Fracción de masa y porcentaje en masa

 

Fracción de masas  de la sustancia i en términos de la masa de la sustancia i y la masa total

Por tradición los químicos usar la forma porcentual de la fracción de masas:

Porcentaje en masa en términos de la fracción de masas por 100 adumensional

6. Otros modelos atómicos clásicos | ⚛️ El átomo físico clásico | Joseleg

[Ciencias de Joseleg] [Química] [La materia] [El átomo físico clásico] [Ejercicios resueltos] [Introducción] [La electricidad y el átomo] [La constante de Faraday y la electrolisis] [Experimentos con tubos de rayos catódicos] [Modelo atómico de Thomson] [Otros modelos atómicos clásicos] [Modelo atómico de Rutherford] [Introducción al núcleo atómico] [Estequiometría de isótopos] [Referencias]

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Los modelos atómicos representados en los libros de texto presentan un salto entre el modelo atómico de Thomson (1904) y el modelo atómico de Rutherford (1911), sin embargo, vale la pena aclarar que entre los dos existieron varios modelos del átomo. Normalmente se dice que la “historia la escriben los vencedores”. Mientras que esta afirmación generalmente corresponde a los ganadores de conflictos militares y políticos, se tiene un efecto similar en la historia de las ciencias. Los libros de texto de física y química de nivel de secundaria, preparatoria y universitarios generalmente narran la historia del átomo de forma reducida y consecutiva, una sucesión de paradigmas, cada uno suplantando al anterior para responder lo que el anterior decía, junto con la nueva información. Esta historia del libro de texto omite muchos de los problemas, controversias, ideas erróneas y problemas que tuvieron los miembros de la comunidad científica para poder plantear, defender o aceptar un determinado modelo o teoría.

Incluso los científicos más geniales deben enfrentar ideas erróneas propias antes de dar con una respuesta aceptable para un fenómeno complejo. Desafortunadamente las historias de los libros de texto hacen pensar a muchas personas, e incluso a los mismos científicos que la ciencia se trata de “tener siempre la razón”. Esta actitud puede ser problemática ya que impide que los investigadores expongan hipótesis válidas por miedo a cometer un “error”. En esta historia de errores podemos aislar al menos otros 7 modelos atómicos que fueron planteados de forma concomitante al modelo de Thomson o antes del modelo de Rutherford.

El modelo planetario de Perrin (1901)

Figura 6‑1.   El modelo planetario del átomo fue planteado originalmente por Jean Perrin en 1901.

En una conferencia realizada en 1901 en la universidad de París, Jean Perrin –si, el mismo que demostró la existencia de los átomos –propuso no solo un modelo del átomo planetario, sino una explicación para la ionización de un gas, el cual es virtualmente el mismo que emplearías con el modelo de Bohr (Perrin, 1901). Para Perrin el modelo de átomo debía ser el de un núcleo –Sol –positivo y corpúsculos –planetas –con carga negativa. La formación del rayo catódico se explica por el estímulo eléctrico sobre los corpúsculos, liberándolos del núcleo.

Resulta relevante que este modelo planetario del átomo fuera planteado con anterioridad al de Thomson y fuese aceptado solo 11 años más tarde de la mano de Rutherford. La razón por la cual Thomson no adoptó de forma temprana el modelo planetario de Perrin fue la misma por la cual el modelo planetario de Rutherford nunca gustó del todo y fue la paradoja del “colapso atómico”. La nube de carga positiva poco densa fue una primera solución a dicha paradoja.

El modelo dinámico de Lenard (1903)

Figura 6‑2.   Modelo atómico de Lenard

El término dinámico hace referencia a la unidad constitutiva del modelo (Lenard, 1903), al igual que el modelo de Thomson se trataban de esferas que contenían las partículas subatómicas. Las principales diferencias eran que las partículas poseían ambas cargas –el las llamó dinámidas –las cuales eran responsables tanto de la carga como de la masa del átomo. La masa de un átomo sería proporcional al número de dinámidas presentes en su interior.

