Determinarea masei atomice relative şi zorii analizei. Începuturile teoriei atomice

Conservarea masei în reacţiile chimice a fost integrată noţional de Lomonosov, Lavoisier, Gay-Lussac (două volume de apă dintr-un volum de oxigen, pentru că moleculele gazelor sunt diatomice). Constanţa proporţiilor a fost enunţată de Proust, Jeremias Richter, Dalton, şi putea fi explicată prin interacţiuni la nivelul atomilor. Hidrogenul fiind elementul din care era suficientă cantitatea cea mai mică pentru a reacţiona, a fost recunoscut ca elementul cel mai uşor şi luat ca unitate de masă; inconvenientele sunt că nu toate elementele reacţionează în raporturi de unu la unu, şi că unele mase atomice nu sunt numere întregi (adică multipli ai etalonului de masă). De ex., Dalton a calculat un număr ce corespunde numărului atomic al oxigenului, crezând, însă, că află greutatea atomică (numărul atomic e numai numărul protonilor).
‘Noul sistem de filozofie chimică’ al lui John Dalton identifică elementul chimic drept atom, postulând identitatea atomică a elementelor.
Pornind de la rezultatele lui Gay-Lussac (proporţiile de masă simple ale gazelor: volumele reactanţilor şi ale produşilor, pentru gaze, sunt în raporturi care sunt numere întregi, însă şi pretinsa anomalie a ‘dublării’ volumului vaporilor de apă), Avogadro a concluzionat că un acelaşi volum din orice gaz conţine acelaşi număr de atomi din gazul respectiv, cu alte cuvinte distribuţia spaţială a atomilor de gaz e aceeaşi, independentă de greutatea, implicit de dimensiunea atomilor. (Uneori sunt raportate cantităţile, alteori, volumele. Discutând aceste raporturi, cantităţile de masă nu trebuie confundate cu volumele; se poate scrie şi ‘o parte de oxigen la o parte de hidrogen’, cu întâia fiind de opt ori mai grea. Gay-Lussac analizase proporţiile volumelor. Avogadro corela volumul cu numărul de molecule. ‘Proporţiile simple’ au fost descrise mai întâi pentru volume.)
Berzelius, al doilea părinte al chimiei, a determinat şi publicat greutăţile atomice ale unor elemente. A publicat tabelul de greutăţi atomice, pentru 54 de elemente, în 1826. A propus clasificarea mineralelor după compoziţia lor chimică.
E legitim să adresăm noţiunilor curente ale chimiei, chimia aşa cum e înţeleasă de obicei, câteva întrebări. Discutarea acestor noţiuni pretinde menţionarea câtorva nume: Lavoisier, Dalton, Avogadro, Berzelius. Dalton era cu 23 de ani mai tânăr decât Lavoisier. Avogadro era cu un deceniu mai tânăr decât Dalton, iar Berzelius, cu 13 ani. Lavoisier s-a născut în 1743, iar Berzelius, în 1779.
Determinarea masei atomice relative e precedată de izolarea elementului. În zorii analizei s-au afirmat Lavoisier şi Klaproth, instaurând epoca analizei chimice, care a fost întâia metodă de cunoaştere a elementelor; spectrometrul a fost inventat în 1912, iar cercetătorii sec. XIX, până la Morley inclusiv, au utilizat metodele chimice. Purificarea reactivilor trebuia efectuată prin protocoale standardizate.
Avogadro a publicat ‘Determinarea maselor relative ale moleculelor elementare ale corpurilor, şi a proporţiilor în care intră …’ în 1811. Unul din principiile enunţate e acela că volume egale de gaz conţin numere egale de molecule; cu alte cuvinte, a corelat greutatea moleculelor cu densitatea gazului. Al doilea este ipoteza diatomică, explicând aparentul paradox al volumelor de gaz. Legătura covalentă (descrisă abia în 1916 şi denumită în 1919) contrazicea ideile epocii referitoare la legătură. De ex., Berzelius înţelegea combinaţia chimică drept neutralizarea reciprocă a sarcinilor, ceea ce excludea posibilitatea ca atomii unui acelaşi element să formeze legături, şi prescria numai molecule monoatomice. Comunicarea lui Avogadro are un ton respectuos la adresa lui Gay-Lussac, însă polemic la adresa lui Dalton, ceea ce e suficient pentru a explica vicisitudinile succesului ideilor enunţate. De fapt, italianul prelua de la englez numai ceea ce era viabil: ideea atomilor. Eşafodajul teoretic laborios e negat.
