หนังสือเคมีอินทรีย์สำหรับนักเรียนและเด็กนักเรียน ห้องปฏิบัติการเคมีอินทรีย์เชิงฟิสิกส์ (PHOC) จากประวัติความเป็นมาของห้องปฏิบัติการ

อนุภาคอิสระในสสารที่ไม่อิสระมีอายุยืนยาวได้หรือไม่?

เป็นไปได้. เป็นอนุมูลอิสระที่มีความเสถียร พวกเขาถูกค้นพบภายใต้กรอบของเคมีอินทรีย์เชิงฟิสิกส์ซึ่งเกี่ยวข้องกับประเด็นทั่วไปของเคมีอินทรีย์โดยให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการศึกษากลไกของปฏิกิริยาอินทรีย์ตลอดจนความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างโครงสร้างทางเคมีของสารประกอบอินทรีย์คุณสมบัติและ ปฏิกิริยา
ความสำเร็จประการหนึ่งคือการค้นพบและการใช้งานจริงของอนุมูลอิสระที่เสถียร (ประเภทของโมเลกุลหรืออะตอมที่สามารถดำรงอยู่ได้โดยอิสระและมีอิเล็กตรอนหนึ่งหรือสองตัวที่ไม่จับคู่กัน)

ความเสถียรของอนุมูลอิสระได้รับการอำนวยความสะดวกโดยสิ่งที่เรียกว่าอุปสรรคแบบสเตอริก (อุปสรรคแบบสเตอริก) เมื่ออะตอมซึ่งอิเล็กตรอนที่ไม่ได้รับการจับคู่ถูกจำกัดตำแหน่งนั้นได้รับการปกป้องอย่างน่าเชื่อถือจากรีเอเจนต์อื่นโดยองค์ประกอบแทนที่ขนาดใหญ่ในบริเวณใกล้เคียง มันเหมือนกับคนๆ หนึ่งท่ามกลางฝูงชน - ดูเหมือนว่าเขาจะไปได้ทุกที่ที่ต้องการอย่างอิสระ - แต่ไม่เลย สภาพแวดล้อมของคุณกำลังรั้งคุณไว้!
วิธีการสังเคราะห์และเทคโนโลยีสำหรับการผลิตอนุมูลไนโตรซิลที่เสถียรของซีรีส์อิมิดาโซลีนและสารตั้งต้นได้รับการพัฒนา ซึ่งใช้เป็นฉลากสปิน โพรบ และกับดักในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรม อนุมูลถูกกำหนดโดยอิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR) ที่ความเข้มข้น 10 (ยกกำลัง -10) เปอร์เซ็นต์โมล

ข้อได้เปรียบทางเทคนิคและเศรษฐกิจของอนุมูลไนโตรซิลที่พัฒนาแล้วของซีรีย์อิมิดาโซลีนนั้นถูกกำหนดโดยเอกลักษณ์ (ไม่มีอะนาล็อกตามธรรมชาติ) ซึ่งช่วยให้สามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้การเคลื่อนที่ของของเหลวในอ่างเก็บน้ำ (การผลิตน้ำมัน) เครื่องหมายที่ซ่อนอยู่ ฯลฯ . อนุมูลอิสระที่เสถียรถูกนำมาใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีต่างๆ:

ในทางการแพทย์และชีววิทยา อนุมูลไนโตรซิลที่เสถียรมักถูกใช้เป็นฉลากสปิน ตามกฎแล้วโมเลกุลของฉลากสปินทั้งหมดจะมีชิ้นส่วนพาราแมกเนติกเหมือนกัน นั่นคือไนโตรซิลเรดิคัลที่มีความเสถียรทางเคมี (>N-O*) อิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่จะถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นบนรากนี้ ซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งที่มาของสัญญาณ ESR ทางเลือกเฉพาะของฉลากการหมุนจะถูกกำหนดโดยปัญหาการวิจัย ตัวอย่างเช่น เพื่อติดตามการจัดเรียงใหม่ของโปรตีนโดยใช้แท็กสปิน โมเลกุลของแท็กโดยปกติจะถูก "เย็บ" กับบริเวณหนึ่งของโปรตีน ในกรณีนี้ ฉลากสปินจะต้องมีกลุ่มปฏิกิริยาพิเศษที่สามารถสร้างพันธะเคมีโควาเลนต์กับกรดอะมิโนที่ตกค้างของโมเลกุลโปรตีนได้

เพื่อศึกษาคุณสมบัติของเยื่อเทียมและเยื่อชีวภาพ มักใช้ฉลากหมุนที่ละลายในไขมันซึ่งสามารถรวมเข้ากับชั้นไขมันของเมมเบรนได้:
- เป็นหัววัด pH แบบหมุนสำหรับวัดค่า pH ในออร์แกเนลล์ของเซลล์
- เมื่อศึกษากระบวนการถ่ายโอนไอออนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์
- เพื่อกำหนดตำแหน่งของยาหรือยาอื่น ๆ ในอวัยวะหรือเนื้อเยื่อ

ในเคมีวิเคราะห์และธรณีฟิสิกส์:
- เพื่อสร้างสารคีเลตที่สามารถจับกับโลหะได้
- เป็นตัวบ่งชี้ที่มีเกณฑ์การตรวจจับต่ำ (เช่น แทนทริเทียมหรือสีย้อมอินทรีย์ในการสำรวจและผลิตน้ำมัน แทนกรดฟลูออโรอะโรมาติกในการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของน้ำใต้ดิน)
ในอุตสาหกรรมอื่นๆ สำหรับเติมเป็นเครื่องหมายซ่อนเร้นให้กับเชื้อเพลิง แอลกอฮอล์ ฯลฯ

สถาบันเคมีอินทรีย์และฟิสิกส์ของศูนย์วิทยาศาสตร์คาซัคของ Russian Academy of Sciences (Kazan) ดำเนินงาน คุณสามารถอ่านได้: Gammet L. ความรู้พื้นฐานเคมีอินทรีย์เชิงฟิสิกส์ ความเร็ว สมดุล และกลไกการเกิดปฏิกิริยา อ.: มีร์, 1972.

การวิจัยทางเคมีกายภาพ. ในช่วงทศวรรษที่ 30-60 ของศตวรรษที่ 19 เคมีอินทรีย์มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเคมี และประสบความสำเร็จอย่างมาก การสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์ใหม่ๆ ตามมาทีหลัง ผลงานของ N. Zinin, C. Gerard, G. Kolbe, J. Dumas, A. Wurtz, M. Berthelot, A. M. Butlerov และคนอื่น ๆ อีกมากมายดึงดูดความสนใจของนักเคมีในวงกว้าง

จากผลงานเหล่านี้ ทำให้เกิดภาพรวมที่สำคัญ ซึ่งส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับข้อเท็จจริงบางช่วงจากสาขาเคมีอินทรีย์ นี่คือหลักคำสอนเรื่องการทดแทน, ทฤษฎีประเภท, ทฤษฎีโครงสร้างทางเคมี, ทฤษฎีสารประกอบอะโรมาติก ฯลฯ คำถามพื้นฐานของเคมีตลอดจนคำถามเกี่ยวกับธรรมชาติขององค์ประกอบและคุณสมบัติขององค์ประกอบสาเหตุและเงื่อนไข ของปฏิสัมพันธ์ทางเคมี เช่น ธรรมชาติและแก่นแท้ของความสัมพันธ์ทางเคมี คำถามเหล่านี้ยังคงอยู่เบื้องหลัง ความสำคัญที่ไม่ต้องสงสัยของพวกเขาได้รับการยอมรับอย่างดี แต่ก็ไม่มากไปกว่านั้น ในทางกลับกัน เหตุผลในการแก้ปัญหายังคงมีการเตรียมการไม่ดีนัก อุปสรรคสำคัญคือความยากลำบากอย่างมากในการพัฒนา ความต้องการความพยายามที่มากกว่าที่จำเป็นสำหรับการวิจัยเกี่ยวกับปัญหาเคมีอื่นๆ ที่ไม่ค่อยทั่วไปและพื้นฐานน้อยกว่า อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเคมีอินทรีย์มีส่วนอย่างมากต่อการศึกษาและระบุหลักการทางกายภาพและเคมีที่สำคัญ ในระหว่างการศึกษาสารประกอบอินทรีย์นั้น มีความเชื่อมั่นมากขึ้นว่ารูปแบบที่ควบคุมกฎเคมีและฟิสิกส์จะเหมือนกันสำหรับทั้งสารอินทรีย์และอนินทรีย์ ข้อสรุปนี้มีความสำคัญขั้นพื้นฐาน จุดยืนที่สำคัญทางวิทยาศาสตร์ได้กำหนดไว้ว่าการก่อตัวของทั้งแร่ธาตุทดสอบและสารประกอบอินทรีย์ของพืชและสัตว์โลก รวมถึงสารที่ได้เทียมในห้องปฏิบัติการเคมีนั้นอยู่ภายใต้กฎหมายเดียวกัน

การค้นพบปรากฏการณ์ดังกล่าวในเคมีอินทรีย์เช่น isomerism (1830, Berzelius) และ homology (1842, Scheel, Gerard) ทำให้นักเคมีมีงานที่สำคัญที่สุด - เพื่อศึกษาการพึ่งพาคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของสารประกอบในองค์ประกอบและโครงสร้างของพวกมัน

การศึกษาสารประกอบไอโซเมอร์แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพของสารไม่เพียงขึ้นอยู่กับคุณภาพของอะตอมและจำนวนเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับการจัดเรียงภายในของอะตอมด้วย สิ่งนี้นำไปสู่ปัญหาที่สำคัญที่สุด - การเจาะเข้าไปใน "ชีวิตใกล้ชิด" ของอะตอมและโมเลกุลด้วยวิธีทางกายภาพและเคมีและพยายามทำความเข้าใจกฎของการมีปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน

ในพื้นที่นี้ มีการวิจัยในวงกว้างโดยเฉพาะสำหรับวิธีการวิจัยเคมีกายภาพ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาไม่เพียงแต่คุณสมบัติและองค์ประกอบของสารประกอบเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกระบวนการ เงื่อนไข และปัจจัยทางเคมีที่มีอิทธิพลต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีด้วย

การศึกษาปฏิกิริยาอินทรีย์ (ซึ่งเกิดขึ้นอย่างช้าๆ และไม่สมบูรณ์) ได้ก่อให้เกิดวัสดุใหม่ที่สำคัญเกี่ยวกับสมดุลทางเคมี เป็นการศึกษาปฏิกิริยาเหล่านี้ที่ทำให้สามารถนำแนวคิดที่สำคัญ เช่น ความเร็ว (เวลา) ทิศทาง และขีดจำกัดของกระบวนการทางเคมีมาสู่เคมีได้ การศึกษาปัญหาเหล่านี้นำไปสู่การศึกษาอิทธิพลของอุณหภูมิ ความดัน ปริมาณของสาร และสถานะการรวมตัวของสารที่มีต่ออัตราและทิศทางของปฏิกิริยาเคมี เมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างช้าๆ คุณสามารถหยุดปฏิกิริยาในช่วงเวลาต่างๆ และตรวจสอบสถานะและธรรมชาติของสารในช่วงเวลาดังกล่าวได้ ปฏิกิริยาเคมีอนินทรีย์ซึ่งมักเกิดขึ้นเกือบจะในทันทีไม่อนุญาตให้มีการศึกษาเช่นนี้

