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
w.

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,
NY
- 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