Svante Arrhenius

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Científico sueco (1859-1927)

Svante August Arrhenius (ə-REE-nee-əs, -⁠RAY-, sueco: [ˈsvânːtɛ aˈrěːnɪɵs]; 19 de febrero de 1859 - 2 de octubre de 1927) fue un científico sueco. Originalmente físico, pero a menudo referido como químico, Arrhenius fue uno de los fundadores de la ciencia de la química física. Recibió el Premio Nobel de Química en 1903, convirtiéndose en el primer premio Nobel sueco. En 1905, se convirtió en director del Instituto Nobel, donde permaneció hasta su muerte.

Arrhenius fue el primero en utilizar los principios de la química física para estimar hasta qué punto los aumentos del dióxido de carbono atmosférico son responsables del aumento de la temperatura de la superficie terrestre. Su trabajo jugó un papel importante en el surgimiento de la ciencia climática moderna. En la década de 1960, Charles David Keeling demostró que la cantidad de emisiones de dióxido de carbono causadas por el hombre en el aire es suficiente para provocar el calentamiento global.

La ecuación de Arrhenius, el ácido de Arrhenius, la base de Arrhenius, el cráter lunar Arrhenius, el cráter marciano Arrhenius, la montaña de Arrheniusfjellet y los laboratorios de Arrhenius en la Universidad de Estocolmo recibieron este nombre para conmemorar sus contribuciones a la ciencia.

Biografía

Primeros años

Arrhenius nació el 19 de febrero de 1859 en Vik (también deletreado Wik o Wijk), cerca de Uppsala, Reino de Suecia, Reino Unido de Suecia y Noruega, hijo de Svante Gustav y Carolina Thunberg Arrhenius, que eran luteranos. Su padre había sido agrimensor en la Universidad de Uppsala y ascendió a un puesto de supervisor. A la edad de tres años, Arrhenius aprendió a leer por sí mismo sin el apoyo de sus padres y, al observar la suma de números de su padre en sus libros de cuentas, se convirtió en un prodigio de la aritmética. En su vida posterior, Arrhenius sintió una profunda pasión por los conceptos matemáticos, el análisis de datos y el descubrimiento de sus relaciones y leyes.

A los ocho años, ingresó a la escuela de la catedral local, comenzando en el quinto grado, distinguiéndose en física y matemáticas, y graduándose como el estudiante más joven y capaz en 1876.

Disociación iónica

En la Universidad de Uppsala, no estaba satisfecho con el instructor jefe de física y el único miembro de la facultad que podría haberlo supervisado en química, Per Teodor Cleve, por lo que se fue a estudiar al Instituto de Física de la Academia Sueca de Ciencias. en Estocolmo bajo la dirección del físico Erik Edlund en 1881.

Su trabajo se centró en las conductividades de los electrolitos. En 1884, basado en este trabajo, presentó una disertación de 150 páginas sobre conductividad electrolítica en Uppsala para el doctorado. No impresionó a los profesores, que incluían a Cleve, y recibió un título de cuarta clase, pero tras su defensa fue reclasificado como de tercera clase. Más tarde, las extensiones de este mismo trabajo le valdrían el Premio Nobel de Química de 1903.

Arrhenius presentó 56 tesis en su disertación de 1884, la mayoría de las cuales todavía se aceptarían hoy sin cambios o con modificaciones menores. La idea más importante de la disertación fue su explicación del hecho de que las sales cristalinas sólidas se disocian en partículas cargadas emparejadas cuando se disuelven, por lo que ganaría el Premio Nobel de Química en 1903. La explicación de Arrhenius fue que al formar una solución, la sal se disocia en partículas cargadas que Michael Faraday había dado el nombre de iones muchos años antes. La creencia de Faraday era que los iones se producían en el proceso de electrólisis, es decir, era necesaria una fuente externa de corriente continua de electricidad para formar iones. Arrhenius propuso que, incluso en ausencia de corriente eléctrica, las soluciones acuosas de sales contenían iones. Por lo tanto, propuso que las reacciones químicas en solución eran reacciones entre iones.

La disertación no impresionó a los profesores de Uppsala, pero Arrhenius se la envió a varios científicos en Europa que estaban desarrollando la nueva ciencia de la química física, como Rudolf Clausius, Wilhelm Ostwald y Jacobus Henricus van ' t Hoff. Quedaron mucho más impresionados, y Ostwald incluso fue a Uppsala para persuadir a Arrhenius de que se uniera a su equipo de investigación. Sin embargo, Arrhenius se negó, ya que prefería quedarse en Suecia-Noruega por un tiempo (su padre estaba muy enfermo y moriría en 1885) y había recibido una cita en Uppsala.

