Чтение онлайн

Ирвинг Ленгмюр предложил способ удаления воды из стеклянных колб. Однако самый важный итог этих исследований состоял в том, что ученый очень заинтересовался химическими явлениями, происходящими на поверхности веществ, и Наряду с практической работой занялся теоретическими исследованиями, которые в итоге привели к интересным открытиям.

Некоторые процессы, происходящие на поверхности твердых тел и жидкостей, были известны давно. В частности, было исследовано поверхностное натяжение жидкостей; его объяснили взаимодействием молекул. Американский ученый Джозайя Уиллард Гиббс разработал на этой основе теорию адсорбции (поглощения вещества из газовой или жидкой среды поверхностным слоем твердого тела или жидкости). Ленгмюр разработал совершенно новую теорию в области химии поверхностных явлений. Он связал эти явления с ненасыщенными валентностями атомов. Когда атом находится внутри вещества, он со всех сторон окружен другими атомами. На поверхности же он связан только с атомами, лежащими внутри, а над ним находится свободное пространство. В результате часть валентностей атома остается незаполненной, пока не адсорбируется какая-нибудь молекула. Насколько значительны эти силы притяжения, говорит хотя бы такой факт: чтобы удалить молекулы воды, прилипшие к внутренней поверхности колбы лампы накаливания, колбу приходилось длительное время нагревать при высокой температуре.

Теория Ленгмюра, объяснявшая адсорбцию как проявление ненасыщенных валентных связей, явилось крупным достижением. За ее создание Ирвинг Ленгмюр был удостоен в 1932 г. Нобелевской премии по химии. Выводы этого ученого, касающиеся химии поверхностных явлений, были подтверждены такими мощными методами, как рентгеновская и электронная дифракция. Идеи Ленгмюра нашли применение в гетерогенном катализе, где в качестве катализатора обычно используется твердое вещество и реакции происходят на его поверхности, при этом оно играет роль адсорбента. Теория поверхностной адсорбции оказала благоприятное влияние и на развитие техники, позволив выяснить механизм действия смазки и флотационных процессов при обогащении руд.

На явлении адсорбции основан ряд экспериментальных методов в химии. В 1903 г. русский ученый Михаил Семенович Цвет, ботаник из Варшавского университета, использовал угольные фильтры и другие пористые вещества для разделения растительных пигментов. Он установил, что составные части смеси проходят через фильтр с различной скоростью и адсорбируются на разных его участках. Таким образом, зеленый растительный пигмент разделяется на различные виды хлорофилла и другие составляющие его соединения, образуя слои различной окраски. Этот метод, получивший название хроматографии, в 40-х годах стал широко использоваться в биохимии. По мнению большинства ученых, М.С. Цвет непременно получил бы Нобелевскую премию за это открытие, если бы не его преждевременная смерть в 1919 г.

Методы разделения молекул на основе их физико-химических свойств были в дальнейшем усовершенствованы шведским биохимиком Арне Тиселиусом, учеником Теодора Сведберга. Тиселиус распространил эти методы на бесцветные вещества, а также осуществил количественный анализ компонентов сложных растворов.

Вследствие своих больших размеров биомолекулы образуют растворы типа коллоидов. Тиселиус решил воспользоваться для их исследования методом электрофореза, который позволял разделить различные частицы в соответствии с их электрическим зарядом и размерами.

За свои разработки методов электрофоретического и адсорбционно-хроматографического анализа для исследования биополимеров Арне Тиселиус был удостоен в 1948 г. Нобелевской премии по химии. Четыре года спустя Нобелевская премия по химии была присуждена за дальнейшее усовершенствование биохимических методов анализа. На сей раз лауреатами стали Арчер Джон Портер Мартин и Ричард Лоренс Миллингтон Синг, награжденные за создание метода распределительной хроматографии, а главное — за теорию хроматографических процессов.

Принцип хроматографии довольно прост. Если капля какого-либо раствора попадает на фильтровальную бумагу, образовавшееся пятно постепенно расползается; при этом некоторые из компонентов «отстают», так как их молекулы с большим трудом проходят через микрокапилляры фильтра. Чтобы исследуемые вещества распределялись в соответствии с их растворимостью и их можно было бы максимально точно идентифицировать, использовали соответствующие растворители.

