Një libër i këtij lloji po botohet për herë të parë në Rusisht; është menduar për kimistë organikë - shkencëtarë, mësues, studentë të diplomuar dhe studentë të lartë të universiteteve kimike.
PARATHNIE
Autori i këtij libri, profesori L. Gammett, lindi në 1894 në Wilmington (SHBA). Ai u diplomua në Universitetin e Harvardit, ku mori një diplomë Bachelor of Science në 1916 dhe më pas punoi për një vit në Cyrih me Staudinger. Në 1923 ai mbrojti tezën e doktoratës nga Universiteti Columbia. Deri në vitin 1961 ai dha mësim në këtë universitet, nga 1951 deri në 1957 ai drejtoi Departamentin e Kimisë. Aktualisht L. Gammet është një profesor emeritus në pension.
L. Hammett ishte një nga pionierët e një dege të re të shkencës që u shfaq në vitet 1920 dhe 1930 - kimia organike fizike. Tre zbulime themelore shoqërohen me emrin e tij: krijimi i funksionit të aciditetit, krijimi i një lidhjeje midis shkallës së reaksioneve të katalizuara me acid dhe funksionit të aciditetit, si dhe futja e ekuacioneve të korrelacionit të \ gk - një lloj kimi, dhe kështu parimin e linearitetit të energjive të lira. Tani është e qartë se edhe një nga këto zbulime do të ishte e mjaftueshme për të lënë gjurmët e saj në shkencë. Natyrisht, Profesor Hammett iu dha çmime dhe medalje të shumta shkencore: Nichols (1957), Norris (1960, 1966), Priestley (1961), Gibbs (1961), Lewis (1967), Chandler (1968), Medalja Kombëtare e Shkencës (1968) ... Ai është anëtar i Akademisë Kombëtare të Shkencave (SHBA) dhe anëtar nderi i Shoqërisë Kimike (Londër).
Libri nga L. Hammett i ofruar vëmendjes së lexuesve "Bazat e Kimisë Organike Fizike" zë një vend të shquar në literaturën kimike botërore. Edicioni i tij i parë, i botuar në 1940, ishte shumë përpara kohës së tij dhe, për të përdorur fjalët e Hammetit për një libër tjetër, u bë "Bibla e kimistëve organikë të menduar". Arsyeja për këtë qëndron, së pari, në thellësinë e shumë ideve origjinale të parashtruara në të, të cilat për dekada kanë përcaktuar fusha të tëra të kërkimit shkencor. Së dyti, libri përmbante një numër të madh parashikimesh logjike, të cilat më vonë u konfirmuan shkëlqyeshëm. Së treti, për shumë vite ky libër ishte i vetmi në letërsinë botërore, ku u paraqitën problemet e një dege të re të shkencës - kimisë organike fizike -. Botimi i parë i librit nuk u përkthye në Rusisht, por sigurisht që është i njohur për pothuajse të gjithë kimistët sovjetikë nga referenca të shumta për të, dhe për shumë nga origjinali anglez. Ky përkthim është nga botimi i dytë, plotësisht i rishikuar dhe i zgjeruar, botuar në SHBA në 1970.
Ndryshe nga botimi i parë, ky libër nuk është një monografi, pasi autori nuk u përpoq as për një mbulim shterues të të gjithë letërsisë botërore, as për mbulimin e të gjitha problemeve. Libri është një tekst shkollor i shkruar bukur i krijuar për njohje të thellë me gamën e çështjeve më të rëndësishme të kimisë organike fizike. Nuk ka nevojë të shkruhet për parimet e ndërtimit të librit dhe përmbajtjen e tij specifike, pasi ato janë pasqyruar plotësisht në parathënien e autorit dhe një tabelë të detajuar të përmbajtjes. Duhet vetëm të theksohet se dallohet dukshëm nga librat ekzistues me të njëjtin qëllim nga një qasje më e përgjithshme dhe më rigoroze "fizike" ndaj problemeve dhe interpretimi i tyre sasior.
Lexuesi i këtij libri ka një mundësi të rrallë për të marrë informacione të dorës së parë, të thuash: L. Hammett ishte një bashkëkohës dhe një pjesëmarrës aktiv në zhvillimin e kimisë organike fizike si shkencë. "Zhvendosjet lirike" në libër, të përshkuara me humor të mirë, lejojnë që dikush të ndiejë atmosferën në të cilën është bërë ky ose ai zbulim, dhe të ndiejë origjinalitetin e autorit si shkencëtar dhe person. Në të njëjtën kohë, kimistët sovjetikë nuk mund të ndiejnë simpati për L. Hammett, i cili, në një mosmarrëveshje me kundërshtarët e tij të padukshëm, pohon se qëllimi i kimisë teorike është aftësia për të parashikuar dhe kontrolluar proceset kimike, ose, në një vend tjetër, shpreh bindjen se rezultate veçanërisht të vlefshme nuk po japin ata studiues që janë angazhuar në sqarimin e asaj që dihet tashmë, por ata që hyjnë në një mosmarrëveshje me pikëpamje të vendosura, edhe nëse ato duken të jenë ligje të patundshme. Sidoqoftë, vërehet me shaka. Hammett, duhet të kuptosh qartë për çfarë mund të debatosh dhe çfarë nuk mundesh, në mënyrë që të mos humbësh kohën tënde dhe fondet e njerëzve të tjerë.
Ndërsa punonim në botimin rus të këtij libri, ne u përpoqëm të përcillnim përmbajtjen e tij sa më saktë që të ishte e mundur; kur ishte e nevojshme, bënim shënime dhe përpilonim lista të vogla të literaturës shtesë.
Nuk ka dyshim se libri i shkëlqyer i L. Gummet do të gëzojë në mënyrë të merituar popullaritet të gjerë në qarqet e kimistëve sovjetikë, punonjësve të universitetit, instituteve kërkimore dhe ndërmarrjeve.
Si përfundim, ne do të citojmë një fragment nga letra e L. Hammett drejtuar redaktorit: “Jam i lumtur që botoj librin tim në Rusisht, një nga gjuhët kryesore të botës. Unë rekomandoj fuqimisht që kimistët e rinj, përfshirë nipin e tyre, të mësojnë rusisht në mënyrë që të lexojnë literaturë shkencore ruse. Megjithëse njohuritë e mia për gjuhën ruse, për fat të keq, nuk shtrihen përtej alfabetit, mund të supozohet se përkthimi i librit tim në rusisht do të më stimulojë ta studioj më tej atë. "
L. Efros Y. Kaminsky
NGA PARATHNIA E AUTORIT N TO EDITIMET E PARA DHE TEC DYT
Një nga tendencat e përgjithshme në zhvillimin e shkencës është një dobësim i përkohshëm i vëmendjes ndaj fenomeneve të vendosura në kryqëzimin e fushave të ndryshme të shkencës. Herët a vonë, kjo pengesë bëhet shumë e qartë, dhe pastaj shfaqet një degë e re e shkencës. Diçka e ngjashme ndodhi në vitet njëzet dhe tridhjetë në kryqëzimin e kimisë fizike dhe organike: u shfaqën një sërë faktesh, përgjithësimesh dhe teorish, të cilat do të ishte e saktë t'i quanim kimi organike fizike. Ky emër nënkupton studimin e fenomeneve të kimisë organike me metoda sasiore dhe matematikore.
Një nga drejtimet kryesore në të cilat u zhvillua kimia organike fizike ishte studimi me metoda sasiore të mekanizmave të reagimit, si dhe efekti i strukturës dhe mjedisit në reaktivitetin. Asnjë drejtim tjetër nuk jep rezultate që kanë një vlerë kaq praktike të menjëhershme për detyrën kryesore të kimisë - kontrollin e proceseve kimike.
Ndonjëherë shokët e fizikës e quanin me tallje këtë lloj pune "studimi i prodhimit të sapunit". Por sapuni luan një rol të rëndësishëm në qytetërimin e njerëzimit, dhe nuk jam aspak i sigurt se ne dimë më shumë për bazat e prodhimit të sapunit, i cili, siç thonë ata, është hidroliza e estereve, sesa për strukturën e atomit bërthamë.
Pavarësisht se sa i shpejtë ka qenë zhvillimi i kimisë organike fizike në tridhjetë vitet që kanë kaluar që nga botimi i botimit të parë të këtij libri, situata aktuale është akoma shumë larg nga e ardhmja e zymtë e përshkruar nga Katchalsky: “Nëse na pëlqen ose jo, qëllimi përfundimtar i çdo shkence është të bëhet i parëndësishëm, të bëhet një aparat i përshtatur mirë për zgjidhjen e ushtrimeve nga tekstet shkollore ose për zbatim praktik në ndërtimin e makinave ". Ky synim është ende larg nëse, siç bëmë disa vjet më parë, mund të habitemi kur zbulojmë se reagimet bazë mund të vazhdojnë në DMSO 1013 herë më shpejt sesa në metanol. Koha është ende larg kur parashikimi i katalizatorit për një përgjigje të caktuar do të kthehet në një ushtrim për studentët.
Megjithatë, shumë nga ajo që ishte hamendësuese tridhjetë vjet më parë është bërë e sigurt; përafrimet e përafërta janë zëvendësuar me ato më të sakta; vetë kimia organike fizike është rritur ndjeshëm, si dhe sasia e njohurive të studiuesve që punojnë në këtë fushë. Me sa duket, ka ardhur koha për një rishikim rrënjësor të temave të prekura në botimin e parë të librit.
Ashtu si botimi i parë, edicioni i dytë i këtij libri i kushtohet normave, ekuilibrave dhe mekanizmave të reagimit. Për të qenë më të saktë, konsiderata do të kufizohet në gamën e reaksioneve heterolitike në tretësira. Reagimet radikale, si dhe teoria e orbitaleve molekulare, nuk merren parasysh, pasi ato janë bërë subjekt i monografive të veçanta.
Edhe me këto kufizime, madhësia e librit do të tejkalonte të gjithë kufijtë e arsyeshëm nëse do të përpiqesha, siç ishte në botimin e parë, ta bëja atë enciklopedik dhe të diskutoja të gjitha reagimet për të cilat informacioni rreth mekanizmit është i disponueshëm, në vend që të përzgjedhja shembuj që ilustroni mënyrat e hetimit të mekanizmit ...
