Текст книги "Нобелевские премии. Ученые и открытия"

Автор книги: Валерий Чолаков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 29 страниц)

Химическая связь

В 1800 г. английский исследователь Уильям Николсон, сконструировав вместе с А. Карлейлем электрическую батарею, разложил воду с помощью электрического тока. Так впервые была продемонстрирована связь между химическими и электрическими взаимодействиями. Но только через столетие была создана удовлетворительная теория, описывающая природу химической связи.

Открытие того факта, что электрический ток может вызывать химические изменения, в начале XIX в. было поистине сенсацией. В 1819 г. известный шведский химик Йене Якоб Берцелиус использовал его в своей теории, которая утверждала, что в атомах различных элементов преобладает либо положительный, либо отрицательный электрический заряд и связь атомов в соединения обусловлена силами электростатического притяжения. Теория Берцелиуса была проста и казалась вполне логичной, однако вскоре появились данные, которые она не могла объяснить, и хорошая идея Берцелиуса была поставлена под сомнение. Трудности возникли при попытках объяснить, каким образом связываются одноименные атомы, в частности в двухатомных молекулах газов. Обнаружилось также, что атомы одних и тех же элементов в одних химических реакциях как бы имеют положительный электрический заряд, а в других – отрицательный. Главный удар был нанесен органической химией. Когда Берцелиус создавал свою теорию, этой науки, по существу, еще не было, и ее развитие привело к окончательному отказу от его идеи.

Как мы теперь знаем, шведский ученый фактически открыл один из видов химической связи, который через сто лет получил название ионной связи. Здесь особенно отчетливо проявляется электрический характер химической связи, поэтому-то она и была открыта раньше других. Электрическая природа остальных видов химической связи не столь очевидна; почти до самого конца XIX в. ученые предпочитали не высказываться на эту тему или ограничивались весьма туманными предположениями.

Открытие процесса электролиза положило начало электрохимии. Ее основой служит тот факт, что под действием электрического тока молекулы раствора химического соединения распадаются на ионы отдельных веществ, входящих в состав соединения [10]10
  Теорию электролиза разработал в 1805 г. прибалтийский ученый Теодор Гротгус. Основным постулатом теории была идея о полярности молекул, инициируемой электрическим током или возникающей при взаимной электризации атомов. Гротгус установил также, что свет, поглощенный веществом, может вызывать в нем химическую реакцию, – Прим, ред.


[Закрыть]. В 80-е годы прошлого века шведский ученый Сванте Август Аррениус доказал, что процесс разложения на ионы (так называемая электролитическая диссоциация) возможен и без воздействия электрического тока. Эти выводы были подкреплены исследованиями Вант-Гоффа осмотического давления: оно возникает, когда растворы различной концентрации разделены полупроницаемой мембраной, через которую проникают молекулы растворителя и не проникают молекулы растворенного вещества.

Первые измерения осмотического давления провел в 1877 г. Вильгельм Пфеффер, а вскоре Вант-Гофф дал объяснение этому процессу. Данные об осмотическом давлении имели большое значение для исследования атомов и молекул, так как позволили применить закон Авогадро к веществам, не находящимся в газообразном состоянии. Это дало возможность определять молекулярную массу растворенных соединений.

Однако теория Вант-Гоффа не «работала» в случае таких веществ, как сильные кислоты, щелочи и их соли. При измерении осмотическое давление у этих веществ оказывалось значительно выше, чем следовало из предполагаемого числа молекул. Именно этот факт подтвердил, что молекулы раствора распадаются на ионы. За исследования по осмотическому давлению и химической динамике Якоб Вант-Гофф был первым удостоен в 1901 г. Нобелевской премии по химии. Однако этот ученый наиболее известен своими теориями пространственного строения молекул, которые положены в основу стереохимии.

