Валерий Чолаков
Нобеловите награди (35) (Учени и открития (1901–1982))

Към текста

Метаданни

Данни

Включено в книгата
Година
(Пълни авторски права)
Форма
Документалистика
Жанр
Характеристика
  • Няма
Оценка
5,3 (× 3 гласа)

Информация

Сканиране
Диан Жон (2012 г.)
Разпознаване, корекция и форматиране
Ripcho (2013 г.)

Издание:

Валерий Чолакоа

Нобеловите награди. Учени и открития

Първо издание

Рецензенти: Азаря Поликаров, Юлиан Минков

Редактор: Цветан Старейшински

Художник: Марин Михайлов

Художествен редактор: Александър Хачатурян

Технически редактор: Борис Въжаров

Коректор: Айше Сеитова

Издателски № 7079. Дадена за набор на 4.I.1983 г. Подписана за печат на 19.IV.1983 г. Излязла м. май.

Печатни коли 20,50. Издателски коли 17,22. Условно-издателски коли 18,01. Формат 84×108/32. Тираж 10 110

Код 22/9531222411/1502–2–83.

Партиздат — София, бул. „В. И, Ленин“ №47

ДП „Д. Благоев“ — София, ул. „Н. Ракитин“ №2

© Валерий Чолаков, 1983, с/о Jusautor, Sofia

История

  1. — Добавяне

Молекулни структури

Към средата на 19 век в органичната химия бяха известни голям брой съединения с еднакъв състав, но с различни химични свойства. Имаше и молекули-изомери, които се различаваха по някои характеристики като поляризацията на светлината, преминаваща през разтвори, и други. Назряваше идеята, че освен химичен състав молекулите имат и пространствена структура. Самият термин структура бе въведен в химията от големия руски химик Александър Бутлеров. Той пръв даде обяснение за различните изомери на някои органични молекули като варианти на строежа, различаващи се като огледални отражения.

Трябваше да минат още десетина години, за да възникне науката стереохимия. Един от нейните основатели бе Хендрик Ван’т Хоф, Още съвсем млад, на 22-годишна възраст, той написа забележителната си книга „Химия в пространството“. Тогава холандският учен преподаваше в едно ветеринарно училище и някои язвително настроени негови колеги подигравателно писаха, че той може би е взел някой крилат пегас от конюшнята на факултета, за да даде простор на необузданата си фантазия.

Стереохимичните идеи бързо се утвърдиха в органичната химия и в 20 век доведоха до големи успехи, в разкриването на структурите на сложните природни вещества и биомолекули. По-бавно беше навлизането на тези схващания в неорганичната химия. Това развитие е свързано с името на Алфред Вернер. Често сравняват неговото дело с приноса на Ван’т Хоф. Освен че насочи мислите на голям брой химици към въпроса за структурите на неорганичните молекули, Вернер създаде т.нар. „координационна теория“, която разглежда строежа на комплексните съединения.

Тази група е обособена до известна степен условно, тъй като не може да се прокара рязка граница между комплексните съединения и обикновените. При комплексите около един централен атом се групират атоми, радикали и дори цели молекули, които са повече на брой, отколкото могат да приемат валенциите на атома. Вернер обясни това, като прие, че наред с основните валенции, наречени от него първични, съществуват и т.нар. допълнителни, или вторични валенции. Днес това може добре да се обясни от изследванията върху електронните конфигурации на централния атом.

Идеите на Алфред Вернер бяха разпространени постепенно върху цялата неорганична химия и проникнаха даже в органичната химия. Със своите изследвания върху пространствения строеж на молекулите той разви представите за химичната връзка и в крайна сметка стана Нобелов лауреат по химия за 1913 г.

В резултат от работите на Макс фон Лауе, Уилиам Хенри Браг, Уилиам Лорънс Браг и други учени, бе създадена мощна методика за изследване строежа на молекулите с помощта на рентгенови лъчи. В тази насока големи успехи постигна холандският физик и химик Петер Йозеф Дебай.

