Гилберт Луис

Малкумина хемичари оставиле толку длабока и тивка трага во науката како Гилберт Њутн Луис (Gilbert Newton Lewis, 1875 –1946), еден од највлијателните американски хемичари на XX век. Неговото дело го обликува современото разбирање на хемиските врски, термодинамиката и електронската структура на молекулите. Тој е човекот што ги „накити“ атомите со точки и го дефинираше електронскиот пар како темел на ковалентната врска. Покрај тоа, ја воведе модерната дефиниција на киселини и бази, ја изолираше тешката вода (D₂O), и ги проучи фосфоресценцијата и т. н. триплетна состојба – една од клучните идеи во фотохемијата. Неговиот ум бил како совршено урамнотежена лабораторија – прецизен, рационален и истовремено инспириран од филозофска љубопитност.

Луис уште како дете покажувал необична љубов кон експериментите. На десет години имал импровизирана лабораторија во подрумот на семејната куќа, каде со восхит гледал како солите ја менуваат бојата кога ќе ги загрее. Се школувал во Небраска, а потоа студирал хемија на Харвард, каде го освоил докторатот под менторство на Теодор Ричардс, нобеловец по аналитичка хемија. Неговата докторска дисертација се однесувала на електрохемијата на цинковите и кадмиумовите амалгами. Иако бил извонреден студент, Луис не бил типичен „универзитетски продукт“ – често се судирал со авторитетите и имал независен дух кој не трпел догми.

По краток престој во Германија, каде ги запознал идеите на Валтер Нернст, се вратил во САД каде во 1905 година станал професор на MIT (Massachusetts Institute of Technology), а во 1912 година бил назначен за декан и раководител на катедрата за хемија на Универзитетот во Калифорнија, Беркли. Таму ќе остане цели 34 години, создавајќи го еден од најдобрите хемиски факултети во Америка.

Револуционерни идеи: атом, електрон и врска

Најголемиот придонес на Луис е во разбирањето на хемиската врска. Во 1916 година, во својата знаменита статија "The Atom and the Molecule", тој првпат го претставил моделот во кој електроните се споделуваат меѓу атомите за да се постигне стабилност - концепт кој подоцна ќе се нарече ковалентна врска. Вовел и т. н. Луисови структури, со точки околу симболите на елементите што ги претставуваат валентните електрони.

Тој едноставен дијаграмски систем, кој денес го учат учениците ширум светот, претставува револуција во начинот на кој хемичарите ја замислуваат молекулата.

„Кубниот атом“ бил ран атомски модел во кој електроните биле позиционирани на осумте агли на коцка во неполарен атом или молекула. Оваа теорија била развиена во 1902 година од Луис и објавена во 1916 година во статијата „Атомот и молекулата“ и искористена за објаснување на феноменот на валентност.

„Хемиската врска,“ пишувал Луис, „е ништо друго освен споделување на пар електрони помеѓу два атоми. “
Во таа реченица е содржана целата модерна хемија на врските – од водородната молекула до ДНК.

По објавувањето на трудот, американскиот хемичар Ирвинг Ленгмјур ја проширил теоријата и вовел поимите ковалентна врскаи октетно правило, со што моделот на Луис станал централна догма во модерната хемија.

Во 1923 година, Луис ја заокружил својата теорија со монографијата Valence and the Structure of Atoms and Molecules, што станала основа на валентната теорија која подоцна ќе ја развие Линус Полинг во своето ремек-дело The Nature of the Chemical Bond (1939).

Главната област на истражување на Луис била хемиската термодинамика. Тој се соочил со големата празнина помеѓу теоретската рамка на Џ. В. Гибс (кој ја развил теоријата на слободната енергија) и огромната, но неорганизирана база на експериментални податоци за енталпиите на реакциите.

Луис си поставил двоен предизвик:

1. да ги измери недостигнатите вредности за слободната енергија и ентропијатана супстанците,
2. да најде начин да ја прошири термодинамиката на реални системи, а не само на идеални гасови и разредени раствори.

Тој го вовел поимот фугацитет – корекција на реалното однесување на гасовите што не се идеални. Во 1923 година, заедно со Мерл Рендал, ја објавил книгата "Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances", која станала библија на современата термодинамика.

Исто така, ја усовршил и концепцијата на активитет – реален начин да се пресметаат неидеалните концентрации на јоните во раствори. Со тоа, Луис поставил темели на хемиската рамнотежа и електрохемијата во нивната модерна форма.

