Por supuesto sé que ambos orbitales 1s se combinarán y que los electrones ocuparán el OME de enlace y que los dos átomos alcanzarán un estado de energía más bajo, pero ¿cómo sabemos realmente que es el caso?
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Swinders
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Dando por sentado el comportamiento de gas ideal, podemos determinar la masa molar $M$ del gas de hidrógeno a partir de su densidad $\rho$ (que se puede medir) mediante la siguiente fórmula $$ M = {{RT\rho}\over{p}}\ \, . $$ A STP $\rho \approx 0.09 \, \mathrm{g} \, \mathrm{L}^{−1}$, por lo que el siguiente cálculo rápido es $$ M = {{8.31 \, \mathrm{L} \, \mathrm{kPa} \, \mathrm{K}^{−1} \, \mathrm{mol}^{−1} \cdot 273.15 \, \mathrm{K} \cdot 0.09 \, \mathrm{g} \, \mathrm{L}^{-1}}\over{101.325 \, \mathrm{kPa}}}\ = 2.02 \, \mathrm{g} \, \mathrm{mol}^{−1} \, . $$
muestra que $M$ está efectivamente cerca de 2 g/mol, lo que significa que el gas de hidrógeno consiste en moléculas de $\ce{H2}$ en lugar de átomos de $\ce{H}$
Dylan Beattie
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Creo que también estás haciendo una pregunta histórica. Esto proviene en gran medida de una pregunta similar sobre cómo obtenemos la tabla periódica moderna y las masas atómicas. La Chemical Heritage Foundation tiene un buen resumen.
En mi opinión, el gran avance aquí se debió a John Dalton (la página de Wikipedia también es buena).
Dalton realmente impulsó la teoría atómica hacia las fórmulas moleculares. En ese momento, sabían, a partir de varios análisis, las diversas composiciones: hay 8 veces la masa de oxígeno en el agua que la de hidrógeno. Por lo tanto, Dalton razonó que si todo está hecho de átomos, deben combinarse para formar diferentes compuestos (moléculas) en proporciones de números enteros. Por ejemplo, si un átomo no puede dividirse, no podemos tener $H_{1.5}O$ – eso violaría la idea de átomos indivisibles.
Así que él supuso y razonó a través de los diferentes compuestos y composiciones conocidos y publicó una tabla de masas atómicas. Como se mencionó anteriormente, se equivocó en algunas cosas, asumiendo $\ce{HO}$ en lugar de $\ce{H2O}$, etc. Pero puedes hacer un razonamiento bastante bueno del ley de las proporciones múltiples para determinar la estequiometría.
Avogadro fue el siguiente paso. Razonó que volúmenes iguales de gases deberían tener el mismo número de moléculas. Entonces, si pesas volúmenes iguales, puedes obtener la masa (molar). Desafortunadamente, su trabajo fue en gran medida ignorado. (Nota interesante, Loschmidt es en realidad la persona que calculó $N_A$, no Avogadro.)
Otras personas, notablemente Cannizzaro, ayudaron a clarificar y expandir el trabajo de Avogadro en el Congreso de Karlsruhe.
Avogadro creía que la mayoría de los gases eran binarios, es decir, $\ce{H2, O2, N2}$ y no $\ce{H, O, N}$ como asumía Dalton.
Así que si mides cuidadosamente la reacción del gas de hidrógeno y el gas de oxígeno para obtener agua, te das cuenta de que es $\ce{H2O}$ basado en las proporciones, y luego las masas atómicas encajan en su lugar.
Obtenemos una prueba adicional de $\ce{H2}$ a partir de otros compuestos. El bicarbonato de sodio claramente tiene una pequeña cantidad de hidrógeno y puedes calcular $\ce{NaHCO3}$.
En resumen, todo esto requirió a muchas personas y muchas mediciones y deducciones cuidadosas. Pero la ley de las proporciones múltiples y la teoría de Avogadro eventualmente te darán $\ce{H2}$.