В 1916 г., съвместно с Паул Шерер, Дебай разработи метод за изследване на структурите на веществата с рентгенови лъчи. Този метод се различаваше от предишните по това, че се използваха вещества в състояние на прах, т.е. много ситни кристалчета. Това значително разшири възможностите на рентгеновата дифракция. В същата година Дебай, заедно с Арнолд Зомерфелд, приложи квантовите идеи за обясняването на ефекта на Зееман — промени в спектъра под действието на магнитно поле. Това го доведе до идеята за въвеждането на магнитното квантово число.

Успехите в изследването на магнетизма насочиха Дебай към изследването на магнитните диполни моменти на молекулите. Тези съединения от различни атоми имат несиметрични електронни обвивки и като цяло придобиват заряд, който ги уподобява на малки магнитчета. Например в молекулата на водата големият кислороден атом изтегля към себе си електроните и става леко отрицателен, докато при водорода се натрупва положителен заряд. Това именно води до възникването на магнитния диполен момент.

Наред с рентгеновата дифракция Петер Дебай въведе в изследването на химичните структури електронните снопове. Това стана, след като се установи, че частиците също имат вълнови свойства и тяхното движение може да се опише с представите на оптиката. Електронната дифракция днес е един от мощните инструменти в ръцете на химиците.

За големите си и разностранни приноси в изследването на молекулни структури чрез диполния момент и дифракцията на рентгеновите лъчи и електрони Петер Дебай стана Нобелов лауреат по химия за 1936 г.

Четиридесет години по-късно Нобеловата награда по химия отново бе дадена за изследване на химическите връзки и структури с подобни средства. 58-годишният Уилиам Нън Липском бе награден за работите си върху молекулните структури и реакции, направени до голяма степен с метода на рентгеновата дифракция.

Той приложи този метод при ниски температури и изследва простите кристали на кислорода, азота, флуора и ред други вещества, които се срещат в твърдо състояние само при силно охлаждане. Оттам Липском се насочи към изучаването на по-сложни молекули. Неговото внимание бе привлечено от хидридите на бора — съединения на този елемент с водорода, които са сред най-перспективните ракетни горива. Изследването на електронната им структура даде възможност детайлно да се обясняват техните свойства.

Постепенната еволюция на този учен го доведе накрая до биомолекулите и сложния проблем за ензимната катализа. Строежът на молекулите в живия организъм е неизмеримо по-сложен от другите вещества, изучавани от химията, и това е свързано най-напред с необходимостта от обезпечаване на структура, която да даде максимално добри условия за реакция. Изследванията върху строежа на такива биомолекули като хормоните, ензимите и нуклеиновите киселини донесе Нобелови награди на редица учени. Самият Липском стана избраник на Нобеловия комитет по химия в 1976 г.

В средата на миналия век Аугуст Кекуле разви представите за т.нар. конституция на молекулите. Това понятие разглежда количеството на различните атоми в дадено съединение, т.е. неговия състав. Скоро след това Ван’т Хоф и Жак льо Бел въведоха идеята за конфигурацията — пространствения строеж на молекулите, подреждането на атомите в пространството. 70 години по-късно в стереохимията бе направен нов принос от същата величина. В 1947 г. норвежкият химик Од Хасел създаде теорията за конформацията на органичните молекули.

Още през 30-те години, с помощта на рентгеновата и електронна дифракция, той предприе изследвания върху циклохексана. Това е пръстен от 6 въглеродни атома, които дотогава се изобразяваха от структурните формули в една равнина. Хасел показа, че това не е вярно и че молекулата се среща в два варианта — единият с формата на лодка, а другият — като столче. Това бяха двете конформации на молекулата на циклохексана. При стайна температура това съединение променя своята конформация милиони пъти в секунда. Преобладава вариантът „столче“, в който се срещат 99% от молекулите. Тези изследвания показаха, че молекулите са доста гъвкави тела. Ъглите на валенциите се запазват, но е възможна ротация на различните групи атоми. Разбира се, има известни ограничения, които Хасел също разгледа.