Sidoqoftë, shpresoj që parimet themelore që mund të përdoren në studimin e reaksioneve heterolitike në tretësira janë përcaktuar mjaft tërësisht, thellësisht dhe me mend. Unë gjithashtu shpresoj se ky libër do të jetë i dobishëm si për fizikokimistët ashtu edhe për kimistët organikë; prandaj, unë u përpoqa ta bëj prezantimin e materialit të arritshëm për studentët me një njohuri solide (edhe pse elementare) të kimisë fizike dhe organike. Unë mund të kërkoj falje vetëm nëse libri përmban fragmente që duken të parëndësishme për ata që tashmë punojnë në ndonjë nga këto fusha.
Teoritë dhe parimet e diskutuara në libër më përkasin vetëm në një masë shumë të vogël. Në justifikimin e gabimeve, të cilat padyshim janë në referencat ndaj autorëve të vërtetë, unë mund t'i referohem vetëm vështirësisë së përcaktimit të përparësisë në ide.
Unë jam shumë borxhli ndaj E. M. Arnett, M. M. Davis, H. L. Goering, D. E. Kimball, R. W. Taft dhe G. Zollinger, secili prej të cilëve lexoi një pjesë të dorëshkrimit dhe bëri komente të vlefshme. Falënderoj studentët e mi të diplomuar që më mësuan më shumë sesa unë u mësova atyre, dhe mbi të gjitha, tre mësues të mëdhenj: H.P. Kohler, G. Staudinger dhe J.M. Nelson, sepse ata mbollën farat nga të cilat u rrit ky libër.
L. Gammet
Detyra kryesore e një kimisti, siç e imagjinoj, është aftësia për të parashikuar dhe kontrolluar rrjedhën e reaksioneve. Në të njëjtën kohë, si me çdo përpjekje tjetër njerëzore për të zotëruar ligjet e natyrës, mund të përdoren dy qasje. Njëra është krijimi i teorive të përgjithshme, nga të cilat nxirren në mënyrë deduktive pasojat në lidhje me vetitë e veçanta të materies. E dyta, duke u mbështetur në përgjithësimet empirike, ndërton teori të veçanta dhe të përafërta që mund të shpjegojnë fenomenet e vëzhguara ose të propozojnë një drejtim interesant të kërkimit eksperimental. Për shkak të natyrës së shkencës sonë, ne, kimistët, jemi të detyruar të shkojmë kryesisht përgjatë rrugës së dytë. Siç e vura re një herë më parë, "kimistët arritën në parimet efektive të punës shumë kohë para se ekuacioni i Shreddingerit të mishëronte çelësin teorik për të gjitha problemet në kimi. Edhe sot, sasia e informacionit që një kimist mund të marrë drejtpërdrejt nga ky ekuacion përfaqëson vetëm një pjesë të vogël të asaj që ai di. "
Disa kimistë duket se kanë turp për këtë dhe janë xhelozë për shkencëtarët që punojnë në fusha ku, sipas fjalëve të Dirakut, “bukuria e ekuacioneve është më e rëndësishme sesa korrespondenca e tyre për të eksperimentuar. Unë kam një ndjenjë krenarie për shkencën që ka arritur kaq shumë përmes përdorimit gjenial të çdo mediumi, qoftë i papërpunuar dhe i ngathët, i rafinuar dhe i këndshëm. Për ta cituar veten përsëri: “Shpresoj se asgjë nga kjo nuk do t’ju bëjë të besoni se po neglizhoj ose nënçmoj teorinë. Por unë mendoj se respekti që kemi për teorinë nuk duhet të errësojë, siç ndodh ndonjëherë, faktin që shkenca i detyrohet po aq përgjithësimit empirik. Kujtoni, për shembull, implikimet e mëdha teorike të zbulimit nga një mësues zviceran i një lidhjeje sasiore midis frekuencave të linjës në spektrin e hidrogjenit - një lidhje që dukej e çuditshme dhe e papritur.
Unë mendoj se ndonjëherë ne harrojmë ndryshimin e madh midis teorive të sakta dhe të përafërta. Më lejoni të ndalem në marrëdhënien time me këtë të fundit. Nëse, për shembull, kolegu im Breslow, bazuar në teorinë e orbitës molekulare, parashikon qëndrueshmërinë dhe aromën e një strukture të tillë ekzotike si një kation ciklopropenil, atëherë është e qartë se, përkundër natyrës së saj të përafërt, teoria e orbitës molekulare është një mjet i fuqishëm për zbulimin fenomene të papritura. Por nëse teoria e orbitës molekulare parashikon pamundësinë e ndonjë dukurie ose varësie të re, përfundimet e saj duhet të shihen vetëm si disi (por jo plotësisht) dekurajuese. Nëse dikush fillon të kërkojë efektin e parashikuar nga kjo lloj teorie, atëherë ka shumë të ngjarë që koha dhe paratë të mos humbasin. Por nëse dikush fillon të kërkojë një efekt që një teori e tillë e konsideron të pamundur, atëherë do të ketë pak shanse në favor të një rezultati të favorshëm. Për fat të mirë, midis shkencëtarëve, si dhe midis basteve, ka njerëz që preferojnë të vënë bast kundër shanseve, ndërsa shumica dërrmuese gjithmonë vënë bast në favorit. Unë mendoj se në shkencë ne duhet në çdo mënyrë të mundshme të mbështesim njerëzit që kanë vendosur të ndërmarrin rreziqe me shanse të tilla të pabarabarta.
Kjo nuk do të thotë që ne duhet të mbështesim budallenjtë dhe injorantët që injorojnë faktet që i vrasin, njerëzit që duan të kalojnë kohën e tyre dhe, si rregull, paratë e njerëzve të tjerë për të kërkuar një efekt që nuk pajtohet, për shembull, me përfundimet vizatuar nga Willard Gibbs. Gibbs vazhdoi nga përgjithësime të vërtetuara rreptësisht - ligjet e para dhe të dyta të termodinamikës,
përdori një aparat matematikor të saktë dhe krijoi një teori që është shembulli më i mirë i një teorie të saktë të njohur për mua. Futshtë e kotë të luftosh kundër një teorie të tillë.
Sidoqoftë, ligjet e përgjithshme të zbuluara nga Gibbs janë abstrakte dhe shndërrimi i tyre në varësi konkrete, duke përfshirë sasi të tilla prozaike si përqendrimi i tretjeve, kërkon ose ekuacione të sakta empirike të gjendjes ose teori që në mënyrë të pashmangshme kanë një karakter të përafërt. Prandaj, është e nevojshme të tregohet kujdes, veçanërisht në rastet kur prestigji i një shkencëtari të famshëm përzihet me natyrën e përafërt të teorisë. Pra, në pleqërinë e Nernst -it ishte një periudhë kur një guximtar i rrallë guxoi të botonte çdo përfundim që nuk pajtohej me ekuacionet e përafërta të pjesshme të gjendjes, të cilat i lejuan Nernst të bënte shumë gjëra të dobishme gjatë rinisë së tij. Ata që u përpoqën u përballën me zemërimin e Jupiterit, i cili zakonisht shkatërroi shkelësin (derisa erdhi koha e H.N. Lewis).
Morali i gjithçkaje që është thënë është kjo: kini shumë respekt për teorinë e saktë, por në të njëjtën kohë, jini vërtet të sigurt se teoria që ju këshillon të mos bëni atë që dëshironi është një teori vërtet e saktë, dhe jo vetëm ideja e preferuar e një autoriteti të njohur ".
KOHETS FRAGMEHTA
Që nga koha e Lavoisier, kimistët kanë qenë në gjendje të parashikojnë se në cilin drejtim do të shkojnë reaksione të shpejta jonike të molekulave relativisht të vogla, dhe mund t'i modifikojnë këto reaksione në mënyrë që t'i përdorin ato në praktikë. Studimi i molekulave komplekse ishte shumë më i vështirë. Reagimet e ngadalta të komponimeve organike ishin gjithashtu shumë më të vështira për tu analizuar. Shpesh, reagimet mund të marrin disa rrugë, dhe aftësia e kimistit si eksperimentues dhe intuitë, në vend që të kuptojë thellë procesin, lejoi që kimisti të drejtonte reagimin përgjatë rrugës së dëshiruar.
Me ardhjen e modelit elektronik të atomit, kimistët organikë ishin në gjendje të hidhnin një vështrim të ri në fushën e tyre të kërkimit. Në fund të viteve 20 të shekullit XX. Kimisti anglez Christopher Ingold (1893-1970) dhe një numër kimistësh të tjerë u përpoqën t'i qasen reaksioneve organike nga pikëpamja e teorisë së strukturës atomike, duke shpjeguar ndërveprimin e molekulave me kalimin e elektroneve. Në kiminë organike, metodat e kimisë fizike filluan të përdoren në mënyrë intensive. Kimia organike fizike është bërë një disiplinë e rëndësishme.
Sidoqoftë, përpjekjet për të interpretuar reagimet organike vetëm si rezultat i lëvizjes së elektroneve nuk kanë çuar në shumë sukses.
Gjatë tremujorit të parë të shekullit të 20 -të, që nga zbulimi i elektronit, u konsiderua e vërtetuar se elektroni është një top shumë i vogël i fortë. Sidoqoftë, në 1923, fizikani francez Louis Victor de Broglie (lindur në 1892) paraqiti një justifikim teorik për faktin se elektronet (si dhe të gjitha grimcat e tjera) kanë veti valore. Nga fundi i viteve 20 të shekullit XX. kjo hipotezë është konfirmuar në mënyrë eksperimentale.
Pauling (i cili ishte i pari që sugjeroi që molekulat e proteinave dhe acideve nukleike kanë formën e një spirale, shih Kapitullin 10) në fillim të viteve 1930 zhvilloi metoda që bënë të mundur marrjen parasysh të natyrës valore të elektroneve kur merren parasysh reaksionet organike Me
Ai sugjeroi që shoqërizimi i një çifti elektronesh (sipas Lewis dhe Langmuir) mund të interpretohet si bashkëveprim i valëve ose mbivendosje e reve elektronike. Lidhja kimike, e përshkruar në teorinë strukturore të Kekulé si një vijë, në konceptet e reja korrespondon me rajonin e mbivendosjes maksimale të reve elektronike. Doli se mbivendosja e reve elektronike ndonjëherë ndodh jo vetëm në një drejtim të vetëm, të përshkruar nga lidhja e valencës në formulën strukturore. Me fjalë të tjera, struktura e vërtetë e një molekule nuk mund të përfaqësohet as përafërsisht nga ndonjë formulë e veçantë strukturore. Sidoqoftë, mund të konsiderohet si një ndërmjetës midis disa strukturave hipotetike, si një "hibrid rezonant" i këtyre strukturave. Shtë e rëndësishme të theksohet se energjia e një molekule të tillë të vërtetë është më e ulët se sa do të pritej bazuar në cilindo
? .g, f.
strukturë të veçantë rezonante "klasike". Molekulat e tilla thuhet se "stabilizohen nga rezonanca", megjithëse rezonanca në këtë rast, natyrisht, nuk është një fenomen i vërtetë fizik, por një koncept teorik i përshtatshëm për të shpjeguar qëndrueshmërinë dhe vetitë e disa molekulave.
