Książki do chemii organicznej dla uczniów i studentów. Laboratorium Fizycznej Chemii Organicznej (PHOC) Z historii laboratorium

Czy możliwe jest długie życie cząstki swobodnej w materii niewolnej?

Możliwy. Jest stabilnym wolnym rodnikiem. Odkryto je w ramach fizycznej chemii organicznej, która zajmuje się ogólnymi zagadnieniami chemii organicznej, ze szczególnym uwzględnieniem badania mechanizmów reakcji organicznych, a także ilościowych zależności pomiędzy budową chemiczną związków organicznych, ich właściwościami i reaktywność.
Jednym z osiągnięć jest odkrycie i praktyczne zastosowanie stabilnych wolnych rodników (rodzaju cząsteczki lub atomu zdolnego do samodzielnego istnienia i posiadającego jeden lub dwa niesparowane elektrony).

Stabilność wolnych rodników ułatwiają tak zwane przeszkody steryczne (zawady steryczne), gdy atom, na którym zlokalizowany jest niesparowany elektron, jest niezawodnie osłonięty przed innymi odczynnikami przez pobliskie, nieporęczne podstawniki. To jak pojedyncza osoba w tłumie – wydaje się, że może iść, gdzie chce – ale nie, twoje otoczenie cię powstrzymuje!
Opracowano metody syntezy i technologię wytwarzania stabilnych rodników nitroksylowych szeregu imidazolinowego i ich prekursorów, które znajdują zastosowanie jako znaczniki spinowe, sondy i pułapki w badaniach naukowych i przemyśle. Rodniki oznacza się za pomocą elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) w stężeniach 10 (do potęgi -10) procent molowych.

O technicznych i ekonomicznych zaletach opracowanych rodników nitroksylowych serii imidazolin decyduje ich unikalność (nie ma naturalnych analogów), co pozwala na wykorzystanie ich jako wskaźników ruchu płynów złożowych (wydobycie ropy), ukrytych znaków itp. Stabilne wolne rodniki znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach nauki i technologii:

W medycynie i biologii jako znaczniki spinowe stosuje się zwykle stabilne rodniki nitroksylowe. Wszystkie cząsteczki znaczników spinowych, pomimo różnorodności budowy chemicznej, z reguły zawierają ten sam fragment paramagnetyczny – stabilny chemicznie rodnik nitroksylowy (>N-O*). Na tym rodniku zlokalizowany jest niesparowany elektron, będący źródłem sygnału ESR. Konkretny wybór etykiet spinowych jest zdeterminowany problemem badawczym. Na przykład, aby monitorować rearanżacje konformacyjne białek za pomocą znaczników spinowych, cząsteczki znaczników są zwykle „szyte” do pewnych regionów białka. W tym przypadku znacznik spinowy musi zawierać specjalną grupę reakcyjną, która może utworzyć kowalencyjne wiązanie chemiczne z resztami aminokwasowymi cząsteczki białka.

Do badania właściwości błon sztucznych i biologicznych zwykle stosuje się rozpuszczalne w lipidach znaczniki spinowe, które można włączyć do warstwy lipidowej membrany:
- jako wirowe sondy pH do pomiaru wartości pH w organellach komórkowych;
- przy badaniu procesów przenoszenia jonów przez membrany;
- w celu określenia lokalizacji leków lub innych leków w narządach lub tkankach.

W chemii analitycznej i geofizyce:
- do tworzenia środków chelatujących zdolnych do wiązania metali;
- jako wskaźniki o niskim progu wykrywalności (np. zamiast trytu lub barwników organicznych w poszukiwaniach i wydobyciu ropy naftowej, zamiast kwasów fluoroaromatycznych w analizie ruchu wód gruntowych).
W innych gałęziach przemysłu do dodawania jako ukryte oznaczenia do paliw, alkoholi itp.

Działa Instytut Chemii Organicznej i Fizycznej Kazachskiego Centrum Naukowego Rosyjskiej Akademii Nauk (Kazań). Możesz przeczytać: Gammet L. Podstawy fizycznej chemii organicznej. Prędkości, równowagi i mechanizmy reakcji. M.: Mir, 1972.

Badania fizykochemiczne. W latach 30-60 XIX wieku chemia organiczna odegrała dominującą rolę w rozwoju chemii i osiągnęła duże sukcesy. Kolejne syntezy związków organicznych następowały jedna po drugiej. Prace N. Zinina, C. Gerarda, G. Kolbego, J. Dumasa, A. Wurtza, M. Berthelota, A. M. Butlerova i wielu innych przyciągnęły uwagę szerokiego kręgu chemików.

W wyniku tych prac powstały ważne uogólnienia, dotyczące głównie pewnego zakresu faktów z zakresu chemii organicznej. Są to doktryna podstawienia, teoria typów, teoria struktury chemicznej, teoria związków aromatycznych itp. Podstawowe zagadnienia chemii, a także kwestia natury pierwiastków i ich właściwości, przyczyn i warunków ich wzajemnego oddziaływania chemicznego, czyli natury i istoty powinowactwa chemicznego – pytania te pozostawały niejako w tle. Ich niewątpliwe znaczenie było dobrze znane, ale nie więcej; z drugiej strony grunt pod ich rozwiązanie był nadal słabo przygotowany. Główną przeszkodą była ogromna trudność ich rozwoju, konieczność podjęcia znacznie większych wysiłków niż te wymagane przy badaniach nad innymi, mniej ogólnymi i mniej fundamentalnymi problemami chemii. Rozwój chemii organicznej w ogromnym stopniu przyczynił się jednak do badania i identyfikacji ważnych zasad fizycznych i chemicznych. To właśnie w trakcie badań związków organicznych utwierdziło się przekonanie, że wzorce rządzące prawami chemicznymi i fizycznymi są takie same dla substancji organicznych i nieorganicznych. Wniosek ten miał fundamentalne znaczenie. W nauce zajęto ważne stanowisko, że powstawanie zarówno badanych przez nią minerałów, jak i związków organicznych świata roślin i zwierząt, a także substancji sztucznie uzyskanych w laboratorium chemicznym, podlega tym samym prawom.

Odkrycie w chemii organicznej takich zjawisk jak izomeria (1830, Berzelius) i homologia (1842, Scheel, Gerard) postawiło chemików przed najważniejszym zadaniem - zbadaniem zależności właściwości fizykochemicznych związków od ich składu i struktury.

Badanie związków izomerycznych wyraźnie wykazało, że właściwości chemiczne i fizyczne substancji zależą nie tylko od jakości atomów i ich liczby, ale także od wewnętrznego ułożenia atomów. Doprowadziło to do najważniejszego problemu - wniknięcia metodami fizycznymi i chemicznymi w „intymne życie” atomów i cząsteczek i próba zrozumienia praw ich interakcji.

W tym obszarze szczególnie szerokie pole badawcze otworzyło się dla fizykochemicznych metod badawczych, mających na celu badanie nie tylko właściwości i składu związków, ale także procesów chemicznych, warunków i czynników wpływających na przebieg reakcji chemicznych.

