Tokio plano knyga rusų kalba išleista pirmą kartą; ji skirta organiniams chemikams – mokslininkams, dėstytojams, magistrantams ir chemijos universitetų vyresniųjų klasių studentams.
PRATARMĖ
Šios knygos autorius profesorius L. Hammettas gimė 1894 metais Vilmingtone (JAV). Jis baigė Harvardo universitetą, kur įgijo mokslų bakalauro laipsnį 1916 m., o vėliau metus dirbo Ciuriche pas Staudingerį. 1923 m. Kolumbijos universitete įgijo daktaro laipsnį. Iki 1961 metų dėstė šiame universitete, 1951–1957 vadovavo Chemijos katedrai. Šiuo metu L. Hammettas yra išėjęs į pensiją profesorius emeritas.
L. Hammettas buvo vienas iš mūsų amžiaus 20-30-aisiais iškilusios naujos mokslo šakos – fizikinės organinės chemijos – pradininkų. Su jo vardu siejami trys esminiai atradimai: rūgštingumo funkcijos sukūrimas, ryšio tarp rūgščių katalizuojamų reakcijų greičio ir rūgštingumo funkcijos nustatymas bei \gk-a tipo koreliacinių lygčių įvedimas į chemiją ir , taigi, laisvųjų energijų tiesiškumo principas. Dabar aišku, kad net vieno iš šių atradimų užtektų palikti pėdsaką moksle. Žinoma, profesorius Hammettas buvo apdovanotas daugybe mokslinių premijų ir medalių: Nichols (1957), Norris (1960, 1966), Priestley (1961), Gibbs (1961), Lewis (1967), Chandler (1968), Nacionalinis mokslo medalis (1968). . Jis yra Nacionalinės mokslų akademijos (JAV) narys ir Chemijos draugijos (Londonas) garbės narys.
L. Hammetto knyga „Fizikinės organinės chemijos pagrindai“, sulaukusi skaitytojų dėmesio, užima išskirtinę vietą pasaulinėje chemijos literatūroje. Pirmasis jo leidimas, išleistas 1940 m., gerokai pranoko savo laiką ir, naudojant paties Hammetto žodžius apie kitą knygą, tapo „mąstyančių organinių chemikų biblija“. To priežastis, pirma, slypi daugelio jame pateiktų originalių idėjų gilumoje, kurios dešimtmečiams lėmė ištisas mokslinių tyrimų sritis. Antra, knygoje buvo daug loginių prognozių, kurios vėliau buvo puikiai patvirtintos. Trečia, ši knyga daugelį metų buvo vienintelė pasaulinėje literatūroje, nubrėžianti naujos mokslo šakos – fizikinės organinės chemijos – problemas. Pirmasis knygos leidimas nebuvo išverstas į rusų kalbą, bet tikriausiai žinomas beveik visiems sovietų chemikams iš daugybės nuorodų į ją, o daugeliui – iš anglų kalbos originalo. Šis vertimas yra iš antrojo, visiškai pataisyto ir padidinto leidimo, išleisto JAV 1970 m.
Kitaip nei pirmasis leidimas, ši knyga nėra monografija, nes autorius nesiekė nei iki galo aprėpti visos pasaulio literatūros, nei aprėpti visus klausimus. Knyga yra puikiai parašytas vadovėlis, skirtas giliai susipažinti su svarbiausiomis fizinės organinės chemijos problemomis. Nereikia rašyti apie knygos kūrimo principus ir konkretų jos turinį, nes jie visiškai atsispindi autoriaus pratarmėje ir išsamiame turinyje. Reikia tik pastebėti, kad nuo esamų tos pačios paskirties knygų jis gerokai skiriasi bendresniu ir griežtesniu „fiziniu“ požiūriu į problemas ir jų kiekybiniu aiškinimu.
Šios knygos skaitytojas turi retą galimybę gauti informacijos, taip sakant, iš pirmų lūpų: L. Hammettas buvo amžininkas ir aktyvus fizinės organinės chemijos, kaip mokslo, formavimosi dalyvis. Gero humoro persmelktos „lyrinės nukrypimai“ knygoje leidžia pajusti atmosferą, kurioje buvo padarytas tas ar kitas atradimas, pajusti autoriaus, kaip mokslininko ir žmogaus, originalumą. Tuo pat metu sovietų chemikai negali nejausti simpatijos L. Hammetui, kuris ginčydamasis su savo nematomais oponentais teigia, kad teorinės chemijos tikslas yra gebėjimas numatyti ir valdyti cheminius procesus, arba, kitur, išreiškia. įsitikinimas, kad ypač vertingų rezultatų gauna ne tie tyrinėtojai, kurie užsiima jau žinomų dalykų išgryninimu, o tie, kurie ginčijasi su nusistovėjusiomis pažiūromis, net jei tai atrodo nepajudinami dėsniai. Tačiau juokais pažymima. Hammetas, tuo pačiu turėtų aiškiai suprasti, dėl ko galima ginčytis, o dėl ko – ne, kad nešvaistytų savo laiko ir kitų pinigų.
Dirbdami su rusišku šios knygos leidimu stengėmės kuo tiksliau perteikti jos turinį, kur reikia, pasižymėjome, sudarėme nedidelius papildomos literatūros sąrašus.
Neabejotina, kad puiki L. Gammet knyga pelnytai sulauks didelio populiarumo tarp sovietinių chemikų, universitetų darbuotojų, mokslinių tyrimų institutų ir įmonių.
Pabaigai pateikiame ištrauką iš L. Hammetto laiško redaktoriui: „Džiaugiuosi, kad mano knyga išleista rusų kalba – viena pagrindinių pasaulio kalbų. Primygtinai rekomenduoju jauniems chemikams, įskaitant mano anūką, mokytis rusų kalbos, kad galėtų skaityti rusišką mokslinę literatūrą. Nors mano rusų kalbos žinios, deja, neperžengia abėcėlės ribų, galima daryti prielaidą, kad mano knygos vertimas į rusų kalbą man bus paskata ją studijuoti toliau.
L. Efrosas Y. Kaminskis
NUO AUTORĖS PRATARMĖS IKI PIRMOJO IR ANTROJO LEIDIMO
Viena iš bendrų mokslo raidos tendencijų – laikinas dėmesio susilpnėjimas reiškiniams, kurie yra įvairių mokslo sričių sandūroje. Anksčiau ar vėliau šis trūkumas tampa pernelyg akivaizdus, tada atsiranda nauja mokslo šaka. Kažkas panašaus atsitiko 2–3 dešimtmetyje fizikinės ir organinės chemijos sandūroje: atsirado aibė faktų, apibendrinimų ir teorijų, kurias būtų teisinga vadinti fizikine organine chemija. Šis pavadinimas reiškia organinės chemijos reiškinių tyrimą kiekybiniais ir matematiniais metodais.
Viena iš pagrindinių fizikinės organinės chemijos raidos krypčių buvo reakcijos mechanizmų kiekybiniais metodais, taip pat struktūros ir terpės įtakos reaktyvumui tyrimas. Jokia kita kryptis neduoda tokios tiesioginės praktinės reikšmės pagrindiniam chemijos uždaviniui – cheminių procesų kontrolei.
Kartais kolegos fizikai tokį darbą pašaipiai vadindavo „muilo gamybos tyrimu“. Tačiau muilas vaidina svarbų vaidmenį žmonijos civilizacijoje, ir aš visiškai nesu tikras, kad mes žinome daugiau apie muilo gamybos pagrindus, kurie, kaip teigiama, yra esterių hidrolizė, nei apie atomo branduolio struktūrą.
Kad ir kokia sparti fizinės organinės chemijos raida buvo per trisdešimt metų, prabėgusius nuo pirmojo šios knygos leidimo išleidimo, dabartinė situacija vis dar labai toli nuo Kachalskio vaizduojamos niūrios ateities: „Patinka mums tai ar ne. , galutinis kiekvieno mokslo tikslas yra tapti trivialia, tapti gerai pritaikytu aparatu pratimams iš vadovėlių spręsti ar praktiniam pritaikymui kuriant mašinas. Iki šio tikslo dar toli, jei, kaip buvo prieš kelerius metus, galime nustebinti atradimu, kad reakcijos su bazėmis gali vykti 1013 kartų greičiau dimetilsulfokside nei metanolyje. O laikas dar toli, kai tam tikros reakcijos katalizatoriaus numatymas taps studentų pratimu.
Tačiau daugelis to, kas buvo spėliojama prieš trisdešimt metų, tapo tikra; grubus aproksimacija buvo pakeista tikslesniais; gerokai išaugo pati fizikinė organinė chemija, o taip pat ir šioje srityje dirbančių mokslininkų žinių kiekis. Matyt, atėjo laikas radikaliai peržiūrėti pirmajame knygos leidime gvildentas temas.
Kaip ir pirmasis leidimas, antrasis šios knygos leidimas yra skirtas greičiui, pusiausvyrai ir reakcijos mechanizmams. Tiksliau tariant, bus atsižvelgta į heterolizinių reakcijų spektrą tirpaluose. Radikalios reakcijos, kaip ir molekulinių orbitų teorija, nenagrinėjami, nes jos tapo atskirų monografijų tema.
Net ir esant šiems apribojimams, knygos dydis viršytų visas pagrįstas ribas, jei bandyčiau, kaip ir pirmajame leidime, suteikti jai enciklopedinį pobūdį ir aptarti visas reakcijas, kurioms galima gauti informacijos apie mechanizmą, užuot pasirinkus. pavyzdžiai, iliustruojantys mechanizmo tyrimo būdus.