El modelo del anillo de Saturno de Nagaoka (1904)

Figura 6‑3.   Modelo atómico de Nagaoka

Este modelo del átomo mezcla aspectos del átomo planetario de Perrin, con un intento de reconciliar el conflicto del “colapso del átomo” con una explicación del espectro del hidrógeno (Nagaoka, 1904). Si les suena conocido este intento es porque es en esencia el predecesor más directo del modelo atómico de Bohr. En 1859 James Clerk Mazwell resolvió una controversia con respecto a la estabilidad de los anillos de Saturno, mediante un cálculo teórico Maxwell propuso de los anillos de Saturno eran una colección de satélites muy pequeños que mantenían su estabilidad aun cuando se presentaran pequeñas alteraciones gravitacionales. Nagaoka empleó la analogía para proponer que los electrones funcionaban de forma similar a los satélites de Saturno y que se mantenían estables en sus orbitas de forma análoga.

El modelo del electrón fluido de Rayleigh (1906)

Figura 6‑4.   Modelo atómico de Rayleigh.

Rayleigh trató los electrones como si se tratara de un superfluido (Rayleigh, 1906) debido a que los rayos catódicos debían estar compuestos por miles de millones de partículas, mientras que el modelo de Thomson solo trataba con una cantidad finita de electrones. Básicamente hace referencia a los electrones como si formaran nubes –en el sentido más literal, compuesta por miles de electrones –que podían vibrar. Aunque sus cálculos al tomar a los electrones como nubes arrojaban valores discretos semejantes a los de los espectros, estos no encajaban bien –específicamente con la fórmula de Rayleigh que era empleada para determinar la compatibilidad de un modelo con las líneas espectrales. Esto daría lugar a la revolución cuántica más adelante, pero en su contexto solo fueron una extrañeza que fue ignorada.

El modelo de los electrones vibratorios de Jeans (1906)

Figura 6‑5.  Modelo atómico de Jeans

Se trata de una expansión del modelo de Thomson (Jeans, 1906) en el cual los electrones son descritos no como partículas sólidas, sino como estructuras complejas con componentes internos que les permiten vibrar y emitir energía con el fin de explicar las líneas espectrales. Los diferentes electrones vibran con frecuencia diferente para explicar la diferente frecuencia de luz emitida en un espectro como el del hidrógeno.

El modelo de electrones expansivo de Schott (1906)

Figura 6‑6.  Modelo atómico de Schott.

El modelo de Scott solo tomaba en cuenta los electrones, podría tratarse de una combinación del modelo de Jeans y del modelo de Nagaoka. Los electrones orbitantes vibraban y se expandían alejándose del núcleo, pero eran mantenidos en sus orbitas por la presión del éter (Schott, 1906).

Scott moriría defendiendo su modelo basado en la mecánica clásica, aun en 1937 cuando todos ya habían aceptado la nueva física. El problema del modelo de Scott era doble, al igual que los demás modelos no explicaba las líneas espectrales en forma de la fórmula de Rayleigh, además se trataba de un modelo regresivo que no podía hacer predicciones, solo explicar los hechos tal cual eran planteados.

El modelo del Arquión-electrón de Stark (1910)

Figura 6‑7.   Modelo atómico de Stark

En el modelo del arquión se propone la presencia de una segunda partícula que pose carga positiva llamada arquión. El electrón y el arquión se mueven en una órbita sin núcleo formando un riel de carga positiva y negativa (Kragh, 2010).  Lo relevante de este modelo fue la intuición para la presencia de una partícula positiva –que en los modelos posteriores sería denominada protón –pero al igual que los demás modelos no encajaba para poder responder el problema de la fórmula de Rayleigh para los espectros.

