Gilbert Newton Lewis: Η φύση του χημικού δεσμού.

Παρουσίαση με θέμα: "Gilbert Newton Lewis: Η φύση του χημικού δεσμού."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Gilbert Newton Lewis: Η φύση του χημικού δεσμού.
100 χρόνια από το άρθρο: “ The atom and the molecule” Αλέξανδρος – Γ - Ιωάννου Ημερίδα Χημείας

2 Σχέδιο Παρουσίασης Ιστορικά Στοιχεία.
Οι θεωρίες της εποχής για το χημικό δεσμό. Η συμβολή του Lewis. “The atom and the molecule”, G.N.Lewis, J. Am. Chem. Soc., 1916, 38, Σταθμοί στην ερμηνεία χημικού δεσμού. Σύγχρονες εξελίξεις – εφαρμογές.

3 Gilbert Newton Lewis Γέννηση 23 – 10 – 1875 , Weymouth, Massachusetts . Έλαβε τη βασική εκπαίδευση στο σπίτι από τους γονείς του. Μετακόμιση Lincoln Nebraska (1884) – Πανεπιστήμιο Nebraska (1889/1891). Μεταγραφή στο Harvard (1893) – BSc (1896). PhD , Harvard (Ηλεκτροχημικά δυναμικά)(1899). Αφού δίδαξε για ένα χρόνο στο Harvard στη συνέχεια ταξίδεψε στη Γερμανία όπου συνεργάστηκε με τους Ostwald και Nernst. Εξέδωσε πλήθος άρθρων σχετικά με επιστημονικά αλλά και κοινωνικά και οικονομικά ζητήματα της εποχής. Το 1946 , ένας φοιτητής βρήκε τον Lewis νεκρό στο εργαστήριό του στο Berkeley. Berkley πρύτανης, αίθουσα με το όνομά του. Πατέρας δικηγόρος, διάβαζε από την ηλικία των τριών ετών. Καθώς ο Lewis εργαζόταν σε ένα πείραμα χρησιμοποιώντας υγρό HCN, και υπήρξε διαρροή ο θάνατός του θεωρήθηκε από κάποιους ως «αυτοχειρία». Δίδαξε ο ίδιος στα πανεπιστήμια : Harvard ( ), ΜΙΤ (1905 – 1912) και Berkeley ( ).

4 Τα ερευνητικά ενδιαφέροντα του Lewis περιλαμβάνουν:
Ο ίδιος από την αρχή ως το πέρας της επιστημονικής του καριέρας αυτοπροσδιοριζόταν τόσο ως «χημικός» όσο και ως «φυσικός». Τα ερευνητικά ενδιαφέροντα του Lewis περιλαμβάνουν: Μερικά πρόσθετα επιτεύγματα του Lewis: 1919 Μελετώντας μαγνητικές ιδιότητες δ/μάτων οξυγόνου σε υγρό άζωτο ανακάλυψε το σχηματισμό μορίων O4 (πρώτη ένδειξη ύπαρξης τετρατομικού οξυγόνου). Διατύπωση πρώτης (εμπειρικής) σχέσης για τα δ/ματα ηλεκτρολυτών - ιοντική ισχύς (1921), η οποία στη συνέχεια διαμορφώθηκε από τους Debye–Hückel (1923). Υπήρξε ο πρώτος ο οποίος παρήγαγε δευτεριωμένο ύδωρ (1933) και μελέτησε τις ιδιότητές του. Θερμοδυναμικές μελέτες:  Δημοσιεύσεις 1900,  Ιδιότητες αερίων.  «Θερμοδυναμική», Lewis and Randall (1923). Ανάπτυξη θεωρίας για το χημικό δεσμό. Ανάπτυξη θεωρίας περί οξέων – βάσεων. Μελέτη θεωρίας σχετικότητας. Θεωρία σχετικότητας, φυσικοχημικός. Την εποχή εκείνη δεν υπήρχε ιδιαίτερη επικοινωνία μεταξύ φυσικών/χημικών, διάσταση απόψεων (π.χ. Θερμοδυναμικό δυναμικό) vs ενθαλπία – θερμιδομετρία. εισάγεται η θερμοδυναμική έννοια της ενεργότητας G. N. Lewis 1940 G. N. Lewis 1912

5 Χημικός δεσμός – Αρχικές θεωρήσεις
Davy και Berzelius (ηλεκτροχημεία) – αρχικές θεωρίες μετάβασης από τις «συγγένειες» στις «ηλεκτρικές» θεωρήσεις. Thomson - περιγραφή «ιοντικού» δεσμού (μεταφορά ηλεκτρονίων). Χημικός δεσμός – Αρχικές θεωρήσεις Αρχαία εποχή – Αναγέννηση (Ατομική θεωρία – Ισχυρή/ασθενής δέσμευση μεταξύ ατόμων). Αλχημιστές 17ος – 18ος αιώνας William Higgins (1789) – συνδυασμοί ανεξάρτητων σωματιδίων – από κοινού συνεισφορά στη δύναμη έλξης. Άποψη του τρόπου συγκράτησης ατόμων - Λεύκιππος, Δημόκριτος, Επίκουρος, Lucretius, Gassendi, Newton. (Το παραπάνω αποτελεί τυπικό παράδειγμα του “Hook – and Eye model” οπως καλείται συχνά – η σύσταση του νερού ήταν άγνωστη πριν τις αρχές του 19ου αιώνα) Dalton (συνδυασμοί ατόμων) Lemery “Course de Chymie” (1675) (Οι χημικές ουσίες παρουσιάζουν «εκλεκτική συγγένεια ως προς τη σύνδεση μεταξύ τους» - π.χ. Αντιδράσεις απλής αντικατάστασης σε άλατα μετάλλων). Étienne François Geoffroy – πίνακες «συγγένειας» ουσιών. (a) if one substance has any affinity or rapport (conformity) with another, the two will unite together and form one compound; (b) Substances that unite together lose some of the separate properties; (c) The simpler the substance, the stronger its affinity. Friedrich August Kekulé (1857) – περιγραφή οργανικών μορίων (άνθρακας «τετρασθενής»). Archibald Couper (1857) – πρώτος που χρησιμοποιεί «γραμμές» για να περιγράψει μόρια τα οποία εκτείνονται στις 3 διαστάσεις. Étienne François Geoffroy, πίνακας συγγένειας ουσιών (1718) – κάθε ουσία στην κορυφή μπορεί να συνδυαστεί με κάθε ουσία στην ίδια στήλη.  August Wilhelm von Hofmann (1864) Joseph Loschmidt (1861) Alfred Werner (1900s)

6 Συνεπώς την εποχή του G.N. Lewis:
Επιπλέον αξίζει να σημειωθούν τα ακόλουθα στοιχεία : ι) Πρόσφατη ανακάλυψη του ηλεκτρονίου (1897 Thomson ) Δυστοκία στην ανάπτυξη θεωριών που να στηρίζονται στην έννοια του ηλεκτρονίου. ιι) Περιορισμένη σύγκλιση και επικοινωνία ανάμεσα στους φυσικούς και τους χημικούς της εποχής  Χάσματα στην ερμηνεία των φυσικών φαινομένων που διέπουν τους μηχανισμούς σχηματισμού χημικών ενώσεων. ιιι) Τόσο η θεωρία της σχετικότητας (που είχε μόλις διατυπωθεί), όσο και η κβαντομηχανική (που στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε από νεότερες θεωρίες για την ερμηνεία του χημικού δεσμού), απουσίαζαν από τον κόσμο των χημικών της εποχής. Μολονότι υπήρχαν εξελίξεις γύρω από τη δομή του ατόμου και είχε αρχίσει να γίνεται αντιληπτό πως τα μόρια αποτελούνται από άτομα, εντούτοις ο τρόπος σύνδεσης και η φύση του δεσμού ήταν άγνωστα. Παρόλο που σε αρκετές ενώσεις αντιστοιχούσε ένας μοριακός τύπος, οι παράγοντες διαμόρφωσης μιας χημικής δομής και οι γεωμετρίες χημικών ενώσεων ήταν σε μεγάλο βαθμό άγνωστες. Ενώ κάποιες από τις υπάρχουσες θεωρίες μπορούσαν να ερμηνεύσουν δομές απλών χημικών ενώσεων (π.χ. Άλατα μετάλλων, οργανικές ενώσεις κτλ.), η χημική τους συμπεριφορά και αρκετές ιδιότητες (φυσικές και χημικές) δεν είχαν ερμηνευτεί πλήρως. Η ύπαρξη του ηλεκτρονίου είχε μόλις αρχίσει να γίνεται αποδεκτή από την πλειοψηφία της επιστημονικής κοινότητας ενώ αρκετοί μεγάλοι χημικοί της εποχής (π.χ. Ostwald) πίστευαν πως δεν είναι απαραίτητη για την ερμηνεία των χημικών μεταβολών “ Κάθε άτομο διαθέτει καθορισμένο αριθμό από «αγκίστρια » που του επιτρέπουν να προσδένεται σε άλλα άτομα, και καθορισμένο αριθμό «οπών» που επιτρέπουν σε άλλα άτομα να προσδένονται σε αυτό.”

7 1906 – 1907: Κανόνας της οκτάδας του Richard Abegg (1904).
Η διατύπωση της θεωρίας του Lewis για το χημικό δεσμό. 1902: Ο Lewis ξεκίνησε να χρησιμοποιεί στις διαλέξεις του «τελείες» - αναπαράσταση ηλεκτρονίων γύρω από τα άτομα. 1906 – 1907: Κανόνας της οκτάδας του Richard Abegg (1904). Ο Lewis τοποθετεί τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου στις κορυφές κύβου. Ερμηνεύει το χημικό δεσμό ως «ζεύγος ηλεκτρονίων» τα οποία βρίσκονται στις κοινές κορυφές δύο κύβων. 1913: Δημοσίευση πρώτου άρθρου: “Valence and Tautomerism”. 1916: Δημοσίευση άρθρου “The atom and the molecule”, εισαγωγή της μοριακής «δομής κατά Lewis». 1923: Έκδοση βιβλίου: “Valence and The Structure of Atoms and Molecules” , G. N. Lewis. Lewis: Ο σχηματισμός «διπλού» δεσμού μεταξύ «ατόμων κυβικής συμμετρίας», 1916 Κάθε στιβάδα αποτελείται από κυβικές συμμετρίας θέσεις για τα «8» ηλεκτρόνια προς συμπλήρωση./Κανόνας οκάδων «Mendeleev». Lewis: Ο σχηματισμός «απλού» δεσμού μεταξύ ατόμων «κυβικής συμμετρίας» μέσω ηλεκτρονίων στις κοινές κορυφές, Lewis: «Άτομα κυβικής συμμετρίας» 1902

8 1916 «The atom and the molecule»
G.N. Lewis, The atom and the molecule, 1916 Έκδοση : Απρίλιος 1916, J.A.C.S. Αριθμός αναφορών >1000 ως σήμερα. Ο Lewis κατέληξε στα παραπάνω συμπεράσματα έχοντας στη διάθεσή του μόνο: ι)Χημικά πειραματικά δεδομένα ιι)Εμπειρικά στοιχεία για την πολικότητα χημικών ενώσεων ιιι)Μαγνητικές μετρήσεις.

9 1919: Ο Dr. Irving Langmuir εκδίδει στο “Journal of the American Chemical Society” δύο άρθρα 84 σελίδων με σημαντικές προσθήκες στη θεωρία «ζεύγους ηλεκτρονίων» του Lewis. Κύρια συνεισφορά του Langmuir αποτελεί η «ηλεκτρική ουδετερότητα» των μορίων (πρώτη έμμεση αναφορά «τυπικών φορτίων» στους τύπους κατά Lewis). Αναφορά Lewis (1923 βιβλίο) “Dr. Irving Langmuir”, papers – ανάλυση ιδεών.

10 G.N.Lewis Ο θεμελιωτής της έννοιας του χημικού δεσμού:
Υπήρξε ο πρώτος που διατύπωσε πως ο χημικός δεσμός σχηματίζεται από «ζεύγος» ηλεκτρονίων. Υπήρξε ο πρώτος που πρότεινε πως δεν υπάρχει πλήρης μεταφορά ηλεκτρονίου από το ένα άτομο στο άλλο κατά το σχηματισμό χημικού δεσμού. Η θεωρία του Lewis αποτελεί πυλώνα οικοδόμησης των σύγχρονων θεωριών σχετικά με το χημικό δεσμό. ( - δεσμός ζεύγος e :κάτι το οποίο στην εποχή του ήταν ιδιαίτερα δύσκολο να το συλλάβει κανείς (απώσεις κτλ))/thomson ιοντικός δεσμός , πλήρης μεταφορά ηλεκτρονίου.

11 Σταθμοί στην ερμηνεία χημικού δεσμού.
Άποψη από τη σύγχρονη κβαντομηχανική αντίληψη σχετικά με τη μεταβολή του δυναμικού ενός χημικού συστήματος «ΑΒ», κατά το σχηματισμό του χημικού δεσμού ανάμεσα στα «Α» και «Β» 1930s – 1940s : Εισαγωγή θεωρίας μοριακών τροχιακών. 1950: Πλήρης αντιστοίχιση μοριακών τροχιακών με αντίστοιχες κυματοσυναρτησεις. (χρήση ημι-εμπειρικών μεθόδων εκτέλεσης κβαντικών υπολογισμών). Παράλληλη αντικατάσταση Θεωρίας Κρυσταλλικού Πεδίου από Θεωρία Πεδίου Υποκαταστατών για τις «ενώσεις ένταξης». 1926:Jean Baptiste Perrin  Nobel φυσικής για την οριστική απόδειξη ύπαρξης μορίων. 1927: Fritz London και Walter Heitler  Εισαγωγή κβαντομηχανικής για την ερμηνεία χημικού δεσμού (μόριο υδρογόνου). 1931: L. Pauling  "The Nature of the Chemical Bond”, Εισαγωγή θεωρίας υβριδισμού (μεθάνιο). Friedrich Hund, Robert Mulliken, John C. Slater, and John Lennard-Jones... (θεωρία μοριακών τροχιακών) In 1937, chemist K.L. Wolf introduced the concept of supermolecules (Übermoleküle) to describe hydrogen bonding in acetic acid dimers. This would eventually lead to the area of supermolecular chemistry, which is the study of non-covalent bonding. In 1951, physicist Erwin Wilhelm Müller invents the field ion microscope and is the first to see atoms, e.g. bonded atomic arrangements at the tip of a metal point. In 1999, researchers from the University of Vienna reported results from experiments on wave-particle duality for C60 molecules.[22] The data published by Zeilinger et al. were consistent with de Broglie wave interference for C60 molecules. This experiment was noted for extending the applicability of wave–particle duality by about one order of magnitude in the macroscopic direction.[23] In 2009, researchers from IBM managed to take the first picture of a real molecule.[24] Using an atomic force microscope every single atom and bond of a pentacene molecule could be imaged. ‘‘Experimental trends are noted. A theory is constructed that does not merely rationalize but makes verifiable predictions. When these predictions fail the theory can be enriched by reexamination. Chemistry advances.’’ Roald Hoffmann

12 Ο Linus Pauling τιμάται για τη συμβολή του στη θεωρία δεσμού σθένους:
 Βραβείο G.N. Lewis (1951, American Chemical Society).  Βραβείο Nobel χημείας (1954). Linus Pauling 1963 Nobel ειρήνης (μοναδικό άτομο στον κόσμο με 2 ατομικά βραβεία Nobel).

13 Σύγχρονες εξελίξεις - Εφαρμογές
Μερικά σύγχρονα προβλήματα στο πεδίο έρευνας: ι) Ενεργειακή ερμηνεία δομής πολυατομικών μορίων, διεγερμένες ενεργειακές καταστάσεις. ιι) Μελέτη γεωμετρίας και δομής δεσμών ένταξης σε πολυπυρηνικά σύμπλοκα. ιιι) Πληρέστερη κατανόηση μεταλλικού δεσμού – εφαρμογές. Εκ πρώτης όψεως φαίνεται πως γύρω από τη μελέτη του χημικού δεσμού διακρίνεται στασιμότητα κατά τα τελευταία 50 έτη και πλέον , καθώς το χημικό ενδιαφέρον έχει στραφεί αλλού (Τεχνολογία υλικών, τροφίμων, φάρμακα, εφαρμογές κτλ) Στην πραγματικότητα ωστόσο το διεπιστημονικό αυτό πεδίο έρευνας παραμένει ανοιχτο. Πενταπλός δεσμός (2005) Το 2009, ερευνητές στην ΙΒΜ έλαβαν την πρώτη απεικόνιση ενός μορίου.

14 G.N. Lewis O G.N. Lewis, για τη συνεισφορά του , δεν τιμήθηκε ποτέ με το βραβείο Nobel. Ωστόσο μαθητές του οι οποίοι στηρίχτηκαν στη δουλειά του, τιμήθηκαν με Nobel: Glenn T. Seaborg (1951) Harold Urey (1934) Επιπλέον η μελέτη του στην ερμηνεία σχηματισμού μορίων αποτελεί τη θεμέλιο λίθο της σύγχρονης χημείας, καθώς στην πραγματικότητα είναι ο πρώτος που μπόρεσε να περιγράψει τη φύση του χημικού δεσμού.  Seaborgium.

15 Ευχαριστίες Στους καθηγητές: Κο. Αριστείδη Μαυρίδη. Κο. Παναγιώτη Κυρίτση. Κο. Αθανάσιο Τσεκούρα. Κο. Ιωάννη Παπαευσταθίου. Σε όσους παρακολουθούν την ημερίδα για την προσοχή και το ενδιαφέρον τους!!! Αναφορές: 1)«Gilbert Newton Lewis his Influence on Physical-Organic Chemists at Berkeley» - Melvin Calvin , University of California, Berkeley, CA 94720, )«The Lewis Legacy: The Chemical Bond—A Territory and Heartland of Chemistry» - Sason Shaik, The Hebrew University, Jerusalem 91904, Israel, 2007. 3) «G.N. Lewis A Biographical Memoir by Joel H. Hildebrand» National Academy Of Sciences Washington D.C. , 1958.