Tačiau tikiuosi, kad pagrindiniai principai, kuriais galima vadovautis tiriant heterolitines reakcijas tirpaluose, yra pateikti pakankamai išsamiai, nuodugniai ir apgalvotai. Taip pat tikiuosi, kad ši knyga bus naudinga ir fiziniams chemikams, ir organiniams chemikams; todėl siekiau, kad medžiagos pristatymas būtų prieinamas studentams, turintiems solidžių (nors ir elementarių) fizikinės ir organinės chemijos žinių. Galiu tik atsiprašyti, jei knygoje yra vietų, kurios atrodo nereikšmingos žmonėms, jau dirbantiems bet kurioje iš šių sričių.
Knygoje aptariamos teorijos ir principai mano tik labai maža dalimi. Norėdami pateisinti klaidas, kurios neabejotinai egzistuoja tikrųjų autorių nurodymuose, galiu tik paminėti sunkumus nustatant idėjų prioritetą.
Esu labai dėkingas E. M. Arnett, M. M. Davis, H. L. Hering, D. E. Kimball, R. W. Taft ir G. Zollinger, kurie kiekvienas skaitė dalis rankraščio ir pateikė vertingų komentarų. Dėkoju savo absolventams, kurie mane išmokė daugiau nei aš, o labiausiai – trims puikiems mokytojams E. P. Kohler, G. Staudinger ir J. M. Nelson, kad jie pasėjo sėklas, iš kurių išaugo ši knyga.
L. Hammetas
Pagrindinė chemiko užduotis, kaip aš įsivaizduoju, yra gebėjimas numatyti ir kontroliuoti reakcijų eigą. Šiuo atveju, kaip ir bet kuriuo kitu žmogaus bandymu įvaldyti gamtos dėsnius, galima naudoti du būdus. Vienas iš jų yra sukurti bendras teorijas, iš kurių būtų išvedamos pasekmės, susijusios su konkrečiomis materijos savybėmis. Antrasis, remdamasis empiriniais apibendrinimais, sukuria konkrečias ir apytiksles teorijas, kurios gali paaiškinti stebimus reiškinius arba pasiūlyti įdomią eksperimentinių tyrimų kryptį. Dėl mūsų mokslo pobūdžio mes, chemikai, esame priversti rinktis antrąjį kelią. Kaip kažkada pastebėjau, „chemikai priėjo prie efektyvių darbo principų gerokai prieš tai, kai Šriodingerio lygtis tapo teoriniu raktu į visas chemijos problemas. Net ir šiandien informacijos kiekis, kurį chemikas gali gauti tiesiogiai iš šios lygties, sudaro tik nedidelę dalį to, ką jis žino.
Atrodo, kad kai kurie chemikai dėl to gėdijasi ir pavydi mokslininkams, dirbantiems tose srityse, kuriose, Diraco žodžiais, „lygčių grožis yra svarbesnis nei jų sutikimas su eksperimentais. Kita vertus, aš didžiuojuosi mokslu, kuris tiek daug pasiekė išradingai naudojant visas priemones, nesvarbu, ar šiurkšti ir gremėzdiška, ar rafinuota ir elegantiška. Dar kartą cituoju save: „Tikiuosi, kad niekas iš to, kas buvo pasakyta, neprivers jūsų manyti, kad aš apleidžiu teoriją arba sumenkinu jos svarbą. Tačiau aš manau, kad pagarba, su kuria mes vertiname teoriją, neturėtų užgožti fakto, kad mokslas yra vienodai skolingas empiriniams apibendrinimams. Prisiminkime, pavyzdžiui, kokias milžiniškas teorines pasekmes turėjo Šveicarijos mokyklos mokytojas atradęs kiekybinį santykį tarp vandenilio spektro linijų dažnių – ryšį, kuris atrodė keistai ir netikėtai.
Manau, kad kartais pamirštame didelį skirtumą tarp tikslios ir apytikslės teorijų. Leiskite man trumpai aptarti mūsų santykius su pastaruoju. Jei, pavyzdžiui, mano kolega Breslow, remdamasis molekulinių orbitalių teorija, numato tokios egzotiškos struktūros, kaip ciklopropenilo katijonas, stabilumą ir aromatingumą, tai akivaizdu, kad, nepaisant apytikslės jo prigimties, molekulinių orbitalių teorija. yra galingas įrankis netikėtiems reiškiniams atrasti. Tačiau jei molekulinių orbitalių teorija numato kažkokio naujo reiškinio ar ryšio neįmanomumą, jos išvados turėtų būti vertinamos kaip tik šiek tiek (bet ne visiškai) atgrasančios. Jei kas nors pradės ieškoti tokios teorijos prognozuojamo efekto, greičiausiai laikas ir pinigai nebus švaistomi. Bet jei žmogus pradeda ieškoti efekto, kurį tokia teorija laiko neįmanomu, tada bus mažai šansų, kad bus palankus rezultatas. Laimei, tarp mokslininkų, kaip ir tarp loterijų žaidėjų, yra žmonių, kurie mieliau stato prieš šansą, o didžioji dauguma visada stato už favoritą. Manau, kad moksle turėtume dėti visas pastangas, kad palaikytume žmones, nusprendusius rizikuoti turėdami tokias nelygias galimybes.
Tai nereiškia, kad turėtume remti kvailius ir neišmanėlius, ignoruojančius juos žudančius faktus, žmones, norinčius leisti savo laiką ir, kaip taisyklė, kitų pinigus, ieškant efekto, kuris nesutampa, pavyzdžiui, su išvadomis. sukūrė Willardas Gibbsas. Gibbsas rėmėsi griežtai patikrintais apibendrinimais – pirmojo ir antrojo termodinamikos dėsniais,
panaudojo tikslų matematinį aparatą ir sukūrė teoriją, kuri yra geriausias man žinomos tikslios teorijos pavyzdys. Veltui kovoti su tokia teorija.
Tačiau bendrieji Gibbso atrasti dėsniai yra abstraktūs, o jų pavertimui konkrečiais santykiais, įskaitant tokius proziškus dydžius kaip ištirpusių medžiagų koncentracija, reikia arba tikslių empirinių būsenų lygčių, arba teorijų, kurios neišvengiamai turi apytikslį pobūdį. Todėl reikia būti atsargiems, ypač tais atvejais, kai žinomo mokslininko prestižas susimaišo su apytiksliu teorijos pobūdžiu. Taigi Nernsto senatvėje buvo laikotarpis, kai retas drąsuolis išdrįso paskelbti kokias nors su apytikslėmis dalinėmis būsenos lygtimis nesutinkančias išvadas, leidusias Nernstui jaunystėje nuveikti daug naudingų dalykų. Tie, kurie bandė, susidurdavo su Jupiterio rūstybe, kuri dažniausiai sunaikindavo nusikaltėlį (kol atėjo laikas H. N. Lewisui).
Istorijos moralas yra toks: labai gerbkite tikslią teoriją, tačiau tuo pat metu būkite tikras, kad teorija, kuri pataria nedaryti to, ko norėtumėte, iš tikrųjų yra tiksli teorija, o ne tik mėgstamiausia teorija. pripažinta valdžia.
KOHETS FRAGMEHTA
Nuo Lavoisier laikų chemikai galėjo numatyti, kuria kryptimi vyks tam tikros greitos santykinai mažų molekulių joninės reakcijos, ir sugebėjo šias reakcijas modifikuoti praktiniam naudojimui. Buvo daug sunkiau ištirti sudėtingas molekules. Lėtas organinių junginių reakcijas taip pat buvo daug sunkiau analizuoti. Dažnai reakcijos galėjo vykti keliais keliais, o chemiko, kaip eksperimentatoriaus, įgūdžiai ir intuicija, o ne gilus proceso supratimas, leido chemikui nukreipti reakciją norimu keliu.
Atsiradus elektroniniam atomo modeliui, organiniai chemikai galėjo naujai pažvelgti į savo tyrimų sritį. XX amžiaus 20-ųjų pabaigoje. Anglų chemikas Christopheris Ingoldas (1893-1970) ir nemažai kitų chemikų organines reakcijas bandė priartėti iš atominės sandaros teorijos pozicijų, aiškindami molekulių sąveiką elektronų perėjimu. Fizinės chemijos metodai pradėti intensyviai naudoti organinėje chemijoje. Fizinė organinė chemija tapo svarbia disciplina.
Tačiau bandymai organines reakcijas interpretuoti tik kaip elektronų judėjimo pasekmes didelio pasisekimo neatnešė.
Pirmajame XX amžiaus ketvirtyje, nuo elektrono atradimo, buvo manoma, kad įrodyta, kad elektronas yra labai mažas kietas rutulys. Tačiau 1923 m. prancūzų fizikas Louis Victor de Broglie (g. 1892 m.) pateikė teorinį pagrindimą, kodėl elektronai (kaip ir visos kitos dalelės) turi bangines savybes. Iki XX amžiaus 20-ųjų pabaigos. ši hipotezė buvo patvirtinta eksperimentiškai.
Paulingas (kuris pirmasis pasiūlė, kad baltymų ir nukleorūgščių molekulės turi spiralės formą, žr. 10 skyrių) 30-ųjų pradžioje sukūrė metodus, kurie leido atsižvelgti į elektronų banginį pobūdį svarstant organines reakcijas. .
Jis pasiūlė, kad elektronų poros socializacija (pagal Lewisą ir Langmuirą) gali būti interpretuojama kaip bangų sąveika arba elektronų debesų persidengimas. Cheminis ryšys, Kekulės struktūrinėje teorijoje pavaizduotas kaip linija, naujose koncepcijose atitinka didžiausio elektronų debesų persidengimo sritį. Paaiškėjo, kad elektronų debesų sutapimas kartais vyksta ne tik viena kryptimi, struktūrinėje formulėje pavaizduotas valentiniu ryšiu. Kitaip tariant, tikroji molekulės struktūra negali būti net apytiksliai pavaizduota jokia struktūrine formule atskirai. Tačiau jis gali būti laikomas tarpiniu tarp kelių hipotetinių struktūrų, kaip šių struktūrų „rezonansiniu hibridu“. Svarbu pažymėti, kad tokios tikros molekulės energija yra mažesnė, nei būtų galima tikėtis remiantis bet kuria
? .g, p.
atskira rezonansinė „klasikinė“ struktūra. Teigiama, kad tokios molekulės yra „stabilizuojamos rezonansu“, nors rezonansas šiuo atveju, žinoma, nėra realus fizikinis reiškinys, o patogi teorinė samprata, paaiškinanti tam tikrų molekulių stabilumą ir savybes.
Rezonanso teorija pasirodė ypač naudinga norint suprasti benzeno struktūrą, kuri chemikus klaidina nuo Kekulės laikų (žr. 7 skyrių). Benzeno formulė paprastai vaizduojama kaip šešiakampis su kintamomis viengubomis ir dvigubomis jungtimis. Tačiau benzenas beveik visiškai neturi savybių, būdingų junginiams su dvigubomis jungtimis.
Bet benzenui galite parašyti antrą, visiškai lygiavertę Kekule formulę, kurioje viengubos ir dvigubos jungtys yra atvirkštinės, palyginti su g pagal pirmąją formulę. Tikroji benzeno molekulė apibūdinama kaip rezonansinis dviejų Kekulės struktūrų hibridas; elektronai, atsakingi už dvigubų ryšių susidarymą, yra delokalizuojami, „ištepami“ aplink žiedą, todėl visi ryšiai tarp anglies atomų benzene yra lygiaverčiai ir yra tarpiniai tarp klasikinių viengubųjų ir dvigubų jungčių. Dėl šios priežasties padidėjo benzeno stabilumas ir cheminės savybės.
Be benzeno struktūros, idėjos apie elektronų bangines savybes padėjo paaiškinti ir kitus klausimus. Kadangi keturi elektronai, esantys ant anglies atomo išorinio apvalkalo, yra energetiškai ne visai lygiaverčiai, galima daryti prielaidą, kad susidarę ryšiai tarp anglies ir gretimų atomų šiek tiek skiriasi priklausomai nuo to, kuris iš elektronų dalyvauja formuojant vienokias ar kitokias jungtis.
Tačiau paaiškėjo, kad keturi elektronai, kaip bangos, sąveikauja tarpusavyje ir sudaro keturis „vidurinius“ ryšius, kurie yra visiškai lygiaverčiai ir nukreipti į tetraedro viršūnes, kaip Van't Hoff-Le Bel tetraedro atome.
Tuo pačiu metu rezonansas padėjo paaiškinti neįprastų junginių, su kuriais chemikai pirmą kartą susidūrė XX amžiaus pradžioje, struktūrą. 1900 metais amerikiečių chemikas Mosesas Gombergas (1866-1947) bandė gauti heksafeniletaną – junginį, kuriame du anglies atomai yra sujungti su šešiais benzeno žiedais (po tris kiekvienam anglies atomui)4>.
Vietoj šio junginio Gombergas gavo spalvotą labai reaktyvaus junginio tirpalą. Dėl daugelio priežasčių Gombergas manė, kad gavo trifenilmetilą – „pusę molekulę“, susidedančią iš anglies atomo ir trijų benzeno žiedų, kuriuose ketvirtoji anglies atomo jungtis yra nesočioji.
Šis junginys buvo panašus į vieną iš tų radikalų, kurio idėja buvo pristatyta XIX a. paaiškinti organinių junginių sandarą (žr. 6 sk.). Tačiau skirtingai nei senosios teorijos radikalai, Gombergo atrasta molekulė egzistavo izoliuota forma, o ne kaip kito junginio fragmentas, todėl ji buvo vadinama laisvuoju radikalu.
Tobulėjant elektroninėms cheminės jungties koncepcijoms, tapo aišku, kad laisvuosiuose radikaluose, pavyzdžiui, trifenilmetile, nesočioji jungtis (pagal Kekule teoriją) pagal naujas sąvokas atitinka išgarintą elektroną. Paprastai tokios molekulės su nesuporuotu elektronu yra itin reaktyvios ir greitai virsta kitomis medžiagomis.
Tačiau jei molekulė yra plokščia ir simetriška (kaip trifenilmetilo molekulė), tai nesuporuotas elektronas gali būti „išteptas“ per visą molekulę, o tai lems radikalo stabilizavimą.
Tiriant organines reakcijas elektroninės struktūros teorijos požiūriu, tapo akivaizdu, kad reakcijos dažnai apima laisvųjų radikalų susidarymo stadiją. Tokie laisvieji radikalai, dažniausiai nestabilizuojami rezonanso, egzistuoja tik trumpą laiką ir visada susidaro sunkiai. Būtent dėl tarpinių laisvųjų radikalų susidarymo sudėtingumo dauguma organinių reakcijų vyksta taip lėtai.
Antrajame XX amžiaus ketvirtyje. organiniai chemikai ėmė vis giliau skverbtis į organinių reakcijų esmę, o ištyrę reakcijų mechanizmą, suvokdami pačią proceso esmę, sugebėjo susintetinti tokias molekules, kurių sudėtingumas stebino ankstesnių kartų chemikus.
Tačiau rezonanso teorijos sąvokos taikytinos ne tik organinėje chemijoje. Remiantis senomis idėjomis, neįmanoma aiškiai paaiškinti boro vandenilio molekulių struktūros. Boro atomas turi per mažai valentinių elektronų, kad sudarytų reikiamą skaičių jungčių. Jei sutinkame, kad elektronai yra tinkamai „ištepti“, galime pasiūlyti priimtiną molekulių struktūrą.
Nors nuo pat inertinių dujų atradimo buvo manoma, kad jos nevyksta į jokias reakcijas, 1932 m. Paulingas pasiūlė, kad šių dujų atomai turėtų sudaryti ryšius.
Iš pradžių Paulingo pasiūlymas liko nepastebėtas, tačiau 1962 m. ksenono fluoridas buvo gautas kaip inertinių ksenono dujų reakcijos su fluoru rezultatas. Netrukus po to buvo gauta keletas kitų ksenono junginių su fluoru ir deguonimi, taip pat radono ir kriptono junginiai.
Laboratorijos darbuotojai. Kaina: tyrinėtojas Gruner S.V., pagrindinis tyrėjas Prishchenko A.A., doc. Livantsova L.I., inžinierius Reutova T.O., tyrėjas Novikova O.P., doc. Livantsov M.V., pagrindinis tyrėjas Demjanovas P.I. Sėdi: tyrinėtojas Meleshonkova N.N., inžinierius. Šuvalova E.A., doc. Gopius E.D., prof. Petrosianas V.S., tyrėjas Kochetova E.K., mokslininkė Averochkina I.A.
Iš laboratorijos istorijos
1957 metais akademikas Reutovas O.A. Maskvos valstybiniame universitete įkūrė Organinės chemijos teorinių problemų laboratoriją, kuri dėl nukleofilinių ir elektrofilinių pakeitimo reakcijų prie anglies atomo mechanizmų kinetinių, stereocheminių ir izotopinių tyrimų rezultatų, kuriuos atliko Reutovas O.A. ir jo pirmieji daktaro laipsniai ( Beletskaya I.P., Bundelis Yu.G., Sokolovas V.I.) buvo plačiai pripažintas mokslo pasaulyje.
Naujų metodų kūrimas laboratorijoje (BMR spektroskopija, elektrochemija) leido gauti unikalius duomenis apie įvairių organinių ir organinių elementų junginių elektroninę ir erdvinę struktūrą, ištirti jų elgseną tirpaluose ir kietojoje fazėje. Naujos kartos daktarai ( Butin K.P., Kurts A.L., Petrosianas V.S.) tęsė akademiko Reutovo O.A. mokyklos autoriteto augimą. 1988 m. jis perdavė laboratorijos vadovavimą profesoriui V. S. Petrosianui. ir nuo tada ji vadinasi Fizikinės organinės chemijos laboratorija. Vėlesniais metais atlikti tyrimai buvo plačiai pripažinti ir pelnė daugybę apdovanojimų. Laboratorijos absolventai (akademikai Beletskaya I.P., Bubnov Yu.N., Jegorovas M.P., profesorius Sokolovas V.I., Bakhmutovas V.I., Tretjakova N.Yu. vadovauja laboratorijoms mūsų šalyje ir užsienyje. Šiuo metu laboratorijoje atliekami tyrimai yra labai vertinami Rusijos ir tarptautinės mokslo bendruomenės.
Pagrindinės laboratorijos mokslo kryptys
- fizinė organinė chemija
- organinių elementų junginių chemija
- aplinkos chemija ir toksikologija
 |
Mokslinėje grupėje, vadovaujantis tyrėjas Prishchenko A.A.(doc. Livantsovas M.V., doc. Livantsova L.I., n.s. Novikova O.P., n.s. Meleshonkova N.N.) atlikti naujų organinių fosforo junginių tipų tyrimus, tirti jų struktūrą ir reaktyvumą bei komplekso formavimo ir biologinį aktyvumą. Funkcionalizuoti mono- ir difosforo turinčių rūgščių hidroksi- ir aminometilo dariniai, perspektyvūs natūralių pirofosfatų ir aminorūgščių organiniai fosforo biomimetikai, plačiai naudojami kaip veiksmingi ligandai ir įvairių savybių biologiškai aktyvios medžiagos. Fizinės organinės chemijos laboratorija sukūrė patogius metodus naujų šių medžiagų tipų sintezei, naudojant labai reaktyvius sintezus – trivalenčių fosforo rūgščių trimetilsililo esterius ir funkcionalizuotus karbonilo junginius, įskaitant aromatinius, heterociklinius ir nesočiuosius fragmentus. Gauti junginiai yra svarbūs norint gauti difosforo turinčius peptidus, taip pat veiksmingus polidentatinius ligandus, perspektyvius antioksidantus ir citoprotektorius, turinčius daugybę antioksidacinio veikimo mechanizmų. Darbas buvo paremtas keliomis RFBR dotacijomis. |
 |
Pagrindinė vyresniojo mokslo darbuotojo darbo kryptis Demyanova P.I. susideda iš teorinio intramolekulinės, pirmiausia nekovalentinės, sąveikos tarp molekulės (komplekso, kristalo) atomų porų pobūdžio tyrimo, nustatant, ar šios sąveikos yra surišančios (stabilizuojančios), ar atstumiančios (destabilizuojančios). Tokio darbo poreikį lemia tai, kad daugelis užsienio ir vietinių tyrinėtojų, remdamiesi formalia elektronų tankio pasiskirstymo topologinės analizės rezultatų interpretacija pagal Baderio sukurtų molekulių atomų kvantinę teoriją. KTAVM), primygtinai tvirtina, kad egzistuoja, pavyzdžiui, jungiamosios sąveikos tarp panašiai įkrautų jonų arba intramolekulinių vandenilio jungčių nebuvimas etilenglikolyje ir kituose 1,2-dioliuose (įskaitant cukrų) ir daugelyje kitų organinių molekulių. Kita teorinių skaičiavimų kryptis yra skirta gauti informaciją apie metalo ir metalo sąveikos energiją ir pobūdį Cu(I)-, Ag(I)- ir Au(I)-organinių junginių ir šių metalų kompleksų tirpaluose ir kristaluose. organiniai ir neorganiniai ligandai. Ši informacija padės išsiaiškinti metalfilinę sąveiką, kurios egzistavimas vis dar abejotinas. |
 |
N.s. Gruner S.V., daug metų dirbęs organinių silicio, germanio ir alavo darinių chemijos srityje, pastaraisiais metais su magistrantūros studentais gavo daugybę įdomių struktūrinių savybių ir neįprasto reaktyvumo pasižyminčių hiperkoordinacinių alavo junginių. |
 |
Docentas Gopius E.D.- Biologijos fakulteto organinės chemijos mokymo kuratorius, laboratorijos vedėjo pavaduotojas. Moksliniai tyrimai skirti karbokationų chemijai. |
 |
Inžinierius Šuvalova E.A. nagrinėja organinę chemiją ir vandens ekosistemų toksikologiją. Daug dėmesio skiriama Maskvos valstybinio universiteto Atvirojo ekologinio universiteto, 1987 metais įsteigto prof. Petrosianas V.S. |
Fizikiniai ir cheminiai tyrimai. 19 amžiaus 30–60-aisiais organinė chemija vaidino dominuojantį vaidmenį plėtojant chemiją, kuri sulaukė didelių sėkmių. Viena po kitos sekė naujos organinių junginių sintezės. N. Zinino, C. Gerardo, G. Kolbės, J. Dumas, A. Wurtzo, M. Berthelot, A. M. Butlerovo ir daugelio kitų darbai patraukė pačių įvairiausių chemikų dėmesį.
Dėl šių darbų atsirado svarbių apibendrinimų, kurie daugiausia susiję su tam tikrais faktais iš organinės chemijos srities. Tokios yra pakeitimo doktrina, tipų teorija, cheminės struktūros teorija, aromatinių junginių teorija ir kt. Pagrindiniai chemijos klausimai yra tokie patys kaip elementų prigimties ir jų savybių, priežasčių ir sąlygų klausimas. apie jų cheminę sąveiką, t. y. cheminio giminingumo esmę – šie klausimai tarytum liko antrame plane. Neabejotina jų svarba buvo gerai pripažinta, bet ne daugiau; kita vertus, dirva jų sprendimui dar buvo mažai paruošta. Tačiau pagrindinė kliūtis buvo didžiulis jų vystymosi sunkumas, daug daugiau pastangų, nei reikia kitų ne tokių bendrų ir mažiau esminių chemijos problemų tyrimui. Tačiau organinės chemijos plėtra daugeliu atžvilgių prisidėjo prie svarbių fizikinių ir cheminių dėsnių tyrimo ir nustatymo. Būtent organinių junginių tyrimo metu sustiprėjo įsitikinimas, kad dėsniai, kuriems paklūsta cheminiai ir fizikiniai dėsniai, yra vienodi tiek organinėms, tiek neorganinėms medžiagoms. Ši išvada buvo esminė. Moksle nusistovėjusi svarbi pozicija, kad tiek jo bandomųjų vatų mineralų, tiek augalinių ir gyvūnų pasaulio organinių junginių, tiek chemijos laboratorijoje dirbtinai gautų medžiagų susidarymui galioja tie patys dėsniai.
Tokių reiškinių organinėje chemijoje kaip izomerija (1830, Berzelius) ir homologija (1842, Schiel, Gerard) atradimas iškėlė svarbiausią chemikų užduotį – ištirti junginių fizikinių ir cheminių savybių priklausomybę nuo jų sudėties ir struktūros.
Izomerinių junginių tyrimas aiškiai parodė, kad cheminės ir fizikinės medžiagų savybės priklauso ne tik nuo atomų kokybės ir jų skaičiaus, bet ir nuo atomų vidinio išsidėstymo. Iš čia ir iškilo svarbiausia problema – fizikiniais ir cheminiais metodais prasiskverbti į atomų ir molekulių „intymų gyvenimą“ ir pabandyti išmokti jų sąveikos dėsnius.
Šioje srityje ypač platus tyrimų laukas atsivėrė fizikinių ir cheminių tyrimų metodams, kurių tikslas – tirti ne tik junginių savybes ir sudėtį, bet ir cheminius procesus, sąlygas bei veiksnius, turinčius įtakos cheminių reakcijų eigai.
Organinių reakcijų (kurios vyksta lėtai ir nevisiškai) tyrimas suteikė svarbios naujos medžiagos apie cheminę pusiausvyrą. Būtent šių reakcijų tyrimas leido į chemiją įtraukti tokias svarbias sąvokas kaip cheminio proceso greitis (laikas), kryptis ir riba. Šių problemų tyrimas logiškai paskatino ištirti temperatūros, slėgio, medžiagų kiekių ir jų agregacijos būsenos įtaką cheminės reakcijos greičiui ir krypčiai. Kai reakcija vyksta lėtai, galima įvairiais momentais ją sustabdyti ir ištirti medžiagų būseną bei pobūdį šiais momentais. Neorganinės chemijos reakcijos, kaip taisyklė, vykstančios beveik akimirksniu, neleido atlikti tokių tyrimų.
Sintetinis-preparatinis kelias paskatino chemikus gauti (iš pradžių izoliuojant nuo natūralių produktų, o vėliau sintezės būdu) naujas svarbias medžiagas, kurios vėliau buvo praktiškai pritaikytos. Savo ruožtu, tiriant ir naudojant naujas medžiagas, reikėjo ištirti jų fizines savybes, priklausomai nuo junginio sudėties ir struktūros.
Remdamasis organinių junginių tyrimu, G. Koppas atskleidė pirmuosius ryšius tarp cheminės struktūros ir fizikinių savybių. „... Ryšys tarp fizinių savybių ir cheminės sudėties bei tikslus šių savybių nustatymas, – rašė Koppas, – kai kuriais atvejais gali būti kaip kontrolė norint teisingai nustatyti sudėtį, todėl žinios apie fizikines savybes kartais tiesiogiai patvirtina. cheminių savybių išmanymas“.
G. Koppo (1817-1892) nuopelnas slypi tame, kad 1842–1855 m. jis pirmą kartą sistemingai ištyrė daugelio medžiagų fizikines ir chemines savybes (virimo temperatūrą, molekulinį ir atominį tūrį, atominę šiluminę talpą) ir ryšys tarp organinių jungčių cheminės sudėties ir struktūros.
Norėdami apskaičiuoti specifinius skysčių tūrius, Koppas paėmė jų tankį virimo temperatūroje, laikydamas, kad šias temperatūras, kuriose garų slėgis yra vienodas, yra tinkamas. Koppo eksperimentai nustatant specifinius skystų organinių medžiagų tūrius parodė, kad: 1) izomeriniai junginiai turi panašius specifinius tūrius; 2) daugelyje homologinių serijų kartu su teisingu sudėties pasikeitimu konkretūs tūriai keičiasi teisingai. Lygindamas skirtingų organinių medžiagų virimo temperatūras, Koppas padarė išvadą, kad homologinėse serijose kompozicijos komplikaciją CH 2 paprastai lydi virimo temperatūros padidėjimas 12, 15, 10 °C. Šis skirtumas paprastai yra pastovus kiekvienai homologinei serijai.
Kaip ir buvo galima tikėtis, cheminė junginių struktūra turėjo turėti tam tikrą poveikį virimo temperatūrai; Iš tiesų paaiškėjo, kad izomerai verda skirtingose temperatūrose.
Nustatant organinių medžiagų lydymosi ir užšalimo temperatūras, nustatyta, kad homologiniams junginiams temperatūra pakyla didėjant medžiagų molekulinei masei.
Koppo darbai, susiję su įvairių junginių atominių ar specifinių tūrių nustatymu, virimo temperatūros ir junginių sudėties ryšio tyrimais, nors ir nesukėlė iš esmės svarbių modelių, davė stiprų postūmį fizikinių ir cheminių priklausomybių tyrimams. ir taisyklių, kurias nustatė Kopp, patobulinimas.
Labai vertindamas Koppo nuopelnus plėtojant svarbią fizinių ir cheminių žinių sritį, D. I. Mendelejevas rašė: „Istorija visada parodys deramą pagarbą nenuilstamai Koppo veiklai“.
Atsiradus Butlerovo cheminės struktūros teorijai (1861 m.), prasideda naujas organinių junginių fizikinių ir cheminių savybių priklausomybės nuo jų cheminės struktūros tyrimo etapas. A. M. Butlerovas pabrėžė, kad cheminių junginių cheminės ir fizinės savybės „yra abipusis priežastinis ryšys“ ir kad fizinių savybių tyrimas yra labai svarbus norint suprasti „tarpusavio ryšius, kuriuose jų sudedamosios dalys yra šiose medžiagose“. Pirmajame „Įvado“ numeryje (1864 m.) Butlerovas atkreipė dėmesį į tai, kad fizikinių savybių tyrimas yra labai svarbus norint suprasti cheminių junginių sudedamųjų dalių tarpusavio ryšius. Tame pačiame numeryje yra specialus skyrius: „Medžiagų fizinių ir cheminių savybių ryšiai“. Jame jis laiko lydymosi ir virimo temperatūras, šilumines talpas, latentinę lydymosi ir garavimo šilumą, „kaloringumo reiškinius cheminėse reakcijose“, t.y. terminiai efektai, molekulinės jėgos, tirpumas, refrakcija, šviesos sklaida, fluorescencija ir fosforescencija, poliarizacijos plokštumos sukimasis, cheminis šviesos ir elektros poveikis.
Didžiausią mokslininkų dėmesį tuo metu patraukė optiniai medžiagų tyrimo metodai.
Dar 1811 m. Arago atrado optinio aktyvumo reiškinį, tyrinėdamas kvarco kristalų dvigubą lūžią. Tada, 1817 m., Biotas atrado, kad skysti organiniai junginiai turi optinių savybių: jie gali pasukti poliarizacijos plokštumą. Skystų organinių medžiagų gebėjimas pasukti poliarizacijos plokštumą parodė, kad tarp kristalinės struktūros ir optinio aktyvumo nėra būtino ryšio. Pastarieji, pasak Butlerovo, „susikaupia dalelių prigimtyje“. Šie tyrimai atskleidė esminės svarbos faktą, būtent: optinis aktyvumas yra ne tik kristalo, bet ir molekulės savybė.
Kalbant apie šiuos Bioto darbus, yra toks įdomus Berzelio sprendimas: „Be jokios abejonės, tokio pobūdžio tyrimai, kurie dar tik pradedami kurti, galėtų tapti vaisingi, jei jie būtų atlikti iki galo. Jei tokį darbą atlieka tas, kuris tuo pat metu yra apsiginklavęs optiniu mokslu ir chemijos žiniomis, tada galima tikėtis gauti paaiškinimų, kurie prasiskverbs į paslėptas organinių ir neorganinių kūnų sudėties teorijos sritis.
Medžiagų šviesos lūžio priklausomybės nuo jų sudėties tyrimas ypač sėkmingai pradėjo vystytis po to, kai M. Berthelot 1856 metais pristatė molekulinės refrakcijos sąvoką, kuri yra (savitosios lūžio pagal molekulinę masę sandauga. Berthelot teigimu, molekulinė refrakcija, kuri didesniam junginių skaičiui davė ne daugiau kaip ±0,1%.
Nuo 1879 m. Landolto mokinys J. Brühl pradėjo sistemingą atominių ir grupinių lūžių tyrimą. Jis aiškiai suformulavo organinės chemijos fizikinių tyrimų uždavinius. Jis manė, kad cheminių metodų nepakanka medžiagų struktūrai nustatyti ir kad būtina atlikti lyginamąjį medžiagų fizinių savybių tyrimą.
Brühlas 70-ųjų pabaigoje rašė: „... medžiagų sudėtį galima tirti iki atskirų atomų santykio vienas su kitu; todėl atėjo laikas panaudoti fizikos siūlomą įrankį praktiniam pritaikymui chemijoje... Remdamasis šiuo įsitikinimu, parengiau organinių medžiagų fizikinių savybių didelio masto lyginamojo tyrimo planą. Remdamasis profesoriaus Landolto patarimu Lachene, aš (nusprendžiau pirmiausia tirti ryšį tarp medžiagų lūžio galios ir cheminės prigimties.
„Esu įsitikinęs“, – rašė jis, kad jau ne už kalnų laikas, kai šie fiziniai tyrimo metodai taps lygiaverčiai tiek analitiniais, tiek sintetiniais metodais.
I. I. Kanonnikovas 1883-1885 m neorganinių medžiagų struktūrai tirti taikė refraktometrinį metodą. Jis manė, kad šis metodas „turi didelę reikšmę tiriant struktūrą, nes leidžia daryti išvadas apie šią struktūrą nesunaikinant junginio dalelių“.
Šiuolaikiniai refraktometrijos tyrimai patvirtino šią nuomonę. Šiuo metu optinių savybių matavimai leidžia išspręsti įvairiausias problemas – nuo vandenilinio ryšio tyrimo iki silikatų struktūrinių formulių nustatymo.
Nuo XIX amžiaus 90-ųjų. A. Gancha pradėjo plačiai taikyti fizikinius tyrimo metodus (absorbcijos spektrus, elektros laidumo matavimus ir kt.) organinių junginių struktūrai nustatyti.
Ganchas ir jo mokykla skyrė didelę reikšmę absorbcijos spektrų tyrimams. Hanchas sugebėjo parodyti, kad yra didelis skirtumas tarp grynos rūgšties ir tos pačios rūgšties, esančios tirpale, absorbcijos spektro. Tai buvo labai svarbu tiriant ne tik grynas medžiagas, bet ir daugiausia tirpalų prigimtį.
L. A. Chugajevas nuo 1897 m. atliko eilę darbų, tiriančių daugiausia organinių junginių optines savybes. Jis patobulino optinį organinių junginių mišinių, besisukančių šviesos poliarizacijos plokštumą, analizės metodą. Chugajevas nustatė įdomų įvairių konstrukcijų dioksimų anomalijos atvejį. Paaiškėjo, kad trimetileno žiedui būdingas tam tikras refrakcijos prieaugis, kuris neatitiko Brühl duomenų. Šie tyrimai leido ištirti cholesterolio cheminę struktūrą.
Kartu su cheminės struktūros teorija fiziniai metodai tapo galinga priemone tiriant sudėtingiausių medžiagų fizikines ir chemines savybes.
Tokie metodai kaip krioskopija ir ebulioskopija organinei chemijai suteikė neįkainojamų paslaugų. Organinis chemikas taip pat pradėjo plačiai naudoti elektros laidumo, lūžio, termocheminių konstantų, sugerties spektrų, sukimosi gebėjimo ir magnetinių savybių matavimus, tirdamas įvairių organinių junginių savybes ir struktūrą.
1909 m. straipsnyje „Šiuolaikinės organinės chemijos problemos“ L. A. Chugajevas rašė, kad organinis chemikas savo tyrimuose turėtų perimti fizikinius-cheminius tyrimo metodus ir teorinę cheminių procesų aprėptį. Savo ruožtu, anot Chugajevo, „anglies junginių chemija dėl neišsenkamos materijos formų ir jos virsmų tipų įvairovės yra turtingiausia medžiaga tyrimams“.
Istorinėje ir chemijos literatūroje kartais nurodoma, kad organinė chemija tariamai ilgus metus (1840-1880) sulėtino fizikinės chemijos raidą ir nukreipė mokslo jėgas į save. Su tokiu požiūriu visiškai sutikti neįmanoma. Be to, „organinis“ laikotarpis chemijos raidoje buvo labai reikalingas ir svarbus etapas ne tik chemijos raidoje apskritai, bet ir fizikinėje chemijoje, nes būtent organiniai chemikai pateikdavo daug naujos medžiagos įvairioms fizikinėms ir cheminėms reikmėms. studijos. Organiniai junginiai suvaidino svarbų vaidmenį daugelio pagrindinių fizikinių ir cheminių dėsnių ir teoriškai svarbių apibendrinimų atradimo istorijoje.
Organinių chemikų darbas tiriant įvairių klasių organinių junginių struktūrą atvėrė kelią giliam reakcijos mechanizmo tyrimui, kuris vėliau turėjo didelę reikšmę plėtojant cheminę kinetiką.
Nuo Lavoisier laikų chemikai galėjo numatyti, kuria kryptimi vyks tam tikros greitos santykinai mažų molekulių joninės reakcijos, ir sugebėjo šias reakcijas modifikuoti praktiniam naudojimui. Buvo daug sunkiau ištirti sudėtingas molekules. Lėtas organinių junginių reakcijas taip pat buvo daug sunkiau analizuoti. Dažnai reakcijos galėjo vykti keliais keliais, o chemiko, kaip eksperimentatoriaus, įgūdžiai ir intuicija, o ne gilus proceso supratimas, leido chemikui nukreipti reakciją norimu keliu.
Atsiradus elektroniniam atomo modeliui, organiniai chemikai galėjo naujai pažvelgti į savo tyrimų sritį. XX amžiaus 20-ųjų pabaigoje. Anglų chemikas Christopheris Ingoldas (1893-1970) ir nemažai kitų chemikų organines reakcijas bandė priartėti iš atominės sandaros teorijos pozicijų, aiškindami molekulių sąveiką elektronų perėjimu. Fizinės chemijos metodai pradėti intensyviai naudoti organinėje chemijoje. Tapo svarbia disciplina fizinė organinė chemija .
Tačiau bandymai organines reakcijas interpretuoti tik kaip elektronų judėjimo pasekmes didelio pasisekimo neatnešė.
Pirmajame XX amžiaus ketvirtyje, nuo elektrono atradimo, buvo manoma, kad įrodyta, kad elektronas yra labai mažas kietas rutulys. Tačiau 1923 m. prancūzų fizikas Louis Victor de Broglie (g. 1892 m.) pateikė teorinį pagrindimą, kodėl elektronai (kaip ir visos kitos dalelės) turi bangines savybes. Iki XX amžiaus 20-ųjų pabaigos. ši hipotezė buvo patvirtinta eksperimentiškai.
Paulingas (kuris pirmasis pasiūlė, kad baltymų ir nukleorūgščių molekulės turi spiralės formą, žr. 10 skyrių) trečiojo dešimtmečio pradžioje sukūrė metodus, kurie leido atsižvelgti į elektronų banginį pobūdį svarstant organines reakcijas. .