En una extensión de su teoría iónica, Arrhenius propuso definiciones para ácidos y bases en 1884. Creía que los ácidos eran sustancias que producían iones de hidrógeno en solución y que las bases eran sustancias que producían iones de hidróxido en solución.

Período medio

Lehrbuch der kosmischen Physik, 1903

En 1885, Arrhenius luego recibió una beca de viaje de la Academia Sueca de Ciencias, lo que le permitió estudiar con Ostwald en Riga (ahora en Letonia), con Friedrich Kohlrausch en Würzburg, Alemania, con Ludwig Boltzmann en Graz, Austria, y con Jacobus Henricus van 't Hoff en Amsterdam.

En 1889, Arrhenius explicó el hecho de que la mayoría de las reacciones requieren energía térmica adicional para proceder al formular el concepto de energía de activación, una barrera de energía que debe superarse antes de que dos moléculas reaccionen. La ecuación de Arrhenius proporciona la base cuantitativa de la relación entre la energía de activación y la velocidad a la que se produce una reacción.

En 1891, se convirtió en profesor en el Colegio Universitario de Estocolmo (Stockholms Högskola, ahora Universidad de Estocolmo), siendo ascendido a profesor de física (con mucha oposición) en 1895 y rector en 1896.

Premios Nobel

Alrededor de 1900, Arrhenius se involucró en la creación de los Institutos Nobel y los Premios Nobel. Fue elegido miembro de la Real Academia Sueca de Ciencias en 1901. Por el resto de su vida, sería miembro del Comité Nobel de Física y miembro de facto del Comité Nobel de Química. Usó sus posiciones para organizar premios para sus amigos (Jacobus van 't Hoff, Wilhelm Ostwald, Theodore Richards) y para intentar negárselos a sus enemigos (Paul Ehrlich, Walther Nernst, Dmitri Mendeleev). En 1901, Arrhenius fue elegido miembro de la Academia Sueca de Ciencias, contra una fuerte oposición. En 1903 se convirtió en el primer sueco en recibir el Premio Nobel de Química. En 1905, tras la fundación del Instituto Nobel de Investigación Física en Estocolmo, fue nombrado rector del instituto, cargo en el que permaneció hasta su jubilación en 1927.

En 1911, ganó el primer premio Willard Gibbs.

Membresías de la sociedad

Fue elegido miembro honorario de la Sociedad Química de los Países Bajos en 1909.

Se convirtió en miembro extranjero de la Royal Society (ForMemRS) en 1910.

En 1912, fue elegido Miembro Honorario Extranjero de la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias.

En 1919, se convirtió en miembro extranjero de la Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos.

Años posteriores

Sepultura familiar en Uppsala

Finalmente, las teorías de Arrhenius se aceptaron de forma general y se dedicó a otros temas científicos. En 1902, comenzó a investigar problemas fisiológicos en términos de teoría química. Determinó que las reacciones en los organismos vivos y en el tubo de ensayo seguían las mismas leyes.

En 1904 dictó en la Universidad de California un curso de conferencias cuyo objeto era ilustrar la aplicación de los métodos de la química física al estudio de la teoría de toxinas y antitoxinas, y que fueron publicadas en 1907 bajo el título Inmunoquímica. También centró su atención en la geología (el origen de las edades de hielo), la astronomía, la cosmología física y la astrofísica, lo que explica el nacimiento del Sistema Solar por colisión interestelar. Consideró que la presión de radiación explicaba los cometas, la corona solar, la aurora boreal y la luz zodiacal.

Pensó que la vida podría haber sido transportada de un planeta a otro mediante el transporte de esporas, la teoría que ahora se conoce como panspermia. Pensó en la idea de un idioma universal, proponiendo una modificación del idioma inglés.

Fue miembro de la junta directiva de la Sociedad Sueca para la Higiene Racial (fundada en 1909), que apoyó el mendelismo en ese momento y contribuyó al tema de los anticonceptivos alrededor de 1910. Sin embargo, hasta 1938 la información y la venta de anticonceptivos estaba prohibida en el Reino de Suecia. Gordon Stein escribió que Svante Arrhenius era ateo. En sus últimos años escribió tanto libros de texto como libros populares, tratando de enfatizar la necesidad de seguir trabajando sobre los temas que discutía. En septiembre de 1927, sufrió un ataque de catarro intestinal agudo y murió el 2 de octubre. Fue enterrado en Uppsala.

