Chemia w XX wieku.pdf

Chemia w XX wieku

W większości plebiscytów na największe osiągnięcia człowieka w XX stuleciu rzadko

kiedy dostrzega się dzieła chemików. Synteza nawozów sztucznych wydaje się mało

wzniosła w porównaniu z teorią kwantów, a kataliza przegrywa w społecznej recepcji z

wynikami biologii molekularnej. Paradoksalnie jednak powszechny brak zrozumienia

osiągnięć chemików w XX w. uznać powinno się za dowód wielkiej skuteczności tej

dyscypliny. To właśnie ona zmieniła w dopiero co zakończonym stuleciu każdy niemal

aspekt naszego funkcjonowania. Po prostu, życie bez chemii stało się niemożliwe, a jeśli

ktokolwiek to neguje, powinien za radą H.W. Kroto, brytyjskiego laureata Nagrody Nobla,

odkrywcy fulerenów — nowej postaci węgla, raz w tygodniu wchodzić na pół dnia na

drzewo rezygnując całkowicie z produktów chemii. Powodzenia.

Tworzenie fundamentów

Jeśli przeniesiemy się o nieco ponad sto lat wstecz, dostrzeżemy dziwną sytuację w

nauce. Fizycy są sfrustrowani — wydaje im się, że wiedzą wszystko, niczego więcej

odkryć się już nie da. Zupełnie inaczej przedstawia się sytuacja chemików, którzy

zaczynają doceniać skuteczność matematycznych metod opisu świata molekularnego.

J.H. van't Hoff, S.A. Arrhenius, W.F.W. Ostwald tworzą podstawy chemii fizycznej —

udaje im się opisać językiem formalizmu matematycznego tak ważne dla chemików

zjawiska, jak przebieg reakcji chemicznych, równowaga reagujących ze sobą substancji,

zachowanie substancji w roztworach.

Matematyka definitywnie wyrywa chemię z obszaru nauk ezoterycznych, z dziedzictwa

alchemii, gdzie nieprzenikniona wiedza o transformacji materii dostępna była jedynie

wtajemniczonym. Wspomniani uczeni udowodnili, że chemia jest nauką nie mniej ścisłą

niż fizyka. Trudno więc się dziwić, że pierwsze Nagrody Nobla w dziedzinie chemii

przypadły właśnie twórcom chemii fizycznej.

Wspomniana frustracja fizyków skończyła się dokładnie w 1900, kiedy za sprawą M.K.E.

Plancka narodziła się teoria kwantów. Fizyka z dziedziny martwej przekształciła się w

niezwykle płodne pole badań, a zmiany związane z powstaniem mechaniki kwantowej

nie mogły pozostać bez wpływu na stan rzeczy w chemii. Kluczowym bowiem dla

chemików zagadnieniem jest problem wiązania chemicznego. Jak powstaje? Co

decyduje o jego trwałości? Jakie muszą być spełnione warunki, by dwa atomy lub

cząsteczki zechciały utworzyć nowy byt?

Nowa materia

Koniec XIX w. to z jednej strony wielkie prace fizykochemików, wprowadzających do

chemii precyzyjny język matematyki, z drugiej zaś niezwykle ważne, prekursorskie prace

wielkich syntetyków. W 1890 niemiecki chemik E.H. Fischer zsyntetyzował cząsteczkę

cukru d–glukozy. Wagę tego osiągnięcia lepiej można zrozumieć, jeśli weźmie się pod

uwagę, że E.H. Fischer nie dysponował żadną z opisanych powyżej metod

analitycznych. Sukces tej skomplikowanej (nawet w dzisiejszych czasach) syntezy był

efektem połączenia wiedzy, geniuszu i eksperymentalnej odwagi. W efekcie powstała

więcej, niż tylko cząsteczka chemiczna — została wskazana droga rozwoju chemii w XX

Chemicy podejmowali kolejne próby tworzenia coraz bardziej skomplikowanych

cząsteczek, w 1917 R. Robinson otrzymuje nową metodą tropinon. Opracowana

wcześniej przez Niemca R. Wilstättera synteza wymagała 19 etapów. R. Robinson

pokazał w niezwykle elegancki sposób, że cząsteczki można projektować w podobny

sposób, jak inżynierowie projektują mosty i budynki, dochodząc tym samym do

optymalnej drogi postępowania. Jednocześnie zaczął rozwijać się prawdziwy przemysł

chemiczny — jednym z jego pionierów był A. von Baeyer, który zasłynął z badań nad

barwnikami syntetycznymi. Fala rewolucyjnych odkryć w pierwszych dekadach stulecia

zaczęła wzbierać. P. Ehrlich wynalazł salwarsan, skuteczny lek przeciwko syfilisowi

(przypomnijmy, że choroba ta była sto lat temu dotkliwsza i bardziej rozpowszechniona,

niż AIDS dzisiaj). Narodziła się chemioterapia — podstawa nowoczesnej medycyny.