Teoria e rezonancës është vërtetuar se është veçanërisht e dobishme për të kuptuar strukturën e benzenit, i cili ka ngatërruar kimistët që nga ditët e Kekulé (shih Kapitullin 7). Formula e benzenit zakonisht përshkruhej si një gjashtëkëndësh me lidhje të vetme dhe të dyfishta të alternuara. Sidoqoftë, benzeni është pothuajse plotësisht i privuar nga vetitë karakteristike të komponimeve me lidhje të dyfishta.
Por për benzenin, mund të shkruani formulën e dytë, krejtësisht ekuivalente të Kekulé, në të cilën lidhjet e thjeshta dhe të dyfishta ndërrohen në krahasim me g me formulën e parë. Molekula e vërtetë e benzenit përshkruhet si një hibrid rezonant i dy strukturave Kekulé; elektronet përgjegjëse për formimin e lidhjeve të dyfishta delokalizohen, "lyhen" rreth unazës, kështu që të gjitha lidhjet midis atomeve të karbonit në benzen janë ekuivalente dhe janë të ndërmjetme midis lidhjeve klasike të vetme dhe të dyfishta. Kjo është pikërisht arsyeja për rritjen e qëndrueshmërisë dhe veçorive të sjelljes kimike të benzenit.
Përveç strukturës së benzenit, idetë për vetitë e valëve të elektroneve ndihmuan në shpjegimin e çështjeve të tjera. Meqenëse katër elektronet e vendosura në guaskën e jashtme të një atomi të karbonit nuk janë energjikisht plotësisht ekuivalentë, mund të supozohet se lidhjet e formuara midis karbonit dhe atomeve fqinjë ndryshojnë disi në varësi të asaj se cilat prej elektroneve janë të përfshirë në formimin e njërit ose tjetrit komunikimi.
Sidoqoftë, doli që katër elektrone, si valët, ndërveprojnë me njëri -tjetrin dhe formojnë katër lidhje "të mesme", të cilat janë plotësisht ekuivalente dhe drejtohen në kulmet e tetraedrit, si në atomin katërkëndësh të Van't Hoff - Le Bel Me
Në të njëjtën kohë, rezonanca ndihmoi në shpjegimin e strukturës së një grupi të përbërjeve të pazakonta që kimistët u ndeshën për herë të parë në fillim të shekullit të 20 -të. Në vitin 1900, kimisti amerikan Moses Gomberg (1866-1947) u përpoq të merrte heksafeniletan, një përbërje në të cilën dy atome karboni janë të lidhura me gjashtë unaza benzeni (tre për secilin atom karboni) 4>.
Në vend të këtij kompleksi, Gomberg mori një zgjidhje me ngjyrë të disa përbërjeve shumë reaktive. Për një numër arsyesh, Gomberg besonte se ai kishte marrë trifenilmetil - një "gjysmë -molekulë" e përbërë nga një atom karboni dhe tre unaza benzeni, në të cilat lidhja e katërt e atomit të karbonit është e pangopur.
Ky kompleks i ngjante një prej atyre radikalëve të futur në shekullin XIX. për të shpjeguar strukturën e përbërjeve organike (shih Kapitullin 6). Sidoqoftë, ndryshe nga radikalët e teorisë së vjetër, molekula e zbuluar nga Gomberg ekzistonte në një formë të izoluar, dhe jo si një fragment i një përbërjeje tjetër, kështu që u quajt një radikal i lirë.
Me zhvillimin e koncepteve elektronike të lidhjeve kimike, u bë e qartë se në radikalet e lira, për shembull, në trifenilmetil, një lidhje e pangopur (në aspektin e teorisë Kekulé) në kuadrin e koncepteve të reja korrespondon me një elektron të paçiftuar. Në mënyrë tipike, molekula të tilla me një elektron të palidhur janë jashtëzakonisht reaktive dhe shpejt shndërrohen në substanca të tjera.
Sidoqoftë, nëse molekula është planare dhe simetrike (si një molekulë trifenilmetil), atëherë elektroni i çiftuar mund të "njolloset" mbi të gjithë molekulën, gjë që do të çojë në stabilizimin e radikalit.
Kur studimit të reaksioneve organike iu afrua nga pikëpamja e teorisë së strukturës elektronike, u bë e qartë se reagimet shpesh përfshijnë fazën e formimit të radikalëve të lirë. Radikalet e tilla të lira, si rregull, të pa stabilizuara nga rezonanca, ekzistojnë vetëm për një kohë të shkurtër dhe gjithmonë formohen me vështirësi. Për shkak të kompleksitetit të formimit të radikalëve të lirë të ndërmjetëm, shumica e reaksioneve organike vazhdojnë kaq ngadalë.
Në çerekun e dytë të shekullit XX. kimistët organikë filluan të depërtojnë më thellë në thelbin e reaksioneve organike, dhe pasi studiuan mekanizmin e reaksioneve, duke kuptuar vetë thelbin e procesit, ata ishin në gjendje të sintetizonin molekula të tilla, kompleksiteti i të cilave mahniti kimistët e brezave të mëparshëm.
Sidoqoftë, konceptet e teorisë së rezonancës janë të zbatueshme jo vetëm në kiminë organike. Bazuar në konceptet e vjetra, është e pamundur, në veçanti, të shpjegohet qartë struktura e molekulave të borohidrogjenit. Atomi i borit ka shumë pak elektrone valence për të formuar numrin e kërkuar të lidhjeve. Nëse supozojmë se elektronet janë "njollosur" në mënyrë të përshtatshme, atëherë mund të ofrojmë një strukturë të pranueshme të molekulave.
Edhe pse që nga zbulimi i gazeve inerte besohej se ato nuk hyjnë në ndonjë reagim, në vitin 1932 Pauling sugjeroi që atomet e këtyre gazeve duhet të formojnë lidhje.
Fillimisht, sugjerimi i Pauling kaloi pa u vënë re, por në vitin 1962 fluori ksenon u mor si rezultat i reagimit të një ksenoni të gazit inert me fluorin. Menjëherë pas tij, u morën një numër komponimesh të tjera të ksenonit me fluorin dhe oksigjenin, si dhe komponimet e radonit dhe kriptonit.
Personeli i laboratorit. Kostoja: NS Gruner S.V., Studiues kryesor A.A. Prishchenko, Assoc. Livantsova L.I., inxhinier T.O. Reutova, studiues Novikova O.P., Assoc. Livantsov M.V., studiues i lartë Demyanov P.I. Ulur: NS Meleshonkova N.N., inxhinier Shuvalova E.A., Assoc. Gopius E.D., prof. Petrosyan V.S., studiues E.K. Kochetova, studiuese Averochkina I.A.
Nga historia e laboratorit
Në vitin 1957 akademik Reutov O.A. krijoi Laboratorin e Problemeve Teorike të Kimisë Organike në Universitetin Shtetëror të Moskës, i cili, falë rezultateve të studimeve kinetike, stereokimike dhe izotopike të mekanizmave të reaksioneve të zëvendësimit nukleofilik dhe elektrofilik në një atom karboni të kryer nga O.A. Reutov. dhe doktorët e tij të parë të shkencave ( Beletskaya I.P., Bundel Yu.G., Sokolov V.I.) ka marrë njohje të gjerë në botën shkencore.
Zhvillimi i metodave të reja në laborator (spektroskopia NMR, elektrokimi) bëri të mundur marrjen e të dhënave unike mbi strukturën elektronike dhe hapësinore të komponimeve të ndryshme organike dhe organoelemente, për të studiuar sjelljen e tyre në tretësira dhe në fazën e ngurtë. Një brez i ri doktorature ( Butin K.P., Kurtz A.L., Petrosyan V.S.) vazhdoi rritjen e autoritetit të shkollës së Akademik Reutov O.A. Në 1988 ai ia dorëzoi menaxhimin e Laboratorit profesorit V. Petrosyan. dhe që atëherë është quajtur Laboratori i Kimisë Organike Fizike. Hulumtimi i kryer në vitet në vijim ka marrë vlerësim të gjerë dhe ka marrë shumë çmime. Të diplomuarit e laboratorit (akademikët Beletskaya I.P., Bubnov Yu.N., Egorov M.P., profesor Sokolov V.I., Bakhmutov V.I., Tretyakova N.Yu. drejtoj laboratorët në vendin tonë dhe jashtë saj. Hulumtimi i kryer në laborator aktualisht vlerësohet shumë nga komuniteti shkencor rus dhe ndërkombëtar.