Jis pasiūlė, kad elektronų poros socializacija (pagal Lewisą ir Langmuirą) gali būti interpretuojama kaip bangų sąveika arba elektronų debesų persidengimas. Cheminis ryšys, Kekulės struktūrinėje teorijoje pavaizduotas kaip linija, naujose koncepcijose atitinka didžiausio elektronų debesų persidengimo sritį. Paaiškėjo, kad elektronų debesų sutapimas kartais vyksta ne tik viena kryptimi, struktūrinėje formulėje pavaizduotas valentiniu ryšiu. Kitaip tariant, tikroji molekulės struktūra negali būti net apytiksliai pavaizduota jokia struktūrine formule atskirai. Tačiau jis gali būti laikomas tarpiniu tarp kelių hipotetinių struktūrų, kaip šių struktūrų „rezonansiniu hibridu“. Svarbu pažymėti, kad tokios tikros molekulės energija yra mažesnė, nei būtų galima tikėtis iš bet kurios vienos rezonansinės „klasikinės“ struktūros. Teigiama, kad tokios molekulės yra „stabilizuojamos rezonansu“, nors rezonansas šiuo atveju, žinoma, nėra realus fizikinis reiškinys, o patogi teorinė samprata, paaiškinanti tam tikrų molekulių stabilumą ir savybes.
Rezonanso teorija pasirodė ypač naudinga norint suprasti benzeno struktūrą, kuri chemikus klaidina nuo Kekulės laikų (žr. 7 skyrių). Benzeno formulė paprastai vaizduojama kaip šešiakampis su kintamomis viengubomis ir dvigubomis jungtimis. Tačiau benzenas beveik visiškai neturi savybių, būdingų junginiams su dvigubomis jungtimis.
Bet benzenui galite parašyti antrą, visiškai lygiavertę Kekulės formulę, kurioje viengubos ir dvigubos jungtys keisis vietomis, palyginti su pirmąja formule. Tikroji benzeno molekulė apibūdinama kaip rezonansinis dviejų Kekulės struktūrų hibridas; elektronai, atsakingi už dvigubų ryšių susidarymą, yra delokalizuojami, „ištepami“ aplink žiedą, todėl visi ryšiai tarp anglies atomų benzene yra lygiaverčiai ir yra tarpiniai tarp klasikinių viengubųjų ir dvigubų jungčių. Dėl šios priežasties padidėjo benzeno stabilumas ir cheminės savybės.
Be benzeno struktūros, idėjos apie elektronų bangines savybes padėjo paaiškinti ir kitus klausimus. Kadangi keturi elektronai, esantys ant anglies atomo išorinio apvalkalo, yra energetiškai ne visai lygiaverčiai, galima daryti prielaidą, kad susidarę ryšiai tarp anglies ir gretimų atomų šiek tiek skiriasi priklausomai nuo to, kuris iš elektronų dalyvauja formuojant vienokias ar kitokias jungtis.
Tačiau paaiškėjo, kad keturi elektronai, kaip bangos, sąveikauja tarpusavyje ir sudaro keturis „vidurinius“ ryšius, kurie yra visiškai lygiaverčiai ir nukreipti į tetraedro viršūnes, kaip Van't Hoff-Le Bel tetraedro atome.
Tuo pačiu metu rezonansas padėjo paaiškinti neįprastų junginių, su kuriais chemikai pirmą kartą susidūrė XX amžiaus pradžioje, struktūrą. 1900 metais amerikiečių chemikas Mosesas Gombergas (1866–1947) bandė gauti heksafeniletaną – junginį, kuriame du anglies atomai yra sujungti su šešiais benzeno žiedais (po tris kiekvienam anglies atomui).
Vietoj šio junginio Gombergas gavo spalvotą labai reaktyvaus junginio tirpalą. Dėl daugelio priežasčių Gombergas tikėjo, kad gavo trifenilmetilas- „pusimolekulė“, susidedanti iš anglies atomo ir trijų benzeno žiedų, kurioje ketvirtoji anglies atomo jungtis yra nesočioji.
Šis junginys buvo panašus į vieną iš tų radikalų, kurio idėja buvo pristatyta XIX a. paaiškinti organinių junginių sandarą (žr. 6 sk.). Tačiau skirtingai nei senosios teorijos radikalai, Gombergo atrasta molekulė egzistavo izoliuota forma, o ne kaip kito junginio fragmentas, todėl ji buvo pavadinta laisvųjų radikalų .
Tobulėjant elektroninėms idėjoms apie cheminį ryšį, tapo aišku, kad, pavyzdžiui, laisvuosiuose radikaluose trifenilmetilas, nesočiasis ryšys (Kekulės teorijos požiūriu) naujų idėjų rėmuose atitinka nesuporuotą elektroną. Paprastai tokios molekulės su nesuporuotu elektronu yra itin reaktyvios ir greitai virsta kitomis medžiagomis.
Tačiau jei molekulė yra plokščia ir simetriška (kaip trifenilmetilo molekulė), tai nesuporuotas elektronas gali būti „išteptas“ per visą molekulę, o tai lems radikalo stabilizavimą.
Tiriant organines reakcijas elektroninės struktūros teorijos požiūriu, tapo akivaizdu, kad reakcijos dažnai apima laisvųjų radikalų susidarymo stadiją. Tokie laisvieji radikalai, kaip taisyklė, nestabilizuoti rezonanso, egzistuoja tik trumpą laiką ir visada susidaro sunkiai. Būtent dėl tarpinių laisvųjų radikalų susidarymo sudėtingumo dauguma organinių reakcijų vyksta taip lėtai.
Antrajame XX amžiaus ketvirtyje. organiniai chemikai pradėjo gilintis į organinių reakcijų esmę, o ištyrę reakcijų mechanizmą, suvokę pačią proceso esmę, sugebėjo susintetinti tokias molekules, kurių sudėtingumas pribloškė ankstesnių kartų chemikus.
Tačiau rezonanso teorijos sąvokos taikytinos ne tik organinėje chemijoje. Remiantis senomis idėjomis, neįmanoma aiškiai paaiškinti borohidrido molekulių struktūros. Boro atomas turi per mažai valentinių elektronų, kad sudarytų reikiamą skaičių jungčių. Jei sutinkame, kad elektronai yra tinkamai „ištepti“, galime pasiūlyti priimtiną molekulių struktūrą.
Nors nuo pat inertinių dujų atradimo buvo manoma, kad jos nevyksta į jokias reakcijas, 1932 m. Paulingas pasiūlė, kad šių dujų atomai turėtų sudaryti ryšius.
Iš pradžių šis Paulingo pasiūlymas liko nepastebėtas, tačiau 1962 m. dėl inertinių dujų ksenono reakcijos su fluoru ksenono fluoridas. Netrukus po to buvo gauta keletas kitų ksenono junginių su fluoru ir deguonimi, taip pat radono ir kriptono junginiai.
Pusė gyvenimo
Atomo struktūros tyrimas paskatino naują problemos supratimą, tačiau tuo pat metu mokslininkai susidūrė su daugybe naujų klausimų.
1900 m. Crookesas (žr. 12 skyrių) atrado, kad šviežiai paruošti gryno urano junginiai turi tik labai nedidelį radioaktyvumą ir kad šių junginių radioaktyvumas laikui bėgant didėja. Iki 1902 m. Rutherfordas ir jo bendradarbis anglų chemikas Frederickas Soddy (1877–1956) pasiūlė, kad išspinduliavus alfa dalelei, pasikeičia urano atomo prigimtis ir kad susidaręs naujas atomas skleidžia stipresnę spinduliuotę nei pats uranas ( taigi, pastebėjimas Crookes). Šis antrasis atomas savo ruožtu taip pat skyla, sudarydamas kitą atomą. Iš tiesų, urano atomas sukuria daugybę radioaktyvių elementų - radioaktyviosios serijos, kuris apima radį ir polonį (žr. skyrių „Eilinis numeris“) ir baigiasi švinu, kuris nėra radioaktyvus. Būtent dėl šios priežasties urano mineraluose galima rasti radžio, polonio ir kitų retų radioaktyvių elementų. Antroji radioaktyvioji serija taip pat prasideda uranu, o trečioji radioaktyvioji serija prasideda toriu.
Tikslinga paklausti, kodėl radioaktyvūs elementai, nuolat pūdantys, tebeegzistuoja? 1904 m. Rutherfordas išsprendė šią problemą. Tyrinėdamas radioaktyvaus skilimo greitį, jis parodė, kad po tam tikro laikotarpio, kuris skirtingiems elementams yra skirtingas, suyra pusė tam tikro kiekio vieno ar kito radioaktyvaus elemento. Šį laikotarpį, būdingą kiekvienai radioaktyviųjų medžiagų rūšiai, Rutherfordas pavadino pusė gyvenimo(22 pav.).
Ryžiai. 22. Radono pusinės eliminacijos laikas nustatomas reguliariais intervalais matuojant likusios medžiagos kiekį. Gauta priklausomybė yra „irstanti“ eksponentinė kreivė y=e-ah .
Pavyzdžiui, radžio pusinės eliminacijos laikas yra šiek tiek mažesnis nei 1600 metų. Bėgant geologiniams amžiams bet koks radžio kiekis žemės plutoje, žinoma, jau seniai būtų išnykęs, jei jis nebūtų nuolat pasipildęs dėl urano skilimo. Tą patį galima pasakyti apie kitus urano skilimo produktus, įskaitant tuos, kurių pusinės eliminacijos laikas matuojamas sekundės dalimis.
Paties urano pusinės eliminacijos laikas yra 4 500 000 000 metų. Tai didžiulis laiko tarpas ir per visą Žemės istoriją galėjo sunykti tik dalis pradinių urano atsargų. Toris skyla dar lėčiau, jo pusinės eliminacijos laikas yra 14 000 000 000 metų.