El modelo cúbico de Lewis (1916)

El átomo cúbico fue un modelo del átomo en el cual los electrones estaban ubicados en las aristas de un cubo en un átomo no polar o molécula. Este modelo fue desarrollado en 1902 por Gilbert N. Lewis y publicada en 1916 (Lewis, 1916), era un átomo diseñado específicamente para explicar las propiedades químicas del átomo, específicamente el concepto de valencia para poder racionalizar la regla de Abegg, mejor conocida como la ley del octeto (Jensen, 1984). Esta fue desarrollada posteriormente en 1919 por Irving Langmuir como el átomo del cubo-octeto (Kooser & Factor, 1983).

Figura 6‑8.  Modelo de Lewis. El modelo de Lewis es el origen para las notaciones de pinto-electrón de Lewis, empleadas para explicar el enlace químico clásico.

El problema con este átomo químico era que no hacía nada por explicar los fenómenos cuánticos que, si podían ser calculados con exquisito detalle por medio de los nuevos átomos físicos que se estaban proponiendo, como el modelo atómico de Bohr de 1913 y el modelo atómico de Sommerfeld de 1916. A pesar de que fue dejado de lado como modelo atómico, el modelo del átomo cubico es de interés histórico ya que representa un paso para el entendimiento del enlace químico, introduciendo conceptos como el enlace covalente, una forma de representar la regla de Abegg y finalmente una representación de lo que actualmente conocemos como la estructura de Lewis. Sin embargo, en la actualidad la notación para las estructuras de Lewis se basa en el modelo de Bohr pero representando únicamente los electrones del último nivel de energía.

El modelo atómico de Thomson

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Desde los newtonianos se asumía que las partículas eran divisibles, y la idea ya empezaba a ser fuertemente fundamentada para finales del siglo XVIII por científicos como William Prout (1785-1850) y Joseph Norman Lockyer (1836-1920). Prout argumentaba que el único elemento verdaderamente indivisible debía ser el hidrógeno mediante un análisis de masas elementales (Prout, 1816; Prout & Thomson, 1816). En este sentido, la idea de que los átomos de los elementos estaban formados por partículas aún más fundamentales ya se encontraba en el aire, y después de casi 40 años de jugar con los tubos de Crookes en 1897 Joseph John Thomson  (1856-1940) prosiguió los experimentos de Lenard y de Schuster para la relación tamaño, carga y masa de las partículas que componían el rayo catódico. Thomson demostró que los rayos de Lenard podrían viajar en el aire por una distancia más allá de la esperada para una partícula del tamaño de un átomo (Raizer et al., 1991; Schonland, 1923; Thomson, 1897, 1900; Whiddington, 1914).

Por lo anterior, el modelo de Thomson rompe al átomo de Dalton en el sentido que plantea que el átomo es divisible y contiene partículas en su interior, siendo la primera en identificarse el electrón. Fue George Johnstone Stoney (1826-1911) en 1891 quien bautizó los electrones antes de que Thmoson midiera su relación carga-masa de forma aproximada (Raizer et al., 1991; Schonland, 1923; Thomson, 1897, 1900; Whiddington, 1914), confirmando su existencia, por lo que el nombre ya existía de antes.

Sin embargo cuando hablamos de identificar al electrón no nos referimos a aislar una partícula en super-microscopio, eso es imposible, lo que hicieron los científicos fue estimar la relación de carga a masa, así como la existencia de múltiplos de una carga constante.

La relación carga-masa del electrón

Mediante la comparación de la desviación de los rayos catódicos por un campo eléctrico y otro magnético Thomson calculó un estimado de la relación carga-masa. Thomson construyó un tubo de rayos catódicos que tenía un agujero en el ánodo a través del cual pasaba un haz de electrones. Placas cargadas eléctricamente y un imán se colocaron perpendiculares al haz de electrones, y una pantalla fluorescente se colocó en un extremo.