เส้นทางการเตรียมสารสังเคราะห์ทำให้นักเคมีได้รับสารสำคัญชนิดใหม่ (เริ่มแรกโดยการแยกจากผลิตภัณฑ์ธรรมชาติ และต่อมาโดยการสังเคราะห์) ซึ่งต่อมาพบการนำไปประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติ ในทางกลับกัน การศึกษาและการใช้สารใหม่ จำเป็นต้องศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของสารเหล่านี้ โดยขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและโครงสร้างของสารประกอบ

จากการศึกษาสารประกอบอินทรีย์ G. Kopp ระบุความสัมพันธ์แรกระหว่างโครงสร้างทางเคมีและคุณสมบัติทางกายภาพ “...ความเชื่อมโยงระหว่างคุณสมบัติทางกายภาพและองค์ประกอบทางเคมีกับการกำหนดคุณสมบัติเหล่านี้อย่างแม่นยำ” คอปป์เขียน “ในบางกรณีสามารถใช้เป็นตัวควบคุมสำหรับการกำหนดองค์ประกอบที่ถูกต้อง ดังนั้นบางครั้งความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพก็ยืนยันความรู้โดยตรง คุณสมบัติทางเคมี”

ข้อดีของ G. Kopp (พ.ศ. 2360-2435) อยู่ที่ความจริงที่ว่าเป็นครั้งแรกระหว่างปี พ.ศ. 2385 ถึง พ.ศ. 2398 เขาได้ศึกษาคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของสารจำนวนหนึ่งอย่างเป็นระบบ (จุดเดือดปริมาตรโมเลกุลและอะตอมความจุความร้อนของอะตอม) และความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างของการเชื่อมต่ออินทรีย์

ในการคำนวณปริมาตรจำเพาะของของเหลว Kopp ได้นำความหนาแน่นที่จุดเดือด โดยพิจารณาจากอุณหภูมิเหล่านี้ซึ่งมีความดันไอเท่ากัน เพื่อให้เหมาะสม การทดลองของคอปป์ในการกำหนดปริมาตรจำเพาะของสารอินทรีย์เหลวแสดงให้เห็นว่า: 1) สารประกอบไอโซเมอร์มีปริมาตรจำเพาะใกล้เคียงกัน; 2) ในซีรีส์ที่คล้ายคลึงกันหลายชุด พร้อมกับการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบที่ถูกต้อง ปริมาตรเฉพาะจะเปลี่ยนแปลงอย่างถูกต้อง เมื่อเปรียบเทียบจุดเดือดของสารอินทรีย์ต่างๆ Kopp ได้ข้อสรุปว่าในชุดที่คล้ายคลึงกัน ภาวะแทรกซ้อนขององค์ประกอบของ CH 2 มักจะมาพร้อมกับจุดเดือดที่เพิ่มขึ้น 12, 15, 10 ° C ความแตกต่างนี้มักจะคงที่สำหรับแต่ละอนุกรมที่คล้ายคลึงกัน

ตามที่คาดไว้ โครงสร้างทางเคมีของสารประกอบควรมีอิทธิพลบางอย่างต่อจุดเดือด ปรากฎว่าไอโซเมอร์เดือดที่อุณหภูมิต่างกัน

เมื่อพิจารณาจุดหลอมเหลวและจุดเยือกแข็งของสารอินทรีย์ พบว่าสำหรับสารประกอบที่คล้ายคลึงกัน อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นตามน้ำหนักโมเลกุลของสารที่เพิ่มขึ้น

งานของ Kopp ในการกำหนดอะตอมหรือปริมาตรจำเพาะของสารประกอบต่างๆ ในการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างจุดเดือดและองค์ประกอบของสารประกอบ แม้ว่าจะไม่ได้นำไปสู่รูปแบบที่สำคัญโดยพื้นฐาน แต่ก็ให้แรงจูงใจอย่างมากในการศึกษาการพึ่งพาทางเคมีกายภาพ และชี้แจงกฎเกณฑ์ที่คอปป์กำหนดไว้

ด้วยชื่นชมคุณธรรมของ Copp อย่างสูงในการพัฒนาความรู้ด้านเคมีฟิสิกส์ที่สำคัญ D. I. Mendeleev เขียนว่า: "ประวัติศาสตร์จะให้ความเคารพต่อกิจกรรมที่ไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อยของ Copp เสมอ"

ด้วยการถือกำเนิดของทฤษฎีโครงสร้างทางเคมีของ Butlerov (พ.ศ. 2404) ขั้นตอนใหม่เริ่มต้นขึ้นในการศึกษาการพึ่งพาคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของสารประกอบอินทรีย์ในโครงสร้างทางเคมี A. M. Butlerov เน้นย้ำว่าคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพของสารประกอบเคมี “มีความสัมพันธ์เชิงสาเหตุร่วมกัน” และการศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพมีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำความเข้าใจ “ความสัมพันธ์ร่วมกันซึ่งส่วนประกอบต่างๆ ของพวกมันถูกพบในสารเหล่านี้” ในฉบับแรกของ "บทนำ" (พ.ศ. 2407) Butlerov ดึงความสนใจไปที่ความจริงที่ว่าการศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพมีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำความเข้าใจความสัมพันธ์ร่วมกันของส่วนที่เป็นส่วนประกอบของสารประกอบเคมี ในฉบับเดียวกัน มีบทพิเศษ: “ความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของสาร” ในนั้น เขาตรวจสอบจุดหลอมเหลวและจุดเดือด ความจุความร้อน ความร้อนแฝงของการหลอมรวมและการระเหย “ปรากฏการณ์แคลอรี่ในปฏิกิริยาเคมี” เช่น ผลกระทบทางความร้อน แรงโมเลกุล ความสามารถในการละลาย การหักเห การกระเจิงของแสง การเรืองแสงและฟอสฟอรัส การหมุนระนาบโพลาไรเซชัน การกระทำทางเคมีของแสงและไฟฟ้า

วิธีการศึกษาสารด้วยแสงดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์มากที่สุดในขณะนั้น

ย้อนกลับไปในปี 1811 Arago ค้นพบปรากฏการณ์ของกิจกรรมทางแสงขณะศึกษาการหักเหสองครั้งในผลึกควอตซ์ จากนั้นในปี 1817 Biot ค้นพบว่าสารประกอบอินทรีย์เหลวมีคุณสมบัติทางแสง โดยสามารถหมุนระนาบโพลาไรเซชันได้ ความสามารถของสารอินทรีย์เหลวในการหมุนระนาบของโพลาไรเซชันแสดงให้เห็นว่าไม่มีความสัมพันธ์ที่จำเป็นระหว่างโครงสร้างผลึกกับกิจกรรมทางแสง ตามความเห็นของ Butlerov “สิ่งหลังนั้นซ้อนอยู่ในธรรมชาติของอนุภาค” การศึกษาเหล่านี้เผยให้เห็นข้อเท็จจริงที่มีความสำคัญขั้นพื้นฐาน กล่าวคือ กิจกรรมทางแสงเป็นคุณสมบัติที่ไม่เพียงแต่เป็นผลึกเท่านั้น แต่ยังเป็นของโมเลกุลด้วย

เกี่ยวกับผลงานของ Biot ที่กล่าวมาข้างต้น มีการตัดสินที่น่าสนใจของ Berzelius ดังต่อไปนี้: “ไม่ต้องสงสัยเลยว่าการวิจัยประเภทนี้ซึ่งยังอยู่ในวัยเด็กอาจประสบผลสำเร็จหากดำเนินการอย่างเต็มรูปแบบโดยไม่ต้องสงสัย หากงานดังกล่าวดำเนินการโดยบุคคลที่มีความรู้ด้านวิทยาศาสตร์เชิงแสงและเคมี เราหวังว่าจะได้รับคำอธิบายที่จะเจาะลึกเข้าไปในบริเวณที่ซ่อนอยู่ของทฤษฎีองค์ประกอบของวัตถุอินทรีย์และอนินทรีย์"

การศึกษาการพึ่งพาความสามารถในการหักเหของแสงของสารในองค์ประกอบของพวกมันเริ่มพัฒนาประสบความสำเร็จโดยเฉพาะหลังจาก M. Berthelot ในปี 1856 ได้แนะนำแนวคิดของการหักเหของโมเลกุลซึ่งก็คือ (ผลคูณของการหักเหของแสงจำเพาะตามน้ำหนักโมเลกุล ตามข้อมูลของ Berthelot โมเลกุล การหักเหของแสงซึ่งสำหรับสารประกอบจำนวนมากทำให้เกิดการเบี่ยงเบน ไม่เกิน ± 0.1%

ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2422 เจ. บรูห์ล นักเรียนของแลนโดลต์ได้เริ่มการศึกษาการหักเหของอะตอมและหมู่อย่างเป็นระบบ เขากำหนดภารกิจการวิจัยทางกายภาพในเคมีอินทรีย์ไว้อย่างชัดเจน เขาเชื่อว่าวิธีการทางเคมีไม่เพียงพอที่จะสร้างโครงสร้างของสาร และจำเป็นต้องเกี่ยวข้องกับการศึกษาเปรียบเทียบคุณสมบัติทางกายภาพของสาร

Brühl เขียนไว้เมื่อปลายทศวรรษที่ 70 ว่า “... องค์ประกอบของสสารสามารถศึกษาได้จนถึงความสัมพันธ์ระหว่างอะตอมแต่ละอะตอมต่อกัน ดังนั้นถึงเวลาใช้เครื่องมือที่ฟิสิกส์นำเสนอเพื่อการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติ เคมี... จากความเชื่อมั่นนี้ฉันได้จัดทำแผนสำหรับการศึกษาเปรียบเทียบคุณสมบัติทางกายภาพของสารอินทรีย์ในวงกว้าง ตามคำแนะนำของศาสตราจารย์ Landolt ที่ Lachen ฉันตัดสินใจว่าจะศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างกำลังการหักเหของแสงกับลักษณะทางเคมีของสารเป็นหัวข้อแรก"

“ผมเชื่อมั่น” เขาเขียนว่าเวลานั้นอยู่ไม่ไกลเมื่อวิธีการวิจัยทางกายภาพเหล่านี้จะเทียบเท่ากับวิธีการวิเคราะห์และสังเคราะห์”

I. I. Kanonnikov ในปี พ.ศ. 2426-2428 ประยุกต์วิธีหักเหของแสงเพื่อศึกษาโครงสร้างของสารอนินทรีย์ เขาเชื่อว่าวิธีนี้ “มีความสำคัญอย่างยิ่งในการศึกษาโครงสร้าง เนื่องจากทำให้สามารถสรุปเกี่ยวกับโครงสร้างนี้ได้โดยไม่ทำลายอนุภาคของสารประกอบ”

