8.4.3 Каталіз

Поняття каталітичної дії було введено Берцеліусом в 1835 р. Він називав здатність речовин впливати на швидкість реакцій каталітичною силою. Уведення цього поняття критикували багато вчених, в тому числі Лібіх та Велер.

В 40-х роках позаминулого століття виникло декілька теорій каталізу. В.Грін висунув ідею, що каталізатор переносить реагуючі частки. Мерсер розглядав каталіз як виявлення слабкої хімічної спорідненості, Кекуле вважав, що каталізатор зближує реагуючі частки, внаслідок чого зв’язок між їх атомами послабляється.

Могутній поштовх у розвитку вчення про каталіз надало промислове застосування каталітичних процесів. Прикладів безліч, але не можна не згадати вже розглянуті раніше свинцеві башти Гей-Люсака, що застосовуються при окислені SO₂. Як приклад також можна вказати застосування платини як каталізатора окислення SO₂ до SO₃ та амоніаку до NO₂.

Значні заслуги в розвитку уявлень про каталіз належать видатному німецькому фізико-хіміку Фрідріху Вільгельму Оствальду (1853-1932), який дав сучасне визначення каталізатора. Багато істориків хімії вважають його засновником фізичної хімії (разом із Вант-Гофом). Оствальд народився в Ризі, вчився у Дерптському університеті, став професором Ризького політехнічного училища (пізніше інституту), з 1887 р. перейшов у Лейпциг, де заснував першу у світі кафедру фізичної хімії. Наукові праці присвячені, головним чином, розвитку теорії електрохімічної дисоціації, кінетиці та каталізу. Оствальд розробив в 1902 р. спосіб каталітичного окислення амоніаку до азотної кислоти, встановив зв’язок між хімічною термодинамікою, кінетикою та каталізом. Саме Оствальд показав, що утворення проміжного продукту у вигляді сполуки одного з реагентів із каталізатором вимагає меншої енергії активації, ніж безпосереднє (некаталітичне) утворення кінцевих продуктів реакції.

8.5. Фізична органічна хімія

8.5.1. Вступ

Розпочинаючи з часів Лавуазьє, хіміки могли передбачати, в якому напрямку підуть ті чи інші швидкі неорганічні іонні реакції відносно малих молекул, і могли модифікувати ці реакції з метою їх практичного використання. Вивчати повільні реакції складних органічних молекул було значно важче. Ці реакції також значно важче піддавались аналізу, вони часто могли йти декількома шляхами, і направляти реакції по потрібному шляху хіміку дозволяла його майстерність та інтуїція, а не глибоке розуміння процесів.

З виникненням електронної моделі атома хіміки-органіки змогли по-новому глянути на область своїх досліджень. У своїх дослідженнях вони розпочали застосовувати методи фізичної хімії. Унаслідок чого виникла нова галузь знань, яку стали називати фізичною органічною хімією. В 20-ті роки ХХ століття англійські фізико-хіміки Кристофер Інгольд, якого вважають засновником фізичної органічної хімії, та Сіріл Норман Хіншельвуд, а також інші вчені, підійшли до органічних реакцій з позицій електронної будови атома, стали розглядати хімічні реакції як процеси перерозподілу електронів й отримали чудові результати в області кінетики органічних реакцій та встановлення їх механізмів.

Великих успіхів фізична органічна хімія досягла в області дослідження просторової будови білка. В 1951 році американський хімік та фізик Лайнус Полінг (нар. В 1901 р.) припустив, що поліпептидний ланцюг білка згорнутий в -спіраль завдяки водневим зв’язкам NH груп із киснем С=О груп, які входять у той же ланцюг. Англійський біохімік Макс Перутц (нар. в 1914 р.) в 1953 році створив метод ізоморфного заміщення – введення атомів важких металів в кристалічну структуру білка, що дозволило перевести білок у кристалвчну форму. Це у свою чергу дало йому можливість застосувати метод дифракції рентгенівського випромінювання для дослідження структури гемоглобігу (білка крові), провести аналіз даних на ЕОМ в 1960 році і довести існування передбаченої Полінгом -спіралі. В тому ж 1960 році подібне дослідження з тими ж результатами було виконано ще одним англійським біохіміком Джоном Кендрю (нар. в 1917 р.) на прикладі білка міоглобіну (білка м’язів). За свої дослідження Кендрю та Перутц в 1962 році отримали Нобелівську премію по хімії.

Метод дифракції рентгенівського випромінювання був також застосований для дослідження будови ДНК. На основі цих досліджень англійський фізик та біохімік Френсіс Гаррі Крік (нар. в 1916 р.) та американський біохімік Джеймс Дюї Уотсон (нар. в 1928 р.) в 1953 році показали, що молекула ДНК представляє собою подвійну спіраль, половинки якої йдуть у протилежних напрямках і закручуються одна навколо іншої. Утримуються ці спіралі одна біля іншої завдяки водневим зв’язкам між нуклеїновими основами. У свою чергу англійський біофізик Моріс Хью Фредерік Уілкінс теж досліджував структуру ДНК методом рентгеноструктурного аналізу і підтвердив висновки Кріка та Уотсона, що ДНК утворює подвійну спіраль. За ці дослідження всі троє вчених, Крік, Уотсон та Уілкінс, отримали Нобелівську премію по фізіології та медицині в 1962 році.