Gilbert Newton Lewis ForMemRS [1] (23 de octubre [2] [3] [4] o 25 de octubre de 1875 - 23 de marzo de 1946) [1] [5] [6] fue un químico físico estadounidense y decano de la facultad de química de la Universidad de California, Berkeley . [3] [7] Lewis fue más conocido por su descubrimiento del enlace covalente y su concepto de pares de electrones ; sus estructuras de puntos de Lewis y otras contribuciones a la teoría del enlace de valencia han dado forma a las teorías modernas del enlace químico . Lewis contribuyó con éxito a la termodinámica química , la fotoquímica y la separación de isótopos , y también es conocido por su concepto de ácidos y bases . [8] Lewis también investigó sobre la relatividad y la física cuántica , y en 1926 acuñó el término " fotón " para la unidad más pequeña de energía radiante. [9] [10]
GN Lewis nació en 1875 en Weymouth, Massachusetts . Después de recibir su doctorado en química de la Universidad de Harvard y estudiar en el extranjero en Alemania y Filipinas , Lewis se mudó a California en 1912 para enseñar química en la Universidad de California, Berkeley, donde se convirtió en el decano de la facultad de química y pasó el resto de su vida. [3] [11] Como profesor, incorporó principios termodinámicos en el plan de estudios de química y reformó la termodinámica química de una manera matemáticamente rigurosa accesible para los químicos comunes. Comenzó a medir los valores de energía libre relacionados con varios procesos químicos, tanto orgánicos como inorgánicos. En 1916, también propuso su teoría de enlaces y agregó información sobre los electrones en la tabla periódica de los elementos químicos . En 1933, comenzó su investigación sobre la separación de isótopos. Lewis trabajó con hidrógeno y logró purificar una muestra de agua pesada . Luego se le ocurrió su teoría de ácidos y bases, y trabajó en fotoquímica durante los últimos años de su vida.
Aunque fue nominado 41 veces, GN Lewis nunca ganó el Premio Nobel de Química , lo que resultó en una gran controversia sobre el Premio Nobel . [12] [4] [13] [14] [15] Por otro lado, Lewis fue mentor e influyó en numerosos premios Nobel en Berkeley, incluidos Harold Urey (Premio Nobel de 1934), William F. Giauque (Premio Nobel de 1949), Glenn T. Seaborg (Premio Nobel de 1951), Willard Libby (Premio Nobel de 1960), Melvin Calvin (Premio Nobel de 1961) y así sucesivamente, convirtiendo a Berkeley en uno de los centros de química más prestigiosos del mundo. [16] [17] [18] [19] [20] El 23 de marzo de 1946, Lewis fue encontrado muerto en su laboratorio de Berkeley donde había estado trabajando con cianuro de hidrógeno ; muchos postularon que la causa de su muerte fue el suicidio. [13] Después de la muerte de Lewis, sus hijos siguieron la carrera de su padre en química, y el Lewis Hall en el campus de Berkeley lleva su nombre. [11]
Lewis nació en 1875 y se crió en Weymouth, Massachusetts , donde existe una calle que lleva su nombre, GN Lewis Way, junto a Summer Street. Además, el ala del nuevo departamento de química de la escuela secundaria de Weymouth lleva su nombre en su honor. Lewis recibió su educación primaria en casa de sus padres, Frank Wesley Lewis, un abogado de carácter independiente, y Mary Burr White Lewis. Leía a los tres años y era intelectualmente precoz. En 1884 su familia se mudó a Lincoln, Nebraska , y en 1889 recibió su primera educación formal en la escuela preparatoria universitaria.
En 1893, después de dos años en la Universidad de Nebraska , Lewis se trasladó a la Universidad de Harvard , donde obtuvo su licenciatura en 1896. Después de un año de docencia en la Academia Phillips en Andover , Lewis regresó a Harvard para estudiar con el químico físico T. W. Richards y obtuvo su doctorado en 1899 con una disertación sobre potenciales electroquímicos . [21] [22] Después de un año de docencia en Harvard, Lewis tomó una beca de viaje a Alemania, el centro de la química física , y estudió con Walther Nernst en Gotinga y con Wilhelm Ostwald en Leipzig . [23] Mientras trabajaba en el laboratorio de Nernst, Lewis aparentemente desarrolló una enemistad de por vida con Nernst. En los años siguientes, Lewis comenzó a criticar y denunciar a su antiguo maestro en muchas ocasiones, llamando al trabajo de Nernst sobre su teorema del calor " un episodio lamentable en la historia de la química ". [24] Un amigo sueco de Nernst, Wilhelm Palmær, fue miembro del Comité Nobel de Química. Hay pruebas de que utilizó los procedimientos de nominación e informe del Nobel para bloquear un Premio Nobel para Lewis en termodinámica al nominar a Lewis para el premio tres veces y luego usar su posición como miembro del comité para escribir informes negativos. [25]
Después de su estancia en el laboratorio de Nernst, Lewis regresó a Harvard en 1901 como instructor durante tres años más. Fue nombrado instructor de termodinámica y electroquímica . En 1904, Lewis obtuvo una licencia y se convirtió en superintendente de pesos y medidas de la Oficina de Ciencias en Manila , Filipinas . Al año siguiente regresó a Cambridge, Massachusetts , cuando el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) lo nombró para un puesto de profesor, en el que tuvo la oportunidad de unirse a un grupo de destacados químicos físicos bajo la dirección de Arthur Amos Noyes . Se convirtió en profesor asistente en 1907, profesor asociado en 1908 y profesor titular en 1911.
