Подобно тому как в неорганической химии основополагающей теоретической базой являются Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, так в органической химии ведущей научной основой служит теория строения органических соединений Бутлерова-Кекуле-Купера.
Как и любая другая научная теория, теория строения органических соединений явилась результатом обобщения богатейшего фактологического материала, который накопила органическая химия, оформившаяся как наука в начале XIX в. Открывались все новые и новые соединения углерода, количество которых лавинообразно возрастало (табл. 1).
Таблица 1
Число органических соединений, известных в разные годы
Объяснить это многообразие органических соединений ученые начала XIX в. не могли. Еще больше вопросов вызывало явление изомерии.
Например, этиловый спирт и диметиловый эфир - изомеры: эти вещества имеют одинаковый состав С 2 Н 6 О, но разное строение, т. е. различный порядок соединения атомов в молекулах, а потому и разные свойства.
Уже известный вам Ф. Вёлер в одном из писем к Й. Я. Берцелиусу так описывал органическую химию: «Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она кажется мне дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть...»
Большое влияние на развитие химии оказали работы английского ученого Э. Франкланда, который, опираясь на идеи атомистики, ввел понятие валентность (1853).
В молекуле водорода Н 2 образуется одна ковалентная химическая связь Н-Н, т. е. водород одновалентен. Валентность химического элемента можно выразить числом атомов водорода, которые присоединяет к себе или замещает один атом химического элемента. Например, сера в сероводороде и кислород в воде двухвалентны: H 2 S, или Н-S-Н, Н 2 O, или Н-О-Н, а азот в аммиаке трехвалентен:
В органической химии понятие «валентность» является аналогом понятия «степень окисления», с которым вы привыкли работать в курсе неорганической химии в основной школе. Однако это не одно и то же. Например, в молекуле азота N 2 степень окисления азота равна нулю, а валентность - трем:
В пероксиде водорода Н 2 O 2 степень окисления кислорода равна -1, а валентность - двум:
В ионе аммония NH + 4 степень окисления азота равна -3, а валентность - четырем:
Обычно по отношению к ионным соединениям (хлорид натрия NaCl и многие другие неорганические вещества с ионной связью) не используют термин «валентность» атомов, а рассматривают их степень окисления. Поэтому в неорганической химии, где большинство веществ имеют немолекулярное строение, предпочтительнее применять понятие «степень окисления», а в органической химии, где большинство соединений имеют молекулярное строение, как правило, используют понятие «валентность».
Теория химического строения - результат обобщения идей выдающихся ученых-органиков из трех европейских стран: немца Ф. Кекуле, англичанина А. Купера и русского А. Бутлерова.
В 1857 г. Ф. Кекуле отнес углерод к четырехвалентным элементам, а в 1858 г. он одновременно с А. Купером отметил, что атомы углерода способны соединяться друг с другом в различные цепи: линейные, разветвленные и замкнутые (циклические).
Работы Ф. Кекуле и А. Купера послужили основой для разработки научной теории, объясняющей явление изомерии, взаимосвязь состава, строения и свойств молекул органических соединений. Такую теорию создал русский ученый А. М. Бутлеров. Именно его пытливый ум «осмелился проникнуть» в «дремучий лес» органической химии и начать преобразование этой «безграничной чащи» в залитый солнечным светом регулярный парк с системой дорожек и аллей. Основные идеи этой теории впервые были высказаны А. М. Бутлеровым в 1861 г. на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в г. Шпейере.
Кратко сформулировать основные положения и следствия теории строения органических соединений Бутлерова-Кекуле-Купера можно следующим образом.
1. Атомы в молекулах веществ соединены в определенной последовательности согласно их валентности. Углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен, а его атомы способны соединяться друг с другом, образуя различные цепи (линейные, разветвленные и циклические).
Органические соединения можно расположить в ряды сходных по составу, строению и свойствам веществ - гомологические ряды.
- Бутлеров Александр Михайлович (1828-1886)
, Русский химик, профессор Казанского университета (1857-1868), с 1869 по 1885 г. - профессор Петербургского университета. Академик Петербургской академии наук (с 1874 г.). Создатель теории химического строения органических соединений (1861). Предсказал и изучил изомерию многих органических соединений. Синтезировал многие вещества.
Например, метан СН 4 - родоначальник гомологического ряда предельных углеводородов (алканов). Его ближайший гомолог - этан С 2 Н 6 , или СН 3 -СН 3 . Следующие два члена гомологического ряда метана - пропан С 3 Н 8 , или СН 3 -СН 2 -СН 3 , и бутан С 4 Н 10 , или СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 , и т. д.
Нетрудно заметить, что для гомологических рядов можно вывести общую формулу ряда. Так, для алканов эта общая формула С n Н 2n + 2 .
2. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения их молекул.
