• Sumaq

GILBERT LEWIS Y EL CENTENARIO DE LA TEORÍA DE ENLACE POR PAR DE ELECTRONES (Parte 1)


Algunos pocos químicos establecieron, a lo largo de la historia, conceptos y teorías que llegaron a tener una influencia profunda en la ciencia, desafiando el tiempo, a pesar que varios aspectos de sus teorías se hayan modificado al pasar los años. Así, Lavoisier, en el último cuarto de siglo XVIII, sepultó la antigua teoría de los cuatro elementos, que llegaron desde Grecia antigua, al demostrar que el agua, lejos de ser elemental, es un compuesto que puede ser fácilmente descompuesto en sus constituyentes, estos si elementales, el oxígeno y el hidrógeno. Tampoco el aire es elemental, como también lo demostró Lavoisier, siendo constituido por una mezcla de gases. Estos son aspectos básicos de la química nueva establecida por el químico francés, y marcaron lo que se considera el inicio de la química moderna.


En la década siguiente a la muerte trágica de Lavoisier, John Dalton propuso su teoría atómica, poniendo por primera vez en bases operacionales el concepto de átomo, que ocupaba las mentes de tantos filósofos por más de dos milenios. A partir de Dalton, fue posible trabajar cuantitativamente los átomos, determinando sus masas y estableciendo relaciones estequiometrias en bases sólidas, retirando la química de su estado eminentemente descriptivo. Esto fue posible sin que se tuviera una demostración experimental directa de la existencia de los átomos, o que solo se logró en el inicio del siglo XX. El propio Dalton fue unos de los pioneros de esta nueva actitud, determinando pesos atómicos y estableciendo la ley de las proporciones múltiples.


Poco más de un siglo después, Gilbert Newton Lewis estableció la primera teoría de enlace amplio, que agrupaba un único concepto para todos los tipos de enlace químico, permitiendo mostrar relaciones entre sustancias iónicas, covalentes, moleculares y metálicas, hasta entonces sin cualquier nexo conceptual común. Ahora , el objeto de estudio de la química es exactamente la naturaleza de enlace entre los otros átomos de los elementos. Estos tienden a interaccionar, formando los compuestos más variados, en un proceso de formación y ruptura de enlaces, que es la preocupación central de esta ciencia. Por eso se puede apreciar la importancia de la contribución de Lewis, y es por eso que él puede ser puesto al lado de los dos antecesores mencionados anteriormente. De acuerdo con Sason Shaik, cuando Lavoisier y Dalton emprendían una “revolución composicional” en la química, Lewis encabezó una “revolución estructural”.

Mucho se discute que no existiría una filosofía química, al contrario de lo que sucede en la física o en la biología, que debatiesen temas como la génesis del universo o la naturaleza de la vida. Ahora, así como Lavoisier y Dalton, Lewis fue un verdadero filósofo químico, y es esto lo que se resalta aquí , pues fue el primero en introducir en la química una nueva forma amplia de pensar sobre cómo y el por qué los átomos se enlazan para formar compuestos, esto es, el problema fundamental de la química, como se señaló anteriormente. Aunque el entendimiento sobre la naturaleza del enlace químico haya evolucionado extraordinariamente en un siglo, los químicos son deudores a Lewis de las ideas originales y fecundas, que moldearon profundamente buena parte de la química que siguió.