Drejtimet kryesore shkencore të laboratorit
- kimi organike fizike
- kimia e komponimeve organoelemente
- kimi mjedisore dhe toksikologji
 |
Në grupin shkencor, studiues i lartë A.A. Prishchenko(Assoc Livantsov M.V., Assoc Livantsova L.I., NS Novikova O.P., NS Meleshonkova N.N.) të kryejë kërkime mbi llojet e reja të komponimeve organike të fosforit, të studiojë strukturën dhe reaktivitetin e tyre, si dhe kompleksitetin dhe aktivitetin biologjik. Hidroksi dhe derivatet aminometil të acideve që përmbajnë mono- dhe difosfor- organometrofosforike premtuese të pirofosfateve natyrore dhe aminoacideve- përdoren gjerësisht si ligandë efektivë dhe substanca biologjikisht aktive me veti të ndryshme. Laboratori i kimisë organike fizike ka zhvilluar metoda të përshtatshme për sintezën e llojeve të reja të këtyre substancave duke përdorur sintone shumë reaktive - estere trimetilsilil të acideve trivalente të fosforit dhe komponimeve të funksionalizuara karbonil, duke përfshirë fragmente aromatike, heterociklike dhe të pangopura. Komponimet e marra janë me interes për përgatitjen e peptideve që përmbajnë difosfor, si dhe ligandë efektivë polydentate, duke premtuar antioksidantë dhe citoprotektorë me mekanizma të shumtë të veprimit antioksidues. Kjo punë u mbështet nga disa grante RFBR. |
 |
Drejtimi kryesor i punës së studiuesit të vjetër Demyanova P.I. konsiston në studimin teorik të natyrës së ndërveprimeve intramolekulare, kryesisht jo kovalente, midis çifteve të atomeve në një molekulë (komplekse, kristale), duke gjetur nëse këto ndërveprime janë të detyrueshme (stabilizuese) apo të neveritshme (destabilizuese). Nevoja për një punë të tillë diktohet nga fakti se shumë studiues të huaj dhe vendas, bazuar në interpretimin formal të rezultateve të analizës topologjike të shpërndarjes së densitetit të elektroneve në kuadrin e teorisë kuantike të atomeve në molekula (QTABM) të krijuara nga Bader, këmbëngulin në ekzistencën, për shembull, të lidhjes së ndërveprimeve midis joneve të ngarkuar me të njëjtat ose mungesës së lidhjeve intramolekulare të hidrogjenit në etilen glikol dhe 1,2-diole të tjera (përfshirë sheqernat) dhe shumë molekula të tjera organike. Një drejtim tjetër i llogaritjeve teorike ka për qëllim marrjen e informacionit mbi energjinë dhe natyrën e ndërveprimeve metal -metal në tretësira dhe kristale të Cu (I) -, Ag (I) - dhe Au (I) - komponimeve organike dhe komplekse të këtyre metaleve me ligandët organikë dhe inorganikë. Ky informacion do të ndihmojë të hedhë dritë mbi ndërveprimet metalofile, ekzistenca e të cilave është ende në dyshim. |
 |
NS Gruner S.V. Duke punuar për shumë vite në kiminë e derivateve organike të silikonit, germaniumit dhe kallajit, vitet e fundit, me studentë të diplomuar, ai mori një numër të madh të komponimeve të kallajit të hiperkoordinuar me karakteristika strukturore interesante dhe duke shfaqur reaktivitet të pazakontë. |
 |
Profesor asistent Gopius E.D.- Kurator i mësimit të kimisë organike në Fakultetin Biologjik, Zëvendës Shef i Laboratorit. Kërkimet shkencore i kushtohen kimisë së karbokacioneve. |
 |
Inxhinier Shuvalova E.A. merret me kiminë organike dhe toksikologjinë e ekosistemeve ujore. Ai i kushton shumë vëmendje organizimit të punës së Universitetit të Hapur Ekologjik të Universitetit Shtetëror të Moskës, themeluar në 1987 nga prof. Petrosyan V.S. |
Hulumtime fiziko -kimike... Në vitet 30-60 të shekullit XIX, kimia organike luajti një rol mbizotërues në zhvillimin e kimisë, me suksese të mëdha të arritura. Sintezat e reja të komponimeve organike pasuan njëra pas tjetrës. Punimet e N. Zinin, C. Gerard, G. Kolbe, J. Dumas, A. Würz, M. Berthelot, A. M. Butlerov dhe shumë të tjerë tërhoqën vëmendjen e qarqeve të gjera të kimistëve.
Si rezultat i këtyre punimeve, janë shfaqur përgjithësime të rëndësishme, të lidhura kryesisht me një gamë të caktuar faktesh nga fusha e kimisë organike. Të tilla janë doktrina e zëvendësimit, teoria e llojeve, teoria e strukturës kimike, teoria e përbërjeve aromatike, etj. Pyetjet themelore të kimisë janë të njëjta me pyetjen e natyrës së elementeve dhe vetive të tyre, të shkaqeve dhe kushtet e ndërveprimit të tyre kimik, domethënë të natyrës dhe thelbit të afinitetit kimik - këto pyetje mbetën, si të thuash, në sfond. Rëndësia e tyre e padyshimtë u njoh mirë, por jo më shumë; nga ana tjetër, terreni për zgjidhjen e tyre ishte ende i përgatitur dobët. Pengesa kryesore konsistonte në vështirësinë e madhe të zhvillimit të tyre, në nevojën për përpjekje shumë më të mëdha sesa ato të kërkuara për hetimet e problemeve të tjera më pak të përgjithshme dhe më pak themelore të kimisë. Zhvillimi i kimisë organike, megjithatë, kontribuoi kryesisht në studimin dhe identifikimin e ligjeve të rëndësishme fiziko -kimike. Gjatë studimit të komponimeve organike u forcua bindja se ligjet që rregullojnë ligjet kimike dhe fizike janë të njëjta si për substancat organike ashtu edhe ato inorganike. Ky përfundim ishte i një rëndësie themelore. Një pozicion i rëndësishëm është vendosur në shkencë se formimi i testit të tij të mineraleve watt dhe komponimeve organike të botës bimore dhe shtazore, si dhe substancave të marra artificialisht në një laborator kimik, i nënshtrohet të njëjtave ligje.
Zbulimi i fenomeneve të tilla në kiminë organike si izomerizmi (1830, Berzelius) dhe homologjia (1842, Schiehl, Gerard), shtruan detyrën më të rëndësishme për kimistët - të studiojnë varësinë e vetive fiziko -kimike të përbërjeve në përbërjen dhe strukturën e tyre.
Studimi i komponimeve izomerike ka treguar qartë se vetitë kimike dhe fizike të substancave varen jo vetëm nga cilësia e atomeve dhe numri i tyre, por edhe nga rregullimi i brendshëm i atomeve. Prandaj problemi më i rëndësishëm - të depërtosh në metodat fiziko -kimike në "jetën intime" të atomeve dhe molekulave dhe të përpiqesh të mësosh ligjet e ndërveprimeve të tyre.
Në këtë fushë, një fushë veçanërisht e gjerë kërkimore u hap për metodat e kërkimit fiziko -kimik që synojnë studimin jo vetëm të vetive dhe përbërjes së përbërjeve, por edhe proceseve kimike, kushteve dhe faktorëve që ndikojnë në rrjedhën e reaksioneve kimike.
Studimi i reaksioneve organike (duke vazhduar ngadalë dhe jo plotësisht) siguroi një material të ri të rëndësishëm mbi ekuilibrat kimikë. Ishte studimi i këtyre reagimeve që bëri të mundur futjen në kimi të koncepteve të tilla të rëndësishme si shpejtësia (koha), drejtimi dhe kufiri i një procesi kimik. Studimi i këtyre problemeve logjikisht çoi në studimin e ndikimit të temperaturës, presionit, sasive të substancave dhe gjendjes së tyre të grumbullimit në shpejtësinë dhe drejtimin e një reaksioni kimik. Kur reagimi vazhdon ngadalë, është e mundur ta ndaloni atë në momente të ndryshme dhe të hetoni gjendjen dhe natyrën e substancave në këto momente. Reagimet e kimisë inorganike, si rregull, që ndodhin pothuajse menjëherë, nuk lejuan që të kryheshin studime të tilla.
Rruga sintetike-përgatitore i çoi kimistët të merrnin (fillimisht me izolim nga produktet natyrore, dhe më vonë me sintezë) substanca të reja të rëndësishme, të cilat më vonë gjetën zbatim praktik. Studimi dhe përdorimi i substancave të reja, nga ana tjetër, kërkoi studimin e vetive të tyre fizike në varësi të përbërjes dhe strukturës së përbërjes.
Bazuar në studimin e përbërjeve organike, G. Kopp zbuloi marrëdhëniet e para midis strukturës kimike dhe vetive fizike. "... Marrëdhënia midis vetive fizike dhe përbërjes kimike dhe përcaktimi i saktë i këtyre vetive," shkroi Kopp, "në disa raste mund të shërbejë si një kontroll për përcaktimin e saktë të përbërjes, kështu që njohja e vetive fizike ndonjëherë konfirmon drejtpërdrejt njohuri për vetitë kimike ".
Merita e G. Kopp (1817-1892) qëndron në faktin se ai ishte i pari që sistematikisht, nga 1842 deri në 1855, hetoi vetitë fiziko-kimike të një numri substancash (pika e vlimit, vëllimi molekular dhe atomik, kapaciteti i temperaturës atomike) dhe marrëdhëniet midis përbërjes kimike dhe strukturës së lidhjeve organike.
Për të llogaritur vëllimet specifike të lëngjeve, Kopp mori densitetin e tyre në pikën e vlimit, duke marrë parasysh këto temperatura në të cilat presioni i avullit është i njëjtë, korrespondues. Eksperimentet e Kopp për të përcaktuar vëllimet specifike të substancave organike të lëngëta treguan se: 1) komponimet izomerike kanë vëllime të ngjashme specifike; 2) në shumë seri homologe, së bashku me ndryshimin e saktë në përbërje, vëllimet specifike ndryshojnë saktë. Duke krahasuar pikat e vlimit të substancave të ndryshme organike, Kopp arriti në përfundimin se në seri homologe ndërlikimi i përbërjes në CH 2 shoqërohet, si rregull, me një rritje të pikës së vlimit me 12, 15, 10 ° C. Ky ndryshim për çdo seri homologe është zakonisht konstant.
Siç mund të pritet, struktura kimike e përbërjeve duhet të ketë një efekt të caktuar në pikën e vlimit; me të vërtetë, doli që izomerët vlojnë në temperatura të ndryshme.
Gjatë përcaktimit të temperaturave të shkrirjes dhe ngrirjes së substancave organike, u zbulua se për përbërjet homologe, temperatura rritet me një rritje të peshës molekulare të substancave.
Puna e Kopp mbi përcaktimin e vëllimeve atomike, ose specifike të përbërjeve të ndryshme, në studimin e marrëdhënies midis pikës së vlimit dhe përbërjes së përbërjeve, megjithëse ato nuk çuan në rregullsi thelbësore të rëndësishme, por i dhanë një nxitje të fortë studimi i varësive fiziko -kimike dhe përsosja e atyre rregullave të vendosura nga Kopp ...
Duke vlerësuar shumë meritat e Kopp në zhvillimin e një fushe të rëndësishme të njohurive fizike dhe kimike, D. I. Mendeleev shkroi: "Historia do t'i kushtojë gjithmonë haraç punës së palodhur të Kopp."