Kolejnym etapem wkraczania chemii do leczenia było wynalezienie przez G. Domagka

sulfonamidów, leków przeciwbakteryjnych, które w okresie międzywojennym, zanim

pojawiły się antybiotyki uratowały niezliczone rzesze ludzi przed śmiercią na skutek

banalnych, z dzisiejszego punktu widzenia, infekcji.

Chemioterapię uznać należałoby jednak za wątpliwą przysługę dla ludzkości, gdyby nie

prace niemieckiego chemika F. Habera. Opracował on metodę syntezy amoniaku z azotu

atmosferycznego. Metoda ta udoskonalona przez C. Boscha stała się podstawą rozwoju

przemysłu nawozów sztucznych, który wywołał rewolucję w rolnictwie. Rosła, za sprawą

zmniejszającej się umieralności (głównie w efekcie zastosowania nowych leków i

nowoczesnych, chemicznych środków higieny) liczba ludzi na Ziemi. Ludzkość nie

musiała jednak obawiać się spełnienia proroctwa Malthusa — znacznie szybciej bowiem

zaczęła wzrastać produkcja rolna. W efekcie, na skutek nadprodukcji żywności kraje

zamożne mogły sobie pozwolić pod koniec ubiegłego stulecia na powrót do „naturalnych”

metod rolnych, a nawet do zmniejszania powierzchni terenów uprawnych. Głód jest dziś

wyłącznie problemem politycznym.

Podglądanie reakcji chemicznych

Jak już wspomniałam wcześniej, reakcje są w chemii kluczowym problemem. Nic więc

dziwnego, że od dawna uczeni pragnęli dokładniej przyjrzeć się ich przebiegowi. W 1949

R. Norrish i G. Porter opracowali metodę fotolizy błyskowej. By nie wchodzić w

szczegóły, metodę tę można opisać przez analogię do fotografii. Jeśli chcemy uzyskać

wyraźne, ostre zdjęcie poruszającego się obiektu, musimy ustawić aparat na jak

najkrótszy czas otwarcia migawki. Jadący szybko samochód sfotografowany z migawką

1/30 s pojawi się na zdjęciu jako rozmyta plama. Migawka 1/2000 zapewni poprawny

obraz.

Podobnie jest z reakcjami chemicznymi. Przebiegają one z różną szybkością, jeśli jednak

uda się skonstruować „aparat fotograficzny” o szybkiej migawce, to będzie można zrobić

zdjęcie trwającej reakcji. Metoda fotolizy błyskowej pozwoliła wyjaśnić wiele ciekawych

problemów, jednak „migawka” o czasie ekspozycji rzędu milionowej części sekundy była

zbyt powolna. Kolejne metody, których rozwój nabrał wielkiego tempa po wynalazieniu

akcji laserowej i wprowadzeniu przez fizyków kolejnych, coraz doskonalszych urządzeń

umożliwiły powstanie femtochemii. W metodzie opracowanej przez Egipcjanina A.

Zewaila przebieg reakcji można badać z dokładnością do femtosekundy (a więc 10–15

sekundy). Za swe rezultaty A. Zewail otrzymał chemicznego Nobla w 1999. Większe

dokładności nie są już potrzebne. Rozpoczęte jeszcze pod koniec XIX w. przez J.H. van't

Hoffa i S.A. Arrheniusa teoretyczne rozważania na temat przebiegu reakcji chemicznych

u schyłku XX stulecia zyskały narzędzie do definitywnego rozstrzygania problemów na

drodze eksperymentu. Wielka zagadka materii przestała istnieć.

Ubiegłe stulecie chemicy zakończyli ze świadomością, że wiedzą już niemal wszystko o

materii na poziomie cząsteczkowym i atomowym. Wiedzą, jak wyglądają molekuły i mają

skuteczne narzędzia, by poznawać nowe. Wiedzą, jak cząsteczki ze sobą reagują i

dysponują narzędziami, by wyjaśniać ewentualne zagadki. Dalszy rozwój metod

analitycznych pójdzie w kierunku zwiększania czułości i dokładności metod. Chemicy

mogą zająć się spełnianiem marzeń dawnych alchemików — tworzeniem materii o

najbardziej fascynujących właściwościach.

PODSUMOWANIE

Mimo niewątpliwego dorobku chemia nie cieszy na początku XXI w. dobrą opinią. Po

okresie społecznej euforii (zwłaszcza w latach sześćdziesiątych) publiczna aprobata dla

pracy chemików gwałtownie zmalała. Tysiące dzieci cierpiących na wady rozwojowe na

skutek stosowania przez matki w ciąży thalidomidu, tysiące zabitych podczas awarii

elektrowni w Bhopalu, dziura ozonowa i skażenie środowiska są argumentami przeciwko

chemii. Jako antidotum wskazuje się powrót do natury, odejście od produktów przemysłu

chemicznego. To jednak postulat zupełnie nierealny, możliwy do proponowania

wyłącznie przez pięknoduchów z cierpiących na przejedzenie krajów bogatego Zachodu.

