Кіріспе

Америкалық физикалық химик (1875–1946)

Гарвард, Манила және МТИ

Нернст зертханасында болғаннан кейін, Льюис 1901 жылы Гарвардқа тағы үш жыл оқытушы ретінде оралды. Ол термодинамика және электрохимия салалары бойынша оқытушы болып тағайындалды. 1904 жылы Льюис демалысқа шығып, Филиппиндегі Манила қаласындағы Ғылым бюросының салмақтар мен өлшемдерді бақылаушысы болды. Келесі жылы ол Массачусетс штатының Кембридж қаласына оралды, себебі Массачусетс технология институты (МИТ) оны профессорлық қызметке тағайындады, бұл арқылы ол Артур Амос Нойес басшылығымен ең көрнекті физик-химияшылар тобына қосылу мүмкіндігіне ие болды. 1907 жылы профессордың көмекшісі, 1908 жылы доцент, ал 1911 жылы толық профессор атанды.

Калифорния университеті, Беркли

Г. Н. Льюис 1912 жылы МТИ-ден физикалық химия профессоры және Берклидегі Калифорния университетінің химия колледжінің деканы болу үшін кетіп, орналасты. 1912 жылдың 21 маусымында ол Гарвард университетінің роман тілдері профессорының қызы Мэри Хинкли Шелдонға үйленді. Олардың екі ұлы болды, екеуі де химия профессоры болды, және бір қызы болды. 1913 жылы ол Берклидегі Альфа Чи Сигма химиялық кәсіби бауырластығына қосылды. Льюистің Берклидегі аспиранттары Нобель комитетімен ерекше табысқа жетті. Оның студенттеріне барлығы 14 Нобель сыйлығы табысталды. Олардың ең танымалдары: Гарольд Юри (1934 жылғы Нобель сыйлығы), Уильям Ф. Гиаук (1949 жылғы Нобель сыйлығы), Гленн Т. Себорг (1951 жылғы Нобель сыйлығы), Уиллард Либби (1960 жылғы Нобель сыйлығы), Мелвин Кальвин (1961 жылғы Нобель сыйлығы). Оның күш-жігерінің арқасында Берклидегі химия колледжі әлемдегі жетекші химия орталықтарының біріне айналды. Берклиде жұмыс істеген кезінде ол әйелдерге кіруге тыйым салды, соның ішінде Маргарет Мелхаздың аспирантурада оқуына кедергі келтірді. Мелхаз бұрын студент кезінде Себоргпен бірлесіп цезий-137 элементін ашқан болатын. 1913 жылы ол Ұлттық ғылым академиясының мүшесі болып сайланды. 1918 жылы Америка философиялық қоғамының мүшесі болып сайланды. Ол 1934 жылы қызметтен кетіп, отставкаға кету себебін атаудан бас тартты; бұл мекеменің ішкі саясатындағы дауға немесе ол ұсынғандардың сайланбауына байланысты болған деген болжам бар. Оның отставкаға кетуіне 1934 жылғы химия бойынша Нобель сыйлығының оның студенті Гарольд Юриге 1931 жылы дейтерийді оқшаулап, оның спектрін растағаны үшін берілгеніне наразылығы да себеп болуы мүмкін. Льюис ауыр суды тазарту және сипаттау бойынша жасаған еңбегі үшін осы сыйлықты бөлісуге лайық деп санаған.

Өлім

1946 жылы 23 наурызда аспирант Льюистің өлі денесін Берклидегі зертханадағы жұмыс үстелінің астынан тапты. Льюис сұйық сутек цианидімен тәжірибе жасап жатқанда, бұзылған құбырдан шыққан қауіпті газ зертханаға тарап кеткен. Денсаулық сақтау органы өлімнің себебін жүрек тамырларының ауруы деп сап, себебі цианоз белгілері байқалмады, бірақ кейбір адамдар бұл өз-өзіне қол жұмсау болуы мүмкін деп есептейді. Беркли университетінің құрметті профессоры Уильям Джолли, 1987 жылы жарық көрген «Реторталардан лазерлерге дейін» атты UC Беркли химия колледжі тарихында Льюистің өліміне қатысты түрлі пікірлерді жазды. Онда бөлімдегі жоғары лауазымды қызметкер Льюистің өз-өзіне қол жұмсағанына сенгенін айтқан.

Термодинамика

Льюистің ұзақ уақыт бойы қызығушылық танытқан нәрселерінің көбісі Гарвардта оқыған жылдары пайда болды. Ең маңыздысы термодинамика болды, бұл тақырыпта Ричардс сол кезде өте белсенді болды. 1895 жылға дейін термодинамикалық қатынастардың көпшілігі белгілі болғанмен, олар оқшауланған теңдеулер ретінде қарастырылды және әлі бір қатынасты ескере отырып, қалғандарын алуға болатын логикалық жүйе ретінде рационализацияланбаған еді. Сонымен қатар, бұл қатынастар тек идеалдық химиялық жүйелерге ғана қатысты. Бұл теориялық термодинамиканың екі маңызды мәселесі еді. 1900 және 1901 жылдары екі ұзақ және амбициялық теориялық мақаласында Льюис шешім табуға тырысты. Льюис термодинамикалық белсенділік тұжырымдамасын енгізді және "тез өтетіндік" терминін қолданды. Оның жаңа идеясы – "асығу тенденциясы" – қысымның өлшемдерімен сипатталатын функция, ол заттың бір химиялық фазадан екіншісіне өтуге бейімділігін көрсетеді. Льюис тез өтетіндіктің нақты термодинамикалық қатынастар жүйесін тудыруға негіз болатын фундаменталды принцип деп санайтын. Бұл үміт ақталу жолына қоймады, бірақ тез өтетіндік нақты газдарды сипаттауда маңызды орын алды. Льюистің ерте мақалаларында Дж.В. Гиббс пен П. Духемнің еркін энергия және термодинамикалық потенциал туралы идеяларын ерекше жақсы түсінгендігі де байқалады. Бұл идеялар физиктер мен математиктерге жақсы танымал болды, бірақ көптеген практикалық химиктер үшін олар түсініксіз және химиялық жүйелерге қолдануға келмейтін болып саналды. Көптеген химиктер Бертелот, Оствальд және Ван’т Хоффтың жылу термодинамикасына (энтальпия) және калориметриялық мектепке сүйенді. Әрине, реакцияның жылуы химиялық өзгерістердің болатындығына бейімділіктің өлшемі емес, және Льюис тек еркін энергия мен энтропия ғана химиялық термодинамиканы нақты қамтамасыз ете алатынын түсінді. Ол еркін энергияны тез өтетіндіктен тудырды; 1901 жылы төмен температурада анықталмаған энтропия функциясының нақты өрнегін алуға тырысты, бірақ сәттілікке жете алмады. Ричардс та тырысып, сәтсіз аяқтады, ал 1907 жылы Нернстке дейін энтропияны дұрыс есептеу мүмкін болмады. Льюистің тез өтетіндікке негізделген жүйесі ұзаққа созылмаса да, оның еркін энергия мен энтропияға деген ерте қызығушылығы өте жемісті болды, және оның мансабының көп бөлігі осы пайдалы тұжырымдамаларды практикалық химиктерге қолжетімді етуге арналды. Гарвардта Льюис сондай-ақ жарықтың қысымы бар екенін алға тартқан қара дене сәулеленуінің термодинамикасы туралы теориялық мақала жазды. Кейіннен ол бұл идеяны ұстанғаннан кейін, Вильгельм Виен мен басқалардың да осы бағытта табысқа жеткенін білмейтін, үлкен және консервативті әріптестері оны одан бас тартуға көндіргенін айтты. Льюистің мақаласы жарияланбады; бірақ оның сәулелену және кванттық теорияға, (кейін) салыстырмалылық теориясына деген қызығушылығы осы ертедегі, тоқтатылған күш-жігерден туындады. Өзінің еңбек жолын бастаған кезден бастап Льюис өзін химияшы да, физик те деп санады.

Валенттілік теориясы

1902 жылы Льюис лекцияларында жарияланбаған кубикалық атомдардың суреттерін қолдана бастады, онда кубтың төбелері электронның болу мүмкіндіктерін көрсетеді. Кейін Льюис осы жазбаларын 1916 жылғы химиялық байланыс туралы классикалық мақаласында өз идеяларының алғашқы көрінісі ретінде сілтеме жасайды. Льюис Гарвардта оқыған жылдары қалыптасқан үшінші маңызды қызығушылығы – оның валенттілік теориясы. 1902 жылы студенттеріне валенттілік заңдарын түсіндіруге тырысқанда, Льюис атомдардың әр төбесінде электроны бар концентрлі кубтардан тұратыны туралы ойға келді. Бұл «кубикалық атом» периодтық жүйедегі сегіз элементтің айналымын түсіндірді және химиялық байланыстардың электрон алмасу арқылы қалыптасатыны және әр атомға сегіз электронның толық жиынтығын беретіні туралы қабылданған сеніммен сәйкес келді. Валенттіліктің бұл электрохимиялық теориясы 1904 жылы Ричард Абеггтің еңбегінде ең толыққанды түрін тапты, бірақ Льюис нұсқасы нақты атомдық модельде бейнеленген жалғыз нұсқа болды. Алайда, Льюис теориясы Гарвардтағы оқытушыларын қызықтырмады, өйткені сол кездегі көптеген американдық химиктер сияқты, олар мұндай болжамдарға құштар емес еді. Льюис кубикалық атом теориясын жариялаған жоқ, бірақ 1916 жылы ол ортақ электрондық жұп байланысы теориясының маңызды бөлігіне айналды. 1916 жылы ол «Атом және молекула» атты химиялық байланыс туралы классикалық мақаласын жариялады, онда электрон жұбымен байланысқан ковалентті байланыс идеясын қалыптастырды және электрон бөліспеген жағдайда «еркін радикал» терминін анықтады. Ол сондай-ақ кейін Льюис нүктелік формулалары деп аталатын және кубикалық атом моделін де енгізді. Химиялық байланыс туралы бұл идеяларды Ирвинг Лангмюр кеңейтті және Линус Паулингтің химиялық байланыстың мәнін зерттеулеріне түрткіс берді.

Қышқылдар мен негіздер

1923 жылы ол қышқыл-негіз реакцияларының электрондық жұп теориясын қалыптастырды. Бұл қышқылдар мен негіздер теориясында "Льюис қышқылы" – электрон жұптарын қабылдаушы, ал "Льюис негізі" – электрон жұптарын беруші зат болып табылады. Осы жылы ол химиялық байланыс теориялары бойынша монография жариялады. Дж. Уиллард Гиббстің жұмысына сүйене отырып, химиялық реакциялар қатысушы заттардың еркін энергиясымен анықталатын тепе-теңдікке жететіні белгілі еді. Льюис 25 жыл бойы әртүрлі заттардың еркін энергиясын анықтаумен айналысты. 1923 жылы ол Мерл Рэндаллмен бірлесіп осы зерттеудің нәтижелерін жариялады, бұл қазіргі заманғы химиялық термодинамиканы қалыптастыруға көмектесті.

Ауыр су

Льюис 1933 жылы деутерий оксидінің (ауыр судың) таза үлгісін алғаш рет жасады және ауыр судағы тіршілік пен өсу формаларын зерттеуді алғаш рет жүзеге асырды. Эрнест О. Лоуренстің циклотронында дейтеронды (дейтерий ядросын) үдету арқылы ол атом ядросының көптеген қасиеттерін зерттей алды. 1930 жылдары ол Гленн Т. Сейборгтың ғылыми жетекшісі болды, ол докторлық жұмысын Льюисдің жеке зерттеушісі ретінде атқарды. Сейборг 1951 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығын жеңіп алды және тірі кезінде оның құрметіне Сейборгиум элементы аталды.

O4 Тетрооксиген

1924 жылы Льюис сұйық азоттағы оттегінің ерітінділерінің магниттік қасиеттерін зерттеу арқылы O4 молекулаларының түзілгенін тапты. Бұл төрт атомды оттегінің алғашқы куәсі болды.

Салыстырмалылық және кванттық физика

1908 жылы ол салыстырмалылық туралы бірнеше мақаланың біріншісін жариялады, онда ол масса-энергия байланысын Альберт Эйнштейннен өзгеше жолмен есептеп шығарды. 1909 жылы ол Ричард С. Толманмен бірлесіп, өзінің әдістерін арнайы салыстырмалылық теориясымен үйлестірді. 1912 жылы Льюис пен Эдвин Бидвелл Уилсон математикалық физика саласында маңызды еңбек ұсынды, ол синтетикалық геометрияны кеңістік-уақытты зерттеуге ғана емес, сонымен қатар кеңістік-уақытты қысу бейнелеуінің және Лоренц түрлендіруінің бірдей екенін көрсетті. 1926 жылы ол сәулелену энергиясының (жарықтың) ең кішкентай бірлігі үшін "фотон" терминін енгізді. Алайда, Nature журналына жазған хатының нәтижесі оның күткенінен басқаша болды. Хатында ол фотонның энергия емес, құрылымдық элемент екенін ұсынды. Ол фотондар санын жаңа айнымалы ретінде қарастыру қажеттігін атап өтті. Оның теориясы 1905 жылы Альберт Эйнштейн енгізген жарықтың кванттық теориясынан ерекшеленсе де, оның аты Эйнштейннің "жарық кванты" (неміс тілінде Lichtquant) деп атаған нәрсеге берілді.

Басқа жетістіктер

1921 жылы Льюис күшті электролиттердің массалық әрекет заңына бағынбауын сипаттайтын эмпирикалық теңдеуді алғаш ұсынды, бұл мәселе физикалық химиктерді жиырма жыл бойы толғандырып келді. Оның иондық күш деп аталатын эмпирикалық теңдеулері кейін 1923 жылы жарияланған күшті электролиттерге арналған Дебье-Хюкель теңдеуімен сәйкес екені дәлелденді. Өмірінің барысында Льюис осы мақалада айтылғандардан өзге де көптеген тақырыптар бойынша жарияланым жасады, олар жарық кванттарының сипатынан бастап бағаны тұрақтандыру экономикасына дейін қамтыды. Өмірінің соңғы жылдары Льюис және оның соңғы ғылыми әріптесі Майкл Каша органикалық молекулалардың фосфоресценциясының қозған триплеттік күйдегі (екі электронның спин векторлары бір бағытта орналасқан, бірақ әртүрлі орбитальдарда) бір электроннан жарық шығару арқылы жүзекететінін анықтады және осы триплеттік күйдің парамагнетизмін өлшеді.