Matrimonios y familia

Se casó dos veces, primero con su ex alumna Sofia Rudbeck (1894–1896), con quien tuvo un hijo, Olof Arrhenius [sv; fr], y luego a Maria Johansson (1905-1927), con quien tuvo dos hijas y un hijo.

Arrhenius fue el abuelo de la bacterióloga Agnes Wold, el químico Svante Wold [sv] y el océano biogeoquímico Gustaf Arrhenius [sv; es].

Efecto invernadero

Este artículo de 1902 atribuye a Arrhenius una teoría de que la combustión de carbón podría causar un grado de calentamiento global eventualmente conduce a la extinción humana.

Al desarrollar una teoría para explicar las edades de hielo, Arrhenius, en 1896, fue el primero en utilizar los principios básicos de la química física para calcular estimaciones de la medida en que aumenta el dióxido de carbono atmosférico (CO2) aumentará la temperatura de la superficie terrestre a través del efecto invernadero. Estos cálculos lo llevaron a concluir que las emisiones de CO2 causadas por el hombre, por la quema de combustibles fósiles y otros procesos de combustión, son lo suficientemente grandes como para provocar el calentamiento global. Esta conclusión ha sido ampliamente probada, ganando un lugar en el centro de la ciencia climática moderna. Arrhenius, en este trabajo, se basó en el trabajo previo de otros científicos famosos, incluidos Joseph Fourier, John Tyndall y Claude Pouillet. Arrhenius quería determinar si los gases de efecto invernadero podrían contribuir a la explicación de la variación de temperatura entre los períodos glacial e interglacial. Arrhenius usó observaciones infrarrojas de la luna, realizadas por Frank Washington Very y Samuel Pierpont Langley en el Observatorio Allegheny en Pittsburgh, para calcular la cantidad de radiación infrarroja (calor) capturada por el CO2 y el agua (H2O) vapor en la atmósfera terrestre. Usando la 'ley de Stefan' (más conocida como la ley de Stefan-Boltzmann), formuló lo que denominó una 'regla'. En su forma original, la regla de Arrhenius dice lo siguiente:

si la cantidad de ácido carbónico aumenta en la progresión geométrica, el aumento de la temperatura aumentará casi en la progresión aritmética.

Aquí, Arrhenius se refiere al CO2 como ácido carbónico (que se refiere únicamente a la forma acuosa H2CO3 en el uso moderno). La siguiente formulación de la regla de Arrhenius todavía se usa hoy en día:

Δ Δ F=α α In⁡ ⁡ ()C/C0){displaystyle Delta F=alpha ln(C/C_{0}}

Donde C0{displaystyle C_{0} es la concentración de CO2 al principio (tiempo-cero) del período en estudio (si la misma unidad de concentración se utiliza para ambos C{displaystyle C} y C0{displaystyle C_{0}, entonces no importa qué unidad de concentración se utiliza); C{displaystyle C} es el CO2 concentración al final del período en estudio; In es el logaritmo natural (= base de registro e (loge)); y Δ Δ F{displaystyle Delta F} es el aumento de la temperatura, en otras palabras el cambio en la tasa de calentamiento de la superficie de la Tierra (forzamiento radiativo), que se mide en Watts por metro cuadrado. Derivaciones de modelos de transferencia radiativa atmosférica han encontrado que α α {displaystyle alpha } (alfa) for CO2 5.35 (± 10%) W/m2 para la atmósfera de la Tierra.

Arrhenius en la primera conferencia de Solvay sobre química en 1922 en Bruselas.

Según la información de su colega Arvid Högbom, Arrhenius fue la primera persona en predecir que las emisiones de dióxido de carbono de la quema de combustibles fósiles y otros procesos de combustión eran lo suficientemente grandes como para causar el calentamiento global. En su cálculo, Arrhenius incluyó la retroalimentación de los cambios en el vapor de agua, así como los efectos latitudinales, pero omitió las nubes, la convección de calor hacia arriba en la atmósfera y otros factores esenciales. Actualmente, su trabajo se ve menos como una cuantificación precisa del calentamiento global que como la primera demostración de que los aumentos en el CO2 atmosférico causarán el calentamiento global, en igualdad de condiciones.