การศึกษาการหักเหของแสงสมัยใหม่ได้ยืนยันมุมมองนี้แล้ว ในปัจจุบัน การวัดคุณสมบัติทางแสงทำให้สามารถแก้ปัญหาได้หลากหลาย ตั้งแต่การศึกษาพันธะไฮโดรเจนไปจนถึงการกำหนดสูตรโครงสร้างของซิลิเกต

ตั้งแต่ทศวรรษที่ 90 ของศตวรรษที่ XIX A. Gancha เริ่มใช้วิธีการวิจัยทางกายภาพ (สเปกตรัมการดูดกลืนแสง การวัดค่าการนำไฟฟ้า ฯลฯ) ในวงกว้างเพื่อสร้างโครงสร้างของสารประกอบอินทรีย์

Ganch และโรงเรียนของเขาให้ความสำคัญอย่างยิ่งต่อการศึกษาสเปกตรัมการดูดกลืนแสง Ganch สามารถแสดงให้เห็นว่ามีความแตกต่างอย่างมากระหว่างสเปกตรัมการดูดซึมของกรดในรูปแบบบริสุทธิ์กับกรดเดียวกันในสารละลาย สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการศึกษาไม่เพียงแต่สารบริสุทธิ์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงธรรมชาติของสารละลายเป็นหลักด้วย

ตั้งแต่ปีพ. ศ. 2440 L. A. Chugaev ได้ดำเนินงานหลายชุดเกี่ยวกับการศึกษาคุณสมบัติทางแสงของสารประกอบอินทรีย์ส่วนใหญ่ เขาได้ปรับปรุงวิธีการทางแสงสำหรับการวิเคราะห์ส่วนผสมของสารประกอบอินทรีย์ที่หมุนระนาบโพลาไรเซชันของแสง Chugaev ได้สร้างกรณีที่น่าสนใจเกี่ยวกับความผิดปกติในไดออกซีมที่สร้างขึ้นต่างกัน ปรากฎว่าวงแหวนไตรเอทิลีนนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยการหักเหที่เพิ่มขึ้นซึ่งไม่สอดคล้องกับข้อมูลของบรูห์ล การศึกษาเหล่านี้ทำให้สามารถศึกษาโครงสร้างทางเคมีของคอเลสเตอรอลได้

เมื่อรวมกับทฤษฎีโครงสร้างทางเคมีแล้ว วิธีการทางกายภาพได้กลายเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการศึกษาคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของสารเชิงซ้อน

วิธีการต่างๆ เช่น การแช่แข็งและการตรวจอีบุลลิโอสโคป ได้ให้บริการเคมีอินทรีย์อย่างมีคุณค่า นักเคมีอินทรีย์ยังเริ่มใช้การตรวจวัดค่าการนำไฟฟ้า การหักเห ค่าคงที่ทางเทอร์โมเคมี สเปกตรัมการดูดกลืนแสง ความสามารถในการหมุน และสมบัติทางแม่เหล็กอย่างกว้างขวาง เพื่อศึกษาคุณสมบัติและโครงสร้างของสารประกอบอินทรีย์ต่างๆ

ในปี 1909 ในบทความ "ปัญหาสมัยใหม่ของเคมีอินทรีย์" L. A. Chugaev เขียนว่านักเคมีอินทรีย์ในการวิจัยของเขาควรใช้วิธีการวิจัยทางเคมีกายภาพและความครอบคลุมทางทฤษฎีของกระบวนการทางเคมี ในทางกลับกัน ตามความเห็นของ Chugaev “เคมีของสารประกอบคาร์บอน เนื่องจากความหลากหลายที่ไม่สิ้นสุดของทั้งรูปแบบของสารและประเภทของการเปลี่ยนแปลง แสดงถึงความมั่งคั่งของวัสดุสำหรับการวิจัย”

ในวรรณกรรมทางประวัติศาสตร์และเคมี บางครั้งมีการระบุว่าเคมีอินทรีย์ชะลอการพัฒนาเคมีกายภาพเป็นเวลาหลายปี (พ.ศ. 2383-2423) และหันเหพลังทางวิทยาศาสตร์ไปสู่ตัวมันเอง เป็นไปไม่ได้เลยที่จะเห็นด้วยกับมุมมองนี้อย่างสมบูรณ์ ยิ่งไปกว่านั้น ยุค “อินทรีย์” ในการพัฒนาเคมีเป็นช่วงที่จำเป็นและสำคัญมาก ไม่เพียงแต่ในการพัฒนาเคมีโดยทั่วไปเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเคมีเชิงฟิสิกส์ด้วย เนื่องจากนักเคมีอินทรีย์เป็นผู้จัดหาวัสดุใหม่ๆ มากมายสำหรับฟิสิกส์และเคมีต่างๆ การวิจัยทางเคมี สารประกอบอินทรีย์มีบทบาทสำคัญในประวัติศาสตร์ของการค้นพบกฎทางกายภาพและเคมีพื้นฐานหลายประการ และลักษณะทั่วไปที่สำคัญทางทฤษฎี

งานของนักเคมีอินทรีย์ในการศึกษาโครงสร้างของสารประกอบอินทรีย์ประเภทต่างๆ ได้ปูทางไปสู่การศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับกลไกการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งต่อมามีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาจลนพลศาสตร์เคมี

นับตั้งแต่สมัยลาวัวซิเยร์ นักเคมีสามารถคาดเดาได้ว่าปฏิกิริยาไอออนิกที่รวดเร็วของโมเลกุลที่มีขนาดค่อนข้างเล็กจะไปในทิศทางใด และสามารถปรับเปลี่ยนปฏิกิริยาเหล่านี้เพื่อการใช้งานจริงได้ การศึกษาโมเลกุลที่ซับซ้อนนั้นยากกว่ามาก ปฏิกิริยาที่ช้าของสารประกอบอินทรีย์ยังยากต่อการวิเคราะห์อีกด้วย ปฏิกิริยามักเกิดขึ้นได้หลายเส้นทาง และนักเคมีได้รับอนุญาตให้ควบคุมปฏิกิริยาไปตามเส้นทางที่ต้องการผ่านทักษะของเขาในฐานะนักทดลองและสัญชาตญาณ และไม่ผ่านความเข้าใจอย่างลึกซึ้งในกระบวนการ

ด้วยการถือกำเนิดของแบบจำลองอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม นักเคมีอินทรีย์จึงสามารถพิจารณาสาขาการวิจัยของตนใหม่ได้ ในช่วงปลายทศวรรษที่ 20 ของศตวรรษที่ XX นักเคมีชาวอังกฤษ คริสโตเฟอร์ อิงโกลด์ (พ.ศ. 2436-2513) และนักเคมีอีกจำนวนหนึ่งพยายามเข้าใกล้ปฏิกิริยาอินทรีย์จากมุมมองของทฤษฎีโครงสร้างอะตอม โดยอธิบายปฏิกิริยาของโมเลกุลโดยการเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอน ในเคมีอินทรีย์ เริ่มมีการใช้วิธีเคมีเชิงฟิสิกส์อย่างเข้มข้น วินัยที่สำคัญได้กลายเป็น เคมีอินทรีย์เชิงฟิสิกส์ .

อย่างไรก็ตาม ความพยายามที่จะตีความปฏิกิริยาอินทรีย์ซึ่งเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเท่านั้นไม่ได้นำไปสู่ความสำเร็จมากนัก

ในช่วงไตรมาสแรกของศตวรรษที่ 20 นับตั้งแต่มีการค้นพบอิเล็กตรอน ก็ถือว่าพิสูจน์แล้วว่าอิเล็กตรอนเป็นลูกบอลแข็งที่เล็กมาก อย่างไรก็ตาม ในปี 1923 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Louis Victor de Broglie (เกิดปี 1892) ได้เสนอเหตุผลทางทฤษฎีว่าอิเล็กตรอน (และอนุภาคอื่นๆ ทั้งหมด) มีคุณสมบัติเป็นคลื่น ในช่วงปลายทศวรรษที่ 20 ของศตวรรษที่ XX สมมติฐานนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลอง

Pauling (ซึ่งเป็นคนแรกที่แนะนำว่าโมเลกุลของโปรตีนและกรดนิวคลีอิกมีรูปร่างเป็นเกลียว ดูบทที่ 10) ในช่วงต้นทศวรรษที่ 30 วิธีการที่พัฒนาขึ้นซึ่งทำให้สามารถคำนึงถึงธรรมชาติของคลื่นของอิเล็กตรอนเมื่อพิจารณาถึงปฏิกิริยาอินทรีย์

เขาแนะนำว่าการขัดเกลาทางสังคมของอิเล็กตรอนคู่หนึ่ง (อ้างอิงจากลูอิสและแลงเมียร์) สามารถตีความได้ว่าเป็นอันตรกิริยาของคลื่นหรือการทับซ้อนกันของเมฆอิเล็กตรอน พันธะเคมีซึ่งแสดงเป็นคุณลักษณะหนึ่งในทฤษฎีโครงสร้างของ Kekule นั้นสอดคล้องกับแนวคิดใหม่เกี่ยวกับบริเวณที่มีการทับซ้อนกันของเมฆอิเล็กตรอนมากที่สุด ปรากฎว่าบางครั้งการทับซ้อนกันของเมฆอิเล็กตรอนเกิดขึ้นไม่เพียงแต่ในทิศทางเดียวเท่านั้น ซึ่งแสดงด้วยพันธะเวเลนซ์ในสูตรโครงสร้าง กล่าวอีกนัยหนึ่ง โครงสร้างที่แท้จริงของโมเลกุลไม่สามารถแสดงได้โดยประมาณด้วยสูตรโครงสร้างเดียวใดๆ ก็ตาม อย่างไรก็ตาม สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นตัวกลางระหว่างโครงสร้างสมมุติหลายๆ โครงสร้าง โดยเป็น "ลูกผสมเรโซแนนซ์" ของโครงสร้างเหล่านี้ สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าพลังงานของโมเลกุลจริงดังกล่าวต่ำกว่าที่คาดไว้โดยพิจารณาจากโครงสร้าง "คลาสสิก" ที่มีการสั่นพ้องเดียว กล่าวกันว่าโมเลกุลดังกล่าว "เสถียรด้วยการสั่นพ้อง" แม้ว่าการสั่นพ้องในกรณีนี้จะไม่ใช่ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่แท้จริง แต่เป็นแนวคิดทางทฤษฎีที่สะดวกในการอธิบายความเสถียรและคุณสมบัติของโมเลกุลบางชนิด

ทฤษฎีเรโซแนนซ์ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์อย่างยิ่งในการทำความเข้าใจโครงสร้างของเบนซีน ซึ่งทำให้นักเคมีงงงวยมาตั้งแต่สมัย Kekule (ดูบทที่ 7) สูตรของเบนซีนมักจะแสดงเป็นรูปหกเหลี่ยมซึ่งมีพันธะเดี่ยวและพันธะคู่สลับกัน อย่างไรก็ตามเบนซินแทบไม่มีคุณสมบัติเฉพาะของสารประกอบที่มีพันธะคู่เลย

