A XIX. század nagy felismerése

A benzol szerkezete
Simonyi Miklós
kémia, benzol, Josef Loschmidt, Friedrich August Kekulé
szóelválasztás

Részlet egy német vállalat táblázatából, amelyik évről-évre feltünteti a kémia területén elért legnagyobb eredményeket:

Avogadro 1811-ben posztulálta, hogy azonos térfogatú, hőmérsékletű és nyomású gázokban azonos számú molekula található, de a számot nem tudta megadni. A pontos értéket Loschmidt határozta meg 1865-ben, így a Loschmidt-szám és az Avogadro-szám ugyanazt jelenti.

A Loschmidt-szám (Avogadro-szám) meghatározása,
a BASF megalapítása, Kekulé benzol-elmélete

A Badische Anilin und Soda Fabrik (BASF) hatalmas vegyipari vállalat, kapcsolatai 200 országra terjednek ki, hazánkban is három telephellyel működik. A vállalatcsoport összárbevétele 2009-ben meghaladta az 50 milliárd eurót. A céget 1865-ben egy lámpagyújtó alapította. Eleinte kátrányt, később festékeket gyártott. A XX. század elején Fritz Haber bemutatta a cégnek az ammóniaszintézis folyamatát, aminek technológiai megvalósítását Carl Bosch végezte el (lásd Ammóniagyártás című cikkünket a Kémiai Panoráma 8. számában). 1914-től a BASF napi 20 tonna ammóniát állított elő. Az I. világháború alatt a cég robbanóanyagokat is gyártott, de az 1921-ben bekövetkezett robbanás (565 áldozat!) után a vállalat a Bayerrel és több más céggel egyesülve megalapította az IG Farbent, elvesztve ezzel függetlenségét. Ezután a cég története nem fényes, mert együttműködött a nácikkal és részt vett a gázkamrákban használt Zyklon B gyártásában is. A háborút követően a szövetségesek feloszlatták a céget („IG Farben to be dissolved”. BBC News–Business, Kiadó: BBC News). A vállalat 1952-ben újraalakult eredeti nevén.

Friedrich August Kekulé (1829–1896) német szerves kémikus az 1850-es évektől haláláig elvitathatatlan tekintély volt a tudományban. Neki tulajdonítják a kémiai szerkezet elméletének megalapítását. 1847-ben iratkozott be a Giessen-i Egyetemre, hogy építészetet tanuljon, de amikor Justus Liebig előadásait hallgatta, elhatározta, hogy vegyész lesz. Doktorátusát 1852-ben szerezte meg. Rövid ideig dolgozott Párizsban, Churban (Svájc) és Londonban, mielőtt 1856-ban Heidelbergben kapott egyetemi állást. 1858-ban professzor lett Ghent egyetemén, majd 1867-től a Bonn-i Egyetemen, ahol maradt is pályája végéig.

NDK bélyeg Kekulé születésének 150-ik évfordulójára

A kémiai szerkezetre vonatkozó elméletét a négy vegyértékű szénatomra alapozta azzal kiegészítve, hogy a szénatomok egymáshoz is kapcsolódhatnak [1]. Utóbbi felismerést Kekulétől függetlenül Archibald Cooper is megtette [2], aki az első szerkezeti formulákat is megalkotta azáltal, hogy vonalakkal szimbolizálta az atomok közötti kötéseket.

Kekulé leghíresebb eredménye a benzol szerkezete. 1865-ben franciául publikálta felismerését [3], majd 1866-ban hosszabban kifejtve német nyelven [4].

Kekulé eredeti benzol formulái

A formulák összhangban voltak az ismert kétszer szubsztituált izomerek számával (orto- meta- para-izomerek), de ellentmondtak annak, hogy csak egyféle orto izomer létezik függetlenül attól, hogy a két szomszédos szubsztituenst kötő szénatomokat egyes, vagy kettős kötés köti-e össze, ahogy ezt Kekulé egyik tanítványa, Albert Ladenburg kifejtette [5]. Ezért Kekulé módosította a benzol formulát mondván, hogy a két képlet egymás között oszcillál és ezért egyenértékű [6].

