Чем оказалась полезной теория химического строения
Основные положения теории химического строения
В 1860-х гг. А. М. Бутлеров сформулировал основные положения, ставшие впоследствии фундаментом теории строения органических соединений. Согласно этой теории:
атомы в органических молекулах соединены друг с другом в соответствии с валентностью, при этом углерод всегда четырехвалентен;
порядок соединения атомов в молекуле называется химическим строением;
свойства веществ определяются не только их составом, но и химическим строением;
атомы в молекулах оказывают взаимное влияние друг на друга;
исходя из строения молекулы можно предсказать свойства вещества, и, наоборот, на основании химических свойств можно предсказать строение вещества.
Углеводородные цепи могут быть как открытыми (алициклическими), так и замкнутыми (циклическими), как прямыми, так и разветвленными.
Определение
Гомологи — органические соединения, принадлежащие к одному классу веществ, обладающие сходным строением и свойствами, но отличающиеся друг от друга по составу на одну или несколько групп $СН_2$ и отвечающие одной общей формуле.
Способы отображения строения молекул. Формулы. Модели
Структуру вещества, то есть порядок соединения атомов в молекуле, отображает структурная формула, в которой связи между атомами (или группами атомов) изображаются в виде черточек: одна черточка означает одну связь или одну общую электронную пару. Поскольку углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен, то каждый атом углерода может образовывать четыре связи (четыре черточки).
По количеству соседних углеродных атомов, атомы углерода в молекуле подразделяются на первичные (один «сосед»), вторичные (два «соседа»), третичные (три «соседа») и четвертичные (четыре «соседа»). Так, концевые атомы в молекуле углеводородов всегда первичные, в линейных молекулах промежуточные атомы — вторичные, а в разветвленных могут появляться третичные и (или) четвертичные атомы углерода.
Для отображения органических молекул используют молекулярные или брутто-формулы, которые представляют собой сокращенную форму записи количественного и качественного состава.
Например, запись $С_2Н_6$ означает, что молекула вещества состоит из 2 атомов углерода и 6 атомов водорода. Для каждого класса органических соединений можно вывести общую формулу, отвечающую количественному составу всех гомологов. Эту формулу называют общей формулой гомологического ряда. Вещества, принадлежащие к одному классу, отвечают одной общей формуле.
Сравним структурные формулы простейших углеводородов: метана, этана и пропана.
Молекулярная формула метана СН$_4$, этана С$_2$Н$_6$, пропана С$_3$Н$_8$. Видно, что формула этана отличается от формулы метана на одну группу СН$_2$. Аналогично, состав молекул пропана и этана также отличается на одну группу СН$_2$. Следовательно, все эти вещества являются гомологами и относятся к гомологическому ряду метана. Прибавив к формуле пропана указанную гомологическую разницу СН$_2$, получим формулу следующего представителя этого гомологического ряда — С$_4$Н$_{10}$ (бутан):
Для состава С$_4$Н$_{10}$ можно изобразить еще одну структурную формулу:
Следовательно, веществ состава С$_4$Н$_{10}$ должно быть два, каждому из этих веществ соответствует своя структурная формула. Если первое вещество называется бутаном или н-бутаном, то второе — изобутаном. Бутан и изобутан — изомеры, так как у них одинаковый количественный состав, но разный порядок соединения атомов. Подробно с явлением изомерии и изомерами можно познакомиться в теме «Виды изомерии».
Для пространственного отображения структуры молекул органических веществ используют стереохимические формулы.
Стереохимическая формула показывает пространственное расположение атомов в молекулах органических веществ.
Например, пространственное строение этана можно отобразить стереохимической формулой или с помощью проекций Ньюмена, отображающих конформации этана, то есть расположение (поворот) метильных радикалов относительно одинарной С–С-связи:
Более подробно проекции Ньюмена будут рассмотрены в теме «Виды изомерии».
Для наглядности отображения пространственного строения органических молекул используют также разные модели. Наиболее распространенными являются шаростержневые модели, в которых атомы имеют форму шаров, а связи представлены в виде палочек. Одинарная связь — одна палочка, двойная связь — две палочки. Более достоверно истинную структуру молекул отображают масштабные (полусферические) модели:
Значение теории А. М. Бутлерова для развития химии и химического прогнозирования
ТХС органических соединений А. М. Бутлерова внесла существенный вклад в создание общенаучной картины мира, способствовала диалектико-материалистическому пониманию природы. Теория химического строения позволила:
систематизировать органические вещества;
решить спорные вопросы, возникшие к тому времени в органической химии;
прогнозировать существование неизвестных веществ и разработать методики их синтеза.
Современная систематизация огромного разнообразия органических веществ достаточно сложна, например, только класс углеводородов и их производных включает девять основных подклассов:
I. Углеводороды (R–H).
II. Галогенопроизводные (R–Hlg).
III. Спирты ($R–(OH)_n$).
IV. Эфиры простые и сложные (R–O–R’, R–C(O)OR’).
V. Карбонильные соединения (альдегиды и кетоны) (R–C(O)H; R–C(O)–R’).
VI. Карбоновые кислоты (R–COOH).
VII. Амины ($R–NH_2$, R–NH–R’, R–N(R’)–R»).
VIII. Нитросоединения ($R–NO_2$).
IX. Сульфокислоты ($R–SO_3H$).
К классу углеводородов можно также отнести ароматические углеводороды и циклоалканы. Число известных классов органических соединений не ограничивается перечисленными, оно велико и с развитием науки все время увеличивается. Вопросы классификации подробно рассматриваются в теме «Классификация органических соединений».
Все классы органических соединений взаимосвязаны. Переход от одних классов соединений к другим осуществляется в основном за счет цепочек химических превращений без изменения углеродного скелета. Органический синтез является основным инструментом при получении новых биологически активных соединений (лекарственных препаратов, косметических средств), красителей, люминофоров и т. д.
Источник
Одновременно с появлением атомно-молекулярной теории Дальтона — Авогадро перед учеными встал вопрос о взаимном расположении атомов в молекулах простых и сложных веществ.
В 1852 г. английский химик Эдуард Франкланд разработал учение о валентности. Он определил валентность как способность атомов одного элемента соединяться с определенным числом атомов другого элемента.
За единицу ее измерения была принята валентность атома водорода. В конце пятидесятых годов прошлого века немецкий ученый Август Фридрих Кекуле показал, что валентность В элемента есть частное от деления его атомной массы А на эквивалент Э:
В = А/Э
В 1858 г. А. Кекуле и молодой шотландский химик Арчибальд Скотт Купер одновременно и независимо друг от друга установили четырех валентность атома углерода и высказали предположение, что в органических соединениях атомы углерода могут соединяться между собой с образованием цепочек типа рис. выше.
Для предельных углеводородов А. Кекуле вывел общую формулу СnН2n+2
Что такое теория химического строения
В 1861 г. русский химик-органик Александр Михайлович Бутлеров высказал принципиально важное положение, что в химическом соединении каждый атом связан непосредственно (с помощью устойчивых и относительно закрепленных связей) или косвенно (через взаимное влияние) со всеми остальными атомами. Он выдвинул представление о «химическом строении» молекул как о порядке межатомных связей в них и сформулировал основное положение новой теории:
химические свойства молекулы определяются природой составляющих ее атомов, их общим количеством и порядком связи друг с другом.
Блестящим подтверждением правильности взглядов А. М. Бутлерова явилось объяснение некоторых случаев изомерии взаимным влиянием не связанных непосредственно атомов. В 1864 г. А. М. Бутлеров получил третичный бутиловый спирт (СН3)8С—ОН, существование которого было предсказано Германом Кольбе, вывел теоретически возможные формулы спиртов, содержащих от одного до пяти атомов углерода, и получил некоторые из них.
Далее он предсказал существование изомерии предельных углеводородов и синтезировал все изомеры, имеющие состав С4Н10. Один из очень немногих в то время сторонников новой теории Эмиль Эрленмейер предложил для непредельных углеводородов формулы с двойными (С = С) и тройными (С≡С) углерод-углеродными связями.
Большой вклад в развитие теории химического строения внес выдающийся немецкий химик-органик, близкий друг К. Маркса и Ф. Энгельса, Карл Шорлеммер. В отличие от большинства своих современников, этот ученый был сознательным сторонником диалектического материализма.
Именно знание диалектики и умение применить ее в конкретной области естествознания позволили К. Шорлеммеру заложить экспериментальную основу современной органической химии. В 1864 г. он установил, что все четыре валентности атома углерода равноценны.
Это открытие позволило ввести современные структурные формулы и разработать номенклатуру органических соединений. В последующие годы К. Шорлеммер изучил весь ряд предельных углеводородов и их производных до октана включительно.
