Los gases nobles



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El rompecabezas de Rayleigh


Pero esto no constituía todo el trabajo de Rayleigh. También había medido la densidad del nitrógeno, y, salvo por un detalle, pudo haber informado que su densidad era catorce veces ligeramente inferior a la del hidrógeno, de modo que los átomos de nitrógeno no podían estar formados por átomos de hidrógeno, ni tampoco los átomos de oxígeno.

El detalle que le detenía versaba en torno a la pureza del nitrógeno que empleaba. Rayleigh, al medir sus densidades, empleaba muestras de gas que preparaba con diferentes métodos. Su razonamiento radicaba en que, cuando preparaba un gas, éste podía contener una impureza con una particular densidad propia que cambiaría levemente la exacta densidad absoluta del gas. Esta impureza podía aparecer a causa del método particular de preparación. Si preparaba el mismo gas de tres modos distintos, podía haber tres impurezas diferentes y tres densidades absolutas diferentes. Por otra parte, si el mismo gas, elaborado según métodos distintos tenía siempre precisamente la misma densidad, ésta era una sólida evidencia para suponer que no estaba presente ningún rastro perceptible de impurezas.

En los casos del oxígeno y del hidrógeno, Rayleigh no se encontró con dificultades. El hidrógeno, cuidadosamente preparado de muy distintas maneras, siempre daba la misma densidad, y lo mismo sucedía con el oxígeno.

Sin embargo, no pasaba lo mismo con el nitrógeno. En un caso, Rayleigh había obtenido nitrógeno de aire seco, filtrado, del cual había sido eliminado el oxígeno mediante el procedimiento de hacerlo pasar sobre cobre al rojo vivo. Todo el oxígeno se combinó con el cobre mientras el nitrógeno, intacto, pasó de largo. Podemos llamar a este gas «nitrógeno atmosférico».

También había preparado nitrógeno de este modo, tras añadir una cantidad de amoníaco al aire. El amoniaco es un gas formado por una combinación de nitrógeno e hidrógeno. En presencia de cobre al rojo vivo, los átomos de hidrógeno del amoníaco son eliminados a la vez que el oxígeno del aire, y el nitrógeno que resulta procede en parte del aire y en parte del amoníaco. Nos referiremos a éste como «nitrógeno amoniacal», aunque, parcialmente, proceda también del aire.

En teoría, el nitrógeno atmosférico y el nitrógeno amoniacal deberían tener la misma densidad. Al fin y al cabo, el nitrógeno es nitrógeno.

No obstante, los meticulosos cálculos de Rayleigh demostraron que el nitrógeno amoniacal era característicamente menos denso que el nitrógeno atmosférico, casi un 0,1% menos denso.

Una discrepancia de sólo un 0,1% no es excesiva, pero era demasiado importante para que Rayleigh la pasara por alto. El cuidado con que hacía sus mediciones era tan grande que una diferencia de esta magnitud no tenía razón de aparecer; no la había en el caso del hidrógeno y del oxígeno. Sin embargo, por más que repetía el experimento, Rayleigh obtenía siempre los mismos resultados: el nitrógeno amoniacal era claramente menos denso que el nitrógeno atmosférico.

Rayleigh pensó cuatro posibles explicaciones.

Primera: ¿Era posible que el nitrógeno atmosférico todavía contuviese algo de oxígeno? El oxígeno es un poco más denso que el nitrógeno atmosférico. Pero el oxígeno tan sólo era ligeramente más denso que el nitrógeno; para elevar la densidad en 0,1, tendría que estar presente una cantidad considerable de oxígeno, casi el 1% del gas total. Esto sería suficiente para que con suma facilidad se descubriera su presencia y también para que pudiera ser eliminado. Sin embargo, no se descubría ninguna impureza de oxígeno. ¡Eliminada esta posibilidad!

Segunda: ¿Era posible que el nitrógeno amoniacal todavía contuviese algo de hidrógeno? El hidrógeno era menos denso que el nitrógeno y, en consecuencia, de estar presente, reduciría la densidad del nitrógeno amoniacal. Por añadidura, el hidrógeno era considerablemente menos denso que el nitrógeno, por lo que se requeriría mucho esfuerzo para rebajar la densidad en la cantidad requerida. Incluso así, la cantidad precisa era demasiado grande. El hidrógeno podía ser descubierto fácilmente y eliminado incluso en las pequeñas cantidades necesarias para explicar la discrepancia, pero no era detectado. Simplemente, no estaba presente. Eliminada la segunda posibilidad.

La tercera posibilidad exige una pequeña explicación preliminar. Los gases (nitrógeno, hidrógeno y oxígeno) no están constituidos por átomos simples y separados, sino que los átomos de estos gases muestran gran tendencia a combinarse con otras clases de átomos; si no están presentes otras clases de átomos, entonces se combinan entre sí.

Las combinaciones de átomos se llaman moléculas. Dado que los átomos de hidrógeno se combinan por parejas, el hidrógeno gaseoso está compuesto realmente de moléculas de hidrógeno, cada una formada por una pareja de átomos de hidrógeno. Del mismo modo, el oxígeno y el nitrógeno están formados por moléculas de oxígeno y moléculas de nitrógeno, con ambos grupos de moléculas constituidos por parejas de átomos.

Es habitual entre los químicos representar los átomos de los elementos hidrógeno, oxígeno y nitrógeno mediante sus letras iniciales H, O y N, respectivamente. Las correspondientes moléculas, formadas por dos átomos cada una, quedan representadas por H2, O2, N2.

Sucede también que, en determinadas condiciones, los átomos de oxígeno pueden ser colocados juntos tres a la vez, para formar una molécula representada por O3. Estas moléculas constituyen el gas ozono, el cual, como se ve, es una forma de oxígeno.

El ozono contiene una cantidad más elevada de energía que el oxígeno corriente; dejándole actuar por su cuenta, muestra tendencia a disociarse de nuevo en oxígeno corriente. Es difícil constreñir este tercer átomo dentro de la molécula. Un modo de conseguirlo es empleando chispas eléctricas que pasan a través de oxígeno. La energía eléctrica impulsa a que se reúnan tres átomos, de oxígeno del mismo modo que Cavendish hacía para que se juntaran átomos de nitrógeno y átomos de oxígeno.

Consideremos ahora el ozono (O3) y el oxígeno corriente (O2). Los químicos tienen buenas razones para creer que el mismo número de moléculas ocupan el mismo volumen en el caso de ambos gases (de hecho, en el caso de todos los gases), en condiciones equivalentes de temperatura y presión. No obstante, las moléculas de ozono contienen una mitad más como tantos átomos componen las moléculas de oxígeno. Por cada 100 átomos de oxígeno en un volumen determinado de oxígeno (50 O2 moléculas), hay 150 átomos de oxígeno en el mismo volumen de ozono (50 O3 moléculas). En consecuencia, la densidad del ozono debería ser una mitad más elevada que la del oxígeno y, al medirla, se demuestra que éste es realmente el caso.

Ahora ya estamos dispuestos a contemplar la tercera posibilidad de Rayleigh.

Tercera: ¿Y si el nitrógeno también forma moléculas de tres átomos (N3) y si un resto de N3 estuviese presente en el nitrógeno atmosférico, pero no en el nitrógeno amoniacal? Puesto que cabe suponer que el N3 sea la mitad más denso que el N2, ¿su presencia elevaría la densidad del nitrógeno atmosférico en la cantidad necesaria?

Pero ¿por qué el N3 aparece solamente en el nitrógeno atmosférico y no en el nitrógeno amoniacal? Al parecer, no había una explicación razonable para ello, y no servía de nada sustituir un rompecabezas por otro. Después, también, había buenas razones para suponer que el N3 no sería más estable que el O3; de hecho, casi con seguridad menos estable. Esto significa que el N3 debería reducirse hasta el N2 estable, y con suma rapidez, y que la densidad del nitrógeno atmosférico debería disminuir con el tiempo. Pero ¡esto no sucedió!

Rayleigh también intentó resolver el problema desde otro ángulo. Las descargas eléctricas que pasaran a través de nitrógeno deberían formar N3, si es que tal gas existía, del mismo modo que al pasar a través del oxígeno formaban O3. La densidad del nitrógeno debería incrementarse si a través de él pasaban chispas eléctricas durante largo rato. ¡Pero no fue así!

Rayleigh decidió que no había pruebas en absoluto de la existencia del N3, y mucho menos del nitrógeno atmosférico. Eliminada la tercera posibilidad.

Cuarta: Era posible que algunas de las moléculas de nitrógeno en el nitrógeno amoniacal se transformasen en nitrógeno atómico: es decir, nitrógeno constituido por átomos aislados de nitrógeno; y que esto no sucediera en el nitrógeno atmosférico. Un conjunto de nitrógeno atómico (N) sería, naturalmente, la mitad de denso que el nitrógeno corriente (N2) y si estuviera presente en pequeñas cantidades en el nitrógeno amoniacal podría fácilmente reducir su densidad en la cantidad necesaria.

Pero, ¿por qué las moléculas de nitrógeno tenían que fragmentarse en nitrógeno atómico y no en nitrógeno atmosférico? Era conocido que no existían átomos de nitrógeno individuales considerados como tales cualquiera que fuese la duración del tiempo. Se unen rápidamente para formar moléculas de nitrógeno. Esto significaba que la densidad del nitrógeno amoniacal debía elevarse con el tiempo, pero no lo hacía. Eliminada la cuarta posibilidad.

Mientras Rayleigh iba eliminando todas las posibilidades, consiguió aumentar la discrepancia, pero redujo la naturaleza del problema.

Recordemos que lo que estoy llamando nitrógeno amoniacal era un preparado de amoniaco mezclado con aire. Rayleigh pensó: ¿y si empleara solamente amoniaco? Conseguiría entonces obtener nitrógeno amoniacal puro y quedaría eliminado cualquier contaminante más denso de nitrógeno atmosférico. ¿Esto no haría mayor la diferencia de densidad?

Y precisamente fue éste el resultado que obtuvo. Cuando preparó nitrógeno amoniacal puro, descubrió que su densidad era casi un 0,5% inferior a la del nitrógeno atmosférico. ¡Casi un medio por ciento! ¡Insoportable!

Rayleigh continuó preparando nitrógeno partiendo de diversos productos químicos y encontró que el nitrógeno obtenido de esta forma siempre tenía casi exactamente la densidad del nitrógeno amoniacal puro.

Tan sólo el nitrógeno atmosférico destacaba del resto. Era claramente más denso que cualquier otra forma de nitrógeno preparado con cualquier otra sustancia que no fuese la atmósfera. Entonces, Rayleigh quedó convencido de que la explicación, cualquiera que fuese, radicaba en la atmósfera. Pero esto no le ayudó a llegar más cerca de la solución.



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