Сванте Аррениус получил Нобелевскую премию по химии в 1903 г. за теорию электролитической диссоциации, которая объяснила электропроводность раствора и ее связь с химическим сродством элементов. Это означало как бы возврат к представлению об электрической природе сил, связывающих атомы, которое стало преобладающим в начале нашего столетия.

Сразу же после открытия электрона начали предприниматься попытки связать его с проблемой химической связи. Автором первой теории был сам Джозеф Джон Томсон; его идеи развил Йоханнес Штарк, который ввел понятие валентных электронов, связывая валентность элемента с числом электронов на периферии атомов. Планетарные модели атома, предложенные Резерфордом и Бором, сразу же были использованы Гильбертом Ньютоном Льюисом и Вальтером Косселем [11]11
  В. Коссель – сын лауреата Нобелевской премии биохимика Альбрехта Косселя. – Прим. ред.


[Закрыть]для объяснения природы химических связей. Льюис выдвинул гипотезу электронных пар, которые становятся «общей собственностью» связанных атомов. Он развил положение о том, что наиболее устойчивые группировки характерны для внешних электронов атомов инертных газов. Их два у гелия и восемь – у остальных газов этой группы. У других химических элементов число валентных электронов меньше, и они стремятся пополнить их число, чтобы образовать такую же конфигурацию, как у инертных газов. Согласно представлениям Косселя, атомы либо присоединяют, либо отдают электроны, приобретая при этом соответственно отрицательный или положительный заряд, в результате чего связываются в молекулы.

Льюис и Коссель были светилами в своей области, но их представления не совсем соответствовали новейшим достижениям физики. Следующий шаг в развитии теории химической связи был связан с применением идей квантовой теории. Первую попытку такого рода предприняли Фриц Лондон и Вальтер Гайтлер. В 1927 г. они опубликовали свои работы, положившие начало квантовой химии.

В соответствии с квантовыми представлениями уже нельзя считать, что электрон движется по определенной орбите. Это обусловлено соотношением неопределенностей Гейзенберга, в соответствии с которым координаты микрочастиц не могут быть точно определены. Поэтому вместо электронной орбиты следует говорить о своего рода электронном «облаке» – электрон как бы «размазан» в пространстве, и вероятность его нахождения в той или иной области характеризуется квадратом волновой функции.

В 30-е годы значительных успехов в квантовомеханическом толковании химических связей добился американский ученый Лайнус Карл Полинг. Он развил и усовершенствовал так называемый метод атомных орбиталей, используя его для объяснения структуры сложных молекул. Свои идеи он изложил в известной монографии, посвященной химическим связям. Наибольшую известность получили опыты Полинга, касающиеся исследования атомной структуры молекул белков. Он проводил эти опыты в конце 40-х годов, а в 1954 г. был удостоен Нобелевской премии по химии за развитие теории химических связей и ее применение для исследования структуры молекул белков.

В то время как Гайтлер, Лондон, Полинг и другие ученые исследовали электронную структуру атома и (Применяли полученные результаты для объяснения химической связи, Роберт Малликен пошел обратным путем. Создав метод молекулярных орбиталей, он ввел представление о молекуле как о целостной системе, состоящей из нескольких положительных ядер, окруженных общими электронными «облаками». В сущности, оба таких подхода преследуют одну цель – найти максимально приближенное математическое описание конфигурации электронных структур в молекулах.

С самого начала была ясно, сколь большие возможности открывает использование квантовомеханических представлений в химии, однако исключительная трудоемкость математических расчетов сдерживала развитие этого подхода. В 20—30-е годы теоретики произвели соответствующие вычисления для молекул водорода и гелия и на этом остановились, не имея возможности двигаться дальше. Брешь была пробита в конце 40-х годов с появлением ЭВМ. Пионером в проведении этих исследований был Роберт Малликен. Еще в 50-е годы он предсказывал, что когда-нибудь наступит эра химиков-математиков. Сегодня, когда электроника достигла небывалого уровня, пророчество Малликена постепенно становится реальностью. С помощью ЭВМ моделируются все более сложные молекулы и исследуются их свойства.