VIDA


Gilbert Newton Lewis nació en 1875 en Weymouth, Massachusetts, hijo del abogado Francis, Wesley Lewis y de Mary Burr Lewis, y murió en 1946 en su laboratorio de Berkeley. La familia se mudó para la ciudad de Lincoln, en el estado de Nebraska cuando él tenía nueve años. Él había aprendido a leer solo a los tres años de edad. En la adolescencia entró a la Universidad de Nebraska cuando él tenía nueve años, pero después se transfirió a Harvard, donde se graduaría en 1896. Hay divergencias en sus biógrafos en cuanto a la fecha de su ida para Harvard, apuntada como ocurrida en 1892 o 1893. A pesar de tener mucho interés también en economía, se graduó en Química en 1896. En 1898 completó su maestría en Harvard, con la tesis titulada “El electrón y una molécula”. Nótese que el descubrimiento del electrón por J.J. Thomson había ocurrido apenas en el año anterior. Lamentablemente, como cuenta su último ex-alumno Michael Kasha, la tesis de Lewis desapareció y Kasha dice que, a pesar de haber visto el ejemplar de Lewis en su gabinete, después de su muerte no consiguió localizar ningún ejemplar de la disertación, por más que buscase, al igual que en las bibliotecas de Harvard. Sería muy interesante conocer el contenido de este texto, una vez que el asunto respecto a Lewis se hiciera más conocido. En 1899 el recibiría el PhD por Harvard, trabajando sobre la orientación de Theodore William Richards, que sería el primer químico americano en recibir el Premio Nobel, en 1914, por el desarrollo para la determinación exacta de pesos atómicos. Su tesis de PhD se tituló “Algunas relaciones electroquímicas y termoquímicas de amalgamas de zinc y cadmio”, generó su primer artículo, en coautoría de su asesor. Como dicen los otros autores en el artículo, su propósito fue sobretodo describir un método conveniente para medir la fuerza electromotriz directamente de una célula electroquímica, mostrando que las amalgamas de cadmio y zinc en bajas concentraciones obedecen a las leyes para soluciones diluidas, y permiten también estudiar sus propiedades termodinámicas. Después de más de un año como instructor en Harvard, Lewis recibió una bolsa de estudio para un intercambio por un semestre con Wilhelm Ostwald en Leipzig y otro semestre con Walther Nerst en Göttingen. Las personalidades de esos dos químicos alemanes no podían ser más diferentes. En la estadía en Leipzig, Lewis se sintió bien y bastante estimulado, en virtud de la actitud alentadora de Ostwald, la estadía en Göttingen lo hizo sentir miserable, en consecuencia, de la rudeza y agresividad de Nernst. Al retornar a los Estados Unidos pasó más de tres años como instructor en Harvard y fue en ese periodo, a partir de 1902, que comenzó a desarrollar sus ideas respecto al octeto electrónico y su papel en la formación de enlaces químicos, escribiendo un memorando que permaneció inédito por mucho tiempo. Años después, en su libro Valence and the Structure of Atoms and Molecules, de 1923, el propio revelaría:


“En el año de 1902 (cuando estaba intentando explicar en una clase elemental de química algunas ideas envueltas en la ley periódica), quedé interesado en la nueva teoría del electrón, y combinando esta idea con aquellas implicadas en la clasificación periódica, formé la idea de la estructura del átomo que, aun teniendo ciertas imperfecciones, desde ese año consideré como representar el arreglo de electrones en el átomo. En la Figura 3 (del libro) se reproduce un grupo que ilustra esta idea en 1902.


Los aspectos principales de esta teoría de estructura atómica son las siguientes:

  1. Los electrones en un átomo están arreglados en cubos concéntricos.

  2. Un átomo neutro de cada elemento contiene un electrón o más que un átomo neutro del elemento inmediatamente precedente.

  3. El cubo de 8 electrones es alcanzado en los átomos de los gases raros, y ese cubo se torna de cierta manera el núcleo (kernel) en torno del cual se construye el cubo mayor de electrones del periodo siguiente.

  4. Los electrones de un cubo externo incompleto pueden ser cedidos a otro átomo, como el Mg2+, o suficientes electrones pueden ser retirados de otros átomos para completar el cubo, como en el caso de Cl-, dando cuenta de la “valencia positiva o negativa”.

De acuerdo con el idea de Mendeleev de que el hidrógeno es el primer miembro de un periodo completo, supuso erróneamente que el helio tuviese ocho electrones. Con relación a la disposición de la carga positiva que balanceaba los electrones en el átomo neutro, mis ideas eran muy vagas; creo que me incliné en aquella época en dirección a la idea de que la carga positiva era también formada por partículas discretas, cuya localización determinaba la localización de los electrones.


Estas hipótesis relativas al arreglo del electrón en el átomo, de no haber sido discutidas libremente con mis colegas y en mis clases, no tendrían ninguna publicidad adicional”.


Figura N°1. Diseños de Lewis del memorando de 1902, reproducido en su libro “Valencia”, de 1023.