Создание в 1939 г. метода распределительной хроматографии и особенно (в 1944 г.) метода хроматографии на бумаге оказалось исключительно ценным для современной биохимии. Оба метода помогли выяснить структуру многих сложных биомолекул.

Развитие экспериментальных методов, связанных с адсорбционным анализом, — это лишь часть химии поверхностных явлений. Кажется, природа отдает предпочтение реакциям в двумерном пространстве. Действительно, два атома значительно легче встречаются и вступают в реакцию на поверхности, нежели в объеме.

В 1926 г. ученые Шведской королевской академии наук продемонстрировали исключительное единомыслие. Нобелевские премии по физике и химии были присуждены ученым, занимавшимся исследованием коллоидов. Эти исследования, представлявшие для химии чисто теоретический интерес, способствовали вместе с тем выяснению атомно-молекулярного строения вещества и, кроме того, заложили основы метода, который сыграл важную роль в исследовании живой клетки.

Коллоиды давно известны в химии. Еще Парацельс (Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогейгейм) говорил об аурум потабиле (золотом напитке), который в сущности есть не что иное, как коллоидный раствор золота. В XVII—XVIII вв. исследователи наблюдали свертывание и коагуляцию белковых и других растворов. В XIX в. коллоидами занимались Берцелиус, Фарадей и другие крупные ученые. В 1861 г. английский химик Томас Грэм ввел термин «коллоид» (от греческого «кола», что значит «клей»). Он вообще делил вещества на две группы: кристаллоиды и коллоиды. Согласно представлениям Грэма, кристаллоиды образуют обычные растворы, а коллоиды — коллоидные растворы, которые характеризуются малой устойчивостью, склонностью к образованию гелей, низким осмотическим давлением и т. д. Эта теория оказалась ошибочной, и к правильным представлениям о коллоидах пришли лишь в конце прошлого века благодаря исследованиям ряда ученых, среди которых особо следует отметить австрийского ученого Рихарда Зигмонди (Жигмонди). Он первым выяснил гетерогенную природу коллоидных растворов.

В 1898 г. Зигмонди разработал новую методику получения коллоидных растворов, а в 1903 г. вместе с Генрихом Фридрихом Вильгельмом Зидентопфом на заводах фирмы Карла Цейса в Йене создал так называемый ультрамикроскоп. В этом оптическом приборе объекты освещаются со стороны и наблюдаются на темном поле. Благодаря специальному способу освещения увеличение микроскопа значительно возрастает, что дает возможность наблюдать мельчайшие частицы коллоидов. С помощью ультрамикроскопа Зигмонди провел обширные исследования коллоидных частиц и произвел их классификацию. Большое увеличение позволяло исследовать движение частиц и процессы их соединения, выпадения в осадок и т. д.

В начале нашего века Зигмонди и некоторые другие ученые использовали ультрамикроскоп для исследования броуновского движения. Это явление было открыто в 1827 г. шотландским ботаником Робертом Броуном, в честь которого и получило свое название. Наблюдая в микроскоп движение цветочной пыльцы, взвешенной в воде, Броун заметил, что частички пыльцы без какой-либо видимой причины движутся хаотично. Долгое время никто не отдавал себе отчета в том, насколько глубокий смысл имеет это наблюдение, и лишь в начале XX в., после работ Альберта Эйнштейна, Мариана Смолуховского и Жана Батиста Перрена, это явление получило объяснение.

Математическая теория броуновского движения была разработана в 1905 г. А. Эйнштейном. В основу ее положена кинетическая теория газов. Движение коллоидных частиц вызывается тепловым движением молекул жидкости, с которыми они соударяются. Таким образом, теория давала возможность косвенным способом — путем исследования коллоидных частиц — изучать движение, самих молекул. Известный французский физик Жан Перрен собрал большое количество экспериментальных данных, исследуя с помощью ультрамикроскопа не только горизонтальное движение частиц (что делал еще Броун), но и распределение их по вертикали. Несмотря на действие силы тяжести, коллоидные частицы не падают на дно, а остаются рассеянными в жидкости, причем плотность их распределения уменьшается снизу вверх. Броуновское движение и седиментационное равновесие эмульсий дали Жану Перрену возможность определить число молекул в данном объеме жидкости. В начале века, когда некоторые даже крупные химики по-прежнему считали атомы и молекулы не реальными физическими объектами, а лишь удобной абстракцией, открытие Перрена сыграло важную роль.