Badanie reakcji organicznych (które zachodzą powoli i niecałkowicie) dostarczyło nowego, ważnego materiału na temat równowag chemicznych. To właśnie badanie tych reakcji umożliwiło wprowadzenie do chemii tak ważnych pojęć, jak prędkość (czas), kierunek i granica procesu chemicznego. Badanie tych problemów logicznie doprowadziło do zbadania wpływu temperatury, ciśnienia, ilości substancji i stanu ich skupienia na szybkość i kierunek reakcji chemicznej. Gdy reakcja przebiega powoli, można ją zatrzymać w różnych momentach i zbadać stan i naturę substancji w tych momentach. Reakcje w chemii nieorganicznej, które zwykle zachodzą niemal natychmiast, nie pozwoliły na takie badania.

Droga syntetyczno-preparatywna doprowadziła chemików do otrzymania (początkowo poprzez izolację z produktów naturalnych, a następnie poprzez syntezę) nowych ważnych substancji, które następnie znalazły praktyczne zastosowanie. Badanie i zastosowanie nowych substancji wymagało z kolei badania ich właściwości fizycznych w zależności od składu i struktury związku.

Na podstawie badań związków organicznych G. Kopp zidentyfikował pierwsze zależności pomiędzy budową chemiczną a właściwościami fizycznymi. „...Powiązanie pomiędzy właściwościami fizycznymi a składem chemicznym oraz dokładne określenie tych właściwości” – napisał Kopp – „może w niektórych przypadkach służyć jako kontrola prawidłowego określenia składu, tak że znajomość właściwości fizycznych czasami bezpośrednio potwierdza wiedzę właściwości chemicznych.”

Zasługa G. Koppa (1817-1892) polega na tym, że po raz pierwszy w latach 1842-1855 systematycznie badał właściwości fizykochemiczne szeregu substancji (temperatura wrzenia, objętość molekularna i atomowa, pojemność cieplna atomu) oraz związek między składem chemicznym a strukturą połączeń organicznych.

Do obliczenia objętości właściwych cieczy Kopp przyjął ich gęstość w temperaturze wrzenia, uznając za odpowiednie te temperatury, w których prężność pary jest taka sama. Doświadczenia Koppa dotyczące wyznaczania objętości właściwych ciekłych substancji organicznych wykazały, że: 1) związki izomeryczne mają podobne objętości właściwe; 2) w wielu szeregach homologicznych, wraz z prawidłową zmianą składu, prawidłowo zmieniają się objętości właściwe. Porównując temperatury wrzenia różnych substancji organicznych, Kopp doszedł do wniosku, że w szeregach homologicznych komplikacji składu na CH2 zwykle towarzyszy wzrost temperatury wrzenia o 12, 15, 10 ° C. Różnica ta jest zwykle stała dla każdej serii homologicznej.

Jak można się spodziewać, struktura chemiczna związków powinna mieć pewien wpływ na temperaturę wrzenia; rzeczywiście okazało się, że izomery wrzą w różnych temperaturach.

Podczas wyznaczania temperatur topnienia i krzepnięcia substancji organicznych stwierdzono, że w przypadku związków homologicznych temperatura wzrasta wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej substancji.

Prace Koppa nad określeniem atomowej lub właściwej objętości różnych związków, nad badaniem zależności między temperaturą wrzenia a składem związków, chociaż nie doprowadziły do ​​​​fundamentalnie ważnych wzorców, ale dały silną zachętę do badania zależności fizykochemicznych i wyjaśnienie zasad ustalonych przez Kopp.

Wysoko doceniając zasługi Coppa w rozwoju ważnego obszaru wiedzy fizykochemicznej, D. I. Mendelejew napisał: „Historia zawsze odwdzięczy się należnym szacunkiem niestrudzonej działalności Coppa”.

Wraz z pojawieniem się teorii struktury chemicznej Butlerowa (1861) rozpoczął się nowy etap w badaniu zależności właściwości fizykochemicznych związków organicznych od ich struktury chemicznej. A. M. Butlerov podkreślił, że właściwości chemiczne i fizyczne związków chemicznych „pozostają we wzajemnym związku przyczynowym” i że badanie właściwości fizycznych ma ogromne znaczenie dla zrozumienia „wzajemnych zależności, w jakich ich części składowe znajdują się w tych substancjach”. W pierwszym numerze „Wprowadzenia” (1864) Butlerov zwrócił uwagę na fakt, że badanie właściwości fizycznych ma ogromne znaczenie dla zrozumienia wzajemnych relacji części składowych związków chemicznych. W tym samym numerze znajduje się specjalny rozdział: „Związki między właściwościami fizycznymi i chemicznymi substancji”. Bada w nim temperatury topnienia i wrzenia, pojemności cieplne, utajone ciepło topnienia i parowania, „zjawiska kaloryczne w reakcjach chemicznych”, tj. efekty termiczne, siły molekularne, rozpuszczalność, załamanie, rozpraszanie światła, fluorescencja i fosforescencja, rotacja płaszczyzny polaryzacji, działanie chemiczne światła i elektryczności.

Największą uwagę naukowców wzbudziły wówczas optyczne metody badania substancji.

Już w 1811 roku Arago odkrył zjawisko aktywności optycznej podczas badania podwójnego załamania światła w kryształach kwarcu. Następnie w 1817 roku Biot odkrył, że ciekłe związki organiczne mają właściwości optyczne: są w stanie obracać płaszczyznę polaryzacji. Zdolność ciekłych substancji organicznych do obracania płaszczyzny polaryzacji wykazała, że ​​nie ma koniecznego związku pomiędzy strukturą krystaliczną a aktywnością optyczną. To ostatnie, zdaniem Butlerowa, „jest zagnieżdżone w naturze cząstek”. Badania te ujawniły fakt o fundamentalnym znaczeniu, a mianowicie: aktywność optyczna jest właściwością nie tylko kryształu, ale także cząsteczki.

W odniesieniu do przytoczonych prac Biota ciekawy jest następujący sąd Berzeliusa: „Bez wątpienia badania tego rodzaju, które są jeszcze w powijakach, mogłyby stać się owocne, gdyby zostały przeprowadzone w całości. Jeśli taką pracę wykona ktoś uzbrojony zarówno w wiedzę optyczną, jak i chemiczną, można mieć nadzieję na uzyskanie wyjaśnień, które wnikną w ukryte rejony teorii składu ciał organicznych i nieorganicznych.

Badanie zależności zdolności załamania światła substancji od ich składu zaczęło się szczególnie pomyślnie rozwijać po tym, jak M. Berthelot w 1856 r. wprowadził koncepcję refrakcji molekularnej, która jest (iloczynem specyficznego załamania światła przez masę cząsteczkową. Według Berthelota molekularnego refrakcji, która dla większej liczby związków dawała odchylenia nie przekraczające ±0,1%.

Od 1879 r. uczeń Landolta J. Bruhl rozpoczął systematyczne badania załamań atomowych i grupowych. Jasno sformułował zadania badań fizycznych w chemii organicznej. Uważał, że metody chemiczne nie są wystarczające do ustalenia budowy substancji i konieczne jest przeprowadzenie badań porównawczych właściwości fizycznych substancji.

Brühl pisał pod koniec lat 70.: „...skład substancji można badać aż do stosunku poszczególnych atomów do siebie; Nadszedł zatem czas, aby narzędzie, jakie oferuje fizyka, wykorzystać do praktycznego zastosowania w chemii... Kierując się tym przekonaniem, sporządziłem plan badań porównawczych na dużą skalę właściwości fizycznych substancji organicznych. Za radą profesora Landolta z Lachen zdecydowałem się najpierw podjąć jako przedmiot badań związek między mocą refrakcyjną a chemiczną naturą substancji.

