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 universidad de química en la Universidad de California, Berkeley . [3] [7] Lewis fue mejor 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 decano de la facultad de química y pasó el resto de su vida. su vida. [3] [11] Como profesor, incorporó principios termodinámicos al plan de estudios de química y reformó la termodinámica química de una manera matemáticamente rigurosa y accesible a 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 del enlace y añadió información sobre los electrones en la tabla periódica de los elementos químicos . En 1933 inició sus investigaciones sobre la separación de isótopos. Lewis trabajó con hidrógeno y logró purificar una muestra de agua pesada . Luego ideó su teoría de los ácidos y las 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 generó 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), etc., convirtieron 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 creció en Weymouth, Massachusetts , donde existe una calle que lleva su nombre, GN Lewis Way, en Summer Street. Además, el ala del nuevo departamento de Química de la escuela secundaria de Weymouth recibió 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. Leyó 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 enseñanza en la Academia Phillips de Andover , Lewis regresó a Harvard para estudiar con el químico físico TW Richards y obtuvo su Ph.D. en 1899 con una disertación sobre potenciales electroquímicos . [21] [22] Después de un año de enseñar en Harvard, Lewis obtuvo una beca de viaje a Alemania, el centro de química física , y estudió con Walther Nernst en Göttingen 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 numerosas ocasiones, calificando el trabajo de Nernst sobre su teorema del calor como " un episodio lamentable en la historia de la química ". [24] Un amigo sueco de Nernst, Wilhelm Palmær, era miembro del Comité del Nobel de Química. Hay pruebas de que utilizó los procedimientos de presentación de informes y nominaciones al Nobel para bloquear un premio Nobel para Lewis en termodinámica nominando a Lewis para el premio tres veces y luego utilizando 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, a Lewis se le concedió un permiso de ausencia 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 docente, 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 de química profesional. [26]
Los asesores graduados de Lewis en Berkeley tuvieron un éxito excepcional en el Comité Nobel . Finalmente se otorgaron 14 premios Nobel a los hombres que tomó como estudiantes. [27] Los más conocidos 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 ). Premio Nobel). [16] [17] [18] Gracias 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 mujeres, e incluso impidió que Margaret Melhase realizara estudios de posgrado. [28] [29] Melhase había descubierto previamente el cesio-137 con Seaborg cuando era estudiante. 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 exponer la causa de su renuncia; se ha especulado que se debió a una disputa por la política interna de esa institución o al fracaso de quienes él había nominado para ser elegidos. Su decisión de dimitir también puede haber sido provocada por su resentimiento por la concesión del Premio Nobel de Química de 1934 a su alumno, Harold Urey , por su aislamiento del deuterio en 1931 y la confirmación de su espectro . Este fue un premio que Lewis casi seguramente consideró 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 una mesa de trabajo de laboratorio en Berkeley. Lewis había estado trabajando en un experimento con cianuro de hidrógeno líquido y los humos mortales de una línea rota se habían filtrado al laboratorio. El forense dictaminó que la causa de la muerte fue una enfermedad de las arterias coronarias , 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 en el departamento creía que Lewis se había suicidado. [13]
Si la muerte de Lewis fue realmente 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 del enlace químico de Lewis. Langmuir había sido galardonado con el Premio Nobel de Química de 1932 por sus trabajos sobre la 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 sólo años después. [34] Los asociados informaron que Lewis regresó del almuerzo de mal humor, jugó un malhumorado juego de bridge con algunos colegas y luego volvió a trabajar en su laboratorio. Una hora más tarde, 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.
Lewis Hall en 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, materia en la que Richards estaba muy activo en aquella época. Aunque la mayoría de las relaciones termodinámicas importantes se conocían en 1895, se las consideraba ecuaciones aisladas y aún no se habían racionalizado como un sistema lógico del que, dada una relación, se pudieran derivar las demás. Además, estas relaciones eran inexactas y se aplicaban sólo a sistemas químicos ideales. Éstos eran dos problemas destacados de la termodinámica teórica. En dos largos y ambiciosos artículos teóricos publicados en 1900 y 1901, Lewis intentó ofrecer una solución. Lewis introdujo el concepto termodinámico de actividad y acuñó el término " fugacidad ". [35] [36] [37] Su nueva idea de fugacidad, o "tendencia a escapar", [38] era una función con las dimensiones de 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 a partir del cual 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 artículos de Lewis también revelan una conciencia inusualmente avanzada de las ideas de JW 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 basaron en la familiar 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 cambios químicos, y Lewis se dio cuenta de que sólo la energía libre y la entropía podían proporcionar una termodinámica química exacta. Obtuvo energía libre 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 tuvo éxito en 1907 no fue posible calcular las entropías sin ambigüedades. Aunque el sistema basado en la fugacidad de Lewis no duró, su temprano interés en la energía libre y la entropía resultó muy fructífero, y gran parte de su carrera la dedicó a hacer accesibles estos útiles conceptos 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 esta idea, quienes 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 por la radiación y la teoría cuántica , y (más tarde) por la relatividad , surgió de este esfuerzo temprano y abortado. Desde el comienzo de su carrera, Lewis se consideró a sí mismo químico y físico al mismo tiempo.
Alrededor de 1902, Lewis comenzó a utilizar dibujos inéditos de átomos cúbicos en sus notas de clase, en los que las esquinas del cubo representaban posibles posiciones de los electrones . Más tarde, Lewis citó estas notas en su clásico artículo de 1916 sobre enlaces químicos, como la primera expresión de sus ideas.
Un tercer interés importante que se originó durante los años de Lewis en Harvard fue su teoría de la valencia. En 1902, mientras intentaba explicar las leyes de valencia a sus alumnos, 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 de la tabla periódica y estaba de acuerdo con la creencia ampliamente aceptada de que los enlaces químicos se formaban mediante 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 materializó 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 ningún 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 par 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 enlace covalente , formado por un par de electrones compartidos, 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 del átomo cúbico . Estas ideas sobre los enlaces químicos 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 los 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]
Basado en el trabajo de J. Willard Gibbs , se sabía que las reacciones químicas transcurrían hasta un equilibrio determinado por la energía libre de las sustancias que intervienen. Lewis pasó 25 años determinando las energías libres de diversas sustancias. En 1923, él y Merle Randall publicaron los resultados de este estudio, [43] que ayudó 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 trabajos postdoctorales como asistente personal de investigación de Lewis. Seaborg ganó el Premio Nobel de Química en 1951 y recibió el nombre del elemento seaborgio en su honor mientras aún estaba vivo.
En 1924, al estudiar las propiedades magnéticas de las soluciones de oxígeno en nitrógeno líquido , Lewis descubrió que se formaban moléculas de O 4 . [48] Esta fue la primera evidencia de oxígeno tetraatómico .
En 1908 publicó el primero de varios artículos sobre la relatividad , en los que derivó la relación masa - energía de una manera diferente a la 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 importante trabajo en física matemática que no sólo aplicaba la geometría sintética al estudio del espacio-tiempo , sino que también señalaba la identidad de un mapeo de compresión del espacio-tiempo y una transformación de Lorentz . [50] [51]
En 1926 acuñó el término " fotón " para designar la unidad más pequeña de energía radiante (luz). En realidad, el resultado de su carta a Nature no fue el que pretendía. [52] En la carta, proponía 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 cuántico de luz (Lichtquant en alemán).
En 1921, Lewis fue el primero en proponer una ecuación empírica que describía la incapacidad de los electrolitos fuertes de obedecer la ley de acción de masas , un problema que había dejado perplejos a los químicos físicos durante veinte años. [53] Posteriormente se confirmó que sus ecuaciones empíricas para lo que él llamó fuerza iónica estaban de acuerdo 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 investigador asociado, establecieron que la fosforescencia de 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 midió el paramagnetismo de este estado triplete. [54]
Nos inclinamos a pensar que las sustancias poseen propiedades ácidas o básicas, sin tener en mente ningún disolvente en 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 ese par.
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