Historia de la electroquímica

1. Inicios de la electroquímica

Tiempo de lectura estimado: 9 minutos

La electroquímica, una rama de la química, experimentó varios cambios durante su evolución, desde los primeros principios relacionados con los imanes en los siglos XVI y XVII, hasta teorías complejas que involucran conductividad, carga eléctrica y métodos matemáticos.

Antecedentes y comienzos de la electroquímica

El término electroquímica se utilizó para describir los fenómenos eléctricos a finales de los siglos XIX y XX. En las últimas décadas, la electroquímica se ha convertido en un área de investigación actual, que incluye investigaciones en baterías y celdas de combustible, la prevención de la corrosión de metales, el uso de celdas electroquímicas para eliminar compuestos orgánicos refractarios y contaminantes similares en la electrocoagulación de aguas residuales, y la mejora de técnicas en la refinación de productos químicos mediante electrólisis y electroforesis.


La electricidad en los siglos XVI y XVII

El siglo XVI marca el inicio de la comprensión eléctrica que culminará con la producción industrial de energía eléctrica en el siglo XIX. William Gilbert pasó 17 años experimentando con el magnetismo y, en menor medida, con la electricidad. Por su trabajo con imanes, Gilbert se ganó el título de «Padre del Magnetismo».

Gilbert descubrió varios métodos para producir y fortalecer los imanes. Por ejemplo, encontró que, al acariciar una barra de acero con un imán natural, la barra misma se convertía en un imán, y que una barra de hierro colocada en el campo magnético de la Tierra durante un largo período de tiempo desarrollaba gradualmente propiedades magnéticas propias. Además, observó que el magnetismo de un material se destruía cuando se calentaba lo suficiente.

William Gilbert. Padre del magnetismo
William Gilbert. Padre del magnetismo

«De Magnete» de Gilbert se convirtió rápidamente en la obra de referencia estándar en toda Europa sobre fenómenos eléctricos y magnéticos. Los europeos estaban realizando largos viajes por océanos, y la brújula magnética era uno de los pocos instrumentos que podía salvarlos de perderse irremediablemente (y generalmente fatalmente). Pero poco se sabía sobre la piedra imán (mineral de hierro magnético) o el hierro magnetizado.

Gilbert probó muchos cuentos populares. ¿Destruye el ajo el efecto magnético de la aguja de la brújula? Más importante aún, hizo la primera distinción clara entre el magnetismo y el efecto ámbar (electricidad estática, como la llamamos hoy). «De Magnete» es una revisión exhaustiva de lo que se sabía sobre la naturaleza del magnetismo, y Gilbert añadió mucho conocimiento a través de sus propios experimentos. Comparó la polaridad del imán con la polaridad de la Tierra y construyó toda una filosofía magnética basada en esta analogía.

En la explicación animista de Gilbert, el magnetismo era el alma de la Tierra y una piedra imán perfectamente esférica, cuando se alineaba con los polos terrestres, giraría sobre su eje, de la misma manera que la Tierra gira sobre su eje en 24 horas. (En la cosmología tradicional, la Tierra estaba fija y era la esfera de las estrellas fijas, llevando consigo los otros cielos, la que giraba en 24 horas.) Sin embargo, Gilbert no expresó una opinión sobre si esta Tierra giratoria estaba en el centro del universo o en órbita alrededor del Sol.

En el siglo XVII, Otto van Guericke construyó la primera máquina eléctrica. Estaba compuesta por una gran esfera de azufre fundido en el interior de una esfera de vidrio, montada en un eje. La esfera se hacía girar mediante una manivela y se producía una chispa eléctrica estática cuando una almohadilla se frotaba contra la esfera mientras giraba. En ediciones posteriores, se aumentó la velocidad de rotación con una correa y una rueda giratoria.

Las demostraciones eléctricas se convirtieron en un truco de salón favorito para los invitados, pero la máquina eléctrica también permitió a los científicos serios realizar experimentos que antes no se podían llevar a cabo. Fue Guericke quien observó que las cargas del mismo tipo se repelen entre sí.

Primeros vestigios de electroquímica

Hacia 1709, Francis Hauksbee en la Royal Society de Londres descubrió que al poner una pequeña cantidad de mercurio en el generador de Von Guericke y evacuar el aire de él, cuando se acumulaba una carga en la bola y luego colocaba su mano sobre ella, esta comenzaba a brillar.

Esta luminiscencia era suficiente para leer y era similar al fenómeno conocido como el Fuego de San Telmo, que era el nombre dado a un extraño resplandor visto alrededor de los barcos durante tormentas eléctricas. Sin saberlo, había creado la luz de neón.

Entre 1729 y 1736, dos amigos ingleses, Stephen Gray y Jean Desaguliers, llevaron a cabo una serie de experimentos que demostraron que un corcho u otro objeto situado a una distancia de hasta 800 o 900 pies podía electrificarse al conectarlo a un tubo de vidrio frotado con materiales como alambres de metal o cuerda de cáñamo.

Francis Hauksbee. Científico inglés
Francis Hauksbee. Científico inglés

Descubrieron que otros materiales, como la seda, no transmitían el efecto. De hecho, descubrieron en experimentos iniciales y laboriosos que el objeto distante no se electrificaría si la línea de transmisión hacía contacto con la tierra, sino solo si lo separaban o lo aislaban de la tierra suspendiéndolo en hilos de seda.