Kekulé módosított benzol formulái

A benzol és aromás vegyületek szerkezetének megértése olyan jelentőségű felismerés volt, hogy a Német Kémiai Társaság 1890-ben Benzolfest címen konferenciát rendezett Kekulé tiszteletére első benzol cikkének 25. évfordulóján. Ekkor Kekulé elmondta felfedezésének történetét [7]. Álmában megjelent egy kígyó, amelyik saját farkába harapott (az ókorból ismert uroborosz szimbólum).

Kekulé álma
A benzolgyűrű karikatúrája
NSZK bélyeg a benzol centenáriumára

Richard Anschütz – Kekulé rajongó tanítványa, titkára, életrajz-írója, majd utóda a Bonn-i Egyetem szerves kémiai professzori székében – újraolvasva mestere híres dolgozatát, amit 1865-ben a Francia Akadémiára nyújtott be [3], egy lábjegyzetet talált, amely szerint Kekulé a saját formuláit jobbnak tartotta, mint Loschmidt-ét. Anschütz nem tudta ki volt Loschmidt. Egy rövid hivatkozás a Liebig Évkönyvben útbaigazította: 1861-ben megjelent egy könyv, amit Loschmidt írt. Anschütz megszerezte egy bécsi kiadótól a könyvet (Constitutions – Formeln der organischen Chemie) és megdöbbent: 4 évvel Kekulé dolgozata előtt a könyv korrekt ábrákat közölt sok aromás vegyületről, elsőként ábrázolt kettős és hármas kötéseket, helyes ábrát közölt ózonról és megjósolta ciklopropán létezését 21 évvel korábban, mint azt előállították.

J. Loschmidt, Chemische Studien (Wien, Druck von Carl Gerold's Sohn, 1861)

Anschütz nem tudta elképzelni, hogy mestere látta Loschmidt könyvét. Évekkel később azonban talált egy levelet, amit Kekulé írt Erlenmeyernek 1862. január 4-én, csak hónapokkal Loschmidt könyvének megjelenése után. Ebben Kekulé úgy hivatkozik Loschmidt könyvére, mint „Confusions-Formeln”, azaz zavaros formulák. A gúnyos megjegyzés leleplező erejű volt: Anschütz belátta, hogy Kekulé ismerte Loschmidt könyvét évekkel korábban, mint ahogy a benzol gyűrűs szerkezetét javasolta.

Loschmidt könyve nem könnyű olvasmány. 47 oldalon sok képletet közöl, amelyek 7 kihajtható oldalt foglalnak el és türelmet igényel, amíg a formulák megfeleltethetők a szöveggel. Anschütz olvasmányosabb formában újraírta Loschmidt könyvét [9] és kimutatta, mennyivel korrektebb az ecetsav formulája Loschmidt szerint.

Részlet az egyik kihajtható oldalból

Loschmidt aromás szerkezetei 1861-ben [8]

Kettős és hármas kötések ábrázolása 1861-ben [8]

Johann Josef Loschmidt (1821–1895) Karlsbad (ma Karlovy Vary) mellett született 1821-ben egy szegény paraszti családban. Tehetségére a falu papja figyelt fel és meggyőzte a kis Josef szüleit, hogy taníttassák őt. Prágában járt középiskolát, majd a Károly Egyetemen tanult matematikát, de főként fizikusként ismeri a világ.

1841-től fizikát és kémiát tanult a Bécsi Egyetemen. Eleinte magánórákat adott, majd egy gimnázium alsóbb osztályaiban tanított. 1856-ban tanári képesítő vizsgát tett, fizika, kémia és algebra tanára lett egy bécsi reáliskolában. 1861-ben saját költségén adta ki „Chemische Studien, Constitutions-Formeln der organischen Chemie in graphischer Darstellung” című munkáját [10].