Из экспериментов по изучению химического сродства, которые были проведены в прошлом веке, и успехов атомной физики возникла современная теория, связывающая в. единое целое структуру молекул и химическую активность. От наивных представлений об атомах, цепляющихся друг за друга «крючочками», ученые пришли к непрерывно меняющимся электронным конфигурациям, исследование которых позволяет понять и предсказать характер химического взаимодействия между молекулами.

Роберт Малликен, который за полвека своей деятельности внес исключительно большой вклад в развитие теории химической связи, был удостоен в 1966 г. Нобелевской премии по химии за фундаментальные исследования в этой области.

Развитие квантовой химии дало возможность по-новому подойти к проблеме химических реакций. Термодинамика, сыгравшая большую роль в этой области, описывает не отдельные микрообъекты, а системы, состоящие из очень большого числа частиц. Квантовая химия, рассматривающая отдельные молекулы и их электронные структуры, позволяет объяснить химические реакции на микроуровне. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии химии.

Но и с появлением ЭВМ расчеты химических реакций по-прежнему порождали немало трудностей и ошибок. Тогда химики вынуждены были отказаться от строгих методов и ограничиться приближенными вычислениями. Хотя и в ущерб точности, это дало возможность глубже понять влияние электронной структуры молекул на механизм течения химических реакций. Японский ученый Кенити Фукуи предпринял в 1952 г. исследования такого рода, которые способствовали дальнейшему развитию метода молекулярных орбиталей.

Связывая способность молекул к реакции с ее электронным строением, этот ученый разработал метод индексов способности к реакции – представление о формировании переходного состояния, или активированного комплекса. Впоследствии, развивая дальше свои взгляды, Фукуи предложил теорию пограничных орбиталей.

Он первым указал, что основное значение для понимания хода химических реакций имеют самые внешние электроны и что в первом приближении теория может ограничиться только их рассмотрением. В 70-е годы японский ученый применил свои идеи к изучению каталитических реакций. Сегодня, с появлением мощных ЭВМ, приближенные методы Фукуи в известной степени стали достоянием истории. Однако современные точные методы вычислений лишь подтвердили глубокий смысл идей этого ученого и его большой вклад в развитие химии.

В начале 60-х годов приобрел известность метод вычисления электронных орбиталей молекул, предложенный молодым химиком Роальдом Хофманом. Впоследствии Хофман, работая вместе с известным химиком Робертом Бёрнсом Вудвордом, разработал правила сохранения орбитальной симметрии молекул при химических реакциях. Эти результаты были связаны с теорией пограничных орбиталей Фукуи. В последние годы Роальд Хофман занимается неорганической химией, с большим успехом применяя там свои идеи.

Научные результаты Кенити Фукуи и Роальда Хофмана сыграли большую роль в развитии химии. Их концепция об орбитальных взаимодействиях сегодня широко применяется в этой науке. Признанием крупных успехов двух исследователей явилось присуждение им в 1981 г. Нобелевской премии по химии за вклад в исследование механизма химических реакций.

В 1983 г. внимание научной общественности вновь было привлечено к этой области химии. Профессор Станфордского университета Генри Таубе был удостоен Нобелевской премии по химии за работы по исследованию механизма химических реакций с перенесением электронов, в частности при образовании комплексов металлов. Он стал сотым нобелевским лауреатом по химии.

В 60-е и 70-е годы Таубе с сотрудниками изучил множество химических реакций переноса электронов между комплексами переходных металлов в растворах.

Таубе выявил два механизма этого переноса. Впоследствии оказалось, что его опыты были упрощенной моделью различных процессов, протекающих при биохимических реакциях и окислительно-восстановительном катализе.

Особо интересным было приложение его работ к изучению образования комплексов молекулярного азота.

