Análisis del Texto “ The Atom and the Molecule” por Gilbert N. Lewis en la Construcción de la Teoría del Enlace Químico
Luisa Milena Casallas Florez
Licenciatura en Química - Universidad Pedagógica Nacional
¿Cómo se unen los átomos para formar compuestos? Es sin duda una de las tantas preguntas que los científicos se han cuestionado, de allí que a lo largo de la historia se hallan formulado distintas teorías al respecto, inicialmente se creía que los átomos conocidos como esferas rígidas poseían algo parecido a “ganchos” que les permitía unirse a otros átomos para formar moléculas, dicha teoría perduró por varios años, hasta que en 1897 el físico J.J Thomson en compañía de otros colaboradores descubrieron por medio de la experimentación con rayos catódicos la presencia de una nueva partícula subatómica, el electrón, tal hallazgo abre una nueva etapa para la ciencia y el átomo pasa de ser una partícula indivisible a estar compuesto por más partículas subatómicas. Aceptado el hecho de un modelo atómico de núcleo compuesto de una corteza electrónica, se extendió la idea de que seguramente los electrones son intermediarios en el enlace químico.
Uno de los personajes en postular una teoría de unión química fue el norteamericano Gilbert Newton Lewis (1875-1946) de quien se realiza el presente documento, dicha teoría fue desarrollada principalmente en tres artículos, el primero publicado en la Journal of the American Chemical Society en 1913 se titula “valencia y tautomería” en él Lewis hace mención a los términos “número de valencia” y “numero polar” los que más tarde se referirían a “valencia” y “numero de oxidación” respectivamente. Su segundo artículo, el más importante publicado también en la Journal of the American Chemical Society en 1916 y que tiene por título “El átomo y la molécula” y por el cual se le otorga mayor reconocimiento a Lewis, es un texto que recoge sus postulados en la creación de una teoría atómica basada en la ubicación de cero a ocho electrones en los vértices de un cubo. Por último, su tercer artículo es el texto pronunciado por él en la Faraday Society de Londres en 1923 publicado en el mismo año con el titulo " Conferencia introductoria: Valencia y el electrón" en él resume y aclara sus ideas de los artículos anteriores además de tocar el tema de los compuestos orgánicos.
De aquí en adelante se retomará el articulo más importante de Lewis con el fin de ilustrar el gran significado que tuvo este en la construcción de una teoría del enlace químico.
En dicho artículo segmentado en cuatro partes (distinción entre polar y no polares tipos, el átomo cubico, estructura de moléculas y el color de los compuestos químicos) Lewis explica la construcción de su teoría, inicialmente realiza una distinción entre las propiedades de las sustancias polares y no polares en este apartado destaca la movilidad e inmovilidad que poseen los electrones en cada tipo de sustancia a ese respecto argumenta,
"la diferencia esencial entre la molécula polar y la no polar es que, en la primera, uno o más electrones están sujetos a restricciones suficientemente débiles para que puedan separarse de sus posiciones anteriores en el átomo, y en el caso extremo pasan completamente a otro átomo, produciendo así en la molécula un bipolar o multipolar de alto momento eléctrico”
Tales restricciones están relacionadas con la naturaleza de la sustancia de modo tal que una molécula con mayor fijeza proporcionara una estructura de tipo orgánico y en casos en los que los electrones poseen una mayor libertad se conformaran estructuras de carácter inorgánico, de aquí que Lewis relacionara la ionización de las moléculas según su carácter,
“Así, en una molécula extremadamente polar, como la del cloruro de sodio, es probable que al menos en la gran mayoría de las moléculas el átomo de cloruro haya adquirido una carga negativa unitaria y, por lo tanto, el átomo de sodio una carga positiva unitaria, y que el proceso de la ionización consiste solamente en una separación adicional de estas partes cargadas”
Lewis propone que la polaridad depende de los componentes de las sustancias de modo tal que, si una sustancia orgánica está compuesta por átomos como nitrógeno u oxígeno, esta presentara en alguna parte de su estructura un momento polar que le permitirá ser atraída por otras moléculas de mayor actividad polar de forma tal que aumente el momento polar del nuevo compuesto y por ende aumente el momento eléctrico. Así,
“una molécula, o incluso parte de una molécula, puede pasar de un extremo al otro tipo, no por una variación brusca y discontinua, sino por gradaciones imperceptibles”.
El segundo apartado en el que explica la teoría del átomo cubico y con ello la estructura molecular, es de especial interés puesto que es aquí donde se evidencia la premisa en la consolidación de la teoría del enlace químico, pero antes de pasar a ello vale la pena analizar uno de los experimentos que permitieron a Lewis consolidar dicha teoría, se trata del espectro de rayos X atribuido al científico Moseley, a continuación se relaciona una rejilla de análisis que permite relacionar los criterios frente al experimento de Moseley y la teoría de Lewis.
Radiación
X/ Radiación Röntgen
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Difracción
/espectro
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Espectro/estructura
atómica
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La radiación X es un tipo de
radiación que al chocar bruscamente con el ánodo, los electrones emitidos por
el cátodo poseen la energía suficiente para vencer la repulsión eléctrica de
las capas exteriores de electrones de los átomos del elemento que está siendo
utilizado como recubrimiento del ánodo, “perforando” de alguna manera el
blindaje exterior de los átomos, pudiendo llegar hasta el interior del mismo
átomo para sacar uno de los electrones que están en las capas más cercanas al
núcleo del átomo, y al hacer tal cosa alguno de los electrones que está en
las capas superiores desciende para llenar el hueco, emitiendo de paso un
fotón de energía tan elevada que a diferencia de la luz visible posee la
capacidad de poder penetrar materiales sólidos y líquidos. Por su parte la
radiación Röntgen, predicha por la electrodinámica clásica cuando una carga
eléctrica es acelerada, entendiéndose por aceleración no sólo el cambio en la
velocidad de una partícula cuando se está moviendo siempre de frente en la
misma dirección sino también cuando está cambiando el sentido de
su movimiento experimentando con ello una aceleración de
tipo vectorial. De este modo, un electrón de alta energía que
impacta el interior de un átomo puede generar fotones de rayos-X no sólo a través
del proceso de expulsión de uno de los electrones más cercanos al núcleo del
átomo sino también por el solo hecho de que su trayectoria sea desviada por
el núcleo atómico sin que altere en su recorrido la estructura
electrónica del átomo que está atravesando.
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Los experimentos de los Bragg
permiten conocer la difracción lo cual es junto con la
interferencia un fenómeno típicamente ondulatorio. La difracción se
observa cuando se distorsiona una onda por un obstáculo cuyas dimensiones son
comparables a la longitud de onda, dichas difracciones se reflejan en un
espectro que en el caso de los rayos x se evidencian como puntos dispersos,
tales puntos dependiendo su localización en el átomo serán más notables o no
en el espectro.
El espectro de rayos X de Moseley
permitió fotografiar las difracciones de distintos elementos relacionándolo
con la longitud de onda, una vez que Barkla organizo los elementos según su
peso atómico, Moseley tomo en orden dichos elementos y los fotografió
encontrando una relación en la difracción y la longitud de onda en una
unidad.
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El estudio de los espectros y la
difracción de rayos X permitieron conocer la estructura interna de los
átomos, de aquí que la teoría de la estructura atómica de Borh obtuviera
credibilidad, por su parte para Lewis el espectro sirvió como base para
organizar con mayor propiedad los electrones en su estructura de cubo.
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Tabla 1. Rejilla de análisis experimento de moseley
El hallazgo de Mosely no se hubiese podido realizar sin anteriores aportes de varios científicos, el 8 de noviembre de 1895 Wilhelm Conrad Röntgen descubre los rayos X, estaba tan sorprendido por su hallazgo que tardo menos de dos meses en entregar su primer comunicado preliminar, el cual sería publicado antes de finalizar el año, a partir de allí se realizan numerosos estudios al respecto, uno de ellos es el realizado por Charles G. Barkla quien encontró una conexión entre el peso atómico del elemento y sus rayos X secundarios, Barkla descubre primeramente que no existe un solo tipo de radiación X secundaria sino que toda sustancia bañada en rayos x emitía a su vez dos tipos de rayos x diferentes, estudiando la radiación ( radiación Röntgen) Barkla mide la intensidad de esta, noto que la radiación era máxima cuando el ángulo entre la superficie y los rayos reflejados era el mismo que el formado entre la superficie y los rayos originales (la reflexión se producía con un ángulo igual al de incidencia eran homogéneos).
Ahora bien al estudiar el segundo tipo de rayos X emitidos por las sustancias descubrió que la radiación tenia exactamente la misma intensidad en todas las direcciones y que la frecuencia era independiente de la radiación x incidente es decir que el tipo de radiación secundaria era completamente independiente de la primaria (heterogéneas) y solo dependía de los átomos que se expusieran a los rayos x permitiendo una identificación certera de las sustancias, a lo que llamó “radiación característica”, sin embargo, la radiación característica en átomos más livianos suponía un problema puesto que era casi imperceptible. Barkla continuó sus estudios y descubrió no sólo un tipo de frecuencia para los átomos sino dos con dos picos de radiación uno con mayor frecuencia que el otro nombrados como serie K y serie L respectivamente, lo que más adelante tendría que ver con la estructura electrónica del átomo y los niveles energéticos de los electrones.
Moseley retoma los estudios de Barkla y se interesa en estudiar las dos series K y L, por aquellos tiempos los estudios de Barkla se basaron en la absorción de las sustancias, Así que Moseley se dispuso a determinar las longitudes de onda de la radiación K usando técnicas recientemente descubiertas por el equipo de padre e hijo de W.L Bragg y W.H. Bragg, para ello realiza un experimento en el que acondiciona los trabajos de los Bragg, dicho experimento lo relaciona en el artículo “los espectros de alta frecuencia de los elementos” publicado en la revista Philophical Magazine en 1913, en la imagen 1 se observa un prototipo a escala del experimento de Moseley.
El experimento de Moseley tiene como finalidad fotografiar las radiaciones de la longitud de onda, para ello las fotografías debían tomarse dentro del espectrómetro la imagen anterior es explicada por Moseley como sigue:
“La figura 2 (imagen 1) muestra una sección vertical a escala del tubo de rayos X y el espectrómetro el primero consiste en una bombilla que contiene el cátodo. unido por una pieza en T de vidrio muy grande a un tubo largo de 4 cm. de diámetro, en que se encuentran los rieles R y el carro C. S es la rendija de definición y una ventana de piel de bebedores de oro que separa el tubo del espectrómetro. Este material, que generalmente
es hermético, a veces puede requerir barnizado, es extremadamente transparente para rayos X. Una ventana circular de 2 cm de diámetro resistirá fácilmente la presión de la atmósfera si no se la molesta”….” el espectrómetro, que fue especialmente diseñado para este trabajo, consiste en una fuerte caja de hierro circular de 30 cm diámetro interior y 8 cm alto, cerrado por una tapa que cuando la brida se engrasa, hace una junta hermética dos surcos concéntricos se cortan en el piso de la caja. la mesa A, que lleva el portaplacas, se apoya en tres bolas de acero, de las cuales dos corren en la ranura del ouder, mientras que la tercera descansa en el piso de la caja. La posición de la mesa de cristal B se controla de la misma manera por la ranura interna”
Este experimento tiene como principio la relación de la energía y frecuencia de la radiación X con el peso atómico del elemento que actúa como blanco y que la emite, atribuye el hecho a que al aumentar el peso atómico también lo hace el número de cargas positivas del núcleo, que denomino número atómico N (más tarde sería reconocido como Z), y en la que relaciona la radiación específica de él, con la frecuencia, se basa en que la excitación de electrones internos en un átomo por colisión de un haz externo proveniente de rayos catódicos, produce vacantes que son cubiertas por niveles superiores y que al caer a los inferiores producen una emisión, así el espectro de rayos X se convierte en la radiografía de los niveles energéticos del átomo, este experimento permitió sistematizar la periodicidad química, y por los huecos que se producían en la relación de frecuencias, determinar los números atómicos de nuevos elementos que deberían aparecer.
