Химия без границ

Лекторий «Научные Weekend`ы», совместный проект Иркутского государственного университета и клуба молодых ученых «Альянс», продолжился лекцией о Нобелевских премиях по химии. Впервые в истории проекта лекцию прочли сразу два автора – Алексей Вильмс, кандидат химических наук, декан химического факультета ИГУ, и Андрей Иванов, доктор химических наук, директор Института химии имени А.Е. Фаворского Сибирского отделения РАН.

Физическая химия

Первым лауреатом Нобелевской премии в 1901 году стал Якоб Хенрик Вант-Гофф. Стоит сказать, что сам основатель премии Альфред Нобель по профессии был химиком, а химия стала второй наукой, упомянутой в его завещании после физики, поэтому получение этой премии считается особенно престижным. Вант-Гофф стал основателем стереохимии и химической кинетики, а премию получил за «открытия законов химической динамики и осмотического давления в растворах». Речь идет о процессах проникновения молекул растворителя (воды) через полупроницаемую мембрану в живых клетках – за счет этого процесса поддерживается внутреннее давление в клетках, а ученые смогли рассчитать несколько важных коэффициентов, упростивших химический анализ многих новых веществ. Установлено, например, что изменение температуры кипения и температуры замерзания раствора зависит только от свойств растворенного вещества. На практике многие из нас сталкиваются с этим фактом практически каждый день: именно это правило позволило разработать химические соединения, которые работают охлаждающей жидкостью в двигателях автомобилей и при этом не замерзают при температуре до минус 70 градусов по Цельсию.

Шведский физико-химик Сванте Август Аррениус получил премию в 1903 году «как факт признания особого значения его теории электролитической диссоциации». Аррениус открыл и описал процесс образования ионов из твердого вещества в растворителе: молекулы растворителя окружают молекулу вещества и «растаскивают» ее на части, постепенно заполняя весь доступный объем в равной концентрации. Схожие процессы происходят и при плавлении твердых веществ, а в качестве разрушителя кристаллической решетки выступает тепло. Нобелевский комитет долго обсуждал вопрос о том, в какой именно области дать премию – Аррениус мог стать и лауреатом «нобелевки» по физике, но в итоге победили сторонники мнения, согласно которому его заслуги перед химией выше.

Премию 1908 года за исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ получил Эрнест Резерфорд, который своими открытиями опроверг исследования лауреата Нобелевской премии по физике сэра Джозефа Джона Томсона. Изучая процесс прохождения электричества через газы, Томсон получил результаты, которые привели его к созданию первой модели атома: в ней атом представлял собой равномерную массу с положительным зарядом, а электроны с отрицательным зарядом были распределены по ней как изюм в булочке – за это сходство модель получила название «пудинг Томсона». Резерфорд занимался тем, что облучал радиоактивными веществами образцы металлов и установил не только размеры атома, но и его структуру: ядро с положительным зарядом, его относительно малые (по сравнению с размерами самого атома) размеры и большую (по сравнению с массой альфа-частиц) массу. Так называемая планетарная модель атома, которую предложил Резерфорд, перевернула представления ученых и стала основой для дальнейших работ ученых.

Первой женщиной, удостоенной Нобелевской премии по химии, стала Мария Склодовская-Кюри, которая получила ее в 1911 году. Правда, еще в 1903 году она была удостоена «нобелевку» по физике и, таким образом, теперь стала одним из первых дважды лауреатов. Если знать, что награды были вручены за изучение радиоактивности и, в частности, за открытие сразу двух химических элементов (радия и полония), то высокая оценка будет понятна. Семья Марии Кюри уникальна: лауреатом Нобелевской премии по физике был ее муж Пьер Кюри (1903 год), а впоследствии дочь Ирен Жолио-Кюри вместе с зятем Фредериком Жолио-Кюри (премия по химии 1935 года). Итого в семье на четверых было пять Нобелевских премий, но Мария и Ирэн умерли от тяжелых болезней, связанных с радиацией.

Премию 1913 года получил швейцарец Альфред Вернер, создатель координационной теории, из которой позднее выросла химия комплексных соединений. Вернер и сотрудники его лаборатории смогли проанализировать порядок формирования новых веществ путем присоединения к иону или атому (комплексообразователю) нейтральных молекул или других ионов (лигандов), ввести понятия валентности и всего за несколько лет выполнить синтез десятков новых соединений. Теория Вернера остается одной из немногих, которые за прошедшие десятилетия не были опровергнуты или хотя бы значительно дополнены, она и по сей день находит широкое применение в различных областях химии.

У истоков нового оружия

Во время Первой мировой войны в 1916 и 1917 годах Нобелевскую премию не присуждали, а вот премию за 1918 год с опозданием, но все-таки вручили в 1919 году химику из Германии Фрицу Габеру «за синтез аммиака». Современному человеку сложно понять, что тут такого особенного, однако процесс Боша-Габера (Бош – соавтор разработки) по получению азотных соединений из атмосферного воздуха в присутствии катализаторов сделал всю мировую промышленность независимой от природных месторождений селитры. Все страны мира получили возможность производить азотные удобрения, что, как считается, устранило проблему истощения почвы и голода в индустриальных странах – в 2010 году, например, продукты, выращенные с использованием азотных удобрений, кормили ровно половину населения Земли. Правда, попутно стало возможно и массовое производство взрывчатых вещества, а Габер стал и одним из «отцов» химического оружия, но тут процесс было не остановить – в группе Габера в Германии работали четыре Нобелевских лауреата разных лет, во Франции аналогичную группу возглавлял еще один лауреат премии Виктор Гриньяр.

Не менее фундаментальный прорыв совершил лауреат 1934 года Гарольд Клейтон Юри – американский физик и физико-химик. Он занимался изучением изотопов различных веществ и открыл дейтерий – тяжелый водород. Заслуга Юри в том, что он не только подтвердил в ходе экспериментов существование различных изотопов, но и разработал технологию их получения, применимую для различных веществ. В итоге можно сказать, что без работ Юри не началось бы ни производство тяжелой воды, ни обогащение урана, ни создание атомной энергетики. Ну и атомного оружия, что уж поделать.

Единственным лауреатом Нобелевской премии по химии в СССР (да и вообще в нашей стране) стал в 1956 году Николай Николаевич Семенов «за исследования в области механизма химических реакций». Если говорить коротко, то Семенов исследовал известные до него процессы химических реакций, которые провоцировались иной раз единственным фотоном света, но в них участвовали сотни тысяч молекул исходных веществ. Исследования Семенова нашли применение в работах по химии горения и взрыва, процессов полимеризации. Интересно, что открытие разветвленных цепных реакций он сделал в начале 1930-х годов, а премию получил четверть века спустя и совместно британцем Сирилом Хиншелвудом. Современные российские ученые отмечают, что Семенов за всю долгую научную жизнь (более 60 лет) опубликовал всего 50 работ, причем большую часть в заграничных изданиях. Это не помешало ему стать депутатом Верховного Совета СССР, кандидатом в члены ЦК КПСС, возглавлять НИИ и редакции журналов.

Химия жизни

Органическую химию иногда называют «химией одного элемента» – то есть углерода и всего, что с ним связано. В «Нобелевской истории» органической химии выделяют три этапа, и первым стала эпоха создания научного инструментария или исследовательского аппарата. В 1905 году Нобелевскую премию получил Адольф фон Байер, основатель той самой фармацевтической корпорации «Байер», лекарства которой мы видим в аптеках и сегодня. В решении Нобелевского комитета сказано: награда вручается «за заслуги в развитии органической химии и химической промышленности благодаря работам по органическим красителям и гидроароматическим соединениям». В 1910 году с очень похожей формулировкой Нобелевку получил Отто Валлах – «в знак признаний его достижений в области развития органической химии и химической промышленности, а также за то, что он первым осуществил работу в области алициклических соединений». Обоих ученых объединяет одно свойство, обеспечившее Германии лидерство в химии до Второй мировой войны: синтезировав или открыв новое вещество, немецкие ученые не останавливались на описании, а исследовали до тех пор, пока не находили его полезные свойства.

Лауреат 1912 года Виктор Гриньяр разделил ее с коллегой Полем Сабатье. При этом Сабатье был оценен за «метод гидрогенизации органических соединений в присутствии мелкодисперсных металлов», который резко стимулировал развитие органической химии, а Гриньяр – за «реакцию Гриньяра», которая стала основой для синтеза многих соединений, основанных на связи «углерод –углерод». По оценке лекторов, Гриньяр может считаться отцом всей современной нефтехимии, а следовательно, и тем человеком, который заложил основы финансового благополучия Российской Федерации. Соотечественники ценили его гораздо меньше: после начала Первой мировой войны он (нобелевский лауреат!) был призван в армию и несколько месяцев охранял какие-то склады. С другой стороны, не меньшим был вклад российского химика Владимира Ипатьева, который эмигрировал из СССР и работал в США, но, получив более 250 патентов на изобретения, в каждом из них делал пометку: «Для Советского Союза бесплатно».

В 1931 году премию получили Карл Бош и Фридрих Бергиус – «За заслуги по введению и развитию методов высокого давления в химии, что представляет собой эпохальное событие в области химической технологии». Речь идет о все тех же азотных соединениях, которые используются для производства удобрений (и многих других продуктов), для которых Бош и Бергиус разработали и химические процессы, и многочисленные установки, так называемые автоклавы Бергиуса.

Очередной переворот в науке совершили лауреаты 1952 года Арчер Джон Портер Мартин и Ричард Лоуренс Миллингтон Синг, разработавшие метод распределительной хромотографии. Это позволило ученым анализировать состав веществ на уровне атомов, причем Мартин и Синг смогли анализировать смеси веществ и высчитывать количество атомов в смеси.

Продолжать рассказ о химии и нобелевских лауреатах можно было бы практически бесконечно: неорганическая химия знает около двух миллионов веществ и соединений, органическая ведет счет на десятки миллионов. Ученых, которые внесли заметный вклад в исследования и разработку методов конструирования новых веществ, очень много, и было бы неправильно сосредоточиться на одних именах, забыв другие.

Записал Борис Самойлов, «Байкальские вести»