Estimación del tamaño de una sola molécula
Cómo Benjamin Franklin y Lord Rayleigh calcularon el tamaño de las moléculas usando solo aceite y agua
- Décadas antes de que se descubrieran los rayos X y se inventaran microscopios potentes, Lord Rayleigh calculó el tamaño de una sola molécula usando solo aceite, agua y papel y pluma
- Su inspiración surgió de Benjamin Franklin
El experimento de Franklin
- Al visitar Londres alrededor de 1770, Franklin observó durante un cruce transatlántico que cuando se arrojaba aceite al mar desde un barco, las olas se calmaban
- Realizó un experimento vertiendo una pequeña cantidad de aceite en el estanque de Clapham Common, en Londres
- Confirmó que el aceite se extendía rápidamente por la superficie del estanque y dejaba el agua lisa
- Franklin repitió el experimento varias veces y lo registró en detalle, pero no comprendió su significado molecular
La reinterpretación de Lord Rayleigh
- Lord Rayleigh, académico de la Universidad de Cambridge y reconocido físico, reinterpretó el experimento de Franklin desde una nueva perspectiva
- En 1890, dejó caer una pequeña cantidad de aceite de oliva cuidadosamente medida sobre agua y midió el área sobre la que se extendía el aceite
- Estimó el grosor de la película de aceite dividiendo el volumen del aceite entre el área
- Asumiendo que la película de aceite era una sola capa de moléculas, calculó el grosor de la película como la longitud de una molécula
Los resultados de Lord Rayleigh
- El resultado del cálculo de Lord Rayleigh fue de aproximadamente 1.63 nanómetros
- La longitud real de la molécula de triacilglicérido, principal componente del aceite de oliva, es de aproximadamente 1.67 nanómetros, por lo que la estimación de Lord Rayleigh tuvo un error de apenas alrededor del 2%
- Su experimento mostró que incluso con herramientas simples es posible obtener ideas científicas profundas
Material adicional
- El libro de Charles Tanford, "Ben Franklin Stilled the Waves", explora en profundidad la historia de este experimento de la gota de aceite
Resumen de GN⁺
- Este artículo muestra que incluso con herramientas experimentales simples se pueden lograr descubrimientos científicos importantes
- Los experimentos de Benjamin Franklin y Lord Rayleigh destacan la importancia de la curiosidad científica y la creatividad
- Este artículo será útil para quienes estén interesados en la historia de la ciencia y la metodología experimental
- Otros proyectos con una función similar incluyen "Science Experiments You Can Do At Home"
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
En 1676, Rømer estimó la velocidad de la luz midiendo el momento orbital de Io, la luna de Júpiter
Cuando la Tierra se acercaba a Júpiter, Io salía de detrás del planeta cada vez un poco antes, y cuando se alejaba, se veía cada vez un poco más tarde; a lo largo de un año, la diferencia llegó hasta 22 minutos
Como ya se conocía la diferencia entre ambas distancias, calculó que la luz recorría esa distancia en 22 minutos, y el resultado fue 227 mil km/s. Considerando que el valor real es de unos 300 mil km/s, fue bastante impresionante
Siempre me encantan estas historias donde una observación muy específica que la mayoría pasaría por alto revela una propiedad mucho más profunda del universo
El caso bien conocido de Eratóstenes, que dedujo el tamaño de la Tierra usando sombras con un error de apenas unos pocos puntos porcentuales, es otro buen ejemplo
https://en.wikipedia.org/wiki/R%C3%B8mer%27s_determination_o...
https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light#First_measureme...
Otro aspecto interesante de usar los tiempos de los eclipses de satélites es que Galileo propuso usar el sistema de satélites de Júpiter como un reloj cósmico para determinar la hora y, por extensión, la longitud
Si se calculaban con precisión de antemano los horarios de los eclipses de las lunas de Júpiter y luego se comparaban con las observaciones hechas en tierra o a bordo de un barco, era posible obtener la hora local y la longitud
https://en.wikipedia.org/wiki/Galilean_moons#Determination_o...
