Experimento de Millikan

Millikan determinó una y otra vez la carga eléctrica de las gotas de aceite ionizadas que pasan a través de la cámara donde se aplica un campo eléctrico.

Rayos canales

Los rayos catódicos se impactan con las moléculas del gas que se encuentra dentro del tubo de Crooks y se ionizan adquiriendo carga positiva y movimiento en sentido contrario a los rayos catódicos.

Rayos catódicos frente a un campo eléctrico y a un campo magnético

El haz de rayos catódicos se somete dentro de un campo eléctrico y sufre la desviación correspondiente, se aplica un campo magnético suficiente para que el haz vuelva a su posición horizontal.

Rayos catódicos dentro de un campo magnético

Un campo magnético desvía el haz de rayos catódicos hacia el polo norte (positivo)

Rayos catódicos con aplicación de un campo eléctrico

Cuando el haz de rayos catódicos se somete dentro de un campo eléctrico se observa que sufre una desviación hacia el polo positivo, sugiriendo que los rayos catódicos son partículas con carga negativa

1.- Modelo Atómico de Thomson

1.- INTRODUCCIÓN
Como resultado de múltiples experimentos e investigaciones, para 1850 ya se conocían las ecuaciones que relacionaban muchos fenómenos eléctricos y magnéticos, por ejemplo:
1.- Medir la carga de un objeto aislado.
2.- Predecir la Fuerza que actúa sobre una carga conocida, colocada en la proximidad de otra carga.
3.- Predecir la corriente que fluye en un alambre conectado a una batería.
4.- Predecir el campo magnético en la vecindad de una corriente.
5.- Predecir la corriente inducida.
6.- Las Leyes de la Electrolisis.
Todo esto y más se podía hacer y, por lo tanto, se podía desarrollar toda la industria eléctrica sin suponer un modelo especifico para describir la electricidad. Todas las leyes y ecuaciones que permitían resultados tan impresionantes eran empíricas, basadas en resultados experimentales mas que en un modelo particular. Por supuesto de modo semejante, se puede predecir la posición de los planetas en un modelo dado a partir de las Leyes de Kepler, ignorando su composición química o sus temperaturas internas; o también predecir el comportamiento de un volumen de nitrógeno a cualquier temperatura o presión sin tener un modelo de la estructura interna del gas.
Sin embargo el hombre desarrolla modelos porque es profundamente satisfactorio entender los fenómenos naturales y porque un modelo medianamente satisfactorio sugiere nuevos experimentos que merecen realizarse.
En la primera parte del siglo XIX existían bastantes evidencias de la existencia de los átomos y se expresaban las relaciones químicas y el comportamiento de los gases en función de los átomos. Se pensaba que todos los átomos de un mismo elemento eran semejantes, sus pesos se establecieron en 1857 con el italiano Stanislao Cannizzaro, al mismo tiempo se podía predecir el comportamiento de grandes cantidades de átomos que involucra una reacción química.

2.- DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS CATODICOS.
En 1838 el inglés Michel Faraday pasó una corriente eléctrica de alto voltaje a través de un tubo de vidrio de 60 cm que contenía aire a baja presión y observo una luminiscencia púrpura que partía del electrodo negativo, o cátodo, y llegaba al electrodo positivo, o ánodo.
Para obtener un progreso posterior a aquellos logrados por Faraday hubo de esperar varios años para que se desarrollara una técnica mejor para extraer el gas de un recipiente cerrado. Hasta 1855 las bombas que se usaban tenían sellos para el embolo de cuero. Cuando se reducía la presión interna del recipiente a una centésima parte se producían grandes fugas. Sin embargo en 1855, Geissler invento una bomba que tenía una columna de mercurio como embolo . Con esta bomba se podía alcanzar presiones muy bajas, aunque con un trabajo físico considerable. En poco tiempo empezaron a realizarse otros descubrimientos sobre la conducción eléctrica de gases a baja presión.

3.- LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS RAYOS CATODICOS. (ver los videos de Rayos catódicos)

1.- Los rayos se emiten por el cátodo (-) que se halla dentro de un tubo de vidrio del cual se ha extraído el aire y se pasa una corriente eléctrica de unos 3 mili amperes y un voltaje de 5,000 Volts, generando una luminiscencia.
2.- Los rayos catódicos viajan en línea recta y a gran velocidad.
3.- Cuando los rayos catódicos llegan a impactarse con el vidrio del recipiente producen una fluorescencia y cuando el voltaje es de unos 100,000 Volts se emiten Rayos X.
4.- Los rayos catódicos son desviados por campos eléctricos y magnéticos.
5.- Son independientes de la naturaleza del material que componen el cátodo.
6.- Los rayos pueden producir reacciones químicas.
7.- Los rayos catódicos parecen ejercer una fuerza, es decir, transportan cierto impulso.