„Jestem przekonany” – pisał, że niedaleki jest czas, gdy te fizyczne metody badań zrównają się zarówno z metodami analitycznymi, jak i syntetycznymi.

I. I. Kanonnikow w latach 1883–1885 zastosował metodę refraktometryczną do badania struktury substancji nieorganicznych. Uważał, że metoda ta ma „wielkie znaczenie w badaniu struktury, gdyż pozwala na wyciąganie wniosków na temat tej struktury bez niszczenia cząstek związku”.

Współczesne badania refraktometrii potwierdziły ten punkt widzenia. Obecnie pomiary właściwości optycznych umożliwiają rozwiązanie szerokiej gamy problemów - od badania wiązań wodorowych po wyznaczanie wzorów strukturalnych krzemianów.

Od lat 90-tych XIX wieku. A. Gancha zaczął na szeroką skalę stosować metody badań fizycznych (widma absorpcyjne, pomiary przewodności elektrycznej itp.) w celu ustalenia struktury związków organicznych.

Ganch i jego szkoła przywiązywali dużą wagę do badania widm absorpcyjnych. Ganch wykazał, że istnieje duża różnica pomiędzy widmem absorpcji kwasu w czystej postaci i tego samego kwasu w roztworze. Miało to ogromne znaczenie dla badania nie tylko czystych substancji, ale przede wszystkim natury roztworów.

Od 1897 r. L. A. Chugaev przeprowadził szereg prac nad badaniem właściwości optycznych, głównie związków organicznych. Udoskonalił optyczną metodę analizy mieszanin związków organicznych obracających płaszczyznę polaryzacji światła. Chugaev ustalił interesujący przypadek anomalii w różnie skonstruowanych dioksymach. Okazało się, że pierścień trimetylenowy charakteryzuje się pewnym wzrostem współczynnika załamania światła, co nie odpowiada danym Bruhla. Badania te umożliwiły zbadanie struktury chemicznej cholesterolu.

W połączeniu z teorią struktury chemicznej metody fizyczne stały się potężnym sposobem badania właściwości fizykochemicznych substancji złożonych.

Metody takie jak krioskopia i ebulioskopia zapewniły nieocenione usługi chemii organicznej. Chemik organista zaczął również szeroko wykorzystywać pomiary przewodności elektrycznej, załamania światła, stałych termochemicznych, widm absorpcji, zdolności rotacyjnej i właściwości magnetycznych do badania właściwości i struktury różnych związków organicznych.

W 1909 roku w artykule „Współczesne problemy chemii organicznej” L. A. Chugaev napisał, że chemik organiczny w swoich badaniach powinien przyjmować fizykochemiczne metody badawcze i teoretyczne ujęcie procesów chemicznych. Z kolei zdaniem Czugajewa „chemia związków węgla, ze względu na niewyczerpaną różnorodność zarówno form substancji, jak i rodzajów jej przemian, stanowi bogactwo materiału do badań”.

W literaturze historycznej i chemicznej czasami wskazuje się, że chemia organiczna rzekomo na wiele lat (1840-1880) spowolniła rozwój chemii fizycznej i skierowała siły naukowe do siebie. Nie sposób całkowicie zgodzić się z tym punktem widzenia. Co więcej, okres „organiczny” w rozwoju chemii był bardzo potrzebnym i ważnym etapem nie tylko w rozwoju chemii w ogóle, ale także chemii fizycznej, ponieważ to właśnie chemicy organiczni dostarczali nowego, bogatego materiału do różnych zastosowań fizycznych i fizycznych. badania chemiczne. Związki organiczne odegrały ważną rolę w historii odkrycia wielu podstawowych praw fizyki i chemii oraz ważnych teoretycznie uogólnień.

Prace chemików organicznych nad badaniem struktury różnych klas związków organicznych utorowały drogę do dogłębnych badań mechanizmu reakcji, co później miało ogromne znaczenie dla rozwoju kinetyki chemicznej.

Od czasów Lavoisiera chemicy potrafili przewidywać, w jakim kierunku będą przebiegać poszczególne szybkie reakcje jonowe stosunkowo małych cząsteczek, i potrafili modyfikować te reakcje do praktycznego zastosowania. Badanie złożonych cząsteczek było znacznie trudniejsze. Powolne reakcje związków organicznych były również znacznie trudniejsze do analizy. Często reakcje mogły przebiegać kilkoma ścieżkami, a chemik mógł skierować reakcję wzdłuż pożądanej ścieżki dzięki swoim umiejętnościom eksperymentatora i intuicji, a nie dzięki głębokiemu zrozumieniu procesu.

Wraz z pojawieniem się elektronicznego modelu atomu chemicy organiczni mogli na nowo spojrzeć na swoją dziedzinę badań. Pod koniec lat 20. XX w. Angielski chemik Christopher Ingold (1893-1970) i ​​wielu innych chemików próbowało podejść do reakcji organicznych z punktu widzenia teorii struktury atomowej, wyjaśniając oddziaływanie cząsteczek poprzez przejście elektronów. W chemii organicznej zaczęto intensywnie stosować metody chemii fizycznej. Stała się ważną dyscypliną fizyczna chemia organiczna .

Jednak próby interpretacji reakcji organicznych wyłącznie w wyniku ruchu elektronów nie przyniosły większego sukcesu.

W pierwszej ćwierci XX wieku, od czasu odkrycia elektronu, uznano za udowodnione, że elektron jest bardzo małą, twardą kulką. Jednak w 1923 roku francuski fizyk Louis Victor de Broglie (ur. 1892) przedstawił teoretyczne uzasadnienie tego, że elektrony (i wszystkie inne cząstki) mają właściwości falowe. Do końca lat 20. XX w. hipoteza ta została potwierdzona eksperymentalnie.

Pauling (który jako pierwszy zasugerował, że cząsteczki białek i kwasów nukleinowych mają kształt spiralny, patrz rozdział 10) na początku lat 30. XX wieku opracował metody, które pozwoliły uwzględnić falową naturę elektronów przy rozpatrywaniu reakcji organicznych.

Zasugerował, że socjalizację pary elektronów (według Lewisa i Langmuira) można interpretować jako oddziaływanie fal lub nakładanie się chmur elektronów. Wiązanie chemiczne, przedstawione jako cecha teorii strukturalnej Kekule’a, odpowiada w nowych koncepcjach obszarowi maksymalnego nakładania się chmur elektronów. Okazało się, że nakładanie się chmur elektronów czasami zachodzi nie tylko w jednym kierunku, co we wzorze strukturalnym reprezentuje wiązanie walencyjne. Innymi słowy, prawdziwej struktury cząsteczki nie można przedstawić nawet w przybliżeniu za pomocą żadnego pojedynczego wzoru strukturalnego. Można ją jednak uznać za pośrednią pomiędzy kilkoma hipotetycznymi strukturami, jako „rezonansową hybrydę” tych struktur. Należy zauważyć, że energia takiej rzeczywistej cząsteczki jest niższa, niż można by się spodziewać na podstawie jakiejkolwiek pojedynczej rezonansowej „klasycznej” struktury. Mówi się, że takie cząsteczki są „stabilizowane przez rezonans”, chociaż rezonans w tym przypadku nie jest oczywiście rzeczywistym zjawiskiem fizycznym, ale wygodną koncepcją teoretyczną wyjaśniającą stabilność i właściwości niektórych cząsteczek.

Teoria rezonansu okazała się szczególnie przydatna w zrozumieniu struktury benzenu, co stanowiło zagadkę dla chemików od czasów Kekule (patrz rozdział 7). Wzór na benzen był zwykle przedstawiany jako sześciokąt z naprzemiennymi wiązaniami pojedynczymi i podwójnymi. Benzen jest jednak prawie całkowicie pozbawiony właściwości charakterystycznych dla związków z wiązaniami podwójnymi.

Ale dla benzenu można napisać drugi, całkowicie równoważny wzór Kekulégo, w którym zamienione są wiązania proste i podwójne w porównaniu do pierwszego wzoru. Rzeczywistą cząsteczkę benzenu opisano jako rezonansową hybrydę dwóch struktur Kekulé; elektrony odpowiedzialne za powstawanie wiązań podwójnych są zdelokalizowane, „rozsiane” wokół pierścienia, dzięki czemu wszystkie wiązania pomiędzy atomami węgla w benzenie są równoważne i pośrednie pomiędzy klasycznymi wiązaniami pojedynczymi i podwójnymi. To jest właśnie powód zwiększonej stabilności i osobliwości zachowania chemicznego benzenu.

Oprócz struktury benzenu, pomysły dotyczące właściwości falowych elektronów pomogły wyjaśnić inne kwestie. Ponieważ cztery elektrony znajdujące się na zewnętrznej powłoce atomu węgla nie są całkowicie równoważne pod względem energii, można założyć, że wiązania utworzone pomiędzy atomem węgla i sąsiednimi atomami różnią się nieco w zależności od tego, który z elektronów bierze udział w tworzeniu jednego lub inny komunikat.

Okazało się jednak, że cztery elektrony, niczym fale, oddziałują ze sobą i tworzą cztery „środkowe” wiązania, które są całkowicie równoważne i skierowane w stronę wierzchołków czworościanu, jak w czworościennym atomie van’ta Hoffa-Le Bela.

Jednocześnie rezonans pomógł wyjaśnić strukturę grupy niezwykłych związków, z którymi chemicy zetknęli się po raz pierwszy na początku XX wieku. W 1900 roku amerykański chemik Moses Gomberg (1866-1947) podjął próbę otrzymania heksafenyloetanu, związku, w cząsteczce którego dwa atomy węgla są połączone z sześcioma pierścieniami benzenowymi (po trzy na każdy atom węgla).

Zamiast tego związku Gomberg otrzymał kolorowy roztwór jakiegoś bardzo reaktywnego związku. Z wielu powodów Gomberg uważał, że otrzymał trifenylometyl- „półcząsteczka” składająca się z atomu węgla i trzech pierścieni benzenowych, w której czwarte wiązanie atomu węgla jest nienasycone.

Związek ten przypominał jednego z rodników, których koncepcja została wprowadzona w XIX wieku. wyjaśnić strukturę związków organicznych (patrz rozdział 6). Jednak w odróżnieniu od radykałów starej teorii, cząsteczka odkryta przez Gomberga istniała w postaci wyizolowanej, a nie jako fragment innego związku, dlatego nazwano ją wolny rodnik .

Wraz z rozwojem elektronicznych koncepcji wiązań chemicznych stało się jasne, że w przypadku wolnych rodników, np trifenylometyl wiązanie nienasycone (w rozumieniu teorii Kekule’a) w ramach nowych koncepcji odpowiada niesparowanemu elektronowi. Zazwyczaj takie cząsteczki z niesparowanym elektronem są niezwykle reaktywne i szybko przekształcają się w inne substancje.

Jeśli jednak cząsteczka jest płaska i symetryczna (jak cząsteczka trifenylometylu), wówczas niesparowany elektron może zostać „rozprowadzony” po całej cząsteczce, co doprowadzi do stabilizacji rodnika.

Kiedy do badania reakcji organicznych podeszło się do teorii struktury elektronowej, stało się oczywiste, że reakcje często obejmują etap powstawania wolnych rodników. Takie wolne rodniki z reguły nieustabilizowane rezonansowo istnieją tylko przez krótki czas i zawsze powstają z trudnością. To właśnie z powodu trudności w tworzeniu wolnych rodników, większość reakcji organicznych przebiega tak wolno.

W drugiej ćwierci XX w. Chemicy organiczni zaczęli coraz głębiej wnikać w istotę reakcji organicznych i po zbadaniu mechanizmu reakcji, rozumiejąc samą istotę procesu, byli w stanie zsyntetyzować cząsteczki, których złożoność zadziwiała chemików wcześniejszych pokoleń.

Jednak koncepcje teorii rezonansu mają zastosowanie nie tylko w chemii organicznej. W oparciu o stare pomysły nie da się w szczególności jednoznacznie wyjaśnić budowy cząsteczek borowodorku. Atom boru ma zbyt mało elektronów walencyjnych, aby utworzyć wymaganą liczbę wiązań. Jeżeli założymy, że elektrony są odpowiednio „rozmazane”, to możemy zaproponować akceptowalną strukturę molekularną.

Choć od czasu odkrycia gazów obojętnych uważano, że nie wchodzą one w żadne reakcje, już w 1932 roku Pauling zasugerował, że atomy tych gazów powinny tworzyć wiązania.

Początkowo to założenie Paulinga przeszło niezauważone, jednak w 1962 roku, w wyniku reakcji ksenonu gazu obojętnego z fluorem, fluorek ksenonu. Niedługo potem otrzymano szereg innych związków ksenonu z fluorem i tlenem, a także związki radonu i kryptonu.

Pół życia

Badanie struktury atomu doprowadziło do nowego zrozumienia problemu, ale jednocześnie przed naukowcami stanęło szereg nowych pytań.

W 1900 roku Crookes (patrz rozdział 12) odkrył, że świeżo przygotowane związki czystego uranu mają bardzo małą radioaktywność i że radioaktywność tych związków wzrasta z czasem. W 1902 roku Rutherford i jego współpracownik, angielski chemik Frederick Soddy (1877-1956), zaproponowali, że wraz z emisją cząstki alfa zmienia się natura atomu uranu i że nowy wytworzony atom emituje silniejsze promieniowanie niż sam uran (stąd , obserwację tę uwzględniono tutaj Crookes). Ten drugi atom z kolei również się rozdziela, tworząc kolejny atom. Rzeczywiście, atom uranu daje początek całej serii pierwiastków radioaktywnych - szereg radioaktywny, w tym rad i polon (patrz sekcja „Numer porządkowy”) i kończąc na ołowiu, który nie jest radioaktywny. Z tego powodu w minerałach uranu można znaleźć rad, polon i inne rzadkie pierwiastki radioaktywne. Druga seria radioaktywna również zaczyna się od uranu, natomiast trzecia seria radioaktywna zaczyna się od toru.

Należy zadać sobie pytanie, dlaczego pierwiastki promieniotwórcze, stale rozkładające się, nadal istnieją? W 1904 roku problem ten został rozwiązany przez Rutherforda. Badając szybkość rozpadu promieniotwórczego wykazał, że po pewnym czasie, różnym dla poszczególnych pierwiastków, rozpada się połowa danej ilości danego pierwiastka promieniotwórczego. Okres ten, charakterystyczny dla każdego rodzaju substancji promieniotwórczej, Rutherford nazwał pół życia(ryc. 22).