La figura N°1 reproduce el diseño mencionado por Lewis. En 1904 Lewis fue nombrado para el cargo de Superintendente de pesos y medidas de las filipinas y el químico de la Oficina de Ciencia en Manila. Las Filipinas era entonces un protectorado americano, tomado de España después de la derrota de esta en la Guerra Hispano-Americana de 1898. Lewis llevó consigo para Filipinas un único libro, Physikalische Chemie de Nerst, usándolo para corregir sus “errores”. La enemistad entre Lewis y Nerst pudo haber contribuido para que Lewis jamás hubiera ganado el Premio Nobel. De Filipinas trajo el hábito de fumar cigarros todo el tiempo. En 1905 Lewis retornó a los Estados Unidos y fue para Massachusetts Institute of Technology, donde trabajó estrechamente con Arthur Amos Noyes. Su producción en el área de Termodinámica fue extraordinaria, que en 1912 ya era profesor titular y director de investigación en el MIT. En ese mismo año Lewis se casó con Mary Hinckley Sheldon, hija de un profesor de lenguas romances en Harvard, con la que tuvo dos hijos y una hija. Su reputación hizo el fuese invitado todavía en 1912 a asumir la dirección del Instituto de Química de la Universidad de California en Berkeley. Allá el organizó toda la química y tornó Berkeley una de las instituciones líderes en esa ciencia. En Berkeley permaneció hasta el fin de su vida, desarrollando una carrera de enorme brillo en varias áreas científicas. El liderazgo de Lewis era tan positivo que, como dijo su colega Joel Hildebrand, “el departamento se tornó mucho mayor que la suma de sus miembros individuales”. El jefe continuamente estimulaba la iniciativa y la creatividad de profesores y estudiantes, haciendo que el ambiente académico fuese el más fructífero y agradable posible. Al reclutar jóvenes colaboradores, que fueron nombrados instructores y profesores de Química, y no de una de sus subdivisiones, como relata Hildebrand. Su famoso libro de 1923, Valencia y estructura de átomos y moléculas, surgió de los seminarios de discusión de esos temas con colegas y alumnos. Por eso su generosa introducción al libro dice: “a mis colegas y estudiantes de la Universidad de California, sin cuya ayuda este libro no hubiera sido escrito. En nuestros muchos años de discusión de los problemas de la estructura atómica y molecular, algunas de las ideas aquí presentadas surgieron del grupo, en lugar de un individuo; de modo que, en un cierto sentido soy apenas el editor de ese grupo”.


Durante la Primera Guerra Mundial Lewis dejó provisoriamente su puesto para trabajar en el esfuerzo de guerra como científico en Europa, a partir de diciembre de 1917, en virtud del peligro representado por la guerra química que entonces se practicaba. El organizó la Escuela de Defensa contra Gases de Fuerza Expedicionaria Americana, que entrenaba 200 oficiales por semana para el ejército americano, lo que causó una enorme disminución en las bajas de ataques por gases. Fue condecorado por los Estados Unidos con la Distinguished Service Medal y por Francia, que le otorgó la Legión de Honra, y dejó el servicio militar con el puesto de teniente-coronel. Después de la guerra Lewis inició un largo y fructífero trabajo en termodinámica con su ex- alumno Merle Randall, uno de cuyos resultados fue la publicación del famoso libro Termodinámica y la energía libre de sustancias químicas, en 1923, con ediciones posteriores.


En su vida profesional el orientó más de una centena de doctorados y varios alumnos ganaron el Premio Nobel, como Glenn Seaborg y Melvin Calvin. El propio fue indicado 35 veces para el premio, sin jamás recibirlo. Posiblemente ningún orientador de tesis tuvo tanto orientados suyos que recibieron el galardón de la Academia sueca. Como por ejemplo, Harold Urey obtuvo en 1922 su doctorado en Berkeley, donde había estudiado termodinámica con Lewis, y en 1931, ya como profesor de Química en Columbia, anuncia el descubrimiento de deuterio, que le valdría el Premio Nobel en 1934. Durante esos tres años Lewis y colaboradores publicaron 26 artículos sobre el deuterio y numerosos aspectos del agua pesada. Inclusive, Lewis ni siquiera fue nombrado como el co-ganador del premio con Urey. Tal vez esa omisión haya sido contribuida para que Lewis renunciase a su condición de la National Academy of Sciences de los Estados Unidos en 1934.


