La clave fue la observación de que los gases a la misma temperatura y presión se combinan para formar compuestos en proporciones enteras de volúmenes. Se entendió de inmediato que esto significa que volúmenes iguales de gas ideal a la misma temperatura y presión tienen el mismo número de átomos, y las proporciones enteras son los átomos que se unen como tinkertoys. Fueron los químicos, como Avogadro y Dalton, y otras personas de la ley del gas, como Boyle, etc., quienes establecieron esto a principios del siglo XIX.
La física de esto se aclaró cuando los físicos demostraron que pequeñas partículas puntuales que obedecen la ley de Newton obedecerían a la relación de que PV = CN , donde es la energía cinética promedio y C es una constante que depende del tipo de gas. . Esto fue por la forma en que las partículas rebotan en las paredes. Era natural identificar la energía cinética media con un múltiplo de la temperatura, y el coeficiente era el calor específico.
La suposición de que los gases H2 O2 no eran en realidad átomos individuales, sino que en realidad estaban hechos de dos átomos cada uno daba el calor específico adecuado, al menos a temperatura ambiente. A temperatura fría, el calor específico bajó y nadie supo por qué, lo que llevó a algunas personas a decir que los átomos eran basura (deberían haberlo sabido mejor). Maxwell señaló esta discrepancia alrededor de 1870, solo fue resuelta por Einstein y Debye (para sólidos, pero la extensión a los gases era obvia) usando la nueva mecánica cuántica de Planck-Wien en 1906.
La proporción para la producción de agua fue de un volumen de gas de oxígeno a dos volúmenes de gas de hidrógeno (ambos son dos átomos cada uno, pero como ambos son dos átomos por molécula, no importa). Así que la suposición más simple es que el agua es H2O. Pero a partir de esto, también puede sospechar que tal vez el agua sea H4O2 o H6O3, y así sucesivamente. Para ver que no es así, primero debe notar que una cierta cantidad de carbono y oxígeno se combinan para producir CO2, y al contar el oxígeno extraído, podría averiguar qué es un mol de carbono. También puede combinar Carbono e Hidrógeno para producir CH4, y así sucesivamente, y dado que siempre es algo discreto lo que está descubriendo, finalmente obtendrá la respuesta correcta (de nuevo, hasta una ambigüedad de duplicación, tal vez siempre sea C2O4. Los químicos adivinado correctamente que para las transformaciones más simples, es el entero atómico más simple compatible con los datos.)
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Probablemente no estoy obteniendo las moléculas simples exactas en esta historia, pero este es el sabor. La ley de electrólisis de Faraday también era importante, las relaciones molares de los elementos depositados en diferentes electrodos revelaron la carga en cada ion en solución de la ley de electrólisis.
Luego, los químicos comenzaron a expandir su conocimiento de manera consistente, pasando de fórmulas químicas conocidas, teniendo una reacción y viendo lo que sale. De esta manera, eventualmente obtuvieron sustancias para las que ya sabían la fórmula y extendieron el conocimiento mediante este método de prueba y error. Un programa importante fue el esclarecimiento de la fórmula para las cadenas de hidrocarburos, quemándolas y viendo cuánto CO2 y H2O se emitían, por lo que eran cadenas lineales. Luego, el gran avance fue la estructura del benceno, que se dio cuenta de que el benceno tenía que ser un anillo, ya que podría dividirse en polímeros de carbono de seis cadenas, siempre lo mismo, sin importar qué carbono fue atacado.
Los físicos desconfiaban de este método, ya que requería conocer cientos de experimentos, era difícil verificarlo independientemente de la comunidad de químicos. Luego llegó la mecánica cuántica, y los químicos físicos como Pauling en 1927 podían predecir la unión de los átomos más o menos a partir de la configuración electrónica, y luego los físicos terminaron simplemente verificando que los químicos sabían de qué estaban hablando. ¡Los químicos incluso sabían los ángulos de enlace correctos, de las formas de los cristales macroscópicos! Por ejemplo, sabían que el enlace carbono-hidrógeno en CH4 era tetraédrico, lo cual era importante para Pauling a la hora de concebir la teoría de la hibridación SP que es la base del enlace tetraédrico.
La mecánica cuántica estableció la geometría precisa del ángulo de enlace y las distancias interatómicas; luego, la difracción de rayos X permitió a los físicos verificar la teoría mediante una imagen directa de las posiciones de todos los átomos en un cristal, desde la forma en que los rayos X difractan.
Los químicos se ven muy bien en esta historia, lograron hacer las inferencias correctas exactas de datos realmente escasos que solo indirectamente les dieron una imagen de lo que estaba sucediendo.