Ryż. 22. Okres półtrwania radonu określa się, mierząc w regularnych odstępach ilość pozostałej substancji. Powstała zależność jest „zanikającą” krzywą wykładniczą y=e-ach .

Na przykład okres półtrwania radu wynosi nieco poniżej 1600 lat. Oczywiście w ciągu epok geologicznych wszelka ilość radu w skorupie ziemskiej zniknęłaby dawno temu, gdyby nie była stale uzupełniana w wyniku rozkładu uranu. To samo można powiedzieć o innych produktach rozpadu uranu, w tym o tych, których okres półtrwania mierzony jest w ułamkach sekundy.

Okres półtrwania samego uranu wynosi 4 500 000 000 lat. Jest to ogromny okres czasu i w całej historii Ziemi tylko część pierwotnych zasobów uranu mogła się rozpaść. Tor rozkłada się jeszcze wolniej, z okresem półtrwania wynoszącym 14 000 000 000 lat.

Tak ogromne okresy czasu można określić jedynie poprzez zliczenie liczby cząstek alfa emitowanych przez daną masę uranu (lub toru). Rutherford liczył cząstki alfa, wykrywając małe błyski, które pojawiały się, gdy cząstki alfa zderzały się z ekranem z siarczku cynku (tj. stosując tzw. licznik scyntylacyjny).

Każda nowa cząstka alfa oznaczała rozpad innego atomu uranu, więc Rutherford mógł określić, ile atomów rozpada się na sekundę. Na podstawie użytej masy uranu Rutherford określił całkowitą liczbę atomów uranu. Mając takie dane, nie było już trudno obliczyć czas potrzebny do rozpadu połowy dostępnej ilości uranu. Jak się okazało, mówimy o miliardach lat.

Rozpad uranu jest procesem na tyle stałym i charakterystycznym, że można go wykorzystać do określenia wieku Ziemi. W 1907 roku amerykański chemik Bertram Borden Boltwood (1870-1927) zasugerował, że takie oznaczenia można oprzeć na zawartości ołowiu w minerałach uranu. Jeśli założymy, że cały ołów w minerałach pochodzi z rozpadu uranu, łatwo jest obliczyć, ile czasu to trwało. Dzięki tej metodzie udało się ustalić, że wiek skorupy stałej wynosi co najmniej cztery miliardy lat.

W międzyczasie Soddy kontynuował opisywanie zmian w atomie spowodowanych uwalnianiem cząstek subatomowych. Jeśli atom straci cząstkę alfa (ładunek +2), całkowity ładunek jego jądra zmniejsza się o dwa, a pierwiastek przesuwa się o dwa pola w lewo w układzie okresowym.

Jeśli atom straci cząstkę beta (elektron o ładunku -1), jądro zyskuje dodatkowy ładunek dodatni i pierwiastek przesuwa się o jedno miejsce w prawo w układzie okresowym. Jeśli atom emituje promienie gamma (nienaładowany), zawartość energii zmienia się, ale skład cząstek nie ulega zmianie, więc pozostaje ten sam pierwiastek.

Kierując się tymi zasadami chemicy byli w stanie dokładnie zbadać wiele szeregów radioaktywnych.

Izotopy

Wraz z odkryciem pierwiastków promieniotwórczych naukowcy stanęli przed poważnym problemem: co zrobić z różnymi produktami rozpadu uranu i toru? Odkryto ich dziesiątki, a w układzie okresowym pozostało już tylko maksymalnie dziewięć miejsc (od polonu o numerze seryjnym 84 do uranu o numerze seryjnym 92), w których można je było umieścić.

Zatem atom uranu (numer seryjny 92) emituje cząstkę alfa. Liczba atomowa nowego pierwiastka, zgodnie z regułą Soddy'ego, wynosi 90. Oznacza to, że atom uranu musi utworzyć atom toru. Jednakże okres półtrwania zwykłego toru mierzony jest na 14 miliardów lat, podczas gdy okres półtrwania toru pochodzącego z uranu wynosi tylko 24 dni.

Różnice obserwuje się nawet przy otrzymywaniu pierwiastków nieradioaktywnych. Na przykład Richards (specjalista od mas atomowych, patrz rozdział 5) był w stanie wykazać w 1913 r., że masa atomowa ołowiu otrzymanego w wyniku rozpadu uranu różni się nieco od masy atomowej zwykłego ołowiu.

Soddy był na tyle zdeterminowany, że zasugerował, że temu samemu miejscu w układzie okresowym może odpowiadać więcej niż jeden typ atomu. Miejsce numer 90 mogą być zajęte przez różne odmiany toru, miejsce numer 82 przez różne odmiany ołowiu itp. Soddy nazwał te odmiany atomów zajmującymi to samo miejsce w tabeli, izotopy(z greckiego tópos – miejsce).

Izotopy zajmujące to samo miejsce w tabeli muszą mieć tę samą liczbę atomową, a co za tym idzie taką samą liczbę protonów w jądrze i taką samą liczbę elektronów na powłokach. Izotopy pierwiastka muszą mieć te same właściwości chemiczne, ponieważ właściwości te zależą od liczby i umiejscowienia elektronów w atomach.

Ale jak w tym przypadku możemy wyjaśnić różnicę we właściwościach radioaktywnych i masach atomowych?

W ubiegłym stuleciu Prout wysunął swoją słynną hipotezę (patrz rozdział 5), zgodnie z którą wszystkie atomy składają się z wodoru, zatem wszystkie pierwiastki muszą mieć całkowite masy atomowe. Jednak, jak się okazało, większość mas atomowych nie jest liczbą całkowitą i fakt ten zdawał się obalać tę hipotezę.

Ale zgodnie z nowymi pomysłami na temat struktury atomu atom ma jądro składające się z protonów (i neutronów). Masy protonów i neutronów są w przybliżeniu równe, dlatego masy wszystkich atomów muszą być wielokrotnościami masy atomu wodoru (składającego się z jednego protonu). Wrócono do hipotezy Prouta, ale ponownie pojawiły się wątpliwości, jakie powinny być masy atomowe.

W 1912 roku J. J. Thomson (który, jak powiedzieliśmy powyżej, odkrył elektron) wystawił wiązki dodatnio naładowanych jonów neonowych na działanie pola magnetycznego. Pole magnetyczne spowodowało ugięcie jonów, powodując ich opadanie na kliszę fotograficzną. Gdyby wszystkie jony miały tę samą masę, wówczas wszystkie zostałyby odchylone przez pole magnetyczne pod tym samym kątem, a na kliszy fotograficznej pojawiłaby się odbarwiona plama. Jednak w wyniku tego eksperymentu Thomson otrzymał dwie plamki, z których jedna była około dziesięciokrotnie ciemniejsza od drugiej. Współpracownik Thomsona, Francis William Aston (1877-1945), który później udoskonalił to urządzenie, potwierdził poprawność uzyskanych danych. Podobne wyniki uzyskano dla pozostałych pierwiastków. Nazwano to urządzenie, które umożliwiało rozdzielenie chemicznie podobnych jonów na wiązki jonów o różnych masach spektrograf masowy .

Wielkość odchylenia jednakowo naładowanych jonów w polu magnetycznym zależy od masy tych jonów; jony o większej masie są mniej odchylane i odwrotnie. Zatem eksperymenty Thomsona i Astona wykazały, że istnieją dwa rodzaje atomów neonu. Dla jednego rodzaju atomu Liczba masowa równa 20, dla drugiej - 22. W wyniku określenia względnej czerni plam stwierdzono, że zawartość neonu-20 jest 10 razy większa niż neonu-22. Później odkryto również obecność niewielkich ilości neonu-21. Jeśli przy obliczaniu masy atomowej neonu skorzystamy z tych danych, okaże się, że jest ona równa w przybliżeniu 20,2.

Innymi słowy, masa poszczególnych atomów jest całkowitą wielokrotnością masy atomu wodoru, ale masa atomowa pojedynczego pierwiastka jest średnią mas atomowych jego atomów składowych, więc może nie być całością numer.

Średnia masa atomowa pierwiastka o dużej liczbie izotopów może w niektórych przypadkach być większa niż średnia masa atomowa pierwiastka o większej liczbie atomowej. Na przykład tellur, którego liczba atomowa wynosi 52, ma siedem izotopów. Spośród nich dwa najcięższe izotopy, tellur-126 i tellur-128, występują najczęściej. W rezultacie masa atomowa telluru zbliża się do 127,6. Liczba atomowa jodu wynosi 53, czyli o jeden więcej niż telluru. Ale jod ma tylko jeden izotop, jod-127, dlatego jego masa atomowa wynosi 127. Kiedy Mendelejew umieścił jod za tellurem w swoim układzie okresowym i w ten sposób naruszył porządek narzucony przez masę atomową, nie wiedząc o tym, podążał za zarzutami jądra, czyli fizyczna istota prawa okresowego.

Podajmy inny podobny przykład. Potas (numer seryjny 19) ma trzy izotopy - potas-39, potas-40 i potas-41, ale najczęściej występuje najlżejszy izotop - potas-39. W rezultacie masa atomowa potasu wynosi 39,1. Liczba atomowa argonu wynosi 18 i ma on również trzy izotopy - argon-36, argon-38 i argon-40, ale najcięższy izotop - argon-40 - jest najczęstszy. W rezultacie masa atomowa argonu wynosi około 40.

Za pomocą spektrografu masowego można zmierzyć masy poszczególnych izotopów i określić zawartość tych izotopów. Po uzyskaniu takich danych można obliczyć średnią masę atomową pierwiastka. Dokładność tej metody wyznaczania masy atomowej jest znacznie większa niż metod chemicznych.

Różne izotopy danego pierwiastka mają te same ładunki jądrowe, ale różne liczby masowe. W rezultacie jądra różnych izotopów zawierają tę samą liczbę protonów, ale inną liczbę neutronów. Neon-20, neon-21 i neon-22 mają po 10 protonów w jądrze, numer seryjny wszystkich tych izotopów wynosi 10, a elektrony są rozmieszczone pomiędzy powłokami w następujący sposób: 2, 8. Natomiast neon-20 jądro zawiera 10 protonów plus 10 neutronów, w jądrze neonu-21 ma 10 protonów plus 11 neutronów, a jądro neonu-22 ma 10 protonów plus 12 neutronów.

Większość pierwiastków (ale nie wszystkie) zawiera izotopy. W 1935 roku amerykański fizyk Arthur Geoffrey Dempster (1886-1950) ustalił na przykład, że naturalny uran, którego masa atomowa (238,07) jest bardzo bliska liczbie całkowitej, jest mieszaniną dwóch izotopów. Jeden z izotopów występuje w przeważającej ilości (99,3%). Jądra tego izotopu składają się z 92 protonów i 146 neutronów, tj. Całkowita liczba masowa wynosi 238. To jest uran-238. Zawartość innego izotopu, uranu-235, wynosi tylko 0,7%; w jądrze tego izotopu jest o trzy neutrony mniej.

Ponieważ właściwości radioaktywne zależą od budowy jądra atomowego, a nie od środowiska elektronowego, izotopy tego samego pierwiastka mogą mieć podobne właściwości chemiczne i zupełnie inną radioaktywność. Podczas gdy okres półtrwania uranu-238 wynosi 4 500 000 000 lat, okres półtrwania uranu-235 wynosi tylko 700 000 000 lat. Obydwa te pierwiastki są pierwszymi elementami dwóch odrębnych szeregów radioaktywnych.

Istniały przesłanki teoretyczne, które sugerowały, że wodór, najprostszy pierwiastek, może również mieć parę izotopów. Jądra zwykłych atomów wodoru składają się z jednego protonu, tj. zwykły wodór to wodór-1. W 1931 roku amerykański chemik Harold Clayton Urey (1893-1980) zaproponował, że cięższy izotop wodoru, jeśli istnieje, powinien wrzeć w wyższej temperaturze, odparowywać wolniej i gromadzić się w postaci pozostałości.

Próbując wykryć ten cięższy izotop wodoru, Yuri zaczął powoli odparowywać cztery litry ciekłego wodoru. W ostatnim centymetrze sześciennym wodoru Urey faktycznie znalazł jednoznaczne oznaki obecności wodoru-2, izotopu, którego jądro zawiera jeden proton i jeden neutron. Nazwano wodór-2 deuter .

Tlen nie był wyjątkiem. W 1929 roku amerykańskiemu chemikowi Williamsowi Francisowi Giocowi (ur. 1895) udało się wykazać, że tlen ma trzy izotopy. Najwięcej jest tlenu-16, stanowiącego około 99,8% wszystkich atomów. W jądrze tlenu-16 znajduje się 8 protonów i 8 neutronów. Jądro tlenu-18, drugiego najpowszechniej występującego izotopu, ma 8 protonów i 10 neutronów; jądro tlenu-17, które występuje tylko w ilościach śladowych, ma 8 protonów i 9 neutronów.

To stworzyło problem. Od czasów Berzeliusa obliczano masy atomowe pierwiastków przy założeniu, że masa atomowa tlenu wynosi 16,0000 (patrz rozdział 5). Ale masa atomowa tlenu może być jedynie obliczoną średnią masą atomową trzech izotopów, a stosunek izotopów tlenu może się znacznie różnić w zależności od próbki.

Fizycy zaczęli wyznaczać masy atomowe na podstawie masy atomowej tlenu-16 równej 16,0000. W rezultacie uzyskano szereg wartości ( fizyczna masa atomowa), które o bardzo małą stałą wartość przekraczały wartości stosowane i udoskonalane stopniowo przez cały XIX wiek. ( chemiczne masy atomowe).

W 1961 roku międzynarodowe organizacje chemików i fizyków zgodziły się przyjąć masę atomową węgla-12 jako normę, ustalając ją na dokładnie 12,0000. Masy atomowe pierwiastków obliczone według nowego standardu są prawie dokładnie takie same jak stare chemiczne masy atomowe, a w dodatku nowy standard jest powiązany tylko z jednym izotopem, a nie z galaktyką izotopów.

Rozdział 14 Reakcje jądrowe

Nowe transformacje

Kiedy stało się jasne, że atom składa się z mniejszych cząstek, które podczas przemian radioaktywnych ulegają przypadkowej zmianie, następny krok wydawał się niemal z góry przesądzony.

Człowiek nauczył się zmieniać układ cząsteczek według własnego uznania, stosując zwykłe reakcje chemiczne. Dlaczego nie spróbować zmienić układu jąder atomów za pomocą reakcje jądrowe? Protony i neutrony są znacznie ściślej związane niż atomy w cząsteczce, a zwykłe metody stosowane do przeprowadzania zwykłych reakcji chemicznych w naturalny sposób nie doprowadzą do sukcesu. Ale możesz spróbować opracować nowe metody.

Pierwszy krok w tym kierunku zrobił Rutherford; bombardował różne gazy cząstkami alfa i odkrył, że za każdym razem, gdy cząstka alfa uderza w jądro atomu, zakłóca jego strukturę (ryc. 23).

Już w 1919 roku Rutherford wykazał, że cząstki alfa mogą wybijać protony z jąder azotu i łączyć się z tym, co pozostało z jądra. Najpopularniejszym izotopem azotu jest azot-14, który ma w jądrze 7 protonów i 7 neutronów. Jeśli wybijesz proton z tego jądra i dodasz 2 protony i 2 neutrony cząstki alfa, otrzymasz jądro z 8 protonami i 9 neutronami, czyli jądro tlenu-17. Cząstkę alfa można traktować jako hel-4, a proton jako wodór-1. Zatem Rutherford jako pierwszy z powodzeniem przeprowadził sztuczną reakcję jądrową:

Azot-14 + hel-4 → tlen-17 + wodór-1

Przekształcając jeden element w drugi, dokonał transmutacji. I tak w XX w. spełniło się najbardziej cenione marzenie alchemików.

W ciągu następnych pięciu lat Rutherford przeprowadził szereg innych reakcji jądrowych z wykorzystaniem cząstek alfa. Jednak jego możliwości były ograniczone, ponieważ pierwiastki radioaktywne wytwarzały cząstki alfa tylko o średniej energii. Potrzebne były cząstki o znacznie wyższych energiach.

Ryż. 23. Schemat doświadczenia Rutherforda. Emitowane cząstki alfa są odchylane podczas przechodzenia przez złotą folię; wielkość odchylenia rejestruje się, gdy cząstki zderzają się z ekranem fluorescencyjnym.

Fizycy zaczęli tworzyć urządzenia przeznaczone do przyspieszania naładowanych cząstek w polu elektrycznym. Zmuszając cząstki do poruszania się z przyspieszeniem, można zwiększyć ich energię. Angielski fizyk John Douglas Cockroft (1897-1967) wraz ze swoim współpracownikiem irlandzkim fizykiem Ernestem Thomasem Sintonem Waltonem (ur. 1903) jako pierwsi opracowali koncepcję akceleratora, który umożliwił wytwarzanie cząstek o energii wystarczającej do przenoszenia wywołać reakcję nuklearną. W 1929 roku zbudowano taki akcelerator. Trzy lata później ci sami fizycy zbombardowali atomy litu przyspieszonymi protonami i uzyskali cząstki alfa. Tę reakcję jądrową można zapisać w następujący sposób:

Wodór-1 + lit-7 → hel-4 + hel-4

W akceleratorze Cockcrofta-Waltona i wielu innych podobnych akceleratorach cząstki poruszały się po prostej drodze. Uzyskanie cząstek wysokoenergetycznych w takim akceleratorze było możliwe tylko wtedy, gdy droga cząstek była odpowiednio długa, dlatego akceleratory tego typu były niezwykle nieporęczne. W 1930 roku amerykański fizyk Ernest Orlando Lawrence (1901-1958) zaproponował akcelerator, w którym cząstki poruszają się po lekko rozbieżnej spirali. Ten jest stosunkowo niewielki cyklotron może wytwarzać cząstki o niezwykle wysokiej energii.

Pierwszy bardzo mały cyklotron Lawrence'a jest prekursorem dzisiejszych gigantycznych instalacji o obwodzie pół kilometra, które służą poszukiwaniu odpowiedzi na najbardziej złożone pytania związane ze strukturą materii.

W 1930 roku angielski fizyk Paul Adrien Morris Dirac (ur. 1902) teoretycznie uzasadnił założenie, że zarówno protony, jak i elektrony powinny mieć swoje własne antycząstki . Antyelektron musi mieć masę elektronu, ale musi być naładowany dodatnio, antyproton musi mieć masę protonu, ale być naładowany ujemnie.

Antyelektron został odkryty w 1932 roku przez amerykańskiego fizyka Carla Davida Andersona (ur. 1905) podczas jego badań nad promieniami kosmicznymi. Kiedy promienie kosmiczne zderzają się z jądrami atomowymi atmosfery, tworzą cząstki, które odchylają się w polu magnetycznym pod tym samym kątem co elektrony, ale w przeciwnym kierunku. Anderson nazwał cząstki tego rodzaju pozytony .

Antyprotonu nie udało się odkryć przez kolejne ćwierć wieku. Ponieważ masa antyprotonu jest 1836 razy większa od masy antyelektronu, powstanie antyprotonu wymaga 1836 razy więcej energii, a zatem aż do lat 50. XX wieku. ta transformacja była niemożliwa. W 1955 roku amerykańskim fizykom Emilio Segre (ur. 1905) i Owenowi Chamberlainowi (ur. 1920) udało się uzyskać i wykryć antyproton za pomocą potężnych akceleratorów.

Odkryto, że mogą istnieć takie osobliwe atomy, w których ujemnie naładowane jądra zawierające antyprotony są otoczone przez dodatnio naładowane pozytony. Naturalnie, co to jest antymateria nie mogą długo istnieć ani na Ziemi, ani prawdopodobnie nawet w naszej Galaktyce, ponieważ materia stykająca się z antymaterią ulega anihilacji (zniszczeniu), uwalniając ogromną ilość energii. A mimo to astronomowie zastanawiają się, czy galaktyki zbudowane z antymaterii mogą istnieć? Jeśli będzie to możliwe, wykrycie takich galaktyk będzie bardzo trudne.

Katedra Chemii Fizycznej i Organicznej USPTU powstała w wyniku połączenia katedr chemii fizycznej i organicznej w 1983 roku. Historię Wydziału Chemii Fizycznej należy prześledzić do roku 1947, kiedy to po raz pierwszy studenci III roku filii Moskiewskiego Instytutu Naftowego w Ufie nie zostali wysłani na dalsze studia do Moskwy. Aby zorganizować pracę laboratoryjną w tamtych latach, na wydziale utworzono pracownię dmuchania szkła, co znacznie przyspieszyło wprowadzenie do warsztatu laboratoryjnego różnorodnego sprzętu chemii szkła. Przez kilka lat prowadzono prace nad chemią fizyczną i koloidalną. Duża w tym zasługa starszego nauczyciela Lyubov Nisovne Pirkis. Do prowadzenia wykładów z chemii fizycznej został zaproszony główny inżynier zakładu Dubitel, D. M. Rapoport, który następnie dołączył do kadry instytutu, pracując tam aż do emerytury. Katedra Chemii Fizycznej swoją oficjalną nazwę otrzymała w 1951 roku, kiedy prof Borys Wasiljewicz Klimenok, który kierował wydziałem przez 32 lata, aż do jego reorganizacji w 1983 r. W chwili powstania katedry pracę dydaktyczno-naukową prowadziło 8 pracowników. Pod kierownictwem profesora B.V. Klimenoka zakład rozpoczął badania naukowe nad odparafinowaniem olejów napędowych za pomocą mocznika. Kompleksowe badania pozwoliły na opracowanie procesu odparafinowania z wykorzystaniem wodno-etanolowych roztworów mocznika oraz zbudowanie instalacji pilotażowej w Rafinerii Nafty Ufa. Pilotażowe wyniki przemysłowe potwierdziły realną możliwość zastosowania procesu, jednakże duże straty alkoholu i mocznika sprawiły, że proces stał się nieefektywny. Katedra samodzielnie zajęła się badaniami odparafinowania olejów napędowych zawiesiną wodno-mocznikową.