Charles François de Cisternay Du Fay descubrió dos tipos de electricidad estática y que las cargas del mismo tipo se repelen, mientras que las de tipos opuestos se atraen. Du Fay anunció que la electricidad consistía en dos fluidos: la electricidad «vítrica» (del latín «vidrio»), o positiva, y la electricidad «resinosa», o negativa. Esta fue la ‘teoría de los dos fluidos’ de la electricidad, que más tarde sería contrarrestada por la ‘teoría de un solo fluido’ de Benjamin Franklin en el siglo posterior.

Durante gran parte del siglo XVIII, Inglaterra y Francia fueron los centros de estudio e innovación eléctrica, pero a principios de la década de 1740, hubo un gran auge de invenciones en Alemania. El uso de un conductor de metal suspendido y los primeros experimentos con hilo de Bose se convirtieron en la base del colector posterior, o peine de carga, de la máquina eléctrica.

Johann Winkler y Gordon, los dos principales reclamantes de la invención del generador de cilindro, trabajaron en Alemania. Y Winkler probablemente fue el inventor del cojín de fricción. Él creó máquinas eléctricas que funcionaban según el principio de vaivén del torno de polea de Hauksbee, y también máquinas que utilizaban la rueda multiplicadora de Hauksbee.

En 1745, Jean-Antoine Nollet desarrolló una teoría de atracción y repulsión eléctrica que suponía la existencia de un flujo continuo de materia eléctrica entre cuerpos cargados. La teoría de Nollet fue ampliamente aceptada al principio, pero se encontró con su némesis en 1752 con la publicación de la traducción francesa de «Experimentos y Observaciones sobre Electricidad» de Franklin.

Franklin y Nollet se encontraron en lados opuestos del debate actual sobre la naturaleza de la electricidad, con Franklin apoyando la acción a distancia y dos tipos cualitativamente opuestos de electricidad, y Nollet abogando por la acción mecánica y un solo tipo de fluido eléctrico. La argumentación de Franklin finalmente prevaleció y la teoría de Nollet fue abandonada.

Los experimentos de Sir William Watson en 1747 para determinar la velocidad de la electricidad son de particular interés. La creencia general en ese momento era que la electricidad era más rápida que el sonido, pero no se había ideado una prueba precisa para medir la velocidad de una corriente. Watson, en campos al norte de Londres, tendió una línea de alambre sostenida por palos secos y seda que se extendía 6.4 km. Incluso a esta longitud, la ‘Velocidad de la Electricidad era instantánea’.

También se notó la resistencia en el alambre, pero aparentemente no se comprendió completamente, ya que Watson relata que ‘observamos nuevamente que, aunque las composiciones eléctricas eran muy severas para aquellos que sostenían los alambres, el informe de la explosión en el Conductor principal fue pequeño, en comparación con lo que se escucha cuando el Circuito es corto’.

Watson finalmente decidió no seguir sus experimentos eléctricos y se centró en su carrera médica, pero continuó apoyando a otros al presentar pruebas a la Royal Society y se convirtió en un defensor de Benjamin Franklin.

Medición de la carga eléctrica

En 1748, Nollet inventó uno de los primeros electrómetros, el electróscopo, que mostraba la presencia de carga eléctrica mediante la atracción y repulsión electrostática. Se dice que Nollet fue la persona que aplicó por primera vez el nombre «frasco de Leyden» al primer dispositivo para almacenar electricidad.

Ya a mediados del siglo XVIII, Du Fay observó que la electricidad podía conducirse en la materia gaseosa adyacente a un cuerpo al rojo vivo (metal caliente). En relación con sus experimentos con su hilo suspendido en postes de vidrio, Du Fay notó que una cierta cantidad de corriente se perdía, liberándose al aire circundante.

Du Fay recomendó, por lo tanto, que los cables con los que experimentaba fueran envueltos con algún material no conductor para que quedaran «aislados», como él decía, utilizando este término por primera vez.

Jean-Antoine (Abbe) Nollet. Clerigo y científico francés
Jean-Antoine (Abbe) Nollet. Clerigo y científico francés

Ewald Jurgens (George) von Kleist, administrador y clérigo alemán, descubrió en 1745 el frasco de Leyden, un elemento fundamental en circuitos eléctricos para almacenar electricidad, que ahora se suele llamar condensador. El dispositivo fue descubierto independientemente casi al mismo tiempo por Pieter van Musschenbroek, quien lo investigó más a fondo que Kleist.

La maravilla de la electricidad

En la década de 1740, a medida que el estudio de la electricidad se hizo popular, se buscaron formas eficientes de producirla. El generador desarrollado por Jesse Ramsden fue uno de los primeros generadores electrostáticos inventados. La electricidad producida por estos generadores se utilizó para tratar la parálisis y los espasmos musculares, así como para controlar los latidos cardíacos. Otros usos médicos de la electricidad incluían llenar el cuerpo de electricidad, extraer chispas del cuerpo y aplicar chispas del generador al cuerpo.

El primer verdadero electrómetro, un dispositivo para medir el potencial eléctrico mediante la atracción o repulsión de cuerpos cargados, fue desarrollado por Horace-Bénédict de Saussure en 1766. Colocó hilos y bolas dentro de un frasco de vidrio invertido y añadió una escala impresa para medir la distancia o el ángulo entre las bolas. Fue de Saussure quien descubrió que la distancia entre las bolas no estaba relacionada linealmente con la cantidad de carga.

Para más información Electricity in the 17th and 18th Centuries: A Study of Early Modern Physics

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