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viernes, 25 de abril de 2025

Electricidad y teoría atómica




La relación entre la carga eléctrica y la materia ha sido reconocida desde hace milenios, y las propias palabras "electrón" y "electricidad" tienen sus raíces en la palabra griega para ámbar. Esto se debe a que, al frotar materiales contra el mineral de ámbar, adquieren propiedades magnéticas de manera espontánea. En los inicios del siglo XVIII, el químico francés Charles François du Fay realizó un descubrimiento revelador. Al observar que una hoja de oro cargada era repelida por vidrio frotado con seda, pero atraída por ámbar frotado con lana, dedujo la existencia de dos fluidos eléctricos: el fluido vítreo asociado al vidrio y el fluido resinoso asociado al ámbar. Benjamín Franklin propuso una perspicaz reinterpretación: la electricidad no emana de distintos fluidos eléctricos, sino de uno único que exhibe exceso (positividad) o déficit (negatividad) de carga. Franklin introdujo la nomenclatura moderna de carga positiva y carga negativa, marcando un hito significativo en la comprensión de la electricidad.

Figura 1. Benjamin Franklin, nacido el 17 de enero de 1706 en Boston y fallecido el 17 de abril de 1790 en Filadelfia, se erige como un polímata excepcional en la historia estadounidense. Renombrado político, científico e inventor, Franklin es venerado como uno de los Padres Fundadores de los Estados Unidos. Su genialidad se desplegó en campos diversos, desde la redacción de la Declaración de Independencia hasta contribuciones cruciales en la comprensión de la electricidad, personificando la amalgama entre la erudición y el pragmatismo. Franklin, figura clave en la Revolución Americana, legó un legado multifacético que sigue iluminando las páginas de la historia estadounidense.

La electrolisis

El descubrimiento de instrumentos capaces de controlar la electricidad abrió un abanico de posibilidades para nuevos experimentos y avances en la ciencia. A medida que la comprensión de la electricidad avanzaba, surgieron dispositivos como la máquina de Leyden en el siglo XVIII, que permitió almacenar electricidad en forma de carga estática. Esto marcó el inicio de los estudios sobre la acumulación y manipulación de electricidad, allanando el camino para futuras investigaciones.

Durante el siglo XIX, los avances en la corriente eléctrica y su interacción con diferentes materiales revolucionaron aún más el campo. Científicos como Alessandro Volta realizaron importantes descubrimientos, como la invención de la pila voltaica en 1800, que fue el primer dispositivo capaz de generar una corriente eléctrica de manera continua. Este descubrimiento llevó al estudio de la electrólisis, un proceso mediante el cual la corriente eléctrica descompone compuestos químicos, lo que permitió el descubrimiento de nuevos elementos químicos.

Figura 2. La botella de Leyden fue el primer capacitor o condensador eléctrico, inventado en 1745 por Ewald von Kleist y Pieter van Musschenbroek. Consiste en un frasco de vidrio parcialmente lleno de agua, con un conductor interno (como una lámina metálica) conectado a una varilla que atraviesa la tapa, terminando en una esfera exterior. El exterior del frasco está cubierto con otro conductor (como papel de estaño). Al cargarse mediante fricción (como un generador electrostático), almacena energía eléctrica estática entre sus placas interna y externa, permitiendo descargas potentes. Fue fundamental en los primeros experimentos con electricidad, demostrando la capacidad de almacenar y liberar carga, sentando las bases para la electrostática moderna. Su nombre proviene de la Universidad de Leiden, donde se popularizó.

Uno de los logros más notables fue el trabajo de Michael Faraday, quien en la década de 1830 demostró que la electricidad podía ser utilizada para descomponer sustancias, un fenómeno conocido como electrólisis. Este proceso reveló la existencia de elementos como el aluminio y el sodio en su forma pura, abriendo nuevas posibilidades en la industria y la química.

A medida que los experimentos sobre la electricidad continuaban, los científicos empezaron a investigar los efectos de la corriente eléctrica sobre diversos materiales, como los óxidos metálicos. Estos estudios revelaron información clave sobre la conductividad eléctrica de diferentes sustancias y sobre cómo la electricidad podía inducir reacciones químicas en ciertos compuestos, lo que más tarde se conocería como electroquímica.

La electroquímica, impulsada por el trabajo de Faraday y otros, llevó al descubrimiento de nuevos materiales y procesos, entre ellos la galvanoplastia, que utiliza la electricidad para depositar una capa de metal sobre objetos. Esta innovación no solo transformó la industria de la metalurgia, sino que también abrió nuevas puertas para aplicaciones tecnológicas en áreas como la fabricación de dispositivos electrónicos y baterías.

Figura 3. Una máquina de electrólisis impulsada por una batería AA es un dispositivo sencillo que utiliza energía eléctrica para descomponer sustancias químicas mediante electrólisis. Consta de una batería AA (1.5 V) que suministra corriente continua a dos electrodos (generalmente de grafito o metal) sumergidos en un electrolito (como agua con sal o ácido diluido). Al conectar los electrodos a los polos de la batería, se genera una reacción redox: en el ánodo (+), los iones negativos liberan electrones (oxidación), y en el cátodo (-), los iones positivos ganan electrones (reducción). Por ejemplo, en agua, se produce hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂). Este sistema es útil para experimentos educativos, demostrando principios electroquímicos con materiales accesibles y baja tensión.

Importancia de los experimentos de Faraday

Figura  4. Michael Faraday (1791-1867) fue un influyente científico británico, nacido en Surrey. Comenzó su carrera como aprendiz de encuadernador, pero su pasión por la ciencia lo llevó a trabajar en la Royal Institution de Londres. Faraday realizó importantes descubrimientos en electromagnetismo, incluida la inducción electromagnética y las leyes de la electrólisis. Su trabajo sentó las bases para la posterior invención del generador eléctrico y el transformador, y también contribuyó al desarrollo de la física y la química modernas. Sus conferencias públicas fueron populares y ayudaron a aumentar el interés público en la ciencia. Faraday fue un visionario cuyo legado sigue siendo fundamental en la historia de la ciencia.

Los experimentos de Faraday sobre electrólisis fueron un argumento clave a favor del particularismo atómico (la idea de que la materia y la electricidad están compuestas por partículas discretas). Faraday observó que la cantidad de carga necesaria para liberar un mol de sustancia en una reacción electroquímica siempre era un múltiplo entero de un valor fundamental, conocido hoy como la constante de Faraday Fu = 96 485 coulombios/mol.

Actualmente, sabemos que Fu representa la carga total de un mol de electrones. Esto implicaba que, para que las reacciones redox ocurrieran en proporciones exactas de moles enteros, la carga eléctrica debía transferirse en unidades discretas (moles de electrones). Así, los resultados de Faraday sugerían que la electricidad no era un fluido continuo, sino que estaba cuantizada, apoyando indirectamente la existencia de partículas subatómicas cargadas, décadas antes del descubrimiento formal del electrón.

Referencias

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