Βιβλία οργανικής χημείας για μαθητές και μαθητές. Εργαστήριο Φυσικής Οργανικής Χημείας (PHOC) Από την ιστορία του εργαστηρίου

Είναι δυνατή η μεγάλη διάρκεια ζωής ενός ελεύθερου σωματιδίου σε μη ελεύθερη ύλη;

Δυνατόν. Είναι μια σταθερή ελεύθερη ρίζα. Ανακαλύφθηκαν στο πλαίσιο της φυσικής οργανικής χημείας, η οποία ασχολείται με γενικά ζητήματα της οργανικής χημείας, δίνοντας ιδιαίτερη προσοχή στη μελέτη των μηχανισμών των οργανικών αντιδράσεων, καθώς και στην ποσοτική σχέση μεταξύ της χημικής δομής των οργανικών ενώσεων, των ιδιοτήτων τους και αντιδραστικότητα.
Ένα από τα επιτεύγματα είναι η ανακάλυψη και η πρακτική χρήση σταθερών ελεύθερων ριζών (ένας τύπος μορίου ή ατόμου ικανού να υπάρχει ανεξάρτητη ύπαρξη και να έχει ένα ή δύο ασύζευκτα ηλεκτρόνια).

Η σταθερότητα των ελεύθερων ριζών διευκολύνεται από τα λεγόμενα στερικά εμπόδια (στερικά εμπόδια), όταν το άτομο στο οποίο εντοπίζεται το ασύζευκτο ηλεκτρόνιο προστατεύεται αξιόπιστα από άλλα αντιδραστήρια από κοντινούς ογκώδεις υποκαταστάτες. Είναι σαν ένα άτομο σε ένα πλήθος - φαίνεται σαν να είναι ελεύθερος να πάει όπου θέλει - αλλά όχι, το περιβάλλον σας σε κρατάει πίσω!
Έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι για τη σύνθεση και την τεχνολογία για την παραγωγή σταθερών ριζών νιτροξυλίου της σειράς ιμιδαζολίνης και των προδρόμου τους, οι οποίες χρησιμοποιούνται ως ετικέτες περιστροφής, ανιχνευτές και παγίδες στην επιστημονική έρευνα και τη βιομηχανία. Οι ρίζες προσδιορίζονται με ηλεκτρονιακό παραμαγνητικό συντονισμό (EPR) σε συγκεντρώσεις 10 (στην ισχύ του -10) mole τοις εκατό.

Τα τεχνικά και οικονομικά πλεονεκτήματα των ανεπτυγμένων ριζών νιτροξυλίου της σειράς ιμιδαζολίνης καθορίζονται από τη μοναδικότητά τους (δεν υπάρχουν φυσικά ανάλογα), γεγονός που τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται ως δείκτες της κίνησης των υγρών δεξαμενής (παραγωγή λαδιού), κρυφά σημάδια κ.λπ. Οι σταθερές ελεύθερες ρίζες χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας:

Στην ιατρική και τη βιολογία, οι σταθερές ρίζες νιτροξυλίου χρησιμοποιούνται συνήθως ως ετικέτες περιστροφής. Όλα τα μόρια των ετικετών spin, παρά την ποικιλομορφία της χημικής τους δομής, κατά κανόνα περιέχουν το ίδιο παραμαγνητικό θραύσμα - μια χημικά σταθερή ρίζα νιτροξυλίου (>N-O*). Ένα μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο εντοπίζεται σε αυτή τη ρίζα, χρησιμεύοντας ως πηγή του σήματος ESR. Η συγκεκριμένη επιλογή των ετικετών περιστροφής καθορίζεται από το ερευνητικό πρόβλημα. Για παράδειγμα, προκειμένου να παρακολουθούνται οι διαμορφωτικές αναδιατάξεις των πρωτεϊνών χρησιμοποιώντας ετικέτες spin, τα μόρια της ετικέτας συνήθως «ράβονται» σε ορισμένες περιοχές της πρωτεΐνης. Σε αυτήν την περίπτωση, η ετικέτα spin πρέπει να περιέχει μια ειδική ομάδα αντίδρασης που μπορεί να σχηματίσει έναν ομοιοπολικό χημικό δεσμό με τα υπολείμματα αμινοξέων του μορίου της πρωτεΐνης.

Για τη μελέτη των ιδιοτήτων των τεχνητών και βιολογικών μεμβρανών, συνήθως χρησιμοποιούνται λιποδιαλυτές ετικέτες spin που μπορούν να ενσωματωθούν στο λιπιδικό στρώμα της μεμβράνης:
- ως ανιχνευτές spin pH για τη μέτρηση της τιμής του pH στα κυτταρικά οργανίδια.
- κατά τη μελέτη των διαδικασιών μεταφοράς ιόντων μέσω μεμβρανών.
- για τον προσδιορισμό του εντοπισμού φαρμάκων ή άλλων φαρμάκων σε όργανα ή ιστούς.

Στην αναλυτική χημεία και τη γεωφυσική:
- δημιουργία χηλικών παραγόντων ικανών να δεσμεύονται με μέταλλα.
- ως δείκτες με χαμηλό κατώφλι ανίχνευσης (για παράδειγμα, αντί για τρίτιο ή οργανικές βαφές στην εξερεύνηση και παραγωγή πετρελαίου, αντί για φθοροαρωματικά οξέα στην ανάλυση της κίνησης των υπόγειων υδάτων).
Σε άλλες βιομηχανίες για την προσθήκη ως κρυφών ετικετών σε καύσιμα, αλκοόλες κ.λπ.

Λειτουργεί το Ινστιτούτο Οργανικής και Φυσικής Χημείας του Καζακστάν Επιστημονικού Κέντρου της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών (Καζάν). Μπορείτε να διαβάσετε: Gammet L. Βασικές αρχές της φυσικής οργανικής χημείας. Ταχύτητες, ισορροπίες και μηχανισμοί αντίδρασης. Μ.: Μιρ, 1972.

Φυσικοχημική έρευνα. Στη δεκαετία του 30-60 του 19ου αιώνα, η οργανική χημεία έπαιξε κυρίαρχο ρόλο στην ανάπτυξη της χημείας και σημειώθηκαν σημαντικές επιτυχίες. Νέες συνθέσεις οργανικών ενώσεων ακολούθησαν η μία μετά την άλλη. Τα έργα των N. Zinin, C. Gerard, G. Kolbe, J. Dumas, A. Wurtz, M. Berthelot, A. M. Butlerov και πολλών άλλων τράβηξαν την προσοχή ενός ευρέος κύκλου χημικών.

Ως αποτέλεσμα αυτών των εργασιών, προέκυψαν σημαντικές γενικεύσεις, που σχετίζονται κυρίως με ένα συγκεκριμένο φάσμα γεγονότων από τον τομέα της οργανικής χημείας. Αυτά είναι το δόγμα της υποκατάστασης, η θεωρία των τύπων, η θεωρία της χημικής δομής, η θεωρία των αρωματικών ενώσεων κ.λπ. Τα βασικά ερωτήματα της χημείας, καθώς και το ζήτημα της φύσης των στοιχείων και των ιδιοτήτων τους, των αιτιών και των συνθηκών της χημικής τους αλληλεπίδρασης, δηλ. της φύσης και της ουσίας της χημικής συγγένειας - αυτά τα ερωτήματα παρέμειναν, όπως ήταν, στο παρασκήνιο. Η αναμφισβήτητη σημασία τους αναγνωρίστηκε καλά, αλλά όχι περισσότερο. Από την άλλη πλευρά, το έδαφος για τη λύση τους ήταν ακόμα ανεπαρκώς προετοιμασμένο. Το κύριο εμπόδιο ήταν η τεράστια δυσκολία της ανάπτυξής τους, η ανάγκη για πολύ μεγαλύτερες προσπάθειες από αυτές που απαιτούνται για την έρευνα σε άλλα λιγότερο γενικά και λιγότερο θεμελιώδη προβλήματα της χημείας. Η ανάπτυξη της οργανικής χημείας, ωστόσο, συνέβαλε σε μεγάλο βαθμό στη μελέτη και τον εντοπισμό σημαντικών φυσικών και χημικών αρχών. Ήταν κατά τη διάρκεια της μελέτης των οργανικών ενώσεων που έγινε ισχυρότερη η πεποίθηση ότι τα πρότυπα που διέπουν τους χημικούς και φυσικούς νόμους είναι τα ίδια τόσο για τις οργανικές όσο και για τις ανόργανες ουσίες. Το συμπέρασμα αυτό είχε θεμελιώδη σημασία. Έχει καθιερωθεί μια σημαντική θέση στην επιστήμη ότι ο σχηματισμός τόσο των δοκιμαστικών ορυκτών όσο και των οργανικών ενώσεων του φυτικού και ζωικού κόσμου, καθώς και ουσιών που λαμβάνονται τεχνητά σε ένα χημικό εργαστήριο, υπόκειται στους ίδιους νόμους.

Η ανακάλυψη φαινομένων στην οργανική χημεία όπως η ισομέρεια (1830, Berzelius) και η ομολογία (1842, Scheel, Gerard) παρουσίασε στους χημικούς το πιο σημαντικό καθήκον - να μελετήσουν την εξάρτηση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των ενώσεων από τη σύνθεση και τη δομή τους.

Η μελέτη των ισομερών ενώσεων έδειξε ξεκάθαρα ότι οι χημικές και φυσικές ιδιότητες των ουσιών εξαρτώνται όχι μόνο από την ποιότητα των ατόμων και τον αριθμό τους, αλλά και από την εσωτερική διάταξη των ατόμων. Αυτό οδήγησε στο πιο σημαντικό πρόβλημα - να διεισδύσει με φυσικές και χημικές μεθόδους στην «οικεία ζωή» των ατόμων και των μορίων και να προσπαθήσει να κατανοήσει τους νόμους των αλληλεπιδράσεών τους.

Στον τομέα αυτό, άνοιξε ένα ιδιαίτερα ευρύ πεδίο έρευνας για μεθόδους φυσικοχημικής έρευνας, με στόχο τη μελέτη όχι μόνο των ιδιοτήτων και της σύνθεσης των ενώσεων, αλλά και των χημικών διεργασιών, συνθηκών και παραγόντων που επηρεάζουν την πορεία των χημικών αντιδράσεων.

Η μελέτη των οργανικών αντιδράσεων (οι οποίες συμβαίνουν αργά και ατελώς) έδωσε σημαντικό νέο υλικό για τις χημικές ισορροπίες. Ήταν η μελέτη αυτών των αντιδράσεων που κατέστησε δυνατή την εισαγωγή στη χημεία σημαντικών εννοιών όπως η ταχύτητα (χρόνος), η κατεύθυνση και το όριο μιας χημικής διαδικασίας. Η μελέτη αυτών των προβλημάτων οδήγησε λογικά στη μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας, της πίεσης, των ποσοτήτων των ουσιών και της κατάστασης συσσώρευσής τους στον ρυθμό και την κατεύθυνση μιας χημικής αντίδρασης. Όταν μια αντίδραση προχωρά αργά, είναι δυνατό να σταματήσει σε διάφορες στιγμές και να εξεταστεί η κατάσταση και η φύση των ουσιών σε αυτές τις στιγμές. Οι αντιδράσεις στην ανόργανη χημεία, που συνήθως συμβαίνουν σχεδόν ακαριαία, δεν επέτρεψαν τέτοιες μελέτες.

Η συνθετική-παρασκευαστική διαδρομή οδήγησε τους χημικούς να αποκτήσουν (αρχικά με απομόνωση από φυσικά προϊόντα και στη συνέχεια με σύνθεση) νέες σημαντικές ουσίες, οι οποίες στη συνέχεια βρήκαν πρακτική εφαρμογή. Η μελέτη και η χρήση νέων ουσιών, με τη σειρά της, απαιτούσε τη μελέτη των φυσικών τους ιδιοτήτων ανάλογα με τη σύνθεση και τη δομή της ένωσης.

Με βάση τη μελέτη των οργανικών ενώσεων, ο G. Kopp εντόπισε τις πρώτες σχέσεις μεταξύ χημικής δομής και φυσικών ιδιοτήτων. «...Η σύνδεση μεταξύ φυσικών ιδιοτήτων και χημικής σύνθεσης και ο ακριβής προσδιορισμός αυτών των ιδιοτήτων», έγραψε ο Kopp, «μπορεί σε ορισμένες περιπτώσεις να χρησιμεύσει ως έλεγχος για τον σωστό προσδιορισμό της σύνθεσης, έτσι ώστε η γνώση των φυσικών ιδιοτήτων μερικές φορές να επιβεβαιώνει άμεσα τη γνώση των χημικών ιδιοτήτων».

Η αξία του G. Kopp (1817-1892) έγκειται στο γεγονός ότι για πρώτη φορά, από το 1842 έως το 1855, μελέτησε συστηματικά τις φυσικοχημικές ιδιότητες μιας σειράς ουσιών (σημείο βρασμού, μοριακός και ατομικός όγκος, ατομική θερμική ικανότητα) και τη σχέση μεταξύ της χημικής σύνθεσης και της δομής των οργανικών συνδέσεων.

Για να υπολογίσει τους συγκεκριμένους όγκους υγρών, ο Kopp έλαβε την πυκνότητά τους στο σημείο βρασμού, θεωρώντας αυτές τις θερμοκρασίες, στις οποίες η τάση ατμών είναι η ίδια, ως κατάλληλες. Τα πειράματα του Kopp για τον προσδιορισμό των ειδικών όγκων υγρών οργανικών ουσιών έδειξαν ότι: 1) οι ισομερείς ενώσεις έχουν παρόμοιους ειδικούς όγκους. 2) σε πολλές ομόλογες σειρές, μαζί με τη σωστή αλλαγή στη σύνθεση, αλλάζουν σωστά και οι συγκεκριμένοι όγκοι. Συγκρίνοντας τα σημεία βρασμού διαφορετικών οργανικών ουσιών, ο Kopp κατέληξε στο συμπέρασμα ότι σε ομόλογες σειρές, η επιπλοκή της σύνθεσης στο CH 2 συνήθως συνοδεύεται από αύξηση του σημείου βρασμού κατά 12, 15, 10 ° C. Αυτή η διαφορά είναι συνήθως σταθερή για κάθε ομόλογη σειρά.

Όπως θα ήταν αναμενόμενο, η χημική δομή των ενώσεων θα πρέπει να έχει κάποια επίδραση στο σημείο βρασμού. Πράγματι, αποδείχθηκε ότι τα ισομερή βράζουν σε διαφορετικές θερμοκρασίες.

Κατά τον προσδιορισμό των σημείων τήξης και πήξης των οργανικών ουσιών, διαπιστώθηκε ότι για ομόλογες ενώσεις η θερμοκρασία αυξάνεται με την αύξηση του μοριακού βάρους των ουσιών.

Η εργασία του Kopp για τον προσδιορισμό των ατομικών ή ειδικών όγκων διαφόρων ενώσεων, σχετικά με τη μελέτη της σχέσης μεταξύ του σημείου βρασμού και της σύνθεσης των ενώσεων, αν και δεν οδήγησε σε θεμελιωδώς σημαντικά πρότυπα, αλλά έδωσε ένα ισχυρό κίνητρο στη μελέτη των φυσικοχημικών εξαρτήσεων και αποσαφήνιση των κανόνων που θεσπίστηκαν από τον Kopp .

Εκτιμώντας ιδιαίτερα τα πλεονεκτήματα του Copp στην ανάπτυξη ενός σημαντικού τομέα της φυσικοχημικής γνώσης, ο D. I. Mendeleev έγραψε: «Η ιστορία θα αποδίδει πάντα τον δέοντα σεβασμό στην ακούραστη δραστηριότητα του Copp».

Με την εμφάνιση της θεωρίας του Butlerov για τη χημική δομή (1861), ξεκίνησε ένα νέο στάδιο στη μελέτη της εξάρτησης των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των οργανικών ενώσεων από τη χημική τους δομή. Ο A. M. Butlerov τόνισε ότι οι χημικές και φυσικές ιδιότητες των χημικών ενώσεων «βρίσκονται σε μια αμοιβαία αιτιακή σχέση» και ότι η μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων έχει μεγάλη σημασία για την κατανόηση «των αμοιβαίων σχέσεων στις οποίες βρίσκονται τα συστατικά τους μέρη σε αυτές τις ουσίες». Στο πρώτο τεύχος της «Εισαγωγής» (1864), ο Butlerov επέστησε την προσοχή στο γεγονός ότι η μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων έχει μεγάλη σημασία για την κατανόηση των αμοιβαίων σχέσεων των συστατικών μερών των χημικών ενώσεων. Στο ίδιο τεύχος υπάρχει ειδικό κεφάλαιο: «Σχέσεις μεταξύ των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων των ουσιών». Σε αυτό, εξετάζει τα σημεία τήξης και βρασμού, τις θερμικές ικανότητες, τις λανθάνουσες θερμότητες σύντηξης και εξάτμισης, «θερμιδικά φαινόμενα σε χημικές αντιδράσεις», δηλ. θερμικές επιδράσεις, μοριακές δυνάμεις, διαλυτότητα, διάθλαση, σκέδαση φωτός, φθορισμός και φωσφορισμός, περιστροφή του επιπέδου πόλωσης, χημική δράση του φωτός και του ηλεκτρισμού.

Οι οπτικές μέθοδοι για τη μελέτη ουσιών τράβηξαν τη μεγαλύτερη προσοχή των επιστημόνων εκείνη την εποχή.

Πίσω στο 1811, ο Arago ανακάλυψε το φαινόμενο της οπτικής δραστηριότητας μελετώντας τη διπλή διάθλαση σε κρυστάλλους χαλαζία. Στη συνέχεια, το 1817 ο Biot ανακάλυψε ότι οι υγρές οργανικές ενώσεις έχουν οπτικές ιδιότητες: είναι σε θέση να περιστρέφουν το επίπεδο πόλωσης. Η ικανότητα των υγρών οργανικών ουσιών να περιστρέφουν το επίπεδο πόλωσης έχει δείξει ότι δεν υπάρχει απαραίτητη σχέση μεταξύ της κρυσταλλικής δομής και της οπτικής δραστηριότητας. Το τελευταίο, σύμφωνα με τον Butlerov, «είναι φωλιασμένο στη φύση των σωματιδίων». Αυτές οι μελέτες αποκάλυψαν ένα γεγονός θεμελιώδους σημασίας, δηλαδή: η οπτική δραστηριότητα είναι μια ιδιότητα όχι μόνο ενός κρυστάλλου, αλλά και ενός μορίου.

Σχετικά με τα προαναφερθέντα έργα του Biot, υπάρχει η ακόλουθη ενδιαφέρουσα κρίση του Berzelius: «Χωρίς αμφιβολία, η έρευνα αυτού του είδους, η οποία είναι ακόμη στα σπάργανα, θα μπορούσε να αποβεί καρποφόρα αν πραγματοποιούνταν πλήρως. Εάν μια τέτοια εργασία εκτελείται από κάποιον οπλισμένο τόσο με την οπτική επιστήμη όσο και με τη χημική γνώση, μπορεί κανείς να ελπίζει ότι θα βρει εξηγήσεις που θα διεισδύσουν στις κρυφές περιοχές της θεωρίας της σύνθεσης οργανικών και ανόργανων σωμάτων».

Η μελέτη της εξάρτησης της διαθλαστικής ικανότητας του φωτός των ουσιών από τη σύνθεσή τους άρχισε να αναπτύσσεται με ιδιαίτερη επιτυχία αφού ο M. Berthelot το 1856 εισήγαγε την έννοια της μοριακής διάθλασης, η οποία είναι (το προϊόν ειδικής διάθλασης κατά μοριακό βάρος. Σύμφωνα με τον Berthelot, μοριακή διάθλαση, η οποία για μεγαλύτερο αριθμό ενώσεων έδωσε αποκλίσεις, που δεν ξεπερνούσαν το ±0,1%.

Από το 1879, ο μαθητής του Landolt J. Bruhl ξεκίνησε τη συστηματική μελέτη των ατομικών και ομαδικών διαθλάσεων. Διατύπωσε ξεκάθαρα τα καθήκοντα της φυσικής έρευνας στην οργανική χημεία. Πίστευε ότι οι χημικές μέθοδοι ήταν ανεπαρκείς για να καθορίσουν τη δομή των ουσιών και ότι ήταν απαραίτητο να συμπεριληφθεί μια συγκριτική μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων των ουσιών.

Ο Brühl έγραψε στα τέλη της δεκαετίας του '70: «... η σύνθεση των ουσιών μπορεί να μελετηθεί μέχρι τη σχέση των μεμονωμένων ατόμων μεταξύ τους. Ως εκ τούτου, ήρθε η ώρα να χρησιμοποιήσουμε το εργαλείο που προσφέρει η φυσική για πρακτική εφαρμογή στη χημεία... Με βάση αυτή την πεποίθηση, κατάρτισα ένα σχέδιο για μια συγκριτική μελέτη σε μεγάλη κλίμακα των φυσικών ιδιοτήτων των οργανικών ουσιών. Με τη συμβουλή του καθηγητή Landolt στο Λάχεν, αποφάσισα να λάβω πρώτα ως αντικείμενο μελέτης τη σχέση μεταξύ της διαθλαστικής ισχύος και της χημικής φύσης των ουσιών».