Estos resultados no dejaron de crear ciertas divergencias entre los experimentadores ingleses y alemanes. Por un lado los ingleses representados por Crookes, Schuster y Thomson pensaban que los rayos catódicos eran un cuarto estado de la materia y en ultima instancia deberían de considerarse como PARTICULAS; de esta manera se puede explicar la propagación en línea recta de los rayo, su emisión perpendicular a la superficie del electrodo, la desviación en campos magnéticos, la producción de fluorescencia y el transporte de energía e impulso.
Por otro lado los experimentadores alemanes representados por Goldestein, Plucker, Hertz, Hitorff, habían establecido igual que los ingleses el mismo conjunto de propiedades observables de los rayos catódicos, pero propusieron un modelo completamente distinto sugirieron que los rayos catódicos podrían ser alguna forma poco común de ONDAS electromagnéticas.

4.- DETERMINACION DE LA RELACION CARGA/MASA DEL ELECTRÓN
Aunque se conocían varias características de los rayos catódicos (hoy conocidos como electrones) no se conocían ninguna de sus dimensiones como es la masa, carga o velocidad En 1894, el joven físico ingles Joseph John Thomson, conociendo los trabajos de Hertz y Lenard, intento medir la velocidad de los rayos, pues la curvatura que un campo magnético producía en ellos lo había llevado a dudar del modelo ondulatorio. Thomson señalo que si los rayos catódicos fueran ONDAS electromagnéticas, deberían tener una velocidad similar a la de la luz y no debería tener una velocidad similar a la de la luz y no deberían desviarse en presencia de campos magnéticos, de otra manera deberían tener una estructura granular (material) asociada con el campo magnético. Tal idea no le atraía; estaba de acuerdo en que los rayos podían estar asociados con algo fuertemente fosforogénico , ya que los rayos inducían al vidrio y otros materiales, a emitir luz. Al hacer esta observación Thomson estuvo a punto de realizar uno de los descubrimientos mas trascendentales de la historia de la Ciencia, el descubrimiento de los RAYOS X.
Thomson trataba de demostrar que los rayos catódicos no eran algún tipo de luz, por la medición de su velocidad. Sus experimentos mostraron que los rayos viajan a 20,000 Km/seg, es decir, un quinceavo de la velocidad de la luz, lo que sugería algo diferente a las ONDAS electromagnéticas.
Aunque los resultados de Thomson no eran concluyentes, prepararon el camino para una brillante serie de experimentos que vinieron a establecer finalmente el modelo de que los rayos catódicos son PARTICULAS cargadas negativamente (hoy llamados electrones. Para esto Thomson diseño dos métodos para determinar la relación e/m.

a).- El primer método consistía en enviar un haz de rayos catódicos hacia el interior de un colector eléctricamente aislado, el colector debía ser físicamente pequeño. El haz cedía su carga al colector y lo calentaba debido al impacto mecánico. La cantidad de energía calorífica H, cedida al colector en un intervalo de tiempo T podía determinarse conociendo la masa, el calor específico y el incremento de temperatura del colector. La carga total Q cedida al colector podía medirse con un electrómetro muy sensible.
Si n partículas de masa m, velocidad v y carga e, chocan contra el colector en un tiempo T, entonces:

Q = ne (1)

Siempre y cuando todas las partículas se adhieran al colector y, por lo tanto, su carga sea medida.. Se supone también que ninguna de estas partículas causa una emisión secundaria. Así, si todas las partículas son capturadas cederán su energía cinética al colector. Esta energía reaparecerá en forma de calor:

H = n(1/2 mv2 ) (2)

Dividiendo (1) entre (2)

e/m = 2Qv2/H (3)

Esta relación combinada con la ecuación de la desviación debida al campo magnético, ( e/m = v/BR) da valores numéricos, tanto para e/m como para v. Usando este método, Thomson encontró que la velocidad de los rayos catódicos estaba comprendida entre 2.40X107 a 3.20X107 m/s (aproximadamente un décimo de la velocidad de la luz) y valores de la relación e/m para los rayos catódicos de:

Carga/masa = e/m = 1.40X1011 Coulomb/kilogramo

El valor de e/m, así obtenido por Thomson, tiene un acuerdo aceptable con las mejores determinaciones modernas. Cuando una cantidad tal como e/m se determina por primera vez, es importante preguntar si el experimento realizado mide realmente la cantidad deseada y no algún otro resultado experimental insospechado. Una manera de contestar a esta pregunta es repetir la determinación por un segundo método experimental tan diferente del primero como sea posible. La armonía de los dos resultados sugiere aunque no prueba la validez del resultado.

b).- El segundo método de Thomson para la determinación de e/m implicó un nuevo aparato. (Ver el video donde se aplica un campo eléctrico y el campo magnético) En él un haz de rayos catódicos pasaba por una región en la cual se le podía someter a campos eléctricos y magnéticos. Cualquiera de estos campos, aplicados aisladamente podía desviar el rayo de su trayectoria horizontal; pero la dirección de la desviación magnética era opuesta a la producida por el campo eléctrico. De este modo, si se aplicaba el campo eléctrico y se mantenía constante, la magnitud del campo magnético podía ser regulada, de tal modo, que regresara el haz a su trayectoria horizontal original. En estas condiciones, la fuerza que actuaba sobre las partículas, debido al campo eléctrico eE, era igual que la fuerza debida al campo magnético Hev. De modo que:

Hev = eE y por lo tanto v = E/H (1)

Así la velocidad de las partículas se podía calcular con las medidas del campo eléctrico E y del campo magnético, H. El segundo paso del experimento fue eliminar el campo magnético y medir la desviación del rayo producido por el campo eléctrico. Como las partículas pasan entre las placas, la fuerza eléctrica eE produce una desviación d, que puede ser calculada por el método de los triángulos semejantes. Por el desplazamiento de las manchas que se observan al extremo del tubo se puede relacionar la fuerza eléctrica eE con la segunda Ley de Newton.

eE = fuerza = m.a

despejando

a = eE/m (2)

La desviación d puede ser relacionada con aceleración y tiempo, el tiempo que gastan las partículas en cruzar las placas por:

d= ½ a.t2 (3)

Que es el resultado bien conocido de la mecánica elemental. Finalmente, t puede expresarse en función del largo de las placas l y de la velocidad de las partículas v :

t = l/v (4)

Sí ahora combinamos las ecuaciones (2), (3), y (4), obtenemos:

d = eE/2m(l/v)2

Pero v esta dada por la ecuación (1); la introducción de esta relación y el reordenamiento de la expresión nos da:

e/m = 2dE/l2H2

Todo lo que esta en el segundo miembro de la ecuación puede medirse experimentalmente, y de este modo se puede encontrar e/m . Thomson encontró que la relación para los electrones es:

e/m = 1.76X108 coulomb/g
e/m = 5.27X1017 unidades electrostáticas/g

La importancia de e/m de los rayos catódicos (electrones) se hizo evidente cuando se comparo su valor con la relación e/m . de los iones que habían sido obtenidos experimentalmente por electrolisis. Pero mientras que la relación carga/masa para varios iones era diferente, e/m para los electrones era una constante no importando el gas utilizado o el tipo de electrodo.
Estos hechos condujeron a Thomson a deducir que los rayos catódicos no eran átomos electrificados sino fragmentos atómicos. Thomson no fue el único que abordo el problema de los electrones, ni tampoco estos representaban la única manifestación de la existencia de los electrones.
Así, alrededor de 1900 estaba bien establecido que el electrón era un constituyente de los átomos. Y los físicos ya estaban trabajando para tener un mejor conocimiento de sus características inherentes; por ejemplo, su carga, su masa, su tamaño, su velocidad y su papel en un número asombrosamente grande de fenómenos químicos y físicos.

5.- DESCUBRIMIENTO DE LOS PROTONES. (Ver el video de los rayos canales)
La investigación de los rayos catódicos proporcionó otro descubrimiento más. En 1866, Eugen Goldestein, en el curso de sus muchos experimentos con diferentes formas de cátodos, descubrió que de los orificios de un cátodo perforado parecían salir en la dirección opuesta a la del ánodo débiles rayos luminosos. Goldestein bautizó a estos rayos con el nombre de Rayos Canales en consideración a que eran emitidos por los orificios o canales del cátodo. Wien demostró en 1897, por deflexiones eléctricas y magnéticas que los rayos estaban cargados positivamente y que tenían una relación e/m mucho menor que la obtenida para los rayos catódicos.
La idea de que los rayos estaban compuestos por iones positivos fue rápidamente aceptada. Un dato significativo era que si el tubo contenía una cantidad de hidrógeno, entonces los rayos canales parecían tener una relación e/m que concordaba perfectamente con la de los iones hidrógeno en la electrolisis.
En 1913, Joseph John Thomson publicó su ingenioso método para medir la relación carga-masa cuando hubiera mas de una clase de iones en el haz. Se hacia que los rayos canales pasarán a través de una región en la que había fuertes campos magnéticos y eléctricos paralelos entre si y ambos perpendiculares a la dirección original del haz. El campo magnético causaría una deflexión proporcional a la relación e/M e inversamente proporcional a su velocidad. Por otro lado el campo eléctrico produciría una deflexión en sentido contrario a la causada por el campo magnético (esto es similar a lo realizado por Thomson para determinar la relación e/m para los electrones). Las características de las deflexiones dependían de la relación e/M de los iones, de la velocidad, de la geometría del aparato y de la intensidad de los campos aplicados.
En las primeras experiencias, Thomson introdujo hidrógeno en el tubo, y el valor obtenido para e/m = 2.8711X1014 ues/gramo, que es el mismo resultado que se encuentra para el ion hidrógeno en la electrolisis, lo que prueba que los rayos positivos están formados por átomos de hidrógeno que han perdido un electrón. Así, los protones tienen carga positiva numéricamente igual a la del electrón.

6.- CONCLUSIONES
a).- La investigación de los rayos catódicos llevó a descubrimientos completamente inesperados: los electrones, los rayos X, la radiactividad, y los rayos canales (protones). Cada uno de estos descubrimientos ha tenido una profunda influencia científica y tecnológica, y ha contribuido mucho al desarrollo de nuestros conceptos actuales acerca de la estructura interna de los electrones y de los otros constituyentes del átomo.

b).- El éxito de las ecuaciones de Maxwell para describir y predecir los fenómenos electromagnéticos hizo que durante la última década del siglo XIX los científicos no prestarán mucha atención a observar que evidencias había que llevar a pensar que la carga eléctrica era algo diferente a la deformación del éter. Aunque la teoría electromagnética de Maxwell no había encontrado una aceptación general, el punto de vista de que una corriente era solo un flujo de éter, atraía la atención de los científicos y tenía una aceptación casi general.

c).- La idea de que la electricidad era material nunca fue realmente abandonada. La teoría de Weber había sido fundamentada sobre esta hipótesis, y por otra parte, los descubrimientos de Faraday relacionados con la electrólisis proporcionaban evidencias sólidas para tal idea.

d).- Durante los últimos años del siglo diecinueve Thomson y sus colegas del Laboratorio Cavendish buscaron medios mas directos para determinar el tamaño y dimensiones de la unidad básica de la carga eléctrica, hubo varios intentos desde 1894 de medir la carga del electrón, entre los investigadores dedicados a este problema podemos mencionar a Johnstone Stoney, Townsed, el mismo Thomson, Wilson y el físico francés Perrin. Sus métodos requerían del conocimiento del número de Avogadro, N. Por otro lado sus resultados implicaban un gran número de partículas; pero no proporcionaban evidencia directa de cual era la carga del electrón.

7.- DETERMINACION DE LA CARGA DEL ELECTRÓN. (Ver el video del experimento de Millkan)
El físico norteamericano Robert Andrews Millikan invento un método que hizo posible medir cargas electrónicas individuales y demostrar que todas ellas eran iguales. En 1906, en la Universidad de Chicago, repitió el trabajo de Wilson usando una nube de gotitas de agua en un campo eléctrico variable. Los primeros resultados que obtuvo por este método daban para e- = 1.33X10-19 coulomb. Sin embargo Millikan estaba desanimado por la tendencia de las gotas a evaporarse, empezó por usar aceite mineral, en vez de agua, con el fin de lograr que la evaporación fuera despreciable, y entonces fue cuando se le ocurrió la idea maravillosamente simple de observar, no la totalidad de la nube, sino una sucesión de gotas solas. Con esto lograría evitar las ambigüedades del experimento original.
Un atomizador produjo gotitas de aceite encima de las dos placas. Algunas de estas gotas caerían ocasionalmente por el orificio de la placa superior (eléctricamente aislada) hacia la región entre las dos placas donde podría ser fácilmente observadas por medio de un telescopio de distancia focal corta. La gota era iluminada desde el lado izquierdo, y aparecía como un punto brillante en la región obscura de la lente. En el proceso de atomización muchas gotas se cargaban eléctricamente debido a la fricción, y las restantes podían ser cargadas con una fuente de rayos X.
Supongamos que la gota que observamos tiene una masa m y una carga e. Esta gota experimenta una fuerza hacia arriba debido al campo eléctrico entre las placas A y B. El campo E se calcula fácilmente en función de la distancia entre las placas y la diferencia de potencial V(E = V/d).
En ausencia de campo eléctrico, la gota esta sometida a la fuerza de gravedad que tira hacia abajo y una fuerza de fricción que retarda el movimiento, así la velocidad de caída de la gota es una constante cuando:

Fuerza de gravedad = Fuerza de fricción
V = mg = Fuerza de gravitación
6phr Resistencia por viscosidad

donde g es la aceleración de la gravedad, m y r son la masa y el radio de la gota, h es la viscosidad del aire. Esta ecuación junto con la expresión de densidad:
Densidad = Masa/Volumen = Masa/4/3(pr3)

Que relaciona la densidad de la gota de aceite con su masa y el radio, permite el cálculo de m y de r. Como la velocidad de caída de las gotas se mide experimentalmente lo mismo que la densidad y viscosidad, entonces el radio de la gota es:

Radio = {9hv/2dg}1/2
Sí suponemos que las gotas son esféricas entonces:
d=Masa/Volumen ; masa = Volumen.densidad
masa = 4/3 pr3.d

Si la misma gota contiene una cantidad de carga e y es sometida a un campo eléctrico, E entre las placas del condensador entonces la fuerza eléctrica causará un movimiento ascendente de la gota dado por eE. Debido a la acción de la gravedad, la fuerza neta sobre la gota es : eE - mg , de modo que su velocidad en la dirección ascendente es:

Velocidad = eE - mg/6phr

Puesto que velocidad y E son medibles, m, g, h, r son conocidos, se puede calcular e. Millikan encontró que la carga del electrón era un múltiplo entero de:

Carga eléctrica = e = 4.802X10-10 ues o de 1.60X10-19 coulomb

Este resultado muestra que la electricidad esta constituida de partículas con una carga fundamental. Con este resultado podemos deducir cuál es la masa del electrón y la masa del protón, si hacemos uso de la relación carga/masa determinada por Thomson.

Masa del electrón = 9.10X10-28 gramos
Masa del protón = 1.672X10-24 gramos

Los experimentos de Thomson y Millikan han sido estudiados en detalle, porque ellos muestran como se puede determinar cantidades fundamentales y extremadamente importantes por el empleo de aparatos muy simples y por el uso de las Leyes de la Física. Otro hecho significativo a principios de este siglo fue el cálculo experimental del número de Avogadro, con el cual se pudo deducir teóricamente el radio atómico. Si suponemos que los átomos son esféricos y conocemos la densidad del elemento, entonces con el conocimiento del número de Avogadro podemos deducir el radio atómico aproximado, que resulta ser de:

Radio atómico » 1X10-8 cm (1 Agstrom)

Resultado similar encontrado por la teoría cinética de los gases, y por mediciones de los rayos X recién descubiertos. Para 1911, año en que Thomson propone un nuevo modelo del átomo se conocían los siguientes datos experimentales:



8.- MODELO ATOMICO DE JOSEPH JOHN THOMSON
Thomson sabía que los átomos eran muy pequeños, sin embargo, ellos contenían partículas aún más pequeñas, que eran los electrones y protones, por otro lado si los protones eran 1836 veces mas pesados que los electrones, era entonces razonable que ellos deberían ocupar la mayor parte del volumen atómico. En consecuencia Thomson propuso que el átomo era una esfera positiva de radio 1X10-8 cm dentro del cual se hallaban oscilando los electrones. Esto último lo propuso para tratar de explicar el mecanismo de emisión de la luz por parte de los átomos. De acuerdo con este modelo, los electrones deberían tener una frecuencia de oscilación de 1X10-15 1/seg si suponemos un radio atómico de 1 Agstrom.

COMENTARIOS: Por primera vez desde la era de John Dalton se propone un nuevo modelo del átomo, donde se reconoce la estructura eléctrica y compleja del átomo. Aunque este modelo es incorrecto hay que considerar que ningún contemporáneo de Thomson disponía de la información experimental que señalará la distribución de las cargas positivas o negativas dentro del átomo; por otro lado la presencia de cargas eléctricas dentro del átomo podían explicar mas satisfactoriamente las fuerzas de enlace que unían a los átomos y que desde luego eran mas poderosas que las gravitacionales. Para verificar este modelo del átomo, Geiger y Marsden estimulados por el análisis teórico de Ernest Rutherford , realizaron sus famosos experimentos de bombardear átomos metálicos (laminas metálicas delgadas) con partículas a. Antes de hablar de los experimentos de Rutherford es interesante analizar otros descubrimientos que se realizaron a fines del siglo pasado y que se relacionan con la estructura atómica.

9.- DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS X.
El primero de ellos son los rayos X descubiertos por Wilhem Konrad Rontgen en 1895, Rontgen era profesor de Física de la Universidad de Wurzburg cuando estudiaba las propiedades de los rayos catódicos, entre las principales cualidades de los rayos X están:
· Causan fluorescencia en varios minerales.
· Atraviesa con facilidad varios materiales incluyendo el hule, vidrio, agua, piel, etc.
· Penetran fuertemente el aire ionizándolo.
· Son diferentes a los rayos catódicos y a los rayos ultravioletas.
· No son desviados por campos eléctricos ni magnéticos.Son similares a la luz, es decir, son ondas electromagnéticas que sufren refracción y reflexión y sus propiedades son consecuencia de su longitud de onda extremadamente corta (la mitad de un Ángstrom). Observar la emisión de RAYOS X.

11.- La naturaleza de los Acidos y las Bases.

Figura 1

1.- Introducción.

La palabra “ácido” es derivado del sabor agrio con este tipo de sustancias (del latín acidus-agrio o acetum-vinagre).Algunas características que presentan estas sustancias fueron estudiadas por Robert Boyle en 1663 como son: alto poder como solventes, reaccionan con metales, dan color a los vegetales azules, precipitan algunos sulfuros y catalizan un sinnúmero de reacciones químicas.
La antítesis de los ácidos son las llamadas sustancias álcalis (del árabe al-kali que significa ceniza de planta) que entre sus propiedades destacan: su poder detergente, untuosos o jabonosos al tacto, su poder para disolver aceites y azufre, funcionar en algunas reacciones como catalizadores y su propiedad más sobresaliente el de neutralizar o destruir las propiedades de los ácidos.
Cuando se pone en contacto un ácido con un álcali se forma una sal que no presenta propiedades de un ácido ni de un álcali. Así, la formación de una sal hacía pensar que esta se puede derivar de dos constituyentes de naturaleza opuesta. Sin embargo, existían algunos compuestos que no presentaban las propiedades típicas de los álcalis como son los óxidos metálicos y las aminas que eran capaces de neutralizar a los ácidos. Fue así como en 1774 el francés Roulle amplió el concepto de álcali por el de BASE, definiendo una base como una sustancia cualquiera que reacciona con un ácido para formar una sal.
Estos primeros puntos de vista no incluyeron ninguna explicación o interpretación de los fenómenos observados, la primera teoría del comportamiento ácido fue propuesta por el Químico francés Lavoisier en 1780. Sus experimentos demostraron que varios elementos tales como el carbono, nitrógeno, azufre, fósforo etc. dan características ácidas cuando primero se queman con oxígeno y luego se disuelven en agua y en este sentido concluyó que el oxígeno es un elemento común a todos los ácidos. Esta teoría de la acidez del oxígeno dejó su marca en el nombre del elemento (del griego oxus-agrio y gennao-productor). Aunque esto fue mantenido por algunos químicos tan notables como Berzelius y Gay-Lussac años después se encontraron evidencias claras de esta falsedad, puesto que existían también una serie de óxidos como aquellos formados por el sodio, potasio, calcio, magnesio etc., que al ser disueltos en agua dan compuestos básicos y no ácidos, lo que no está de acuerdo con la teoría de Lavoisier. Más aún, con el conocimiento de la composición de las sustancias se hacia más extensiva y certera que muchos ácidos no contenían oxígeno. Primero fue Berthollet quien obtuvo evidencias claras de que el hidrógeno sulfurado (ácido sulfhídrico) no contenía oxígeno; el experimento más concluyente fue aportado por Humpry Davy quién demostró en 1810 que el ácido clorhídrico está constituido exclusivamente de hidrógeno y cloro y no contiene oxígeno.
Davy fue el primero en expresar la opinión de que “un ácido no depende de una sustancia elemental en particular, sino del arreglo peculiar de distintas sustancias”, un punto de vista que tiene mucho en común con las ideas desarrolladas posteriormente sobre ácidos y bases. Sin embargo, se hizo claro que todas las sustancias aceptadas comúnmente como ácidas contenían hidrógeno, pero no presentaban propiedades ácidas, por lo que fue necesaria una rectificación.
En 1838 el alemán Liebing definió un ácido como “un compuesto conteniendo hidrógeno, en el que el hidrógeno puede ser reemplazado por un metal” una definición que ayudó a entender la teoría de la disociación electrolítica de Arrhenius. Las bases fueron consideradas como sustancias que neutralizaban los ácidos con la formación de sales, pero no había una teoría que hablara de su composición. Para mediados de siglo XIX existían más preguntas que respuestas alrededor de las extraordinarias propiedades de los ácidos y las bases, entre ellas podemos citar:

1. - ¿Cómo el hidrógeno de un compuesto puede provocar las propiedades ácidas?

2. - ¿Por qué existen ácidos fuertes, ácidos medios y ácidos muy débiles?

3. - ¿Por qué los ácidos fuertes son los que presentan mayor efecto catalítico?

4. - ¿Mediante qué mecanismos los ácidos son capaces de conducir corriente eléctrica?

5. -¿Qué tienen de especial las bases que pueden neutralizar las propiedades de los ácidos independientemente de su fuerza?

2.- Teoría de Arrhenius.

La respuesta a estas interrogantes se dieron en la década de 1880-1890 con los trabajos del Químico Sueco Svante Arrhenius quién en su trabajo de tesis doctoral propuso la Teoría de Disociación Electrolítica donde tuvo sus éxitos más impactantes en el campo de los ácidos y las bases. Su trabajo consistía en medir la conductividad eléctrica y el efecto catalítico de diferentes ácidos bajo las mismas condiciones de concentración, voltaje, amperaje, temperatura etc., algunos de sus resultados se observan en el cuadro número 1.

En sus estudios Arrhenius encontró que aquellos compuestos de hidrógeno caracterizados como ácidos fuertes eran buenos conductores de la corriente eléctrica y presentaban excelentes efectos catalíticos, propuso entonces que los ácidos eran capaces de disociarse en iones hidrógeno cuando se hallaban en solución. Como el grado de disociación o ionización puede ser medido por la conductividad eléctrica existía un medio para medir la fuerza de un ácido con exactitud. Así, la concentración de los iones hidrógeno en solución ácida es directamente proporcional a la conductividad.
Si el poder catalítico de tales soluciones es también debido a su contenido de iones hidrógeno, entonces debe existir una proporcionalidad entre el efecto catalítico y la conductividad eléctrica. Por otro lado el que no todos los ácidos presenten la misma fuerza debe hallarse la razón en la extensión del grado de disociación y la causa estará gobernada por la fuerza de su enlace químico, así, los ácidos fuertes tendrán alto grado de disociación y un enlace químico débil y por el contrario un ácido débil tendrá un enlace químico muy fuerte que le impide su disociación.
Bajo esta concepción Arrhenius fue capaz de definir lo que debe ser una sustancia ácida y una básica y aclarar muchas confusiones:
ACIDO: Toda sustancia que al disolverse en agua, aumenta la concentración de iones hidrógeno.
BASE: Toda sustancia que al disolverse en agua, aumenta la concentración de iones hidroxilo.
Así, el causante de las propiedades ácidas es el H+ y el causante de las propiedades básicas es el OH-. Con estas sencillas ideas surge la causa del porque una base es capaz de neutralizar un ácido y es porque el contacto entre ellos produce una sustancia neutra que es el agua:

ACIDO (H+) + BASE (OH-) = NEUTRA (H2O)

a).- CONCLUSIONES DE LA TEORIA DE ARRHENIUS:

1. - Ácidos fuertes son buenos conductores de la corriente eléctrica.

