Гилберт Льюис – американ физик-химигі (1875-1946). Гарвардтағы және MIT-дегі қызметі, Филиппин салмақтары мен өлшемдер басқармасындағы жұмысы туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Америкалық физикалық химик (1875–1946)
American physical chemist (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.
After his stay in Nernst's lab, Lewis returned to Harvard in 1901 as an instructor for three more years. He was appointed instructor in thermodynamics and electrochemistry. In 1904 Lewis was granted a leave of absence and became Superintendent of Weights and Measures for the Bureau of Science in Manila, Philippines. The next year he returned to Cambridge, Massachusetts when the Massachusetts Institute of Technology (MIT) appointed him to a faculty position, in which he had a chance to join a group of outstanding physical chemists under the direction of Arthur Amos Noyes. He became an assistant professor in 1907, associate professor in 1908, and full professor in 1911.
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.
G. N. Lewis left MIT in 1912 to become a professor of physical chemistry and dean of the College of Chemistry at the University of California, Berkeley. On June 21, 1912, he married Mary Hinckley Sheldon, daughter of a Harvard professor of Romance languages. They had two sons, both of whom became chemistry professors, and a daughter. In 1913, he joined the Alpha Chi Sigma at Berkeley, the professional chemistry fraternity. Lewis' graduate advisees at Berkeley went on to be exceptionally successful with the Nobel Committee. 14 Nobel prizes were eventually awarded to the men he took as students. The best known of these include Harold Urey (1934 Nobel Prize), William F. Giauque (1949 Nobel Prize), Glenn T. Seaborg (1951 Nobel Prize), Willard Libby (1960 Nobel Prize), Melvin Calvin (1961 Nobel Prize). Due to his efforts, the college of chemistry at Berkeley became one of the top chemistry centers in the world. While at Berkeley he also refused entry to women, including preventing Margaret Melhase from conducting graduate studies. Melhase had previously co discovered Cesium 137 with Seaborg as an undergraduate. In 1913, he was elected to the National Academy of Sciences. He was elected to the American Philosophical Society in 1918. He resigned in 1934, refusing to state the cause for his resignation; it has been speculated that it was due to a dispute over the internal politics of that institution or to the failure of those he had nominated to be elected. His decision to resign may also have been sparked by his resentment over the award of the 1934 Nobel Prize for chemistry to his student, Harold Urey, for his 1931 isolation of deuterium and the confirmation of its spectrum. This was a prize Lewis almost certainly felt he should have shared for his efforts to purify and characterize heavy water.
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.
On 23 March 1946, a graduate student found Lewis's lifeless body under a laboratory workbench at Berkeley. Lewis had been working on an experiment with liquid hydrogen cyanide, and deadly fumes from a broken line had leaked into the laboratory. The coroner ruled that the cause of death was coronary artery disease, because of a lack of any signs of cyanosis, but some believe that it may have been a suicide. Berkeley Emeritus Professor William Jolly, who reported the various views on Lewis's death in his 1987 history of UC Berkeley's College of Chemistry, From Retorts to Lasers, wrote that a higher up in the department believed that Lewis had committed suicide.
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.
Most of Lewis’ lasting interests originated during his Harvard years. The most important was thermodynamics, a subject in which Richards was very active at that time. Although most of the important thermodynamic relations were known by 1895, they were seen as isolated equations, and had not yet been rationalized as a logical system, from which, given one relation, the rest could be derived. Moreover, these relations were inexact, applying only to ideal chemical systems. These were two outstanding problems of theoretical thermodynamics. In two long and ambitious theoretical papers in 1900 and 1901, Lewis tried to provide a solution. Lewis introduced the thermodynamic concept of activity and coined the term "fugacity". His new idea of fugacity, or "escaping tendency", was a function with the dimensions of pressure which expressed the tendency of a substance to pass from one chemical phase to another. Lewis believed that fugacity was the fundamental principle from which a system of real thermodynamic relations could be derived. This hope was not realized, though fugacity did find a lasting place in the description of real gases. Lewis’ early papers also reveal an unusually advanced awareness of J. W. Gibbs's and P. Duhem's ideas of free energy and thermodynamic potential. These ideas were well known to physicists and mathematicians, but not to most practical chemists, who regarded them as abstruse and inapplicable to chemical systems. Most chemists relied on the familiar thermodynamics of heat (enthalpy) of Berthelot, Ostwald, and Van ’t Hoff, and the calorimetric school. Heat of reaction is not, of course, a measure of the tendency of chemical changes to occur, and Lewis realized that only free energy and entropy could provide an exact chemical thermodynamics. He derived free energy from fugacity; he tried, without success, to obtain an exact expression for the entropy function, which in 1901 had not been defined at low temperatures. Richards too tried and failed, and not until Nernst succeeded in 1907 was it possible to calculate entropies unambiguously. Although Lewis’ fugacity based system did not last, his early interest in free energy and entropy proved most fruitful, and much of his career was devoted to making these useful concepts accessible to practical chemists. At Harvard, Lewis also wrote a theoretical paper on the thermodynamics of blackbody radiation in which he postulated that light has a pressure. He later revealed that he had been discouraged from pursuing this idea by his older, more conservative colleagues, who were unaware that Wilhelm Wien and others were successfully pursuing the same line of thought. Lewis’ paper remained unpublished; but his interest in radiation and quantum theory, and (later) in relativity, sprang from this early, aborted effort. From the start of his career, Lewis regarded himself as both chemist and physicist.
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.
About 1902 Lewis started to use unpublished drawings of cubical atoms in his lecture notes, in which the corners of the cube represented possible electron positions. Lewis later cited these notes in his classic 1916 paper on chemical bonding, as being the first expression of his ideas. A third major interest that originated during Lewis’ Harvard years was his valence theory. In 1902, while trying to explain the laws of valence to his students, Lewis conceived the idea that atoms were built up of a concentric series of cubes with electrons at each corner. This “cubic atom” explained the cycle of eight elements in the periodic table and was in accord with the widely accepted belief that chemical bonds were formed by transfer of electrons to give each atom a complete set of eight. This electrochemical theory of valence found its most elaborate expression in the work of Richard Abegg in 1904, but Lewis’ version of this theory was the only one to be embodied in a concrete atomic model. Again Lewis’ theory did not interest his Harvard mentors, who, like most American chemists of that time, had no taste for such speculation. Lewis did not publish his theory of the cubic atom, but in 1916 it became an important part of his theory of the shared electron pair bond. In 1916, he published his classic paper on chemical bonding "The Atom and the Molecule" in which he formulated the idea of what would become known as the covalent bond, consisting of a shared pair of electrons, and he defined the term odd molecule (the modern term is free radical) when an electron is not shared. He included what became known as Lewis dot structures as well as the cubical atom model. These ideas on chemical bonding were expanded upon by Irving Langmuir and became the inspiration for the studies on the nature of the chemical bond by Linus Pauling.
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.
In 1923, he formulated the electron pair theory of acid–base reactions. In this theory of acids and bases, a "Lewis acid" is an electron pair acceptor and a "Lewis base" is an electron pair donor. This year he also published a monograph on his theories of the chemical bond. Based on work by J. Willard Gibbs, it was known that chemical reactions proceeded to an equilibrium determined by the free energy of the substances taking part. Lewis spent 25 years determining free energies of various substances. In 1923 he and Merle Randall published the results of this study, which helped formalize modern chemical thermodynamics.
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.
Lewis was the first to produce a pure sample of deuterium oxide (heavy water) in 1933 and the first to study survival and growth of life forms in heavy water. By accelerating deuterons (deuterium nuclei) in Ernest O. Lawrence's cyclotron, he was able to study many of the properties of atomic nuclei. During the 1930s, he was mentor to Glenn T. Seaborg, who was retained for post doctoral work as Lewis' personal research assistant. Seaborg went on to win the 1951 Nobel Prize in Chemistry and have the element seaborgium named in his honor while he was still alive.
O4 Тетрооксиген
1924 жылы Льюис сұйық азоттағы оттегінің ерітінділерінің магниттік қасиеттерін зерттеу арқылы O4 молекулаларының түзілгенін тапты. Бұл төрт атомды оттегінің алғашқы куәсі болды.
In 1924, by studying the magnetic properties of solutions of oxygen in liquid nitrogen, Lewis found that O4 molecules were formed. This was the first evidence for tetratomic oxygen.
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.
In 1908 he published the first of several papers on relativity, in which he derived the mass energy relationship in a different way from Albert Einstein's derivation. In 1909, he and Richard C. Tolman combined his methods with special relativity. In 1912 Lewis and Edwin Bidwell Wilson presented a major work in mathematical physics that not only applied synthetic geometry to the study of spacetime, but also noted the identity of a spacetime squeeze mapping and a Lorentz transformation. In 1926, he coined the term "photon" for the smallest unit of radiant energy (light). Actually, the outcome of his letter to Nature was not what he had intended. In the letter, he proposed a photon being a structural element, not energy. He insisted on the need for a new variable, the number of photons. Although his theory differed from the quantum theory of light introduced by Albert Einstein in 1905, his name was adopted for what Einstein had called a light quantum (Lichtquant in German).
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.
In 1921, Lewis was the first to propose an empirical equation describing the failure of strong electrolytes to obey the law of mass action, a problem that had perplexed physical chemists for twenty years. His empirical equations for what he called ionic strength were later confirmed to be in accord with the Debye–Hückel equation for strong electrolytes, published in 1923. Over the course of his career, Lewis published on many other subjects besides those mentioned in this entry, ranging from the nature of light quanta to the economics of price stabilization. In the last years of his life, Lewis and graduate student Michael Kasha, his last research associate, established that phosphorescence of organic molecules involves emission of light from one electron in an excited triplet state (a state in which two electrons have their spin vectors oriented in the same direction, but in different orbitals) and measured the paramagnetism of this triplet state.