После того как была доказана состоятельность теории строения, все свои старания химики направили на составление структурных формул органических соединений. Чрезвычайно важное значение не только для теории, но и для прикладной химии и физиологии имели опыты знаменитого французского учёного Пьера Бертло, показавшего, как можно получить из углерода большое множество органических соединений. Однако с экономической точки зрения значение его опытов сводилось к нулю. Ведь чтобы получить предложенным им методом хотя бы один грамм масла или сахара, других, более ценных веществ пришлось бы затратить в разы больше. И тогда себестоимость полученных таким путём продуктов поднялась бы до цены золота.
Тем не менее в некоторых отраслях промышленности химический синтез всё-таки нашёл широкое практическое применение. Например, в фармацевтической — для изготовления лекарств. Особенно же большое влияние химический синтез оказал на технику производства красящих веществ, которые прежде получали из растений.
Так, примерно в 1860 году немецкий химик Адольф Байер, ученик Роберта Бунзена, впервые получил искусственный ализарин, который применялся для производства красящих веществ. Среди ассистентов, работавших вместе с ним над ализарином, был, кстати, Эмиль Фишер, открывший впоследствии новое направление — физиологическую химию. За выдающиеся заслуги в этой области Фишер в 1902 году получил Нобелевскую премию.
Адольф Байер
Эмиль Фишер
Общее утверждение, что все процессы в организме человека — это химические реакции и их можно провести в пробирках, высказывалось давно. Но опытного подтверждения этим идеям пока не было. Также высказывались предположения, что методами чистой химии можно решить вопросы жизни и смерти.
Огромное значение исследований Эмиля Фишера и его учеников заключается в том, что они положили начало изучению важнейших классов веществ, играющих первостепенную роль в жизни организмов. Первые из этих исследований касались видового разнообразия сахаров. Получив все виды естественных и искусственных сахаров, Фишер принялся за исследование белковых тел — «кирпичиков», из которых построена живая клетка.
К развитию физиологической химии приложил руку и польский учёный Маркелло Ненцкий. Под руководством Байера он ознакомился с методами органической химии, а затем исследовал химические явления, которые непрерывно протекают в животных организмах и, в совокупности, составляют то, что мы называем жизнью.
В 1890 году в Санкт-Петербурге был открыт Императорский Институт экспериментальной медицины, куда Ненцкий был приглашён в качестве руководителя химического отделения. Институт был оборудован по последнему слову техники, что, собственно, и побудило Ненцкого принять приглашение, променяв Швейцарию на Петербург.
Императорский Институт экспериментальной медицины
Императорский Институт экспериментальной медицины
Однако чтобы описать достижения органической химии и уровень её влияния на все сферы жизни людей, не хватит не то что этой главы — не хватит даже десятитомника.
Главное, просто понять и запомнить: с тех пор как органическая химия вошла в нашу жизнь, её позиции с каждым днём всё больше укрепляются.
Глава 9. Физика или химия
Наряду с органической химией в конце XIX века развилась и выдвинулась на первый план новая отрасль химии — химия физическая. Физика, двигаясь семимильными шагами, открыв явления магнетизма, законы сохранения массы и энергии и т. д., стала оказывать на химию всё большее влияние. Учёные всё чаще стали применять результаты физики к решению химических вопросов, и в итоге это послужило развитию нового направления в химии.
Так, например, немецкий химик Роберт Бунзен утверждал: «Химик, который не есть также физик, есть ничто». А первым толчком к развитию физической химии послужили открытия голландского химика Вант-Гоффа.
Якоб Генрих Вант-Гофф (1852–1911) родился в Роттердаме. После школы поступил в политехнический институт и за два года освоил там трёхлетний курс, получив степень технолога. Затем он стал слушателем Лейденского университета, но там возникли трудности: Якоб со школы не любил и не знал ни латинского, ни греческого языков. Поэтому он перешёл в Боннский университет, где в то время развивал свои гениальные идеи уже известный нам Ф. Кекуле. Вдохновившись работами профессора, Вант — Гофф разработал ставшую знаменитой теорию о пространственном расположении атомов.
Якоб Генрих Вант-Гофф
И действительно, до этого мы видели, что сначала учёные пришли к мысли, что все вещества состоят из атомов. Затем они начали размышлять о том, что эти атомы должны быть как — то связаны друг с другом и что порядок связи между этими атомами должен влиять на свойства вещества. Когда все их предположения были подтверждены экспериментально, настала пора задуматься о расположении атомов в пространстве. Уже было известно, что атомы в молекуле, состоящей из трёх и более атомов, могут располагаться не в одной плоскости, а в разных.
Здесь, чтобы тебе было понятнее, поясню на игровом примере. Помнишь игру про Марио на старой игровой приставке «Денди»? Это была 2D-игра, в ней все фигуры и элементы выглядели плоскими. А теперь вспомни любую современную SD-игру. В ней все элементы — объёмные! Разница, как говорится, налицо.