Такие комплексы в 1966 г. получил А.Е. Шилов. Подобные процессы, протекающие в некоторых микроорганизмах, привлекают внимание ученых, ибо их исследование даст возможность получать важные для растений соединения азота непосредственно из атмосферы.

Процессы с переносом электронов, к которым относятся и такие сложные явления, как фотосинтез и биологическое окисление (дыхание живых организмов), все больше интересуют ученых. Результаты, полученные Таубе, явились крупным вкладом в развитие биохимии и заслуженно принесли ему звание лауреата Нобелевской премии.

Молекулярные структуры

К середине XIX в. в органической химии было обнаружено довольно много соединений, которые, имея одинаковый состав, обладали различными химическими свойствами. Некоторые молекулы – изомеры – при одинаковом составе отличаются такими физическими характеристиками, как, например, поляризация света, проходящего через растворы, и т. д. Все это наводило на мысль, что кроме химического состава молекулы должны характеризоваться и определенной пространственной структурой. Само понятие структуры введено в химию известным русским химиком Александром Михайловичем Бутлеровым, создавшим в 1861 г. теорию химического строения органических соединений и первым объяснившим явление изомерии.

И только более чем через 10 лет после этого возникла новая наука – стереохимия. Одним из ее основателей был Якоб Вант-Гофф. В 1874—1875 гг., в возрасте всего лишь 22 лет, он написал свою замечательную книгу «Химия в пространстве», где развил теорию пространственного размещения атомов в молекулах органических веществ (стереохимическая гипотеза). В то время ученый преподавал в ветеринарном училище, и некоторые его коллеги язвили, что не иначе как какой-нибудь «пегас» из конюшни училища подтолкнул его необузданную фантазию.

Стереохимическая гипотеза быстро прижилась в органической химии, и благодаря ей в XX в. были достигнуты большие успехи в описании структуры сложных органических веществ и биомолекул. Значительно медленнее эти представления проникали в неорганическую химию. Развитие этого процесса связано с именем швейцарского химика Альфреда Вер мера. По своему значёнию его деятельность сравнима с работами Вант-Гоффа. Вернер не только побудил многих химиков заняться изучением структуры молекул неорганических соединений, но и создал так называемую координационную теорию комплексных соединений.

Выделение комплексных соединений в самостоятельную группу в известной мере условно, поскольку нельзя провести четкую грань между комплексными и обычными соединениями. В «комплексах» вокруг центрального атома группируются атомы, радикалы и даже целые молекулы в количестве большем, нежели можно предположить, исходя из валентности атома. Вернер объяснил это явление, предположив, что наряду с основными валентностями, которые он назвал первичными, существуют и так называемые дополнительные, или вторичные, валентности. Сегодня это хорошо объясняется с позиций представлений об электронных конфигурациях центрального атома.

Идеи Альфреда Вернера постепенно распространились в неорганическую химию и даже проникли в органическую. Своими исследованиями пространственной структуры молекул он углубил представления о химической связи. В 1913 г. за большие заслуги в развитии химической науки Альфред Вернер был удостоен Нобелевской премии по химии.

Работы Макса фон Лауэ, Уильяма Генри Брэгга, Уильяма Лоренса Брэгга и других ученых позволили создать мощный метод исследования структуры молекул с помощью рентгеновского излучения. Крупный вклад в эти исследования внес Петер Йозеф Дебай.

В 1916 г. совместно с Паулем Шеррером Дебай разработал метод исследования структуры вещества с помощью дифракции рентгеновских лучей. В отличие от предыдущих методов метод Дебая – Шеррера позволял исследовать вещества в порошкообразном состояний, т. е. в виде очень мелких кристаллов. В том же году Дебай вместе с Арнольдом Зоммерфельдом применил квантово-механические представления для объяснения эффекта Зеемана (расщепления спектральных линий в магнитном поле) и ввел магнитное квантовое число.