Tokius didžiulius laiko tarpus galima nustatyti tik suskaičiavus alfa dalelių skaičių, kurį išskiria tam tikra urano (arba torio) masė. Alfa daleles Rutherfordas skaičiavo registruodamas nedidelius blyksnius, kurie atsiranda alfa dalelėms susidūrus su cinko sulfido ekranu (t.y. naudojant vadinamąjį scintiliacijos skaitiklis).
Kiekvienos naujos alfa dalelės atsiradimas reiškė, kad suskilo dar vienas urano atomas, todėl Rutherfordas galėjo nustatyti, kiek atomų suyra per sekundę. Remdamasis panaudoto urano mase, Rutherfordas nustatė bendrą urano atomų skaičių. Turint tokius duomenis, nebebuvo sunku apskaičiuoti laiką, reikalingą pusei turimo urano kiekio suirimo. Kaip paaiškėjo, mes kalbame apie milijardus metų.
Urano skilimas yra toks pastovus ir būdingas procesas, kad pagal jį galima nustatyti Žemės amžių. 1907 m. amerikiečių chemikas Bertramas Bordenas Boltwoodas (1870–1927) pasiūlė, kad tokie nustatymai galėtų būti grindžiami švino kiekiu urano mineraluose. Jei darysime prielaidą, kad visas mineraluose esantis švinas atsirado dėl urano skilimo, tada nesunku apskaičiuoti, kiek laiko tai užtruko. Naudojant šį metodą, buvo galima nustatyti, kad kietos žemės plutos amžius yra mažiausiai keturi milijardai metų.
Tuo tarpu Soddy toliau apibūdino atomo pokyčius, kuriuos sukėlė subatominių dalelių suteikimas. Jei atomas praranda alfa dalelę (krūvis +2), bendras jo branduolio krūvis sumažėja dviem ir elementas periodinėje lentelėje perkelia dvi ląsteles į kairę.
Jei atomas praranda beta dalelę (elektroną, kurio krūvis –1), tai branduolys įgyja papildomą teigiamą krūvį ir elementas periodinėje lentelėje perkelia vieną ląstelę į dešinę. Jei atomas skleidžia gama spindulius (neįkrautas), tada energijos kiekis pasikeičia, tačiau dalelių sudėtis nepaveikiama, todėl lieka tas pats elementas.
Vadovaudamiesi šiomis taisyklėmis, chemikai galėjo išsamiai ištirti daugybę radioaktyvių serijų.
izotopų
Atradę radioaktyviuosius elementus, mokslininkai susidūrė su rimta problema: ką daryti su įvairiais urano ir torio skilimo produktais? Jų buvo atidaryta dešimtimis, o periodinėje lentelėje buvo daugiausia tik devynios vietos (nuo polonio, kurio eilės numeris 84, iki urano, kurio eilės numeris 92), kur juos buvo galima dėti.
Taigi urano atomas (serijos numeris 92) išskiria alfa dalelę. Naujojo elemento atominis skaičius, pagal Sodžio taisyklę, yra 90. Tai reiškia, kad urano atomas turi sudaryti torio atomą. Tačiau įprasto torio pusinės eliminacijos laikas yra 14 milijardų metų, o iš urano gauto torio pusinės eliminacijos laikas yra tik 24 dienos.
Skirtumai pastebimi net ir gaunant neradioaktyvius elementus. Pavyzdžiui, Richardsas (atominių masių specialistas, žr. 5 skyrių) 1913 m. sugebėjo parodyti, kad švino, gauto skylant uranui, atominė masė šiek tiek skiriasi nuo paprasto švino masės.
Soddy buvo pakankamai pasiryžęs manyti, kad daugiau nei vienos rūšies atomai gali atitikti tą pačią vietą periodinėje lentelėje. 90 vietą gali užimti skirtingos torio atmainos, 82 vietą – įvairios švino atmainos ir tt Soddy pavadino šias atomų rūšis, kurios lentelėje užima tą pačią vietą, izotopų(iš graikų topos – vieta).
Tą pačią vietą lentelėje užimantys izotopai turi turėti tą patį serijos numerį ir, atitinkamai, tokį patį protonų skaičių branduolyje ir tokį pat elektronų skaičių apvalkaluose. Elemento izotopai turi turėti tas pačias chemines savybes, nes šios savybės priklauso nuo elektronų skaičiaus ir išsidėstymo atomuose.
Bet kaip tada paaiškinti radioaktyviųjų savybių ir atominių masių skirtumą?
Praėjusiame amžiuje Proutas iškėlė savo garsiąją hipotezę (žr. 5 skyrių), kad visi atomai sudaryti iš vandenilio, todėl visų elementų atominės masės turi būti sveikos. Tačiau, kaip paaiškėjo, dauguma atominių masių yra ne sveikieji skaičiai, ir šis faktas, atrodo, paneigė hipotezę.
Tačiau, remiantis naujomis idėjomis apie atomo struktūrą, atomas turi branduolį, susidedantį iš protonų (ir neutronų). Protonų ir neutronų masė yra maždaug vienoda, todėl visų atomų masės turi būti vandenilio atomo (sudaryto iš vieno protono) masės kartotiniai. Prouto hipotezė buvo atgaivinta, tačiau vėl kilo abejonių, kokios turi būti atominės masės.
1912 m. J. J. Thomson (kuris, kaip minėjome aukščiau, atrado elektroną) paveikė teigiamai įkrautų neono jonų pluoštus magnetiniame lauke. Dėl magnetinio lauko jonai nukrypo ir dėl to jie atsitrenkė į fotografinę plokštę. Jei visų jonų masė būtų vienoda, magnetinis laukas juos visus nukreiptų tuo pačiu kampu ir ant fotojuostos atsirastų pakitusi dėmė. Tačiau dėl šio eksperimento Thomson gavo dvi dėmes, iš kurių viena buvo maždaug dešimt kartų tamsesnė už kitą. Tomsono kolega Francis William Aston (1877-1945), vėliau patobulinęs šį įrenginį, patvirtino gautų duomenų teisingumą. Panašūs rezultatai gauti ir su kitais elementais. Šis prietaisas, kuris leido chemiškai panašius jonus atskirti į skirtingos masės jonų pluoštus, buvo vadinamas masės spektrografas .
Identiškai įkrautų jonų deformacijos dydis magnetiniame lauke priklauso nuo šių jonų masės; didesnės masės jonai nukrypsta mažiau ir atvirkščiai. Taigi Thomson ir Aston eksperimentai parodė, kad yra dviejų tipų neoniniai atomai. Vieno tipo atomai masės skaičius lygus 20, kitas turi 22. Nustačius santykinį dėmių juodumą, nustatyta, kad neono-20 kiekis yra 10 kartų didesnis nei neono-22. Vėliau taip pat buvo aptiktas nedidelis kiekis neono-21. Jei, skaičiuodami neono atominę masę, vadovausimės šiais duomenimis, paaiškėja, kad ji yra maždaug 20,2.
Kitaip tariant, atskirų atomų masė yra sveikasis vandenilio atomo masės kartotinis, tačiau atskiro elemento atominė masė yra jį sudarančių atomų atominių masių vidurkis, todėl negali būti sveikasis skaičius.
Vidutinė elemento, turinčio daug izotopų, atominė masė kai kuriais atvejais gali būti didesnė už vidutinę elemento, kurio atominis skaičius yra didesnis, atominę masę. Pavyzdžiui, telūras, kurio serijos numeris yra 52, turi septynis izotopus. Iš jų labiausiai paplitę du sunkiausi izotopai – telūras-126 ir telūras-128. Todėl telūro atominė masė artėja prie 127,6. Jodo serijos numeris yra 53, ty vienu daugiau nei telūro. Tačiau jodas turi tik vieną izotopą - jodą-127, todėl jo atominė masė yra 127. Kai Mendelejevas savo periodinėje lentelėje padėjo jodą už telūro ir tuo pažeidė atominės masės diktuojamą tvarką, jis, to nežinodamas, sekė krūvius. branduolių, t.y. periodinio dėsnio fizikinė esmė.
Paimkime kitą panašų pavyzdį. Kalis (atominis skaičius 19) turi tris izotopus – kalį-39, kalį-40 ir kalį-41, tačiau labiausiai paplitęs yra lengviausias izotopas kalis-39. Dėl to kalio atominė masė yra 39,1. Argono serijos numeris yra 18, jis taip pat turi tris izotopus - argoną-36, argoną-38 ir argoną-40, tačiau sunkiausias izotopas argonas-40 yra labiausiai paplitęs. Dėl to argono atominė masė yra maždaug 40.
Masių spektrografu galima išmatuoti atskirų izotopų mases ir nustatyti šių izotopų gausą. Gavus tokius duomenis, galima apskaičiuoti vidutinę elemento atominę masę. Šio atominės masės nustatymo metodo tikslumas yra daug didesnis nei cheminių metodų.
Skirtingi tam tikro elemento izotopai turi tuos pačius branduolinius krūvius, bet skirtingus masės skaičius. Vadinasi, skirtingų izotopų branduoliuose yra tiek pat protonų, bet skirtingą neutronų skaičių. Neonas-20, neonas-21 ir neonas-22 branduolyje turi 10 protonų, visų šių izotopų eilės numeris yra 10, o elektronai per apvalkalus pasiskirstę taip: 2, 8. Tačiau neono branduolys- 20 yra 10 protonų plius 10 neutronų, neono-21 branduolyje yra 10 protonų plius 11 neutronų, o neono-22 branduolyje yra 10 protonų ir 12 neutronų.
Daugumoje elementų (bet ne visuose) yra izotopų. Pavyzdžiui, 1935 m. amerikiečių fizikas Arthuras Jeffrey Dempsteris (1886–1950) nustatė, kad natūralus uranas, kurio atominė masė (238,07) yra labai artima sveikajam skaičiui, yra dviejų izotopų mišinys. Vienas iš izotopų yra vyraujantis (99,3%). Šio izotopo branduoliai susideda iš 92 protonų ir 146 neutronų, tai yra, bendras masės skaičius yra 238. Tai yra uranas-238. Kito izotopo – urano-235 – kiekis yra tik 0,7 %; šio izotopo branduolys turi trimis neutronais mažiau.
