de átomos de sodio.

Una molécula de ácido sulfúrico está hecha de átomos de azufre, oxígeno e hidrógeno.

Una molécula de ácido sulfhídrico está hecha de átomos de azufre e hidrógeno.

Una molécula de borano está hecha de átomos de boro e hidrógeno.

Y así sucesivamente.

Como este no es un curso de química, no vamos a entrar en detalle sobre la composición exacta de las moléculas.

Además, en el tiempo de Avogadro era imposible saber cuántos átomos de oxígeno se combinaban con cuántos átomos de hidrógeno para formar una molécula de agua.  Ya que la estructura interna de las moléculas empezó a ser explorada casi un siglo después, hasta el descubrimiento de los rayos X, pero esa, es otra historia.

Introducción al concepto de “mol”:

Avogadro siguió experimentando con gases, y sus experimentos fueron mejorados después de su muerte.

Se dieron cuenta de algo muy curioso:

Primero combinó 1L de cloro con 1L de hidrógeno y obtuvo aproximadamente 1L de ácido clorhídrico,  ¡en lugar de obtener los 2L esperados!.

Ello parecía desafiar a la misma lógica.

Se repitió un experimento parecido con 1L de fósforo y 1L de oxígeno y obtuvo también un volumen cercano a 1L de óxido de fósforo, en lugar de 2L de dicho compuesto.

La siguiente postulación de Avogadro diría que: si dos o más gases están a la misma presión, volumen y temperatura, ambos recipientes contienen la misma cantidad de moléculas.

Por ejemplo, si tenemos los recipientes A, B y C, a la misma presión, volumen y temperatura.  Imagínese que el A contiene oxígeno, el B contiene hidrógeno, el C contiene vapor de agua.  Si dijéramos que en el recipiente A hay 1000 moléculas de oxígeno, entonces en el B hay 1000 moléculas de hidrógeno, y en el C hay 1000 moléculas de agua.

Los químicos convinieron en que una cantidad de gas que ocupara 22.4L de volumen, a 1atm de presión y a 0oC (condiciones TPE= temperatura y presión estándar) contenían una cantidad fija de cada gas.  A esa cantidad de gas se le llamaría “un mol de gas”.   Por ejemplo, en una cámara con un volumen de 22.4L de oxígeno en condiciones TPE contendrían un mol de oxígeno.  Lo mismo sucedería con todos los otros gases.

Una cámara conteniendo 22.4L de hidrógeno en condiciones TPE, tendría “1 mol de hidrógeno”.

Una cámara conteniendo 22.4L de metano en condiciones TPE, contendría “1 mol de metano”.

Debemos aclarar aquí que el valor 22.4 es un promedio, ya que muchos los gases reales ocupan volúmenes cercanos a ese dato, en tanto que hay otros que se alejan de él.  Se podría decir que el 22.4 es una especie de “promedio” de varios gases reales.

Lo que nos importa realmente en este curso es que Avogadro pensaba que, para cualquiera de esos gases antes mencionados, y otros muchos, cuando se les confinaba dentro de un recipiente de 22.4L de volumen, en condiciones TPE, la cantidad de gas allí contenida se le llamaría: 1 mol de dicha sustancia o de dicho gas.

Entonces, en un recipiente con dicho volumen, presión y temperatura señaladas habría:

1 mol de hidrógeno (molecular)

1 mol de oxígeno (molecular)

1 mol de agua

1 mol de ácido sulfúrico

1 mol de ácido sulfhídrico

1 mol de borano, etc.

Y la idea de Avogadro es que si las moléculas se podían contar, tal como contamos lápices, árboles y personas, en 1 mol de cualquiera de las sustancias mencionadas, todas tenían la misma cantidad de moléculas.

Debido a que las moléculas son muy pequeñas usted tendría que pasar mucho tiempo enumerando molécula por molécula:

“1 molécula, 2 moléculas, 3 moléculas…….400 moléculas, 401 moléculas, 402 moléculas,……………80000000 moléculas……….”

¡Posiblemente usted pasaría el resto de su vida contando la cantidad total de moléculas que hay en 1 sola mol!.

La cantidad de moléculas que estarían presentes en cada mol de gas se le llamaría después un “Número de Avogadro” (NA), la cual según el científico italiano “era una cantidad muy grande pero no infinita”.

Lastimosamente, Avogadro murió sin saber a ciencia cierta cuánto era el famoso número del que tanto había hablado.

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