Historia de la estequiometria I

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La estequiometría es el cálculo de reactantes y productos en las reacciones químicas. A pesar de ser uno de los pilares fundamentales de las ciencias químicas, el desarrollo del concepto de estequiometria fue un proceso largo y complejo, aunando múltiples descubrimientos y esfuerzos de muchos científicos.

La estequiometría se basa en la ley de conservación de la masa, según la cual la masa total de los reactantes es igual a la masa total de los productos, lo que lleva a la idea de que las relaciones entre las cantidades de reactantes y productos suelen formar una relación de números enteros positivos.


Esto significa que, si se conocen las cantidades de los reactantes por separado, se puede calcular la cantidad del producto. A la inversa, si un reactante tiene una cantidad conocida y la cantidad de los productos puede determinarse empíricamente, entonces también puede calcularse la cantidad de los otros reactantes.

La conservación de la masa

En física y química, la ley de conservación de la masa o principio de conservación de la masa establece que, para cualquier sistema cerrado a todas las transferencias de materia y energía, la masa del sistema debe permanecer constante a lo largo del tiempo, ya que la masa del sistema no puede cambiar, por lo que no se puede añadir ni quitar cantidad. Por tanto, la cantidad de masa se conserva en el tiempo.

La ley implica que la masa no puede crearse ni destruirse, aunque pueda reordenarse en el espacio, o las entidades asociadas a ella puedan cambiar de forma. Por ejemplo, en las reacciones químicas, la masa de los componentes químicos antes de la reacción es igual a la masa de los componentes después de la reacción. Así, durante cualquier reacción química y procesos termodinámicos de baja energía en un sistema aislado, la masa total de los reactivos, o materiales de partida, debe ser igual a la masa de los productos.


Antecedentes

Una idea importante de la filosofía griega antigua era que «nada viene de la nada», de modo que lo que existe ahora siempre ha existido: no puede surgir materia nueva donde antes no la había. Una declaración explícita de esta idea, junto con el principio adicional de que nada puede pasar a la nada, se encuentra en Empédocles (c. siglo IV a.C.): «Porque es imposible que algo surja de lo que no es, y no se puede producir ni oír que lo que es se destruya por completo».

Otro principio de conservación fue enunciado por Epicuro hacia el siglo III a.C., quien, al describir la naturaleza del Universo, escribió que «la totalidad de las cosas siempre fue tal como es ahora, y siempre será».

La filosofía jainista, una filosofía no creacionista basada en las enseñanzas de Mahavira (siglo VI a.C.), afirma que el universo y sus componentes, como la materia, no pueden ser destruidos ni creados. El texto jainista Tattvarthasutra (siglo II d.C.) afirma que una sustancia es permanente, pero sus modos se caracterizan por la creación y la destrucción. Un principio de conservación de la materia fue también enunciado por Nasīr al-Dīn al-Tūsī (alrededor del siglo XIII d.C.). Escribió que «Un cuerpo de materia no puede desaparecer por completo. Sólo cambia su forma, estado, composición, color y otras propiedades y se convierte en un complejo o materia elemental diferente».

Los químicos interpretan la materia

En el siglo XVIII, el principio de conservación de la masa durante las reacciones químicas se utilizaba ampliamente y era una suposición importante durante los experimentos, incluso antes de que se estableciera formalmente una definición, como se puede ver en los trabajos de Joseph Black, Henry Cavendish y Jean Rey.

Mijaíl Lomonosov o Mikhail Lomonosov, Científico y polímata ruso
Mijaíl Lomonosov o Mikhail Lomonosov, Científico y polímata ruso

El primero en esbozar el principio fue Mijaíl Lomonosov en 1756. Es posible que lo demostrara mediante experimentos y ciertamente había discutido el principio en 1748 en correspondencia con Leonhard Euler, aunque su afirmación sobre el tema es a veces cuestionada. Según el físico soviético Yakov Dorfman


La ley universal fue formulada por Lomonosov sobre la base de consideraciones filosóficas materialistas generales, nunca fue cuestionada ni puesta a prueba por él, sino que, por el contrario, le sirvió como sólida posición de partida en todas las investigaciones a lo largo de su vida.

Posteriormente, Antoine Lavoisier llevó a cabo una serie de experimentos más refinados y expresó su conclusión en 1773 y popularizó el principio de conservación de la masa. Las demostraciones del principio refutaron la entonces popular teoría del flogisto, que afirmaba que la masa podía ganarse o perderse en los procesos de combustión y calor.

Retrato de Lavoisier
Retrato de Antoine Lavoisier, uno de los padres de la ley de conservación de la masa

La conservación de la masa fue oscura durante milenios debido al efecto de flotación de la atmósfera terrestre sobre el peso de los gases. Por ejemplo, un trozo de madera pesa menos después de quemarse; esto parecía sugerir que parte de su masa desaparece, se transforma o se pierde. Esto no se desmintió hasta que se realizaron cuidadosos experimentos en los que se dejaba que se produjeran reacciones químicas, como la oxidación, en ampollas de vidrio selladas; se comprobó que la reacción química no modificaba el peso del recipiente sellado ni de su contenido. El pesaje de los gases mediante balanzas no fue posible hasta la invención de la bomba de vacío en el siglo XVII.

Una vez comprendida, la conservación de la masa fue de gran importancia para el progreso de la alquimia a la química moderna. Una vez que los primeros químicos se dieron cuenta de que las sustancias químicas nunca desaparecían, sino que sólo se transformaban en otras sustancias con el mismo peso, estos científicos pudieron por primera vez embarcarse en estudios cuantitativos de las transformaciones de las sustancias.


La idea de la conservación de la masa, más la conjetura de que ciertas «sustancias elementales» tampoco podían transformarse en otras mediante reacciones químicas, condujo a su vez a la comprensión de los elementos químicos, así como a la idea de que todos los procesos y transformaciones químicas (como la combustión y las reacciones metabólicas) son reacciones entre cantidades o pesos invariables de estos elementos químicos.

Tras los trabajos pioneros de Lavoisier, los exhaustivos experimentos de Jean Stas apoyaron la consistencia de esta ley en las reacciones químicas, aunque se realizaran con otras intenciones. Sus investigaciones indicaron que en ciertas reacciones la pérdida o la ganancia no podían ser más de 2 a 4 partes por cada 100.000. La diferencia en la exactitud pretendida y alcanzada por Lavoisier, por un lado, y por Morley y Stas, por otro, es enorme.

La conservación de la masa más allá de la química

La ley de la conservación de la masa se puso en duda con la llegada de la relatividad especial. En uno de los artículos del Annus Mirabilis de Albert Einstein en 1905, sugirió una equivalencia entre masa y energía. Esta teoría implicaba varias afirmaciones, como la idea de que la energía interna de un sistema podía contribuir a la masa de todo el sistema, o que la masa podía convertirse en radiación electromagnética.

Sin embargo, como señaló Max Planck, un cambio en la masa como resultado de la extracción o adición de energía química, tal y como predice la teoría de Einstein, es tan pequeño que no podría medirse con los instrumentos disponibles y no podría presentarse como una prueba a la relatividad especial. Einstein especuló con que las energías asociadas a la radiactividad recién descubierta eran lo suficientemente significativas, en comparación con la masa de los sistemas que las producían, como para poder medir su cambio de masa, una vez que la energía de la reacción había sido eliminada del sistema. Más tarde se demostró que esto era posible, aunque finalmente fue la primera reacción de transmutación nuclear artificial en 1932, demostrada por Cockcroft y Walton, la que probó con éxito la teoría de Einstein sobre la pérdida de masa con la pérdida de energía.

La ley de conservación de la masa y la ley análoga de conservación de la energía fueron finalmente absorbidas por un principio más general conocido como la equivalencia masa-energía. La relatividad especial también redefine el concepto de masa y energía, que pueden utilizarse indistintamente y son relativos al marco de referencia.


Para mantener la coherencia hubo que definir varias definiciones, como masa en reposo de una partícula (masa en el marco de reposo de la partícula) y masa relativista (en otro marco). Este último término suele utilizarse con menos frecuencia.

La ley de conservación de la masa y la estequiometria

Sin el principio básico de la conservación de la masa no hubiera sido posible cuantificar la cantidad de materia procedente de una reacción química ni comprender la estructura y propiedades de la materia, aunque este solo era el paso inicial para la cuantificación en las ciencias químicas. Para lograr estimar la cantidad de producto en una reacción es necesario conocer cómo se relacionan los reactivos con los productos y sus cantidades, esto es definido por la ley de proporciones definidas.

Para más información The Law of Conservation of Mass

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