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Descubrió el oxígeno.
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Su aportación fue la teoría de que la materia está compuesta por átomos de diferentes masas que se combinan en proporciones sencillas para formar compuestos.
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Descubre y bautiza el potasio, del neerlandés potasch, ceniza de pote. Ese mismo año aísla el sodio por medio de la electrólisis de la sosa cáustica. Propuso también el nombre aluminum, que más tarde rectificó a aluminio, para ese metal todavía no descubierto.
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Descubrió que volúmenes iguales de gases diferentes, en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas.
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Descubrió por casualidad que se producía urea al calentar cianato de amonio, una sustancia no sujeta al control de la fuerza vital.
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Descubrió el óxido de hierro hidratado, el cual resulta ser un antídoto aún utilizado contra el envenenamiento por arsénico.
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Demostró que el carbono es tetravalente y que sus átomos pueden unirse entre sí formando largas cadenas.
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Inventó el celuloide, un plástico sintético producto de la mezcla de nitrato de celulosa tratada con una mezcla de alcanfor y alcohol.
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Su principal logro investigador fue el establecimiento sistema periódico de los elementos químicos, o tabla periódica.
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Descubrimiento del electrón, Thomson examinó además los rayos positivos, estudiados anteriormente por Eugen Goldstein y en 1912 descubrió el modo de utilizarlos en la separación de átomos de diferente masa. A su vez, descubrió que el neón posee dos isótopos, el neón-20 y el neón-22.
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Descubrió los elementos radio y polonio, el aislamiento del radio y el estudio de la naturaleza.
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Postuló la idea de que el átomo es un pequeño sistema solar con un pequeño núcleo en el centro y una nube de electrones que giran alrededor del núcleo.
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Siguiendo una sugerencia del británico Harold Kroto, Robert F. Curl y Richard E. Smalley descubrieron los fullerenos.