Успехи в исследовании магнетизма побудили Дебая заняться изучением магнитных дипольных моментов молекул. Состоящие из различных атомов, молекулы имеют несимметричные электронные оболочки, в силу чего (как целое) они электрически заряжены и подобны маленьким магнитикам. Например, в молекуле воды более крупный атом кислорода притягивает к себе электроны, в то время как у атома водорода накапливается положительный заряд. Именно это приводит к возникновению у молекулы воды магнитного дипольного момента.

Наряду с методом рентгеновской дифракции Петер Дебай стал широко применять для исследования структуры химических соединений электронные пучки. Это произошло после того, как было установлено, что элементарные частицы обладают также и волновыми свойствами, т. е. могут порождать такие «оптические» явления, как интерференция и дифракция. Метод электронной дифракции – один из самых мощных инструментов исследования в современной химии.

За большие заслуги и разносторонний вклад в исследование молекулярных структур с помощью магнитных дипольных моментов молекул и дифракции рентгеновских лучей и электронов Петер Дебай был удостоен в 1936 г. Нобелевской премии по химии.

Сорок лет спустя он получил вторую Нобелевскую премию по химии за исследование названными выше методами химических связей и структур. Одновременно с ним американский химик Уильям Нанн Липскомб был награжден за работы по изучению молекулярных структур и реакций, осуществленные в основном методом рентгеноструктурного анализа.

Он применил этот метод при низких температурах и исследовал простые кристаллы кислорода, азота, фтора и ряда других веществ, которые переходят в твердое состояние только при сильном охлаждении. Опираясь на полученные результаты, Липскомб приступил к изучению более сложных молекул. Его внимание привлекали гидриды бора – бороводороды (соединения этого элементах водородом), которые считаются наиболее перспективным видом ракетного топлива. Исследование электронной структуры бороводородов позволило детально объяснить их свойства.

Постепенно Липскомб подошел к исследованиям биомолекул и сложным проблемам ферментативного катализа. По своему строению молекулы живой ткани неизмеримо сложнее молекул других веществ, изучаемых химией; это обусловлено прежде всего тем, что структура таких молекул должна обеспечивать оптимальные условия для протекания сложнейших реакций, которые осуществляются в живом организме. Исследование строения таких биомолекул, как гормоны, ферменты и нуклеиновые кислоты, принесло Нобелевскую премию не одному ученому. Липскомб был удостоен ее в 1976 г.

В середине прошлого века немецкий химик-органик Фридрих Август Кекуле разработал свою теорию строения органических соединений, введя понятие конституции молекул, т. е. их состава. Вскоре Вант-Гофф и Жозеф Ле Бель занялись изучением конфигурации молекул (т. е. пространственного строения молекул). А примерно через 70 лет в стереохимию был внесен не менее значительный вклад: в 1947 г. норвежский химик Одд Хассель создал теорию конформации органических молекул.

Еще в 30-е годы он предпринял исследования структуры циклогексана методом рентгеновской и электронной дифракции. Молекула циклогексана представляет собой кольцо из шести атомов углерода, которые прежде изображались структурными формулами в одной плоскости. Хассель показал, что это неправильное представление и что молекула циклогексана встречается в двух вариантах (конформациях): в форме лодки и в форме кресла. При комнатной температуре это соединение изменяет свою конформацию миллионы раз в секунду. Преобладает вариант «кресла»: в такой форме встречается 99% молекул. Исследования Хасселя показали, что органические молекулы являются довольно гибкими структурами. Углы валентностей сохраняются, но при этом происходит вращение различных групп атомов. Разумеется, это происходите известными ограничениями, которые также были рассмотрены Хасселем.

Идеи конформационного анализа развивал английский химик Дерек Харолд Ричард Бартон. В 1950 г. вышла его знаменитая работа по строению ядра стероидов, которую иногда сравнивают по значению с книгой Вант-Гоффа, посвященной стереохимии. Бартон приобрел широкую известность своими трудами по конформационному анализу, фотохимическим превращениям и биосинтезу физиологически активных соединений.