«Είμαι πεπεισμένος», έγραψε, ότι δεν είναι μακριά η στιγμή που αυτές οι φυσικές μέθοδοι έρευνας θα γίνουν ίσες τόσο με τις αναλυτικές όσο και με τις συνθετικές μεθόδους.

I. I. Kanonnikov το 1883-1885 εφάρμοσε τη διαθλασιμετρική μέθοδο για τη μελέτη της δομής των ανόργανων ουσιών. Πίστευε ότι αυτή η μέθοδος έχει «μεγάλη σημασία στη μελέτη της δομής, καθώς καθιστά δυνατή την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με αυτή τη δομή χωρίς να καταστρέφονται τα σωματίδια της ένωσης».

Οι σύγχρονες μελέτες διαθλασιμετρίας έχουν επιβεβαιώσει αυτή την άποψη. Επί του παρόντος, οι μετρήσεις των οπτικών ιδιοτήτων καθιστούν δυνατή την επίλυση μιας μεγάλης ποικιλίας προβλημάτων - από τη μελέτη δεσμών υδρογόνου έως τον προσδιορισμό των δομικών τύπων των πυριτικών αλάτων.

Από τη δεκαετία του '90 του XIX αιώνα. Ο A. Gancha άρχισε να χρησιμοποιεί μεθόδους φυσικής έρευνας (φάσματα απορρόφησης, μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας κ.λπ.) σε μεγάλη κλίμακα για να καθορίσει τη δομή των οργανικών ενώσεων.

Ο Ganch και η σχολή του έδωσαν μεγάλη σημασία στη μελέτη των φασμάτων απορρόφησης. Ο Ganch μπόρεσε να δείξει ότι υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ του φάσματος απορρόφησης ενός οξέος στην καθαρή του μορφή και του ίδιου οξέος σε διάλυμα. Αυτό είχε μεγάλη σημασία για τη μελέτη όχι μόνο των καθαρών ουσιών, αλλά κυρίως της φύσης των διαλυμάτων.

Από το 1897, ο L. A. Chugaev πραγματοποίησε μια σειρά εργασιών για τη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων κυρίως οργανικών ενώσεων. Βελτίωσε την οπτική μέθοδο για την ανάλυση μιγμάτων οργανικών ενώσεων που περιστρέφουν το επίπεδο πόλωσης του φωτός. Ο Chugaev καθιέρωσε μια ενδιαφέρουσα περίπτωση ανωμαλίας σε διαφορετικά κατασκευασμένες διοξίμες. Αποδείχθηκε ότι ο δακτύλιος τριμεθυλενίου χαρακτηρίζεται από μια ορισμένη αύξηση της διάθλασης, η οποία δεν αντιστοιχούσε στα δεδομένα του Bruhl. Αυτές οι μελέτες κατέστησαν δυνατή τη μελέτη της χημικής δομής της χοληστερόλης.

Σε συνδυασμό με τη θεωρία της χημικής δομής, οι φυσικές μέθοδοι έχουν γίνει ένα ισχυρό μέσο μελέτης των φυσικοχημικών ιδιοτήτων σύνθετων ουσιών.

Μέθοδοι όπως η κρυοσκόπηση και η βουλλιοσκόπηση έχουν προσφέρει ανεκτίμητες υπηρεσίες στην οργανική χημεία. Ο οργανικός χημικός άρχισε επίσης να χρησιμοποιεί ευρέως μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας, διάθλασης, θερμοχημικών σταθερών, φασμάτων απορρόφησης, περιστροφικής ικανότητας και μαγνητικών ιδιοτήτων για να μελετήσει τις ιδιότητες και τη δομή διαφόρων οργανικών ενώσεων.

Το 1909, στο άρθρο «Σύγχρονα προβλήματα της οργανικής χημείας», ο L. A. Chugaev έγραψε ότι ένας οργανικός χημικός στην έρευνά του πρέπει να υιοθετήσει μεθόδους φυσικοχημικής έρευνας και θεωρητική κάλυψη χημικών διεργασιών. Με τη σειρά του, σύμφωνα με τον Chugaev, «η χημεία των ενώσεων άνθρακα, λόγω της ανεξάντλητης ποικιλίας τόσο των μορφών της ουσίας όσο και των τύπων των μετασχηματισμών της, αντιπροσωπεύει έναν πλούτο υλικού για έρευνα».

Στην ιστορική και χημική βιβλιογραφία υποδεικνύεται μερικές φορές ότι η οργανική χημεία υποτίθεται ότι επιβράδυνε την ανάπτυξη της φυσικής χημείας για πολλά χρόνια (1840-1880) και παρέσυρε τις επιστημονικές δυνάμεις προς τον εαυτό της. Είναι αδύνατο να συμφωνήσουμε πλήρως με αυτή την άποψη. Επιπλέον, η «οργανική» περίοδος στην ανάπτυξη της χημείας ήταν ένα πολύ απαραίτητο και σημαντικό στάδιο όχι μόνο στην ανάπτυξη της χημείας γενικά, αλλά και της φυσικής χημείας, γιατί ήταν οι οργανικοί χημικοί που παρείχαν πλούσιο νέο υλικό για διάφορα φυσικά και χημική έρευνα. Οι οργανικές ενώσεις έπαιξαν σημαντικό ρόλο στην ιστορία της ανακάλυψης πολλών βασικών φυσικών και χημικών νόμων και θεωρητικά σημαντικών γενικεύσεων.

Το έργο των οργανικών χημικών για τη μελέτη της δομής διαφόρων τάξεων οργανικών ενώσεων άνοιξε το δρόμο για μια σε βάθος μελέτη του μηχανισμού αντίδρασης, ο οποίος στη συνέχεια είχε μεγάλη σημασία για την ανάπτυξη της χημικής κινητικής.

Από την εποχή του Λαβουαζιέ, οι χημικοί μπόρεσαν να προβλέψουν προς ποια κατεύθυνση θα κινηθούν οι συγκεκριμένες γρήγορες ιοντικές αντιδράσεις σχετικά μικρών μορίων και ήταν σε θέση να τροποποιήσουν αυτές τις αντιδράσεις για πρακτική χρήση. Η μελέτη σύνθετων μορίων ήταν πολύ πιο δύσκολη. Οι αργές αντιδράσεις των οργανικών ενώσεων ήταν επίσης πολύ πιο δύσκολο να αναλυθούν. Συχνά οι αντιδράσεις μπορούσαν να ακολουθήσουν διάφορα μονοπάτια και ο χημικός είχε τη δυνατότητα να κατευθύνει την αντίδραση κατά μήκος του επιθυμητού μονοπατιού μέσω της ικανότητάς του ως πειραματιστή και της διαίσθησής του, και όχι μέσω μιας βαθιάς κατανόησης της διαδικασίας.

Με την εμφάνιση του ηλεκτρονικού μοντέλου του ατόμου, οι οργανικοί χημικοί μπόρεσαν να ρίξουν μια νέα ματιά στο πεδίο της έρευνάς τους. Στα τέλη της δεκαετίας του 20 του ΧΧ αιώνα. Ο Άγγλος χημικός Christopher Ingold (1893-1970) και αρκετοί άλλοι χημικοί προσπάθησαν να προσεγγίσουν τις οργανικές αντιδράσεις από τη σκοπιά της θεωρίας της ατομικής δομής, εξηγώντας την αλληλεπίδραση των μορίων με τη μετάπτωση ηλεκτρονίων. Στην οργανική χημεία, άρχισαν να χρησιμοποιούνται εντατικά οι μέθοδοι της φυσικής χημείας. Έχει γίνει μια σημαντική πειθαρχία φυσική οργανική χημεία .

Ωστόσο, οι προσπάθειες ερμηνείας των οργανικών αντιδράσεων μόνο ως αποτέλεσμα της κίνησης των ηλεκτρονίων δεν οδήγησαν σε μεγάλη επιτυχία.

Κατά το πρώτο τέταρτο του 20ου αιώνα, από την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου, θεωρήθηκε αποδεδειγμένο ότι το ηλεκτρόνιο ήταν μια πολύ μικρή, σκληρή σφαίρα. Ωστόσο, το 1923, ο Γάλλος φυσικός Louis Victor de Broglie (γενν. 1892) παρουσίασε μια θεωρητική αιτιολόγηση ότι τα ηλεκτρόνια (και όλα τα άλλα σωματίδια) έχουν κυματικές ιδιότητες. Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 20 του ΧΧ αιώνα. αυτή η υπόθεση επιβεβαιώθηκε πειραματικά.

Ο Pauling (ο οποίος ήταν ο πρώτος που πρότεινε ότι τα μόρια πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων έχουν σπειροειδή μορφή, βλέπε Κεφάλαιο 10) στις αρχές της δεκαετίας του '30 ανέπτυξε μεθόδους που επέτρεψαν να ληφθεί υπόψη η κυματική φύση των ηλεκτρονίων κατά την εξέταση οργανικών αντιδράσεων.

Πρότεινε ότι η κοινωνικοποίηση ενός ζεύγους ηλεκτρονίων (σύμφωνα με τους Lewis και Langmuir) μπορεί να ερμηνευθεί ως η αλληλεπίδραση των κυμάτων ή η επικάλυψη των νεφών ηλεκτρονίων. Ο χημικός δεσμός, που απεικονίζεται ως χαρακτηριστικό στη δομική θεωρία του Kekule, αντιστοιχεί στις νέες έννοιες στην περιοχή της μέγιστης επικάλυψης των νεφών ηλεκτρονίων. Αποδείχθηκε ότι η επικάλυψη των νεφών ηλεκτρονίων συμβαίνει μερικές φορές όχι μόνο σε μία μόνο κατεύθυνση, που αντιπροσωπεύεται από έναν δεσμό σθένους στον δομικό τύπο. Με άλλα λόγια, η αληθινή δομή ενός μορίου δεν μπορεί να αναπαρασταθεί ούτε κατά προσέγγιση με κανέναν μεμονωμένο δομικό τύπο. Μπορεί, ωστόσο, να θεωρηθεί ως ενδιάμεσο μεταξύ πολλών υποθετικών δομών, ως «συντονιζόμενο υβρίδιο» αυτών των δομών. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η ενέργεια ενός τέτοιου πραγματικού μορίου είναι χαμηλότερη από ό,τι θα αναμενόταν με βάση οποιαδήποτε μεμονωμένη συντονιστική «κλασική» δομή. Τέτοια μόρια λέγεται ότι «σταθεροποιούνται με συντονισμό», αν και ο συντονισμός σε αυτή την περίπτωση, φυσικά, δεν είναι ένα πραγματικό φυσικό φαινόμενο, αλλά μια βολική θεωρητική ιδέα για να εξηγήσει τη σταθερότητα και τις ιδιότητες ορισμένων μορίων.

