Un
primer aspecto del conocimiento químico fue conocer la relación entre
las cantidades de los cuerpos que intervienen en una reacción pasando de
lo meramente cualitativo a lo cuantitativo. El
descubrimiento de la balanza y su aplicación sistemática al estudio de
las transformaciones químicas por LAVOISIER dio lugar al descubrimiento de las leyes de las
combinaciones químicas y al establecimiento de la química como ciencia.
Ley de la conservación de la
masa
(o de Lavoisier).
La masa de un sistema permanece invariable cualquiera
que sea la transformación que ocurra dentro de él;
esto
es, en términos químicos,
la
masa de los cuerpos reaccionantes es igual a la masa de los productos de
la reacción.
Esta
ley se considera enunciada por LAVOISIER, pues
si bien era utilizada como hipótesis de trabajo por los químicos
anteriores a él se debe a LAVOISIER
su
confirmación y generalización. Un ensayo riguroso de esta ley fue
realizado por LANDOLT en 1893-1908, no encontrándose diferencia
alguna en el peso del sistema antes y después de verificarse la reacción,
siempre que se controlen todos los reactivos y productos.
La ley de la conservación de la materia no es absolutamente exacta. La
teoría de la relatividad debida a EINSTEIN
ha eliminando él dualismo existente en la física clásica entre la
materia ponderable y la energía imponderable. En la física actual, la
materia y la energía son de la misma esencia, pues no sólo la energía
tiene un peso, y por tanto una masa, sino que la materia es una forma de
energía que puede transformarse en otra forma distinta de energía. La
energía unida a una masa material es E =
mc2 en donde E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz
En
una transformación de masa en energía o recíprocamente, la relación
entre ambas variaciones es, análogamente,
DE
= Dm.c2
La
letra griega D (delta) indica variación o incremento (positivo o negativo) de la
magnitud a que antecede.
La
relación entre masa y energía da lugar a que la ley de la conservación
de la materia y la ley de la conservación de la energía no sean leyes
independientes, sino que deben reunirse en una ley única de la conservación
de la masa-energía.
No obstante, las dos leyes pueden aplicarse separadamente con la
sola excepción de los procesos nucleares. Si en una reacción química se
desprenden 100000 calorías la masa de los cuerpos reaccionantes disminuye
en 4,65 10-9 g, cantidad totalmente inobservable.
Ley de las
proporciones definidas
(o de Proust).
Cuando dos o
más elementos se combinan para formar un determinado compuesto lo hacen
en una relación en peso constante
independientemente del proceso seguido para formarlo.
Esta ley también se puede enunciar desde otro punto de vista
Para
cualquier muestra pura de un determinado compuesto los elementos que lo
conforman mantienen una proporción fija en peso, es decir, una proporción
ponderal constante.
Así, por ejemplo, en el agua
los gramos de hidrógeno y los gramos de oxígeno están siempre en la
proporción 1/8, independientemente del origen del agua.
Estos
delicados análisis fueron realizados sobre todo por el químico sueco
BERZELIUS (1779 - 1848). No obstante, será el francés PROUST, en 1801,
quien generalice el resultado enunciando la ley a la que da nombre.
La
ley de las proporciones definidas no fue inmediatamente aceptada al ser
combatida por BERTHOLLET,
el cual,
al establecer que algunas reacciones químicas son limitadas, defendió la
idea de que la composición de los compuestos era variable. Después, de
numerosos experimentos pudo reconocerse en 1807 la exactitud de la ley de
Proust. No obstante, ciertos compuestos sólidos muestran una ligera
variación en su composición, por lo que reciben el nombre de «berthóllidos».
Los compuestos de composición fija y definida reciben el nombre de «daltónidos»
en honor de DALTON.
Ley
de las proporciones múltiples
(o
de Dalton).
Las
cantidades de un mismo elemento que se unen con una cantidad fija de otro
elemento para formar en cada caso un compuesto distinto están en la
relación de números enteros sencillos.
La
ley de Proust no impide que dos o más elementos se unan en varias
proporciones para formar varios compuestos.
Así, por ejemplo, el oxígeno y el cobre se unen en dos proporciones y
forman dos óxidos de cobre que contienen 79,90 % y 88,83 % de cobre. Si
calculamos la cantidad de cobre combinado con un mismo peso de oxígeno,
tal como 1g, se obtiene en cada caso:
Las
dos cantidades de cobre son, muy aproximadamente, una doble de la otra y,
por tanto, los pesos de cobre que se unen con un mismo peso de oxígeno
para formar los dos óxidos están en la relación de 1 es a 2.
