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17 ある化学者の夢
建築の学生から化学教授となったフリードリヒ・アウグスト・ケクレ(一八二九〜一八九六)は、また白日夢にふける人でもあった。
ケクレは一八二九年ドイツのダルムシュタッ卜で生まれた。
高校を出たあと、大学で建築の勉強をはじめたが、すぐに化学に変った。@
ずっと後になって、彼は原子がどんなふうにつながって分子をつくるかという問題の研究で世界的に有名になった。
若いころ建築に興味をもったことが、彼に分子の構造を研究する気をおこさせたのかもしれない。
17.1 ケクレと化学結合
十九世紀の半ばごろ、化学者たちは各元素に、それの結合する力を示す数つまり原子価をわりあてた。
たとえば水素には結合力の一単位をあたえ、酸素には二単位、窒素には三単位、炭素には四単位をあたえた。
ケクレはこの研究の先頭に立ったひとりで、原子を表わすのに次に示すような小さい画を使った(これらはケクレのソーセージとよばれた)。
彼はこれら原子の画を組み合わせて分子を表わした。
たとえば二酸化炭素の分子をいちばん下の画のように示した。 |
原子価を示すケクレのソーセージ。
上四つは原子、下は分子
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けれども大部分の化学者はもっと簡単な書き方を好んだので、原子のつながりを短い線で表わすように変えた。
たとえばメタン、クロロホルム、二酸化炭素をこの方法で表わすと右の図のようになる。
各原子記号につけた線の数はそれがもつ結合力の単位の数に等しい。 |
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ケクレは、エタン分子のように炭素原子を二つ含んでいる分子の構造をえがくのにかなり困難を感じた。
エタン分子は炭素二原子と水素六原子を含んでいる。
だから、その構造の中に炭素原子がもつ結合線を合計八本(四かける二)書かなければならないが、水素の結合線は全部で六本しかない。
彼は大胆に問題にとりくんだ。彼自身の言葉を借りれば、分子は「最も簡単な、したがって最もあたりまえな構造をもっている」と仮定した。
だから、エタン分子の構造は次のように書かれることになる。
二つの炭素原子をつなぐ結合線は、各炭素原子が一本ずつ提供してつくっているのがわかるだろう。 |
エタン
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17.2 バスの中の夢
一八五四年ケクレは化学の派遣講師としてイギリスにわたった。
ロンドンに住んでいる間に、原子の結合に関するアイディアが浮かんだ。
次の物語は、一八九〇年のドイツ化学会での演説で打ち明けたものだが、それによると、科学史全体を通じてこれくらい重要な結果を生んだバス旅行はほかになかったといえよう。
「私がロンドンに滞在してにいるあいだ、一時、下院に近いクラファム・ロードに住んだ。
しかし私はよく、この巨大都市の反対側のすみアイリントンにある友人ヒューゴー・ミラーの家にいって夜をすごした。
私たちはいろいろなことについておしゃべりしたが、私たちの最愛の化学に関する話題がいちばん多かった。
ある晴れた夜、私は帰途の最終バスに乗り、いつものとおり二階席に坐っていた。
バスは首都の大通りを走っていったが、ほかの時刻なら人でいっぱいなのに、もうまるで人気(ひとけ)がなかった。
私はぼんやり夢想にふけった。みよ、目の前に原子がはねまわっていた。
今まで、このちっぽけな存在が私の前にあらわれたときは、必ずめまぐるしく動きまわっていた。
しかしそのときまで、私はその運動の本質を認識することができなかった。
けれども今は、二つの原子が結びついて対をつくっているところ、大きい原子が二つの小さな原子を抱きこんでいるところ、もっと大きな原子が三つまたは四つの原子をしっかりつかまえているところがみえた。
全体がめまぐるしくぐるぐるおどりまわっている間に、大きい原子が次々につながって鎖をつくり、その鎖の端だけに小さい原子をくっつけているのをみた。
『次はクラファム・ロード』と叫ぶ車掌の声に、私は夢からさめた。
しかし私はその晩おそくまでかかって、夢にみた形を紙の上にスケッチだけでも書きとめた。」A |
彼が夢の中でみた小さい原子は、結合線を一本しかもっていないもので、大きい原子は線を二本もち、もっと大きい原子は線を三本か四本もっていた。
二つの小さい原子が結びついて対をつくるとは、たとえば、水素原子H一つと塩素原子Cl一つが、彼の「夢の対」としての塩化水素の分子つまりH−Clをつくることだった。
この分子では二つの原子がそれぞれ一個の結合線をもっていて、それがつながって一本の線をつくる。
同じように、大きい原子が二つの小さい原子を 抱きこむとは、たとえば一つの酸素原子Oが二つの水素原子Hを抱きこんで水の分子つまりH-0-Hをつくることだった。
またもっと大きい原子が三つか四つの小さい原子をつかまえるとは、たとえばそれぞれ次に示すようなアンモニア分子やメタン分子ができる場合だった。 |
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17.3 自分の尾をくわえるヘビ
けれどもケクレにはまだ解かねばならない問題がたくさんあり、とくにベンゼンとよばれる化合物が難物だった。
この物質の分子は炭素原子を六つふくんでおり、従って炭素全部で結合線が二十四本あるが、ほかには水素原子が六個あるだけで、水素全体で結合線は六本しかない。
だから問題は、二十四本もの炭素の結合線と水素のたった六本の結合線がちょうどうまく勘定が合うような構造をえがきだすことだった。
この問題を解くかぎは、またしても夢の中であたえられた。
ある晩ケクレはゲントにある家で、椅子にすわって火にあたりながらうたた寝(ね)していた。
彼はその夢のことを次のように描写している。
「ある晩のこと、私は椅子に坐って自分の教科書を書いていた。だがその仕事は進まなかった。
私の考えは別のところにあった。私は椅子を暖炉の火のほうにまわして、ウトウトまどろんだ。
またもや目の前に原子がはねまわっていた。こんどは小さい原子はつつましくうしろのほうにひかえていた。
私の心の目は、この種の光景をくりかえし見たため、いちだんと鋭くなっていたので、こんどはいろいろな形をしたもっと大きな構造を見分けることができた。
たくさんの長い列が、互いにぴったりよりそって、ねじれたり巻きついたりしながらヘビのような運動をしていた。
だがみよ!これは何だろう?