Так и с молекулами. Если они состоят более чем из трёх атомов, то эти атомы могут лежать в разных плоскостях. Но тут придётся вспомнить одно из правил геометрии, точнее стереометрии: через три любые точки можно провести только одну плоскость. Когда же появляется четвёртая точка, то она может как лежать в этой же плоско сти, так и не лежать в ней. На самом деле я давно заметил: химия легко даётся тем, у кого хорошо развито пространственное мышление, и тем, кто дружит с геометрией. Если же кто — то плохо понимает химию, то у него, скорее всего, проблемы именно с пространственным мышлением. Либо он просто лентяй.
Однако вернёмся к химикам XIX века. Итак, Кекуле привнёс в химию «структурную теорию», а Вант-Гофф — углубил её. На основе своей теории он провёл ряд опытов и открыл оптические изомеры, у которых структура молекул одинакова, но при этом одна молекула является зеркальным отражением другой молекулы.
В качестве простейшего примера чаще всего брали метан (CH4). Размышляя о том, как выглядит данная молекула, приходили к выводу, что атом углерода окружён со всех сторон атомами водорода. И если представить эту молекулу в виде геометрической фигуры, то она будет выглядеть как тетраэдр, в вершинах которого находятся атомы водорода, а в центре — атом углерода.
Схема молекулы метана (СН4)
Пользуясь «структурной теорией», химики К. Бишоф и П. Вальден опубликовали в 1894 году обширный том, посвящённый стереохимии, то есть науке о расположении атомов в пространстве. Казалось бы, эта теория должна была сразу же принести Вант-Гоффу всеобщее одобрение, однако вышло наоборот. Так, профессор химии Лейпцигского университета и редактор журнала «Journal fur pracktische Chemie» высказал мнение, что Вант-Гофф создал бессмысленную теорию, которая является отбросом человеческого ума, а сам он шарлатан и летает в облаках.
Но Вант-Гоффа это, конечно же, не остановило. С присущей ему увлечённостью он взялся за изучение вопроса, касающегося скорости химических реакций. Ясно, что химические реакции бывают быстрыми и медленными. Быстрые чаще всего заканчиваются взрывом, а медленные (коррозия металла, например) могут тянуться годами.
«Скорость реакции зависит от концентрации взаимодействующих тел», — первыми этот закон открыли шведские исследователи К. Гульдберг и П. Вааге. Вант-Гофф, ничего не зная об их исследованиях, вывел тот же закон самостоятельно.
Через год Вант-Гофф был поглощён изучением вопроса уже из другой области физической химии, а именно — изучением растворов. Этот раздел науки был совершенно заброшен с того времени, как химия занялась исключительно изучением химических соединений. И вот, благодаря союзу физики с химией, исследователи вновь обратили внимание на основные вопросы, касающиеся теории растворов.
Первый шаг в этом направлении был сделан учёными-ботаниками. Они давно знали, что в растительных клетках существует высокое давление, доходящее порой до десятков атмосфер. Поначалу это считалось проявлением таинственных свойств живой клетки, но в 1877 году немецкий химик-ботаник Вильгельм Пфеффер расставил все точки над «i», построив из глины искусственную клетку, которая имела те же свойства, что и живая. Выяснилось, что давление внутри клеток живых организмов связано с осмотическим давлением.
Вильгельм Пфеффер
Поначалу результаты исследований Пфеффера интересовали только ботаников, но когда о них узнал Вант-Гофф, он сразу понял, что в этих простых фактах скрывается зародыш общей теории растворов.
Вскоре Вант-Гофф пришёл к выводу, что состояние тел в растворе сходно с состоянием тех же тел в газообразном виде. С помощью этой теории удалось не только объяснить свойства многих растворов, но и открыть такие свойства, как упругость пара, температура кипения, температура замерзания и др. Научные заслуги Якоба Вант-Гоффа были в итоге вознаграждены присуждением ему Нобелевской премии.
Примерно в то же самое время на сцену науки вышел молодой шведский физико-химик Сванте Аррениус (1859–1927). В 1885 году он опубликовал работу об электропроводности растворов солей, кислот и оснований. Все эти вещества, способные проводить электрический ток, с лёгкой руки Фарадея получили название «электролиты».
Сванте Аррениус
В 1887 году Аррениус опубликовал очередную работу — «О диссоциации растворённых в воде тел». В ней он допустил, что соли и другие вещества разлагаются в водном растворе на составные части. Эти части, то есть частицы (которые тот же Фарадей ещё раньше назвал ионами) переносят электрический заряд. Например, обычная поваренная соль, которой мы почти ежедневно пользуемся при приготовлении пищи, разлагается в воде на положительный ион натрия и отрицательный ион хлора: