הכימאי שהניח את הבסיס לחומצה

כל סטודנט טרי לכימיה נתקל בשבועות הראשונים ללימודיו במונחים "חומצה" ו"בסיס", הניצבים ביסוד הכימיה המודרנית. אחד משלושת האדונים המרכזיים שגיבש ופיתח את הבנת טבעם של הבסיסים והחומצות, היה הכימאי הבריטי תומס לַאוֹרִי (Lowry), שנולד ב-26 באוקטובר 1874, בעיצומו של העידן הוויקטוריאני.

תומס מרטין לאורי נולד בעיר בדפורד, בנו השני של איש דת מתודיסטי, ונצר לשרשרת דורות ארוכה של אנשי דת. בנעוריו התחנך בבית ספר בעיירה באת', ולאחר שהשלים את חוק לימודיו פנה להתמחות בכימיה בקולג' הטכני המרכזי של דרום קנזינגטון. כיום זהו חלק מהאימפריאל קולג', מוסד לונדוני יוקרתי. ב-1896 סיים לאורי את לימודיו העיוניים והחל את לימודי הדוקטורט בכימיה בהנחיית הנרי אדוארד ארמסטרונג (Armstrong). ארמסטרונג נחשב לאחד מהכימאים הראשונים ששילבו בעיסוקם המקצועי כימיה אורגנית עם כימיה פיזיקלית והממשקים ביניהן. במהלך הדוקטורט רכש לאורי כלים בשני תחומים מרכזיים: סטריאוכימיה, העוסקת בחקר המבנים המרחביים של מולקולות, וקריסטלוגרפיה, העוסקת בחקר המבנה הגבישי של חומרים. הוא חקר בעיקר חומרי טבע, ולכן בסיווג המקובל בימינו היינו כנראה אומרים כי לאורי היה כימאי אורגני בשלב הזה של חייו.

דילג בין הכימיה האורגנית לכימיה הפיזיקלית, וגם מצא קשרים ביניהן. תומס לאורי | מקור: SCIENCE PHOTO LIBRARY

כימיה לרפואה

לאורי לא הסתפק בהכשרה הזו, והעמיק בלימוד עצמי את ידיעותיו בכימיה פיזיקלית. את לימודי הדוקטורט סיים ב-1899, אך המשיך להיות עוזר המחקר המסור והנאמן של ארמסטרונג גם ב-14 השנים הבאות. במקביל לידע הניסיוני והתיאורטי שצבר בעבודתו כחוקר, החל לאורי לקנות לעצמו שם כמרצה מבוקש בשורה של מוסדות להשכלה גבוהה ברחבי בריטניה. ב-1912 מונה למרצה בבית החולים גאי (Guy's Hospital), ולימד כימיה את הסטודנטים לרפואה. כעבור זמן קצר מונה לחבר בחברה המלכותית וכן לפרופסור באוניברסיטת לונדון, שם הוא זכור עד היום כחבר הסגל הראשון שהגיע משורות הוראת הכימיה לפרחי רפואה.

במהלך מלחמת העולם הראשונה סבלה בריטניה ממחסור חמור בפגזים. בתחילת המלחמה הפגזים מולאו בחומר נפץ בשם לידיט, אך היה צריך לייבא אותו מחוץ למדינה. לאחר מכן הוחל השימוש ב-TNT, שהיה יקר מדי. ב-1917 נקרא לאורי לדגל, לנהל מפעל למילוי פגזים – תפקיד שאליו רתם את כישוריו המקצועיים, כשיזם את פיתוחו של חומר נפץ חדש בשם אמאטול (Amatol) מתערובת של TNT עם אמוניום ניטראט (NH₄NO₃). החומר החדש מילא כהלכה את צרכיה הצבאיים של בריטניה, והיא יצאה מהמלחמה כשידה על העליונה, כמובן לא רק בזכות האמאטול.

ב-1920 מונה לאורי לראש המחלקה לכימיה פיזיקלית באוניברסיטת קיימברידג', תפקיד שנתפר במיוחד עבורו, והוא נותר בקיימברידג' עד יומו האחרון.