Svante Arrhenius (1909)

Los valores de absorción de CO2 de Arrhenius y sus conclusiones fueron criticados por Knut Ångström en 1900, quien publicó el primer espectro de absorción infrarrojo moderno de CO2 con dos bandas de absorción, y publicó resultados experimentales que parecían mostrar que la absorción de radiación infrarroja por parte del gas en la atmósfera ya estaba 'saturada'. de modo que agregar más podría no hacer ninguna diferencia. Arrhenius respondió enérgicamente en 1901 (Annalen der Physik), descartando la crítica por completo. Tocó el tema brevemente en un libro técnico titulado Lehrbuch der kosmischen Physik (1903). Más tarde escribió Världarnas utveckling (1906) (alemán: Das Werden der Welten [1907], inglés: Worlds in the Making [1908]) dirigido a una audiencia general, donde sugirió que la emisión humana de CO2 sería lo suficientemente fuerte como para evitar que el mundo entrara en una nueva edad de hielo, y que se necesitaría una tierra más cálida para alimentar a la población en rápido aumento:

"En cierta medida la temperatura de la superficie de la tierra, como veremos actualmente, está condicionada por las propiedades de la atmósfera que la rodea, y particularmente por la permeabilidad de este último por los rayos de calor." (pág. 46)
"Que los sobres atmosféricos limitan las pérdidas de calor de los planetas habían sido sugeridos alrededor de 1800 por el gran físico francés Fourier. Sus ideas fueron desarrolladas posteriormente por Pouillet y Tyndall. Su teoría ha sido estiloda la teoría de la casa caliente, porque pensaron que la atmósfera actuó después de la forma de los cristales de las casas calientes." (pág. 51)
"Si la cantidad de ácido carbónico [ CO2 + H2O → H2CO3 (ácido carbónico) ] en el aire debe hundirse a la mitad de su porcentaje actual, la temperatura caería en unos 4°; una disminución a un cuarto reduciría la temperatura en 8°. Por otro lado, cualquier duplicación del porcentaje de dióxido de carbono en el aire elevaría la temperatura de la superficie de la tierra en 4°; y si el dióxido de carbono se incrementara cuatro veces, la temperatura aumentaría en 8°." (pág. 53)
"Aunque el mar, al absorber el ácido carbónico, actúa como regulador de gran capacidad, que absorbe alrededor de cinco sextos del ácido carbónico producido, reconocemos que el ligero porcentaje de ácido carbónico en la atmósfera puede ser cambiado por los avances de la industria a un grado notable en el curso de unos pocos siglos." (pág. 54)
"Desde ahora, las edades cálidas se han alternado con períodos glaciales, incluso después de que el hombre apareciera en la tierra, tenemos que preguntarnos: ¿Es probable que en las próximas edades geológicas nos visite un nuevo período de hielo que nos lleve de nuestros países templados a los climas más cálidos de África? No parece haber mucho terreno para tal aprensión. La enorme combustión de carbón por nuestros establecimientos industriales basta para aumentar el porcentaje de dióxido de carbono en el aire hasta un grado perceptible." (pág. 61)
"A menudo escuchamos lamentaciones de que el carbón almacenado en la tierra es desperdiciado por la generación actual sin pensar en el futuro, y estamos aterrorizados por la terrible destrucción de la vida y la propiedad que ha seguido las erupciones volcánicas de nuestros días. Podemos encontrar una clase de consuelo en la consideración de que aquí, como en cualquier otro caso, hay bien mezclado con el mal. Por la influencia del creciente porcentaje de ácido carbónico en la atmósfera, podemos esperar disfrutar de edades con climas más ecuados y mejores, especialmente en lo que respecta a las regiones más frías de la tierra, edades en que la tierra producirá cultivos mucho más abundantes que en la actualidad, para el beneficio de la humanidad propagando rápidamente." (pág. 63)

En este momento, la explicación de consenso aceptada es que, históricamente, el forzamiento orbital ha marcado el momento de las glaciaciones, con el CO2 actuando como una retroalimentación amplificadora esencial. Sin embargo, las emisiones de CO2 desde la revolución industrial han aumentado el CO2 a un nivel que no se encontraba desde hace 10 a 15 millones de años, cuando la temperatura superficial promedio global era de hasta 11 °F (6 °C) más cálido que ahora y casi todo el hielo se había derretido, elevando el nivel mundial del mar a unos 100 pies (30 m) más alto que el actual.

Arrhenius estimó basándose en los niveles de CO2 de su época, que reducir los niveles entre 0,62 y 0,55 reduciría las temperaturas entre 4 y 5 °C (Celsius) y aumentaría entre 2,5 y 3 veces la temperatura. El CO2 provocaría un aumento de la temperatura de entre 8 °C y 9 °C en el Ártico. En su libro Worlds in the Making describió el "invernadero" teoría de la atmósfera.

Obras