Figura 5‑1.  Tubo de rayos catódicos con campos magnéticos y eléctricos perpendiculares. Los rayos catódicos (electrones) se originan en el cátodo y se aceleran hacia el ánodo, que tiene un orificio en el centro. Un estrecho haz de electrones pasa a través del agujero y viaja a la pantalla fluorescente.

El campo eléctrico desvió los rayos en una dirección y el campo magnético los desvió en la dirección opuesta. Thomson ajustó la fuerza de los campos para que los efectos se equilibraran entre sí, permitiendo que los electrones viajaran en línea recta hacia la pantalla. Conociendo las fuerzas que resultaron en el camino recto, fue posible calcular un valor de 1.76 x 10⁸ C/g para la relación entre la carga eléctrica del electrón y su masa.

En 1897, seis años después de haber sido bautizados, Thomson aún se encontraba atascado, pues los trabajos de Hertz sobre la carga del electrón habían dado negativo y aparentemente los resultados de Schuster aún no eran conocidos. Thomson también realizó el experimento de Hertz y al igual que Schuster encontró que la carga de los corpúsculos debía ser negativa.

La carga del electrón

Sin embargo, esta estimación fue corregida en 1909 mediante el experimento de Millikan, también conocido como el experimento de la gota de aceite cuyos resultados fueron publicados en 1913 (Millikan, 1913).

Figura 5‑2.   Diseño experimental del experimento de la gota de aceite.

Experimento de la gota de aceite de Millikan para medir la carga del electrón se representa en la Figura 5‑2, en este se permite que pequeñas gotas de aceite caigan entre placas cargadas eléctricamente. Las gotas recogen electrones adicionales como resultado de la irradiación de rayos X y, por lo tanto, se cargan negativamente. Millikan midió cómo la variación del voltaje entre las placas afectaba la tasa de caída. A partir de estos datos calculó la carga negativa de las gotas. Debido a que la carga de cualquier gota siempre era un múltiplo entero de 1.602 x 10^-19 coulombios (C), Millikan dedujo que este valor era la carga de un solo electrón. Ahora con la relación masa carga y la carga del electrón fue posible estimar la masa del electrón.

Ejercicio. Estimar la masa de un electrón si su carga elemental absoluta es de 1.602 x 10^-19 C y su relación masa carga es de 1.76 x 10⁸ C/g y compararla con la masa de un solo átomo de hidrógeno.

Los experimentos de Thomson sugirieron las partículas que componían los rayos catódicos eran mil veces más pequeñas que el átomo de hidrógeno y que su masa era inespecífica para cualquier elemento productor de rayos catódicos. En otras palabras, los átomos de todos los elementos gaseosos que podían emplearse en un tubo de Crookes lanzaban la misma partícula, con la misma masa y la misma carga. Thomson llamó originalmente a estas partículas como corpúsculos, pero otros científicos propusieron el nombre que ha sido aceptado para para la posteridad, el electrón.

El modelo culinario del átomo

Ahora solo restaba construir un modelo del átomo que pudiera dar una representación pictórica para los datos que habían sido obtenidos mediante los experimentos con los tubos de Crookes. En primera instancia, los gases de los elementos empleados no eran afectados por campos magnéticos, por lo que su carga neta debía ser neutral. En segunda instancia, cuando estos eran estimulados por un fuerte campo eléctrico emitían los electrones, los cuales eran partículas muy pequeñas, de carga negativa. Con los datos recolectados Thomson concluyó que los electrones emergían del interior del átomo –en consecuencia, dividiéndolo –y mediante un razonamiento inverso razonó que en un gas sin estimular, los electrones debían estar al interior del átomo.

Figura 5‑3.   Joseph John "J.J." Thomson  (Reino Unido: Mánchester, Inglaterra, 18 de diciembre de 1856-Cambridge, Inglaterra, 30 de agosto de 1940) fue un científico británico, descubridor del electrón, de los isótopos e inventor del espectrómetro de masa. En 1906 fue galardonado con el Premio Nobel de Física.

