Gilbert N. Lewis

Lewis nació en 1875 y creció en Weymouth, Massachusetts , donde hay una calle que lleva su nombre, GN Lewis Way, cerca de Summer Street. Además, el ala del nuevo departamento de Química de la Escuela Secundaria de Weymouth fue nombrada 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. Aprendió a leer 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 Phillips Academy en Andover , Lewis regresó a Harvard para estudiar con el químico físico TW Richards y obtuvo su doctorado en 1899 con una disertación sobre potenciales electroquímicos . ^{[ 20 ] [ 21 ]} Después de un año de enseñanza en Harvard, Lewis tomó una beca de viaje a Alemania, el centro de la química física , y estudió con Walther Nernst en Göttingen y con Wilhelm Ostwald en Leipzig . ^{[ 22 ]} 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 ". ^{[ 23 ]} Un amigo sueco de Nernst, Wilhelm Palmær , era miembro del Comité Nobel de Química. Hay evidencia de que utilizó los procedimientos de nominación e informe del Nobel para bloquear un Premio Nobel para Lewis en termodinámica , nominándolo para el premio tres veces y luego usando su posición como miembro del comité para escribir informes negativos. ^{[ 24 ]}

Tras 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 Pesas y Medidas de la Oficina de Ciencia en Manila , Filipinas . Al año siguiente regresó a Cambridge, Massachusetts, cuando el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) lo nombró profesor, donde tuvo la oportunidad de unirse a un grupo de destacados químicos físicos bajo la dirección de Arthur Amos Noyes . Fue nombrado profesor asistente en 1907, profesor asociado en 1908 y catedrático 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 . ^{[ 9 ] [ 15 ]} 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 química. ^{[ 25 ]}

Los alumnos de posgrado de Lewis en Berkeley tuvieron un éxito excepcional en el Comité Nobel . Catorce premios Nobel fueron otorgados a los hombres que él tomó como estudiantes. ^{[ 26 ]} Entre los más conocidos se encuentran 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) y Melvin Calvin (Premio Nobel de 1961). ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} Gracias a sus esfuerzos, la facultad de química de Berkeley se convirtió en uno de los principales centros de química del mundo. ^{[ 15 ] [ 18 ]}

Mientras estuvo en Berkeley, también negó la entrada a mujeres, impidiendo incluso que Margaret Melhase realizara estudios de posgrado. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Melhase había codescubierto previamente el Cesio-137 con Seaborg cuando era estudiante de pregrado. En 1913, fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias . ^{[ 29 ]} Fue elegido miembro de la Sociedad Filosófica Estadounidense en 1918. ^{[ 30 ]} Renunció en 1934, negándose a declarar 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 aquellos a quienes había nominado para ser elegidos. Su decisión de renunciar también pudo haber sido provocada por su resentimiento por la concesión del Premio Nobel de Química de 1934 a su estudiante, Harold Urey , por su aislamiento del deuterio en 1931 y la confirmación de su espectro . Este era un premio que Lewis casi con seguridad sentía que debería haber compartido por sus esfuerzos para purificar y caracterizar el agua pesada . ^{[ 31 ]}

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 su director de tesis doctoral, 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 cual, dada una relación, se pudieran derivar las demás. Además, estas relaciones eran inexactas, ya que solo se aplicaban a sistemas químicos ideales. Estos eran dos problemas importantes de la termodinámica teórica. En dos extensos 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 ". ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} Su nueva idea de fugacidad, o "tendencia de escape", ^{[ 37 ]} era una función con 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 del cual se podía derivar un sistema de relaciones termodinámicas reales. Esta esperanza no se cumplió, aunque la fugacidad sí encontró un lugar permanente 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 físicos y matemáticos, pero no por la mayoría de los químicos prácticos, quienes las consideraban abstrusas e inaplicables a los sistemas químicos. La mayoría de los químicos se basaban en la 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 ocurran 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 de la fugacidad; intentó, sin éxito, obtener una expresión exacta para la función de entropía , que en 1901 no se había definido a bajas temperaturas. Richards también lo intentó y fracasó, y no fue hasta que Nernst lo logró en 1907 que fue posible calcular las entropías de forma inequívoca. Aunque el sistema de Lewis basado en la fugacidad no perduró, su interés inicial por la energía libre y la entropía resultó muy fructífero, y gran parte de su carrera la dedicó 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 de cuerpo negro en el que postulaba que la luz tiene presión. Más tarde reveló que sus colegas mayores y más conservadores lo habían disuadido de seguir adelante con esta idea, pues desconocían que Wilhelm Wien y otros estaban desarrollando con éxito la misma línea de pensamiento. El artículo de Lewis permaneció inédito; pero su interés por la radiación y la teoría cuántica , y (posteriormente) por la relatividad , surgió de este primer intento fallido. Desde el comienzo de su carrera, Lewis se consideró a sí mismo tanto químico como físico.

Hacia 1902, Lewis comenzó a utilizar dibujos inéditos de átomos cúbicos en sus apuntes de clase, en los que los vértices del cubo representaban posibles posiciones de los electrones . Posteriormente, Lewis citó estos apuntes en su clásico artículo 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 alumnos, Lewis concibió la idea de que los átomos estaban formados por una serie concéntrica de cubos con electrones en cada vértice. Este «átomo cúbico» explicaba el ciclo de los ocho elementos de la tabla periódica y concordaba con la creencia generalizada de que los enlaces químicos se formaban mediante la 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 la obra de Richard Abegg en 1904, ^{[ 38 ]} pero la versión de Lewis 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 la época, no tenían predilección por tales 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 clásico artículo sobre enlaces químicos " El átomo y la molécula " ^{[ 39 ],} en el que formuló la idea de lo que se conocería como enlace covalente , que consiste en un par de electrones compartidos , y definió el término molécula impar (el término moderno es radical libre ) cuando un electrón no se comparte. Incluyó lo que se conocería como estructuras de Lewis, así como el modelo cúbico del átomo . Estas ideas sobre enlaces químicos fueron ampliadas por Irving Langmuir y sirvieron de inspiración para los estudios sobre la naturaleza del enlace químico realizados por 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 . ^{[ 40 ]} Ese mismo año también publicó una monografía sobre sus teorías del enlace químico. ^{[ 41 ]}

Basándose en el trabajo de J. Willard Gibbs , se sabía que las reacciones químicas conducían a un equilibrio determinado por la energía libre de las sustancias que participaban. Lewis dedicó 25 años a determinar las energías libres de diversas sustancias. En 1923, él y Merle Randall publicaron los resultados de este estudio, ^{[ 42 ]} lo que contribuyó a formalizar la termodinámica química moderna .

Lewis fue el primero en producir una muestra pura de óxido de deuterio ( agua pesada ) en 1933 ^{[ 43 ]} y el primero en estudiar la supervivencia y el crecimiento de formas de vida en agua pesada. ^{[ 44 ] [ 45 ]} Al acelerar deuterones ( núcleos de deuterio ) en el ciclotrón de Ernest O. Lawrence , pudo estudiar muchas de las propiedades de los núcleos atómicos. ^{[ 46 ]} Durante la década de 1930, fue mentor de Glenn T. Seaborg , quien fue contratado para realizar trabajo postdoctoral como asistente personal de investigación de Lewis. Seaborg ganó el Premio Nobel de Química en 1951 y el elemento seaborgio fue nombrado en su honor mientras aún vivía.

En 1924, al estudiar las propiedades magnéticas de soluciones de oxígeno en nitrógeno líquido , Lewis descubrió que se formaban moléculas de O _4. ^{[ 47 ]} Esta fue la primera evidencia de oxígeno tetratómico .

En 1908, publicó el primero de varios artículos sobre 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 . ^{[ 48 ]} En 1912, Lewis y Edwin Bidwell Wilson presentaron un trabajo importante en física matemática que no solo aplicó la geometría sintética al estudio del espaciotiempo , sino que también señaló la identidad de una aplicación de compresión del espaciotiempo y una transformación de Lorentz . ^{[ 49 ] [ 50 ]}

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 había previsto. ^{[ 51 ]} En la carta, propuso que el 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 cuanto de luz (Lichtquant en alemán).

En 1921, Lewis fue el primero en proponer una ecuación empírica que describía el incumplimiento de la ley de acción de masas por parte de los electrolitos fuertes , un problema que había desconcertado a los químicos físicos durante veinte años. ^{[ 52 ]} Sus ecuaciones empíricas para lo que él denominó fuerza iónica fueron posteriormente confirmadas como concordantes 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 colaborador 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 orbitales diferentes) y midieron el paramagnetismo de este estado triplete. ^{[ 53 ]}