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De 1896 a 1913, Lowry fue asistente de Armstrong, y entre 1904 y 1913 trabajó como profesor de química en Westminster Training College. En 1913, fue nombrado jefe del departamento de química del Guy´s Hospital Medical y se convirtió en el primer profesor de química en una facultad de medicina en convertirse en profesor de la Universidad de Londres. Desde 1920 hasta su muerte, Lowry ocupó la cátedra de química física en la Universidad de Cambridge. Se casó con una hija del reverendo C. Wood en 1904 y le sobrevivieron su viuda, dos hijos y una hija.
En 1898, Lowry introdujo el término mutarrotación para referirse al cambio de la rotación óptica de disoluciones de un compuesto ópticamente activo en función del tiempo, descrito por primera vez por Augustin Pierre Dubrunfaut y que Lowry observó en disoluciones de derivados halogenados del nitroalcanfor. En sus estudios sobre la mutarrotación, Lowry encontró que la presencia de algunas sustancias con características ácidas o básicas podían acelerar o retrasar el proceso en el caso de algunos derivados del alcanfor y de la glucosa. Esto le llevó en 1923 a la definición protónica de ácidos y bases, ahora conocida como teoría ácido-base de Brönsted-Lowry, de forma independiente del trabajo de Johannes Nicolaus Brönsted, en la que llamó ácido a toda sustancia capaz de transferir protones y base a toda sustancia capaz de aceptarlos, mejorando la teoría ácido-base propuesta por Arrhenius. Lowry publicó unos cientos de artículos y varios libros. Su monografía de 1935 sobre "Poder giratorio óptico" (1935) ha sido considerada durante mucho tiempo como un trabajo estándar sobre el tema.
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