С приложение на идеите за конформацията в 1950 г. се зае английският химик Дерек Бартън. Тогава излезе неговата известна статия за строежа на стероидното ядро. Работата на Бартън показа голямото значение на теорията за конформацията и мнозина я сравняват по значение с книгата на Ван’т Хоф за стереохимията.

Големите приноси на Од Хасел и Дерек Бартън им донесоха Нобеловата награда по химия за 1969 г. По това време учените продължаваха да работят активно над своите идеи, които оказаха такова голямо влияние върху теоретичната и приложната химия.

Трудно е да се помисли, че в наше време е възможно да се открие принципно нов тип химична структура и връзка. Но точно това направиха през 1951 г. Ернст Ото Фишер от Висшето техническо училище в Мюнхен и Джофри Уилкинсън, английски учен, тъкмо постъпил на работа в Харвард. И двамата се занимаваха с т.нар. органометални съединения. Вниманието им по едно и също време бе привлечено от една синтезирана наскоро молекула, чийто строеж не можеше да се обясни.

Синтезираният в 1950 г. фероцен се състоеше от два петатомни въглеродни пръстена и един атом желязо. Всички опити да се обясни свързването между тях се оказваха твърде изкуствени и се посрещаха със съмнения. Фишер и Уилкинсън излязоха с идеята, че фероценът е „сандвич“ от двата пръстена с атома желязо по средата. Връзката между различните части на молекулата се осъществява от резонанс между металния атом и П-електронните облаци на десетте въглеродни атома, които са насочени перпендикулярно на равнината на пръстените.

С такъв тип химична връзка и структура учените още не бяха се срещали. През 50-те години Фишер, Уилкинсън и ред други изследователи от индустриалните лаборатории синтезираха и други представители на тази група — т.нар. „металоценови“ съединения. Определена бе и тяхната структура, като идеите на двамата учени бяха потвърдени с методите на спектроскопията и ядрения магнитен резонанс.

За своето забележително откритие Ернст Ото Фишер и Джофри Уилкинсън бяха удостоени с Нобеловата награда по химия за 1973 г. Те са от малцината щастливци, успели в младите си години да направят оригинално и принципно ново откритие.

За изследвания върху електронните структури и геометрията на молекулите Нобеловата награда по химия за 1971 г. бе дадена на канадския учен Герхард Херцберг. Неговият голям принос е в изучаването на оптическите спектри на молекулите и радикалите в широк диапазон от вълни — от твърдите ултравиолетови лъчи до инфрачервената област. В лабораторни условия той установи строежа на десетки молекули и много спомогна за развитието на теорията на молекулярните спектри. Нека припомним, че характерното излъчване на всяка молекула, което определя нейния спектър, идва от електроните. Това дава възможност за определяне на конфигурациите на електронните облаци и строежа на молекулите. Молекулните спектри са много сложни и успех в тази област бе постигнат едва през последните десетилетия, след прилагането на съвършени спектрографи за наблюдение и бързи компютри за обработка на данните.

Особено интересни са изследванията на Херцберг върху радикалите. В нормални условия тези молекулни фрагменти живеят много кратко и обикновено са междинен продукт, образуващ се в хода на химичните реакции. Има едно място обаче, където молекулните радикали са нормалното състояние на веществото. Това е Космосът. В огромните междузвездни облаци от газове и прах е невъзможно съществуването на обикновени молекули. Твърдите ултравиолетови лъчи, рентгеновите лъчи, гама-излъчването, потоците от заредени частици в космическите лъчи — всичко това бомбардира непрекъснато атомите и ги зарежда с енергия. Те се срещат по повърхността на междузвездния прах и се свързват в комплекси, които обаче също са възбудени и не могат да се превърнат в молекули, а остават радикали. Вече са известни над 50 такива съединения, като някои от тях представляват въглеродни вериги — гръбнак за органични молекули. Тези открития, в които има дял и Герхард Херцберг — дългогодишен професор по спектроскопия в Йеркската обсерватория при Чикагския университет, наведоха учените на мисълта, че органичното вещество е възникнало в Космоса още преди образуването на планетите.