אחד הכימאים החשובים בדורו. לאורי (עומד שישי משמאל) בוועידת סולביי של 1922, מפגש הפסגה של צמרת הכימיה העולמית | צילום: מוויקיפדיה, נחלת הכלל

המימן המדלג

אל התגלית שהכניסה אותו לספרי ההיסטוריה של הכימיה – הגדרת החומצה והבסיס – הגיע לאורי במקרה. מראשית ימיו במחקר ולאורך שנים ארוכות, הוא התעניין בחקר האינטראקציה היסודית ביותר בין אור וחומר: איך המעבר של אור דרך חומר משנה את האור עצמו. אחת התופעות שנחקרות בהקשר הזה היא סיבוב של מישור הקיטוב של האור ע"י העברתו דרך תמיסה. אור הוא למעשה קרינה אלקטרומגנטית ואפשר לייחס לו את תכונת הקיטוב, שהיא כיוון השדה החשמלי. התופעה של סיבוב מישור הקיטוב לא רק מעניינת בזכות עצמה, אלא אפשר לבחון באמצעותה את ההבדל בהרכב המרחבי של מולקולות שלכאורה אמורות זהות מבחינה כימית.

לאורי בחן מולקולות שהן נגזרות של חומר בשם קמפור (Camphor, C₁₀H₁₆O). במולקולות הללו יש אטום פחמן שאליו מחוברים אטום מימן וקבוצת הידרוקסיל (אטום חמצן ואטום מימן, OH), אלא ששני סידורים מרחביים באים בחשבון, כי המימן וההידרוקסיל יכולים להחליף ביניהם מקומות. בשני המקרים זו אותה המולקולה מבחינת ההרכב הכימי, אך המבנה המרחבי שלה שונה. המימן יכול לדלג בין שני המיקומים האפשריים בדרך שאותה כינה לאורי בשנת 1923 בשם "פרוטוטרופיה". הדילוג הזה מתרחש עד שיש כמויות זהות של כל אחד משני הסידורים והמערכת מגיעה לשיווי משקל בין שתי הצורות.

לאורי גילה כי אם מעבירים קרן אור דרך התמיסה של המולקולות, שנמצאת בדרך לשיווי המשקל, חל סיבוב הדרגתי של קיטוב האור. הטכניקה הזאת מאפשרת לעקוב בזמן אמת אחרי ההרכב הכימי-מרחבי המדויק של התמיסה הנחקרת, ולאחר תגליתו זו של לאורי – היא אכן יושמה למגוון רחב של מולקולות. כיום, מערכת ניסוי שבה מעבירים לייזר דרך תמיסת סוכר ובוחנים את הסיבוב של מישור הקיטוב נפוצה במעבדות הוראה לכימיה פיזיקלית.

שינוי הקיטוב מאפשר לעקוב אחר הרכב התמיסה. מכשיר ששימש לבחינת הריכוז של תמיסת סוכר באמצעות מדידה של קיטוב האור | צילום: Morphart Creation, Shutterstock

הגדרות חדשות

אך מה שעניין את הכימאים לא פחות מהמחקר רחב-היריעה לגבי התכונות האופטיות של המולקולות – ואפילו יותר – היו האבחנות החדות של לאורי לגבי טבעו של המימן המדלג. עד שטבע את המונח "פרוטוטרופיה", התפיסה הנהוגה באשר לחומצות ובסיסים הייתה פשוטה למדיי: חומצה היא מולקולה שבעת התפרקותה במים נפלט יון מימן, כלומר אטום מימן שמסר את האלקטרון שלו ונשאר עם מטען חיובי עודף, ולמעשה אינו אלא פרוטון יחיד, בעוד בסיס הוא מולקולה שבעת התפרקותה במים נפלטת קבוצת הידרוקסיל. את התיאוריה הזאת הציע הכימאי השוודי סוונטה ארהניוס (Arrhenius) עוד בשלהי המאה ה-19, והיא הייתה הסיבה העיקרית לפרס נובל בכימיה שהוענק לו בשנת 1903.

עם תגליותיו של לאורי, הוסרו המגבלות על הצורך בעירוב מים כחלק מהתיאוריה. החומצה והבסיס אינם מוגדרים על פי תוצרי הפליטה בעת התפרקותם במים, אלא לפי האינטראקציה שלהם זה עם זה: חומצה היא מולקולה שפולטת יון מימן, ובסיס הוא מולקולה שקולטת יון מימן. תוצרי התגובה בין החומצה לבסיס, נקראים בהמשך לכך "חומצה מצומדת" ו"בסיס מצומד". עוד טען לאורי כי ה"פרוטוטרופיה" היא מקרה פרטי של "יונוטרופיה", תופעה שבה באופן כללי יון כלשהו מתנתק ממולקולה. שני המונחים הללו לא שרדו את מבחן הזמן.