Sorprende lo cerca que llegaron a la velocidad de la luz usando solo un telescopio y una medición cuidadosa del tiempo
La velocidad de la luz es una de las constantes físicas conocidas con mayor precisión: 299 792 458 m/s
La diferencia con 300,000,000 m/s es menor que 7/1000, así que en realidad no es algo de lo que haya que preocuparse
La luz solo recorre 0.3 m en 1 nanosegundo, es decir, 11.802 pulgadas
https://www.youtube.com/watch?v=9eyFDBPk4Yw
Esto me recordó al experimento de la gota de aceite de Millikan y Fletcher. Ese experimento midió la carga del electrón
En resumen, midieron el tiempo que tardaban en caer diminutas gotas de aceite pulverizadas en el aire para calcular su volumen, y luego aplicaron un campo eléctrico conocido para mantener la gota suspendida
La carga calculada por molécula se agrupaba alrededor de múltiplos de un valor más pequeño, y ese valor pequeño era la carga de un solo electrón
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
Antes también intentaron un experimento similar con gotas de agua. La idea era la misma, salvo que usaban agua en lugar de aceite
Fracasó porque la lámpara brillante usada para observar las gotas hacía que el agua se evaporara demasiado rápido. Es un tipo de fracaso con el que resulta fácil identificarse
En esta historia siempre hay más contexto
https://www.scribd.com/document/661270387/My-Work-with-Milli... Fletcher & Millikan
https://www.youtube.com/watch?v=B-uWaEvXqbA
¿Cómo podemos estar seguros de que el resultado no salió como 2e u otro múltiplo?
Me gustan este tipo de textos. En la educación científica, con demasiada frecuencia las leyes y teorías se presentan como cosas que simplemente hay que memorizar, cuando en realidad cómo fueron descubiertas y resueltas por primera vez es mucho más interesante e inspirador
Recuerdo haber tenido que aprender un montón de rutas bioquímicas, pero terminé la escuela sin saber casi nada de cómo se descubrieron originalmente
También agradecería recomendaciones de otros textos o libros que traten sobre cómo se descubrieron por primera vez las teorías científicas
Me da curiosidad si estudiaste física en la preparatoria o en la universidad. En una universidad de EE. UU. tomé solo una clase de física por mi carrera, era electrodinámica cuántica para ingeniería eléctrica, y el profesor había escrito su propio libro de texto
Recuerdo que explicaba cada experimento desde sus fundamentos: las bases para entender el átomo, la comprensión de la luz en tiempos de Newton, el experimento de la doble rendija, las ecuaciones de Maxwell, el experimento del éter de Michelson-Morley, la derivación y validación experimental de la relatividad general, e incluso cómo la relatividad general se descompone en mecánica de Newton y leyes del electromagnetismo
Sigue asombrándome que la gente haya llegado a descubrir todo esto a partir de primeros principios
Aún no lo he leído, pero tengo apartado en la biblioteca un libro que alguien recomendó en Reddit
How to Make an Apple Pie from Scratch: In Search of the Recipe for Our Universe, from the Origins of Atoms to the Big Bang
https://www.publishersweekly.com/9780385545655
La historia del descubrimiento de la cuantización de la carga del electrón también parece encajar con tus intereses: https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
En la universidad lo hice directamente con varios cientos de voltios de corriente continua; daba miedo, pero fue bastante divertido reunir los datos y analizarlos en Excel, viendo cómo los números cuadraban exactamente.
Hace poco leí Chasing the Molecule de John Buckingham y me gustó muchísimo.
Ofrece un panorama de la historia de la química moderna que es accesible, pero con suficiente profundidad.
También cuenta muy bien las historias de figuras menos conocidas que hicieron avanzar mucho a la química, así como de otras muy conocidas que, al aferrarse a teorías equivocadas, más bien la frenaron.
Además, el libro es bastante corto, así que se lee sin tanta carga.
Muchas veces se enseña como si el contenido hubiera sido revelado, como si fuera seguro y definitivo, y como si su origen se transmitiera de una forma misteriosa. No es bueno abordar la ciencia con esa sensación.
Aunque se puede decir que la posibilidad misma de la ciencia descansa sobre ciertos artículos de fe, los descubrimientos concretos de la ciencia son cuestión de evidencia empírica, de la interpretación de esa evidencia y de la argumentación basada en ella.
Además de eso, también hay supuestos de trabajo que cumplen un papel importante en silencio, y creo que esa parte no se trata lo suficiente.