Η θεωρία συντονισμού έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμη για την κατανόηση της δομής του βενζολίου, η οποία έχει προβληματίσει τους χημικούς από την εποχή του Kekule (βλ. Κεφάλαιο 7). Ο τύπος για το βενζόλιο συνήθως απεικονιζόταν ως εξάγωνο με εναλλασσόμενους απλούς και διπλούς δεσμούς. Ωστόσο, το βενζόλιο στερείται σχεδόν τελείως των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων των ενώσεων με διπλούς δεσμούς.

Αλλά για το βενζόλιο, μπορείτε να γράψετε έναν δεύτερο, εντελώς ισοδύναμο τύπο Kekulé, στον οποίο ο απλός και ο διπλός δεσμός ανταλλάσσονται σε σύγκριση με τον πρώτο τύπο. Το πραγματικό μόριο βενζολίου περιγράφεται ως ένα συντονισμένο υβρίδιο δύο δομών Kekulé. Τα ηλεκτρόνια που είναι υπεύθυνα για το σχηματισμό διπλών δεσμών μετατοπίζονται, «απλώνονται» γύρω από τον δακτύλιο, έτσι ώστε όλοι οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων άνθρακα στο βενζόλιο να είναι ισοδύναμοι και να είναι ενδιάμεσοι μεταξύ των κλασσικών απλών και διπλών δεσμών. Αυτός ακριβώς είναι ο λόγος για την αυξημένη σταθερότητα και τις ιδιαιτερότητες της χημικής συμπεριφοράς του βενζολίου.

Εκτός από τη δομή του βενζολίου, οι ιδέες για τις κυματικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων βοήθησαν να εξηγηθούν άλλα ζητήματα. Δεδομένου ότι τα τέσσερα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο εξωτερικό περίβλημα ενός ατόμου άνθρακα δεν είναι εντελώς ισοδύναμα σε ενέργεια, θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι οι δεσμοί που σχηματίζονται μεταξύ του ατόμου άνθρακα και των γειτονικών του ατόμων διαφέρουν κάπως ανάλογα με το ποια από τα ηλεκτρόνια εμπλέκονται στο σχηματισμό ενός ή άλλη επικοινωνία.

Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι τέσσερα ηλεκτρόνια, όπως τα κύματα, αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και σχηματίζουν τέσσερις «μεσαίους» δεσμούς, οι οποίοι είναι εντελώς ισοδύναμοι και κατευθύνονται προς τις κορυφές του τετραέδρου, όπως στο τετραεδρικό άτομο van’t Hoff-Le Bel.

Ταυτόχρονα, ο συντονισμός βοήθησε να εξηγηθεί η δομή μιας ομάδας ασυνήθιστων ενώσεων που οι χημικοί συνάντησαν για πρώτη φορά στις αρχές του 20ου αιώνα. Το 1900, ο Αμερικανός χημικός Moses Gomberg (1866-1947) προσπάθησε να αποκτήσει εξαφαινυλαιθάνιο, μια ένωση στο μόριο της οποίας δύο άτομα άνθρακα συνδέονται με έξι δακτυλίους βενζολίου (τρεις για κάθε άτομο άνθρακα).

Αντί αυτής της ένωσης, ο Gomberg έλαβε ένα έγχρωμο διάλυμα κάποιας πολύ δραστικής ένωσης. Για διάφορους λόγους, ο Γκόμπεργκ πίστευε ότι είχε λάβει τριφαινυλομεθύλιο- ένα «μισό μόριο» που αποτελείται από ένα άτομο άνθρακα και τρεις δακτυλίους βενζολίου, στους οποίους ο τέταρτος δεσμός του ατόμου άνθρακα είναι ακόρεστος.

Αυτή η ένωση έμοιαζε με έναν από αυτούς τους ριζοσπάστες των οποίων η ιδέα εισήχθη τον 19ο αιώνα. να εξηγήσει τη δομή των οργανικών ενώσεων (βλ. Κεφάλαιο 6). Ωστόσο, σε αντίθεση με τις ρίζες της παλιάς θεωρίας, το μόριο που ανακάλυψε ο Gomberg υπήρχε σε απομονωμένη μορφή και όχι ως θραύσμα άλλης ένωσης, έτσι ονομάστηκε ελεύθερες ρίζες .

Με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών εννοιών του χημικού δεσμού, κατέστη σαφές ότι στις ελεύθερες ρίζες, για παράδειγμα σε τριφαινυλομεθύλιο, ένας ακόρεστος δεσμός (από την άποψη της θεωρίας του Kekule) στο πλαίσιο νέων εννοιών αντιστοιχεί σε ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο. Τυπικά, τέτοια μόρια με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο είναι εξαιρετικά αντιδραστικά και γρήγορα μετατρέπονται σε άλλες ουσίες.

Ωστόσο, εάν το μόριο είναι επίπεδο και συμμετρικό (όπως ένα μόριο τριφαινυλομεθυλίου), τότε το ασύζευκτο ηλεκτρόνιο μπορεί να «αλειφθεί» σε όλο το μόριο, κάτι που θα οδηγήσει σε σταθεροποίηση της ρίζας.

Όταν η μελέτη των οργανικών αντιδράσεων προσεγγίστηκε από τη σκοπιά της θεωρίας της ηλεκτρονικής δομής, έγινε φανερό ότι οι αντιδράσεις συχνά περιλαμβάνουν το στάδιο του σχηματισμού ελεύθερων ριζών. Τέτοιες ελεύθερες ρίζες, κατά κανόνα, που δεν σταθεροποιούνται με συντονισμό, υπάρχουν μόνο για μικρό χρονικό διάστημα και σχηματίζονται πάντα με δυσκολία. Λόγω της δυσκολίας σχηματισμού ενδιαμέσων ελεύθερων ριζών οι περισσότερες οργανικές αντιδράσεις προχωρούν τόσο αργά.

Στο δεύτερο τέταρτο του 20ου αιώνα. Οι οργανικοί χημικοί άρχισαν να διεισδύουν όλο και βαθύτερα στην ουσία των οργανικών αντιδράσεων και έχοντας μελετήσει τον μηχανισμό των αντιδράσεων, κατανοώντας την ίδια την ουσία της διαδικασίας, μπόρεσαν να συνθέσουν μόρια των οποίων η πολυπλοκότητα εξέπληξε τους χημικούς των προηγούμενων γενεών.

Ωστόσο, οι έννοιες της θεωρίας συντονισμού είναι εφαρμόσιμες όχι μόνο στην οργανική χημεία. Με βάση παλιές ιδέες, είναι αδύνατο, ειδικότερα, να εξηγηθεί με σαφήνεια η δομή των μορίων βοροϋδριδίου. Το άτομο του βορίου έχει πολύ λίγα ηλεκτρόνια σθένους για να σχηματίσει τον απαιτούμενο αριθμό δεσμών. Αν υποθέσουμε ότι τα ηλεκτρόνια είναι κατάλληλα «αλειμμένα», τότε μπορούμε να προτείνουμε μια αποδεκτή μοριακή δομή.

Αν και από την ανακάλυψη των αδρανών αερίων πιστευόταν ότι δεν εισήλθαν σε καμία αντίδραση, το 1932 ο Pauling πρότεινε ότι τα άτομα αυτών των αερίων θα έπρεπε να σχηματίσουν δεσμούς.

Αρχικά, αυτή η υπόθεση του Pauling πέρασε απαρατήρητη, αλλά το 1962, ως αποτέλεσμα της αντίδρασης του αδρανούς αερίου ξένον με το φθόριο, φθοριούχο ξένο. Αμέσως μετά, ελήφθη ένας αριθμός άλλων ενώσεων ξένου με φθόριο και οξυγόνο, καθώς και ενώσεις ραδονίου και κρυπτονίου.

Ημιζωή

Η μελέτη της δομής του ατόμου οδήγησε σε μια νέα κατανόηση του προβλήματος, αλλά ταυτόχρονα, οι επιστήμονες αντιμετώπισαν μια σειρά από νέα ερωτήματα.

Το 1900, ο Crookes (βλ. Κεφάλαιο 12) ανακάλυψε ότι οι πρόσφατα παρασκευασμένες ενώσεις καθαρού ουρανίου έχουν πολύ μικρή ραδιενέργεια και ότι η ραδιενέργεια αυτών των ενώσεων αυξάνεται με το χρόνο. Μέχρι το 1902, ο Rutherford και ο συνεργάτης του, ο Άγγλος χημικός Frederick Soddy (1877-1956), πρότειναν ότι με την εκπομπή ενός σωματιδίου άλφα η φύση του ατόμου ουρανίου αλλάζει και ότι το νέο άτομο που παράγεται εκπέμπει ισχυρότερη ακτινοβολία από το ίδιο το ουράνιο (επομένως , η παρατήρηση ελήφθη υπόψη εδώ Crookes). Αυτό το δεύτερο άτομο με τη σειρά του επίσης διασπάται, σχηματίζοντας ένα άλλο άτομο. Πράγματι, το άτομο ουρανίου δημιουργεί μια ολόκληρη σειρά ραδιενεργών στοιχείων - ραδιενεργές σειρές, συμπεριλαμβανομένου του ραδίου και του πολώνιου (βλ. ενότητα "Τακτικός αριθμός") και τελειώνει με μόλυβδο, ο οποίος δεν είναι ραδιενεργός. Αυτός είναι ο λόγος που το ράδιο, το πολώνιο και άλλα σπάνια ραδιενεργά στοιχεία μπορούν να βρεθούν στα ορυκτά ουρανίου. Η δεύτερη σειρά ραδιενεργών ξεκινά επίσης με το ουράνιο, ενώ η τρίτη σειρά ραδιενεργών ξεκινά με το θόριο.

Είναι σκόπιμο να αναρωτηθούμε γιατί τα ραδιενεργά στοιχεία, τα οποία διαρκώς αποσυντίθενται, εξακολουθούν να υπάρχουν; Το 1904, αυτό το ζήτημα επιλύθηκε από τον Rutherford. Μελετώντας το ρυθμό ραδιενεργού διάσπασης, έδειξε ότι μετά από μια ορισμένη περίοδο, διαφορετική για διαφορετικά στοιχεία, διασπάται το μισό μιας δεδομένης ποσότητας ενός δεδομένου ραδιενεργού στοιχείου. Αυτή την περίοδο, χαρακτηριστική για κάθε μεμονωμένο τύπο ραδιενεργού ουσίας, ονόμασε ο Ράδερφορντ ημιζωή(Εικ. 22).

Ρύζι. 22. Ο χρόνος ημιζωής του ραδονίου προσδιορίζεται με τη μέτρηση της ποσότητας της ουσίας που παραμένει σε τακτά χρονικά διαστήματα. Η προκύπτουσα εξάρτηση είναι μια εκθετική καμπύλη «αποδόμησης». y=e-ah .

Ο χρόνος ημιζωής του ραδίου, για παράδειγμα, είναι λίγο λιγότερο από 1600 χρόνια. Κατά τη διάρκεια των γεωλογικών εποχών, οποιαδήποτε ποσότητα ραδίου στον φλοιό της γης, φυσικά, θα είχε εξαφανιστεί εδώ και πολύ καιρό, εάν δεν ανανεωνόταν συνεχώς από τη διάσπαση του ουρανίου. Το ίδιο μπορεί να ειπωθεί για άλλα προϊόντα διάσπασης ουρανίου, συμπεριλαμβανομένων εκείνων των οποίων ο χρόνος ημιζωής μετράται σε κλάσματα του δευτερολέπτου.

Ο χρόνος ημιζωής του ίδιου του ουρανίου είναι 4.500.000.000 χρόνια. Αυτή είναι μια τεράστια χρονική περίοδος, και σε όλη την ιστορία της Γης, μόνο ένα μέρος των αρχικών αποθεμάτων ουρανίου θα μπορούσε να αποσυντεθεί. Το θόριο διασπάται ακόμη πιο αργά, με χρόνο ημιζωής 14.000.000.000 ετών.

Τέτοιες τεράστιες χρονικές περίοδοι μπορούν να προσδιοριστούν μόνο μετρώντας τον αριθμό των σωματιδίων άλφα που εκπέμπονται από μια δεδομένη μάζα ουρανίου (ή θορίου). Ο Ράδερφορντ μέτρησε τα σωματίδια άλφα ανιχνεύοντας μικρές λάμψεις που εμφανίστηκαν όταν τα σωματίδια άλφα συγκρούστηκαν με μια οθόνη θειούχου ψευδαργύρου (δηλαδή, χρησιμοποιώντας το λεγόμενο μετρητής σπινθηρισμών).

Κάθε νέο σωματίδιο άλφα σήμαινε ότι ένα άλλο άτομο ουρανίου είχε αποσυντεθεί, οπότε ο Ράδερφορντ μπορούσε να προσδιορίσει πόσα άτομα διασπώνται ανά δευτερόλεπτο. Από τη μάζα του ουρανίου που χρησιμοποίησε, ο Ράδερφορντ προσδιόρισε τον συνολικό αριθμό των ατόμων ουρανίου. Έχοντας τέτοια δεδομένα, δεν ήταν πλέον δύσκολο να υπολογιστεί ο χρόνος που απαιτείται για τη διάσπαση της μισής διαθέσιμης ποσότητας ουρανίου. Όπως αποδείχθηκε, μιλάμε για δισεκατομμύρια χρόνια.

Η διάσπαση του ουρανίου είναι μια τόσο σταθερή και χαρακτηριστική διαδικασία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της ηλικίας της Γης. Το 1907, ο Αμερικανός χημικός Bertram Borden Boltwood (1870-1927) πρότεινε ότι τέτοιοι προσδιορισμοί θα μπορούσαν να βασιστούν στην περιεκτικότητα σε μόλυβδο των ορυκτών ουρανίου. Αν υποθέσουμε ότι όλος ο μόλυβδος στα ορυκτά προήλθε από την αποσύνθεση του ουρανίου, τότε είναι εύκολο να υπολογίσουμε πόσο καιρό πήρε. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, ήταν δυνατό να προσδιοριστεί ότι η ηλικία του στερεού φλοιού είναι τουλάχιστον τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια.

Εν τω μεταξύ, ο Soddy συνέχισε να περιγράφει τις αλλαγές στο άτομο που προκαλούνται από την απελευθέρωση υποατομικών σωματιδίων. Εάν ένα άτομο χάσει ένα σωματίδιο άλφα (φόρτιση +2), το συνολικό φορτίο στον πυρήνα του μειώνεται κατά δύο και το στοιχείο μετακινείται δύο κενά προς τα αριστερά στον περιοδικό πίνακα.

Εάν ένα άτομο χάσει ένα σωματίδιο βήτα (ένα ηλεκτρόνιο με φορτίο -1), ο πυρήνας αποκτά ένα επιπλέον θετικό φορτίο και το στοιχείο μετακινείται ένα διάστημα προς τα δεξιά στον περιοδικό πίνακα. Εάν ένα άτομο εκπέμπει ακτίνες γάμμα (αφορτισμένο), το ενεργειακό περιεχόμενο αλλάζει, αλλά η σύσταση των σωματιδίων δεν επηρεάζεται, οπότε παραμένει το ίδιο στοιχείο.

Καθοδηγούμενοι από αυτούς τους κανόνες, οι χημικοί μπόρεσαν να μελετήσουν διεξοδικά πολλές ραδιενεργές σειρές.

Ισότοπα

Με την ανακάλυψη ραδιενεργών στοιχείων, οι επιστήμονες αντιμετώπισαν ένα σοβαρό πρόβλημα: τι να κάνουν με τα διάφορα προϊόντα διάσπασης του ουρανίου και του θορίου; Ανακαλύφθηκαν σε δεκάδες και στον περιοδικό πίνακα είχαν απομείνει μόνο εννέα θέσεις (από πολώνιο με αύξοντα αριθμό 84 έως ουράνιο με αύξοντα αριθμό 92) στις οποίες μπορούσαν να τοποθετηθούν.

Έτσι, ένα άτομο ουρανίου (σειριακός αριθμός 92) εκπέμπει ένα σωματίδιο άλφα. Ο ατομικός αριθμός του νέου στοιχείου, σύμφωνα με τον κανόνα του Soddy, είναι 90. Αυτό σημαίνει ότι ένα άτομο ουρανίου πρέπει να σχηματίζει ένα άτομο θορίου. Ωστόσο, ο χρόνος ημιζωής του συνηθισμένου θορίου μετράται σε 14 δισεκατομμύρια χρόνια, ενώ ο χρόνος ημιζωής του θορίου που προέρχεται από το ουράνιο είναι μόνο 24 ημέρες.

Διαφορές παρατηρούνται ακόμη και όταν λαμβάνονται μη ραδιενεργά στοιχεία. Για παράδειγμα, ο Richards (ειδικός στις ατομικές μάζες, βλέπε Κεφάλαιο 5) μπόρεσε να δείξει το 1913 ότι η ατομική μάζα του μολύβδου που λαμβάνεται από τη διάσπαση του ουρανίου είναι κάπως διαφορετική από την ατομική μάζα του συνηθισμένου μολύβδου.

Ο Soddy ήταν αρκετά αποφασισμένος για να προτείνει ότι περισσότεροι από ένας τύποι ατόμων θα μπορούσαν να αντιστοιχούν στην ίδια θέση στον περιοδικό πίνακα. Ο αριθμός 90 μπορεί να καταλαμβάνεται από διαφορετικές ποικιλίες θορίου, ο αριθμός 82 από διαφορετικές ποικιλίες μολύβδου κ.λπ. Ο Soddy ονόμασε αυτές τις ποικιλίες ατόμων που καταλαμβάνουν την ίδια θέση στον πίνακα, ισότοπα(από το ελληνικό tópos - τόπος).

Τα ισότοπα που καταλαμβάνουν την ίδια θέση στον πίνακα πρέπει να έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό και, επομένως, τον ίδιο αριθμό πρωτονίων στον πυρήνα και τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων στα κελύφη. Τα ισότοπα ενός στοιχείου πρέπει να έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες, αφού αυτές οι ιδιότητες εξαρτώνται από τον αριθμό και τη θέση των ηλεκτρονίων στα άτομα.

Πώς όμως, σε αυτή την περίπτωση, μπορούμε να εξηγήσουμε τη διαφορά στις ραδιενεργές ιδιότητες και στις ατομικές μάζες;

Τον περασμένο αιώνα, ο Prout πρότεινε την περίφημη υπόθεσή του (βλ. Κεφάλαιο 5), σύμφωνα με την οποία όλα τα άτομα αποτελούνται από υδρογόνο, έτσι ώστε όλα τα στοιχεία να έχουν ακέραιες ατομικές μάζες. Ωστόσο, όπως αποδείχθηκε, οι περισσότερες ατομικές μάζες είναι μη ακέραιες και αυτό το γεγονός φάνηκε να διαψεύδει την υπόθεση.

Όμως, σύμφωνα με νέες ιδέες για τη δομή του ατόμου, ένα άτομο έχει έναν πυρήνα που αποτελείται από πρωτόνια (και νετρόνια). Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι περίπου ίσα σε μάζα, και επομένως οι μάζες όλων των ατόμων πρέπει να είναι πολλαπλάσιες της μάζας ενός ατόμου υδρογόνου (που αποτελείται από ένα πρωτόνιο). Η υπόθεση του Prout αναβίωσε, αλλά προέκυψαν πάλι αμφιβολίες για το ποιες θα έπρεπε να είναι οι ατομικές μάζες.

Το 1912, ο J. J. Thomson (ο οποίος, όπως είπαμε παραπάνω, ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο) εξέθεσε δέσμες θετικά φορτισμένων ιόντων νέον σε ένα μαγνητικό πεδίο. Το μαγνητικό πεδίο προκάλεσε την εκτροπή των ιόντων, με αποτέλεσμα να πέσουν πάνω στη φωτογραφική πλάκα. Αν όλα τα ιόντα ήταν ίδια σε μάζα, τότε όλα θα εκτρέπονταν από το μαγνητικό πεδίο στην ίδια γωνία και θα εμφανιζόταν ένα αποχρωματισμένο σημείο στο φωτογραφικό φιλμ. Ωστόσο, ως αποτέλεσμα αυτού του πειράματος, ο Thomson απέκτησε δύο κηλίδες, το ένα από τα οποία ήταν περίπου δέκα φορές πιο σκούρο από το άλλο. Ο συνεργάτης του Thomson, Francis William Aston (1877-1945), ο οποίος αργότερα βελτίωσε αυτή τη συσκευή, επιβεβαίωσε την ορθότητα των δεδομένων που ελήφθησαν. Παρόμοια αποτελέσματα ελήφθησαν και για άλλα στοιχεία. Αυτή η συσκευή, η οποία επέτρεψε τον διαχωρισμό χημικά όμοιων ιόντων σε δέσμες ιόντων με διαφορετικές μάζες, ονομάστηκε φασματογράφος μάζας .