Na wspomniane porażki chemii jedynym ratunkiem jest tylko dalszy rozwój chemii.

Nowoczesne metody syntezy są coraz bardziej „zielone”, do produkcji leków i tworzyw

sztucznych używa się coraz mniej szkodliwych substancji. Doskonalsze metody

projektowania cząsteczek chronią przed kosztownymi, zbędnymi poszukiwaniami. Z kolei

lepiej zaprojektowane cząsteczki — leku lub tworzywa sztucznego — są skuteczniejsze,

potrzeba więc ich mniej, by uzyskać właściwy efekt. Tym samym zmniejsza się

obciążenie dla środowiska naturalnego.

Chemię XX w. określa się mianem nauki centralnej, będącej łącznikiem między fizyką a

biologią. Granice między tymi dyscyplinami będą się coraz bardziej zacierać. Niemożliwa

jest nowoczesna biologia bez metod chemicznych; chemicy zaś ciągle szukają inspiracji

w świecie organizmów żywych. Wygląda na to, że w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat

nastąpi rozkwit syntezy chemicznej, jako głównego sposobu zaopatrywania

mieszkańców Ziemi w coraz doskonalsze materiały i substancje. O ile wyzwaniem dla

chemików na początku XX stulecia było produkowanie wielkich ilości stosunkowo

prostych produktów: nawozów sztucznych, polietylenu, barwników, o tyle dziś jest

tworzenie nowych form materii, spełniających najbardziej nawet wydumane potrzeby

człowieka.

LAUREACI NAGRODY NOBLA W DZIEDZINIE CHEMII,KTÓRYCH BADANIA

PRZYCZYNIŁY SIĘ DO ZGŁĘBIENIA TAJEMNIC BUDOWY ATOMU,ODKRYCI

ANOWYCH PIERWIASTKÓW.

1904 - Sir WILLIAM RAMSAY ( 1852- 1916) Wielka Brytania, London University,

-odkrycie gazow szlachetnych w powietrzu i określenie ich miejsca w układzie

okresowym

1908 - Lord ERNEST RUTHERFORD (1871-1937) Wielka Brytania, Victoria University,

Manchester,

- za jego wkład w badania z zakresu chemii substancji promieniotwórczych

1911 - MARIA SKŁODOWSKA- CURIE ( 1867-1934) Francja, Sorbonne University,

Paryż,

-odkrycie pierwiastków radu i polonu, wyizolowanie radu oraz badanie charakteru

zwiazków tego pierwiastka

1921 - SODDY, FREDERICK ( 1877-1956) Wielka Brytania, Oxford University

- za poszerzenie wiedzy na temat substancji promieniotwórczych i jego badania natury

izotopów

1922 - ASTON, FRANCIS WILLIAM ( 1877-1945) Wielka Brytania, Cambridge University

-za odkrycia przy pomocy spektrografu masowego izotopów dużej liczby pierwiastków

niepromieniotwórczych

1934 - UREY, HAROLD CLAYTON ( 1893-1981) U.S.A., Columbia University, New York,

- za odkrycie deuteru

1935 - JOLIOT , FREDERIC ( 1900- 1958) Francja Instytut Radowy w Paryżu

JOLIOT-CURIE, IRENE ( 1897-1956) Francja Instytut Radowy w Paryżu

- za syntezę nowych pierwiastków promieniotwórczych

1943 - DE HEVESY, GEORGE, ( 1885-1966) Węgry, Stockholm University, Szwecja

- za prace z wykorzystaniem izotopów jako sladów w badaniu procesów chemicznych

1944 - HAHN, OTTO ( 1879-1968) Niemcy, Kaiser-Wilhelm-Institut, (obecnie: Max-

Planck Institut) für Chemie, Berlin-Dahlem

- za odkrycie rozszczepienia ciężkich jąder

1951 - McMILLAN, EDWIN MATTISON ( 1907 - 1991) U.S.A., University of California,

Berkeley, CA

SEABORG, GLENN THEODORE ( 1912- ) U.S.A., University of California, Berkeley, CA

- za ich odkrycia w chemii pierwiastków transuranowych

1960 - LIBBY, WILLARD FRANK ( 1908- 1980) U.S.A., University of California, Los

Angeles, CA –- za jego metodę wykorzystania węgla - 14 do określenia wieku w

archeologii, geologii, geofizyce i innych dziedzinach nauki

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: