Череева Дарья Historie chemie 20. století = století elektronu 2 - I. a II. světové války - 1945 OSN (ООН) - studená válka - 1991 rozpad SSSR => uvolnění mezi Východem a Západem Dějiny lidstva ve 20. století 3 Na počátku 20. století ještě dominovaly světu evropské koloniální mocnosti. Nejmladší z nich, Německo (2. nejsilnější stát světa), však s dělením světového koláče, k němuž přišlo jako poslední, zásadně nesouhlasilo a nespokojenost dávalo najevo intenzívním zbrojením. Mnozí z těch, kteří posléze v srpnu 1914 narukovali na fronty války později označené jako 1. světová, věřili, že bude krátká a slavná. V jejím závěru však vypukla v Rusku komunistická revoluce. Tím se stalo, že mír, který po čtyřech letech zavládl, byl příliš nekompromisní i nekonstruktivní a podpořil nástup totalitních vlád. Agresivní nacistická ideologie vedla k další světové válce, avšak přinesla novou zkušenost a zároveň snahu prostřednictvím mezinárodních institucí (OSN) zastavit útočné postoje států. Poválečným létům však nakonec vštípila charakter studená válka mezi blokem států řízených komunistickým Sovětským svazem a blokem demokratických států vedených USA. Tento stav, probíhající více než tři desetiletí, nakonec zviditelňovala jen dílčí měření sil obou uskupení ve snaze posunout jazýček vah v ten či onen prospěch (Korea, Vietnam,...) a krize s neustálou hrozbou globálního jaderného kon fl iktu. Teprve 90. léta přinesla uvolnění mezi Východem a Západem způsobené rozpadem komunistického bloku. 4 - I. a II. světové války urychlily vědeckotechnický rozvoj. - po roce 1945 se začala 3. fáze průmyslové revoluce, charakterizující se využitím jaderné energii, mikroelektroniky a kybernetiky - ve výrobě probíhá komplexní automatizace a robotizace Vědeckotechnické a hospodářské dějiny 5 Objev elektronu těsně před začátkem 20. století (J. J. Thomson, 1897) měl rozhodující vliv nejen na další vývoj chemie, ale na veškeré přírodní vědy. Pokud 19. století může být charakterizováno jako století atomu, pak století dvacáté je stoletím elektronu, subatomární částice, která vztahuje atom ke spektroskopii a vede k novým možnostem chápání chemických kombinací. Objev částice mnohem lehčí než atom vodíku vědeckou komunitu šokoval, přestože řada dřívějších objevů v chemii i fyzice tomuto objevu připravila půdu. Ukázalo se, že elektron je součástí všech druhů atomů a že hlavní teoretické problémy chemie i fyziky jsou spojeny s rolí elektronu ve struktuře atomů, v chemických reakcích a v elektrických i optických jevech. Pochopení role elektronů v elektrických jevech vedlo k vývoji neuvěřitelného množství elektrických přístrojů, které následně našly uplatnění v chemickém výzkumu i v řízení průmyslu. 20. století - století elektronu 6 - Atom: radioaktivita, stavba atomu, jaderná energie - Fyzikální chemie - Analytická chemie - Organická chemie —> biochemie - Průmyslová chemie Významné směry vývoje chemie ve 20. století: 7 Jaderná chemie 1895 X-ray (neznámý paprsek) Wilhelm Conrad Röntgen Jeden z prvních rentgenů, ne-li první, byla ruka manželky Anny Berthy s prstenem 8 první žena, vyznamenána Nobelevou cenou, a to i dvakrát: - 1903 výzkum radioaktivity (spolu s manželem) - 1911 izolace čistého radia Marie Curie-Skłodowská Objevili Ra (z lat. radius = paprsek) a Po (podle Polska, rodné země objevitelky) Pierre Curie 9 Objev radioaktivity v 19. století a vysvětlení její podstaty na začátku 20. století si vynutily změnu v nazírání na atom. Bylo třeba opustit představu o neměnném a nezničitelném atomu, na níž byla postavena fyzika i chemie 19. století. Na počátku 20. století začínalo být jasné, že atomy nemohou být chápány jako neměnné neviditelné částice, ale jako částice, v nichž významnou roli hrají elektrony. Studie pomocí hmotnostní spektrometrie souhlasily se studiemi produktů radioaktivního rozpadu a poukázaly na existenci izotopů, čímž rozbily Daltonský předpoklad, že všechny atomy daného prvku jsou stejné. 10 + + + + + První model atomu navrhl J. J. Thomson, když poznal, že elektrony lze uvolnit z atomu kteréhokoli prvku a jsou tedy jeho nezbytnou součástí. Podle tohoto modelu je atom kulový, kladně nabitý útvar, v němž jsou rozptýleny záporně nabité elektrony. Jejich náboj kompenzuje náboj kladně nabitého útvaru. Tento model umožnil vysvětlit ionizaci atomu, původ rentgenového záření i elektrické vlastnosti látek. Thomsonův model atomu, 1904 11 Jiné názory 
 na stavbu atomu 1902- 1904 W. Thomson, 1902 F. Lenarda, 1904 Hantaró Nagaoka, 1904 12 V roce 1909 byly prováděny pokusy, pod vedením E. Rutherforda, které vedly k myšlence, že atom má nepatrné, ale masivní centrum, které nese elektrický náboj. Tento objev byl podnětem k tomu, že Rutherford roku 1911 vytvořil planetární model atomu. Podle jeho představ se každý atom skládal z kladně nabitého jádra, kolem něhož obíhaly záporně nabité elektrony– podobně jako obíhají planety kolem Slunce. Tento model však odporoval poznatkům klasické fyziky o elektřině. Pohybem elektronů kolem jádra by se totiž měla měnit jejich energie. Postupnou ztrátou kinetické energie by se elektron velmi rychle blížil k jádru, až by s ním nakonec zcela splynul Rutherfordův (planetární) model E. Rutherford 13 Rozpory E. Rutheforda odstranil N. Bohr, který s ním v letech 1912-1913 spolupracoval. Vyslovil hypotézu, že zákony klasické mechaniky a elektrodynamiky makroskopických těles neplatí pro částice atomových jader a elektrony. Podle jeho teorie se mohou elektrony pohybovat pouze po tzv. stacionárních drahách o určité energii a jejich moment hybnosti může nabývat pouze určitých hodnot. Dále vycházel z předpokladu, že elektrony na těchto drahách nevyzařují žádnou energii. Jen tehdy, když elektron mění svou dráhu, vyzařuje nebo absorbuje atom energii o určitých dávkách - kvantech. Model umožnil vysvětlit i chemické chování prvků. Kvantová čísla, zavedená k popisu elektronové struktury, představovala užitečnou pomůcku, ale chyběl jim reálný fyzikální význam. Tento model sice některé problémy objasnil, vyvolal však řadu dalších otázek. Bohrův model 14 Moseleyho zákon, 1914 Henry Moseley 15 1. světová válka 28. července 1914 — 11. listopadu 1918 16 1926 Schrödingerova rovnice (Schrödinger 1926): Ĥψ = Eψ Ĥ = -h2/8p2m (d2/dx2 +d2/dy2 +d2/dz2) + Ep Představou o vlnové povaze elektronu v atomu se podařilo vysvětlit chování atomů, vlastnosti atomů, jako je jejich značná stabilita vůči nárazům a zásahům zvenčí a schopnost zachovávat si svou chemickou identitu a podařilo se také velmi přesně předpovědět charakteristické frekvence vyzařované atomy. Podle myšlenky E. Schrôdingera roku 1926 by elektron neměl jednou provždy de fi novaný tvar, nýbrž by přijímal takový, jaký mu vymezuje působící silové pole (v případě atomu je jím elektrické pole kladně nabitého jádra). Schrödinger Louis de Broglie Werner Heisenberg 17 Zásadní změnu v nazírání na povahu elektronu a celkově všech hmotných částic přinesly práce L. de Broglieho kolem roku 1922. Všiml si, že spíše než planetu obíhající kolem Slunce připomíná elektron v atomu chování stojatého vlnění, prostorově omezeného na bezprostřední okolí kladně nabitého jádra. Je-li vlnění vázáno na určitý omezený prostor, nemůže kmitat s libovolnými frekvencemi, nýbrž pouze s takovými, jaké jsou určeny tvarem a rozměry omezujícího prostoru. V atomu je elektron poután k jádru elektrickou silou a elektronová vlna, která podle de Broglieho elektronu přísluší, je tím prostorově omezena na bezprostřední okolí jádra. Vzniká stojaté vlnění; přitom tvar a velikost atomu, v němž je elektron vázán, určuje přípustné kmitové stavy, v nichž se elektron může nacházet. Tyto přípustné frekvence vypočetl rakouský fyzik E. Schrôdinger roku 1926. Je-li elektronová vlna v určitém kmitovém stavu, pak atom nezáří. Pouze při přechodu z vyššího kmitového stavu do nižšího atom vysílá elektromagnetické záření. 18 Zkoumání elektronových stavů v atomu potvrdilo intuitivní názor, že při popisu elektronových stavů nevystačíme s představou kulovitého tělíska, nezavedeme-li současně pojem elektronové vlny. De Broglie postuloval, že vlnová délka příslušející letícímu elektronu je určena jeho hybností (λ=h/p): čím je hybnost větší, tím je vlnová délka menší. Tato de Broglieova hypotéza je v podstatě výrokem o dualistické povaze částic, povaze korpuskulární a povaze vlnové. Elementární částice se někdy chovají jako částice (korpuskule), jindy jako vlny; každému druhu částic přísluší vlnění o jiné vlnové délce. Kvantovo-mechanicky model atomu 19 Nejdůležitější názory na stavbu atomu 20 2. světová válka 1. září 1939 — 2 září 1945 21 S mírovým využíváním jaderné energie se začalo brzy po válce. První jaderný reaktor v Evropě postavil v Paříži F. Joliot-Curie v roce 1948. 22 Biochemie - vitaminy - fotosyntéza - nukleové kyseliny Organická chemie Vývoj organické chemie získal od roku 1900 na spádu jako velmi významné pole chemického výzkumu. Zlepšení aparatur, dostupnost reagencií a vývoj analytických metod umožňují atakovat komplexní problémy (reakční mechanismy, stereochemie, syntézy, studium přírodních látek – sacharidy, proteiny, aminokyseliny, steroidy,…) 23 Fyzikální chemie - první mezioborová věda; později se stala prototypem dalších mostu mezi vědami - zvláště významnou pozici měla termodynamika - Kvantová mechanika - Rozvoj přístrojové techniky
 -> difrakce rentgenového záření jako prostředek studia struktury krystalů
 -> Spektroskopie => využívání infračervené, mikrovlnné a Ramanovy techniky - Teorie roztoků podléhala řadě velkých změn, avšak do 1950 neexistoval vhodná teorie pro popis vlastností koncentrovaných roztoků.
 teorie elektrolytické disociace
 teorie kyselin a zásad
 -> Chemická kinetika
 -> koloidní chemie (posun průmyslu polymerů) 24 Analytická chemie Po třech neúspěšných desetiletích pokročila analytická chemie rázně kupředu. Rychlost, citlivost i selektivita analytických metod byly zlepšeny díky většímu využití teoretických základů, přístrojové techniky a dostupnosti radioaktivních izotopů jako prostředků chemické analýzy. Nastal zřetelný trend k obecnému používání mikrotechnik, v případě radiochemie pak ultramikrotechnik. Zvláště významná se ukázala být chromatogra fi e. Ve svých počátcích byla využívána převážně jako separační metoda, ale časem se prosadila v kvalitativních a dokonce i kvantitativních metodách. Zavedení plynové chromatogra fi e v 50. letech 20. století umožnilo rychlé analýzy směsí, které dříve byly analyzovány jen s největšími obtížemi (např. látky způsobující vůni ovoce a zeleniny). Studia přírodních látek se díky chromatogra fi i stala běžnou záležitostí. 25 21. března 1903
 "O nové kategorii adsorpčních jevů a jejich použití v biochemické analýze" - zpráva na zasedání biologického oddělení Varšavské společnosti přírodovědců (datum objevu chromatogra fi e). Michail Semjonovič Cvět 26 Moderní anorganická chemie prošla svou renesancí po zavedení kvantové chemie do teorie chemické vazby. Díky aplikaci těchto myšlenek je možné zkoumat strukturu nejen klasických anorganických sloučenin, ale i například koordinační sloučeniny, cheláty, klathráty a π-komplexy. Dvacáté století zbořilo hranici mezi anorganickou a organickou chemií, protože řada zajímavých sloučenin obsahuje atomy kovu vázané na organické skupiny. Od roku 1900 byla periodická tabulka nejen doplněna, ale také rozšířena. Došlo k tomu částečně v důsledku usilovných snah o doplnění chybějících prvků, ale hlavně díky úspěšným jaderným přeměnám vyvolaným bombardováním vysokoenergetickými částicemi. Pozice v periodické tabulce odpovídající prvkům s protonovým číslem 43, 61, 85 a 87 byly totiž podle přírodních zákonitostí odsouzeny zůstat prázdné až do té doby, než mohly být nalezeny produkty jaderných přeměn, které tato prázdná místa zaplnily. Poločasy rozpadů těchto prvků jsou totiž příliš krátké, než aby se uvedené prvky mohly ve větší míře nacházet v přírodě. Od roku 1900 prošla vývojem chemie všech prvků, ale zvláštní pokrok byl dosažen zejména v porozumění vzácným zeminám, vzácným plynům, křemíku, boru, fl uoru a méně známým přechodným prvkům, jako je např. zirkonium nebo hafnium. Anorganická chemie 27 Frederick Hopkins Vitaminy objev vitamínů struktura vitamínu C 
 (1. chemicky určený vitamín) Albert Szent-Györgyi 28 Kliment Arkaďjevič Timirjazev role světla a chlorofylu v fotosyntéze objev struktury chlorofylu Hans Fischer Calvinův cyklus Fotosyntéza Melvin Calvin 29 Chlorofyl a Calvinův cyklus 30 Studená válka 1947 - 1991 31 Dalším významným biochemickým úspěchem bylo určení struktury nukleových kyselin. První pokusy učinil F. Miescher, který později s A. A. Piccardem objevil v mlíčí první purinovou bázi - guanin. Roku 1929 zjistili P. A. Levene a T. Mori deoxypentosu, identi fi kovanou později jako D-2-deoxyribosa. Časem byly rozlišovány dvě kyseliny deoxyribonukleová (DNA) a ribonukleová (RNA). Americký biochemik E. Charga f v roce 1950 objevil pomocí rentgenových paprsků periodickou strukturu DNA. Na základě toho a dalších skutečností vytvořili roku 1953 J. D. Watson a F. H. C. Crick model DNA, složený ze dvou polynukleotidových řetězců. Jejich práce, oceněná Nobelovou cenou, se stala základem pro vznik nového vědního oboru molekulární biologii. Velmi rychle pak pokračoval výzkum různých typů DNA a RNA. Dlouho se však nedařilo stanovit sled nukleotidů v nukleových kyselinách. Teprve roku 1977 zjistil F. Sanger kompletní nukleotidovou sekvenci u malého viru X-174-fagu, který obsahuje jednovláknovou kruhovou DNA, složenou z 5 386 nukleotidových jednotek. Tento objev umožnil základní studie v molekulární genetice - především výzkum dědičných nemocí a zhoubných nádorů. Umožnil tak i rychlý rozvoj genového a genetického inženýrství a poukázal na obrovské perspektivy teoretické a aplikované biologie a biochemie. Nukleové kyseliny 32 • E. Charga f v roce 1950 objevil pomocí rentgenových paprsků periodickou strukturu DNA Objevil dvě pravidla, nazývaná Charga ff ova pravidla, která pomohla k objevu dvoušroubovicové struktury nukleové kyseliny nesoucí genetickou informaci, tedy DNA. 33 model DNA, složený ze dvou polynukleotidových řetězců, 1953 J. D. Watson a F. H. C. Crick 34 Průmysl - odklon od kamenouhelného dehtu jako primárního zdroje syntézy organických látek; jeho místo převzaly ropné produkty a produkty zemědělství - Obě světové války stimulovaly expanzi průmyslu. 
 yperit – bojový plyn; dusíkatý yperit – základ léku proti rakovině - Období studené války mělo také značný vliv na chemický průmysl, který musel vyhovět požadavkům jaderného výzkumu, poskytnout vhodná paliva pro trysková letadla a rakety - Kosmický věk obrátil pozornost na řadu prvků a sloučenin, které dříve bývaly vzácnými zajímavostmi v laboratořích jedinců. Tím se takové kovy jako titan nebo zirkonium a paliva jako hydrazin nebo borany náhle staly předmětem poptávky 35 Použitá literatura CÍDLOVÁ, KOHOUTKOVÁ, KŘIVÁNKOVÁ, ŠTĚPÁNEK a VALOVÁ. Historie chemie [online]. 2011 LEVČENKOV. Kratkij očerk istorii chimii (Краткий очерк истории химии).
 2008