2. - Ácidos fuertes son excelentes catalizadores.

3. - Ácidos fuertes se encuentran altamente disociados en iones hidrógeno.

4. - La conductividad eléctrica es proporcional al efecto catalítico y al grado de disociación.

5. - La fuerza de un ácido es proporcional al grado de disociación e inversamente proporcional a la fuerza del enlace químico.

6. - Ácido: Toda sustancia que al disociarse en agua aumenta la concentración de iones hidrógeno (H+).

7. - Base: Toda sustancia que al disociarse en agua aumenta la concentración de iones hidroxilo (OH).

8. - Una base neutraliza a un ácido porque se forma en la reacción una sustancia neutra como el agua.

9. - Se deduce de su teoría la igualdad: N (ácido) X V (ácido) = N (base) X V (base)


b).- FALLAS QUE PRESENTA LA TEORIA DE ARRHENIUS.
A pesar de los éxitos alcanzados por esta teoría para explicar las propiedades de los ácidos y las bases, había ciertas evidencias experimentales que no podían explicarse bajo esta óptica, entre ellos tenemos:
1. - ¿Cuál es la verdadera naturaleza del ion hidrógeno en solución?

2. -¿Por qué los ácidos 100% puros no conducen la corriente eléctrica, no actúan como catalizadores, no disuelven a los metales, en fin no funcionan como ácidos, pero bastan unas cuantas gotas de agua para que se manifieste su fuerza?

3. - Hay algunos compuestos químicos como los óxidos metálicos y las aminas o amoniaco que sin contener el radical hidroxilo son capaces de neutralizar los ácidos.

3.- TEORIA DE BRONSTED Y LOWRY
Se acepta generalmente que una de las razones por las cuales el agua es un excelente solvente de los compuestos iónicos, es que en solución acuosa los iones son estabilizados por sus fuertes atracciones hacia las moléculas de agua. Esta atracción es particularmente fuerte debido a la asimetría de la distribución de carga en la molécula de agua. Cada ion está hidratado en solución acuosa, o sea unido fuertemente a un número de moléculas de agua. El protón es singular entre los iones, porque no tiene electrones. En consecuencia, el radio del H+ es sólo el radio nuclear 10-12 cm el cual es considerablemente menor que el radio atómico 10-8 cm. Por tanto, el protón en mayor grado que cualquier otro ion debe ser capaz de aproximarse e incorporarse él mismo al sistema electrónico de una molécula del solvente. En otras palabras si los iones ordinarios son hidratados, el protón debe estar más íntimamente ligado al solvente y no es correcto considerar una disociación ácida como una producción de protones “libres”. El impacto de este raciocinio sobre el problema ácido-base es el siguiente. Si el protón existe como H3O+ hidratado, no es totalmente exacto considerar que la disociación está representada por:

HCl = H+ + Cl-

Una opinión más realista es considerar que la disociación ácida es la TRANSFERENCIA de un protón del ácido al solvente:

HCl + H2O = H3O+ (ac) + Cl- (ac)

Esto sugiere a la vez que un ácido no es necesariamente una sustancia que se disocia para dar un protón, sino más bien que es una molécula capaz de transferir o de donar un protón a otra molécula. Las consideraciones que acabamos de señalar condujeron en 1923 a un concepto más general para los ácidos y las bases, llamado definición de Lowry-Bronsted.

ACIDO: Es una especie que tiene tendencia a perder o donar un protón.

BASE: Es una especie que tiene tendencia a aceptar o incorporar un protón.

De acuerdo con esto, la ionización del ácido clorhídrico se presenta con el HCl (que actúa como ácido), donando un protón al agua (que actúa como base). Con las nuevas definiciones ácido-base podemos explicar rápidamente las fallas que no eran entendidas bajo la teoría de Arrhenius:

1. - El ion hidrógeno NO se halla hidratado dentro de una solución como en el caso de los demás iones, más bien el H+ se incorpora a una molécula de agua para formar el ion hidronio (H3O+)

2. - La razón del porque el ácido 100% puro no presenta ninguna propiedad ácida a menos que se le agregue agua, se debe a la necesidad el ácido de entrar en contacto con una base para que se manifiesten sus propiedades, es decir, un ácido sólo lo es cuando hay una base dispuesta a recibirle sus protones.

3. - La nueva definición amplia el campo de los compuestos que pueden considerarse como bases y serán aquellas sustancias capaces de aceptar un ion hidrógeno (H+) independientemente de la presencia o no del radical hidróxilo. Sustancias como el radical sulfato, fosfato, carbonato, cloruro, etc., son capaces de aceptar un protón de un ácido y por lo tanto se comportan como una base.

4.- TITULACION
La titulación es una de las técnicas más comunes en la química analítica para la determinación de las concentraciones de sustancias en solución. El conocimiento de esta técnica es esencial en la química. La neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte es una de las reacciones más simples y convenientes para el estudio de los principios de la titulación. Cuando el ácido sulfúrico reacciona con el hidróxido de sodio, los iones hidrógeno del ácido son neutralizados por completo por los iones oxhidrilo de la base, produciéndose una solución de sulfato de sodio prácticamente neutra:

H2SO4 (ac) + 2NaOH (ac) = Na2SO4 (ac) + 2H2O

Cada H+ reacciona con un OH-, esto es, 1 mol de H+ neutraliza un mol de OH-. Sin embargo 1 mol de H2SO4 reacciona con 2 moles de NaOH, pues cada mol de este ácido produce 2 moles de H+. Cuando en una titulación se consume el mismo número de moles de H+ que de OH- como resultado de una reacción de neutralización, se puede decir que:

No. de moles de H+ = No. de moles de OH-

5.- LEY DE DILUCIÓN
Cuando la concentración se expresa en una escala volumétrica la cantidad de soluto contenido en un volumen determinado de la disolución es igual al producto del volumen por la concentración.

Cantidad de soluto disuelto = Volumen X Concentración

Cuando se diluye una disolución el volumen aumenta y la concentración disminuye, pero la cantidad de soluto es constante por ello dos disoluciones de diferente concentración pero que contienen las mismas cantidades de soluto están relacionadas del modo siguiente:

V1 C1 = V2 C2

Si se conocen 3 cualesquiera de la ecuación anterior, puede calcularse el cuarto. Las magnitudes en ambos miembros de la ecuación deben expresarse en las mismas unidades. Para preparar la solución patrón de NaOH no es recomendable pesar una unidad exacta de NaOH y disolverla en una cantidad predeterminada de agua pues el NaOH absorbe humedad y CO2 del aire por lo que al pesar directamente esta sustancia, se pueden causar errores considerables. Por lo tanto, se procede, a preparar una solución de la concentración aproximada pesando NaOH y disolviéndolo en la cantidad apropiada de agua.

6.- TEORÍA DE LEWIS

La teoría del comportamiento ácido-base desarrollado por Bronsted y Lowry en los trabajos de 1920 fueron para soluciones acuosas. Una teoría más general, sin embargo, fue desarrollada por Gilbert N. Lewis en los años 30. Su teoría esta basada en la compartición de un par de electrones entre un ácido y una base, en lugar de la idea de la transferencia del protón de Bronsted y Lowry.

Acido de Lewis: Es una substancia que puede aceptar un par de electrones de otro átomo para formar un nuevo enlace.

Base de Lewis: Es una sustancia que puede dar un par de electrones a otro átomo para formar un nuevo enlace.

Este medio en el cual una reacción ácido base en el sentido de Lewis, puede ocurrir si hay moléculas o iones con un par de electrones que pueden ser donados y una molécula o ion que puede aceptar un par de electrones:

A + B: = B:A
Acido + Base = Complejo.

El resultado es llamado a menudo Aducto ácido-base, o complejo. Un ejemplo simple de reacción ácido-base de Lewis es la formación del ion hidrónio desde el H+ y el agua. El ion H+ no tiene electrones de valencia, pero la molécula de agua tiene dos pares de electrones libres. Uno de los pares puede ser compartido entre el H+ y el agua, así forman un enlace O-H. Una interacción similar ocurre entre el ion H+ y el amoniaco para formar el ion amonio. Tales reacciones son muy comunes. En general, los ácidos de Lewis incluyen aquelos cationes o moléculas neutras que tienen orbitales de valencia vacíos, y las bases son aniones o moléculas neutras con un par de electrones libre.

7.- CUESTIONARIO
1. - Explicar el experimento que realizó Arrhenius en 1880 que lo llevaron a su teoría de los ácidos y las bases.

2. - ¿Cómo explicó Arrehenius el hecho de que el HCl sea un ácido fuerte y el CH3COOH sea un ácido débil?.

3. - ¿Porqué el HCl tiene la misma fuerza que el CH3COOH cuando se disuelven en alcohol y ninguno presenta carácter ácido cuando se disuelven en benceno?

4. - Si el pH de una solución es de 3.76 calcular el valor de pOH, [H+] y [OH-]

5. - Si el pH de una solución es de 11.42 calcular el valor de pOH, [H+] y [OH-]

6. - Si la concentración del ion hidronio [H+] es de 4.53 X 10-3 mol/litro; calcular cual será la concentración del ion oxidrilo [OH-], el pH y el pOH.

7. - Definir el concepto de Ácido y Base desde el punto de vista de Arrhenius y de Bronsted-Lowry dando ejemplos de compuestos ácidos y bases en cada definición.

8. - ¿Cuál será la concentración de 15 ml de ácido que fue neutralizado con 23 ml de hidróxido de sodio 0.085 Normal?

9. - ¿Cuántos ml de ácido clorhídrico concentrado de composición al 36 % en peso y densidad igual a 1.18 g/cm3, se necesitan para preparar 250 ml de solución 0.350 Normal?