GN Lewis dejó el MIT en 1912 para convertirse en profesor de química física y decano de la Facultad de Química de la Universidad de California, Berkeley . [14] [16] El 21 de junio de 1912, se casó con Mary Hinckley Sheldon, hija de un profesor de lenguas romances de Harvard . Tuvieron dos hijos, ambos profesores de química, y una hija. En 1913, se unió a Alpha Chi Sigma en Berkeley, la fraternidad profesional de químicos. [26]
Los estudiantes de posgrado de Lewis en Berkeley tuvieron un éxito excepcional con el Comité Nobel . 14 premios Nobel fueron otorgados finalmente a los hombres que tomó como estudiantes. [27] Los más conocidos de estos incluyen a Harold Urey (Premio Nobel de 1934), William F. Giauque (Premio Nobel de 1949), Glenn T. Seaborg (Premio Nobel de 1951), Willard Libby (Premio Nobel de 1960), Melvin Calvin (Premio Nobel de 1961). [16] [17] [18] Debido a sus esfuerzos, la facultad de química de Berkeley se convirtió en uno de los mejores centros de química del mundo. [16] [19]
Mientras estuvo en Berkeley, también negó la entrada a las mujeres, incluso impidiendo que Margaret Melhase realizara estudios de posgrado. [28] [29] Melhase había co-descubierto previamente el cesio-137 con Seaborg como estudiante de pregrado. En 1913, fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias . [30] Fue elegido miembro de la Sociedad Filosófica Estadounidense en 1918. [31] Renunció en 1934, negándose a indicar la causa de su renuncia; se ha especulado que se debió a una disputa sobre la política interna de esa institución o al fracaso de los que él había nominado para ser elegidos. Su decisión de renunciar también puede haber sido provocada por su resentimiento por la concesión del Premio Nobel de Química de 1934 a su estudiante, Harold Urey , por su aislamiento de deuterio en 1931 y la confirmación de su espectro . Este fue un premio que Lewis casi con certeza sintió que debería haber compartido por sus esfuerzos para purificar y caracterizar el agua pesada . [32]
El 23 de marzo de 1946, [33] un estudiante de posgrado encontró el cuerpo sin vida de Lewis debajo de un banco de trabajo de laboratorio en Berkeley. Lewis había estado trabajando en un experimento con cianuro de hidrógeno líquido , y los humos letales de una línea rota se habían filtrado al laboratorio. El forense dictaminó que la causa de la muerte fue una enfermedad de la arteria coronaria , debido a la falta de signos de cianosis, [34] pero algunos creen que pudo haber sido un suicidio. El profesor emérito de Berkeley William Jolly, quien informó sobre las diversas opiniones sobre la muerte de Lewis en su historia de 1987 de la Facultad de Química de UC Berkeley, From Retorts to Lasers , escribió que un superior del departamento creía que Lewis se había suicidado. [13]
Si la muerte de Lewis fue efectivamente un suicidio, una posible explicación fue la depresión provocada por un almuerzo con Irving Langmuir . Langmuir y Lewis tenían una larga rivalidad, que se remonta a las extensiones de Langmuir de la teoría de Lewis del enlace químico. Langmuir había sido galardonado con el Premio Nobel de Química de 1932 por su trabajo en química de superficies , mientras que Lewis no había recibido el Premio a pesar de haber sido nominado 41 veces. [12] El día de la muerte de Lewis, Langmuir y Lewis se habían reunido para almorzar en Berkeley, una reunión que Michael Kasha recordó solo años después. [34] Los asociados informaron que Lewis regresó del almuerzo de mal humor, jugó una partida de bridge malhumorada con algunos colegas y luego regresó a trabajar en su laboratorio. Una hora después, fue encontrado muerto. Los documentos de Langmuir en la Biblioteca del Congreso confirman que había estado en el campus de Berkeley ese día para recibir un título honorífico.