1865-ben az Osztrák Tudományos Akadémián előadást tartott a levegőmolekulák méretéről. A kinetikus gázelmélet segítségével viszonylag pontosan kiszámította a molekulák átmérőjét, és ennek segítségével megállapította az egy milliliter gázban található molekulák számát. Később ezt a számot Loschmidt tanítványa, Ludwig Boltzmann, professzorának tiszteletére, Loschmidt-számnak nevezte el. Ma Avogadro-számként ismerjük.

Loschmidt szerény ember volt, társadalmi karrierjét híres fizikusoknak köszönhette. 1866-ban Josef Stefan, a Bécsi Egyetem Fizikai Intézetének igazgatója egyetemi magántanárrá nevezte ki. 1869-ben tiszteletbeli doktorátust kapott és 1872-ben a fizikai kémia professzora lett. 1870-ben Osztrák Tudományos Akadémia felvette tagjai közé.

Ecetsav ma és 1861-ben [9]
Emléktábla Loschmidt lakóháza falán
(Wien 18, Lacknergasse 79)
Emlékbélyeg Loschmidt halálának 100. évfordulójára

Loschmidt munkájának ismeretlensége kárt okozott a kémikus közösségnek. A XX. század egyik legnagyobb tudományos eredménye annak bizonyítása, hogy a molekulák alakját a modellek hűen ábrázolják.

Ha Kekulé, a XIX. század híres professzora elismeri a névtelen középiskolai tanár, Loschmidt kémiai érdemeit, ahelyett, hogy képleteit zavaros formuláknak minősítené, a molekulamodellezés technikája már 100 évvel korábban kialakul.

[8]

A Benzolfest 100. évfordulóján az Amerikai Kémiai Társaság szimpóziumot rendezett. Loschmidt életét és munkásságát értékelve [11], 12 olyan kémiai eredményt mutattak ki amit Loschmidt írt le először. A konferencia anyagát „A Kekulé rejtély” című könyv foglalja össze [12]. A lényeget a kötet szerkesztője egy találó mondatban foglalja össze:

Egy álomhoz nem kell lábjegyzet, sem irodalmi hivatkozás.

IRODALOM

  1. Ueber die Constitution und die Metamorphosen der chemischen Verbindungen und über die chemische Natur des Kohlenstoffs Justus Liebigs Annalen der Chemie, 1858, 106, 129–159.
  2. Sur une nouvelle théorie chimique. Annales de chimie et de physique, 1858, 53, 488–489.
  3. Sur la constitution des substances aromatiques, 1865 Bulletin de la Societe Chimique de Paris 3, 98–110.
  4. Untersuchungen uber aromatische Verbindungen. Annalen der Chemie und Pharmacie, 1866, 137, 129–196.
  5. Bemerkungen zur aromatischen Theorie, Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, 1869, 2, 140–142.
  6. Ueber einige Condensationsprodukte des Aldehyds Annalen der Chemie und Pharmacie, 1872, 162, 86–89.
  7. Kekulé: Benzolfest Rede. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, 1890, 23, 1302–1311.
  8. R. Noe, A. Bader, Facts are better than dreams Chemistry in Britain 29 (1993). 126–128.
  9. J. Loschmidt, Chemische Studien 1, republished bv R. Anschütz in Ostwald’s Klassiker der exakten Wissenschaften, Nr. 190, Leipzig, 1913.
  10. J. Loschmidt, Chemische Studien. Wien, Druck von Carl Gerold's Sohn, 1861.
  11. W. J. Wiswesser, Aldrichimica Acta 1989, 22, 17–18.
  12. The Kekulé riddle, a challenge to chemists and psychologists. 1992, J. Wotiz (ed), Vienna, Illinois, Cache River.