Para explicar la carga neutra neta del gas sin estimular Thomson asumió que el átomo como tal debía estar compuesto por una masa dispersa de carga positiva. Esta es la esencia del modelo de Thomson para el átomo o modelo del pastel con pasas propuesto para 1904. A pesar de su representación estacionaria, los electrones debían moverse en el interior del átomo estimulados por la repulsión de la masa positiva y de los demás electrones en su interior (Arabatzis, 2009; Dahl, 1997; Thomson, 1897).

Figura 5‑4.  Modelo atómico de Thomson. Por más culinario que pueda parecer, el modelo de Thomson expandía el antiguo modelo del átomo esférico con partículas en su interior, estas eran estimuladas por el campo eléctrico formando los rayos catódicos

Explicación para el rayo catódico, la ionización de un gas

Un rayo catódico se genera por la acumulación de energía en los electrones de un gas. El gas se ioniza emitiendo el electrón, el cual viaja al polo positivo más cercano. Normalmente, los gases se encuentran a demasiada presión como para que los electrones viajen demasiada distancia sin impactar con otro átomo (Arabatzis, 2009; Brok, 2005; Raizer, Kisin, & Allen, 1991). En los tubos de Geissler esto era lo que pasaba, cuando el electrón golpea el gas la energía se transfiere al segundo átomo y este la emite no como otro electrón excitado, sino como un fotón de luz, causando la luminiscencia. 

Los rayos catódicos no emiten fotones sino cuando impactan con otros materiales, por esta razón no se ven sino hasta que golpean con el vidrio o la pintura fluorescente. Debido a la limitación de la presión, los rayos catódicos solo se hicieron posibles hasta que la tecnología de las bombas de descompresión se hizo lo bastante efectiva como para descomprimir el interior de un tubo de vidrio lo suficiente como para que quedasen pocos átomos del gas dispersos.

Televisores CTR

El tubo de rayos catódicos (CRT, del inglés Cathode Ray Tube) es una tecnología que permite visualizar imágenes mediante un haz de rayos catódicos constantemente dirigido contra una pantalla de vidrio recubierta de fósforo y plomo (YouTube) (YouTube).​ El fósforo permite reproducir la imagen proveniente del haz de rayos catódicos, mientras que el plomo bloquea los rayos X para proteger al usuario de sus radiaciones. Fue desarrollado por William Crookes en 1875. Se emplea principalmente en monitores, televisores y osciloscopios, aunque en la actualidad se está sustituyendo rápidamente por tecnologías como plasma, LCD, LED. Además, a día de hoy son muy difíciles de encontrar.

Consecuencias del modelo atómico de Thomson

El modelo atómico de Thomson no tuvo mayores repercusiones como tal ya que no podía explicar otros aspectos de la investigación de los elementos como las líneas de los espectros electromagnéticos o la configuración periódica de los elementos. En lo que si fue importante fue en el de popularizar la idea de que los átomos estaban constituidos por una estructura interna no trivial que posiblemente podría condicionar las relaciones de estos elementos durante las reacciones químicas. Desde este punto para la siguiente década 1910-1920, los nuevos modelos del átomo deberían poder explicar: los electrones como parte de la estructura atómica, los espectros de emisión de un elemento y la configuración periódica de los elementos. No menos importante fue el impacto de las ideas de Thomson en sus alumnos, especialmente en la del joven Ernest Rutherford (1871-1937), quien llevaría la historia del átomo al siguiente nivel. Finalmente, el modelo de Thomson representa la primera culminación de estudios del átomo hechos desde la perspectiva de la física, los experimentos con los tubos de Crookes daban los mismos resultados sin importar la naturaleza elemental del gas implicado, en consecuencia, el concepto de reacción química no era empleado para estudiar el átomo. En resumen, con el modelo de Thomson abandonamos la química de átomo y nos adentramos en la física del átomo.