Me ardhjen e teorisë së Butlerov për strukturën kimike (1861), filloi një fazë e re në studimin e varësive të vetive fiziko -kimike të përbërjeve organike në strukturën e tyre kimike. AM Butlerov theksoi se vetitë kimike dhe fizike të përbërjeve kimike "janë në një marrëdhënie kauzale reciproke" dhe se studimi i vetive fizike ka një rëndësi të madhe për të kuptuar "marrëdhëniet reciproke në të cilat pjesët përbërëse të tyre janë në këto substanca". Në numrin e parë të "Hyrje" (1864) Butlerov tërhoqi vëmendjen për faktin se studimi i vetive fizike ka një rëndësi të madhe për të kuptuar marrëdhëniet reciproke të pjesëve përbërëse të përbërjeve kimike. Në të njëjtën çështje ekziston një kapitull i veçantë: "Marrëdhënia midis vetive fizike dhe kimike të substancave". Në të, ai shqyrton pikat e shkrirjes dhe vlimit, kapacitetet e nxehtësisë, nxehtësitë latente të shkrirjes dhe avullimit, "fenomenet kalorike në reaksionet kimike", dmth. efektet termike, forcat molekulare, tretshmëria, thyerja, shpërndarja e dritës, fluoreshenca dhe fosforeshenca, rrotullimi i rrafshit të polarizimit, veprimi kimik i dritës dhe energjisë elektrike.
Në atë kohë, vëmendja më e madhe e shkencëtarëve u tërhoq nga metodat optike të studimit të substancave.
Në vitin 1811, Arago zbuloi fenomenin e aktivitetit optik në studimin e birefringencës në kristalet e kuarcit. Pastaj, në 1817, Biot zbuloi se përbërjet organike të lëngëta kanë veti optike: ato janë në gjendje të rrotullojnë rrafshin e polarizimit. Aftësia e substancave organike të lëngëta për të rrotulluar rrafshin e polarizimit ka treguar se nuk ka një lidhje të nevojshme midis strukturës kristalore dhe aktivitetit optik. Ky i fundit, sipas Butlerov, "fole në natyrën e grimcave". Këto studime zbuluan një fakt me rëndësi themelore, domethënë: aktiviteti optik është një pronë jo vetëm e një kristali, por edhe e një molekule.
Lidhur me këto vepra nga Biot, ekziston gjykimi interesant i mëposhtëm i Berzelius: “Pa dyshim, studimet e këtij lloji, të cilat janë ende në fillimet e tyre, mund të bëhen të frytshme nëse do të kryheshin plotësisht. Nëse një punë e tillë kryhet nga dikush që është i armatosur njëkohësisht me shkencën optike dhe njohuritë kimike, atëherë mund të shpresojmë të marrim shpjegime që do të depërtojnë në zonat e fshehura të teorisë së përbërjes së trupave organikë dhe inorganikë ".
Studimi i varësisë së aftësisë thyes të substancave nga përbërja e tyre filloi të zhvillohej veçanërisht me sukses pasi M. Berthelot në 1856 prezantoi konceptin e thyerjes molekulare, që është (produkti i thyerjes specifike sipas peshës molekulare. Sipas Berthelot, thyerja molekulare , e cila për një numër të madh të komponimeve dha devijime që nuk i kalojnë ± 0.1%.
Që nga viti 1879, një student i Landolt, J. Brühl, filloi një studim sistematik të thyerjeve atomike dhe grupore. Ai formuloi qartë detyrat e kërkimit fizik në kiminë organike. Ai besonte se metodat kimike ishin të pamjaftueshme për të vendosur strukturën e substancave dhe se ishte e nevojshme të përfshihej një studim krahasues i vetive fizike të substancave.
Bruhl shkroi në fund të viteve 70: “... përbërja e substancave mund të studiohet deri në raportin e atomeve individuale me njëri -tjetrin; prandaj, ka ardhur koha për të përdorur instrumentin e ofruar nga fizika për aplikim praktik në kimi ... Bazuar në këtë bindje, unë hartova një plan për një studim krahasues në një shkallë të madhe të vetive fizike të substancave organike. Me këshillën e profesorit Landolt në Lachen, unë (vendosa të marr së pari si subjekt kërkimi marrëdhënien midis fuqisë refraktive dhe natyrës kimike të substancave ".
"Unë jam i bindur," shkroi ai, se koha nuk është larg kur këto metoda fizike të kërkimit do të bëhen të barabarta me metodat analitike dhe sintetike. "
I. I. Kanonnikov në 1883-1885 zbatoi metodën refraktometrike për të studiuar strukturën e substancave inorganike. Ai besonte se kjo metodë është "me rëndësi të madhe në studimin e strukturës, pasi bën të mundur nxjerrjen e përfundimeve në lidhje me këtë strukturë pa shkatërruar grimcat e përbërjes".
Hulumtimet moderne mbi refraktometrinë e kanë konfirmuar këtë pikëpamje. Aktualisht, matjet e vetive optike bëjnë të mundur zgjidhjen e një sërë problemesh, nga studimi i lidhjeve të hidrogjenit deri në përcaktimin e formulave strukturore të silikateve.
Që nga vitet '90 të shekullit XIX. A. Ganca filloi të përdorë në një shkallë të madhe metodat fizike të kërkimit (spektrat e absorbimit, matjet e përçueshmërisë elektrike, etj.) Për të vendosur strukturën e përbërjeve organike.
Ganch dhe shkolla e tij i kushtuan një rëndësi të madhe studimit të spektrave të absorbimit. Ganch ishte në gjendje të tregonte se ekziston një ndryshim i madh midis spektrit të absorbimit të një acidi në formën e tij të pastër dhe të njëjtit acid në tretësirë. Kjo kishte një rëndësi të madhe për studimin e jo vetëm substancave të pastra, por kryesisht natyrës së zgjidhjeve.
Që nga viti 1897, LA Chugaev ka kryer një seri studimesh mbi vetitë optike të përbërjeve kryesisht organike. Ai përmirësoi metodën optike për analizimin e përzierjeve të përbërjeve organike që rrotullojnë rrafshin e polarizimit të dritës. Chugaev krijoi një rast interesant të anomalisë në dioksimet e ndërtuara ndryshe. Doli se unaza trimetilen ka një indeks të caktuar thyerjeje, i cili nuk ishte dakord me të dhënat e Bruhl. Këto studime bënë të mundur studimin e strukturës kimike të kolesterolit.
Në kombinim me teorinë e strukturës kimike, metodat fizike janë bërë një mjet i fuqishëm për të studiuar vetitë fiziko -kimike të substancave më komplekse.
Teknika të tilla si krioskopia dhe ebulioskopia i kanë ofruar shërbime të paçmueshme kimisë organike. Kimisti organik gjithashtu filloi të përdorë gjerësisht matjet e përçueshmërisë elektrike, përthyerjes, konstantet termokimike, spektrat e absorbimit, aftësinë rrotulluese, vetitë magnetike për të studiuar vetitë dhe strukturën e komponimeve të ndryshme organike.
Në vitin 1909, në artikullin e tij "Problemet bashkëkohore të kimisë organike", L. A. Chugaev shkroi se një kimist organik në kërkimin e tij duhet të miratojë metoda kërkimore fiziko -kimike dhe mbulim teorik të proceseve kimike. Nga ana tjetër, sipas Chugaev, "kimia e përbërjeve të karbonit, për shkak të larmisë së pashtershme si të formave të materies ashtu edhe të llojeve të transformimeve të saj, është materiali më i pasur për kërkime".
Në literaturën historike dhe kimike nganjëherë tregohet se kimia organike gjoja ngadalësoi zhvillimin e kimisë fizike për shumë vite (1840-1880), që devijoi përpjekjet shkencore. Askush nuk mund të pajtohet plotësisht me këtë këndvështrim. Për më tepër, periudha "organike" në zhvillimin e kimisë ishte një fazë shumë e nevojshme dhe e rëndësishme jo vetëm në zhvillimin e kimisë në përgjithësi, por edhe në kiminë fizike, sepse ishin kimistët organikë ata që siguruan materiale të reja të pasura për studime të ndryshme fiziko -kimike. Komponimet organike kanë luajtur një rol të rëndësishëm në historinë e zbulimit të shumë ligjeve themelore fizike dhe kimike dhe përgjithësimeve teorikisht të rëndësishme.
Puna e kimistëve organikë në studimin e strukturës së klasave të ndryshme të përbërjeve organike i hapi rrugën një studimi të thellë të mekanizmit të reagimit, i cili më vonë pati një rëndësi të madhe për zhvillimin e kinetikës kimike.
Që nga koha e Lavoisier, kimistët kanë qenë në gjendje të parashikojnë se në cilin drejtim do të shkojnë reaksione të shpejta jonike të molekulave relativisht të vogla, dhe mund t'i modifikojnë këto reaksione në mënyrë që t'i përdorin ato në praktikë. Studimi i molekulave komplekse ishte shumë më i vështirë. Reagimet e ngadalta të komponimeve organike ishin gjithashtu shumë më të vështira për tu analizuar. Shpesh, reagimet mund të marrin disa rrugë, dhe aftësia e kimistit si eksperimentues dhe intuitë, në vend që të kuptojë thellë procesin, lejoi që kimisti të drejtonte reagimin përgjatë rrugës së dëshiruar.
Me ardhjen e modelit elektronik të atomit, kimistët organikë ishin në gjendje të hidhnin një vështrim të ri në fushën e tyre të kërkimit. Në fund të viteve 20 të shekullit XX. Kimisti anglez Christopher Ingold (1893-1970) dhe një numër kimistësh të tjerë u përpoqën t'i qasen reaksioneve organike nga pikëpamja e teorisë së strukturës atomike, duke shpjeguar ndërveprimin e molekulave me kalimin e elektroneve. Në kiminë organike, metodat e kimisë fizike filluan të përdoren në mënyrë intensive. Discipshtë bërë një disiplinë e rëndësishme kimi organike fizike .
Sidoqoftë, përpjekjet për të interpretuar reagimet organike vetëm si rezultat i lëvizjes së elektroneve nuk kanë çuar në shumë sukses.
Gjatë tremujorit të parë të shekullit të 20 -të, që nga zbulimi i elektronit, u konsiderua e vërtetuar se elektroni është një top shumë i vogël i fortë. Sidoqoftë, në 1923, fizikani francez Louis Victor de Broglie (lindur në 1892) paraqiti një justifikim teorik për faktin se elektronet (si dhe të gjitha grimcat e tjera) kanë veti valore. Nga fundi i viteve 20 të shekullit XX. kjo hipotezë është konfirmuar në mënyrë eksperimentale.