ב-1923, אותה שנה בה פרסם לאורי את מסקנותיו אלה, פרסם עמיתו הדני יוהנס ניקולאוס ברונסטד (Brønsted) מסקנות זהות באופן עצמאי ובלתי תלוי. בשונה מלאורי, ברונסטד היה כימאי פיזיקלי לאורך כל הקריירה שלו – והגיע לחקר החומצה והבסיס דרך חקר המהירויות של תגובות כימיות, תחום המכונה קינטיקה. התיאוריה מכונה כיום על שם שני מפתחיה, תיאוריית ברונסטד-לאורי. למרות חוזקה של התיאוריה, לא חלף אלא זמן קצר מאוד עד שהכימאי האמריקאי גילברט לואיס (Lewis) הציע שדרוג והכללה משמעותיים אף יותר. הוא טען כי יש להסתכל על בסיס וחומצה במונחים של תרומת אלקטרונים וקליטתם, במקום על פליטה או קליטה של יוני מימן. היסוד לטענתו זו הגיע בסיוע ממצאים ראשוניים של חקר המבנה האלקטרוני באטומים, והתגלה עם הזמן כתיאור שלם ומדויק יותר. עם זאת, תיאורם של ברונסטד ולאורי הוא פנומנולוגי ואינטואיטיבי יותר, ושימושי במקרים רבים, לכן הוא ממשיך להיות אבן יסוד בלימודי הכימיה גם כיום.

החומצה (משמאל) פולטת יון מימן והבסיס (מימין) קולט יון מימן, או פולט יון OH לפי ההגדה הישנה | איור: petrroudny43, Shutterstock

להבין את ההיסטוריה

מעבר לתרומתו לחקר האינטראקציה היסודית בין אור וחומר, וכמובן לתיאוריה הנקראת על שמו, השאיר אחריו לאורי כמות עצומה של נתונים שאסף לאורך השנים על חומרים שונים, ושימשו סטודנטים במשך דורות. הוא הקפיד לאורך עבודתו להעניק כבוד להיסטוריה המדעית, מה שהתבטא בספרו "מבוא היסטורי לכימיה" שיצא לראשונה ב-1915 והורחב פעמיים במהדורות נוספות. בתקופת פרסום תיאוריית החומצה והבסיס ובשנים הבאות, פרסם עוד ספרי לימוד על כימיה אי-אורגנית, כימיה פיזיקלית ועל תכונות אופטיות של מולקולות. את חלקם כתב עם עמיתיו.

בעשור האחרון לחייו המשיך לחקור תכונות אופטיות נוספות של חומרים, ובמשך שנתיים עמד בראש אגודת פאראדיי, אגודה מדעית לכימיה פיזיקלית, שבה היה פעיל שנים ארוכות. מחקריו של לאורי מתכתבים במידה מסוימת עם אלה של מייקל פאראדיי, שהתעניין בפעילות האופטית של חומרים שנים רבות לפי פריחתו של לאורי.

נשאר בקיימברידג' עד הסוף. תומס לאורי עם כלבו | צילום: Smith collection, Wikipedia

לאורי הלך לעולמו ב-2 בנובמבר 1936, ימים אחדים לאחר יום הולדתו ה-62. על פי הביוגרפיות הרשמיות שלו, סיבת מותו לא ברורה. הפיזיקאי מקס בורן (Born), שגורש מגרמניה עם עליית הנאצים לשלטון ב-1933, הגיע לקיימברידג' והתיידד שם עם לאורי, בטרם קיבל משרה קבועה באוניברסיטת אדינבורו, כתב באוטוביוגרפיה שלו כי הצטער לשמוע שלאורי שם קץ לחייו. עיון בתעודת הפטירה של לאורי לא מראה כל סימן להתאבדות, ואפשר שמקור השמועה בהתאבדותו של רופא שיניים בעל שם זהה. עם זאת, הסיבה למותו של לאורי בגיל צעיר יחסית נותרה עלומה. רמז לדעיכתו הבריאותית אפשר אולי לחפש בפרויקט האחרון שלו, שעסק בהיבטים הפיזיקליים של כימיה אורגנית, ושהוא נטש באמצע מסיבה שאינה ידועה. בסופו של דבר אחד מתלמידיו פרסם אותו בספר שנה לפני מותו של לאורי.

בלכתו הותיר תומס מרטין לאורי את אשתו אלייזה ואת שלושת ילדיהם הבוגרים. נאמר עליו כי "האמונה שבה דבק בנאמנות לאורך כל ימי חייו, היא שהבנה אמיתית של מדע יכולה להיעשות רק כאשר מבינים את ההתפתחות ההיסטורית שלו". תפיסתו זו היא עולם הולך ונעלם, אך כנראה היה מוצא נחמה בחותם שהטביע על הכימיה המודרנית ועודנו שריר כמעט 90 שנה לאחר מותו.

תודה לארז לוסטיג, תלמיד כיתה י"א בתיכון "יגאל אלון" בראשון לציון, על הרעיון לכתבה ועל הסיוע בהכנתה