Kadangi radioaktyviosios savybės priklauso nuo atomo branduolio sandaros, o ne nuo elektroninės aplinkos, to paties elemento izotopai gali turėti panašias chemines savybes ir visiškai skirtingą radioaktyvumą. Nors urano-238 pusinės eliminacijos laikas yra 4 500 000 000 metų, urano-235 pusinės eliminacijos laikas yra tik 700 000 000 metų. Abu šie elementai yra pirmieji dviejų atskirų radioaktyvių serijų elementai.
Buvo teorinių prielaidų, leidžiančių manyti, kad vandenilis, paprasčiausias elementas, taip pat gali turėti izotopų porą. Paprastų vandenilio atomų branduoliai susideda iš vieno protono, t.y. paprastas vandenilis yra vandenilis-1. 1931 metais amerikiečių chemikas Haroldas Claytonas Urey (1893-1980) pasiūlė, kad sunkesnis vandenilio izotopas, jei toks yra, turėtų virti aukštesnėje temperatūroje, lėčiau garuoti ir kauptis nuosėdose.
Bandydamas aptikti šį sunkesnį vandenilio izotopą, Jurijus pradėjo lėtai garinti keturis litrus skysto vandenilio. Ir paskutiniame kubiniame vandenilio centimetre Urey iš tiesų rado neabejotinų vandenilio-2, izotopo, kurio branduolyje yra vienas protonas ir vienas neutronas, buvimo požymių. Vandenilis-2 buvo pavadintas deuterio .
Deguonis nebuvo išimtis. 1929 m. amerikiečių chemikui Williamsui Francisui Giokui (g. 1895 m.) pavyko įrodyti, kad deguonis turi tris izotopus. Deguonis-16 yra labiausiai paplitęs, jis sudaro apie 99,8% visų atomų. Deguonies-16 branduolys turi 8 protonus ir 8 neutronus. Deguonies-18 branduolyje, antrasis pagal gausumą izotopas, 8 protonai ir 10 neutronų, deguonies-17 branduolyje, kurio randama tik nedideliais kiekiais, 8 protonai ir 9 neutronai.
Tai sukėlė problemą. Dar nuo Berzelio laikų elementų atominės masės buvo skaičiuojamos darant prielaidą, kad deguonies atominė masė yra 16.0000 (žr. 5 sk.). Tačiau deguonies atominė masė gali būti tik apskaičiuota vidutinė trijų izotopų atominė masė, o deguonies izotopų santykis gali labai skirtis priklausomai nuo mėginio.
Fizikai pradėjo nustatyti atomines mases pagal deguonies-16 atominę masę, kuri yra 16 0000. Dėl to buvo gauta verčių serija ( fizinė atominė masė), kurios labai maža pastovia verte viršijo tas reikšmes, kurios buvo naudojamos ir kurios buvo palaipsniui tobulinamos per XIX a. ( cheminiai atominiai svoriai).
1961 m. tarptautinės chemikų ir fizikų organizacijos sutiko priimti anglies-12 atominę masę kaip standartą, laikant ją lygiai 12 000. Elementų atominės masės, apskaičiuotos naudojant naująjį etaloną, beveik visiškai sutampa su senaisiais cheminiais atominiais svoriais, be to, naujasis standartas siejamas tik su vienu izotopu, o ne su izotopų galaktika.
14 skyrius Branduolinės reakcijos
Naujos transformacijos
Kai paaiškėjo, kad atomą sudaro mažesnės dalelės, kurios atsitiktinai persitvarkė radioaktyvių transformacijų metu, kitas žingsnis atrodė beveik iš anksto numatytas.
Įprastų cheminių reakcijų pagalba žmogus išmoko savo nuožiūra pertvarkyti molekules. Kodėl nepabandžius pertvarkyti atomų branduolių naudojant branduolinės reakcijos? Protonai ir neutronai yra daug glaudžiau surišti nei atomai molekulėje, o įprasti metodai, naudojami įprastoms cheminėms reakcijoms atlikti, natūraliai nesukels sėkmės. Tačiau galite pabandyti sukurti naujus metodus.
Pirmąjį žingsnį šia kryptimi žengė Rutherfordas; jis bombardavo įvairias dujas alfa dalelėmis ir nustatė, kad kiekvieną kartą, kai alfa dalelė atsitrenkia į atomo branduolį, ji suardo jo struktūrą (23 pav.).
1919 metais Rutherfordas jau sugebėjo parodyti, kad alfa dalelės gali išmušti protonus iš azoto branduolių ir susijungti su tuo, kas liko iš branduolio. Labiausiai paplitęs azoto izotopas yra azotas-14, kurio branduolyje yra 7 protonai ir 7 neutronai. Jei iš šio branduolio bus išmuštas protonas ir pridedami 2 protonai ir 2 neutronai alfa dalelės, tada bus gautas branduolys su 8 protonais ir 9 neutronais, tai yra, deguonies-17 branduolys. Alfa dalelė gali būti laikoma heliu-4, o protonas - vandeniliu-1. Taigi, Rutherfordas pirmasis sėkmingai atliko dirbtinę branduolinę reakciją:
Azotas-14 + helis-4 → deguonis-17 + vandenilis-1
Paversdamas vieną elementą kitu, jis įvykdė transmutaciją. Taigi, XX a. išsipildė brangiausia alchemikų svajonė.
Per ateinančius penkerius metus Rutherfordas atliko daugybę kitų branduolinių reakcijų, naudodamas alfa daleles. Tačiau jo galimybės buvo ribotos, nes radioaktyvieji elementai gamino tik alfa daleles su vidutine energija. Reikėjo daug didesnės energijos dalelių.
Ryžiai. 23. Rutherfordo patirties schema. Išskiriamos alfa dalelės nukreipiamos, kai praeina per aukso foliją; įlinkio vertė yra fiksuota, kai dalelės susiduria su fluorescenciniu ekranu.
Fizikai pradėjo kurti prietaisus, skirtus įkrautoms dalelėms pagreitinti elektriniame lauke. Priverčiant daleles judėti su pagreičiu, buvo galima padidinti jų energiją. Anglų fizikas Johnas Douglasas Cockcroftas (1897–1967) kartu su savo bendradarbiu airių fiziku Ernestu Thomasu Sintonu Waltonu (gim. 1903 m.) pirmieji sukūrė greitintuvo idėją, leidžiančią gauti daleles, kurių energijos pakanka atlikti branduolinę reakciją. 1929 metais buvo pastatytas toks greitintuvas. Po trejų metų tie patys fizikai bombardavo ličio atomus pagreitintais protonais ir pagamino alfa daleles. Šią branduolinę reakciją galima parašyti taip:
Vandenilis-1 + litis-7 → helis-4 + helis-4
Cockcroft-Walton akceleratoriuje ir daugelyje kitų panašių greitintuvų dalelės judėjo tiesia trajektorija. Tokiame greitintuve buvo galima gauti didelės energijos daleles tik esant pakankamam dalelių kelio ilgiui, todėl tokio tipo greitintuvai buvo itin sudėtingi. 1930 metais amerikiečių fizikas Ernestas Orlando Lawrence'as (1901-1958) pasiūlė greitintuvą, kuriame dalelės juda šiek tiek besiskiriančia spirale. Šis palyginti mažas ciklotronas gali gaminti itin didelės energijos daleles.
Pirmasis labai mažas Lawrence'o ciklotronas yra šiandieninių milžiniškų, pusės kilometro apskritimo įrenginių, naudojamų atsakyti į sunkiausius klausimus apie materijos struktūrą, pirmtakas.
1930 m. anglų fizikas Paulas Adrienas Morrisas Diracas (g. 1902 m.) teoriškai pagrindė prielaidą, kad ir protonai, ir elektronai turi turėti savo antidalelių . anti-elektronas turi turėti elektrono masę, bet turi būti teigiamai įkrautas, antiprotonas turi turėti protono masę, bet būti neigiamai įkrautas.
Antielektroną 1932 metais atrado amerikiečių fizikas Carlas Davidas Andersonas (g. 1905), tyrinėdamas kosminius spindulius. Kosminiams spinduliams susidūrus su atmosferoje esančiais atomų branduoliais, susidaro dalelės, kurios magnetiniame lauke nukrypsta tokiu pat kampu kaip ir elektronai, bet priešinga kryptimi. Andersonas pavadino tokio tipo daleles pozitronai .
Antiprotono nepavyko aptikti dar ketvirtį amžiaus. Kadangi antiprotono masė yra 1836 kartus didesnė už antielektrono masę, antiprotonui susidaryti reikia 1836 kartus daugiau energijos, taigi iki XX amžiaus 50-ųjų. ši transformacija buvo neįmanoma. 1955 m. amerikiečių fizikai Emilio Segre (gim. 1905 m.) ir Owenui Chamberlainui (gim. 1920 m.) pavyko gauti ir aptikti antiprotoną naudojant galingus greitintuvus.
Nustatyta, kad gali egzistuoti tokie savotiški atomai, kuriuose neigiamo krūvio branduoliai, turintys antiprotonų, yra apsupti teigiamai įkrautų pozitronų. Natūralu, kas yra antimedžiaga negali egzistuoti ilgą laiką nei Žemėje, nei, tikriausiai, net mūsų Galaktikoje, nes kai materija susiliečia su antimedžiaga, jos sunaikinamos (sunaikinamos), išskirdamos didžiulį kiekį energijos. Ir vis dėlto astronomai domisi, ar gali būti galaktikų, sukurtų iš antimedžiagos? Jei tai įmanoma, aptikti tokias galaktikas bus labai sunku.