Pauling (i cili ishte i pari që sugjeroi që molekulat e proteinave dhe acideve nukleike të kenë formën e një spirale, shih Kapitullin 10) në fillim të viteve 30 zhvilloi metoda që bënë të mundur marrjen parasysh të natyrës valore të elektroneve kur merren parasysh reaksionet organike Me
Ai sugjeroi që shoqërizimi i një çifti elektronesh (sipas Lewis dhe Langmuir) mund të interpretohet si bashkëveprim i valëve ose mbivendosje e reve elektronike. Lidhja kimike, e përshkruar në teorinë strukturore të Kekulé si një vijë, në konceptet e reja korrespondon me rajonin e mbivendosjes maksimale të reve elektronike. Doli se mbivendosja e reve elektronike ndonjëherë ndodh jo vetëm në një drejtim të vetëm, të përshkruar nga lidhja e valencës në formulën strukturore. Me fjalë të tjera, struktura e vërtetë e një molekule nuk mund të përfaqësohet as përafërsisht nga ndonjë formulë e veçantë strukturore. Sidoqoftë, mund të konsiderohet si një ndërmjetës midis disa strukturave hipotetike, si një "hibrid rezonant" i këtyre strukturave. Isshtë e rëndësishme të theksohet se energjia e një molekule të tillë të vërtetë është më e ulët se sa pritej bazuar në ndonjë strukturë të vetme "klasike" tingëlluese. Molekulat e tilla thuhet se "stabilizohen nga rezonanca", megjithëse rezonanca në këtë rast, natyrisht, nuk është një fenomen i vërtetë fizik, por një koncept teorik i përshtatshëm për të shpjeguar qëndrueshmërinë dhe vetitë e disa molekulave.
Teoria e rezonancës është vërtetuar se është veçanërisht e dobishme për të kuptuar strukturën e benzenit, i cili ka ngatërruar kimistët që nga ditët e Kekulé (shih Kapitullin 7). Formula e benzenit zakonisht përshkruhej si një gjashtëkëndësh me lidhje të vetme dhe të dyfishta të alternuara. Sidoqoftë, benzeni është pothuajse plotësisht i privuar nga vetitë karakteristike të komponimeve me lidhje të dyfishta.
Por për benzenin, mund të shkruani një formulë të dytë, krejtësisht ekuivalente Kekulé, në të cilën lidhjet e thjeshta dhe të dyfishta shkëmbehen në krahasim me formulën e parë. Molekula e vërtetë e benzenit përshkruhet si një hibrid rezonant i dy strukturave Kekulé; elektronet përgjegjëse për formimin e lidhjeve të dyfishta delokalizohen, "lyhen" rreth unazës, kështu që të gjitha lidhjet midis atomeve të karbonit në benzen janë ekuivalente dhe janë të ndërmjetme midis lidhjeve klasike të vetme dhe të dyfishta. Kjo është pikërisht arsyeja për rritjen e qëndrueshmërisë dhe veçorive të sjelljes kimike të benzenit.
Përveç strukturës së benzenit, idetë për vetitë e valëve të elektroneve ndihmuan në shpjegimin e çështjeve të tjera. Meqenëse katër elektronet e vendosura në guaskën e jashtme të një atomi të karbonit nuk janë energjikisht plotësisht ekuivalentë, mund të supozohet se lidhjet e formuara midis karbonit dhe atomeve fqinjë ndryshojnë disi në varësi të asaj se cilat prej elektroneve janë të përfshirë në formimin e njërit ose tjetrit komunikimi.
Sidoqoftë, doli që katër elektrone, si valët, ndërveprojnë me njëri -tjetrin dhe formojnë katër lidhje "të mesme", të cilat janë plotësisht ekuivalente dhe drejtohen në kulmet e tetraedrit, si në atomin katërkëndësh të Van't Hoff - Le Bel Me
Në të njëjtën kohë, rezonanca ndihmoi në shpjegimin e strukturës së një grupi të përbërjeve të pazakonta që kimistët u ndeshën për herë të parë në fillim të shekullit të 20 -të. Në vitin 1900, kimisti amerikan Moses Gomberg (1866-1947) u përpoq të merrte heksafeniletan, një përbërje në të cilën dy atome karboni janë të lidhura me gjashtë unaza benzeni (tre për secilin atom karboni).
Në vend të këtij kompleksi, Gomberg mori një zgjidhje me ngjyrë të disa përbërjeve shumë reaktive. Për një numër arsyesh, Gomberg besonte se ai kishte marrë trifenilmetil- "gjysmë-molekulë", e përbërë nga një atom karboni dhe tre unaza benzeni, në të cilat lidhja e katërt e atomit të karbonit është e pangopur.
Ky kompleks i ngjante një prej atyre radikalëve të futur në shekullin XIX. për të shpjeguar strukturën e përbërjeve organike (shih Kapitullin 6). Sidoqoftë, ndryshe nga radikalët e teorisë së vjetër, molekula e zbuluar nga Gomberg ekzistonte në një formë të izoluar, dhe jo si një fragment i një përbërjeje tjetër, kështu që u quajt radikal i lirë .
Me zhvillimin e koncepteve elektronike të lidhjes kimike, u bë e qartë se në radikalet e lira, për shembull, në trifenilmetil, një lidhje e pangopur (në aspektin e teorisë Kekulé) në kuadrin e koncepteve të reja korrespondon me një elektron të paçiftuar. Në mënyrë tipike, molekula të tilla me një elektron të palidhur janë jashtëzakonisht reaktive dhe shpejt shndërrohen në substanca të tjera.
Sidoqoftë, nëse molekula është planare dhe simetrike (si një molekulë trifenilmetil), atëherë elektroni i çiftuar mund të "njolloset" mbi të gjithë molekulën, gjë që do të çojë në stabilizimin e radikalit.
Kur studimit të reaksioneve organike iu afrua nga pikëpamja e teorisë së strukturës elektronike, u bë e qartë se reagimet shpesh përfshijnë fazën e formimit të radikalëve të lirë. Radikalet e tilla të lira, si rregull, të pa stabilizuara nga rezonanca, ekzistojnë vetëm për një kohë të shkurtër dhe gjithmonë formohen me vështirësi. Për shkak të kompleksitetit të formimit të radikalëve të lirë të ndërmjetëm, shumica e reaksioneve organike vazhdojnë kaq ngadalë.
Në çerekun e dytë të shekullit XX. kimistët organikë filluan të depërtojnë më thellë në thelbin e reaksioneve organike, dhe pasi studiuan mekanizmin e reaksioneve, duke kuptuar vetë thelbin e procesit, ata ishin në gjendje të sintetizonin molekula të tilla, kompleksiteti i të cilave mahniti kimistët e brezave të mëparshëm.
Sidoqoftë, konceptet e teorisë së rezonancës janë të zbatueshme jo vetëm në kiminë organike. Bazuar në konceptet e vjetra, është e pamundur, në veçanti, të shpjegohet qartë struktura e molekulave të borohidrideve. Atomi i borit ka shumë pak elektrone valence për të formuar numrin e kërkuar të lidhjeve. Nëse supozojmë se elektronet janë "njollosur" në mënyrë të përshtatshme, atëherë mund të ofrojmë një strukturë të pranueshme të molekulave.
Edhe pse që nga zbulimi i gazeve inerte besohej se ato nuk hyjnë në ndonjë reagim, në vitin 1932 Pauling sugjeroi që atomet e këtyre gazeve duhet të formojnë lidhje.
Fillimisht, sugjerimi i Pauling kaloi pa u vënë re, por në vitin 1962, si rezultat i reagimit të një ksenoni të gazit inert me fluorin, ksenon fluori... Menjëherë pas tij, u morën një numër komponimesh të tjera të ksenonit me fluorin dhe oksigjenin, si dhe komponimet e radonit dhe kriptonit.
Gjysem jete
Studimi i strukturës së atomit çoi në një kuptim të ri të problemit, por në të njëjtën kohë një numër pyetjesh të reja u ngritën para shkencëtarëve.
Në vitin 1900 Crookes (shih Kapitullin 12) zbuloi se përbërjet e sapo përgatitura të uraniumit të pastër kanë vetëm shumë pak radioaktivitet dhe se me kalimin e kohës radioaktiviteti i këtyre komponimeve rritet. Deri në vitin 1902, Rutherford dhe bashkëpunëtori i tij, kimisti anglez Frederick Soddy (1877-1956), sugjeruan që me emetimin e një grimce alfa, natyra e atomit të uraniumit ndryshon dhe se atomi i ri i formuar lëshon rrezatim më të fortë se vetë uraniumi ( kështu, vëzhgimi u mor parasysh këtu Crookes). Ky atom i dytë, nga ana tjetër, gjithashtu ndahet për të formuar një atom tjetër. Në të vërtetë, atomi i uraniumit krijon një seri të tërë elementësh radioaktivë - rresht radioaktiv, përfshirë radiumin dhe poloniumin (shih pjesën "Numri i sekuencës") dhe përfundon me plumb, i cili nuk është radioaktiv. Forshtë për këtë arsye që radiumi, poloniumi dhe elementë të tjerë të rrallë radioaktivë mund të gjenden në mineralet e uraniumit. Rreshti i dytë radioaktiv gjithashtu fillon me uranium, ndërsa rreshti i tretë radioaktiv fillon me torium.
Shtë e përshtatshme të pyesim pse elementët radioaktivë, të prishur vazhdimisht, ende vazhdojnë të ekzistojnë? Në 1904, Rutherford e zgjidhi këtë çështje. Duke studiuar shkallën e prishjes radioaktive, ai tregoi se pas një periudhe të caktuar, e cila është e ndryshme për elementë të ndryshëm, gjysma e një sasie të caktuar të një ose një elementi radioaktiv prishet. Kjo periudhë, karakteristike për secilin lloj individual të substancës radioaktive, e quajti Rutherford gjysem jete(fig. 22).
Oriz. 22. Gjysma e jetës së radonit përcaktohet duke matur në intervale të rregullta sasinë e substancës së mbetur. Varësia që rezulton është një kurbë eksponenciale "e kalbur" y = e-ah .
Gjysma e jetës së radiumit është, për shembull, pak më pak se 1600 vjet. Gjatë epokave gjeologjike, çdo sasi radiumi në koren e tokës me siguri do të ishte zhdukur shumë kohë më parë nëse nuk do të rimbushej vazhdimisht si rezultat i prishjes së uraniumit. E njëjta gjë mund të thuhet për produktet e tjera të prishjes së uraniumit, përfshirë ato që gjysma e jetës së të cilëve matet në fraksione të sekondës.
Gjysma e jetës së uraniumit në vetvete është 4,500,000,000 vjet. Kjo është një periudhë e madhe kohore, dhe në të gjithë historinë e Tokës, vetëm një pjesë e rezervave origjinale të uraniumit mund të prishen. Thorium kalbet edhe më ngadalë: gjysma e jetës së tij është 14,000,000,000 vjet.