La carga del protón

El descubrimiento del protón data de las primeras investigaciones de la estructura atómica. Mientras estudiaban corrientes de átomos y moléculas gaseosos ionizados a los que se les habían quitado los electrones, Wilhelm Wien (1898) y J.J. Thomson (1910) identificaron una partícula positiva igual en masa al átomo de hidrógeno, pero cargada positivamente empleando los rayos canales.

Goldstein observó que en un tubo provisto de un cátodo perforado que contenía un gas enrarecido, un haz de rayos de luz (rayos del canal) pasaba a través de cada perforación en dirección opuesta a la trayectoria de los rayos catódicos (electrones). Los campos magnéticos relativamente débiles que utilizó no producían una desviación perceptible de estos rayos de luz. Sin embargo, los campos magnéticos idénticos desviaban fuertemente los rayos catódicos. Su conclusión fue que para los rayos del canal observados estaba tratando con un fenómeno que no podía explicar.

Nos interesa principalmente el protón, un rayo canal. Sin embargo, el nombre rayo canal surgió de un fenómeno general. Goldstein, mientras experimentaba con varios gases, no solo con hidrógeno, notó que estos extraños rayos cambiaban de color de gas a gas. Sugirió llamarlos rayos de canal hasta que alguien seleccionara un nombre adecuado. Su nombre provisional se convirtió en el nombre aceptado.

Fue Wilhelm Wien, quien reconoció que los rayos de canal eran partículas cargadas positivamente. Observó que uno no podía distinguirlos visualmente de los rayos catódicos débiles, pero incluso con un imán de herradura débil, los rayos catódicos podían desviarse y los rayos del canal no se desviaban notablemente aunque sí levemente. Esto se debe a que la masa del protón es más grande y en consecuencia su momento cinético es mayor, por lo que un campo magnético aunque los afecta, no logra desviarlos significativamente, algo semejante a un proyectil de papel en comparación con un proyectil de plomo sometidos a una corriente de aire.

Wien, señaló que la desviación electrostática servía como un buen medio para identificar los rayos del canal, ya que los rayos del canal se desviaban hacia el polo negativo del dispositivo electrostático, lo cual sugería su carga positiva.

También declaró específicamente que la electricidad positiva transportada por los rayos del canal era una característica de identificación de los rayos. Wien diseñó equipos de deflexión que utilizan potenciales de hasta 30 000 voltios y determinó relaciones carga-masa para el protón con un valor aproximado de 1.0 x 10⁴ C/g. Sus resultados concuerdan bastante bien con los obtenidos por investigadores posteriores 0.478 x 10⁴ C/g. La relación carga-masa para el hidrógeno se conocía a partir de experimentos de electrólisis que databan de la década de 1830. Era alrededor de 1.0 x 10⁵ C/g en esa época. El hidrógeno tenía la mayor relación carga-masa en comparación con otros elementos, porque era el elemento más ligero.

Ejercicio. Calcular la masa de un solo átomo de hidrógeno, y con su relación carga masa 0.478 x 10⁴ C/g determinar la carga de un átomo en coulombios.

A partir de sus medidas sobre las descargas a través del hidrógeno, dijo que fácilmente se llega a la opinión de que los rayos del canal son los propios iones de hidrógeno. Por lo tanto, parece que Wien debe atribuirse el mérito de lo siguiente: el reconocimiento de que los rayos del canal producidos en las descargas eléctricas en gas hidrógeno a baja presión son partículas cargadas positivamente, el reconocimiento de que estos rayos contienen iones de hidrógeno y las primeras mediciones de la relación carga-masa del protón.

En mayo de 1907, J.J. Thomson confirmó las medidas de Wien con un artículo titulado "On rays of Positive Electricity". En estos experimentos y mediciones de carga-masa, Thomson utilizó un aparato mejorado y una mayor sofisticación experimental y observó tanto el protón como lo que parece ser el catión de la molécula de hidrógeno (Moore, Jaselskis, & von Smolinski, 1985).

Primeros indicios de que la masa de un elemento no es constante

Uno de los postulados fundamentales de la teoría atómica clásica era el axioma de que la masa de un elemento ponderada a un mol de sustancia permitía identificar su identidad, por ejemplo un elemento de 16.00 g/mol es oxígeno, sin embargo los experimentos de Thomson comenzaron a indicar que esta idea no era tan cierta después de todo.

Thomson determinó la relación carga-masa de los rayos del canal, y descubrió que variaba según el tipo de gas que estaba presente en el tubo. También hubo variaciones sutiles dentro de cada valor para cada elemento usado. En otras palabras, cuando se usaba hidrógeno, cloro, nitrógeno o neón, cada uno tenía un valor carga-masa diferente de los demás. En el caso del neón, a medida que el equipo y la técnica de Thomson mejoraron, notó que el neón daba dos puntos (muy cerca uno del otro) al mismo tiempo. En otras palabras, la misma muestra de neón estaba produciendo dos relaciones carga-masa ligeramente diferentes, que actualmente se explican cómo dos isótopos diferentes del neón, cada uno con las mismas propiedades químicas, pero con una masa ligeramente diferente.

¿Por qué el protón no aparece en este modelo?

Aunque Thomson sabía de su existencia y conocía su relación carga masa no conocía su volumen, en consecuencia lo modelo como una entidad de volumen amplio y disperso, la masa del pastel más pequeño de su modelo. De hecho la presunción de que el electrón existiera al interior del protón en el elemento hidrógeno tenía sentido puesto que el protón es casi 1500 veces más masivo. El presupuesto de que la masa del protón era poco densa y dispersa en un volumen amplio sería un problema para otra generación de científicos

2. La electricidad y el átomo | ⚛️ El átomo físico clásico | Joseleg

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La materia exhibe propiedades químicas y físicas, mientras que las propiedades químicas se enfocan en la reactividad, las propiedades físicas se basan en interacciones que no alteran la identidad de la sustancia, pero que en muchas ocasiones dependen del tipo de sustancia. Una propiedad física particularmente desconcertante era la electricidad.

Etimología de electricidad

Los antiguos griegos notaron que el ámbar atraía pequeños objetos cuando se frotaba con la piel. Junto con los rayos, este fenómeno es una de las primeras experiencias registradas de la humanidad con la electricidad (Ahuja, 1600). En su tratado De Magnete de 1600, el científico inglés William Gilbert acuñó el nuevo término latino electrica, para referirse a aquellas sustancias con propiedades similares a las del ámbar que atraen objetos pequeños después de ser frotadas (Gilbert, 1600). La palabra electricidad se deriva del latín ēlectrum (también la raíz de la aleación del mismo nombre), que proviene de la palabra griega para ámbar, ἤλεκτρον (ēlektron).

Figura 2‑1. William Gilbert, (Colchester, Essex, 24 de mayo de 1544–Londres, 10 de diciembre de 1603) fue un filósofo natural y médico inglés. Es considerado uno de los pioneros del estudio científico del magnetismo.​ Su obra maestra es De Magnete (1600), el primer libro importante sobre Física publicado en Inglaterra. Introdujo el término electricidad a partir de sus estudios sobre electrostática. Rechazó con vigor la filosofía aristotélica y el método escolástico de enseñanza en las universidades.

Dos tipos de carga

A principios de la década de 1700, el químico francés Charles François du Fay descubrió que, si una hoja de oro cargada es rechazada por vidrio frotado con seda, entonces la misma hoja de oro cargada es atraída por el ámbar frotado con lana. A partir de este y otros resultados de tipos similares de experimentos, du Fay concluyó que la electricidad consta de dos fluidos eléctricos, fluido vítreo de vidrio frotado con seda y fluido resinoso de ámbar frotado con lana. Estos dos fluidos pueden neutralizarse entre sí cuando se combinan (Benjamin, 1895; Keithley, 1999).