• ·Фугаситет(f) е „ефективен притисок“ за реални гасови; за идеален гас f=p
• ·Активитет(a) ја изразува „ефективната концентрација“ за термодинамички процес; поврзан е со фугаситетот преку a=f/f^∘
• ·Хемискиот потенцијале основната врска: μ=μ∘+RTlna=μ∘+RTln(f/f∘)

Во 1923 година, Луис ја проширил традиционалната дефиниција на киселини и бази. Според неговата теорија:

• Киселина е честичка што прифаќа електронски пар (акцептор),

База е честичка што дава електронски пар (донор). 

А - Киселина    B - База

Со ова, тој ја прошири идејата за реактивност. Таа дефиниција денес е основа на неорганската и органската хемија, а нејзината едноставност и елеганција и по сто години не губат сила.

Во 1924 година, проучувајќи ги магнетните својства на раствори на кислород во течен азот, открил дека се формираат молекули O₄ (тетракислород) – прв доказ за постоење на тетратомски кислород. Ова откритие ја проширило нашата претстава за молекуларните форми на кислород, кои дотогаш се сметале исклучиво за диатомски (O₂).

Теоретските пресметки предвидоа постоењето на метастабилни молекули на O4 со две различни форми

Луис имал страст и за светлина. Тој ги проучувал фотохемиските процеси, особено како електроните преминуваат меѓу енергетски состојби под влијание на фотони. За него, секој зрак светлина бил можност да се открие уште една невидлива врска во микросветот. Тие студии придонеле за разбирањето на флуоресценцијата и фосфоресценцијата, појави кои денес се применуваат во ласери, органски диоди и биолошка сензорика.

Покрај хемијата, Луис објавувал и шпекулативни трудови за физика и филозофија на науката. Во 1926 година, Луис го воведува терминот „фотон“ – за најмалиот квант на светлината.
Сепак, тој под „фотон“ не мислел на честичка на енергија, како што го сфаќаме денес, туку на структурна единица на зрачењето, чиј број би требало да се земе како нова физичка променлива. Иако неговата идеја се разликувала од квантната теорија на светлината на Ајнштајн (1905), токму неговиот збор -фотон- останал трајно во научната терминологија. .
Во 1908 година објавил труд во кој на поинаков начин од Ајнштајн ја изведува релацијата помеѓу масата и енергијата (E = mc²). Следната година, заедно со Ричард Толман, ги комбинирал своите идеи со специјалната теорија на релативност.

Во 1909 година го објавил и првиот американски труд за Ајнштајновата теорија на релативноста, а подоцна пишувал за векторска анализа, квантни полиња, статистичка механика и дури и термодинамика на глечерите. Дел од тие идеи ги собрал во својата последна книга The Anatomy of Science (1926).
А во 1912 година, со математичарот Едвин Вилсон, објавиле капитално дело во кое со примена на синтетичка геометрија во простор-времето покажале дека Лоренцовата трансформација може да се претстави како „притисок“ во четиридимензионален простор.

Гилберт Луис бил познат по својот саркастичен хумор и интелектуална строгост. Тој бил учител со авторитет, но иако многумина го сметале за студен човек, неговите ученици подоцна сведочеле дека имал извонредно чувство за правда и дека го ценел умот повеќе од дипломата.
Сепак, постоела сенка во неговиот живот: никогаш не добил Нобелова награда, иако бил номиниран повеќе од 30 пати. Причините остануваат нејасни - делумно поради конфликти со влијателни колеги, особено со Волтер Нернст и Ирвинг Ленгмјур. Иронијата е што Ленгмјур ја добил наградата во 1932 година за работа која се темели токму врз концептите што ги вовел Луис.

Во 1946 година, на 70-годишна возраст, Луис бил пронајден мртов во својата лабораторија во Беркли, со сина нијанса на усните и шолја кафе покрај телото. Во просторијата имало испарувања на цијановодород (HCN)- силно токсичен гас.

Некои сметаат дека станало збор за несреќа, други дека можеби било самоубиство, поттикнато од депресија и горчина поради неуспехот да ја добие Нобеловата награда. Неговите колеги молчеле – можеби од почит, можеби од тага.

Денес, името на Луис стои во речиси секој хемиски учебник. Од „Луисови структури“ до „Луисови бази“, неговите идеи се дел од секоја формула, секоја врска и секој атомски модел што студентите го цртаат.
Тој не бил само хемичар - бил мислител што го претвори електронот во симбол на поврзаност, не само меѓу атомите, туку и меѓу луѓето што ја бараат вистината во науката.
Гилберт Н. Луис беше човек што го разбираше светот преку ред, симетрија и енергија. Светот можеби не му ја даде наградата што ја заслужи, но му го даде највредното признание – неговото име стана јазик на хемијата.
Како што еднаш рекол еден негов студент:
„Луис не ја измисли хемијата. Тој ја направи логична. “