Periudha të tilla të mëdha kohore mund të përcaktohen vetëm duke numëruar numrin e grimcave alfa të emetuara nga një masë e caktuar uraniumi (ose toriumi). Rutherford numëroi grimcat alfa, duke regjistruar ndezje të vogla që ndodhin kur grimcat alfa përplasen me një ekran të sulfurit të zinkut (d.m.th., duke përdorur të ashtuquajturin banak i spintilimit).
Shfaqja e secilës grimcë alfa të re nënkuptonte që një atom tjetër uraniumi ishte prishur, kështu që Rutherford mund të përcaktonte se sa atome po prisheshin në sekondë. Bazuar në masën e uraniumit që ai përdori, Rutherford përcaktoi numrin e përgjithshëm të atomeve të uraniumit. Me të dhëna të tilla, ishte tashmë e lehtë për të llogaritur kohën e kërkuar për prishjen e gjysmës së sasisë së disponueshme të uraniumit. Siç doli, ne po flasim për miliarda vjet.
Prishja e uraniumit është një proces kaq konstant dhe karakteristik sa mund të përdoret për të përcaktuar moshën e Tokës. Në vitin 1907, kimisti amerikan Bertram Borden Boltwood (1870-1927) sugjeroi që përcaktime të tilla mund të udhëhiqeshin nga përmbajtja e plumbit në mineralet e uraniumit. Nëse supozojmë se i gjithë plumbi në minerale erdhi nga prishja e uraniumit, atëherë është e lehtë të llogaritet sa kohë u desh. Duke përdorur këtë metodë, ishte e mundur të përcaktohej se mosha e kores së ngurtë të tokës vlerësohet të paktën katër miliardë vjet.
Ndërkohë, Soddy vazhdoi të përshkruajë ndryshimet në atom të shkaktuara nga tërheqja e grimcave nënatomike. Nëse një atom humbet një grimcë alfa (ngarkesa +2), ngarkesa totale e bërthamës së saj zvogëlohet me dy dhe elementi lëviz dy qeliza në të majtë në tabelën periodike.
Nëse një atom humbet një grimcë beta (një elektron me ngarkesë -1), atëherë bërthama fiton një ngarkesë pozitive shtesë dhe elementi lëviz një qelizë në të djathtë në tabelën periodike. Nëse një atom lëshon rreze gama (pa ngarkesë), atëherë furnizimi me energji ndryshon, por përbërja e grimcave nuk ndikohet, kështu që mbetet i njëjti element.
Të udhëhequr nga këto rregulla, kimistët ishin në gjendje të studionin tërësisht shumë nga seritë radioaktive.
Izotopet
Me zbulimin e elementeve radioaktive, shkencëtarët u përballën me një problem serioz: çfarë të bëjmë me produktet e ndryshme të prishjes së uraniumit dhe toriumit? Ato u hapën në dhjetëra, dhe në tabelën periodike kishte më së shumti vetëm nëntë vende (nga poloniumi me numrin serik 84 deri te uraniumi me numrin serik 92) në të cilat mund të vendoseshin.
Pra, atomi i uraniumit (numri atomik 92) lëshon një grimcë alfa. Numri rendor i elementit të ri, sipas rregullit të Soddy -t, është 90. Kjo do të thotë që atomi i uraniumit duhet të formojë atomin e toriumit. Sidoqoftë, gjysma e jetës së toriumit të zakonshëm matet në 14 miliardë vjet, ndërsa gjysma e jetës së toriumit të marrë nga uraniumi është vetëm 24 ditë.
Dallimet vërehen edhe kur merren elemente jo radioaktive. Për shembull, Richards (një ekspert për masat atomike, shih Kapitullin 5) në 1913 ishte në gjendje të tregonte se masa atomike e plumbit e marrë si rezultat i prishjes së uraniumit është disi e ndryshme nga masa atomike e plumbit të zakonshëm.
Soddy kishte guximin të sugjeronte se më shumë se një lloj atomi mund të korrespondonin me të njëjtin vend në tabelën periodike. Vendi numër 90 mund të zërë lloje të ndryshme të toriumit, vendi numër 82 nga lloje të ndryshme të plumbit, etj. Soddy i quajti këto lloje të atomeve, të cilët zënë të njëjtin vend në tabelë, izotopet(nga greqishtja tópos - vend).
Izotopet që zënë të njëjtin vend në tabelë duhet të kenë të njëjtin numër serik dhe, prandaj, të njëjtin numër protonesh në bërthamë dhe të njëjtin numër elektronesh në predha. Izotopet e një elementi duhet të kenë të njëjtat veti kimike, pasi këto veti varen nga numri dhe renditja e elektroneve në atome.
Por si, atëherë, mund të shpjegohet ndryshimi në vetitë radioaktive dhe në masat atomike?
Në shekullin e kaluar, Prout parashtroi hipotezën e tij të famshme (shih Kapitullin 5), sipas së cilës të gjithë atomet janë të përbërë nga hidrogjeni, kështu që të gjithë elementët duhet të kenë masa atomike të plota. Sidoqoftë, siç doli, shumica e masave atomike janë të pandërprera, dhe ky fakt dukej se hodhi poshtë hipotezën.
Por, sipas ideve të reja në lidhje me strukturën e atomit, atomi ka një bërthamë të përbërë nga protone (dhe neutrone). Protonet dhe neutronet janë afërsisht të barabartë në masë, dhe për këtë arsye masat e të gjithë atomeve duhet të jenë shumëfish të masës së një atomi hidrogjeni (i përbërë nga një proton). Hipoteza e Prout u ringjall, por përsëri lindën dyshimet se cilat duhet të jenë masat atomike.
Në 1912, J.J. Thomson (i cili, siç thamë më lart, zbuloi elektronin) ekspozoi trarëve të joneve neoni të ngarkuar pozitivisht në një fushë magnetike. Fusha magnetike bëri që jonet të devijojnë, dhe si rezultat, ata godasin pllakën fotografike. Nëse të gjithë jonet do të ishin të së njëjtës masë, atëherë të gjithë do të devijoheshin nga fusha magnetike në të njëjtin kënd, dhe një njollë e zbardhur do të shfaqej në film. Sidoqoftë, si rezultat i këtij eksperimenti, Thomson mori dy njolla, njëra prej të cilave ishte rreth dhjetë herë më e errët se tjetra. Punonjësi i Thomson, Francis William Aston (1877-1945), i cili më vonë përmirësoi këtë pajisje, konfirmoi korrektësinë e të dhënave të marra. Rezultate të ngjashme u morën për elementë të tjerë. Kjo pajisje, e cila bëri të mundur ndarjen e joneve të ngjashëm kimikisht në trarët e joneve me masa të ndryshme, u quajt spektrografi masiv .
Madhësia e devijimit të joneve të ngarkuar në mënyrë të barabartë në një fushë magnetike varet nga masa e këtyre joneve; jonet me një masë më të madhe devijohen më pak, dhe anasjelltas. Kështu, eksperimentet e Thomson dhe Aston treguan se ekzistojnë dy lloje të atomeve neoni. Një lloj atomi numri i masësështë e barabartë me 20, tjetra-22. Si rezultat i përcaktimit të errësirës relative të njollave, u zbulua se përmbajtja e neonit-20 është 10 herë më e lartë se neoni-22. Më vonë, një sasi e vogël neoni-21 u zbulua gjithashtu. Nëse, kur llogaritni masën atomike të neonit, vazhdoni nga këto të dhëna, atëherë rezulton se është e barabartë me rreth 20.2.
Me fjalë të tjera, masa e atomeve individuale është një shumëfish i plotë i masës së një atomi hidrogjeni, por masa atomike e një elementi individual është mesatarja e masave atomike të atomeve përbërës të tij, dhe për këtë arsye mund të mos jetë një numër i plotë.
Në disa raste, masa mesatare atomike e një elementi me një numër të madh izotopesh mund të jetë më e madhe se masa mesatare atomike e një elementi me një numër rendor më të lartë. Për shembull, Tellurium, numri serik i të cilit është 52, ka shtatë izotope. Nga këto, dy izotopet më të rënda, Tellurium-126 dhe Tellurium-128, janë më të shumtët. Rrjedhimisht, masa atomike e Tellurium afrohet 127.6. Numri serik i jodit është 53, domethënë një më shumë se ai i Tellurium. Por jodi ka vetëm një izotop - jod -127, dhe, rrjedhimisht, masa e tij atomike është 127. domethënë thelbi fizik i ligjit periodik.
Le të japim një shembull tjetër të ngjashëm. Kaliumi (numri serik 19) ka tre izotope-kalium-39, kalium-40 dhe kalium-41, por izotopi më i bollshëm është kalium-39. Si rezultat, masa atomike e kaliumit është 39.1. Argoni ka një numër serik prej 18, dhe gjithashtu ka tre izotope-argon-36, argon-38 dhe argon-40, por më i zakonshmi është izotopi më i rëndë-argon-40. Si rezultat, masa atomike e argonit është rreth 40.
Duke përdorur një spektrograf masiv, ju mund të matni masat e izotopeve individuale dhe të përcaktoni përmbajtjen e këtyre izotopeve. Pasi të keni marrë të dhëna të tilla, është e mundur të llogarisni masën mesatare atomike të një elementi. Saktësia e kësaj metode për përcaktimin e masës atomike është shumë më e lartë se ajo e metodave kimike.
Izotopet e ndryshëm të një elementi të caktuar kanë të njëjtat ngarkesa bërthamore, por numra të ndryshëm në masë. Rrjedhimisht, bërthamat e izotopeve të ndryshëm përmbajnë të njëjtin numër protonesh, por një numër të ndryshëm neutronesh. Neoni-20, neoni-21 dhe neoni-22 secili kanë 10 protone në bërthamë, numri rendor i të gjithë këtyre izotopeve është 10, dhe elektronet shpërndahen mbi predhat si më poshtë: 2, 8. Megjithatë, bërthama e neonit -20 përmban 10 protone plus 10 neutrone.bërthama e neonit-21 ka 10 protone plus 11 neutrone, dhe bërthama e neonit-22 ka 10 protone plus 12 neutrone.
Shumica (por jo të gjithë) elementët përmbajnë izotope. Në 1935, fizikani amerikan Arthur Jeffrey Dempster (1886-1950) vendosi, për shembull, se uraniumi natyror, masa atomike e të cilit (238.07) është shumë afër një numri të plotë, është një përzierje e dy izotopeve. Një nga izotopet gjendet në sasinë mbizotëruese (99.3%). Bërthamat e këtij izotopi përbëhen nga 92 protone dhe 146 neutrone, domethënë, numri i përgjithshëm i masës është 238. Ky është uranium-238. Izotopi tjetër, uraniumi-235, është vetëm 0.7%; në bërthamën e këtij izotopi ka tre neutrone më pak.