Оценивая значение этих работ, Ф. Энгельс писал: «Тем, что нам сейчас известно об этих парафинах, мы обязаны главным образом Шорлеммеру. Он исследовал имеющиеся вещества, принадлежащие к ряду парафинов, отделил одни от других и многие из них впервые получил в чистом виде; другие вещества, которые теоретически должны были существовать, но в действительности не были еще известны, были открыты и получены также им. Таким образом, он стал одним из основоположников современной научной органической химии».
Рис. 2. Формулы бензола
В 1866 г. А. Кекуле распространил теорию химического строения на ароматические соединения. В частности, им была предложена знаменитая формула бензола:
И последствии изменился лишь способ ее написания. Однако ни формула Кекуле, ни другие ее варианты (Рис. 2) не смогли полностью объяснить некоторые, очень важные свойства бензола.
Причина особого химического поведения ароматических соединений оставалась загадкой вплоть до создания современной теории химической связи.
Рис. 3. Формула бензола
В семидесятые годы прошлого века теория химического строения обогатилась представлениями о пространственном расположении атомов в молекулах органических соединений. Голландский химик Якоб Хендрик Вант Гофф выдвинул гипотезу, смысл которой заключался в следующем: все четыре валентности атома углерода равномерно распределены в пространстве и направлены от центра правильного тетраэдра к его четырем вершинам. Эта гипотеза получила впоследствии теоретическое обоснование и была подтверждена экспериментально.
Статья на тему Теория химического строения
Источник
Основу теории, разработанной А.М. Бутлеровым, составляют следующие положения:
- 1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.
- 2. Соединение атомов происходит в соответствии с их валентностью.
- 3. Свойства веществ зависят не только от их состава, но и от их «химического строения», т.е. от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой.
Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886)
Александр Михайлович Бутлеров родился 25 августа 1828 г. в г. Чистополе Казанской губернии. В 1849 г. окончил Казанский университет, где его учителями были выдающиеся русские химики К.К. Клаус и Н.Н. Зинин.
После окончания университета Бутлеров был оставлен при нем для подготовки к профессорскому званию. В 1851 г. Бутлеров защитил диссертацию на тему «Об окислении органических соединений» и получил степень магистра, а в 1854 г., после защиты диссертации «Об эфирных маслах», он был утвержден в степени доктора и избран профессором Казанского университета.
В 1868 г. совет Петербургского университета по предложению Менделеева избрал Бутлерова ординарным профессором по кафедре органической химии, после чего вся его научная и педагогическая деятельность протекала в Петербурге.
C первых же шагов своей научной деятельности Бутлеров проявил себя блестящим экспериментатором и осуществил ряд замечательных синтезов. Экспериментаторский талант Бутлерова сочетается с широкими теоретическими обобщениями и научным предвидением. Бутлеров был убежден в возможности выразить формулами строение молекул химических соединений и притом сделать это путем изучения их химических превращений.
В 1861 г. Бутлеров выступает на съезде немецких естествоиспытателей и врачей с докладом «О химическом строении веществ». Этот доклад открыл целую эпоху в химии. Вернувшись в Казань, Бутлеров детально развивает новое учение.
В 1862—1863 гг. Бутлеров пишет «Введение к полному изучению органической химии», в котором располагает весь фактический материал органической химии на основе строго научной классификации, вытекающей из теории химического строения. Принятая в этой книге классификация органических соединений сохранилась в своих главных чертах до наших дней.
Бутлеров воспитал блестящую плеяду учеников, продолжавших развивать его идеи. Из его школы вышли такие выдающиеся ученые, как В.В. Марковников, А.Е. Фаворский и многие другие.
Таким образом, согласно теории Бутлерова, свойства веществ определяются не только их качественным и количественным составом, как считали раньше, но и внутренней структурой молекул, определенным порядком соединения между собой атомов, образующих молекулу. Эту внутреннюю структуру Бутлеров называл «химическим строением».
Особенно важной была идея Бутлерова о том, что атомы, соединяясь в определенной последовательности в соответствии с их валентностью, взаимно влияют друг на друга таким образом, что частично изменяется их собственная природа, их «химическое содержание». Так, свойства атома водорода существенно меняются в зависимости от того, соединен ли он с атомом хлора (в молекуле НС1), кислорода (в молекуле H2O) или азота (в молекуле NH3). В первом случае в водных растворах атом водорода сравнительно легко отщепляется от молекулы HCl в виде иона H+, что и обусловливает кислотные свойства хло- роводорода; от молекулы воды ион водорода отщепляется с гораздо большим трудом, так что кислотные свойства выражены у воды весьма слабо; наконец, для молекулы аммиака отщепление иона водорода еще менее характерно — аммиак ведет себя как основание. Особенно многообразно проявляется взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений.