Η ποσότητα της εκτροπής εξίσου φορτισμένων ιόντων σε ένα μαγνητικό πεδίο εξαρτάται από τη μάζα αυτών των ιόντων. Τα ιόντα με μεγαλύτερη μάζα εκτρέπονται λιγότερο και το αντίστροφο. Έτσι, τα πειράματα των Thomson και Aston έδειξαν ότι υπάρχουν δύο τύποι ατόμων νέον. Για έναν τύπο ατόμου μαζικός αριθμόςίσο με 20, για το άλλο - 22. Ως αποτέλεσμα του προσδιορισμού του σχετικού μαύρου χρώματος των κηλίδων, διαπιστώθηκε ότι η περιεκτικότητα σε νέο-20 είναι 10 φορές μεγαλύτερη από το νέο-22. Αργότερα, ανακαλύφθηκε επίσης η παρουσία μικρών ποσοτήτων νέον-21. Εάν, κατά τον υπολογισμό της ατομικής μάζας του νέον, προχωρήσουμε από αυτά τα δεδομένα, αποδεικνύεται ότι ισούται περίπου με 20,2.

Με άλλα λόγια, η μάζα μεμονωμένων ατόμων είναι ένας ακέραιος αριθμός πολλαπλάσιο της μάζας ενός ατόμου υδρογόνου, αλλά η ατομική μάζα ενός μεμονωμένου στοιχείου είναι ο μέσος όρος των ατομικών μαζών των συστατικών του ατόμων και επομένως μπορεί να μην είναι ένα σύνολο αριθμός.

Η μέση ατομική μάζα ενός στοιχείου με μεγάλο αριθμό ισοτόπων μπορεί σε ορισμένες περιπτώσεις να είναι μεγαλύτερη από τη μέση ατομική μάζα ενός στοιχείου με μεγαλύτερο ατομικό αριθμό. Για παράδειγμα, το τελλούριο, του οποίου ο ατομικός αριθμός είναι 52, έχει επτά ισότοπα. Από αυτά, τα δύο βαρύτερα ισότοπα, το τελλούριο-126 και το τελλούριο-128, είναι τα πιο άφθονα. Κατά συνέπεια, η ατομική μάζα του τελλουρίου πλησιάζει το 127,6. Ο ατομικός αριθμός του ιωδίου είναι 53, δηλαδή ένας περισσότερος από αυτόν του τελλουρίου. Αλλά το ιώδιο έχει μόνο ένα ισότοπο, το ιώδιο-127, και ως εκ τούτου η ατομική του μάζα είναι 127. Όταν ο Mendeleev τοποθέτησε ιώδιο πίσω από το τελλούριο στον περιοδικό πίνακα του και έτσι παραβίασε τη σειρά που υπαγορεύει η ατομική μάζα, αυτός, χωρίς να το γνωρίζει, ακολούθησε τις κατηγορίες του πυρήνες, δηλ. η φυσική ουσία του περιοδικού νόμου.

Ας δώσουμε ένα άλλο παρόμοιο παράδειγμα. Το κάλιο (σειριακός αριθμός 19) έχει τρία ισότοπα - κάλιο-39, κάλιο-40 και κάλιο-41, αλλά το ελαφρύτερο ισότοπο είναι το πιο κοινό - κάλιο-39. Ως αποτέλεσμα, η ατομική μάζα του καλίου είναι 39,1. Ο ατομικός αριθμός του αργού είναι 18 και έχει επίσης τρία ισότοπα - αργόν-36, αργόν-38 και αργόν-40, αλλά το βαρύτερο ισότοπο - αργόν-40 - είναι το πιο κοινό. Ως αποτέλεσμα, η ατομική μάζα του αργού είναι περίπου 40.

Χρησιμοποιώντας ένα φασματογράφο μάζας, μπορείτε να μετρήσετε τις μάζες μεμονωμένων ισοτόπων και να προσδιορίσετε την περιεκτικότητα αυτών των ισοτόπων. Έχοντας λάβει τέτοια δεδομένα, είναι δυνατός ο υπολογισμός της μέσης ατομικής μάζας του στοιχείου. Η ακρίβεια αυτής της μεθόδου προσδιορισμού της ατομικής μάζας είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των χημικών μεθόδων.

Διαφορετικά ισότοπα ενός δεδομένου στοιχείου έχουν τα ίδια πυρηνικά φορτία αλλά διαφορετικούς αριθμούς μάζας. Κατά συνέπεια, οι πυρήνες διαφορετικών ισοτόπων περιέχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Το Neon-20, το Neon-21 και το Neon-22 έχουν 10 πρωτόνια στον πυρήνα, ο σειριακός αριθμός όλων αυτών των ισοτόπων είναι 10 και τα ηλεκτρόνια κατανέμονται μεταξύ των φλοιών ως εξής: 2, 8. Ωστόσο, το νέο-20 ο πυρήνας περιέχει 10 πρωτόνια συν 10 νετρόνια, στον πυρήνα νέον-21 έχει 10 πρωτόνια συν 11 νετρόνια και ο πυρήνας νέον-22 έχει 10 πρωτόνια συν 12 νετρόνια.

Τα περισσότερα στοιχεία (αλλά όχι όλα) περιέχουν ισότοπα. Το 1935, ο Αμερικανός φυσικός Arthur Geoffrey Dempster (1886-1950) διαπίστωσε, για παράδειγμα, ότι το φυσικό ουράνιο, του οποίου η ατομική μάζα (238,07) είναι πολύ κοντά σε έναν ακέραιο, είναι ένα μείγμα δύο ισοτόπων. Ένα από τα ισότοπα περιέχεται σε κυρίαρχη ποσότητα (99,3%). Οι πυρήνες αυτού του ισοτόπου αποτελούνται από 92 πρωτόνια και 146 νετρόνια, δηλαδή ο συνολικός μαζικός αριθμός είναι 238. Αυτό είναι το ουράνιο-238. Η περιεκτικότητα ενός άλλου ισοτόπου, του ουρανίου-235, είναι μόνο 0,7%. υπάρχουν τρία λιγότερα νετρόνια στον πυρήνα αυτού του ισοτόπου.

Δεδομένου ότι οι ραδιενεργές ιδιότητες εξαρτώνται από τη δομή του ατομικού πυρήνα και όχι από το ηλεκτρονικό περιβάλλον, τα ισότοπα του ίδιου στοιχείου μπορεί να έχουν παρόμοιες χημικές ιδιότητες και εντελώς διαφορετική ραδιενέργεια. Ενώ ο χρόνος ημιζωής του ουρανίου-238 είναι 4.500.000.000 χρόνια, ο χρόνος ημιζωής του ουρανίου-235 είναι μόνο 700.000.000 χρόνια. Και τα δύο αυτά στοιχεία είναι τα πρώτα στοιχεία δύο ξεχωριστών ραδιενεργών σειρών.

Υπήρχαν θεωρητικές υποθέσεις που πρότειναν ότι το υδρογόνο, το απλούστερο από τα στοιχεία, θα μπορούσε επίσης να έχει ένα ζευγάρι ισοτόπων. Οι πυρήνες των συνηθισμένων ατόμων υδρογόνου αποτελούνται από ένα πρωτόνιο, δηλαδή το συνηθισμένο υδρογόνο είναι το υδρογόνο-1. Το 1931, ο Αμερικανός χημικός Harold Clayton Urey (1893-1980) πρότεινε ότι το βαρύτερο ισότοπο του υδρογόνου, εάν υπήρχε, θα έπρεπε να βράζει σε υψηλότερη θερμοκρασία, να εξατμίζεται πιο αργά και να συσσωρεύεται σε ένα υπόλειμμα.

Σε μια προσπάθεια να ανιχνεύσει αυτό το βαρύτερο ισότοπο υδρογόνου, ο Γιούρι άρχισε να εξατμίζει αργά τέσσερα λίτρα υγρού υδρογόνου. Και στο τελευταίο κυβικό εκατοστό υδρογόνου, ο Urey βρήκε πραγματικά αναμφισβήτητα σημάδια της παρουσίας υδρογόνου-2, ενός ισοτόπου του οποίου ο πυρήνας περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. Ονομάστηκε Hydrogen-2 δευτέριο .

Το οξυγόνο δεν ήταν εξαίρεση. Το 1929, ο Αμερικανός χημικός Williams Francis Gioc (γεννημένος το 1895) κατάφερε να δείξει ότι το οξυγόνο έχει τρία ισότοπα. Το οξυγόνο-16 είναι το πιο άφθονο, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 99,8% όλων των ατόμων. Υπάρχουν 8 πρωτόνια και 8 νετρόνια στον πυρήνα του οξυγόνου-16. Ο πυρήνας του οξυγόνου-18, το δεύτερο πιο άφθονο ισότοπο, έχει 8 πρωτόνια και 10 νετρόνια.

Αυτό δημιούργησε πρόβλημα. Από την εποχή του Berzelius, οι ατομικές μάζες των στοιχείων έχουν υπολογιστεί με την υπόθεση ότι η ατομική μάζα του οξυγόνου είναι 16.0000 (βλ. Κεφάλαιο 5). Αλλά η ατομική μάζα του οξυγόνου θα μπορούσε να είναι μόνο η υπολογιζόμενη μέση ατομική μάζα των τριών ισοτόπων και η αναλογία των ισοτόπων οξυγόνου θα μπορούσε να ποικίλλει πολύ από δείγμα σε δείγμα.

Οι φυσικοί άρχισαν να προσδιορίζουν τις ατομικές μάζες με βάση την ατομική μάζα του οξυγόνου-16, ίση με 16.0000. Ως αποτέλεσμα, ελήφθη ένας αριθμός τιμών ( φυσική ατομική μάζα), η οποία κατά πολύ μικρή σταθερή τιμή υπερέβαινε τις τιμές που χρησιμοποιήθηκαν και οι οποίες σταδιακά βελτιώθηκαν κατά τον 19ο αιώνα. ( χημικά ατομικά βάρη).

Το 1961, διεθνείς οργανισμοί τόσο χημικών όσο και φυσικών συμφώνησαν να υιοθετήσουν την ατομική μάζα του άνθρακα-12 ως πρότυπο, ορίζοντας την ακριβώς στα 12.0000. Οι ατομικές μάζες των στοιχείων που υπολογίζονται χρησιμοποιώντας το νέο πρότυπο είναι σχεδόν ακριβώς οι ίδιες με τα παλιά χημικά ατομικά βάρη και, επιπλέον, το νέο πρότυπο σχετίζεται με ένα μόνο ισότοπο και όχι με έναν γαλαξία ισοτόπων.

Κεφάλαιο 14 Πυρηνικές αντιδράσεις

Νέες μεταμορφώσεις

Μόλις έγινε φανερό ότι το άτομο αποτελείται από μικρότερα σωματίδια που αναδιατάσσονταν τυχαία κατά τη διάρκεια ραδιενεργών μετασχηματισμών, το επόμενο βήμα φαινόταν σχεδόν προκαθορισμένο.

Ο άνθρωπος έχει μάθει να αναδιατάσσει τα μόρια κατά την κρίση του χρησιμοποιώντας συνηθισμένες χημικές αντιδράσεις. Γιατί να μην προσπαθήσετε να αναδιατάξετε τους πυρήνες των ατόμων χρησιμοποιώντας πυρηνικές αντιδράσεις? Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι πολύ πιο στενά συνδεδεμένα από τα άτομα ενός μορίου και οι συνήθεις μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη διεξαγωγή συνηθισμένων χημικών αντιδράσεων φυσικά δεν θα οδηγήσουν σε επιτυχία. Αλλά μπορείτε να προσπαθήσετε να αναπτύξετε νέες μεθόδους.

Το πρώτο βήμα προς αυτή την κατεύθυνση έγινε από τον Rutherford. βομβάρδισε διάφορα αέρια με σωματίδια άλφα και ανακάλυψε ότι κάθε φορά που ένα σωματίδιο άλφα χτυπούσε τον πυρήνα ενός ατόμου, διέλυε τη δομή του (Εικ. 23).

Το 1919, ο Ράδερφορντ ήταν ήδη σε θέση να δείξει ότι τα σωματίδια άλφα μπορούσαν να εκτινάξουν τα πρωτόνια από τους πυρήνες του αζώτου και να συνδυαστούν με ό,τι είχε απομείνει από τον πυρήνα. Το πιο κοινό ισότοπο του αζώτου είναι το άζωτο-14, το οποίο έχει 7 πρωτόνια και 7 νετρόνια στον πυρήνα του. Εάν εξαλείψετε ένα πρωτόνιο από αυτόν τον πυρήνα και προσθέσετε 2 πρωτόνια και 2 νετρόνια ενός σωματιδίου άλφα, θα λάβετε έναν πυρήνα με 8 πρωτόνια και 9 νετρόνια, δηλαδή έναν πυρήνα οξυγόνου-17. Το σωματίδιο άλφα μπορεί να θεωρηθεί ως ήλιο-4 και το πρωτόνιο ως υδρογόνο-1. Έτσι, ο Ράδερφορντ ήταν ο πρώτος που πραγματοποίησε με επιτυχία μια τεχνητή πυρηνική αντίδραση:

Άζωτο-14 + ήλιο-4 → οξυγόνο-17 + υδρογόνο-1

Μεταμορφώνοντας ένα στοιχείο σε ένα άλλο, πέτυχε τη μεταστοιχείωση. Έτσι, στον 20ο αιώνα. το πιο αγαπημένο όνειρο των αλχημιστών έγινε πραγματικότητα.

Τα επόμενα πέντε χρόνια, ο Ράδερφορντ διεξήγαγε μια σειρά από άλλες πυρηνικές αντιδράσεις χρησιμοποιώντας σωματίδια άλφα. Ωστόσο, οι δυνατότητές του ήταν περιορισμένες, αφού τα ραδιενεργά στοιχεία παρήγαγαν σωματίδια άλφα μόνο με μέση ενέργεια. Χρειάζονταν σωματίδια με πολύ υψηλότερες ενέργειες.

Ρύζι. 23. Σχήμα του πειράματος του Rutherford. Τα εκπεμπόμενα σωματίδια άλφα εκτρέπονται καθώς περνούν μέσα από το φύλλο χρυσού. το μέγεθος της απόκλισης καταγράφεται όταν τα σωματίδια συγκρούονται με μια φθορίζουσα οθόνη.

Οι φυσικοί άρχισαν να δημιουργούν συσκευές σχεδιασμένες να επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Αναγκάζοντας τα σωματίδια να κινούνται με επιτάχυνση, η ενέργειά τους θα μπορούσε να αυξηθεί. Ο Άγγλος φυσικός John Douglas Cockroft (1897-1967), μαζί με τον συνεργάτη του, Ιρλανδό φυσικό Έρνεστ Τόμας Σίντον Γουόλτον (γεννημένος το 1903), ήταν οι πρώτοι που ανέπτυξαν την ιδέα ενός επιταχυντή που επέτρεπε την παραγωγή σωματιδίων με ενέργεια αρκετή για μεταφορά. από μια πυρηνική αντίδραση. Το 1929 κατασκευάστηκε ένας τέτοιος επιταχυντής. Τρία χρόνια αργότερα, οι ίδιοι φυσικοί βομβάρδισαν άτομα λιθίου με επιταχυνόμενα πρωτόνια και απέκτησαν σωματίδια άλφα. Αυτή η πυρηνική αντίδραση μπορεί να γραφτεί ως εξής:

Υδρογόνο-1 + λίθιο-7 → ήλιο-4 + ήλιο-4

Στον επιταχυντή Cockcroft-Walton και σε έναν αριθμό άλλων παρόμοιων επιταχυντών, τα σωματίδια κινούνταν κατά μήκος μιας ευθείας διαδρομής. Ήταν δυνατό να ληφθούν σωματίδια υψηλής ενέργειας σε έναν τέτοιο επιταχυντή μόνο εάν η διαδρομή των σωματιδίων ήταν αρκετά μεγάλη, επομένως οι επιταχυντές αυτού του τύπου ήταν εξαιρετικά ογκώδεις. Το 1930, ο Αμερικανός φυσικός Ernest Orlando Lawrence (1901-1958) πρότεινε έναν επιταχυντή στον οποίο τα σωματίδια κινούνταν σε μια ελαφρώς αποκλίνουσα σπείρα. Αυτό είναι σχετικά μικρό κύκλοτροθα μπορούσε να παράγει σωματίδια με εξαιρετικά υψηλή ενέργεια.

Το πρώτο πολύ μικρό κυκλότρον του Λόρενς είναι ο πρόδρομος των σημερινών γιγάντων εγκαταστάσεων, μισού χιλιομέτρου σε περιφέρεια, που χρησιμοποιούνται για την αναζήτηση απαντήσεων στα πιο περίπλοκα ερωτήματα που σχετίζονται με τη δομή της ύλης.

Το 1930, ο Άγγλος φυσικός Paul Adrien Morris Dirac (γεννημένος το 1902) τεκμηρίωσε θεωρητικά την υπόθεση ότι τόσο τα πρωτόνια όσο και τα ηλεκτρόνια πρέπει να έχουν τη δική τους αντισωματίδια . Αντιηλεκτρόνιοπρέπει να έχει μάζα ηλεκτρονίου, αλλά να είναι θετικά φορτισμένο, αντιπρωτόνιοπρέπει να έχει μάζα πρωτονίου, αλλά να είναι αρνητικά φορτισμένο.

Το αντιηλεκτρόνιο ανακαλύφθηκε το 1932 από τον Αμερικανό φυσικό Carl David Anderson (γεννημένος το 1905) κατά την έρευνά του στις κοσμικές ακτίνες. Όταν οι κοσμικές ακτίνες συγκρούονται με τους ατομικούς πυρήνες στην ατμόσφαιρα, δημιουργούν σωματίδια που εκτρέπονται στο μαγνητικό πεδίο με την ίδια γωνία με τα ηλεκτρόνια, αλλά προς την αντίθετη κατεύθυνση. Ο Άντερσον ονόμασε σωματίδια αυτού του είδους ποζιτρόνια .

Το αντιπρωτόνιο δεν μπορούσε να ανακαλυφθεί για άλλο ένα τέταρτο του αιώνα. Δεδομένου ότι η μάζα του αντιπρωτονίου είναι 1836 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του αντιηλεκτρονίου, ο σχηματισμός ενός αντιπρωτονίου απαιτεί 1836 φορές περισσότερη ενέργεια, και ως εκ τούτου, μέχρι τη δεκαετία του '50 του 20ού αιώνα. αυτή η μεταμόρφωση ήταν αδύνατη. Το 1955, οι Αμερικανοί φυσικοί Emilio Segre (γεννημένος το 1905) και Owen Chamberlain (γεννημένος το 1920) κατάφεραν να αποκτήσουν και να ανιχνεύσουν ένα αντιπρωτόνιο χρησιμοποιώντας ισχυρούς επιταχυντές.

Διαπιστώθηκε ότι μπορεί να υπάρχουν τέτοια περίεργα άτομα στα οποία αρνητικά φορτισμένοι πυρήνες που περιέχουν αντιπρωτόνια περιβάλλονται από θετικά φορτισμένα ποζιτρόνια. Φυσικά, τι είναι αντιύληδεν μπορεί να υπάρξει για μεγάλο χρονικό διάστημα ούτε στη Γη, ούτε, πιθανώς, ακόμη και μέσα στον Γαλαξία μας, αφού όταν η ύλη έρχεται σε επαφή με την αντιύλη, εκμηδενίζονται (καταστρέφονται), απελευθερώνοντας τεράστια ποσότητα ενέργειας. Και όμως, οι αστρονόμοι αναρωτιούνται αν θα μπορούσαν να υπάρχουν γαλαξίες κατασκευασμένοι από αντιύλη; Εάν αυτό είναι δυνατό, τότε θα είναι πολύ δύσκολο να ανιχνευθούν τέτοιοι Γαλαξίες.

Το Τμήμα Φυσικής και Οργανικής Χημείας του USPTU δημιουργήθηκε ως αποτέλεσμα της συγχώνευσης των τμημάτων φυσικής και οργανικής χημείας το 1983. Η ιστορία του Τμήματος Φυσικοχημείας πρέπει να ανατρέξει στο 1947, όταν για πρώτη φορά τριτοετείς φοιτητές του παραρτήματος Ufa του Ινστιτούτου Πετρελαίου της Μόσχας δεν στάλθηκαν για να συνεχίσουν τις σπουδές τους στη Μόσχα. Για την οργάνωση εργαστηριακών εργασιών εκείνα τα χρόνια, δημιουργήθηκε ένα εργαστήριο φυσήματος γυαλιού στο τμήμα, το οποίο επιτάχυνε σημαντικά την εισαγωγή διάφορου χημικού εξοπλισμού γυαλιού στο εργαστήριο. Κατά τη διάρκεια πολλών ετών, πραγματοποιήθηκαν εργασίες στη φυσική και κολλοειδή χημεία. Πολλά εύσημα για αυτό πηγαίνουν στον ανώτερο δάσκαλο Λιούμποβ Νισόβνε Πίρκης. Ο αρχιμηχανικός του εργοστασίου Dubitel, D. M. Rapoport, προσκλήθηκε να δώσει διαλέξεις για τη φυσική χημεία, ο οποίος στη συνέχεια εντάχθηκε στο προσωπικό του ινστιτούτου, εργαζόμενος εκεί μέχρι τη συνταξιοδότησή του. Το Τμήμα Φυσικοχημείας έλαβε την επίσημη ονομασία του το 1951, όταν ο Καθηγ Μπόρις Βασίλιεβιτς Κλίμενοκ, ο οποίος διηύθυνε το τμήμα για 32 χρόνια μέχρι την αναδιοργάνωσή του το 1983. Την εποχή της δημιουργίας του τμήματος επιτελούνταν εκπαιδευτικό και επιστημονικό έργο από 8 υπαλλήλους. Υπό την ηγεσία του καθηγητή B.V. Klimenok, το τμήμα ξεκίνησε επιστημονική έρευνα για την αποκήρωση των καυσίμων ντίζελ με ουρία. Η εκτενής έρευνα κατέστησε δυνατή την ανάπτυξη μιας διαδικασίας αποκήρωσης χρησιμοποιώντας διαλύματα ουρίας νερού-αιθανόλης και την κατασκευή μιας πιλοτικής μονάδας στο διυλιστήριο πετρελαίου της Ufa. Τα πιλοτικά βιομηχανικά αποτελέσματα απέδειξαν την πραγματική πιθανότητα της διαδικασίας, ωστόσο, οι μεγάλες απώλειες αλκοόλ και ουρίας κατέστησαν τη διαδικασία αναποτελεσματική. Το τμήμα πέρασε ανεξάρτητα στη μελέτη της αποκήρωσης καυσίμων ντίζελ με ανάρτηση νερού-ουρίας.

Ξεκινώντας με 1954 έτος, μεταπτυχιακοί φοιτητές ασχολούνται με επιστημονικό έργο. Ο μηχανικός A. T. Zemlyansky κατέβαλε μεγάλη προσπάθεια για την ανάπτυξη μιας υδατικής εκδοχής αποκήρωσης ουρίας και την πρακτική εφαρμογή της διαδικασίας. Ήταν ένας άνθρωπος με «χρυσά χέρια» και εξαιρετικό μυαλό μηχανικής. Πραγματοποίησε ανεξάρτητα εργασίες σε τόρνο, πραγματοποίησε συγκόλληση και μεταλλοτεχνία. Μπορεί να θεωρηθεί ότι μια μεγάλη πιλοτική μονάδα για την αποκήρωση κλασμάτων πετρελαίου με ουρία, που κατασκευάστηκε στο μηχανολογικό εργαστήριο του ινστιτούτου, είναι το πνευματικό τέκνο του A. T. Zemlyansky. Μαζί με το πιλοτικό εργοστάσιο, κατασκευάστηκε και ημιβιομηχανική μονάδα στο Εθνικό Διυλιστήριο Πετρελαίου. Ωστόσο, για διάφορους λόγους, η εγκατάσταση αυτή έπαψε να υπάρχει και η εξέλιξη της διαδικασίας συνεχίστηκε κυρίως στην πιλοτική εγκατάσταση του ινστιτούτου. Διερευνήθηκε η δυνατότητα νέων επιλογών διαδικασίας. Διατριβές για αυτό το θέμα υπερασπίστηκαν οι Z. V. Basyrov, F. A. Chegodaev, A. M. Syrkin, A. A. Krasnov, T. S. Kamkina, P. O. Ivanov, V. G. Abdula, R. M Abzalov. Η επέκταση του τμήματος σημειώθηκε το 1968, όταν ασχολήθηκε με την έρευνα για την παραγωγή ανθρακούχων υλικών με ορισμένες ιδιότητες με βάση τα προϊόντα πετρελαίου και τη χρήση αποβλήτων θειικού οξέος από διυλιστήρια πετρελαίου. Υπερασπίστηκαν 7 υποψηφιότητες για το θέμα αυτό. Αξίζει να σημειωθεί η εργασία του A. A. Senko, ο οποίος διεξήγαγε άψογα τόσο το εργαστήριο όσο και όλα τα ρεπορτάζ στο τμήμα. Επί του παρόντος, αυτή η εργασία συνεχίζεται από τον μηχανικό G. G. Medvedeva. Είναι υπεύθυνη όχι μόνο για την πλήρη παροχή εργαστηριακών εργαστηρίων, κάτι που δεν είναι εύκολο στην εποχή μας, αλλά και για τη διαχείριση των υποθέσεων του τμήματος και τη διοργάνωση δημόσιων εκδηλώσεων.

Το Τμήμα Οργανικής Χημείας χρονολογείται επίσης από το 1947. Με τα χρόνια, το τμήμα αναδιοργανώθηκε, συγχωνεύτηκε με άλλα τμήματα.

ΣΕ 1974 έτος, το τμήμα έγινε και πάλι ανεξάρτητο, επικεφαλής του ήταν ο καθηγητής R. B. Valitov. Υπό την ηγεσία του άρχισε να αναπτύσσεται η επιστημονική έρευνα στον τομέα της πετροχημικής και της βαριάς οργανικής σύνθεσης. Οι αναπληρωτές καθηγητές M. G. Safarov, D. M. Torikov, R. V. Faskhutdinova, A. I. Naimushin συνέβαλαν πολύ στο μεθοδολογικό έργο του τμήματος. Ο αναπληρωτής καθηγητής M. G. Safarov, μαζί με τον ακαδημαϊκό V. I. Isagulyants, δημιούργησαν μια σχολή χημείας 1,3-διοξανών. Υποψήφιες και διδακτορικές διατριβές στον τομέα αυτό υπερασπίστηκαν οι D. L. Rakhmankulov, U. B. Imashevm, E. A. Kantor, S. S. Zlotsky κ.ά.

Είναι αδύνατο να μην σημειωθεί η μεγάλη συμβολή στη διοργάνωση εργαστηρίου οργανικής χημείας από έναν από τους παλαιότερους εργαστηριακούς βοηθούς του πανεπιστημίου, τον T.V. Grigorieva, τους επικεφαλής των εργαστηρίων R.T Zinatullin και τον I.N εργάζεται στο τμήμα για πολλά χρόνια, R. A. Bikimbetov, G. D. Vorshev.

ΣΕ 1981 κάθε χρόνο ένας καθηγητής εκλέγεται επικεφαλής του τμήματος Ουράλ Μπουλάτοβιτς Ιμάσεφ. Μετά τη συγχώνευση των τμημάτων φυσικής και οργανικής χημείας, ο καθηγητής U. B. Imashev συνέχισε να ηγείται του τμήματος. Με την άφιξή του, εντάθηκε η ερευνητική εργασία για πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες επεξεργασίας πρώτων υλών βαρέος πετρελαίου. Η ανάπτυξη και η επέκταση αυτής της κατεύθυνσης οδήγησε στη δημιουργία μιας επιστημονικής σχολής, τα αποτελέσματα της οποίας ήταν νέες, απαράμιλλες τεχνολογίες επεξεργασίας υπολειμμάτων πετρελαίου σε κυματικό πεδίο. Έχουν αναπτυχθεί πρωτότυπες μέθοδοι για τη σύνθεση διάφορων λειτουργικά υποκατεστημένων μονο-, δι- και τριθειοανθρακικών, ξεκινώντας από το θειούχο άνθρακα και το δισουλφίδιο. Οι ιδιότητες και οι μετασχηματισμοί τους σε διάφορες χημικές αντιδράσεις έχουν μελετηθεί. Σε θέματα οργανοθείου, στο τμήμα υποστηρίχθηκαν 3 διατριβές υποψηφίων (R. F. Mavlyutov, N. T. Chanyshev, R. F. Ishteev). Ο Αναπληρωτής Καθηγητής Σ.Μ. συνέβαλε στο επιστημονικό δυναμικό του τμήματος. Καλάσνικοφ για τη σύνθεση ακεταλών και παραγώγων οξειδίου του θείου. Το επιστημονικό δυναμικό του τμήματος έχει αυξηθεί αισθητά με την άφιξη του καθηγητή E.M. Kuramshin. Ανέπτυξε μια κινητική κατεύθυνση στη μελέτη της χημείας των ακεταλών. Ο καθηγητής E.M. Kuramshin ηγείται της εργασίας στον τομέα των οξειδωτικών μετασχηματισμών οργανικών ενώσεων, καθώς και της κινητικής και του μηχανισμού των χημικών αντιδράσεων. Τα τελευταία πέντε χρόνια, το τμήμα έχει ολοκληρώσει έρευνα αξίας 1.800 χιλιάδων ρούβλια.

Τα διαγράμματα ροής που αναπτύχθηκαν από τον αναπληρωτή καθηγητή A.I. Ο καθηγητής E.M. Kuramshin δημοσίευσε μεθοδολογικές συστάσεις για εργαστηριακή εργασία στη φυσική και κολλοειδή χημεία χρησιμοποιώντας ένα διάγραμμα ροής και ένα βιβλίο προβλημάτων στη φυσική χημεία. Ο καθηγητής E.M. Kurashin, οι αναπληρωτές καθηγητές O.P. Zhurkin και O.B. Zvorygina δημοσίευσαν ένα εργαστήριο για τη φυσική χημεία.

Ο καθηγητής U. B. Imashev εξέδωσε το εγχειρίδιο «Βασικές αρχές της οργανικής χημείας» - M.: Kolos, 2011. - P.-464 p. και «Εργαστήριο για την οργανική χημεία - Ufa: USNTU, 2009.-236σ. Μαζί με τον αναπληρωτή καθηγητή S. M. Kalashnikov, τον αναπληρωτή καθηγητή N. T. Chanyshev και τον καθηγητή E. A. Udalova, δημοσίευσε ένα εγχειρίδιο «Προβλήματα και ασκήσεις στην οργανική χημεία» Ufa: USNTU, 2011. - 236 σελ. Σε συνεργασία με τον Αναπληρωτή Καθηγητή O.P. Zhurkin, εκδόθηκε ένα εγχειρίδιο «Φυσικές και χημικές μέθοδοι ανάλυσης οργανικών ενώσεων»: - USNTU, 2009. - 211 σελ.

Τα τελευταία πέντε χρόνια, οι δάσκαλοι και το προσωπικό του τμήματος έχουν εκδώσει 12 εγχειρίδια και διδακτικά βοηθήματα, 7 μονογραφίες, 135 επιστημονικά άρθρα, έχουν λάβει 19 διπλώματα ευρεσιτεχνίας, 3 υποτροφίες.