Moseley determinó que la relación mencionada anteriormente era lineal, con el valor de la raíz cuadrada de frecuencia moviéndose en la misma cantidad para cada salto de una unidad en el número atómico. A continuación, se observa el gráfico realizado por Moseley evidenciando la relación entre la longitud de onda y la raíz cuadrada de la frecuencia.
Imagen 2. Gráfico de Moseley relación de la longitud de onda con la raíz cuadrada de la frecuencia tomado de: The High frequency spectra of thev elements
Aunque el experimento de Moseley sirvió de base para soportar la teoría atómica de Borh, fue también de gran importancia para Lewis puesto que al demostrar que lo que determina la posición de un elemento en el sistema periódico es la carga eléctrica del núcleo del átomo y no, como se había pensado antes, su peso atómico, Lewis pudo ubicar de forma mas precisa los electrones en su teoría cubica y con ello dar paso a la teoría de estructura química.
La Teoría del Átomo Cubico, viene acompañada por seis postulados los cuales dan razón al fenómeno de electrones de valencia, para su construcción se basa en la regla de Abbegg “la diferencia entre el máximo y mínimo número de oxidación de un elemento químico es frecuentemente ocho”, como modelo atómico retoma el postulado por Thomson conocido como el modelo de “pudin”, es de resaltar que dicho modelo es de 1904 y para la época ya se hablaba de un nuevo modelo atómico el de Borh, sin embargo considerando el fuerte respaldo que tenía la física clásica en ese tiempo es de esperarse que Lewis se encontrara reacio a aceptar un modelo cuántico como lo expresa en el siguiente párrafo.
“La más interesante y sugestiva de estas teorías es la propuesta por Bohr y basada en la teoría cuántica de Planck. Planck en su oscilador elemental que mantiene su movimiento en el cero absoluto, y Bohr en su electrón moviéndose en una órbita fija han inventado sistemas que contienen electrones cuyo movimiento no produce ningún efecto sobre las cargas externas.
Ahora esto no solo es inconsistente con las leyes aceptadas de electromagnetismo, sino que Puedo agregar, es lógicamente objetable para ese estado de movimiento que no produce ningún efecto físico que pueda llamarse mejor estado de reposo”.
Durante la explicación del modelo de átomo cubico se puede apreciar como Lewis hace referencia al enlace covalente cuando enuncia: “Un electrón puede formar parte del caparazón de dos átomos diferentes y no por ello puede decirse que pertenezca a ninguno de ellos de forma exclusiva”, de allí que los electrones en un determinado enlace se comparten.
De la misma manera se refiere al enlace iónico cuando explica el postulado cuatro de su teoría
“El postulado 4 plantea una pregunta de la mayor importancia desde la primera sugerencia de helmholtz, se han realizado numerosos esfuerzos para explicar la combinación química al suponer que en la formación de un compuesto, algunos de los electrones de un átomo pasan completamente a otro átomo, y que las diferentes partes cargadas de la molécula producidos se mantienen unidos por fuerzas eléctricas tales teorías, en mi opinión, han demostrado ser totalmente inadecuadas, excepto en el caso de las sustancias de tipo fuertemente polar”.
Por lo anterior se podría deducir que Lewis les da una connotación a las sustancias no polares a lo que hoy se conoce como enlace covalente o molecular y a las sustancias polares las que actualmente son conocidas como iónicas.
Referencias Bibliográficas
Lewis, G. (1916). The Atom and the Molecule. Journal of the American Chemical Society, vol XXXVIII. (No 4).
Moseley H (1913). The High frequency spectra of thev elements. Philophical Magazine Vol. 26, Pag.1024-32.