За большой научный вклад Одд Хассель и Дерек Бартон были удостоены в 1969 г. Нобелевской премии по химии. Эти ученые продолжали активно работать над своими идеями, оказавшими столь большое влияние на теоретическую и прикладную химию.

Трудно вообразить, что в наше время еще возможно открыть принципиально новый тип химической структуры и связи. Но именно это сделали в 1951 г. Эрнст Отто Фишер из Высшей технической школы в Мюнхене и Джефри Уилкинсон, английский ученый, работавший в Гарвардском университете. Оба они занимались так называемыми элементоорганическими соединениями. Одновременно их внимание привлекла и недавно синтезированная молекула, строение которой пока не удавалось объяснить.

Молекула синтезированного в 1950 г. ферроцена состояла из двух пятиатомных углеродных колец и одного атома железа. Все попытки объяснить связь между ними выглядели очень искусственно и вызывали сомнения. Фишер и Уилкинсон высказали предположение, что ферроцен имеет структуру «сандвича» – атом железа находится между углеродными кольцами. Связь различных частей молекулы осуществляется посредством взаимодействия между металлическим атомом и π-электронными конфигурациями из десяти атомов углерода, которое направлено перпендикулярно плоскости колец.

С таким типом химической связи и структуры ученые столкнулись впервые. В 50-е годы Фишер, Уилкинсон и некоторые другие исследователи, работавшие в промышленных лабораториях, синтезировали новые вещества группы так называемых металлоорганических соединений. Исследование их структуры методами. спектроскопии и ядерного магнитного резонанса подтвердило справедливость гипотезы Фишера и Уилкинсона.

За свое замечательное открытие Эрнст Отто Фишер и Джефри Уилкинсон были удостоены в 1973 г. Нобелевской премии по химии. Они являются немногими из счастливцев, которые смогли в свои молодые годы сделать оригинальное и принципиально новое открытие.

За исследование электронной структуры и геометрии молекул Нобелевская премия по химии за 1971 г. была присуждена канадскому ученому Герхарду Херцбергу. Он внес крупный вклад в изучение оптических спектров молекул и радикалов в широком диапазоне, длин волн: от жесткого ультрафиолета до инфракрасной области.

В лабораторных условиях Херцберг определил строение десятков молекул; его работы оказали большое влияние на развитие теории молекулярных спектров. Напомним, что спектр излучения любой молекулы определяется энергетическими переходами электронов. Таким образом, изучение спектров дает возможность исследовать электронные конфигурации и строение молекул. Молекулярные спектры очень сложны, и успех в этой области был достигнут лишь в последние десятилетия, когда для наблюдения стали применяться высокочувствительные спектрографы, а для обработки данных – быстродействующие ЭВМ.

Особый интерес представляет исследование Херцбергом свободных радикалов. В нормальных условиях эти фрагменты молекул живут очень недолго: обычно они являются промежуточным продуктом, образующимся в ходе химических реакций. Однако в космическом пространстве радикалы – это нормальное состояние вещества. В огромных межзвездных газово-пылевых облаках невозможно существование обычных молекул. Жесткое ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения, потоки заряженных частиц в космических лучах непрерывно бомбардируют атомы, вызывая их возбуждение. Встречаясь, возбужденные атомы пыли связываются в комплексы, которые также находятся в возбужденном состоянии и потому не могут превратиться в молекулы, а остаются в виде радикалов. Уже известно более 50 видов таких соединений, причем некоторые из них представляют собой углеродные цепи – основу органических молекул. Эти открытия, в которых принимал активное участие и Герхард Херцберг, много лет возглавлявший лабораторию спектроскопии в Йеркской астрономической обсерватории Чикагского университета, навели ученых на мысль, что органическое вещество возникло в космическом пространстве еще до образования планет Солнечной системы.