Судың молекулалық құрылымын алғаш рет кім сипаттады

Су бізді барлық жерде қоршап тұрады және соншалықты таныс болып көрінеді, оның табиғаты жұмбақ болып қалған уақытты елестету қиын. Алайда мыңдаған жылдар бойы ғалымдар осы мөлдір заттың неден тұратыны туралы ешқандай түсінікке ие болмады. Ежелгі «бастапқы элементтер» туралы пайымдаулардан H₂O молекуласы туралы нақты білімге дейінгі жол екі мың жылдан астам уақытты алды және әртүрлі дәуірлердегі ондаған зерттеушілердің күш-жігерін қажет етті. Судың молекулалық құрылымын алғаш рет кім сипаттады деген сұраққа жалғыз қарапайым жауап жоқ — бұл білімнің бірте-бірте жинақталу тарихы, онда әрбір ғалым өз алдындағылардың жетістіктеріне сүйенді. Дегенмен көптеген есімдердің арасынан үлесі шешуші болғандарды бөліп алуға болады.

Стихиялардан химияға: ақиқатқа апаратын ұзақ жол

Ежелгі философтар суды дүниенің іргелі бастапқы элементтерінің бірі ретінде қарастырды. Аристотель оны от, жер және ауамен қатар өзінің төрт стихия жүйесіне енгізді, және бұл концепция еуропалық ғылымда іс жүзінде екі мыңжылдық бойы үстемдік етті. Ешкімнің судың өзі неден тұратынын сұрауына ой келмеді — оны табиғаттың бөлінбейтін негізі деп санады.

Жағдай XVII-XVIII ғасырларда ғана өзгере бастады, химия бірте-бірте алхимиядан жеке ғылым ретінде бөлініп шыққанда. Зерттеушілер заттардың құрамын жүйелі түрде зерттей бастады, сандық тәжірибелер жүргізді және нәтижелерді артып келе жатқан дәлдікпен тіркеді. Дәл осы кезең судың табиғаты туралы түсініктерді төңкерген ашуға топырақ дайындады.

Кавендиш және сутегі: жұмбақтың бірінші кілті

Судың құрамын түсіну жолындағы шешуші қадамды ағылшын ғалымы Генри Кавендиш 1766 жылы жасады. Ол металдардың қышқылдарда еруінен пайда болатын жаңа газды бөліп алып, мұқият зерттеді және оны «жанғыш ауа» деп атады. Кейіннен бұл газ «сутегі» деген атауды алды — «су тудыратын» деген мағынаны беретін грек сөздерінен.

Кавендиш өзінің «жанғыш ауасының» жануымен тәжірибелер жүргізді және 1781 жылы таңғажайып нәрсені анықтады. Осы газды қалыпты ауаның қатысуымен жаққанда ыдыс қабырғаларында сұйықтық тұнды — және бұл сұйықтық су болып шықты. Ғалым газдардың реакцияласатын пропорцияларын дәл өлшеді және судың екі көлем сутегі мен бір көлем оттегіден түзілетінін анықтады.

Кавендиштің жұмыстарының кейінгі химияның дамуы үшін маңызын асыра бағалау қиын. Оның үлесін бірнеше негізгі аспект арқылы сипаттауға болады:

• ол алғаш рет тәжірибелік жолмен судың қарапайым элемент емес, екі түрлі газдан түзілетінін дәлелдеді;
• оның сутегі мен оттегінің арақатынасын сандық өлшеулері өз заманы үшін таңғажайып дәлдікке ие болды;
• осы тәжірибелердің нәтижелері Лавуазье мен Дальтонның кейінгі ашулары үшін бастапқы нүктеге айналды;
• Кавендиштің тәжірибелік әдістерінің мұқияттығы сол кезеңнің бүкіл химиясы үшін ғылыми қаталдықтың стандартын белгіледі.

Осылайша, Кавендиш басқа зерттеушілердің судың құрылысы туралы теориялық ғимаратты тұрғыза алған берік тәжірибелік іргетасты жасады.

Лавуазье және дұрыс түсіндіру

Француз химигі Антуан Лавуазье шамамен бір мезгілде ұқсас тәжірибелерді тәуелсіз жүргізді және олардан едәуір дәлірек қорытындылар жасады. Дәл ол жанудың жаңа оттегілік теориясына сүйене отырып, судың флогистонның бірдеңемен қоспасы емес, сутегі мен оттегінің қосылысы екенін алғаш рет дұрыс түсіндірді.

1783 жылы Лавуазье және оның әріптесі Лаплас Кавендиштің тәжірибесін қайталады, бірақ нәтижелерді өзгеше түсіндірді. Олар судың толығымен оттегі мен сутегіден тұратынын анықтады және осы қосылыстың дұрыс сапалық формуласын ұсынды. Дәл Лавуазье «сутегі» — «hydrogène» — деген сөздің өзін су түзетін затты атау ретінде енгізді.

Ғылым тарихшылары арасында Кавендиш пен Лавуазьенің басымдылығы туралы пікірталас әлі жалғасуда. Ең әділ баға — Кавендиш тәжірибелік нәтижені бірінші алды, ал Лавуазье оған дұрыс теориялық түсіндірме бірінші берді деп санау.

Дальтон және атом теориясы: құрылым көрінетін болды

Келесі принципті қадамды ағылшын ғалымы Джон Дальтон XIX ғасырдың басында жасады. Оның 1803-1808 жылдары жарияланған атом теориясы заттардың тек құрамы туралы ғана емес, ең ұсақ бөлшектер деңгейіндегі олардың құрылысы туралы айтуға алғаш рет мүмкіндік берді. Дальтонның судың құрылымын түсінуге қосқан үлесін бірнеше негізгі идея арқылы сипаттауға болады.

1. Атом теориясы заттың молекулалық құрылымын сипаттауға арналған тілді алғаш рет берді. Дальтонға дейін химиктер масса мен көлеммен жұмыс істеді, бірақ заттың микродеңгейде қалай орналасқанын елестетудің жолы болмады. Оның теориясы зерттеушілерге «молекулалық құрылым» ұғымының жай мағынасыз болатын құралды берді.
2. Дальтон ашқан еселі қатынастар заңы атомдардың қатаң белгіленген пропорцияларда біріккенін растады. Суға қатысты бұл сутегі мен оттегінің оның құрамына әрқашан бір және сол бір салмақтық арақатынаста — шамамен 1-ден 8-ге — кіретінін білдірді. Бұл факт судың белгілі бір қосылыс екенінің, ерікті қоспа емес екенінің математикалық дәлелі болды.
3. Дальтон ұсынған қате HO формуласы кейінірек түзетілді — 1811 жылы итальяндық ғалым Амедео Авогадро атомдар мен молекулаларды ажыратуға мүмкіндік берген гипотезаны ұсынды. Дәл авогадролық тәсіл су молекуласының екі сутегі атомы мен бір оттегі атомынан тұратынын — яғни H₂O формуласына ие екенін — анықтауға мүмкіндік берді.
4. H₂O формуласын толық тану 1860 жылы Карлсруэдегі химиктердің халықаралық съезінде болды. Осы тарихи жиналыста ғалымдар атомдық массалар мен молекулалық формулалардың бірыңғай белгілеулері туралы келісті. Осы сәттен бастап судың құрамы бүгінгі күні білетін түрімізде ресми және түпкілікті бекітілді.

Дальтон мен Авогадроның жұмыстары химия тарихының маңызды кезеңін аяқтады — олардан кейін ғылым тек судың дұрыс сапалық сипаттамасына ғана емес, кейінгі барлық тәжірибелердің тексеруінен өткен нақты сандық формулаға да ие болды.

Льюис және электрондық құрылым: түсіну тереңдей түсті

H₂O формуласын белгілеу судың құрамын түсіндірді, алайда молекуладағы атомдардың неліктен дәл осылай орналасқанын ашпады. Бұл сұраққа жауап тағы да шамамен бір ғасырлық жұмысты қажет етті.

Американдық химик Гилберт Льюис 1916 жылы атомдардың ортақ электрон жұптары арқылы ұсталатын ковалентті байланыс теориясын ұсынды. Оның атақты «Льюис құрылымдары» су молекуласын ортақ екі электрон жұптары арқылы екі сутегі атомымен байланысқан орталық оттегі атомы ретінде бейнелеуге мүмкіндік берді. Бұдан басқа, Льюис су молекуласындағы оттегінде тағы екі байланыспайтын электрон жұбы қалатынын көрсетті — және дәл олар молекулаға тән бұрыштық пішін береді.

H₂O молекуласының бұрыштық құрылысы химиядағы ең маңызды құрылымдық фактілердің бірі. Одан бірқатар принципті қорытындылар туындайды:

• су молекуласы полярлы, яғни әртүрлі ұштарында бөлінген электрлік зарядтарды көтереді;
• полярлылық сұйықтықтың бірегей қасиеттерін анықтайтын молекулалар арасындағы сутектік байланыстардың түзілуін туғызады;
• O-H байланыстары арасындағы бұрыш шамамен 104,5 градусты құрайды — идеалды тетраэдрлік бұрыштан ауытқу байланыспайтын электрон жұптарының өзара тебілуімен түсіндіріледі;
• дәл осы геометрия судың аномальды жоғары жылу сыйымдылығының, беттік керілуінің және басқа бірегей қасиеттерінің негізінде жатыр.

Льюис теориясы судың құрылымын түсінудегі бетбұрыс нүктесіне айналды: алғаш рет ғалымдар тек құрамды ғана емес, молекуланың кеңістіктік ұйымын және оның физика-химиялық қасиеттерін де түсіндіруге мүмкіндік берген құралға ие болды.

Рентгендік кристаллография және дәл өлшемдер

Су молекуласының бұрыштық құрылымын түпкілікті тәжірибелік растау XX ғасырда рентгендік және нейтрондық кристаллографияның дамуымен ғана мүмкін болды. Бұл әдістер атомдар арасындағы қашықтықтарды және химиялық байланыстар арасындағы бұрыштарды бұрын болмаған дәлдікпен өлшеуге мүмкіндік берді.

Su молекуласындағы O-H байланысының ұзындығы шамамен 0,096 нанометрді, ал H-O-H бұрышы шамамен 104,5 градусты құрайды. Бұл сандар XX ғасырдың ортасында алынды және кванттық химияның теориялық болжамдарын түпкілікті растады. Электрондардың толқындық функцияларын ескеретін судың толық кванттық-механикалық моделі 1930-1940 жылдарға қарай Лайнус Полинг пен оның әріптестерінің күш-жігерімен жасалды.

Судың молекулалық құрылымын сипаттау тарихы үш ғасырға жуық уақытты және әртүрлі елдерден ондаған ғалымдарды қамтиды — бұл жалғыздың жеңісі емес, адам ақылының шын мәніндегі ұжымдық жетістігі. Зерттеушілердің әрқайсысы — Кавендиш, Лавуазье, Дальтон, Авогадро, Льюис, Полинг — бірте-бірте қалыптасқан бірыңғай суретке өз бөлшегін қосты, күрделі басқатырғыш сияқты. Бұл мысал ұлы ашулардың сирек бірден жасалатынын айқын көрсетеді — жиі олар ғалымдар ұрпақтарының ұзақ диалогының нәтижесі болып табылады, онда әрбір келесісі алдындағылардың иықтарына тұрып алғандықтан алысырақ көреді.