แต่สำหรับเบนซีน คุณสามารถเขียนสูตร Kekulé สูตรที่สองซึ่งเทียบเท่ากันโดยสิ้นเชิงได้ โดยจะมีการสลับพันธะอย่างง่ายและพันธะคู่เทียบกับสูตรแรก โมเลกุลของเบนซีนที่เกิดขึ้นจริงถูกอธิบายว่าเป็นลูกผสมที่สะท้อนของโครงสร้างKekulé สองตัว อิเล็กตรอนที่รับผิดชอบในการก่อตัวของพันธะคู่จะถูกแยกส่วน "กระจาย" ไปรอบ ๆ วงแหวน ดังนั้นพันธะทั้งหมดระหว่างอะตอมของคาร์บอนในเบนซีนจะเท่ากันและอยู่ตรงกลางระหว่างพันธะเดี่ยวและพันธะคู่แบบคลาสสิก นี่คือเหตุผลที่ทำให้เกิดความเสถียรและลักษณะเฉพาะของพฤติกรรมทางเคมีของเบนซีนที่เพิ่มขึ้น

นอกจากโครงสร้างของเบนซีนแล้ว แนวคิดเกี่ยวกับคุณสมบัติคลื่นของอิเล็กตรอนยังช่วยอธิบายประเด็นอื่นๆ อีกด้วย เนื่องจากอิเล็กตรอนทั้งสี่ตัวที่อยู่บนเปลือกนอกของอะตอมคาร์บอนไม่ได้มีพลังงานเท่ากันทั้งหมด จึงอาจสรุปได้ว่าพันธะที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมของคาร์บอนกับอะตอมข้างเคียงจะแตกต่างกันบ้าง ขึ้นอยู่กับว่าอิเล็กตรอนตัวใดมีส่วนร่วมในการก่อตัวของอิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่ง หรือการสื่อสารอื่นๆ

อย่างไรก็ตาม ปรากฎว่าอิเล็กตรอนสี่ตัวเหมือนคลื่น มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันและสร้างพันธะ "กลาง" สี่อัน ซึ่งเทียบเท่ากันโดยสิ้นเชิงและมุ่งตรงไปยังจุดยอดของจัตุรมุข เช่นเดียวกับในอะตอมจัตุรมุขของ Van't Hoff-Le Bel

ในเวลาเดียวกัน เสียงสะท้อนช่วยอธิบายโครงสร้างของกลุ่มสารประกอบผิดปกติที่นักเคมีพบครั้งแรกเมื่อต้นศตวรรษที่ 20 ในปี 1900 นักเคมีชาวอเมริกัน โมเสส กอมเบิร์ก (พ.ศ. 2409-2490) พยายามหาเฮกซาฟีนิลเอเทน ซึ่งเป็นสารประกอบในโมเลกุลซึ่งมีอะตอมของคาร์บอน 2 อะตอมเชื่อมต่อกับวงแหวนเบนซีน 6 วง (3 วงสำหรับแต่ละอะตอมของคาร์บอน)

แทนที่จะเป็นสารประกอบนี้ Gomberg ได้รับสารละลายสีของสารประกอบที่มีปฏิกิริยามากบางชนิด ด้วยเหตุผลหลายประการ Gomberg เชื่อว่าเขาได้รับ ไตรฟีนิลเมทิล- “ครึ่งโมเลกุล” ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนหนึ่งอะตอมและวงแหวนเบนซีนสามวง โดยพันธะที่สี่ของอะตอมคาร์บอนไม่อิ่มตัว

สารประกอบนี้มีลักษณะคล้ายกับอนุมูลที่มีแนวคิดถูกนำมาใช้ในศตวรรษที่ 19 เพื่ออธิบายโครงสร้างของสารประกอบอินทรีย์ (ดูบทที่ 6) อย่างไรก็ตาม ไม่เหมือนกับอนุมูลของทฤษฎีเก่า โมเลกุลที่ Gomberg ค้นพบนั้นมีอยู่ในรูปแบบที่แยกได้ และไม่ใช่ชิ้นส่วนของสารประกอบอื่น จึงถูกเรียกว่า อนุมูลอิสระ .

ด้วยการพัฒนาแนวคิดทางอิเล็กทรอนิกส์เกี่ยวกับพันธะเคมี เห็นได้ชัดว่าในอนุมูลอิสระเช่นใน ไตรฟีนิลเมทิลพันธะไม่อิ่มตัว (ตามทฤษฎีของ Kekule) ในกรอบแนวคิดใหม่สอดคล้องกับอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่ โดยปกติแล้วโมเลกุลดังกล่าวที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่จะมีปฏิกิริยาอย่างมากและเปลี่ยนสภาพเป็นสารอื่นได้อย่างรวดเร็ว

อย่างไรก็ตามหากโมเลกุลแบนและสมมาตร (เช่นโมเลกุลไตรฟีนิลเมทิล) อิเล็กตรอนที่ไม่ได้รับการจับคู่ก็สามารถ "เปื้อน" ทั่วทั้งโมเลกุลได้ซึ่งจะนำไปสู่ความเสถียรของอนุมูล

เมื่อศึกษาปฏิกิริยาอินทรีย์จากมุมมองของทฤษฎีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ เห็นได้ชัดว่าปฏิกิริยามักรวมถึงขั้นตอนการก่อตัวของอนุมูลอิสระด้วย ตามกฎแล้วอนุมูลอิสระดังกล่าวไม่เสถียรด้วยการสั่นพ้อง แต่จะมีอยู่เพียงช่วงเวลาสั้น ๆ และก่อตัวขึ้นด้วยความยากลำบากเสมอ เป็นเพราะความยากในการสร้างตัวกลางอนุมูลอิสระ ปฏิกิริยาอินทรีย์ส่วนใหญ่จึงเกิดขึ้นช้ามาก

ในไตรมาสที่สองของศตวรรษที่ 20 นักเคมีอินทรีย์เริ่มเจาะลึกเข้าไปในแก่นแท้ของปฏิกิริยาอินทรีย์และเมื่อศึกษากลไกของปฏิกิริยาโดยเข้าใจแก่นแท้ของกระบวนการแล้ว พวกเขาสามารถสังเคราะห์โมเลกุลที่มีความซับซ้อนทำให้นักเคมีประหลาดใจในรุ่นก่อน ๆ

อย่างไรก็ตาม แนวคิดของทฤษฎีเรโซแนนซ์สามารถใช้ได้ไม่เพียงแต่ในเคมีอินทรีย์เท่านั้น จากแนวคิดเก่าๆ เป็นไปไม่ได้เลยที่จะอธิบายโครงสร้างของโมเลกุลโบโรไฮไดรด์ได้อย่างชัดเจน อะตอมของโบรอนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนน้อยเกินไปที่จะสร้างพันธะตามจำนวนที่ต้องการ หากเราสมมติว่าอิเล็กตรอนถูก "เปื้อน" อย่างเหมาะสม เราก็สามารถเสนอโครงสร้างโมเลกุลที่ยอมรับได้

แม้ว่าตั้งแต่การค้นพบก๊าซเฉื่อยก็เชื่อกันว่าพวกมันไม่ได้เกิดปฏิกิริยาใดๆ เลย แต่ในปี 1932 Pauling แนะนำว่าอะตอมของก๊าซเหล่านี้ควรก่อให้เกิดพันธะ.

ในขั้นต้น ข้อสันนิษฐานของพอลลิงนี้ไม่มีใครสังเกตเห็น แต่ในปี 2505 อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาของซีนอนก๊าซเฉื่อยกับฟลูออรีน ซีนอนฟลูออไรด์. หลังจากนั้นไม่นาน ก็ได้รับสารประกอบซีนอนอื่นๆ อีกจำนวนหนึ่งที่มีฟลูออรีนและออกซิเจน ตลอดจนสารประกอบเรดอนและคริปทอน

ครึ่งชีวิต

การศึกษาโครงสร้างของอะตอมทำให้เกิดความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับปัญหา แต่ในขณะเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ก็ต้องเผชิญกับคำถามใหม่ๆ มากมาย

ในปี 1900 ครูกส์ (ดูบทที่ 12) ค้นพบว่าสารประกอบยูเรเนียมบริสุทธิ์ที่เพิ่งเตรียมใหม่มีกัมมันตภาพรังสีเพียงเล็กน้อยเท่านั้น และกัมมันตภาพรังสีของสารประกอบเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นตามเวลา ในปี ค.ศ. 1902 รัทเทอร์ฟอร์ดและผู้ร่วมงานของเขา นักเคมีชาวอังกฤษ เฟรเดอริก ซอดดี (พ.ศ. 2420-2499) เสนอว่าเมื่อมีการปล่อยอนุภาคแอลฟา ธรรมชาติของอะตอมยูเรเนียมจะเปลี่ยนไป และอะตอมใหม่ที่ผลิตออกมาจะปล่อยรังสีที่แรงกว่ายูเรเนียมเอง (ดังนั้น การสังเกตถูกนำมาพิจารณาที่นี่ Crookes) อะตอมที่สองนี้ก็แยกตัวออกไปและก่อตัวเป็นอะตอมอื่น อันที่จริงอะตอมยูเรเนียมก่อให้เกิดธาตุกัมมันตภาพรังสีทั้งชุด - ซีรีย์กัมมันตภาพรังสีรวมทั้งเรเดียมและพอโลเนียม (ดูหัวข้อ "เลขลำดับ") และลงท้ายด้วยตะกั่วซึ่งไม่มีกัมมันตภาพรังสี ด้วยเหตุนี้เองจึงสามารถพบธาตุเรเดียม โพโลเนียม และธาตุกัมมันตภาพรังสีที่หายากอื่นๆ ได้ในแร่ยูเรเนียม ชุดกัมมันตภาพรังสีชุดที่สองเริ่มต้นด้วยยูเรเนียม ในขณะที่ชุดกัมมันตภาพรังสีชุดที่สามเริ่มต้นด้วยทอเรียม

สมควรถามว่าทำไมธาตุกัมมันตภาพรังสีที่สลายตัวอยู่ตลอดเวลาจึงยังมีอยู่ต่อไป? ในปี 1904 รัทเทอร์ฟอร์ดแก้ไขปัญหานี้ จากการศึกษาอัตราการสลายกัมมันตภาพรังสี เขาแสดงให้เห็นว่าหลังจากช่วงระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งแตกต่างกันไปตามธาตุต่างๆ ครึ่งหนึ่งของปริมาณที่กำหนดของธาตุกัมมันตภาพรังสีจะสลายตัว ช่วงนี้ลักษณะของสารกัมมันตภาพรังสีแต่ละชนิด รัทเธอร์ฟอร์ด เรียกว่า ครึ่งชีวิต(รูปที่ 22)

ข้าว. 22. ครึ่งชีวิตของเรดอนถูกกำหนดโดยการวัดปริมาณของสารที่เหลืออยู่ในช่วงเวลาปกติ การพึ่งพาอาศัยกันที่เกิดขึ้นคือเส้นโค้งเอ็กซ์โปเนนเชียล "เสื่อมลง" y=e-อา .

ตัวอย่างเช่น ครึ่งชีวิตของเรเดียมมีค่าต่ำกว่า 1,600 ปี ตลอดยุคสมัยทางธรณีวิทยา แน่นอนว่าเรเดียมจำนวนเท่าใดก็ได้ในเปลือกโลกจะหายไปนานแล้ว หากไม่ได้รับการเติมเต็มอย่างต่อเนื่องด้วยการสลายตัวของยูเรเนียม เช่นเดียวกันกับผลิตภัณฑ์การสลายตัวของยูเรเนียมอื่นๆ รวมถึงผลิตภัณฑ์ที่มีครึ่งชีวิตวัดเป็นเศษส่วนของวินาที

ครึ่งชีวิตของยูเรเนียมเองคือ 4,500,000,000 ปี นี่เป็นช่วงเวลาที่ยิ่งใหญ่และตลอดประวัติศาสตร์ทั้งหมดของโลก มีเพียงส่วนหนึ่งของปริมาณสำรองยูเรเนียมดั้งเดิมเท่านั้นที่สามารถสลายตัวได้ ทอเรียมสลายตัวช้าลงอีก โดยมีครึ่งชีวิต 14,000,000,000 ปี

ระยะเวลาอันยาวนานดังกล่าวสามารถกำหนดได้โดยการนับจำนวนอนุภาคอัลฟาที่ปล่อยออกมาจากมวลยูเรเนียม (หรือทอเรียม) ที่กำหนดเท่านั้น รัทเทอร์ฟอร์ดนับอนุภาคอัลฟาโดยการตรวจจับแสงวูบวาบเล็กๆ ที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคอัลฟ่าชนกับตะแกรงซิงค์ซัลไฟด์ (กล่าวคือ โดยใช้สิ่งที่เรียกว่า เคาน์เตอร์ประกาย).

อนุภาคอัลฟ่าใหม่แต่ละตัวหมายความว่าอะตอมยูเรเนียมอีกอะตอมสลายตัว ดังนั้นรัทเทอร์ฟอร์ดจึงสามารถระบุได้ว่ามีอะตอมสลายตัวกี่อะตอมต่อวินาที จากมวลของยูเรเนียมที่เขาใช้ รัทเทอร์ฟอร์ดได้กำหนดจำนวนอะตอมของยูเรเนียมทั้งหมด การมีข้อมูลดังกล่าว การคำนวณเวลาที่ต้องใช้ในการสลายตัวของยูเรเนียมครึ่งหนึ่งของปริมาณที่มีอยู่ก็ไม่ใช่เรื่องยากอีกต่อไป เมื่อปรากฎว่าเรากำลังพูดถึงพันล้านปี

การสลายตัวของยูเรเนียมเป็นกระบวนการที่คงที่และเป็นลักษณะเฉพาะซึ่งสามารถใช้เพื่อกำหนดอายุของโลกได้ ในปี 1907 นักเคมีชาวอเมริกัน เบอร์แทรม บอร์เดน โบลต์วูด (พ.ศ. 2413-2470) เสนอแนะว่าการตรวจวัดดังกล่าวอาจขึ้นอยู่กับปริมาณตะกั่วของแร่ยูเรเนียม หากเราสันนิษฐานว่าตะกั่วทั้งหมดในแร่ธาตุมาจากการสลายตัวของยูเรเนียม ก็เป็นเรื่องง่ายที่จะคำนวณว่าใช้เวลานานเท่าใด เมื่อใช้วิธีนี้ สามารถระบุได้ว่าอายุของเปลือกโลกแข็งอย่างน้อยสี่พันล้านปี

ในขณะเดียวกัน Soddy ยังคงอธิบายการเปลี่ยนแปลงในอะตอมที่เกิดจากการปลดปล่อยอนุภาคย่อยของอะตอมต่อไป หากอะตอมสูญเสียอนุภาคแอลฟา (+2 ประจุ) ประจุทั้งหมดบนนิวเคลียสของมันจะลดลง 2 อัน และธาตุจะเคลื่อนช่องว่าง 2 ช่องไปทางซ้ายบนตารางธาตุ

หากอะตอมสูญเสียอนุภาคบีตา (อิเล็กตรอนที่มีประจุ -1) นิวเคลียสจะได้รับประจุบวกเพิ่มเติม และธาตุจะเคลื่อนที่ไปทางขวาหนึ่งช่องในตารางธาตุ หากอะตอมปล่อยรังสีแกมมา (ไม่มีประจุ) ปริมาณพลังงานจะเปลี่ยนไป แต่องค์ประกอบของอนุภาคจะไม่ได้รับผลกระทบ ดังนั้น อะตอมจะยังคงเป็นองค์ประกอบเดิม

ตามกฎเหล่านี้ นักเคมีจึงสามารถศึกษาอนุกรมกัมมันตภาพรังสีจำนวนมากได้อย่างละเอียดถี่ถ้วน

ไอโซโทป

ด้วยการค้นพบธาตุกัมมันตภาพรังสี นักวิทยาศาสตร์ประสบปัญหาร้ายแรง: จะทำอย่างไรกับผลิตภัณฑ์การสลายตัวของยูเรเนียมและทอเรียม? พวกมันถูกค้นพบเป็นสิบๆ และในตารางธาตุก็เหลือเพียงเก้าตำแหน่งเท่านั้น (ตั้งแต่พอโลเนียมที่มีหมายเลขซีเรียล 84 ไปจนถึงยูเรเนียมที่มีหมายเลขซีเรียล 92) ที่สามารถใส่เข้าไปได้

ดังนั้นอะตอมของยูเรเนียม (หมายเลขซีเรียล 92) จึงปล่อยอนุภาคอัลฟาออกมา เลขอะตอมของธาตุใหม่ตามกฎของซอดดีคือ 90 ซึ่งหมายความว่าอะตอมของยูเรเนียมจะต้องก่อตัวเป็นอะตอมของทอเรียม อย่างไรก็ตาม ครึ่งชีวิตของทอเรียมธรรมดาวัดได้ที่ 14 พันล้านปี ในขณะที่ครึ่งชีวิตของทอเรียมที่ได้จากยูเรเนียมมีเพียง 24 วันเท่านั้น

มีการสังเกตความแตกต่างแม้ว่าจะได้รับองค์ประกอบที่ไม่มีกัมมันตภาพรังสีก็ตาม ตัวอย่างเช่น ริชาร์ดส์ (ผู้เชี่ยวชาญด้านมวลอะตอม ดูบทที่ 5) สามารถแสดงในปี 1913 ว่ามวลอะตอมของตะกั่วที่ได้รับจากการสลายตัวของยูเรเนียมค่อนข้างแตกต่างจากมวลอะตอมของตะกั่วธรรมดา

ซอดดีตั้งใจมากพอที่จะเสนอแนะว่าอะตอมมากกว่าหนึ่งประเภทสามารถตรงกับตำแหน่งเดียวกันในตารางธาตุได้ อันดับที่ 90 สามารถครอบครองโดยทอเรียมหลากหลายสายพันธุ์ อันดับที่ 82 ด้วยตะกั่วหลากหลายชนิด เป็นต้น Soddy เรียกอะตอมเหล่านี้ว่าครอบครองที่เดียวกันในตาราง ไอโซโทป(จากภาษากรีก topos - สถานที่)

ไอโซโทปที่อยู่ในตำแหน่งเดียวกันในตารางจะต้องมีเลขอะตอมเท่ากัน ดังนั้น จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากัน และจำนวนอิเล็กตรอนในเปลือกเท่ากัน ไอโซโทปของธาตุจะต้องมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน เนื่องจากคุณสมบัติเหล่านี้ขึ้นอยู่กับจำนวนและตำแหน่งของอิเล็กตรอนในอะตอม

แต่ในกรณีนี้ เราจะอธิบายความแตกต่างระหว่างคุณสมบัติกัมมันตภาพรังสีและมวลอะตอมได้อย่างไร

ในศตวรรษที่ผ่านมา พราวต์หยิบยกสมมติฐานที่มีชื่อเสียงของเขา (ดูบทที่ 5) ซึ่งอะตอมทั้งหมดประกอบด้วยไฮโดรเจน ดังนั้นองค์ประกอบทั้งหมดจะต้องมีมวลอะตอมเป็นจำนวนเต็ม อย่างไรก็ตาม ปรากฎว่ามวลอะตอมส่วนใหญ่ไม่ใช่จำนวนเต็ม และข้อเท็จจริงข้อนี้ดูเหมือนจะหักล้างสมมติฐานดังกล่าว

แต่ตามแนวคิดใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม อะตอมมีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน (และนิวตรอน) โปรตอนและนิวตรอนมีมวลเท่ากันโดยประมาณ ดังนั้นมวลของอะตอมทั้งหมดจึงต้องคูณด้วยมวลของอะตอมไฮโดรเจน (ประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัว) สมมติฐานของพราวต์ฟื้นขึ้นมา แต่ก็เกิดความสงสัยอีกครั้งว่ามวลอะตอมควรเป็นเท่าใด

ในปี 1912 เจ. เจ. ทอมสัน (ผู้ค้นพบอิเล็กตรอนดังที่เราได้กล่าวไว้ข้างต้น) ได้ปล่อยลำแสงนีออนที่มีประจุบวกออกสู่สนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กทำให้ไอออนเบี่ยงเบนไปจนตกลงไปบนแผ่นถ่ายภาพ หากไอออนทั้งหมดมีมวลเท่ากัน พวกมันทั้งหมดจะถูกเบี่ยงเบนโดยสนามแม่เหล็กในมุมเดียวกัน และจุดที่มีสีเปลี่ยนไปจะปรากฏบนฟิล์มถ่ายภาพ อย่างไรก็ตาม จากการทดลองนี้ ทอมสันได้จุดสองจุด โดยจุดหนึ่งมืดกว่าจุดอื่นประมาณสิบเท่า ผู้ร่วมมือของทอมสัน ฟรานซิส วิลเลียม แอสตัน (พ.ศ. 2420-2488) ซึ่งต่อมาได้ปรับปรุงอุปกรณ์นี้ ได้ยืนยันความถูกต้องของข้อมูลที่ได้รับ ผลลัพธ์ที่คล้ายกันได้รับจากองค์ประกอบอื่นๆ อุปกรณ์นี้เรียกว่าซึ่งทำให้สามารถแยกไอออนที่คล้ายกันทางเคมีออกเป็นลำไอออนที่มีมวลต่างกันได้ สเปกโตรกราฟมวล .

ปริมาณการโก่งตัวของไอออนที่มีประจุเท่ากันในสนามแม่เหล็กขึ้นอยู่กับมวลของไอออนเหล่านี้ ไอออนที่มีมวลสูงกว่าจะถูกเบี่ยงเบนน้อยลง และในทางกลับกัน ดังนั้นการทดลองของทอมสันและแอสตันจึงแสดงให้เห็นว่าอะตอมของนีออนมีอยู่สองประเภท สำหรับอะตอมชนิดหนึ่ง เลขมวลเท่ากับ 20 สำหรับอีกอัน - 22 จากการพิจารณาความดำสัมพัทธ์ของจุดพบว่าเนื้อหาของ Neon-20 นั้นมากกว่า Neon-22 ถึง 10 เท่า ต่อมาก็มีการค้นพบการมีอยู่ของนีออน-21 จำนวนเล็กน้อยด้วย เมื่อคำนวณมวลอะตอมของนีออน หากเราดำเนินการจากข้อมูลเหล่านี้ ปรากฎว่ามีค่าเท่ากับประมาณ 20.2

กล่าวอีกนัยหนึ่ง มวลของอะตอมแต่ละตัวคือจำนวนทวีคูณของมวลของอะตอมไฮโดรเจน แต่มวลอะตอมของธาตุแต่ละธาตุคือค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอะตอมที่เป็นส่วนประกอบ ดังนั้นมวลอะตอมจึงอาจไม่ใช่มวลรวม ตัวเลข.

มวลอะตอมเฉลี่ยของธาตุที่มีจำนวนไอโซโทปจำนวนมากอาจมากกว่ามวลอะตอมเฉลี่ยของธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่าในบางกรณี ตัวอย่างเช่น เทลลูเรียม ซึ่งมีเลขอะตอม 52 มีไอโซโทป 7 ไอโซโทป ในจำนวนนี้ ไอโซโทปที่หนักที่สุดสองชนิดคือ เทลลูเรียม-126 และเทลลูเรียม-128 มีปริมาณมากที่สุด ดังนั้นมวลอะตอมของเทลลูเรียมจึงเข้าใกล้ 127.6 เลขอะตอมของไอโอดีนคือ 53 ซึ่งมากกว่าเทลลูเรียมหนึ่งอะตอม แต่ไอโอดีนมีไอโซโทปเพียงไอโอดีน-127 เท่านั้น ดังนั้นมวลอะตอมของมันคือ 127 เมื่อเมนเดเลเยฟวางไอโอดีนไว้ด้านหลังเทลลูเรียมในตารางธาตุของเขา และด้วยเหตุนี้จึงฝ่าฝืนลำดับที่กำหนดโดยมวลอะตอม เขาจึงปฏิบัติตามข้อกล่าวหาของ นิวเคลียส เช่น แก่นแท้ทางกายภาพของกฎเป็นระยะ

ลองยกตัวอย่างที่คล้ายกันอีกตัวอย่างหนึ่ง โพแทสเซียม (หมายเลขซีเรียลหมายเลข 19) มีสามไอโซโทป - โพแทสเซียม-39, โพแทสเซียม-40 และโพแทสเซียม-41 แต่ไอโซโทปที่เบาที่สุดคือไอโซโทปที่พบบ่อยที่สุด - โพแทสเซียม-39 เป็นผลให้มวลอะตอมของโพแทสเซียมคือ 39.1 เลขอะตอมของอาร์กอนคือ 18 และยังมีไอโซโทปสามชนิดคือ อาร์กอน-36 อาร์กอน-38 และอาร์กอน-40 แต่ไอโซโทปที่หนักที่สุด อาร์กอน-40 เป็นไอโซโทปที่พบบ่อยที่สุด เป็นผลให้มวลอะตอมของอาร์กอนมีค่าประมาณ 40

เมื่อใช้แมสสเปกโตรกราฟ คุณสามารถวัดมวลของไอโซโทปแต่ละตัวและกำหนดปริมาณของไอโซโทปเหล่านี้ได้ เมื่อได้รับข้อมูลดังกล่าวแล้ว ก็เป็นไปได้ที่จะคำนวณมวลอะตอมเฉลี่ยขององค์ประกอบได้ ความแม่นยำของวิธีการกำหนดมวลอะตอมนี้สูงกว่าวิธีทางเคมีมาก

ไอโซโทปที่แตกต่างกันของธาตุที่กำหนดจะมีประจุนิวเคลียร์เหมือนกันแต่มีมวลต่างกัน ดังนั้นนิวเคลียสของไอโซโทปต่างๆ จึงมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน นีออน-20, นีออน-21 และนีออน-22 แต่ละอะตอมมีโปรตอน 10 ตัวในนิวเคลียส หมายเลขลำดับของไอโซโทปเหล่านี้คือ 10 และอิเล็กตรอนมีการกระจายไปตามเปลือกดังนี้ 2, 8 อย่างไรก็ตาม นีออน-20 นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน 10 ตัวบวกนิวตรอน 10 ตัว ในนิวเคลียสของนีออน-21 มีโปรตอน 10 ตัวบวกกับนิวตรอน 11 ตัว และนิวเคลียสของนีออน-22 มีโปรตอน 10 ตัวบวกนิวตรอน 12 ตัว

องค์ประกอบส่วนใหญ่ (แต่ไม่ใช่ทั้งหมด) มีไอโซโทป ในปี 1935 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Arthur Geoffrey Dempster (1886-1950) ได้ก่อตั้ง เช่น ยูเรเนียมธรรมชาติซึ่งมีมวลอะตอม (238.07) ใกล้เคียงกับจำนวนเต็มมาก นั้นเป็นส่วนผสมของไอโซโทปสองตัว ไอโซโทปตัวใดตัวหนึ่งมีอยู่ในปริมาณส่วนใหญ่ (99.3%) นิวเคลียสของไอโซโทปนี้ประกอบด้วยโปรตอน 92 ตัวและนิวตรอน 146 ตัว กล่าวคือ เลขมวลรวมคือ 238 นี่คือยูเรเนียม-238 เนื้อหาของไอโซโทปอื่นยูเรเนียม-235 มีเพียง 0.7% เท่านั้น มีนิวตรอนน้อยกว่าสามตัวในนิวเคลียสของไอโซโทปนี้

เนื่องจากคุณสมบัติของกัมมันตภาพรังสีขึ้นอยู่กับโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอมและไม่ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมทางอิเล็กทรอนิกส์ ไอโซโทปขององค์ประกอบเดียวกันจึงสามารถมีคุณสมบัติทางเคมีที่คล้ายคลึงกันและมีกัมมันตภาพรังสีที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ในขณะที่ครึ่งชีวิตของยูเรเนียม-238 อยู่ที่ 4,500,000,000 ปี แต่ครึ่งชีวิตของยูเรเนียม-235 อยู่ที่เพียง 700,000,000 ปีเท่านั้น องค์ประกอบทั้งสองนี้เป็นองค์ประกอบแรกของชุดกัมมันตรังสีสองชุดที่แยกจากกัน

มีเหตุผลทางทฤษฎีที่เสนอว่าไฮโดรเจนซึ่งเป็นองค์ประกอบที่ง่ายที่สุดสามารถมีไอโซโทปคู่หนึ่งได้เช่นกัน นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนธรรมดาประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัว กล่าวคือ ไฮโดรเจนธรรมดาคือไฮโดรเจน-1 ในปี พ.ศ. 2474 นักเคมีชาวอเมริกัน ฮาโรลด์ เคลย์ตัน อูเรย์ (พ.ศ. 2436-2523) เสนอว่าไอโซโทปไฮโดรเจนที่หนักกว่า (ถ้ามี) ควรเดือดที่อุณหภูมิสูงกว่า ระเหยช้าลง และสะสมอยู่ในสารตกค้าง

ในความพยายามที่จะตรวจจับไอโซโทปไฮโดรเจนที่หนักกว่านี้ ยูริเริ่มระเหยไฮโดรเจนเหลวสี่ลิตรอย่างช้าๆ และในช่วงลูกบาศก์เซนติเมตรสุดท้ายของไฮโดรเจน Urey ก็พบสัญญาณที่ชัดเจนของการมีอยู่ของไฮโดรเจน-2 ซึ่งเป็นไอโซโทปที่นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนหนึ่งตัว ชื่อไฮโดรเจน-2 ดิวเทอเรียม .

ออกซิเจนก็ไม่มีข้อยกเว้น ในปี 1929 นักเคมีชาวอเมริกัน วิลเลียมส์ ฟรานซิส จีออค (เกิดปี 1895) สามารถแสดงให้เห็นว่าออกซิเจนมีสามไอโซโทป ออกซิเจน-16 มีปริมาณมากที่สุด คิดเป็นประมาณ 99.8% ของอะตอมทั้งหมด มีโปรตอน 8 ตัวและนิวตรอน 8 ตัวในนิวเคลียสของออกซิเจน-16 นิวเคลียสของออกซิเจน-18 ซึ่งเป็นไอโซโทปที่มีมากเป็นอันดับสองมีโปรตอน 8 ตัวและนิวตรอน 10 ตัว นิวเคลียสของออกซิเจน-17 ซึ่งพบได้ในปริมาณเล็กน้อยเท่านั้นมีโปรตอน 8 ตัวและนิวตรอน 9 ตัว

สิ่งนี้สร้างปัญหา ตั้งแต่สมัยแบร์ซีลิอุส มวลอะตอมของธาตุต่างๆ ได้รับการคำนวณภายใต้สมมติฐานที่ว่ามวลอะตอมของออกซิเจนคือ 16.0000 (ดูบทที่ 5) แต่มวลอะตอมของออกซิเจนอาจเป็นเพียงมวลอะตอมเฉลี่ยที่คำนวณได้ของไอโซโทปทั้งสามชนิดเท่านั้น และอัตราส่วนของไอโซโทปออกซิเจนอาจแตกต่างกันอย่างมากในแต่ละตัวอย่าง

นักฟิสิกส์เริ่มหามวลอะตอมจากมวลอะตอมของออกซิเจน-16 ซึ่งเท่ากับ 16.0000 เป็นผลให้ได้รับค่าจำนวนหนึ่ง ( มวลอะตอมทางกายภาพ) ซึ่งด้วยค่าคงที่เพียงเล็กน้อยก็เกินค่าที่ใช้และค่อยๆ ปรับปรุงตลอดศตวรรษที่ 19. ( น้ำหนักอะตอมเคมี).

ในปี 1961 องค์กรระหว่างประเทศของทั้งนักเคมีและนักฟิสิกส์ตกลงที่จะนำมวลอะตอมของคาร์บอน-12 เป็นมาตรฐาน โดยกำหนดให้มีค่าเท่ากับ 12.0000 พอดี มวลอะตอมขององค์ประกอบที่คำนวณโดยใช้มาตรฐานใหม่นั้นเกือบจะเหมือนกันทุกประการกับน้ำหนักอะตอมเคมีแบบเก่า นอกจากนี้ มาตรฐานใหม่ยังเกี่ยวข้องกับไอโซโทปเพียงไอโซโทปเดียวเท่านั้น ไม่ใช่กาแล็กซีของไอโซโทป

บทที่ 14 ปฏิกิริยานิวเคลียร์

การเปลี่ยนแปลงใหม่

เมื่อเห็นได้ชัดว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กซึ่งจัดเรียงใหม่แบบสุ่มระหว่างการเปลี่ยนแปลงของกัมมันตภาพรังสี ขั้นตอนถัดไปดูเหมือนเกือบจะถูกกำหนดไว้ล่วงหน้าแล้ว

มนุษย์ได้เรียนรู้ที่จะจัดเรียงโมเลกุลใหม่ตามดุลยพินิจของเขาโดยใช้ปฏิกิริยาเคมีธรรมดา ทำไมไม่ลองจัดเรียงนิวเคลียสของอะตอมใหม่โดยใช้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์? โปรตอนและนิวตรอนเกาะกันแน่นกว่าอะตอมในโมเลกุลมาก และวิธีการปกติที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาเคมีธรรมดาจะไม่นำไปสู่ความสำเร็จโดยธรรมชาติ แต่คุณสามารถลองพัฒนาวิธีการใหม่ๆได้

ขั้นตอนแรกในทิศทางนี้ดำเนินการโดย Rutherford; เขาระดมโจมตีก๊าซต่างๆ ด้วยอนุภาคอัลฟ่า และค้นพบว่าทุกครั้งที่อนุภาคอัลฟ่ากระทบนิวเคลียสของอะตอม มันจะทำลายโครงสร้างของมัน (รูปที่ 23)

ในปี 1919 รัทเทอร์ฟอร์ดสามารถแสดงให้เห็นแล้วว่าอนุภาคแอลฟาสามารถทำให้โปรตอนออกจากนิวเคลียสของไนโตรเจนและรวมกับสิ่งที่เหลืออยู่ในนิวเคลียสได้ ไอโซโทปไนโตรเจนที่พบมากที่สุดคือไนโตรเจน-14 ซึ่งมีโปรตอน 7 ตัวและนิวตรอน 7 ตัวในนิวเคลียส หากคุณกำจัดโปรตอนออกจากนิวเคลียสนี้และเพิ่มโปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัวของอนุภาคแอลฟา คุณจะได้นิวเคลียสที่มีโปรตอน 8 ตัวและนิวตรอน 9 ตัว กล่าวคือ นิวเคลียสออกซิเจน-17 อนุภาคแอลฟาสามารถมองเป็นฮีเลียม-4 และโปรตอนเป็นไฮโดรเจน-1 ดังนั้นรัทเทอร์ฟอร์ดจึงเป็นคนแรกที่ประสบความสำเร็จในการดำเนินการปฏิกิริยานิวเคลียร์เทียม:

ไนโตรเจน-14 + ฮีเลียม-4 → ออกซิเจน-17 + ไฮโดรเจน-1

โดยการเปลี่ยนองค์ประกอบหนึ่งไปสู่อีกองค์ประกอบหนึ่ง เขาก็สามารถแปลงร่างได้สำเร็จ ดังนั้นในศตวรรษที่ 20 ความฝันอันเป็นที่รักที่สุดของนักเล่นแร่แปรธาตุก็เป็นจริง

ในอีกห้าปีข้างหน้า รัทเทอร์ฟอร์ดได้ทำปฏิกิริยานิวเคลียร์อื่นๆ โดยใช้อนุภาคแอลฟา อย่างไรก็ตาม ความสามารถของมันถูกจำกัด เนื่องจากธาตุกัมมันตภาพรังสีผลิตอนุภาคอัลฟาด้วยพลังงานเฉลี่ยเท่านั้น จำเป็นต้องใช้อนุภาคที่มีพลังงานสูงกว่ามาก

ข้าว. 23. แผนการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด อนุภาคอัลฟ่าที่ปล่อยออกมาจะถูกเบี่ยงเบนไปเมื่อผ่านแผ่นฟอยล์สีทอง ขนาดของการเบี่ยงเบนจะถูกบันทึกเมื่ออนุภาคชนกับหน้าจอฟลูออเรสเซนต์

นักฟิสิกส์เริ่มสร้างอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อเร่งอนุภาคที่มีประจุในสนามไฟฟ้า การบังคับให้อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง พลังงานของพวกมันจะเพิ่มขึ้น นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ John Douglas Cockroft (พ.ศ. 2440-2510) ร่วมกับนักฟิสิกส์ชาวไอริชผู้ร่วมงาน Ernest Thomas Sinton Walton (เกิด พ.ศ. 2446) เป็นคนแรกที่พัฒนาแนวคิดของเครื่องเร่งความเร็วที่ทำให้สามารถผลิตอนุภาคที่มีพลังงานเพียงพอต่อการพกพา ออกมาเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ ในปี พ.ศ. 2472 มีการสร้างเครื่องเร่งความเร็วดังกล่าว สามปีต่อมา นักฟิสิกส์คนเดียวกันระดมยิงอะตอมลิเธียมด้วยโปรตอนเร่งและได้รับอนุภาคแอลฟา ปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้สามารถเขียนได้ดังนี้:

ไฮโดรเจน-1 + ลิเธียม-7 → ฮีเลียม-4 + ฮีเลียม-4

ในเครื่องเร่งความเร็ว Cockcroft-Walton และเครื่องเร่งความเร็วที่คล้ายกันอีกจำนวนหนึ่ง อนุภาคเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่เป็นเส้นตรง เป็นไปได้ที่จะได้รับอนุภาคพลังงานสูงในเครื่องเร่งเช่นนั้นก็ต่อเมื่อเส้นทางของอนุภาคยาวเพียงพอ ดังนั้นเครื่องเร่งประเภทนี้จึงเทอะทะมาก ในปี พ.ศ. 2473 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน เออร์เนสต์ ออร์แลนโด ลอว์เรนซ์ (พ.ศ. 2444-2501) ได้เสนอเครื่องเร่งที่อนุภาคเคลื่อนที่เป็นเกลียวที่แยกออกจากกันเล็กน้อย อันนี้ค่อนข้างเล็ก ไซโคลตรอนสามารถผลิตอนุภาคที่มีพลังงานสูงมากได้

ไซโคลตรอนขนาดเล็กเครื่องแรกของลอว์เรนซ์เป็นผู้บุกเบิกการติดตั้งขนาดมหึมาในปัจจุบัน ซึ่งมีเส้นรอบวงครึ่งกิโลเมตร ซึ่งใช้ในการค้นหาคำตอบสำหรับคำถามที่ซับซ้อนที่สุดที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างของสสาร

ในปี พ.ศ. 2473 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ พอล เอเดรียน มอร์ริส ดิแรก (เกิดในปี พ.ศ. 2445) ในทางทฤษฎีได้ยืนยันข้อสันนิษฐานที่ว่าทั้งโปรตอนและอิเล็กตรอนควรมีเป็นของตัวเอง ปฏิปักษ์ . โพซิตรอนต้องมีมวลอิเล็กตรอนแต่ต้องมีประจุบวก แอนติโปรตอนจะต้องมีมวลโปรตอน แต่มีประจุลบ

แอนติอิเล็กตรอนถูกค้นพบในปี 1932 โดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน คาร์ล เดวิด แอนเดอร์สัน (เกิดปี 1905) ระหว่างการวิจัยเกี่ยวกับรังสีคอสมิก เมื่อรังสีคอสมิกชนกับนิวเคลียสของอะตอมในชั้นบรรยากาศ พวกมันจะสร้างอนุภาคที่เบี่ยงเบนไปในสนามแม่เหล็กในมุมเดียวกับอิเล็กตรอน แต่ไปในทิศทางตรงกันข้าม แอนเดอร์สันเรียกอนุภาคประเภทนี้ว่า โพสิตรอน .

ไม่สามารถค้นพบแอนติโปรตอนได้ต่อไปอีกในสี่ของศตวรรษ เนื่องจากมวลของแอนติโปรตอนมากกว่ามวลของแอนติอิเล็กตรอน 1836 เท่า การก่อตัวของแอนติโปรตอนจึงต้องใช้พลังงานมากกว่า 1836 เท่า ดังนั้นจนถึงช่วงทศวรรษที่ 50 ของศตวรรษที่ 20 การเปลี่ยนแปลงนี้เป็นไปไม่ได้ ในปี 1955 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Emilio Segre (เกิดในปี 1905) และ Owen Chamberlain (เกิดในปี 1920) จัดการเพื่อรับและตรวจจับแอนติโปรตอนโดยใช้เครื่องเร่งความเร็วอันทรงพลัง

พบว่าอาจมีอะตอมที่แปลกประหลาดซึ่งนิวเคลียสที่มีประจุลบที่มีแอนติโปรตอนล้อมรอบด้วยโพซิตรอนที่มีประจุบวก โดยธรรมชาติแล้วมันคืออะไร ปฏิสสารไม่สามารถดำรงอยู่ได้เป็นเวลานานบนโลกหรือแม้แต่ในกาแล็กซีของเรา เนื่องจากเมื่อสสารสัมผัสกับปฏิสสารพวกมันจะทำลายล้าง (ทำลาย) และปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมา แต่นักดาราศาสตร์ยังสงสัยว่ากาแลคซีที่สร้างจากปฏิสสารจะมีอยู่จริงหรือไม่? หากเป็นไปได้ การตรวจจับกาแลคซีดังกล่าวจะเป็นเรื่องยากมาก

ภาควิชาเคมีกายภาพและอินทรีย์ของ USPTU ก่อตั้งขึ้นอันเป็นผลมาจากการควบรวมกิจการของแผนกเคมีกายภาพและอินทรีย์ในปี 1983 ประวัติความเป็นมาของภาควิชาเคมีเชิงฟิสิกส์ควรย้อนกลับไปในปี พ.ศ. 2490 เมื่อนักศึกษาชั้นปีที่ 3 ครั้งแรกของสาขา Ufa ของสถาบันปิโตรเลียมมอสโกไม่ได้ถูกส่งไปศึกษาต่อในมอสโก เพื่อจัดระเบียบงานในห้องปฏิบัติการในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ได้มีการสร้างเวิร์คช็อปการเป่าแก้วขึ้นที่แผนก ซึ่งช่วยเร่งการนำอุปกรณ์เคมีแก้วต่างๆ เข้าสู่การประชุมเชิงปฏิบัติการในห้องปฏิบัติการได้อย่างมาก ตลอดหลายปีที่ผ่านมา งานได้ดำเนินการเกี่ยวกับเคมีกายภาพและคอลลอยด์ เครดิตมากสำหรับเรื่องนี้ตกเป็นของครูอาวุโส ลิวบอฟ นิซอฟเน เปียร์คิส. หัวหน้าวิศวกรของโรงงาน Dubitel D. M. Rapoport ได้รับเชิญให้บรรยายเกี่ยวกับเคมีเชิงฟิสิกส์ ซึ่งต่อมาได้ร่วมงานกับเจ้าหน้าที่ของสถาบันและทำงานที่นั่นจนกระทั่งเกษียณอายุ ภาควิชาเคมีเชิงฟิสิกส์ได้รับชื่ออย่างเป็นทางการในปี พ.ศ. 2494 เมื่อศาสตราจารย์ บอริส วาซิลีวิช คลิเมนอคซึ่งเป็นหัวหน้าแผนกมาเป็นเวลา 32 ปี จนกระทั่งมีการปรับโครงสร้างองค์กรใหม่ในปี พ.ศ. 2526 ในช่วงเวลาของการสร้างแผนก มีพนักงาน 8 คนดำเนินงานด้านการศึกษาและวิทยาศาสตร์ ภายใต้การนำของศาสตราจารย์ B.V. Klimenok แผนกได้เริ่มการวิจัยทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับการล้างน้ำมันดีเซลด้วยยูเรีย การวิจัยที่ครอบคลุมทำให้สามารถพัฒนากระบวนการกำจัดแว็กซ์โดยใช้สารละลายน้ำ-เอธานอลของยูเรีย และสร้างโรงงานต้นแบบที่โรงกลั่นน้ำมันอูฟา ผลลัพธ์ทางอุตสาหกรรมนำร่องได้พิสูจน์ความเป็นไปได้ที่แท้จริงของกระบวนการนี้ อย่างไรก็ตาม การสูญเสียแอลกอฮอล์และยูเรียจำนวนมากทำให้กระบวนการไม่มีประสิทธิภาพ แผนกได้เปลี่ยนมาศึกษาการดีแว็กซ์ของเชื้อเพลิงดีเซลด้วยสารแขวนลอยน้ำและยูเรียอย่างอิสระ

เริ่มต้นด้วย 1954 ปี นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษามีส่วนร่วมในงานทางวิทยาศาสตร์ วิศวกร A. T. Zemlyansky ใช้ความพยายามอย่างมากในการพัฒนาการแยกสารยูเรียในรูปแบบน้ำและการนำกระบวนการนี้ไปใช้จริง เขาเป็นคนที่มี “มือทอง” และมีจิตใจด้านวิศวกรรมที่ยอดเยี่ยม เขาทำงานกลึงเชื่อมและงานโลหะอย่างอิสระ ถือได้ว่าโรงงานนำร่องขนาดใหญ่สำหรับการแยกส่วนปิโตรเลียมด้วยยูเรียซึ่งสร้างขึ้นในโรงงานเครื่องจักรกลของสถาบันนั้นเป็นผลงานของ A. T. Zemlyansky นอกจากโรงงานต้นแบบแล้ว ยังมีการสร้างโรงงานกึ่งอุตสาหกรรมที่โรงกลั่นน้ำมันแห่งชาติอีกด้วย อย่างไรก็ตาม ด้วยเหตุผลหลายประการ การติดตั้งนี้จึงหยุดอยู่ และการพัฒนากระบวนการยังคงดำเนินต่อไปในการติดตั้งนำร่องของสถาบันเป็นหลัก มีการสำรวจความเป็นไปได้ของตัวเลือกกระบวนการใหม่ วิทยานิพนธ์ในหัวข้อนี้ได้รับการปกป้องโดย Z. V. Basyrov, F. A. Chegodaev, A. M. Syrkin, A. A. Krasnov, T. S. Kamkina, P. O. Ivanov, V. G. Abdula, R. M Abzalov การขยายแผนกเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2511 โดยเริ่มมีส่วนร่วมในการวิจัยเกี่ยวกับการผลิตวัสดุคาร์บอนที่มีคุณสมบัติบางอย่างจากผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม และการใช้กรดซัลฟิวริกของเสียจากโรงกลั่นน้ำมัน วิทยานิพนธ์ของผู้สมัคร 7 คนได้รับการปกป้องในหัวข้อนี้ ควรสังเกตการทำงานของ A. A. Senko ซึ่งดำเนินการทั้งการประชุมเชิงปฏิบัติการในห้องปฏิบัติการและการรายงานทั้งหมดที่แผนกอย่างไร้ที่ติ ปัจจุบันงานนี้ยังคงดำเนินต่อไปโดยวิศวกร G. G. Medvedeva เธอรับผิดชอบไม่เพียง แต่ในการจัดการประชุมเชิงปฏิบัติการในห้องปฏิบัติการอย่างเต็มรูปแบบซึ่งไม่ใช่เรื่องง่ายในยุคของเรา แต่ยังรวมถึงการจัดการกิจการของแผนกและการจัดกิจกรรมสาธารณะด้วย

ภาควิชาเคมีอินทรีย์ก็มีขึ้นตั้งแต่ปี พ.ศ. 2490 เช่นกัน ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา มีการจัดแผนกใหม่ โดยผสานเข้ากับแผนกอื่นๆ

ใน 1974 ปีแผนกก็เป็นอิสระอีกครั้งโดยศาสตราจารย์ R. B. Valitov ภายใต้การนำของเขา การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ในสาขาปิโตรเคมีและการสังเคราะห์สารอินทรีย์หนักเริ่มพัฒนาขึ้น รองศาสตราจารย์ M. G. Safarov, D. M. Torikov, R. V. Faskhutdinova, A. I. Naimushin มีส่วนสนับสนุนอย่างมากต่องานระเบียบวิธีของภาควิชา รองศาสตราจารย์ M. G. Safarov ร่วมกับนักวิชาการ V. I. Isagulyants ได้สร้างโรงเรียนวิชาเคมี 1,3-ไดออกเซน วิทยานิพนธ์ของผู้สมัครและปริญญาเอกในพื้นที่นี้ได้รับการปกป้องโดย D. L. Rakhmankulov, U. B. Imashevm, E. A. Kantor, S. S. Zlotsky และคนอื่น ๆ

เป็นไปไม่ได้ที่จะไม่สังเกตเห็นการมีส่วนร่วมอย่างมากในการจัดเวิร์คช็อปในห้องปฏิบัติการในเคมีอินทรีย์โดยหนึ่งในผู้ช่วยห้องปฏิบัติการที่เก่าแก่ที่สุดของมหาวิทยาลัย T.V. Grigorieva หัวหน้าห้องปฏิบัติการ R.T. Zinatullin และ I.N. Gilmanov ผู้ช่วยห้องปฏิบัติการอาวุโส E.E. Sukhareva ซึ่งมี ทำงานที่แผนกนี้มาหลายปีแล้ว R. A. Bikimbetov, G. D. Vorshev

ใน 1981 ในแต่ละปีจะมีการเลือกตั้งอาจารย์เป็นหัวหน้าภาควิชา อูรัล บูลาโตวิช อิมาเชฟ. หลังจากการควบรวมกิจการของแผนกเคมีกายภาพและอินทรีย์ ศาสตราจารย์ U. B. Imashev ยังคงเป็นผู้นำแผนกนี้ต่อไป เมื่อเขามาถึง งานวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มสำหรับการแปรรูปวัตถุดิบน้ำมันหนักก็มีความเข้มข้นมากขึ้น การพัฒนาและการขยายตัวของทิศทางนี้นำไปสู่การสร้างโรงเรียนวิทยาศาสตร์ซึ่งเป็นผลมาจากเทคโนโลยีใหม่ที่ไม่มีใครเทียบได้สำหรับการแปรรูปน้ำมันที่ตกค้างในสนามคลื่น วิธีการดั้งเดิมสำหรับการสังเคราะห์โมโน- ได- และไตรไทโอคาร์บอเนตที่ใช้ทดแทนตามหน้าที่ต่างๆ ได้รับการพัฒนาขึ้น โดยเริ่มต้นจากคาร์บอนซัลไฟด์และไดซัลไฟด์ มีการศึกษาคุณสมบัติและการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ในหัวข้อออร์กาโนซัลเฟอร์ วิทยานิพนธ์ของผู้สมัคร 3 คนได้รับการปกป้องที่แผนก (R. F. Mavlyutov, N. T. Chanyshev, R. F. Ishteev) รองศาสตราจารย์ S.M. ได้มีส่วนสนับสนุนศักยภาพทางวิทยาศาสตร์ของภาควิชานี้ Kalashnikov เกี่ยวกับการสังเคราะห์อะซีตัลและอนุพันธ์ของซัลเฟอร์ออกไซด์ ศักยภาพทางวิทยาศาสตร์ของภาควิชานี้เติบโตขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเมื่อศาสตราจารย์ E.M. Kuramshin มาถึง เขาได้พัฒนาทิศทางจลนศาสตร์ในการศึกษาเคมีของอะซีตัล ศาสตราจารย์ E.M. Kuramshin เป็นผู้นำการทำงานในด้านการเปลี่ยนแปลงออกซิเดชั่นของสารประกอบอินทรีย์ตลอดจนจลนศาสตร์และกลไกของปฏิกิริยาเคมี ในช่วงห้าปีที่ผ่านมาแผนกวิจัยได้เสร็จสิ้นการวิจัยมูลค่า 1,800,000 รูเบิล

ผังงานที่พัฒนาโดยรองศาสตราจารย์ A.I. Naimushin ได้รับการแนะนำให้รู้จักในชั้นเรียนห้องปฏิบัติการสาขาเคมีอินทรีย์ ศาสตราจารย์ E.M. Kuramshin ตีพิมพ์คำแนะนำด้านระเบียบวิธีสำหรับงานในห้องปฏิบัติการในวิชาเคมีกายภาพและคอลลอยด์โดยใช้ผังงานและหนังสือปัญหาในวิชาเคมีเชิงฟิสิกส์ ศาสตราจารย์ E.M. Kurashin รองศาสตราจารย์ O.P. Zhurkin และ O.B. Zvorygina ตีพิมพ์การประชุมเชิงปฏิบัติการในห้องปฏิบัติการเกี่ยวกับเคมีเชิงฟิสิกส์

ศาสตราจารย์ U. B. Imashev ตีพิมพ์หนังสือเรียนเรื่อง "ความรู้พื้นฐานของเคมีอินทรีย์" - M.: Kolos, 2011. - P.-464 p. และ "การประชุมเชิงปฏิบัติการในห้องปฏิบัติการเกี่ยวกับเคมีอินทรีย์" - Ufa: USNTU, 2009.-236p ร่วมกับรองศาสตราจารย์ S. M. Kalashnikov รองศาสตราจารย์ N. T. Chanyshev และศาสตราจารย์ E. A. Udalova เขาตีพิมพ์หนังสือเรียนเรื่อง "ปัญหาและแบบฝึกหัดในเคมีอินทรีย์" Ufa: USNTU, 2011. - 236 p. ในการร่วมเขียนร่วมกับรองศาสตราจารย์ O.P. Zhurkin หนังสือเรียนเรื่อง“ วิธีการวิเคราะห์ทางกายภาพและเคมีของสารประกอบอินทรีย์” ได้รับการตีพิมพ์ Ufa: - USNTU, 2009. - 211 p.

ตลอดระยะเวลา 5 ปีที่ผ่านมา ครูและเจ้าหน้าที่ภาควิชาได้จัดพิมพ์หนังสือเรียนและสื่อการสอน 12 เล่ม เอกสาร 7 เล่ม บทความทางวิทยาศาสตร์ 135 ฉบับ ได้รับสิทธิบัตร 19 ฉบับ ทุนสนับสนุน 3 ทุน