一ぴきのヘビが自分の尾をくわえ、輪になって、私の目の前でふざけたようにぐるぐるまわった。
まるで閃光に打たれたように私は目をさました。
そしてこんどは私は徹夜してこの仮説から出る結論を組み立てた。」 |
ケクレの夢
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「夢に学ぼう」とケクレはつづけている。
「そりすれば私たちはたぶん真理を発見するだろう。けれどもめざめた心で理解し証明しないうちにその夢を公表しないよう用心しよう。」B
夢の中で彼の「心の目」は、原子が長い列をつくってベンゼンの分子となるのを見てとった。そのようすが右の図に表わしてある。 |
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各炭素原子に四本の結合線をわりあてるには、図に示すとおり、炭素原子どうしの間に三つの二重結合をはさまなければならなかった。
しかし、列の中の最初の炭素原子の結合線一本と、最後の炭素原子の結合線一本は、まだ相手なしの宙ぶらりんのままでいる。
これと同じ原子の列が、彼の夢の中で「煙のヘビ」となってうねり、巻きついていた。
ついで夢の中で、彼は一ぴきのヘピが自分の尾をくわえるのをみた。
それからヒントをえて、彼は最初の炭素原子のあまった宙ぶらりんの結合線を、最後の炭素原子のそれにつないだ。
こうして彼は「鎖を閉じ」、六つの炭素原子が全部手をつないだ輪を得た。
人間の同じ家族のひとりひとりが同じ特徴をもつように、共通した特徴をもつ多くの物質がある。
ケクレは、ベンゼン族の各メンバーが、ほとんどすべての化学反応に際して、炭素原子を最低六個含む分子から成る生成物を生じることを知った。
そこで彼は、この族のすべてのメンバーは、六個の炭素原子がぐるりと輪につながったグループを含んでいるにちがいないと考えた。
これらの考察から、彼はベンゼンの化学式を右のように書くことにした。 |
ベンゼン
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この六角形はベンゼン環またはベンゼン核とよばれる。
この形は、六個の炭素原子の結合が大変強くて、よほど激しい化学反応でないかぎり、
どんな反応をうけてもこわれず保存されることを示している。
ベンゼン環を略して、右のように書くことも多い。 |
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17.4 ベンゼンの構造決定とその影響
ベンゼン環をこんな形に書いたケクレの大胆な思いつきは、ずっとあとになって目のあたり実証された。
つまり、X線検査その他近代的なテストが発達したおかげで、ベンゼン分子の中で六個の炭素原子が六角形に並んでいることが疑う余地なく実証された。
ケクレの理論が直接もたらした成果は、これによって、化学者たちがそれまでうまく説明できなかったたくさんのことが、合理的に説明できるようになったことだった。
しかしその最終の結果のほうがきわめて重要だった。
というのは、ベンゼン核の存在を仮定したおかげで、化学者たちはベンゼンに縁の近いほかのたくさんの物質――すべて化学式の中にこの核を含んでいる――をつくったり、合成したりすることができるようになったのだ。
ジャップ教授は、ケクレの追悼講演の終わりに、次のようにのべた。
「ケクレの予言の正確さは、ほかの研究者のどの予言にもまさって、化学の演繹(えんえき=理論)的な側面に大きく貢献した。
彼の仕事は観念の力の実例として卓越した地位をしめている。
少数の化学記号を紙の上に書きとめ、線でつないだだけの一つの式が、たっぷり一世代の間、有機化学者に仕事とインスピレーションを供給し、歴史上未だかつてなかった複雑きわまる産業に指導をあたえた。
ケクレが敷いた線の上に、まだこれからなされるべき研究がたくさんのこっているが、これがのこらず達成されたあかつきには、アウグスト・ケクレ以上に感謝を受ける権利のある人はいないだろう。」C |
出典
@ABCF・R・ジャップ『ケクレ追悼講演』ロンドン化学会(一八九七)。
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