Excurs despre atomul cubic. Ajungând de la determinarea masei atomului la capodopera lui Avogadro, ‘Determinarea maselor relative …’, de la aceasta la legătura atomilor identici, la covalenţă şi Langmuir, sosim la teoria atomului cubic, a lui Lewis. Ideile referitoare la valenţă sunt corelate cu un model atomic cubic, cu electronii dintr-un strat dispuşi simetric în colţurile unui cub sau în perechi în colţurile unui tetraedru; Lewis argumenta în 1916 că datele fizice sunt neconcludente. Langmuir rezumă concluziile lui Lewis: ‘electronii din atomi sunt în mod normal staţionari’ (cf. Irving Langmuir, ‘Aranjarea electronilor în atomi şi molecule’, 1919). Prin urmare, faptele chimice impun un model al atomului diferit de cel propus de fizicieni. Ideea lui Langmuir era că teoria structurii atomului trebuie întemeiată pe proprietăţile şi relaţiile chimice. Modelul chimic al atomului corespunde exigenţelor impuse de faptele chimice cunoscute. Ca atare, modelul fizicii clasice e ignorat, ca arbitrar. Datele fizicii experimentale sunt decretate insuficiente şi neconcludente.
Diametrul atomului e aproximativ 10 [-8] cm..
Jöns Berzelius, elev al lui Dalton, a măsurat greutăţile a 43 de elemente. Elementele se combină întotdeauna în proporţii de numere întregi (trebuie indicată diferenţa dintre raporturi de volume, şi raporturi de cantităţi; abia studiul gazelor a ocazionat corelarea cantităţilor cu numărul de atomi, prin intermediul volumelor, adică a ocazionat caracterizarea unităţii esenţiale în vehicularea unui element, atomul). Raportul greutăţilor elementelor care se combină e invariabil.
Greutatea atomică e media maselor tuturor izotopilor naturali ai unui element. Masa atomică e masa unui izotop.
Modelul fizic clasic al atomului ar părea să implice implozia atomului, instabilitatea lui din cauza tendinţei sarcinilor de a se anula reciproc. Popularizarea cuanticii, cuantica tâlcuită propune reprezentarea ‘unui fel de nor electronic’. Electronul e o condensare vremelnică dată de investigare. Electronul hidrogenului e o sferă, un nor sferic. Dar proprietăţile cuantice sunt neintuitive. (Probabil că nimic ‘fizic’ nu intervine în măsurătorile cuantice, naraţiunea utilizează metafore inadecvate; nimic nu ‘intervine’ să măsoare poziţia sau mişcarea, nimic detectabil de către prezumtivul ‘nor insesizabil în sine’, ‘norul nedefinibil’.)
În cuantică, orbitalii sunt distribuţii probabilistice tridimensionale. Cuantica nu oferă o reprezentare a dinamicii electronului în atom, totuşi îi recunoaşte o viteză de deplasare (în modelul Bohr, electronii hidrogenului se rotesc); ‘electronii există ca funcţii de undă’. În atomul de hidrogen, electronul are viteza de 2 mil. m/s (2200 mii km/s). Electronii uraniului au viteze mult mai mari.

Lavoisier enumera ca elemente oxigenul, azotul (radicalul nitric), hidrogenul, fosforul, mercurul, zincul, sulful, etc.; studiind tabelul nomenclaturii chimice din 1787, observăm că întâia coloană le revine elementelor: baze acidifiabile, şaptesprezece substanţe metalice, cinci pământuri, trei alcalii (inclusiv amoniacul). Chimiştii trebuiau să deosbească izolarea/purificarea unui element, de formarea de compuşi, intrarea lui în combinaţii. Pentru Lavoisier, elementul e substanţa simplă care nu poate fi descompusă ‘prin nicio metodă cunoscută’.