Figura 2‑2. Charles François de Cisternay du Fay (París, 1698 – 1739) fue un físico y químico francés, superintendente del Jardin du Roy. De familia prominente con influencia en ambientes militares y eclesiásticos, su padre le consiguió el nombramiento de químico adjunto en la Academie des Sciences. Aún sin tener una formación científica, Du Fay, pronto destacó en sus experimentos sobre la electricidad al enterarse de los trabajos de Stephen Gray, dedicó su vida al estudio de los fenómenos eléctricos. Publicó sus trabajos en 1733 siendo el primero en identificar la existencia de dos tipos de cargas eléctricas (las denominadas hoy en día positiva y negativa), que él denominó carga vítrea y carga resinosa, debido a que ambas se manifestaban: de una forma al frotar, con un paño de seda, el vidrio (carga positiva) y de forma distinta al frotar, con una piel, algunas sustancias resinosas como el ámbar o la goma, (carga negativa). Las observaciones de Du Fay en electricidad fueron escritas en diciembre de 1733 y luego impresas en el v. 38 de la Philosophical Transactions of the Royal Society en 1734 (Farrar, 1969).

Figura 2‑3. Benjamin Franklin (Boston, 17 de enero de 1706-Filadelfia, 17 de abril de 1790) fue un político, polímata, científico e inventor estadounidense. Es considerado uno de los Padres Fundadores de los Estados Unidos.

Más tarde, el científico estadounidense Ebenezer Kinnersley también llegó de forma independiente a la misma conclusión (μκρκ, 1900). Una década más tarde, Benjamin Franklin propuso que la electricidad no provenía de diferentes tipos de fluidos eléctricos, sino de un solo fluido eléctrico que mostraba un exceso (+) o un déficit (-). Les dio la nomenclatura de carga moderna de positivo y negativo respectivamente (Erwin, 1995; Singh, 2012). Franklin pensó que el portador de carga era positivo, pero no identificó correctamente qué situación era un excedente del portador de carga y qué situación era un déficit (Myers & Myers, 2006).

Entre 1838 y 1851, el filósofo natural británico Richard Laming desarrolló la idea de que un átomo está compuesto por un núcleo de materia rodeado de partículas subatómicas que tienen cargas eléctricas unitarias (Farrar, 1969). A partir de 1846, el físico alemán William Weber teorizó que la electricidad estaba compuesta de fluidos cargados positiva y negativamente, y su interacción se regía por la ley del cuadrado inverso. Después de estudiar el fenómeno de la electrólisis en 1874, el físico irlandés George Johnstone Stoney sugirió que existía una "única cantidad definida de electricidad", la carga de un ion monovalente. Pudo estimar el valor de esta carga elemental e por medio de las leyes de electrólisis de Faraday (Farrar, 1969). Sin embargo, Stoney creía que estas cargas estaban unidas permanentemente a los átomos y no podían eliminarse. En 1881, el físico alemán Hermann von Helmholtz argumentó que tanto las cargas positivas como las negativas se dividían en partes elementales, cada una de las cuales "se comporta como átomos de electricidad" (Arabatzis, 2006).

Stoney acuñó inicialmente el término electrolión en 1881. Diez años más tarde, cambió a electrón para describir estas cargas elementales, escribiendo en 1894: "... se hizo una estimación de la cantidad real de esta unidad fundamental de electricidad más notable, para la cual Desde entonces me he aventurado a sugerir el nombre de electrón. La palabra electrón es una combinación de las palabras eléctrico e iónico. El sufijo -on que ahora se usa para designar otras partículas subatómicas, como un protón o un neutrón, se deriva a su vez del electrón (Arabatzis, 2006).