Учение Бутлерова позволило ориентироваться в огромном разнообразии веществ, дало возможность определять строение молекул на основании изучения их химических свойств, предугадывать свойства веществ по строению их молекул, намечать пути синтеза различных соединений.
Из теории Бутлерова вытекает возможность изображать строение молекул в виде структурных формул, в которых указана последовательность соединения атомов друг с другом, а каждая черточка, соединяющая атомы, обозначает единицу валентности. Так, строение молекул хлороводорода (HCl), хлорноватистой (HClO) и хлорноватой (HClO3) кислот выражается следующими структурными формулами:
Эти формулы прежде всего показывают, что только в молекуле HCl атом водорода непосредственно связан с атомом хлора, тогда как в молекулах HClO и HClO3 он соединен не с хлором, а с атомом кислорода. Кроме того, структурная формула хлорноватой кислоты указывает на неравноценность атомов кислорода; в ее молекуле каждый из двух атомов кислорода соединен с атомом хлора двумя валентными связями, а третий связан одновременно с атомами хлора и водорода.
Структурные формулы позволяют, например, понять причину различий в некоторых свойствах ортофосфорной (H3PO4), фосфористой (H3PO3) и фосфорноватистой (H3PO2) кислот. Молекулы каждой из этих кислот содержат по три атома водорода. Приведем их структурные формулы:
Как видно, в молекуле ортофосфорной кислоты каждый атом водорода соединен с атомом кислорода. Все эти атомы водорода способны замещаться атомами металлов: поэтому H3PO4 трехосновна. В молекуле фосфористой кислоты только два атома водорода непосредственно связаны с атомами кислорода и способны замещаться атомами металлов: эта кислота двухосновна. В молекуле же фосфорноватистой кислоты с атомом кислорода связан лишь один атом водорода, что и обусловливает ее одноосновность.
Изображение химического строения молекул с помощью структурных формул особенно важно при изучении органических веществ (см. § 163).
Структурные формулы отражают лишь последовательность соединения атомов друг с другом, а не взаимное расположение атомов в пространстве. Изображение химического строения с помощью структурных формул допустимо только для веществ, состоящих из молекул. Между тем многие вещества состоят не из молекул, а из атомов (например, карбид кремния SiC) или имеют ионное строение (например, хлорид натрия NaCl). Структура подобных веществ определяется типом их кристаллической решетки и будет подробнее рассмотрена в главе V.
Теория химического строения объяснила явление изомерии, которое заключается в существовании соединений, обладающих одним и тем же качественным и количественным составом, но разными свойствами. Такие соединения были названы изомерами.
Явление изомерии будет подробно рассмотрено при изучении органических соединений (см. § 162), среди которых оно очень распространено. Следует, однако, иметь в виду, что изомерия присуща и неорганическим веществам. Так, еще в 1824 г. Либих установил, что серебряные соли гремучей кислоты AgONC и циановой кислоты AgNCO имеют одинаковый состав, тогда как свойства этих веществ сильно различаются. C примерами изомерии мы встретимся и при изучении комплексных соединений (см. § 205).
Разрабатывая теорию химического строения, Бутлеров не ставил перед собой задачу выяснения природы химической связи, справедливо считая, что химия в то время еще не была готова к решению этой задачи. Действительно, необходимой предпосылкой создания теории химической связи было выяснение строения атома. Лишь после того, как стали известны основные черты электронной структуры атомов, появилась возможность для разработки такой теории. В 1916 г. американский физико-химик Дж. Льюис высказал предположение, что химическая связь возникает путем образования электронной пары, одновременно принадлежащей двум атомам; эта идея послужила исходным пунктом для разработки современной теории ковалентной связи. В том же 1916 г. немецкий ученый В. Коссель предположил, что при взаимодействии двух атомов один из них отдает, а другой принимает электроны; при этом первый атом превращается в положительно заряженный, а второй — в отрицательно заряженный ион; взаимное электростатическое притяжение образовавшихся ионов и приводит к образованию устойчивого соединения. Дальнейшее развитие идей Косселя привело к созданию современных представлений о ионной связи.
Источник