Lewis recibió innumerables premios honorarios a lo largo de su vida, entre los cuales serán mencionados apenas algunos, como los títulos de Doctor Honoris Causa de las universidades de Chicago, Liverpool, Madrid, Pennsylvania y Wisconsin. También fue electo como miembro honorario de varias entidades, como la Royal Institution of Great Britain, Royal Society, Chemical Society of London, Academia de Ciencias de la India, Academia Sueca, Academia de Dinamarca y el Franklin Institute of Pennsylvania. Recibió igualmente las medallas Nichols, Gibbs, Davy, Arrhenius, Richards e da Society of Arts and Sciences.


El carácter introvertido y poco gregario de Lewis pudo haber contribuido para que el nunca recibiera el Premio Nobel. Él era introvertido y de poco viaje, a pesar de su prolífica producción, sea de artículos o discípulos. Su enemistad con Irving Langmuir (1881-1957, Premio Nobel en 1932), el extrovertido químico de quien Lewis sospechaba querer apropiarse sus ideas respecto a la naturaleza de enlace químico, contribuyó para lo que muchos llamaron el carácter depresivo de Lewis.


Lewis fue indicado para Premio Nobel de 1922-1944. La primera indicación se debió a su antiguo orientador de doctorado Theodore Richards, por su contribución a la termodinámica química y a la teoría de enlace químico. Ya en 1924, Svante Arrhenius, consultado sobre su contribución para el conocimiento del enlace químico, declaro “insignificante”, y exaltó, al contrario, la contribución de Langmuir, el rival de Lewis. Tal vez hayan pasado algunas críticas anteriores de Lewis a Arrhenius, lo cual, todavía en el final de la vida (Arrhenius morió en 1927), no se mantendría tan actualizado con la ciencia. Después de recibir nueve indicaciones en el año de 1926, el informe de la Academia Sueca fue redirigido por Theodor Svedberg, recomendó prematuro atribuir el premio a Lewis en aquel momento. Lo curioso es que quien recibió en 1926 fue el propio Svedberg. Como escribió Coffey, “en restrospectiva, el trabajo de Lewis sobre el papel del par electrones en química fue su conquista científica mas significativa, particularmente si su trabajo sobre ácidos y bases y en fotoquímica fueran examinados como parte de la misma empresa como su descubrimiento del enlace covalente”. El mismo autor dijo todavía que la actitud prevalente entre los químicos suecos después de la revolución cuántica era claramente desfavorable a modelos no-matemáticos simplificados basados en el par electrónico, sin llevar en cuenta la utilidad que pudiese tener en otras áreas de la química. Otros físico-químicos, todavía, como Louis Hammett y Christopher Ingold, ambos de los cuales estaban a favor de Lewis para el premio, no concordaban con este punto de vista. Coffey adiciona que la gran ironía es que las mayores contribuciones de Lewis beneficiaron a la química orgánica, disciplina en la que había recibido un D como concepto de su curso de graduación. Si hubiese vivido más años, quizás hubiera compartido el Premio Nobel de 1954 con Linus Pauling, quien tenía como un importante predecesor. De hecho, el premio de Pauling, que reconocía su papel en el tratamiento cuántico de enlaces direccionales, debía mucho al papel de Lewis en abrir ese camino.


Una leyenda persistente habla de que Lewis se habría suicidado por envenenamiento en el laboratorio en virtud de una serie de factores, con su temperamento depresivo, por encontrar que su tiempo como investigador de punta ya pertenecía al pasado y por haber sido dejado de lado en la concesión de Premios Nobel. Su último alumno doctor, Michael Kasha, que lo encontró muerto en el laboratorio en la tarde del 23 de marzo de 1946, cuenta, todavía, una historia diferente en un artículo publicado en 1984. Lewis, un gran perito en liderar con bajas temperaturas y sistemas de vacío, estaba en la época trabajand