El Lewis Hall de Berkeley, construido en 1948, lleva su nombre en su honor. [11]
La mayoría de los intereses duraderos de Lewis se originaron durante sus años en Harvard. El más importante fue la termodinámica, un tema en el que Richards era muy activo en ese momento. Aunque la mayoría de las relaciones termodinámicas importantes se conocían en 1895, se consideraban ecuaciones aisladas y aún no se habían racionalizado como un sistema lógico del que, dada una relación, se pudieran derivar el resto. Además, estas relaciones eran inexactas y se aplicaban solo a sistemas químicos ideales. Éstos eran dos problemas destacados de la termodinámica teórica. En dos largos y ambiciosos artículos teóricos de 1900 y 1901, Lewis intentó proporcionar una solución. Lewis introdujo el concepto termodinámico de actividad y acuñó el término " fugacidad ". [35] [36] [37] Su nueva idea de fugacidad, o "tendencia de escape", [38] era una función con las dimensiones de la presión que expresaba la tendencia de una sustancia a pasar de una fase química a otra. Lewis creía que la fugacidad era el principio fundamental del que se podía derivar un sistema de relaciones termodinámicas reales. Esta esperanza no se hizo realidad, aunque la fugacidad encontró un lugar duradero en la descripción de los gases reales.
Los primeros trabajos de Lewis también revelan un conocimiento inusualmente avanzado de las ideas de J. W. Gibbs y P. Duhem sobre la energía libre y el potencial termodinámico . Estas ideas eran bien conocidas por los físicos y los matemáticos, pero no por la mayoría de los químicos prácticos, que las consideraban abstrusas e inaplicables a los sistemas químicos. La mayoría de los químicos se basaban en la conocida termodinámica del calor (entalpía) de Berthelot , Ostwald y Van 't Hoff , y en la escuela calorimétrica . El calor de reacción no es, por supuesto, una medida de la tendencia a que se produzcan los cambios químicos, y Lewis se dio cuenta de que solo la energía libre y la entropía podían proporcionar una termodinámica química exacta. Derivó la energía libre a partir de la fugacidad; intentó, sin éxito, obtener una expresión exacta para la función de entropía , que en 1901 no había sido definida a bajas temperaturas. Richards también lo intentó y fracasó, y hasta que Nernst no lo logró en 1907 no fue posible calcular las entropías de forma inequívoca. Aunque el sistema de Lewis basado en la fugacidad no perduró, su interés temprano en la energía libre y la entropía resultó muy fructífero, y gran parte de su carrera estuvo dedicada a hacer que estos conceptos útiles fueran accesibles a los químicos prácticos.
En Harvard, Lewis también escribió un artículo teórico sobre la termodinámica de la radiación del cuerpo negro en el que postuló que la luz tiene una presión. Más tarde reveló que sus colegas mayores y más conservadores lo habían disuadido de seguir con esta idea, ya que no sabían que Wilhelm Wien y otros estaban siguiendo con éxito la misma línea de pensamiento. El artículo de Lewis permaneció inédito; pero su interés en la radiación y la teoría cuántica , y (más tarde) en la relatividad , surgió de este esfuerzo temprano y abortado. Desde el comienzo de su carrera, Lewis se consideró a sí mismo químico y físico.
Hacia 1902, Lewis comenzó a utilizar dibujos inéditos de átomos cúbicos en sus notas de clase, en los que los vértices del cubo representaban posibles posiciones de los electrones . Lewis citó posteriormente estas notas en su artículo clásico de 1916 sobre el enlace químico, como la primera expresión de sus ideas.
Un tercer interés importante que surgió durante los años de Lewis en Harvard fue su teoría de la valencia. En 1902, mientras intentaba explicar las leyes de la valencia a sus estudiantes, Lewis concibió la idea de que los átomos estaban formados por una serie concéntrica de cubos con electrones en cada esquina. Este “átomo cúbico” explicaba el ciclo de ocho elementos en la tabla periódica y estaba de acuerdo con la creencia ampliamente aceptada de que los enlaces químicos se formaban por transferencia de electrones para dar a cada átomo un conjunto completo de ocho. Esta teoría electroquímica de la valencia encontró su expresión más elaborada en el trabajo de Richard Abegg en 1904, [39] pero la versión de Lewis de esta teoría fue la única que se plasmó en un modelo atómico concreto. Una vez más, la teoría de Lewis no interesó a sus mentores de Harvard, quienes, como la mayoría de los químicos estadounidenses de esa época, no tenían gusto por ese tipo de especulaciones. Lewis no publicó su teoría del átomo cúbico, pero en 1916 se convirtió en una parte importante de su teoría del enlace de pares de electrones compartidos.
