Öğrenciler ve okul çocukları için organik kimya kitapları. Fiziksel Organik Kimya Laboratuvarı (PHOC) Laboratuvarın tarihçesinden

Serbest olmayan maddede serbest bir parçacığın uzun ömrü mümkün mü?

Olası. Kararlı bir serbest radikaldir. Organik kimyanın genel konularını ele alan, organik reaksiyon mekanizmalarının yanı sıra organik bileşiklerin kimyasal yapısı, özellikleri ve özellikleri arasındaki nicel ilişkiye özel önem veren fiziksel organik kimya çerçevesinde keşfedildiler. reaktivite.
Başarılardan biri, kararlı serbest radikallerin (bağımsız olarak var olabilen ve bir veya iki eşleşmemiş elektrona sahip bir tür molekül veya atom) keşfi ve pratik kullanımıdır.

Serbest radikallerin stabilitesi, üzerinde eşleşmemiş elektronun lokalize olduğu atomun yakındaki hacimli ikame ediciler tarafından diğer reaktiflerden güvenilir bir şekilde korunması durumunda, sözde sterik engeller (sterik engeller) ile kolaylaştırılır. Kalabalığın içindeki tek bir kişi gibi - istediği yere gitmekte özgür gibi görünüyor - ama hayır, çevreniz sizi engelliyor!
Bilimsel araştırma ve endüstride döndürme etiketleri, problar ve tuzaklar olarak kullanılan imidazolin serisinin stabil nitroksil radikallerinin ve bunların öncülerinin üretimine yönelik sentez ve teknoloji yöntemleri geliştirilmiştir. Radikaller, mol yüzdesi 10 (-10'un gücüne kadar) konsantrasyonlarda elektron paramanyetik rezonansı (EPR) ile belirlenir.

İmidazolin serisinin geliştirilen nitroksil radikallerinin teknik ve ekonomik avantajları, rezervuar sıvılarının (petrol üretimi), gizli işaretlerin vb. hareketinin göstergeleri olarak kullanılmalarına olanak tanıyan benzersizlikleri (doğal analogları yoktur) ile belirlenir. Kararlı serbest radikaller bilim ve teknolojinin çeşitli alanlarında kullanılmaktadır:

Tıpta ve biyolojide stabil nitroksil radikalleri genellikle döndürme etiketleri olarak kullanılır. Spin etiketlerinin tüm molekülleri, kimyasal yapılarının çeşitliliğine rağmen, kural olarak aynı paramanyetik parçayı içerir - kimyasal olarak kararlı bir nitroksil radikali (>N-O*). Eşlenmemiş bir elektron bu radikal üzerinde lokalize olup, ESR sinyalinin kaynağı olarak hizmet eder. Döndürme etiketlerinin spesifik seçimi araştırma problemine göre belirlenir. Örneğin, spin etiketleri kullanılarak proteinlerin konformasyonel yeniden düzenlemelerini izlemek için etiket molekülleri genellikle proteinin belirli bölgelerine "dikilir". Bu durumda spin etiketinin, protein molekülünün amino asit kalıntılarıyla kovalent kimyasal bağ oluşturabilen özel bir reaksiyon grubu içermesi gerekir.

Yapay ve biyolojik membranların özelliklerini incelemek için genellikle membranın lipit katmanına dahil edilebilen, lipitte çözünebilen spin etiketleri kullanılır:
- hücresel organellerdeki pH değerini ölçmek için döndürme pH probları olarak;
- membranlardan iyon transfer süreçlerini incelerken;
- İlaçların veya diğer ilaçların organ veya dokulardaki lokalizasyonunu belirlemek.

Analitik kimya ve jeofizikte:
- metallere bağlanabilen kenetleme maddeleri oluşturmak;
- düşük tespit eşiğine sahip göstergeler olarak (örneğin, petrol arama ve üretiminde trityum veya organik boyalar yerine, yeraltı suyu hareketinin analizinde floroaromatik asitler yerine).
Diğer endüstrilerde yakıtlara, alkollere vb. gizli işaretler eklemek için.

Rusya Bilimler Akademisi (Kazan) Kazak Bilim Merkezi'nin Organik ve Fiziksel Kimya Enstitüsü faaliyet göstermektedir. Şunu okuyabilirsiniz: Gammet L. Fiziksel organik kimyanın temelleri. Hızlar, dengeler ve reaksiyon mekanizmaları. M.: Mir, 1972.

Fiziko-kimyasal araştırma. 19. yüzyılın 30-60'lı yıllarında kimyanın gelişiminde organik kimya baskın rol oynamış ve büyük başarılar elde edilmiştir. Organik bileşiklerin yeni sentezleri birbirini takip etti. N. Zinin, C. Gerard, G. Kolbe, J. Dumas, A. Wurtz, M. Berthelot, A. M. Butlerov ve daha birçok kişinin çalışmaları geniş bir kimyager çevresinin dikkatini çekti.

Bu çalışmaların bir sonucu olarak, esas olarak organik kimya alanındaki belirli bir dizi gerçekle ilgili önemli genellemeler ortaya çıktı. Bunlar ikame doktrini, türler teorisi, kimyasal yapı teorisi, aromatik bileşikler teorisi vb. Kimyanın temel soruları, elementlerin doğası ve özellikleri, nedenleri ve koşulları sorusu kimyasal etkileşimleri, yani kimyasal ilginin doğası ve özü - bu sorular sanki arka planda kaldı. Bunların şüphesiz önemi gayet iyi biliniyordu, ama artık değil; Öte yandan çözümlerinin zemini hâlâ yeterince hazır değildi. Ana engel, bunların geliştirilmesindeki muazzam zorluktu; kimyanın diğer daha az genel ve daha az temel problemlerini araştırmak için gerekenden çok daha fazla çabaya ihtiyaç duyulmasıydı. Bununla birlikte, organik kimyanın gelişimi, önemli fiziksel ve kimyasal prensiplerin araştırılmasına ve tanımlanmasına büyük katkı sağlamıştır. Organik bileşiklerin incelenmesi sırasında, kimyasal ve fiziksel yasaları yöneten kalıpların hem organik hem de inorganik maddeler için aynı olduğu inancı güçlendi. Bu sonuç temel öneme sahipti. Bilimde, bitki ve hayvan dünyasının hem test minerallerinin hem de organik bileşiklerinin oluşumunun yanı sıra bir kimya laboratuvarında yapay olarak elde edilen maddelerin oluşumunun aynı yasalara tabi olduğu önemli bir konum oluşturulmuştur.

Organik kimyada izomerizm (1830, Berzelius) ve homoloji (1842, Scheel, Gerard) gibi olayların keşfi, kimyagerlere en önemli görevi verdi - bileşiklerin fizikokimyasal özelliklerinin bileşimlerine ve yapılarına bağımlılığını incelemek.

İzomerik bileşiklerin incelenmesi, maddelerin kimyasal ve fiziksel özelliklerinin yalnızca atomların kalitesine ve sayılarına değil aynı zamanda atomların iç düzenine de bağlı olduğunu açıkça göstermiştir. Bu, en önemli soruna yol açtı - fiziksel ve kimyasal yöntemlerle atomların ve moleküllerin "özel yaşamına" nüfuz etmek ve etkileşimlerinin yasalarını anlamaya çalışmak.

Bu alanda, yalnızca bileşiklerin özellikleri ve bileşimini değil aynı zamanda kimyasal reaksiyonların seyrini etkileyen kimyasal süreçleri, koşulları ve faktörleri de incelemeyi amaçlayan fizikokimyasal araştırma yöntemleri için özellikle geniş bir araştırma alanı açıldı.

Organik reaksiyonların (yavaş ve eksik olarak meydana gelen) incelenmesi, kimyasal dengeler hakkında önemli yeni materyaller sağlamıştır. Kimyasal bir işlemin hızı (zaman), yönü ve limiti gibi önemli kavramların kimyaya dahil edilmesini mümkün kılan bu reaksiyonların incelenmesiydi. Bu problemlerin incelenmesi mantıksal olarak sıcaklığın, basıncın, madde miktarlarının ve bunların toplanma durumlarının kimyasal reaksiyonun hızı ve yönü üzerindeki etkisinin incelenmesine yol açtı. Bir reaksiyon yavaş ilerlediğinde onu çeşitli anlarda durdurmak ve bu anlarda maddelerin durumunu ve doğasını incelemek mümkündür. İnorganik kimyada genellikle hemen hemen anında meydana gelen reaksiyonlar bu tür çalışmalara izin vermedi.

Sentetik-hazırlayıcı yol, kimyagerlerin (başlangıçta doğal ürünlerden izolasyon yoluyla ve daha sonra sentez yoluyla) daha sonra pratik uygulama alanı bulan yeni önemli maddeler elde etmelerine yol açtı. Yeni maddelerin incelenmesi ve kullanılması, bileşiğin bileşimine ve yapısına bağlı olarak fiziksel özelliklerinin incelenmesini gerektiriyordu.

Organik bileşiklerin çalışmasına dayanarak G. Kopp, kimyasal yapı ile fiziksel özellikler arasındaki ilk ilişkileri belirledi. Kopp şöyle yazdı: "...Fiziksel özellikler ile kimyasal bileşim arasındaki bağlantı ve bu özelliklerin kesin olarak belirlenmesi, bazı durumlarda bileşimin doğru belirlenmesi için bir kontrol görevi görebilir, böylece fiziksel özelliklere ilişkin bilgi bazen doğrudan bilgiyi doğrular." kimyasal özellikleri.”

G. Kopp'un (1817-1892) değeri, ilk kez 1842'den 1855'e kadar bir dizi maddenin fizikokimyasal özelliklerini (kaynama noktası, moleküler ve atomik hacim, atomik termal kapasite) sistematik olarak incelemesi gerçeğinde yatmaktadır. ve kimyasal bileşim ile organik bağlantıların yapısı arasındaki ilişki.

Sıvıların spesifik hacimlerini hesaplamak için Kopp, buhar basıncının aynı olduğu bu sıcaklıkların uygun olduğunu düşünerek sıvıların kaynama noktasındaki yoğunluğunu aldı. Kopp'un sıvı organik maddelerin spesifik hacimlerini belirlemeye yönelik deneyleri şunu gösterdi: 1) izomerik bileşikler benzer spesifik hacimlere sahiptir; 2) birçok homolog seride, bileşimdeki doğru değişiklikle birlikte spesifik hacimler de doğru şekilde değişir. Farklı organik maddelerin kaynama noktalarını karşılaştıran Kopp, homolog serilerde CH2 üzerindeki bileşimin komplikasyonuna genellikle kaynama noktasında 12, 15, 10 ° C'lik bir artışın eşlik ettiği sonucuna vardı. Bu fark genellikle her homolog seri için sabittir.

Tahmin edilebileceği gibi, bileşiklerin kimyasal yapısının kaynama noktası üzerinde belirli bir etkisi olmalıdır; aslında izomerlerin farklı sıcaklıklarda kaynadığı ortaya çıktı.

Organik maddelerin erime ve donma noktaları belirlenirken, homolog bileşikler için sıcaklığın maddenin molekül ağırlığı arttıkça arttığı bulunmuştur.

Kopp'un kaynama noktası ile bileşiklerin bileşimi arasındaki ilişkinin incelenmesi üzerine çeşitli bileşiklerin atomik veya belirli hacimlerinin belirlenmesine yönelik çalışması, her ne kadar temelde önemli modellere yol açmasa da, fizikokimyasal bağımlılıkların incelenmesine güçlü bir teşvik verdi ve Kopp tarafından belirlenen kuralların açıklığa kavuşturulması.

Önemli bir fizikokimyasal bilgi alanının geliştirilmesinde Copp'un değerini büyük ölçüde takdir eden D. I. Mendeleev şunları yazdı: "Tarih, Copp'un yorulmak bilmeyen faaliyetine her zaman gereken saygıyı gösterecektir."

Butlerov'un kimyasal yapı teorisinin (1861) ortaya çıkışıyla birlikte, organik bileşiklerin fizikokimyasal özelliklerinin kimyasal yapılarına bağımlılığının araştırılmasında yeni bir aşama başladı. A. M. Butlerov, kimyasal bileşiklerin kimyasal ve fiziksel özelliklerinin "karşılıklı bir nedensel ilişki içinde olduğunu" ve fiziksel özelliklerin incelenmesinin "bu maddelerde kendilerini oluşturan parçaların bulunduğu karşılıklı ilişkileri" anlamak için büyük önem taşıdığını vurguladı. “Giriş” in (1864) ilk sayısında Butlerov, fiziksel özelliklerin incelenmesinin, kimyasal bileşikleri oluşturan parçaların karşılıklı ilişkilerini anlamak için büyük önem taşıdığına dikkat çekti. Aynı sayıda özel bir bölüm de var: “Maddelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri arasındaki ilişkiler.” İçinde erime ve kaynama noktalarını, ısı kapasitelerini, gizli füzyon ve buharlaşma ısılarını, "kimyasal reaksiyonlardaki kalorik olayları", yani. termal etkiler, moleküler kuvvetler, çözünürlük, kırılma, ışığın saçılması, floresans ve fosforesans, polarizasyon düzleminin dönmesi, ışığın ve elektriğin kimyasal etkisi.

Maddelerin incelenmesine yönelik optik yöntemler o dönemde bilim adamlarının en büyük ilgisini çekti.

1811 yılında Arago, kuvars kristallerinde çift kırılmayı incelerken optik aktivite olgusunu keşfetti. Daha sonra 1817'de Biot, sıvı organik bileşiklerin optik özelliklere sahip olduğunu keşfetti: polarizasyon düzlemini döndürebiliyorlardı. Sıvı organik maddelerin polarizasyon düzlemini döndürme yeteneği, kristal yapı ile optik aktivite arasında gerekli bir ilişkinin olmadığını göstermiştir. Butlerov'a göre ikincisi "parçacıkların doğasında yuvalanmıştır." Bu çalışmalar çok önemli bir gerçeği ortaya çıkardı: Optik aktivite sadece kristalin değil aynı zamanda molekülün de bir özelliğidir.

Biot'un yukarıda bahsi geçen çalışmaları ile ilgili olarak Berzelius'un şu ilginç yargısı bulunmaktadır: “Hiç kuşkusuz henüz emekleme aşamasında olan bu tür araştırmalar eksiksiz olarak yürütülürse verimli olabilir. Eğer böyle bir çalışma hem optik bilimi hem de kimya bilgisiyle donanmış biri tarafından yürütülürse, organik ve inorganik cisimlerin bileşimi teorisinin gizli bölgelerine nüfuz edecek açıklamalar elde edilmesi umut edilebilir."

Maddelerin ışığı kırma kabiliyetinin bileşimlerine bağımlılığının incelenmesi, özellikle 1856'da M. Berthelot'un (moleküler ağırlığa göre spesifik kırılmanın ürünü olan) moleküler kırılma kavramını tanıtmasından sonra başarılı bir şekilde gelişmeye başladı. Berthelot'a göre, moleküler daha fazla sayıda bileşik için ±%0,1'i aşmayan sapmalar veren kırılma.

1879'dan beri Landolt'un öğrencisi J. Bruhl, atomik ve grup kırılmaları üzerine sistematik çalışmaya başladı. Organik kimyada fiziksel araştırmanın görevlerini açıkça formüle etti. Maddelerin yapısını belirlemek için kimyasal yöntemlerin yetersiz olduğuna ve maddelerin fiziksel özelliklerinin karşılaştırmalı olarak incelenmesi gerektiğine inanıyordu.

Brühl 70'lerin sonunda şöyle yazmıştı: “... maddelerin bileşimi, tek tek atomların birbirleriyle olan ilişkisine kadar incelenebilir; Bu nedenle fiziğin sunduğu aracı kimyada pratik uygulama için kullanmanın zamanı geldi... Bu kanaate dayanarak, organik maddelerin fiziksel özelliklerine ilişkin geniş ölçekte karşılaştırmalı bir çalışma için bir plan hazırladım. Lachen'deki Profesör Landolt'un tavsiyesi üzerine, öncelikle kırılma gücü ile maddelerin kimyasal doğası arasındaki ilişkiyi inceleme konusu olarak almaya karar verdim."

"Bu fiziksel araştırma yöntemlerinin hem analitik hem de sentetik yöntemlere eşit hale geleceği zamanın çok uzakta olmadığına inanıyorum" diye yazdı.

I. I. Kanonnikov, 1883-1885'te inorganik maddelerin yapısını incelemek için refraktometrik yöntemi uyguladı. Bu yöntemin "bileşiğin parçacıklarını tahrip etmeden bu yapı hakkında sonuçlar çıkarmayı mümkün kıldığı için yapı çalışmasında büyük önem taşıdığına" inanıyordu.

Modern refraktometri çalışmaları bu bakış açısını doğrulamıştır. Şu anda, optik özelliklerin ölçümleri, hidrojen bağlarının incelenmesinden silikatların yapısal formüllerinin belirlenmesine kadar çok çeşitli sorunların çözülmesini mümkün kılmaktadır.

XIX yüzyılın 90'lı yıllarından beri. A. Gancha, organik bileşiklerin yapısını oluşturmak için büyük ölçekte fiziksel araştırma yöntemlerini (absorbsiyon spektrumları, elektriksel iletkenlik ölçümleri vb.) kullanmaya başladı.

Ganch ve okulu absorpsiyon spektrumlarının incelenmesine büyük önem verdi. Ganch, bir asidin saf formundaki absorpsiyon spektrumu ile aynı asidin çözeltideki absorpsiyon spektrumu arasında büyük bir fark olduğunu göstermeyi başardı. Bu sadece saf maddelerin değil, esas olarak çözeltilerin doğasının incelenmesi açısından da büyük önem taşıyordu.

1897'den beri L. A. Chugaev, esas olarak organik bileşiklerin optik özelliklerinin incelenmesi üzerine bir dizi çalışma yürütmüştür. Işığın polarizasyon düzlemini döndüren organik bileşik karışımlarını analiz etmek için optik yöntemi geliştirdi. Chugaev, farklı şekilde oluşturulmuş dioksimlerde ilginç bir anormallik vakası tespit etti. Trimetilen halkasının, Bruhl'un verilerine uymayan, kırılmada belirli bir artışla karakterize olduğu ortaya çıktı. Bu çalışmalar kolesterolün kimyasal yapısını incelemeyi mümkün kıldı.

Kimyasal yapı teorisi ile birlikte fiziksel yöntemler, karmaşık maddelerin fizikokimyasal özelliklerinin incelenmesinde güçlü bir araç haline gelmiştir.

Kriyoskopi ve ebulliyoskopi gibi yöntemler organik kimyaya çok değerli hizmetler sağlamıştır. Organik kimyager ayrıca çeşitli organik bileşiklerin özelliklerini ve yapısını incelemek için elektriksel iletkenlik, kırılma, termokimyasal sabitler, absorpsiyon spektrumları, dönme yeteneği ve manyetik özellikler ölçümlerini yaygın olarak kullanmaya başladı.

1909'da L. A. Chugaev, "Organik kimyanın modern sorunları" makalesinde, araştırmasında bir organik kimyagerin fizikokimyasal araştırma yöntemlerini ve kimyasal süreçlerin teorik kapsamını benimsemesi gerektiğini yazdı. Buna karşılık, Chugaev'e göre, "hem maddenin formlarının hem de dönüşüm türlerinin tükenmez çeşitliliği nedeniyle karbon bileşiklerinin kimyası, araştırma için zengin bir malzemeyi temsil ediyor."

Tarih ve kimya literatüründe bazen organik kimyanın fiziksel kimyanın gelişimini uzun yıllar boyunca (1840-1880) yavaşlattığı ve bilimsel güçleri kendine yönelttiği belirtilmektedir. Bu görüşe tamamen katılmak mümkün değildir. Dahası, kimyanın gelişimindeki "organik" dönem, yalnızca genel olarak kimyanın değil, aynı zamanda fiziksel kimyanın da gelişmesinde çok gerekli ve önemli bir aşamaydı, çünkü çeşitli fiziksel ve kimya için zengin yeni materyal sağlayanlar organik kimyacılardı. kimyasal araştırma. Organik bileşikler, birçok temel fiziksel ve kimyasal yasanın ve teorik olarak önemli genellemelerin keşfinin tarihinde önemli bir rol oynamıştır.

Organik kimyagerlerin çeşitli organik bileşik sınıflarının yapısını incelemeye yönelik çalışmaları, daha sonra kimyasal kinetiğin gelişimi için büyük önem taşıyan reaksiyon mekanizmasının derinlemesine incelenmesinin yolunu açtı.

Lavoisier'in zamanından bu yana kimyacılar, nispeten küçük moleküllerin belirli hızlı iyonik reaksiyonlarının hangi yöne gideceğini tahmin edebildiler ve bu reaksiyonları pratik kullanım için değiştirebildiler. Karmaşık molekülleri incelemek çok daha zordu. Organik bileşiklerin yavaş reaksiyonlarının analiz edilmesi de çok daha zordu. Çoğunlukla reaksiyonlar birkaç yol izleyebilirdi ve kimyagerin, süreci derinlemesine anlayarak değil, bir deneyci ve sezgi olarak becerisi sayesinde reaksiyonu istenen yola yönlendirmesine izin verildi.

Atomun elektronik modelinin ortaya çıkışıyla organik kimyacılar kendi araştırma alanlarına yeni bir bakış açısı getirebildiler. XX yüzyılın 20'li yıllarının sonunda. İngiliz kimyager Christopher Ingold (1893-1970) ve diğer bazı kimyacılar, organik reaksiyonlara atomik yapı teorisi açısından yaklaşmaya çalıştılar ve moleküllerin etkileşimini elektronların geçişiyle açıkladılar. Organik kimyada fiziksel kimya yöntemleri yoğun bir şekilde kullanılmaya başlandı. Önemli bir disiplin haline geldi fiziksel organik kimya .

Ancak organik reaksiyonları yalnızca elektronların hareketi sonucu yorumlama çabaları pek başarıya yol açmadı.

20. yüzyılın ilk çeyreğinde elektronun keşfinden bu yana, elektronun çok küçük ve sert bir top olduğunun kanıtlandığı düşünülüyordu. Ancak 1923'te Fransız fizikçi Louis Victor de Broglie (d. 1892), elektronların (ve diğer tüm parçacıkların) dalga özelliklerine sahip olduğuna dair teorik bir gerekçe sundu. XX yüzyılın 20'li yıllarının sonunda. bu hipotez deneysel olarak doğrulandı.

Pauling (protein ve nükleik asit moleküllerinin spiral bir şekle sahip olduğunu öne süren ilk kişiydi, bkz. Bölüm 10) 30'lu yılların başında organik reaksiyonları değerlendirirken elektronların dalga doğasını hesaba katmayı mümkün kılan yöntemler geliştirdi.

Bir çift elektronun sosyalleşmesinin (Lewis ve Langmuir'e göre), dalgaların etkileşimi veya elektron bulutlarının örtüşmesi olarak yorumlanabileceğini öne sürdü. Kekule'nin yapısal teorisinde bir özellik olarak gösterilen kimyasal bağ, yeni konseptlerde elektron bulutlarının maksimum örtüştüğü bölgeye karşılık geliyor. Elektron bulutlarının örtüşmesinin bazen yalnızca yapısal formüldeki değerlik bağıyla temsil edilen tek bir yönde gerçekleşmediği ortaya çıktı. Başka bir deyişle, bir molekülün gerçek yapısı herhangi bir tek yapısal formülle yaklaşık olarak bile temsil edilemez. Bununla birlikte, çeşitli varsayımsal yapılar arasında bir ara madde olarak, bu yapıların "rezonans melezi" olarak düşünülebilir. Böyle gerçek bir molekülün enerjisinin, herhangi bir tek rezonanslı "klasik" yapıya dayalı olarak beklenenden daha düşük olduğunu belirtmek önemlidir. Bu tür moleküllerin "rezonansla stabilize edildiği" söylenir, ancak bu durumda rezonans elbette gerçek bir fiziksel fenomen değil, bazı moleküllerin stabilitesini ve özelliklerini açıklamak için uygun bir teorik kavramdır.

Rezonans teorisinin, Kekule zamanından bu yana kimyacıların kafasını karıştıran benzenin yapısının anlaşılmasında özellikle yararlı olduğu kanıtlanmıştır (bkz. Bölüm 7). Benzen formülü genellikle değişen tek ve çift bağlara sahip bir altıgen olarak tasvir edildi. Bununla birlikte benzen, çift bağlı bileşiklerin karakteristik özelliklerinden neredeyse tamamen yoksundur.

Ancak benzen için, birinci formülle karşılaştırıldığında basit ve çift bağların yer değiştirdiği ikinci, tamamen eşdeğer bir Kekulé formülü yazabilirsiniz. Gerçek benzen molekülü, iki Kekulé yapısının rezonans hibriti olarak tanımlanır; Çift bağların oluşumundan sorumlu olan elektronlar, halka etrafında "yayılır" ve delokalize olur, böylece benzendeki karbon atomları arasındaki tüm bağlar eşdeğerdir ve klasik tekli ve çiftli bağlar arasında orta düzeydedir. Benzenin kimyasal davranışının artan stabilitesinin ve özelliklerinin nedeni tam olarak budur.

Benzenin yapısına ek olarak elektronların dalga özelliklerine ilişkin fikirler diğer konuların açıklanmasına yardımcı oldu. Karbon atomunun dış kabuğunda yer alan dört elektronun enerjisi tamamen eşdeğer olmadığından, karbon atomu ile komşu atomları arasında oluşan bağların, bir karbon atomunun oluşumunda yer alan elektronlardan hangisine bağlı olarak bir miktar farklı olduğu varsayılabilir. veya başka bir iletişim.

Bununla birlikte, dalgalar gibi dört elektronun birbirleriyle etkileşime girdiği ve van't Hoff-Le Bel tetrahedral atomunda olduğu gibi tamamen eşdeğer ve tetrahedronun köşelerine doğru yönlendirilen dört "orta" bağ oluşturduğu ortaya çıktı.

Aynı zamanda rezonans, kimyagerlerin ilk kez 20. yüzyılın başında karşılaştığı bir grup olağandışı bileşiğin yapısının açıklanmasına da yardımcı oldu. 1900 yılında Amerikalı kimyager Moses Gomberg (1866-1947), molekülünde iki karbon atomunun altı benzen halkasına (her karbon atomu için üç) bağlı olduğu bir bileşik olan hekzafeniletan elde etmeye çalıştı.

Gomberg, bu bileşiğin yerine çok reaktif bazı bileşiklerin renkli bir çözeltisini aldı. Birkaç nedenden dolayı Gomberg aldığına inanıyordu trifenilmetil- bir karbon atomu ve üç benzen halkasından oluşan ve karbon atomunun dördüncü bağının doymamış olduğu bir "yarım molekül".

Bu bileşik, kavramı 19. yüzyılda tanıtılan radikallerden birine benziyordu. Organik bileşiklerin yapısını açıklamak (bkz. Bölüm 6). Ancak eski teorinin radikallerinden farklı olarak, Gomberg tarafından keşfedilen molekül, başka bir bileşiğin parçası olarak değil, izole edilmiş bir formda mevcuttu, bu nedenle ona bu ad veriliyordu. serbest radikal .

Kimyasal bağlanmaya ilişkin elektronik kavramların gelişmesiyle birlikte, serbest radikallerde, örneğin trifenilmetil Yeni kavramlar çerçevesinde doymamış bir bağ (Kekule teorisi açısından) eşlenmemiş bir elektrona karşılık gelir. Tipik olarak eşleşmemiş elektrona sahip bu tür moleküller son derece reaktiftir ve hızla diğer maddelere dönüşür.

Bununla birlikte, molekül düz ve simetrikse (bir trifenilmetil molekülü gibi), o zaman eşleşmemiş elektron molekülün her tarafına "yayılabilir" ve bu da radikalin stabilizasyonuna yol açacaktır.

Organik reaksiyonların incelenmesine elektronik yapı teorisi perspektifinden yaklaşıldığında reaksiyonların sıklıkla serbest radikallerin oluşum aşamasını içerdiği ortaya çıktı. Kural olarak rezonansla stabilize edilmeyen bu tür serbest radikaller, yalnızca kısa bir süre için var olurlar ve her zaman zorlukla oluşturulurlar. Çoğu organik reaksiyonun çok yavaş ilerlemesinin nedeni, serbest radikal ara ürünleri oluşturmanın zorluğudur.

20. yüzyılın ikinci çeyreğinde. Organik kimyacılar, organik reaksiyonların özüne daha da derinlemesine nüfuz etmeye başladılar ve reaksiyonların mekanizmasını inceleyerek, sürecin özünü kavrayarak, karmaşıklığı önceki nesil kimyacıları hayrete düşüren molekülleri sentezlemeyi başardılar.

Ancak rezonans teorisinin kavramları yalnızca organik kimyada geçerli değildir. Özellikle borhidrür moleküllerinin yapısını eski fikirlere dayanarak net bir şekilde açıklamak imkansızdır. Bor atomunun gerekli sayıda bağ oluşturamayacak kadar az değerlik elektronu vardır. Elektronların uygun şekilde "yayıldığını" varsayarsak, kabul edilebilir bir moleküler yapı önerebiliriz.

İnert gazların keşfinden bu yana herhangi bir reaksiyona girmediklerine inanılsa da, 1932'de Pauling bu gazların atomlarının bağ oluşturması gerektiğini öne sürdü.

Başlangıçta Pauling'in bu varsayımı fark edilmedi, ancak 1962'de inert gaz ksenonun flor ile reaksiyonunun bir sonucu olarak, ksenon florür. Bundan kısa bir süre sonra, flor ve oksijen içeren bir dizi başka ksenon bileşiğinin yanı sıra radon ve kripton bileşikleri de elde edildi.

Yarı ömür

Atomun yapısının incelenmesi problemin yeni bir şekilde anlaşılmasına yol açtı, ancak aynı zamanda bilim adamları bir takım yeni sorularla da karşı karşıya kaldılar.

1900 yılında Crookes (bkz. Bölüm 12), taze hazırlanmış saf uranyum bileşiklerinin çok az radyoaktiviteye sahip olduğunu ve bu bileşiklerin radyoaktivitesinin zamanla arttığını keşfetti. 1902'ye gelindiğinde Rutherford ve işbirlikçisi İngiliz kimyager Frederick Soddy (1877-1956), bir alfa parçacığının emisyonu ile uranyum atomunun doğasının değiştiğini ve üretilen yeni atomun uranyumun kendisinden daha güçlü radyasyon yaydığını öne sürdü (böylece) , gözlem burada dikkate alınmıştır Crookes). Bu ikinci atom da bölünerek başka bir atom oluşturur. Aslında uranyum atomu bir dizi radyoaktif elementin ortaya çıkmasına neden olur. radyoaktif seri radyum ve polonyum dahil ("Sıra Numarası" bölümüne bakın) ve radyoaktif olmayan kurşunla biten. Bu nedenle uranyum minerallerinde radyum, polonyum ve diğer nadir radyoaktif elementler bulunabilir. İkinci radyoaktif seri de uranyumla, üçüncü radyoaktif seri ise toryumla başlıyor.

Sürekli bozunan radyoaktif elementlerin neden hala var olmaya devam ettiğini sormak yerinde olur. 1904'te bu sorun Rutherford tarafından çözüldü. Radyoaktif bozunma hızını inceleyerek, belirli bir süre sonra, farklı elementler için farklı olarak, belirli bir radyoaktif elementin belirli bir miktarının yarısının bozunduğunu gösterdi. Rutherford, her bir radyoaktif madde tipinin karakteristik özelliği olan bu periyodu şöyle adlandırdı: yarı ömür(Şek. 22).

Pirinç. 22. Radonun yarı ömrü, kalan madde miktarının düzenli aralıklarla ölçülmesiyle belirlenir. Ortaya çıkan bağımlılık "bozunan" bir üstel eğridir y=e-ah .

Örneğin radyumun yarı ömrü 1600 yılın biraz altındadır. Jeolojik çağlar boyunca, yerkabuğundaki herhangi bir miktar radyum, eğer uranyumun bozunmasıyla sürekli olarak yenilenmeseydi, elbette uzun zaman önce yok olurdu. Aynı şey, yarı ömürleri saniyenin kesirleriyle ölçülenler de dahil olmak üzere diğer uranyum bozunma ürünleri için de söylenebilir.

Uranyumun yarı ömrü 4.500.000.000 yıldır. Bu çok büyük bir zaman dilimidir ve Dünya'nın tüm tarihi boyunca orijinal uranyum rezervlerinin yalnızca bir kısmı bozunabilir. Toryum 14.000.000.000 yıllık yarılanma ömrüyle daha da yavaş bozunur.

Bu kadar büyük zaman aralıkları ancak belirli bir uranyum (veya toryum) kütlesi tarafından yayılan alfa parçacıklarının sayısı sayılarak belirlenebilir. Rutherford, alfa parçacıkları bir çinko sülfür ekranıyla çarpıştığında meydana gelen küçük parlamaları tespit ederek alfa parçacıklarını saydı (yani sözde yöntemi kullanarak). sintilasyon sayacı).

Her yeni alfa parçacığı başka bir uranyum atomunun bozunduğu anlamına geliyordu, böylece Rutherford saniyede kaç atomun bozunduğunu belirleyebiliyordu. Rutherford, kullandığı uranyum kütlesinden toplam uranyum atomu sayısını belirledi. Bu tür verilere sahip olarak, mevcut uranyum miktarının yarısının bozunması için gereken süreyi hesaplamak artık zor değildi. Milyarlarca yıldan bahsettiğimiz ortaya çıktı.

Uranyumun bozunması o kadar sabit ve karakteristik bir süreçtir ki, Dünya'nın yaşını belirlemek için kullanılabilir. 1907 yılında Amerikalı kimyager Bertram Borden Boltwood (1870-1927), bu tür tespitlerin uranyum minerallerinin kurşun içeriğine dayandırılabileceğini öne sürdü. Minerallerdeki kurşunun tamamının uranyumun bozunmasından geldiğini varsayarsak, bunun ne kadar sürdüğünü hesaplamak kolaydır. Bu yöntemi kullanarak katı kabuğun yaşının en az dört milyar yıl olduğunu belirlemek mümkün oldu.

Bu arada Soddy, atom altı parçacıkların salınmasının atomda neden olduğu değişiklikleri anlatmaya devam etti. Bir atom bir alfa parçacığını (+2 yük) kaybederse, çekirdeğindeki toplam yük iki azalır ve element periyodik tabloda iki basamak sola doğru hareket eder.

Bir atom bir beta parçacığını (-1 yüklü bir elektron) kaybederse, çekirdek ek bir pozitif yük kazanır ve element periyodik tabloda bir boşluk sağa doğru hareket eder. Bir atom gama ışınları (yüksüz) yayarsa, enerji içeriği değişir, ancak parçacıkların bileşimi etkilenmez, dolayısıyla aynı element olarak kalır.

Bu kuralların rehberliğinde kimyagerler birçok radyoaktif seriyi kapsamlı bir şekilde inceleyebildiler.

İzotoplar

Radyoaktif elementlerin keşfiyle bilim adamları ciddi bir sorunla karşı karşıya kaldılar: Uranyum ve toryumun çeşitli bozunma ürünleriyle ne yapmalı? Düzinelerce keşfedildi ve periyodik tabloda bunların yerleştirilebileceği yalnızca dokuz yer kalmıştı (seri numarası 84 olan polonyumdan seri numarası 92 olan uranyuma kadar).

Böylece, bir uranyum atomu (seri numarası 92) bir alfa parçacığı yayar. Soddy kuralına göre yeni elementin atom numarası 90'dır. Bu, bir uranyum atomunun bir toryum atomu oluşturması gerektiği anlamına gelir. Ancak sıradan toryumun yarı ömrü 14 milyar yıl olarak ölçülürken, uranyumdan elde edilen toryumun yarı ömrü yalnızca 24 gündür.

Radyoaktif olmayan elementler elde edilirken bile farklılıklar gözlenir. Örneğin Richards (atom kütleleri konusunda uzman, bkz. Bölüm 5) 1913'te uranyumun bozunmasından elde edilen kurşunun atom kütlesinin sıradan kurşunun atom kütlesinden biraz farklı olduğunu göstermeyi başardı.

Soddy, birden fazla atom türünün periyodik tabloda aynı yere karşılık gelebileceğini öne sürecek kadar kararlıydı. 90. sırayı toryumun farklı çeşitleri, 82. sırayı ise kurşunun farklı çeşitleri doldurabilir. Soddy, tabloda aynı yeri işgal eden bu atom çeşitlerine şöyle ad verdi: izotoplar(Yunanca topos'tan - yer).

Tabloda aynı yeri kaplayan izotopların atom numarasının aynı olması, dolayısıyla çekirdekte aynı sayıda proton ve kabuklarda aynı sayıda elektron bulunması gerekir. Bir elementin izotopları aynı kimyasal özelliklere sahip olmalıdır çünkü bu özellikler atomlardaki elektronların sayısına ve konumuna bağlıdır.

Peki bu durumda radyoaktif özellikler ile atom kütleleri arasındaki farkı nasıl açıklayabiliriz?

Geçen yüzyılda Prout, tüm atomların hidrojenden oluştuğunu, dolayısıyla tüm elementlerin tamsayı atomik kütlelere sahip olması gerektiğini öne süren ünlü hipotezini (bkz. Bölüm 5) ortaya attı. Ancak, çoğu atom kütlesinin tamsayı olmadığı ortaya çıktı ve bu gerçek, hipotezi çürütüyor gibi görünüyordu.

Ancak atomun yapısına ilişkin yeni fikirlere göre, atomun protonlardan (ve nötronlardan) oluşan bir çekirdeği vardır. Protonlar ve nötronların kütleleri yaklaşık olarak eşittir ve bu nedenle tüm atomların kütleleri, bir hidrojen atomunun (bir protondan oluşan) kütlesinin katları olmalıdır. Prout'un hipotezi yeniden canlandı, ancak atom kütlelerinin ne olması gerektiği konusunda şüpheler yeniden ortaya çıktı.

1912'de J. J. Thomson (yukarıda söylediğimiz gibi elektronu keşfeden kişi), pozitif yüklü neon iyonlarının ışınlarını manyetik alana maruz bıraktı. Manyetik alan iyonların sapmasına ve fotoğraf plakası üzerine düşmelerine neden oldu. Eğer tüm iyonların kütleleri aynı olsaydı, hepsi manyetik alan tarafından aynı açıda saptırılırdı ve fotoğraf filmi üzerinde rengi solmuş bir nokta belirirdi. Ancak bu deney sonucunda Thomson, biri diğerinden yaklaşık on kat daha koyu olan iki nokta elde etti. Daha sonra bu cihazı geliştiren Thomson'un işbirlikçisi Francis William Aston (1877-1945), elde edilen verilerin doğruluğunu doğruladı. Diğer elementler için de benzer sonuçlar elde edildi. Kimyasal olarak benzer iyonları farklı kütlelerdeki iyon demetlerine ayırmayı mümkün kılan bu cihaza denirdi. kütle spektrografı .

Manyetik alanda eşit yüklü iyonların sapma miktarı bu iyonların kütlesine bağlıdır; Daha yüksek kütleye sahip iyonlar daha az saptırılır ve bunun tersi de geçerlidir. Böylece Thomson ve Aston'un deneyleri iki tür neon atomunun olduğunu gösterdi. Bir tür atom için kütle Numarası 20'ye eşit, diğeri için - 22. Noktaların göreceli siyahlığının belirlenmesi sonucunda neon-20 içeriğinin neon-22'den 10 kat daha fazla olduğu tespit edildi. Daha sonra az miktarda neon-21'in varlığı da keşfedildi. Neonun atom kütlesini hesaplarken bu verilerden yola çıkarsak yaklaşık 20,2'ye eşit olduğu ortaya çıkar.

Başka bir deyişle, tek tek atomların kütlesi, bir hidrojen atomunun kütlesinin tam sayı katıdır, ancak tek bir elementin atom kütlesi, onu oluşturan atomların atomik kütlelerinin ortalamasıdır ve bu nedenle bir bütün olmayabilir. sayı.

Çok sayıda izotopa sahip bir elementin ortalama atom kütlesi, bazı durumlarda daha yüksek atom numarasına sahip bir elementin ortalama atom kütlesinden daha büyük olabilir. Örneğin atom numarası 52 olan tellürün yedi izotopu vardır. Bunlardan en ağır iki izotop olan tellür-126 ve tellür-128 en bol bulunanlardır. Sonuç olarak tellürün atom kütlesi 127,6'ya yaklaşır. İyotun atom numarası 53'tür, yani tellürden bir fazladır. Ancak iyotun yalnızca bir izotopu vardır, iyot-127 ve bu nedenle atom kütlesi 127'dir. Mendeleev, periyodik tablosunda iyotu tellürün arkasına yerleştirdiğinde ve böylece atom kütlesinin belirlediği düzeni ihlal ettiğinde, bilmeden atomun yüklerini takip etti. çekirdekler, yani periyodik yasanın fiziksel özü.

Benzer bir örnek daha verelim. Potasyumun (seri numarası 19) üç izotopu vardır - potasyum-39, potasyum-40 ve potasyum-41, ancak en hafif izotop en yaygın olanıdır - potasyum-39. Sonuç olarak potasyumun atom kütlesi 39,1'dir. Argonun atom numarası 18'dir ve ayrıca üç izotopu vardır - argon-36, argon-38 ve argon-40, ancak en ağır izotop - argon-40 - en yaygın olanıdır. Sonuç olarak argonun atom kütlesi yaklaşık 40'tır.

Kütle spektrografı kullanarak bireysel izotopların kütlelerini ölçebilir ve bu izotopların içeriğini belirleyebilirsiniz. Bu tür verileri elde ederek elementin ortalama atom kütlesini hesaplamak mümkündür. Atom kütlesini belirlemeye yönelik bu yöntemin doğruluğu, kimyasal yöntemlerden çok daha yüksektir.

Belirli bir elementin farklı izotopları aynı nükleer yüke ancak farklı kütle numaralarına sahiptir. Sonuç olarak, farklı izotopların çekirdekleri aynı sayıda proton, ancak farklı sayıda nötron içerir. Neon-20, neon-21 ve neon-22'nin her birinin çekirdeğinde 10'ar proton bulunur, tüm bu izotopların seri numarası 10'dur ve elektronlar kabuklar arasında şu şekilde dağılır: 2, 8. Ancak neon-20 çekirdek 10 proton artı 10 nötron içerir, neon-21 çekirdeğinde 10 proton artı 11 nötron bulunur ve neon-22 çekirdeğinde 10 proton artı 12 nötron bulunur.

Çoğu element (ancak hepsi değil) izotoplar içerir. Örneğin 1935 yılında Amerikalı fizikçi Arthur Geoffrey Dempster (1886-1950), atom kütlesi (238,07) bir tamsayıya çok yakın olan doğal uranyumun iki izotopun bir karışımı olduğunu tespit etti. İzotoplardan biri baskın miktarda (%99,3) bulunur. Bu izotopun çekirdeği 92 proton ve 146 nötrondan oluşur, yani toplam kütle numarası 238'dir. Bu uranyum-238'dir. Başka bir izotop olan uranyum-235'in içeriği yalnızca %0,7'dir; bu izotopun çekirdeğinde üç tane daha az nötron var.

Radyoaktif özellikler elektronik ortama değil atom çekirdeğinin yapısına bağlı olduğundan, aynı elementin izotopları benzer kimyasal özelliklere ve tamamen farklı radyoaktiviteye sahip olabilir. Uranyum-238'in yarı ömrü 4.500.000.000 yıl iken, uranyum-235'in yarı ömrü yalnızca 700.000.000 yıldır. Bu elementlerin her ikisi de iki ayrı radyoaktif serinin ilk elementleridir.

Elementlerin en basiti olan hidrojenin de bir çift izotopa sahip olabileceğini öne süren teorik öncüller vardı. Sıradan hidrojen atomlarının çekirdeği bir protondan oluşur, yani. sıradan hidrojen hidrojen-1'dir. 1931'de Amerikalı kimyager Harold Clayton Urey (1893-1980), hidrojenin daha ağır izotopunun, eğer varsa, daha yüksek sıcaklıkta kaynaması, daha yavaş buharlaşması ve bir kalıntı halinde birikmesi gerektiğini öne sürdü.

Hidrojenin bu daha ağır izotopunu tespit etmek amacıyla Yuri, dört litre sıvı hidrojeni yavaşça buharlaştırmaya başladı. Urey, hidrojenin son santimetreküpünde, çekirdeğinde bir proton ve bir nötron bulunan bir izotop olan hidrojen-2'nin varlığına dair şaşmaz işaretler buldu. Hidrojen-2 adı verildi döteryum .

Oksijen bir istisna değildi. 1929'da Amerikalı kimyager Williams Francis Gioc (d. 1895), oksijenin üç izotopu olduğunu göstermeyi başardı. Oksijen-16 en bol bulunanıdır ve tüm atomların yaklaşık %99,8'ini oluşturur. Oksijen-16 çekirdeğinde 8 proton ve 8 nötron bulunmaktadır. İkinci en bol izotop olan oksijen-18'in çekirdeğinde 8 proton ve 10 nötron bulunur; yalnızca eser miktarda bulunan oksijen-17'nin çekirdeğinde ise 8 proton ve 9 nötron bulunur.

Bu bir sorun yarattı. Berzelius'un zamanından bu yana elementlerin atom kütleleri, oksijenin atom kütlesinin 16.0000 olduğu varsayımıyla hesaplanmaktadır (bkz. Bölüm 5). Ancak oksijenin atom kütlesi yalnızca üç izotopun hesaplanan ortalama atom kütlesi olabilir ve oksijen izotoplarının oranı numuneden numuneye büyük ölçüde değişebilir.

Fizikçiler, oksijen-16'nın 16.0000'e eşit atom kütlesine dayanarak atom kütlelerini belirlemeye başladılar. Sonuç olarak bir takım değerler elde edildi ( fiziksel atom kütlesi), kullanılan ve 19. yüzyıl boyunca kademeli olarak rafine edilen değerleri çok küçük bir sabit değerle aşan. ( kimyasal atom ağırlıkları).

1961'de hem kimyagerlerin hem de fizikçilerin oluşturduğu uluslararası kuruluşlar, karbon-12'nin atom kütlesini standart olarak benimsemeyi ve bunu tam olarak 12.0000 olarak belirlemeyi kabul etti. Yeni standart kullanılarak hesaplanan elementlerin atom kütleleri, eski kimyasal atom ağırlıklarıyla neredeyse tamamen aynıdır ve ayrıca yeni standart, bir izotop galaksisiyle değil, yalnızca bir izotopla ilişkilidir.

Bölüm 14 Nükleer Reaksiyonlar

Yeni dönüşümler

Atomun radyoaktif dönüşümler sırasında rastgele yeniden düzenlenen daha küçük parçacıklardan oluştuğu anlaşıldığında, bir sonraki adım neredeyse önceden belirlenmiş görünüyordu.

İnsan, sıradan kimyasal reaksiyonları kullanarak molekülleri kendi takdirine göre yeniden düzenlemeyi öğrendi. Neden atomların çekirdeklerini kullanarak yeniden düzenlemeyi denemiyorsunuz? nükleer reaksiyonlar? Protonlar ve nötronlar, bir moleküldeki atomlardan çok daha sıkı bir şekilde birbirine bağlıdır ve sıradan kimyasal reaksiyonları gerçekleştirmek için kullanılan olağan yöntemler, doğal olarak başarıya yol açmayacaktır. Ancak yeni yöntemler geliştirmeyi deneyebilirsiniz.

Bu yönde ilk adım Rutherford tarafından atıldı; çeşitli gazları alfa parçacıklarıyla bombaladı ve bir alfa parçacığının atom çekirdeğine her çarptığında yapısını bozduğunu keşfetti (Şekil 23).

1919'da Rutherford, alfa parçacıklarının nitrojen çekirdeğindeki protonları çıkarabildiğini ve çekirdekten geriye kalanlarla birleşebildiğini zaten göstermeyi başarmıştı. Azotun en yaygın izotopu, çekirdeğinde 7 proton ve 7 nötron bulunan nitrojen-14'tür. Bu çekirdekten bir protonu çıkarırsanız ve bir alfa parçacığının 2 protonu ve 2 nötronunu eklerseniz, 8 proton ve 9 nötrondan oluşan bir çekirdek, yani bir oksijen-17 çekirdeği elde edersiniz. Alfa parçacığını helyum-4, protonu da hidrojen-1 olarak düşünebiliriz. Böylece Rutherford, yapay bir nükleer reaksiyonu başarıyla gerçekleştiren ilk kişi oldu:

Azot-14 + helyum-4 → oksijen-17 + hidrojen-1

Bir elementi diğerine dönüştürerek dönüşümü başardı. Yani 20. yüzyılda. simyacıların en büyük hayali gerçek oldu.

Sonraki beş yıl boyunca Rutherford, alfa parçacıklarını kullanarak bir dizi başka nükleer reaksiyon gerçekleştirdi. Ancak radyoaktif elementler yalnızca ortalama enerjiye sahip alfa parçacıkları ürettiğinden yetenekleri sınırlıydı. Çok daha yüksek enerjilere sahip parçacıklara ihtiyaç vardı.

Pirinç. 23. Rutherford deneyinin şeması. Yayılan alfa parçacıkları altın folyodan geçerken saptırılır; Parçacıklar floresan ekranla çarpıştığında sapmanın büyüklüğü kaydedilir.

Fizikçiler elektrik alanında yüklü parçacıkları hızlandırmak için tasarlanmış cihazlar yaratmaya başladılar. Parçacıkları ivmeyle hareket etmeye zorlayarak enerjileri artırılabilir. İngiliz fizikçi John Douglas Cockroft (1897-1967), çalışma arkadaşı İrlandalı fizikçi Ernest Thomas Sinton Walton (1903 doğumlu) ile birlikte, parçacıkları taşımaya yetecek kadar enerjiye sahip parçacıklar üretmeyi mümkün kılan bir hızlandırıcı fikrini geliştiren ilk kişilerdi. nükleer bir reaksiyon ortaya çıkar. 1929'da böyle bir hızlandırıcı inşa edildi. Üç yıl sonra aynı fizikçiler lityum atomlarını hızlandırılmış protonlarla bombaladılar ve alfa parçacıkları elde ettiler. Bu nükleer reaksiyon şu şekilde yazılabilir:

Hidrojen-1 + lityum-7 → helyum-4 + helyum-4

Cockcroft-Walton hızlandırıcısında ve diğer benzer hızlandırıcılarda parçacıklar düz bir yol boyunca hareket ediyordu. Böyle bir hızlandırıcıda yüksek enerjili parçacıklar elde etmek ancak parçacık yolunun yeterince uzun olması durumunda mümkündü, dolayısıyla bu tür hızlandırıcılar son derece hacimliydi. 1930'da Amerikalı fizikçi Ernest Orlando Lawrence (1901-1958), parçacıkların hafif ayrışan bir sarmalda hareket ettiği bir hızlandırıcı önerdi. Bu nispeten küçük siklotron son derece yüksek enerjiye sahip parçacıklar üretebilir.

Lawrence'ın ilk çok küçük siklotronu, maddenin yapısıyla ilgili en karmaşık soruların yanıtlarını bulmak için kullanılan, çevresi yarım kilometre olan günümüzün devasa tesislerinin öncüsüdür.

1930'da İngiliz fizikçi Paul Adrien Morris Dirac (1902 doğumlu), hem protonların hem de elektronların kendilerine ait olması gerektiği varsayımını teorik olarak kanıtladı. antipartiküller . Antielektron Bir elektronun kütlesine sahip olmalı ancak pozitif yüklü olmalıdır, antiproton proton kütlesine sahip olmalı fakat negatif yüklü olmalıdır.

Antielektron, 1932'de Amerikalı fizikçi Carl David Anderson (1905 doğumlu) tarafından kozmik ışınlar üzerine yaptığı araştırmalar sırasında keşfedildi. Kozmik ışınlar atmosferdeki atom çekirdekleriyle çarpıştığında, manyetik alanda elektronlarla aynı açıda ancak ters yönde sapan parçacıklar oluştururlar. Anderson bu tür parçacıklar adını verdi pozitronlar .

Antiproton çeyrek asır daha keşfedilemedi. Antiprotonun kütlesi antielektronun kütlesinden 1836 kat daha büyük olduğundan, antiprotonun oluşumu 1836 kat daha fazla enerji gerektirir ve bu nedenle 20. yüzyılın 50'li yıllarına kadar. bu dönüşüm imkansızdı. 1955 yılında Amerikalı fizikçiler Emilio Segre (1905 doğumlu) ve Owen Chamberlain (1920 doğumlu), güçlü hızlandırıcılar kullanarak bir antiproton elde etmeyi ve tespit etmeyi başardılar.

Antiproton içeren negatif yüklü çekirdeklerin, pozitif yüklü pozitronlarla çevrelendiği tuhaf atomların olabileceği bulundu. Doğal olarak ne antimadde ne Dünya'da ne de muhtemelen Galaksimizde bile uzun süre var olamaz, çünkü madde antimaddeyle temasa geçtiğinde yok olur (yok eder), büyük miktarda enerji açığa çıkarır. Ancak yine de gökbilimciler antimaddeden oluşan galaksilerin var olup olamayacağını merak ediyor. Eğer bu mümkünse bu tür Galaksileri tespit etmek çok zor olacaktır.

USPTU Fiziksel ve Organik Kimya Bölümü, 1983 yılında fiziksel ve organik kimya bölümlerinin birleşmesiyle oluşturulmuştur. Fiziksel Kimya Bölümü'nün geçmişi, Moskova Petrol Enstitüsü Ufa şubesinin 3. sınıf öğrencilerinin eğitimlerine devam etmek üzere Moskova'ya ilk kez gönderilmediği 1947 yılına kadar götürülmelidir. O yıllarda laboratuvar çalışmalarını organize etmek için bölümde, çeşitli cam kimyasal ekipmanlarının laboratuvar atölyesine girişini büyük ölçüde hızlandıran bir cam üfleme atölyesi oluşturuldu. Birkaç yıl boyunca fiziksel ve kolloidal kimya üzerine çalışmalar yapıldı. Bunun büyük payı kıdemli öğretmene gidiyor Lyubov Nisovne Pirkis. Dubitel fabrikasının baş mühendisi D. M. Rapoport, fizikokimya üzerine ders vermek üzere davet edildi ve daha sonra enstitünün kadrosuna katılarak emekliliğine kadar orada çalıştı. Fiziksel Kimya Bölümü resmi adını 1951 yılında Profesör Boris Vasilyeviç Klimenok 1983 yılında yeniden yapılanmasına kadar 32 yıl boyunca bölüme başkanlık etti. Bölümün kurulduğu dönemde eğitim ve bilimsel çalışmalar 8 çalışan tarafından yürütülüyordu. Profesör B.V. Klimenok'un liderliğinde bölüm, dizel yakıtların üre ile cilalanması konusunda bilimsel araştırmalara başladı. Kapsamlı araştırmalar, ürenin su-etanol çözeltilerini kullanarak bir mum giderme prosesi geliştirmeyi ve Ufa Petrol Rafinerisi'nde bir pilot tesis kurmayı mümkün kıldı. Pilot endüstriyel sonuçlar sürecin gerçek olasılığını kanıtladı, ancak büyük alkol ve üre kayıpları süreci etkisiz hale getirdi. Departman bağımsız olarak dizel yakıtların su-üre süspansiyonu ile mumunun giderilmesini incelemeye başladı.

İle başlayan 1954 Her yıl lisansüstü öğrenciler bilimsel çalışmalara katılmaktadır. Mühendis A. T. Zemlyansky, üre mum gidermenin sulu bir versiyonunun geliştirilmesi ve sürecin pratik olarak uygulanması için çok çaba harcadı. O “altın ellere” ve mükemmel bir mühendislik zekasına sahip bir adamdı. Bağımsız olarak bir torna tezgahında çalışma yaptı, kaynak ve metal işleri yaptı. Enstitünün mekanik atölyesinde inşa edilen, petrol fraksiyonlarının üre ile mumunun alınmasına yönelik büyük bir pilot tesisin A. T. Zemlyansky'nin beyni olduğu düşünülebilir. Pilot tesisle birlikte Ulusal Petrol Rafinerisi Fabrikasında yarı endüstriyel tesis inşa edildi. Ancak çeşitli nedenlerden dolayı bu tesisin varlığı sona erdi ve sürecin gelişimi esas olarak enstitünün pilot kurulumunda devam etti. Yeni süreç seçeneklerinin olasılığı araştırıldı. Bu konuyla ilgili tezler Z. V. Basyrov, F. A. Chegodaev, A. M. Syrkin, A. A. Krasnov, T. S. Kamkina, P. O. Ivanov, V. G. Abdula, R. M Abzalov tarafından savunuldu. Bölümün genişlemesi, 1968 yılında, petrol ürünlerine dayalı belirli özelliklere sahip karbon malzemelerinin üretimi ve petrol rafinerilerinden atık sülfürik asidin kullanımına ilişkin araştırmalara dahil olmasıyla gerçekleşti. Bu konuyla ilgili 7 aday tez savunuldu. Hem laboratuvar atölyesini hem de bölümdeki tüm raporlamayı kusursuz bir şekilde yürüten A. A. Senko'nun çalışmalarına dikkat edilmelidir. Şu anda bu çalışma mühendis G. G. Medvedeva tarafından sürdürülmektedir. Kendisi sadece günümüzde kolay olmayan laboratuvar çalıştaylarının tam olarak sağlanmasından değil, aynı zamanda departman işlerinin yönetiminden ve halka açık etkinliklerin organizasyonundan da sorumludur.

Organik Kimya Bölümü'nün de geçmişi 1947 yılına dayanmaktadır. Yıllar geçtikçe bölüm yeniden organize edilerek diğer bölümlerle birleştirildi.

İÇİNDE 1974 yıl, bölüm yeniden bağımsız hale geldi ve başkanlığını Profesör R. B. Valitov yaptı. Onun liderliğinde petrokimya ve ağır organik sentez alanında bilimsel araştırmalar gelişmeye başladı. Doçentler M. G. Safarov, D. M. Torikov, R. V. Faskhutdinova, A. I. Naimushin, bölümün metodolojik çalışmasına büyük katkı sağladı. Doçent M. G. Safarov, Akademisyen V. I. Isagulyants ile birlikte 1,3-dioksanlardan oluşan bir kimya okulu kurdu. Bu alandaki aday ve doktora tezleri D. L. Rakhmankulov, U. B. Imashevm, E. A. Kantor, S. S. Zlotsky ve diğerleri tarafından savunuldu.

Üniversitenin en eski laboratuvar asistanlarından biri olan T.V. Grigorieva, laboratuvar başkanları R.T. Zinatullin ve I.N. Gilmanov, kıdemli laboratuvar asistanları E.E. Sukhareva'nın organik kimya laboratuvar çalıştayının organizasyonuna büyük katkısını not etmemek imkansızdır. uzun yıllardır bölümde çalışmakta olan R. A. Bikimbetov, G. D. Vorshev.

İÇİNDE 1981 Her yıl bir profesör bölüm başkanı seçilir Ural Bulatoviç İmashev. Fiziksel ve organik kimya bölümlerinin birleşmesinden sonra Profesör U. B. Imashev bölümün başkanlığını sürdürdü. Onun gelişiyle birlikte, ağır petrol ham maddelerinin işlenmesine yönelik gelecek vaat eden teknolojiler üzerindeki araştırma çalışmaları yoğunlaştı. Bu yönün geliştirilmesi ve genişletilmesi, sonuçları bir dalga alanındaki petrol kalıntılarını işlemek için yeni, benzersiz teknolojiler olan bir bilimsel okulun yaratılmasına yol açtı. Karbon sülfit ve disülfürden başlayarak çeşitli fonksiyonel olarak ikame edilmiş mono-, di- ve tritiyokarbonatların sentezi için orijinal yöntemler geliştirilmiştir. Çeşitli kimyasal reaksiyonlardaki özellikleri ve dönüşümleri incelenmiştir. Organosülfür konularında, bölümde 3 adayın tezi savunuldu (R. F. Mavlyutov, N. T. Chanyshev, R. F. Ishteev). Doçent S.M. bölümün bilimsel potansiyeline belli bir katkı sağladı. Kalaşnikof, asetallerin ve kükürt oksit türevlerinin sentezi üzerine. Profesör E.M. Kuramshin'in gelişiyle bölümün bilimsel potansiyeli gözle görülür şekilde arttı. Asetallerin kimyası çalışmasında kinetik bir yön geliştirdi. Profesör E.M. Kuramshin, organik bileşiklerin oksidatif dönüşümlerinin yanı sıra kimyasal reaksiyonların kinetiği ve mekanizması alanında çalışmalara öncülük etmektedir. Son beş yılda bölüm 1.800 bin ruble değerinde araştırmayı tamamladı.

Doçent A.I. Naimushin tarafından geliştirilen akış şemaları, organik kimya laboratuvar sınıflarına tanıtıldı. Profesör E.M. Kuramshin, bir akış şeması kullanarak fiziksel ve koloidal kimyada laboratuvar çalışması için metodolojik öneriler ve fiziksel kimyada bir problem kitabı yayınladı. Profesör E.M. Kurashin, doçentler O.P. Zhurkin ve O.B. Zvorygina, fiziksel kimya üzerine bir laboratuvar çalıştayı yayınladı.

Profesör U. B. Imashev “Organik Kimyanın Temelleri” ders kitabını yayınladı - M.: Kolos, 2011. - S.-464 s. ve "Organik kimya laboratuvar çalıştayı" - Ufa: USNTU, 2009.-236p. Doçent S. M. Kalashnikov, Doçent N. T. Chanyshev ve Profesör E. A. Udalova ile birlikte “Organik kimyada problemler ve alıştırmalar” adlı bir ders kitabı yayınladı Ufa: USNTU, 2011. - 236 s. Doçent O.P. Zhurkin ile birlikte “Organik bileşiklerin analizinde fiziksel ve kimyasal yöntemler” ders kitabı yayınlandı Ufa: - USNTU, 2009. - 211 s.

Geçtiğimiz beş yılda, bölümün öğretmenleri ve personeli 12 ders kitabı ve öğretim yardımcı kitabı, 7 monografi, 135 bilimsel makale yayınladı, 19 patent ve 3 hibe aldı.