Meqenëse vetitë radioaktive varen nga struktura e bërthamës atomike, dhe jo nga mjedisi elektronik, izotopet e një elementi mund të kenë veti të ngjashme kimike dhe radioaktivitet krejtësisht të ndryshëm. Ndërsa gjysma e jetës së uraniumit-238 është 4,500,000,000 vjet, gjysma e jetës së uraniumit-235 është vetëm 700,000,000 vjet. Të dy këta elementë janë elementët e parë të dy rreshtave radioaktivë të veçantë.
Kishte parakushte teorike për të sugjeruar që hidrogjeni - elementi më i thjeshtë - gjithashtu mund të ketë një palë izotope. Bërthamat e atomeve të zakonshëm të hidrogjenit përbëhen nga një proton, domethënë hidrogjeni i zakonshëm është hidrogjen-1. Në 1931, kimisti amerikan Harold Clayton Urey (1893-1980) sugjeroi që izotopi më i rëndë i hidrogjenit, nëse ekziston, duhet të vlojë në një temperaturë më të lartë, të avullojë më ngadalë, duke u grumbulluar në mbetje.
Ndërsa përpiqej të zbulonte këtë izotop më të rëndë të hidrogjenit, Yuuri ngadalë filloi të avullojë katër litra hidrogjen të lëngshëm. Dhe në centimetrin e fundit kub të hidrogjenit, Yuri gjeti shenja të pagabueshme të pranisë së hidrogjenit-2, një izotop bërthama e të cilit përmban një proton dhe një neutron. Hydrogen-2 u emërua deuterium .
Oksigjeni nuk ishte përjashtim. Në 1929, kimisti amerikan Williams Francis Giok (i lindur në 1895) ishte në gjendje të tregonte se oksigjeni ka tre izotope. Oksigjeni-16 është më i shumti, duke përbërë rreth 99.8% të të gjithë atomeve. Në bërthamën e oksigjenit-16 ka 8 protone dhe 8 neutrone. Në bërthamën e oksigjenit-18, izotopi i dytë më i bollshëm, ka 8 protone dhe 10 neutrone, në bërthamën e oksigjenit-17, i cili gjendet vetëm në sasi të vogla, 8 protone dhe 9 neutrone.
Kjo krijoi një problem. Që nga koha e Berzelius, masat atomike të elementeve janë llogaritur nën supozimin se masa atomike e oksigjenit është 16.0000 (shih Kapitullin 5). Por masa atomike e oksigjenit mund të jetë vetëm masa mesatare atomike e llogaritur e tre izotopeve, dhe raporti i izotopeve të oksigjenit mund të ndryshojë shumë nga mostra në mostër.
Fizikantët filluan të përcaktojnë masat atomike bazuar në masën atomike të oksigjenit-16, të barabartë me 16.0000. Si rezultat, u morën një numër vlerash ( masa atomike fizike), e cila me një sasi shumë të vogël konstante tejkaloi vlerat që u përdorën dhe të cilat gradualisht u rafinuan gjatë gjithë shekullit XIX. ( peshat atomike kimike).
Në vitin 1961, organizatat ndërkombëtare të kimistëve dhe fizikanëve ranë dakord të pranonin masën atomike të karbonit-12 si standard, duke e konsideruar atë saktësisht 12.0000. Masat atomike të elementeve, të llogaritura duke përdorur standardin e ri, përputhen pothuajse saktësisht me peshat e vjetra atomike kimike, dhe, përveç kësaj, standardi i ri shoqërohet me vetëm një izotop, dhe jo një galaktikë izotope.
Kapitulli 14 Reagimet Bërthamore
Transformime të reja
Pasi u bë e qartë se atomi përbëhet nga grimca më të vogla që riorganizohen në mënyrë arbitrare gjatë transformimeve radioaktive, hapi tjetër dukej pothuajse i paracaktuar.
Njeriu ka mësuar të rindërtojë molekulat sipas gjykimit të tij duke përdorur reaksione të zakonshme kimike. Pse të mos përpiqeni të rirregulloni bërthamat e atomeve duke përdorur reagimet bërthamore? Protonet dhe neutronet janë të lidhur shumë më fort se atomet në një molekulë, dhe metodat e zakonshme të përdorura për të kryer reaksione kimike të zakonshme natyrisht do të dështojnë. Por mund të përpiqeni të zhvilloni metoda të reja.
Hapi i parë në këtë drejtim u ndërmor nga Rutherford; ai bombardoi gazra të ndryshëm me grimca alfa dhe zbuloi se sa herë që një grimcë alfa godet bërthamën e një atomi, ajo thyen strukturën e saj (Fig. 23).
Në 1919, Rutherford ishte tashmë në gjendje të tregonte se grimcat alfa mund të nxjerrin protonet nga bërthamat e azotit dhe të kombinohen me atë që mbetet nga bërthama. Izotopi më i zakonshëm i azotit është nitrogjeni-14, i cili përmban 7 protone dhe 7 neutrone në bërthamën e tij. Nëse rrëzoni një proton nga kjo bërthamë dhe shtoni 2 protone dhe 2 neutrone të një grimce alfa, atëherë merrni një bërthamë me 8 protone dhe 9 neutrone, domethënë një bërthamë oksigjeni-17. Një grimcë alfa mund të mendohet si helium-4 dhe një proton si hidrogjen-1. Kështu, Rutherford ishte i pari që kreu me sukses një reagim artificial bërthamor:
Azot-14 + helium-4 → oksigjen-17 + hidrogjen-1
Duke transformuar një element në një tjetër, ai arriti shndërrimin. Pra, në shekullin XX. ëndrra më e dashur e alkimistëve është realizuar.
Gjatë pesë viteve të ardhshme, Rutherford kreu një seri reagimesh të tjera bërthamore duke përdorur grimca alfa. Sidoqoftë, aftësitë e tij ishin të kufizuara, pasi elementët radioaktivë jepnin grimca alfa vetëm me energji mesatare. Grimcat me energji shumë më të larta ishin të nevojshme.
Oriz. 23. Skema e eksperimentit të Rutherford. Grimcat alfa të emetuara devijohen kur kalojnë nëpër fletë ari; sasia e devijimit fiksohet kur grimcat përplasen me ekranin fluoreshent.
Fizikanët filluan krijimin e pajisjeve të dizajnuara për të përshpejtuar grimcat e ngarkuara në një fushë elektrike. Duke i bërë grimcat të lëvizin me nxitim, energjia e tyre mund të rritet. Fizikani anglez John Douglas Cockcroft (1897-1967), së bashku me fizikanin e tij irlandez Ernest Thomas Sinton Walton (lindur në 1903), ishin të parët që zhvilluan idenë e një përshpejtuesi që bëri të mundur prodhimin e grimcave me energji mjaftueshme për të kryer një reaksion bërthamor. Në 1929, një akselerator i tillë u ndërtua. Tre vjet më vonë, të njëjtët fizikanë bombarduan atomet e litiumit me protone të përshpejtuar dhe morën grimca alfa. Ky reagim bërthamor mund të shkruhet si më poshtë:
Hidrogjen-1 + litium-7 → helium-4 + helium-4
Në përshpejtuesin Cockcroft - Walton dhe një numër përshpejtuesish të tjerë të ngjashëm, grimcat lëvizën përgjatë një trajektoreje drejtvizore. Ishte e mundur të merreshin grimca të energjisë së lartë në një përshpejtues të tillë vetëm me një gjatësi të mjaftueshme të grimcave; prandaj, përshpejtuesit e këtij lloji ishin jashtëzakonisht të rëndë. Në vitin 1930, fizikani amerikan Ernest Orlando Lawrence (1901-1958) propozoi një përshpejtues në të cilin grimcat lëviznin në një spirale të dobët divergjente. Kjo relativisht e vogël ciklotron mund të prodhojë grimca jashtëzakonisht të larta të energjisë.
Ciklotroni i parë shumë i vogël i Lawrence është paraardhësi i instalimeve gjigante moderne me përmasa gjysmë kilometri, të cilat përdoren për të gjetur përgjigje për pyetjet më komplekse që lidhen me strukturën e materies.
Në vitin 1930, fizikani anglez Paul Adrien Morris Dirac (lindur në 1902) në mënyrë teorike vërtetoi supozimin se si protonet ashtu edhe elektronet duhet të kenë të tyren antigrimcat . Antielektron duhet të ketë masën e një elektroni, por duhet të jetë i ngarkuar pozitivisht, antiproton duhet të ketë masën e një protoni, por të jetë i ngarkuar negativisht.
Antielektroni u zbulua në vitin 1932 nga fizikani amerikan Carl David Anderson (lindur në vitin 1905) gjatë studimit të rrezeve kozmike. Kur rrezet kozmike përplasen me bërthamat e atomeve në atmosferë, formohen grimca që devijohen në një fushë magnetike në të njëjtin kënd si elektronet, por në drejtim të kundërt. Grimca të këtij lloji thirri Anderson pozitrone .
Antiprotoni nuk mund të zbulohej për një çerek shekulli tjetër. Meqenëse masa e antiprotonit është 1836 herë më e madhe se masa e antielektronit, formimi i antiprotonit kërkon 1836 herë më shumë energji, dhe për këtë arsye, deri në vitet 50 të shekullit XX. ky transformim nuk ishte i realizueshëm. Në 1955, fizikantët amerikanë Emilio Segre (lindur në 1905) dhe Owen Chamberlain (lindur në 1920) arritën të marrin dhe zbulojnë një antiproton duke përdorur përshpejtues të fuqishëm.
U zbulua se atome të tillë të veçantë mund të ekzistojnë në të cilët bërthamat e ngarkuara negativisht që përmbajnë antiprotone janë të rrethuara nga pozitrone me ngarkesë pozitive. Natyrisht, çfarë është antimaterie nuk mund të ekzistojë për një kohë të gjatë as në Tokë, ose, ndoshta, edhe brenda Galaktikës sonë, pasi kur materia bie në kontakt me antimaterien, ato asgjësohen (shkatërrohen), duke lëshuar një sasi të madhe energjie. E megjithatë, astronomët pyesin nëse Galaktikat e ndërtuara nga antimateria mund të ekzistojnë? Nëse kjo është e mundur, atëherë do të jetë shumë e vështirë të zbulohen Galaktika të tilla.