En 1916, publicó su artículo clásico sobre el enlace químico " El átomo y la molécula " [40] en el que formuló la idea de lo que se conocería como el enlace covalente , que consiste en un par compartido de electrones, y definió el término molécula impar (el término moderno es radical libre ) cuando no se comparte un electrón. Incluyó lo que se conoció como estructuras de puntos de Lewis, así como el modelo de átomo cúbico . Estas ideas sobre el enlace químico fueron ampliadas por Irving Langmuir y se convirtieron en la inspiración para los estudios sobre la naturaleza del enlace químico de Linus Pauling .
En 1923, formuló la teoría de pares de electrones de las reacciones ácido-base . En esta teoría de ácidos y bases , un "ácido de Lewis" es un aceptor de pares de electrones y una "base de Lewis" es un donador de pares de electrones . [41] Este año también publicó una monografía sobre sus teorías del enlace químico. [42]
Basándose en el trabajo de J. Willard Gibbs , se sabía que las reacciones químicas se desarrollaban hasta alcanzar un equilibrio determinado por la energía libre de las sustancias que participaban en ellas. Lewis pasó 25 años determinando las energías libres de varias sustancias. En 1923, él y Merle Randall publicaron los resultados de este estudio, [43] que ayudaron a formalizar la termodinámica química moderna .
Lewis fue el primero en producir una muestra pura de óxido de deuterio ( agua pesada ) en 1933 [44] y el primero en estudiar la supervivencia y el crecimiento de formas de vida en agua pesada. [45] [46] Al acelerar los deuterones ( núcleos de deuterio ) en el ciclotrón de Ernest O. Lawrence , pudo estudiar muchas de las propiedades de los núcleos atómicos. [47] Durante la década de 1930, fue mentor de Glenn T. Seaborg , quien fue contratado para el trabajo postdoctoral como asistente de investigación personal de Lewis. Seaborg ganó el Premio Nobel de Química de 1951 y el elemento seaborgio recibió su nombre en su honor mientras aún estaba vivo.
En 1924, al estudiar las propiedades magnéticas de soluciones de oxígeno en nitrógeno líquido , Lewis descubrió que se formaban moléculas de O 4 . [48] Esta fue la primera evidencia del oxígeno tetratómico .
En 1908 publicó el primero de varios artículos sobre la relatividad , en el que derivó la relación masa - energía de una manera diferente a la derivación de Albert Einstein . [10] En 1909, él y Richard C. Tolman combinaron sus métodos con la relatividad especial . [49] En 1912, Lewis y Edwin Bidwell Wilson presentaron un trabajo importante en física matemática que no solo aplicaba la geometría sintética al estudio del espacio-tiempo , sino que también notaba la identidad de un mapeo de compresión del espacio-tiempo y una transformación de Lorentz . [50] [51]
En 1926, acuñó el término " fotón " para la unidad más pequeña de energía radiante (luz). En realidad, el resultado de su carta a Nature no fue el que él había pretendido. [52] En la carta, propuso que un fotón fuera un elemento estructural, no energía . Insistió en la necesidad de una nueva variable, el número de fotones . Aunque su teoría difería de la teoría cuántica de la luz introducida por Albert Einstein en 1905, su nombre fue adoptado para lo que Einstein había llamado un cuanto de luz (Lichtquant en alemán).
En 1921, Lewis fue el primero en proponer una ecuación empírica que describe el fracaso de los electrolitos fuertes para obedecer la ley de acción de masas , un problema que había desconcertado a los químicos físicos durante veinte años. [53] Sus ecuaciones empíricas para lo que él llamó fuerza iónica fueron confirmadas más tarde como acordes con la ecuación de Debye-Hückel para electrolitos fuertes, publicada en 1923.
A lo largo de su carrera, Lewis publicó sobre muchos otros temas además de los mencionados en esta entrada, desde la naturaleza de los cuantos de luz hasta la economía de la estabilización de precios. En los últimos años de su vida, Lewis y el estudiante de posgrado Michael Kasha , su último asociado de investigación, establecieron que la fosforescencia de las moléculas orgánicas implica la emisión de luz de un electrón en un estado triplete excitado (un estado en el que dos electrones tienen sus vectores de espín orientados en la misma dirección, pero en diferentes orbitales) y midieron el paramagnetismo de este estado triplete. [54]
Nos inclinamos a pensar que las sustancias poseen propiedades ácidas o básicas, sin tener en mente un disolvente particular. Me parece que con total generalidad podemos decir que
una sustancia básica es aquella que tiene un par solitario de electrones que puede usarse para completar el grupo estable de otro átomo
, y que
una sustancia ácida es aquella que puede emplear un par solitario de otra molécula
para completar el grupo estable de uno de sus propios átomos. En otras palabras, la sustancia básica proporciona un par de electrones para un enlace químico, la sustancia ácida acepta dicho par.
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