El enunciado de la ley de las proporciones múltiples se debe a DALTON, en 1803 como resultado de su teoría atómica y es establecida y
comprobada definitivamente para un gran número de compuestos por BERZELIUS en sus meticulosos estudios de análisis de los mismos.
Ley
de las proporciones recíprocas (0 de Richter).
Los
pesos de diferentes elementos que se combinan con un mismo peso de un
elemento dado, dan la relación
de
pesos de estos
Elementos cuando se combinan entre sí o bien múltiplos o submúltiplos
de estos pesos.
Así,
por ejemplo, con 1g de oxígeno se unen: 0,1260
g de hidrógeno, para formar agua; 4,4321 g de
cloro, para formar anhídrido hipocloroso; 0,3753 g de carbono para formar
gas carbónico, 1,0021 g de azufre, para formar gas sulfuroso, y
2,5050 g de calcio, para formar óxido cálcico. Pero los elementos
hidrógeno, cloro, carbono, azufre y calcio pueden a su vez combinarse
mutuamente y cuando lo hacen se encuentra, sorprendentemente,
que estas cantidades, multiplicadas
en algún caso por números enteros sencillos, son las que se unen
entre sí para formar los correspondientes compuestos
Esta
ley llamada también de las proporciones equivalentes fue esbozada por
RICHTER en 1792 y completada varios años más tarde por WENZEL.
La
ley de las proporciones recíprocas conduce a fijar a cada elemento un
peso relativo de combinación, que es el peso del mismo que se une con un
peso determinado del elemento que se toma como tipo de referencia.
Al
ser el oxígeno el elemento que se combina con casi todos los demás se
tomó inicialmente como tipo 100 partes en peso de oxígeno; la cantidad en
peso de cada elemento que se combinaba con estas 100 partes en peso de oxígeno
era su peso de combinación. El menor peso de combinación que así se
encontraba era el del hidrógeno, por lo que fue natural tomar como base
relativa de los pesos de combinación de los elementos el valor 1
para el hidrógeno; en esta escala el oxígeno tiene el valor 7,9365
(según las investigaciones últimamente realizadas) y otros elementos
tienen también valores algo inferiores a números enteros. Pero puesto
que el hidrógeno se combina con muy pocos elementos y el peso de
combinación de éstos tenía que encontrarse en general a partir de su
combinación con el oxígeno, se decidió finalmente
tomar nuevamente el oxígeno como base de los pesos de combinación
redondeando su peso tipo a 8,000; el del hidrógeno resulta ser igual a
1,008 y el de varios elementos son ahora números aproximadamente enteros.
Estos
pesos de combinación se conocen hoy como pesos
equivalentes.
El peso equivalente de un elemento (o compuesto) es la cantidad del
mismo que se combina o reemplaza -equivale
químicamente- a 8,000 partes de
oxígeno o 1,008 partes de hidrógeno. Se denomina también equivalente
químico.
Debido
a la ley de las proporciones múltiples algunos elementos tienen varios
equivalentes.
Ley
de los volúmenes de combinación
(0
de Gay- lussac).
Muchos
de los elementos y compuestos son gaseosos, y puesto que es más sencillo
medir un volumen que un peso de gas era natural se estudiasen las
relaciones de volumen en que los gases se combinan.
En cualquier
reacción química los volúmenes de todas las substancias gaseosas que
intervienen en la misma,
medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura,
están en una relación de números enteros sencillos.
GAY-LUSSAC formuló en 1808 la ley de los volúmenes de combinación que lleva su nombre.
Al
obtener vapor de agua a partir de los elementos (sustancias elementales)
se había encontrado que un volumen de oxígeno se une con dos volúmenes
de hidrógeno formándose dos volúmenes de vapor de agua; todos los volúmenes
gaseosos medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura.
Esta relación sencilla entre los volúmenes de estos cuerpos gaseosos
reaccionantes no era un caso fortuito pues GAY-LUSSAC mostró que se cumplía
en todas las reacciones en que intervienen gases tal como muestran los
esquemas siguientes:
GAY-LUSSAC observó que el volumen de la combinación gaseosa
resultante era inferior o a lo más igual a la suma de los volúmenes de
las substancias gaseosas que se combinan.
La
ley no se aplica a la relación
entre los volúmenes de los cuerpos sólidos y líquidos reaccionantes tal
como el volumen de azufre que se une
con el oxígeno para formar anhídrido sulfuroso.
