Actualizado en febrero 23, 2024
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Gilbert Newton Lewis (23 o 25 de octubre de 1875 – 23 de marzo de 1946) fue un químico físico estadounidense y decano del College of Chemistry de la Universidad de California, Berkeley.
Lewis fue conocido principalmente 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 moldeado las teorías modernas de enlace químico.
También contribuyó exitosamente a la termodinámica química, la fotoquímica y la separación de isótopos, y también es conocido por su concepto de ácidos y bases. 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.
Infancia y educación
Gilbert Newton Lewis nació el 25 de octubre de 1875 cerca de Boston, Massachusetts, Estados Unidos. Durante sus primeros años de vida, sus padres se encargaron de su educación en casa y aprendió a leer a los tres años.
A los nueve años, se mudó con sus padres a la ciudad de Lincoln, Nebraska, donde estudió en una escuela por varios años (no se especifica cuál). A los trece años, ingresó a la escuela preparatoria de la Universidad de Nebraska en Lincoln. Después de graduarse, se convirtió en estudiante de la universidad y estudió allí hasta el comienzo de su tercer año.
En 1893, se transfirió al Colegio de Harvard y, después de graduarse en 1896, pasó un año estudiando en la Academia Phillips en Andover. Luego, regresó a Harvard para obtener un título académico.
Obtuvo una maestría en artes en 1898 y un doctorado en filosofía en 1899. Escribió una disertación sobre «Algunas relaciones electroquímicas y termoquímicas de las amalgamas de zinc y cadmio», que fue publicada en colaboración con Theodore William Richards.
Carrera profesional
En 1904, después de pasar un año como conferenciante en la Universidad de Harvard, Lewis se fue al extranjero para seguir formándose. Pasó un semestre en Leipzig con W.F. Ostwald y luego fue a Göttingen para trabajar con W.G. Nernst.
Regresó a Harvard y trabajó como instructor durante tres años antes de ocupar cargos como director de pesos y medidas en las Islas Filipinas y como químico en la Oficina de Ciencia en Manila.
A pesar de ser una persona muy ocupada, Lewis a menudo prefería dedicarse a la investigación científica pura por encima de todo lo demás. Encontró suficiente tiempo y recursos para estudiar la descomposición del óxido de plata y dio una conferencia sobre la hidratación de soluciones.
Etapa en el MIT
En 1905, Lewis regresó a Estados Unidos para unirse a un grupo de conocidos fisicoquímicos reunidos por Arthur Noyes en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), que fomentaba activamente la investigación fisicoquímica en Estados Unidos. Los siete años que Lewis pasó en el MIT estuvieron marcados por una intensa actividad científica (tanto experimental como teórica) que continuó a lo largo de su carrera.
Los resultados de su trabajo durante este periodo se publicaron en más de 30 revistas. Algunos de los resultados fueron especialmente importantes y todavía son bien conocidos por los fisicoquímicos hoy en día. Entre sus logros se encuentra el descubrimiento de una serie de potenciales de electrodo definidos con precisión para los elementos, lo que, según Lewis, le dio la mayor satisfacción.
Fue durante este período que Lewis escribió sus artículos revolucionarios, «La termodinámica de los nuevos sistemas de la termodinámica química» (1907) y «La energía libre de las sustancias químicas» (1907). Estos fueron los comienzos de una voluminosa serie de artículos sobre la determinación experimental de energías libres. En 1923, publicó una importante obra escrita con la ayuda de Merle Randall, «Termodinámica y energía libre de los compuestos químicos».
Colaboración con Einstein
Sin embargo, Lewis no era una persona que concentrara sus esfuerzos en una o dos áreas. Durante este período, como resultado de conocer a Albert Einstein, el científico se convirtió en uno de los fundadores y coautores de la teoría de la relatividad, que no era popular en ese momento. Lewis publicó su trabajo sobre este tema juntamente con Wilson Edgar Bright y más tarde con Edward Chace Tolman.
Para 1912, Lewis había pasado por los rangos inferiores del profesorado y había adquirido suficiente reputación como para convertirse en el decano del Colegio de Química y presidente del Departamento de Química en la Universidad de California, una institución que, gracias a las habilidades de liderazgo de su presidente, Benjamin Ide Wheeler, se convirtió en una de las universidades estadounidenses más destacadas.
Lewis fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos en 1913, un año después de su llegada a la Universidad de California. Allí trabajó como presidente de la sección de química. En 1934, el científico renunció a la academia debido al excesivo dominio de algunas personas sobre otras.
En el departamento de química (unidad de negocios) y en el colegio de química (unidad educativa), Lewis se destacó como uno de los valiosos líderes capaces de influir en los miembros de la organización de manera natural, mediante el uso de argumentos y convicción, en lugar de recurrir a la autoridad y posición artificialmente creadas.
Primera guerra mundial
El trabajo de Lewis en California fue interrumpido por el comienzo de la Primera Guerra Mundial. En diciembre de 1917, fue transferido al servicio de gas y luego al servicio químico militar. En enero de 1918, el científico decidió ir a Francia. Lewis comenzó a trabajar en París como director del laboratorio del Servicio Químico Militar, pero después de ser enviado al frente como observador durante la gran ofensiva alemana en marzo, el científico escribió un informe conmovedor al jefe. Después de recibir el informe de Lewis, el general Amos Alfred Fries lo nombró jefe de todo el Servicio Químico Militar.
En este puesto, Lewis organizó la Escuela de Defensa de Gas de Investigación Estadounidense. Fue establecida cerca de la sede en Chamonix, en la dirección de Henlon. Esta escuela entrenó a unos 200 oficiales de protección contra gases por semana para el ejército estadounidense. Como resultado, las pérdidas por ataques de gas venenoso, que representaban la mayor parte de todas las víctimas a principios de 1918, pronto cayeron al mínimo porcentaje de las pérdidas totales.
En 1922, se le otorgó una medalla por servicios sobresalientes, que decía: «Gracias a su extraordinaria energía, habilidades destacadas y logros técnicos, presta un servicio extremadamente valioso al proporcionar nuevos datos sobre el uso y los efectos de los gases venenosos y presentar informes. Sobre la base de estos informes, se construyó en gran medida la política de defensa contra gases del ejército estadounidense.
Más tarde, como jefe del departamento de defensa química del servicio militar, Lewis recibió una alta evaluación en la protección de nuestros oficiales y soldados contra los gases venenosos enemigos y contribuyó al éxito de las fuerzas militares estadounidenses en proporcionar un uso más cualitativo y efectivo de los gases, especialmente la mostaza, contra los enemigos y, por lo tanto, brindó un gran servicio a nuestro gobierno «.
Trabajo en termodinámica
Lewis regresó a Washington poco antes del final de la guerra, donde ascendió al rango de teniente coronel y se convirtió en jefe del departamento de capacitación del servicio químico militar. También recibió la Cruz de la Legión de Honor. Más tarde, Lewis regresó a la Universidad de California, comenzando a trabajar con su asistente M. Rendel en un gran tratado sobre termodinámica, mencionado anteriormente. Fue publicado en 1923. El tratado consistió en los resultados del trabajo que comenzó en 1899 y se presentó en una serie de sesenta trabajos.
Aportes a la ciencia por Lewis
Los logros científicos de Lewis son muy significativos. Es considerado uno de los más destacados físicoquímicos estadounidenses. El científico también estaba interesado en una amplia gama de problemas científicos.
Electroquímica y termodinámica
El primer trabajo de Lewis relacionado con la termodinámica fue un trabajo conjunto con T. V. Richards, titulado «Algunas relaciones electroquímicas y termodinámicas de las amalgamas de zinc y cadmio», que reflejaba los resultados de su disertación doctoral. El profesor siguió con su trabajo más importante, en el que investigó las constantes en la ecuación de la energía libre. El documento más importante en términos teóricos en ese período fue «Esbozo de un nuevo sistema de química termodinámica».
En 1906, Lewis estableció el valor de equilibrio del potencial del electrodo de oxígeno y demostró que las mediciones directas de potencial no proporcionan un valor de equilibrio. Esto fue el comienzo de una larga serie de investigaciones experimentales y teóricas destinadas a conciliar varios métodos fisicoquímicos.
Luego comenzó la determinación de los potenciales de electrodo de una serie de elementos, incluyendo litio, sodio, potasio, rubidio, cloro, bromo, yodo, oxígeno, mercurio, plata, talio, plomo y hierro. Todas estas mediciones se realizaron con una precisión que superaba en gran medida los datos previos de otros investigadores. También es digno de mención la inventiva de Lewis en la medición de los potenciales de los electrodos de metales alcalinos.
En 1912, Lewis y Barrow sintetizaron la urea de manera reversible. Es importante destacar que esta fue la primera sustancia orgánica típica sintetizada a partir de materiales y elementos inorgánicos. También ese año, el científico sentó las bases para el cálculo preciso de soluciones acuosas con el cálculo de las actividades de los iones de electrolitos fuertes.
Modelo atómico y teoría de enlaces por Lewis
En 1916, Lewis propuso la idea de que el enlace químico covalente se forma mediante la compartición de un par de electrones, es decir, la densidad electrónica se distribuye entre dos átomos, en contraposición a la teoría aceptada en ese momento de que uno de los átomos unidos tenía carga positiva y el otro carga negativa. Esta teoría ahora se conoce como la teoría electrónica del enlace químico.
Posteriormente, esta idea de Lewis fue desarrollada por el laureado con el Nobel, Irving Langmuir, y sirvió como punto de partida para las investigaciones de Linus Pauling. Lewis formuló la idea de que la capa electrónica externa completa contiene ocho electrones (aunque nunca usó el término «octeto» propiamente dicho) y propuso marcar los electrones con puntos al lado del símbolo del elemento. Su libro «Valencia y estructura de átomos y moléculas» (1923) se convirtió en un clásico.
En 1917, junto con Gibbs, comenzó a investigar en el marco de la tercera ley de la termodinámica, volviendo al problema que había abordado en su disertación doctoral.
Oxígeno y color
En 1919, mientras investigaba las propiedades magnéticas de las soluciones de oxígeno en nitrógeno líquido, descubrió por primera vez las moléculas de oxígeno tetraatómico O4.
Lewis siempre se interesó por el color. En 1920, dedicó una conferencia sobre sus investigaciones en el campo al color, que fue impartida anualmente por uno de los miembros de la junta directiva de la universidad. Volvió al estudio del color y la fluorescencia en relación con la estructura en los últimos años de su vida, publicando una serie de 18 artículos en colaboración con sus colaboradores. En este trabajo, como antes, demostró su amplio conocimiento de la química orgánica, que no fue plenamente valorado por aquellos que lo consideraban principalmente un fisicoquímico.
Soluciones y teoría de ácidos y bases
En 1921, Lewis y Randall sentaron las bases para el cálculo de soluciones concentradas, liberando a los químicos de la necesidad de trabajar con soluciones diluidas. Ese mismo año, en el artículo «Coeficientes de actividad de electrolitos fuertes», nuevamente en colaboración con Randall, examinó diversos métodos para medir las propiedades coligativas de las soluciones. Este artículo también proclamó el principio de la fuerza iónica, que después desarrollado teóricamente por Debye y Hückel.
En 1923, formuló una de las principales teorías modernas de ácidos y bases: la teoría electrónica (también conocida como la teoría de Lewis). Según esta teoría, un ácido es una sustancia que acepta pares de electrones, es decir, un aceptor de electrones, y una base es una sustancia que dona pares de electrones, es decir, un donador de electrones (en química, estos compuestos recibieron los nombres de ácidos y bases de Lewis, respectivamente).
Esta definición no solo difería de la concepción de las propiedades de los iones hidroxilo propuesta más tarde por Brønsted y Lowry, sino que también liberó el concepto de ácido de la restricción de que debía tener la capacidad de donar protones. El punto de vista de Lewis fue en gran parte pasado por alto en la década de 1930, en medio del entusiasmo por la teoría ácido-base protón-donador-aceptor, que se consideraba moderna y correcta, y que incluso se enseñaba en los cursos elementales.
Lewis volvió a este tema en un artículo publicado en 1938 en el Journal of the Franklin Institute, titulado «Ácidos y bases». En él escribió: «El reconocimiento por parte de Brønsted y su escuela de iones como los iones halogenuros y acetato como verdaderas bases, junto con el desarrollo de la idea de las bases orgánicas, generalmente hacen que la lista de bases presentada sea idéntica a la mía.
Por otro lado, cualquier desarrollo valioso y edificante de la idea de los ácidos fue impedido por mi tentación de llamar a esto el culto moderno del protón. La limitación del grupo de ácidos a sustancias que contienen hidrógeno es tan seriamente limitante desde un punto de vista químico sistemático como la limitación de los oxidantes a sustancias que contienen oxígeno».
Valencia según Lewis
También en ese año, Lewis presentó su seminario sobre valencia, que fue publicado en su influyente libro «Valencia y estructura de átomos y moléculas». En el prefacio del libro se encuentra su testimonio sobre la naturaleza cooperativa de todo lo que se desarrolló en el laboratorio bajo su guía cuidadosa, lo que con el tiempo llevó a una resistencia a las tentaciones del egoísmo y la envidia («Para mis colegas y estudiantes de la Universidad de California, sin cuya ayuda este libro no habría sido escrito. Durante muchos años hemos discutido problemas de estructura atómica y molecular, y algunas de las ideas presentadas aquí surgieron del grupo, no de individuos separados. Así que, de alguna manera, actúo solo como editor de este grupo»).
Más tarde, las publicaciones de Lewis aparecieron en los trabajos de la Academia Nacional de Ciencias y en las publicaciones de la comunidad de Faraday. Su trabajo más extenso sobre este tema fue su libro «Química del ácido-base», publicado en 1938.
En él, Lewis desarrolló su teoría electrónica de ácidos y bases y la aplicó a una amplia gama de problemas químicos, incluida la reactividad de los compuestos orgánicos, la catálisis, la química de la superficie y la química bioquímica. También exploró la relación entre la estructura molecular y las propiedades químicas, lo que llevó a avances en la comprensión de la química de los polímeros y la cristalografía.
Además de sus contribuciones en química, Lewis también fue un gran defensor de la educación científica y la investigación. Fue uno de los fundadores de la Sociedad Americana de Química y estableció el primer departamento de química física en la Universidad de California en Berkeley. También fue un defensor de la educación científica para las mujeres y trabajó para aumentar la presencia de mujeres en la investigación científica.
Trabajo en química nuclear
En 1926, Lewis propuso el término fotón para designar la unidad más pequeña de radiación. En 1933, él aisló el agua pesada (óxido de deuterio) en estado puro (junto con Harold C. Urey, su estudiante, quien previamente en 1932 descubrió moléculas individuales de agua pesada deuterada en agua natural, predichas anteriormente por Lewis).
Llevó a cabo una gran cantidad de investigaciones sobre el agua pesada, el deuterón (el núcleo del átomo de deuterio, análogo al protón), así como sobre los isótopos del litio y la física de neutrones. Lewis trabajó junto con E. Lawrence en la creación del ciclotrón y fue uno de los primeros científicos en llevar a cabo experimentos de colisión de partículas elementales. Con la ayuda de un grupo de jóvenes colaboradores, desarrolló geniales micro-métodos basados en las propiedades propias del elemento «agua pesada» y otros compuestos de deuterio.
Lewis proporcionó óxido de deuterio a O. Lawrence y otros físicos, lo que permitió determinar las primeras propiedades físicas del deuterio. Una vez, un visitante-científico le preguntó qué estaba haciendo con un dispositivo que tenía un tubo osmótico de celofán de longitud. Lewis respondió con una de sus ingeniosas frases por las que era conocido entre sus amigos: «Estoy intentando obtener agua pesada con una vejiga artificial».
Otros trabajos
Lewis desarrolló métodos para calcular las energías libres de las reacciones químicas (energías de Gibbs) y durante su trabajo en el MIT determinó una gran cantidad de parámetros termodinámicos, no solo las energías de Gibbs, sino también los potenciales eléctricos, conductividades y otros, compilando tablas de sus valores que aún se utilizan en la actualidad.
Lewis propuso una nueva formulación del tercer principio de la termodinámica, lo que permitió determinar con precisión la entropía absoluta.
En sus últimos años, estuvo interesado en la fotoquímica, en particular, estableció que la luminiscencia de las moléculas orgánicas incluye un estado triplete excitado (un estado en el que los electrones, en lugar de existir en pares con espines opuestos, existen en un estado excitado con el vector de espín orientado en una dirección). También midió las propiedades magnéticas del estado triplete.
Estas teorías han tenido un impacto sin límites en el pensamiento de los químicos. Se puede mencionar, en particular, su aplicación fructífera en la serie de trabajos de Langmuir. En el Journal of the American Chemical Society, Langmuir declaró que «la reciente teoría de valencia propuesta por Lewis parece ser la imagen más satisfactoria de la combinación química de todas las propuestas hasta la fecha». La literatura química está llena de referencias a este trabajo de Lewis.
Durante algún tiempo, sus puntos de vista sobre la naturaleza de las uniones químicas, en particular las uniones covalentes, no fueron populares entre los físicos porque tenían poco en común con el átomo de boro, pero la aparición de la nueva mecánica cuántica proporcionó una clara confirmación de este tipo de unión y permitió una comprensión diferente de las ideas científicas de Lewis. Poling declaró que «la aplicación de la mecánica cuántica a la interacción de átomos complejos y a uniones químicas no polares en general ya se ha hecho. Vale la pena mencionar que las conclusiones alcanzadas son completamente equivalentes a las obtenidas por G.N. Lewis en su teoría de pares electrónicos generales».
Lewis también desarrolló una serie de métodos especiales, químicos, algebraicos, aritméticos y gráficos para procesar datos termodinámicos. Estos métodos fueron de gran importancia para salvar la termodinámica de una posición estéril en los tratados de física, gracias a lo cual se decidió ponerla como herramienta de trabajo en manos de los químicos, quienes antes no se daban cuenta de su necesidad vital.
A pocas personas les sobraba imaginación a los sesenta años para identificar nuevas direcciones. Pero esto fue característico de Lewis, ya que la imaginación siempre fue su fuerte. Durante su carrera, no solo desarrolló nuevas teorías y métodos, sino que también estableció nuevos campos de investigación. Por ejemplo, en la década de 1920, Lewis y su grupo de investigación del MIT fueron pioneros en el estudio de la química de las superficies, y su trabajo en este campo sentó las bases para el desarrollo de la química de superficies moderna.
La escuela científica de Lewis
Siendo el decano del Colegio de Química y el presidente del Departamento de Química en la Universidad de California, Lewis tomó la sabia decisión de crear nuevos edificios de investigación y una renovación completa de la organización. Reunió a un grupo de jóvenes que, bajo su brillante liderazgo, formaron un centro de intensa actividad científica.
Todos los participantes eran instructores o profesores de química, no de sus ramas separadas. Ninguno de ellos fue designado como suplente o líder. No había divisiones en la organización anteriormente nombrada. Todos se reunían para discutir química (orgánica, inorgánica, física, cualquier tipo). La máxima libertad en opiniones y reflexiones era obligatoria.
Pensamiento libre de Lewis
En una de sus primeras conferencias de investigación, Lewis hizo una declaración ambigua a propósito, lo que era característico de él. Con un entusiasmo juvenil, y chocando con los conservadores, uno de los mejores estudiantes de posgrado objetó: «No, no es así». Todos estaban horrorizados por la valentía del estudiante, ya que tales comentarios eran peligrosos en algunas instituciones. Pero Lewis se dirigió a él de manera informal preguntando: «¿No? ¿Por qué no?». Luego siguió una animada discusión, hechos y suposiciones lógicas. En otra ocasión, cuando un estudiante criticó una de sus afirmaciones, Lewis observó: «Es un comentario atrevido, pero también es apropiado».
Los miembros del departamento se convirtieron en atenienses. Cualquier persona que pensara que había tenido un brillante pensamiento, trataba de exponerlo a sus colegas. Grupos de dos o más personas discutían acaloradamente en las aulas, a veces incluso en los pasillos. Por lo tanto, el departamento se volvió numéricamente más grande de lo que realmente se anunciaba el número de participantes.
Métodos de enseñanza
Los métodos de enseñanza de Lewis se basaban en la investigación. En sus conferencias diarias, Lewis utilizaba materiales que ya habían sido presentados en libros reconocidos. Además, el profesor a menudo impartía seminarios sobre los temas estudiados. Las diferencias con respecto a otros departamentos universitarios eran tan grandes, especialmente desde el punto de vista de las leyes académicas empíricas clásicas, que el departamento superó a todo un departamento en términos de conocimiento científico en su campo.
Sin duda, Lewis se regocijaba al encontrar a sus jóvenes colegas tan productivos como él mismo. Los protegía del excesivo plan de estudios. El científico enviaba a los nuevos estudiantes a hablar con los miembros del departamento, dándoles la libertad de elegir cómo resolver algún problema. Lewis se diferenciaba radicalmente de otros líderes que sostenían que los miembros más jóvenes del departamento debían trabajar para los mayores.
Lewis le daba al personal la libertad de elegir el problema y a los novatos el camino a seguir. Se reunían semanalmente para discutir la organización del trabajo de los nuevos miembros y resolver cuestiones relacionadas con ella. Aunque las conferencias se impartían simultáneamente a quinientos estudiantes en una gran sala de química, Lewis prefería impartir los seminarios él mismo en grupos de 25 personas. Sus numerosos asistentes enseñaban al resto. Las quejas de los estudiantes de primer año sobre la falta de contacto con los profesores en la Universidad de California no tenían fundamento.
El sistema establecido por Lewis tuvo un profundo impacto en los sistemas alternativos de enseñanza de los profesores, llevando a los profesores a elevar sus estándares de enseñanza. Les demostró que el talento del investigador no se puede transmitir solo a través de la enseñanza desapegada.
Premios y reconocimientos científicos
Lewis recibió numerosos premios y distinciones a lo largo de su carrera. Fue galardonado con títulos honorarios por las universidades de Chicago, Liverpool, Madrid, Pensilvania y Wisconsin, elegido miembro honorario del Royal Institute of Great Britain, la Sociedad Química de Londres, la Academia India de Ciencias, la Academia Sueca, la Academia Danesa, la Royal Society y el Instituto Franklin de Pensilvania, y recibió medallas de Nichols, Gibbs, Davy, Arrhenius, Richards, la Sociedad de las Artes y las Ciencias. En 1925, dio una conferencia en la Universidad de Yale y eligió como tema «La anatomía de la ciencia», tratando de examinar algunos prejuicios científicos en varias áreas.
En 1913, Lewis se convirtió en miembro de la Academia Nacional de Ciencias en Washington (sin embargo, renunció a su membresía en 1934 debido a desacuerdos con la política interna de la organización). En 1930, recibió la Medalla de la Sociedad de las Artes y las Ciencias como «destacado químico estadounidense».
Fue miembro extranjero de la Royal Society de Londres (1940). De 1942 a 1973 fue miembro honorario de la Academia de Ciencias de la URSS. Fue nominado más de treinta veces para el Premio Nobel. En 1970, la Unión Astronómica Internacional nombró en su honor un cráter en la cara oculta de la Luna.
Fallecimiento
Lewis falleció inesperadamente el 23 de marzo de 1946 en su laboratorio de experimentos de fluorescencia. Dejó una esposa, Maria Sheldon Lewis, con la que se casaron en 1912, y dos hijos, Richard Newton y Edward Sheldon, ambos químicos, y una hija, Margery Selby.
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