Esto también respalda la idea de que una parte considerable de la actividad científica está impulsada por motivaciones y hábitos prácticos, más que por motivaciones puramente teóricas.
Totalmente cierto. Los grandes profesores de ciencias entienden el poder que tiene la historia de los descubrimientos científicos.
Cosmos de Carl Sagan y algunas de las excelentes conferencias de Richard Feynman son los ejemplos que más recuerdo.
Estoy convencido de que los buenos profesores integran el aspecto histórico y humano, y así crean perspectivas esenciales y conexiones memorables naturales incluso en temas áridos.
“Rayleigh estimó el grosor de la película de aceite dividiendo el volumen del aceite entre el área que cubría. Si se asume que el aceite formó una sola capa de moléculas, es decir, una monocapa, entonces el grosor de la película es igual a la longitud de una sola molécula de aceite.
Así, Lord Rayleigh se convirtió en la primera persona en determinar el tamaño de una molécula individual mucho antes de que alguien pudiera verla.”
Interesante, pero ¿no seguía siendo bastante especulativo asumir que el aceite se extendía hasta un grosor mínimo de una sola molécula?
¿No habría sospechas de que pudiera mantenerse más grueso por la tensión superficial? ¿O había otras pistas que sugirieran que realmente era una monocapa?
Todas tenderían a ir hacia la parte más baja, y la resistencia a que el aceite se extienda podría ser mucho menor, en términos relativos, que la gravedad intentando aplanarlo.
Ese efecto debería cambiar cuando la capa pase, en promedio, de tener más de una molécula de grosor a tener menos de una.
Es muy posible que, al identificar experimentalmente ese punto de transición, pudieran obtener el grosor de la capa molecular usando el volumen del aceite.
No hay razón para que el volumen de cada molécula de aceite, cuando está rodeada de otras moléculas de aceite por todos lados, tenga que ser igual al volumen que tiene cuando arriba hay aire y abajo hay agua.
¿Alguien puede explicar por qué esto debería cumplirse?
Por ejemplo, una cucharadita de aceite podría extenderse sobre 1 m², 2 m² o n m², y en algún punto el grosor de la película pasaría de ser m a 1 y luego a menos de 1.
“Si se asume que el aceite formó una sola capa de moléculas, es decir, una monocapa, entonces el grosor de la película es igual a la longitud de una sola molécula de aceite.”
¿Cómo sabían que esa película tenía el grosor de una sola molécula?
Parece una suposición enorme, aunque puede que esta entrada del blog haya omitido algo.
Parece que la entrada del blog sí omite ese punto, pero el artículo original enlazado es bastante corto: https://www.damtp.cam.ac.uk/user/gold/pdfs/teaching/old_lite...
El experimento de Rayleigh en realidad buscaba determinar el grosor mínimo de aceite necesario para detener el movimiento de fragmentos de alcanfor sobre el agua.
Aunque no lo dice de forma explícita, parece asumir que el grosor mínimo que detiene el movimiento de los fragmentos corresponde al estado en que el volumen de aceite “apenas” cubre la superficie, es decir, cuando en todas partes tiene el grosor de una sola molécula y los fragmentos ya no tocan el agua.
Parece estar diciendo algo un poco más ingenioso sobre la tensión superficial, pero esa parte ya se me escapa un poco.
Si repites el experimento varias veces con gotas de distintos tamaños, verás que la capa de aceite siempre tiene aproximadamente el mismo grosor.
Esa es una observación interesante que requiere explicación, y la hipótesis de que el grosor de la capa de aceite corresponde a la longitud de una sola molécula probablemente sea la explicación más natural y plausible.
Claro, después habría que buscar confirmación. Históricamente, ¿qué fue lo que confirmó esto después?
Existe la intuición de que un fluido delgado sobre una superficie de baja fricción, como el agua, con suficiente tiempo se extenderá “todo lo posible”.
Puede haber factores perturbadores, pero como supuesto dentro de la hipótesis parece razonable.
No era algo que necesariamente tuvieran que “saber”; asumirlo está bien, y no se siente como una suposición tan enorme.
Sí. En realidad, este experimento se parece más a dar una cota superior del tamaño molecular desde una dirección concreta.
Aun así, es un resultado muy útil.
Los científicos a menudo tienen que hacer supuestos para poder avanzar.
Un ejemplo famoso es Darwin: sin conocer la naturaleza física del ADN ni tener una idea de cómo cambian los genes —por ejemplo, cómo las mutaciones del ADN producen adaptaciones y hacen a los organismos más aptos—, aun así logró identificar que los rasgos se heredan mediante selección natural y que eso impulsa la evolución.
Ojalá hubiera existido una materia como diseño de experimentos científicos en la escuela
Explicarían el proceso de los experimentos históricos más representativos desde la Antigüedad, y seguirían preguntando a los estudiantes cosas como: “¿Cómo diseñarías y llevarías a cabo un experimento para estimar el tamaño de la Tierra bajo estas restricciones? ¿Cómo refutarías el flogisto y el éter luminífero? ¿Cómo medirías la velocidad de la luz?”
Fue un trabajo verdaderamente heroico y Michelson era un genio
Hice este experimento de aceite/agua en el laboratorio de física o química de primer año, pero se hizo con prisa, todos cumplieron apenas con lo mínimo, y los profesores casi no explicaron nada antes de pasar al siguiente tema
Para hacer que un experimento de física funcione de verdad, hay que ser obsesivo con registrar los detalles y también tener una intuición fuerte
Como no conoces la respuesta correcta de antemano, debes diseñar el experimento de modo que puedas distinguir entre “la hipótesis está equivocada” y “el equipo no está funcionando”
Por ejemplo, cuando encendieron LIGO por primera vez, captaron casi de inmediato un evento magnífico, pero no organizaron una fiesta de celebración en ese momento
Al principio lo ignoraron pensando que era un problema de la máquina, y solo después de un análisis posterior considerable y de verificar correlaciones concluyeron que era un evento real
El título de este hilo parece estar mal. El artículo original dice: “El pequeño experimento que Rayleigh realizó en 1890, inspirado directamente por la observación de Franklin, no es tan conocido”
Por lo tanto, Rayleigh calculó el tamaño de las moléculas en 1890, no en 1870. En 1870, Rayleigh todavía era joven y no era conocido por investigaciones originales
Es cierto que Rayleigh ideó un nuevo método para determinar el tamaño de las moléculas, pero también es importante señalar que quien logró determinar con éxito por primera vez el tamaño y el peso de las moléculas fue Johann Josef Loschmidt en 1865
https://en.wikipedia.org/wiki/Johann_Josef_Loschmidt
La publicación de Loschmidt sobre el peso y el tamaño de las moléculas del aire fue uno de los hitos más importantes en la historia de la física
Antes de 1865, la teoría atómica revivida por Dalton podía considerarse un modelo hipotético que explicaba las reacciones químicas y algunas características de la termodinámica, y seguía existiendo la posibilidad de que fuera incorrecta o reemplazada por un modelo mejor
A partir de ese momento, los átomos y las moléculas pudieron pesarse y contarse, y su realidad dejó de ponerse en duda
Con solo haber determinado el tamaño y el peso de las moléculas del aire, ya era posible usar las masas atómicas relativas de otros átomos y moléculas conocidas, obtenidas en reacciones químicas y ya conocidas, para determinar su tamaño y peso
Además, unos años después, en 1874, George Johnstone Stoney utilizó los resultados de Loschmidt junto con la teoría de la existencia de la carga elemental publicada por Maxwell en 1873 para calcular el valor de la carga elemental
Más tarde, Stoney le dio a esta carga elemental el nombre de “electron”, que se convertiría en el origen de innumerables palabras de la ciencia y la tecnología modernas, desde electronics hasta hadron
Reproduje este experimento en una de mis clases de física en la universidad
Dio bastante trabajo y los resultados no fueron tan buenos como los del experimento original, pero fue interesante y se aprendió mucho
Los requisitos de equipo eran bastante razonables para un laboratorio de física de licenciatura, así que, si puedes, recomiendo muchísimo hacerlo tú mismo
https://www.atomsonly.news/p/franklin-oil
Razón de la suspensión de este dominio: desde enero de 2014, todos los registradores acreditados por ICANN, como Namecheap, deben verificar la información de contacto de los clientes que registran dominios, es decir, el Registrant Whois
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