Zaczynając od 1954 roku absolwenci podejmują pracę naukową. Inżynier A. T. Zemlyansky włożył wiele wysiłku w opracowanie wodnej wersji odparafinowania mocznika i praktyczne wdrożenie procesu. Był człowiekiem o „złotych rękach” i doskonałym umyśle inżynierskim. Samodzielnie wykonywał prace na tokarce, zajmował się spawaniem i obróbką metali. Można uznać, że duża pilotażowa instalacja do odparafinowania frakcji ropy naftowej za pomocą mocznika, zbudowana w warsztacie mechanicznym instytutu, jest pomysłem A. T. Zemlyansky'ego. Wraz z obiektem pilotażowym w Krajowej Rafinerii Nafty wybudowano zakład półprzemysłowy. Jednak z szeregu powodów instalacja ta przestała istnieć, a rozwój procesu kontynuowano głównie w instalacji pilotażowej instytutu. Zbadano możliwość nowych opcji procesu. Rozprawy na ten temat bronili Z. V. Basyrov, F. A. Chegodaev, A. M. Syrkin, A. A. Krasnov, T. S. Kamkina, P. O. Iwanow, V. G. Abdula, R. M. Abzalov. Rozbudowa katedry nastąpiła w 1968 roku, kiedy to zajęto się badaniami nad produkcją materiałów węglowych o określonych właściwościach na bazie produktów naftowych i wykorzystaniem odpadowego kwasu siarkowego z rafinerii ropy naftowej. Na ten temat obroniono 7 prac dyplomowych. Na uwagę zasługuje praca A. A. Senki, który nienagannie przeprowadził zarówno warsztaty laboratoryjne, jak i całą sprawozdawczość na wydziale. Obecnie prace te kontynuuje inżynier G. G. Medvedeva. Odpowiada nie tylko za pełną obsługę warsztatów laboratoryjnych, co w naszych czasach nie jest łatwe, ale także za zarządzanie sprawami wydziałowymi i organizację wydarzeń publicznych.

Początki Katedry Chemii Organicznej sięgają 1947 roku. Z biegiem lat wydział ulegał reorganizacji, łącząc się z innymi wydziałami.

W 1974 roku wydział ponownie usamodzielnił się, na jego czele stanął profesor R. B. Valitov. Pod jego kierownictwem zaczęły się rozwijać badania naukowe z zakresu petrochemii i ciężkiej syntezy organicznej. Profesorowie nadzwyczajni M. G. Safarov, D. M. Torikov, R. V. Faskhutdinova, A. I. Naimushin wnieśli ogromny wkład w prace metodologiczne wydziału. Profesor nadzwyczajny M. G. Safarov wraz z akademikiem V. I. Isagulyantsem utworzyli szkołę chemii 1,3-dioksanów. Prace kandydackie i doktoranckie z tego zakresu bronili D. L. Rakhmankulov, U. B. Imashevm, E. A. Kantor, S. S. Zlotsky i inni.

Nie sposób nie zauważyć wielkiego wkładu w organizację warsztatów laboratoryjnych z chemii organicznej jednego z najstarszych asystentów laboratoryjnych na uniwersytecie, T.V. Grigorievy, kierowników laboratoriów R.T. Zinatullina i I.N. Gilmanova, starszych asystentów laboratoryjnych E.E. Sukharevy, którzy pracują w tym dziale od wielu lat, R. A. Bikimbetow, G. D. Worshev.

W 1981 co roku na kierownika katedry wybierany jest profesor Ural Bułatowicz Imaszew. Po połączeniu wydziałów chemii fizycznej i organicznej profesor U. B. Imashev nadal kierował katedrą. Wraz z jego przybyciem zintensyfikowały się prace badawcze nad obiecującymi technologiami przetwarzania surowców naftowych. Rozwój i ekspansja tego kierunku doprowadziła do powstania szkoły naukowej, której efektem były nowe, niespotykane dotąd technologie przetwarzania pozostałości naftowych w polu falowym. Opracowano oryginalne metody syntezy różnych funkcjonalnie podstawionych mono-, di- i tritiowęglanów, począwszy od siarczku i dwusiarczku węgla. Badano ich właściwości i przemiany w różnych reakcjach chemicznych. Na temat siarki organicznej na wydziale obroniono prace 3 kandydatów (R. F. Mavlyutov, N. T. Chanyshev, R. F. Ishteev). Profesor nadzwyczajny S.M. wniósł pewien wkład w potencjał naukowy katedry. Kałasznikowa o syntezie acetali i pochodnych tlenku siarki. Potencjał naukowy katedry znacznie wzrósł wraz z przybyciem profesora E.M. Kuramshina. Opracował kierunek kinetyczny w badaniach chemii acetali. Profesor E.M. Kuramshin prowadzi prace z zakresu przemian oksydacyjnych związków organicznych oraz kinetyki i mechanizmu reakcji chemicznych. W ciągu ostatnich pięciu lat wydział zrealizował badania o wartości 1800 tysięcy rubli.

Schematy blokowe opracowane przez profesora nadzwyczajnego AI Naimushina zostały wprowadzone do zajęć laboratoryjnych z chemii organicznej. Profesor E.M. Kuramshin opublikował zalecenia metodologiczne dotyczące prac laboratoryjnych w chemii fizycznej i koloidalnej, korzystając ze schematu blokowego oraz podręcznika problemów z chemii fizycznej. Profesor E.M. Kurashin, profesorowie nadzwyczajni O.P. Zhurkin i O.B. Zvorygina opublikowali warsztaty laboratoryjne z chemii fizycznej.

Profesor U. B. Imashev opublikował podręcznik „Podstawy chemii organicznej” - M.: Kolos, 2011. - P.-464 s. oraz „Warsztaty laboratoryjne z chemii organicznej” – Ufa: USNTU, 2009.-236p. Wraz z profesorem nadzwyczajnym S. M. Kałasznikowem, profesorem nadzwyczajnym N. T. Chanyshevem i profesorem E. A. Udalovą opublikował podręcznik „Problemy i ćwiczenia z chemii organicznej” Ufa: USNTU, 2011. - 236 s. We współpracy z profesorem nadzwyczajnym O.P. Zhurkinem opublikowano podręcznik „Fizyczne i chemiczne metody analizy związków organicznych” Ufa: - USNTU, 2009. - 211 s.

W ciągu ostatnich pięciu lat nauczyciele i pracownicy katedry opublikowali 12 podręczników i pomocy dydaktycznych, 7 monografii, 135 artykułów naukowych, otrzymali 19 patentów, 3 granty.