Это положение теории строения органических соединений объясняет явление изомерии. Очевидно, что для бутана С 4 Н 10 , помимо молекулы линейного строения СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 , возможно также и разветвленное строение:
Это уже совершенно новое вещество со своими индивидуальными свойствами, отличными от свойств бутана линейного строения.
Бутан, в молекуле которого атомы расположены в виде линейной цепочки, называют нормальным бутаном (н-бутаном), а бутан, цепь атомов углерода которого разветвлена, называют изобутаном.
Существует два основных типа изомерии - структурная и пространственная.
В соответствии с принятой классификацией различают три вида структурной изомерии.
Изомерия углеродного скелета. Соединения отличаются порядком расположения углерод-углеродных связей, например рассмотренные н-бутан и изобутан. Именно этот вид изомерии характерен для алканов.
Изомерия положения кратной связи (С=С, С=С) или функциональной группы (т. е. группы атомов, определяющих принадлежность соединения к тому или иному классу органических соединений), например:
Межклассовая изомерия . Изомеры этого вида изомерии относятся к разным классам органических соединений, например рассмотренные выше этиловый спирт (класс предельных одноатомных спиртов) и диметиловый эфир (класс простых эфиров).
Различают два вида пространственной изомерии: геометрическую и оптическую.
Геометрическая изомерия характерна, прежде всего, для соединений с двойной углерод-углеродной связью, так как по месту такой связи молекула имеет плоскостное строение (рис. 6).
Рис. 6.
Модель молекулы этилена
Например, для бутена-2, если одинаковые группы атомов у атомов углерода при двойной связи находятся по одну сторону от плоскости С=С-связи, то молекула является цисизомером, если по разные стороны - трансизомером.
Оптической изомерией обладают, например, вещества, молекулы которых имеют асимметрический, или хиральный, атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями. Оптические изомеры являются зеркальным изображением друг друга, подобно двум ладоням, и не совместимы. (Теперь вам, очевидно, стало понятным второе название этого вида изомерии: греч. хирос - рука - образец несимметричной фигуры.) Например, в виде двух оптических изомеров существует 2-оксипропановая (молочная) кислота, содержащая один асимметрический атом углерода.
У хиральных молекул возникают изомерные пары, в которых молекулы изомеров относятся по своей пространственной организации одна к другой так же, как соотносятся между собой предмет и его зеркальное отображение. Пара таких изомеров всегда обладает одинаковыми химическими и физическими свойствами, за исключением оптической активности: если один изомер вращает плоскость поляризованного света по часовой стрелке, то другой - обязательно против. Первый изомер называют правовращающим, а второй - левовращающим.
Значение оптической изомерии в организации жизни на нашей планете очень велико, так как оптические изомеры могут существенно отличаться как по своей биологической активности, так и по совместимости с другими природными соединениями.
3. Атомы в молекулах веществ влияют друг на друга. Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений вы рассмотрите при дальнейшем изучении курса.
Современная теория строения органических соединений основывается не только на химическом, но и на электронном и на пространственном строении веществ, которое подробно рассматривается на профильном уровне изучения химии.
В органической химии широко используют несколько видов химических формул.
Молекулярная формула отражает качественный состав соединения, т. е. показывает число атомов каждого из химических элементов, образующих молекулу вещества. Например, молекулярная формула пропана: С 3 Н 8 .
Структурная формула отражает порядок соединения атомов в молекуле согласно валентности. Структурная формула пропана такова:
Часто нет необходимости детально изображать химические связи между атомами углерода и водорода, поэтому в большинстве случаев используют сокращенные структурные формулы. Для пропана такую формулу записывают так: СН 3 -СН 2 -СН 3 .
Строение молекул органических соединений отражают с помощью различных моделей. Наиболее известны объемные (масштабные) и шаростержневые модели (рис. 7).
Рис. 7.
Модели молекулы этана:
1 - шаростержневая; 2 - масштабная
Новые слова и понятия
- Изомерия, изомеры.
- Валентность.
- Химическое строение.
- Теория строения органических соединений.
- Гомологический ряд и гомологическая разность.
- Формулы молекулярные и структурные.
- Модели молекул: объемные (масштабные) и шаростержневые.
Вопросы и задания
- Что такое валентность? Чем она отличается от степени окисления? Приведите примеры веществ, в которых значения степени окисления и валентности атомов численно одинаковы и различны,
- Определите валентность и степень окисления атомов в веществах, формулы которых Сl 2 , СО 2 , С 2 Н 6 , С 2 Н 4 .
- Что такое изомерия; изомеры?
- Что такое гомология; гомологи?
- Как, используя знания об изомерии и гомологии, объяснить многообразие соединений углерода?
- Что понимают под химическим строением молекул органических соединений? Сформулируйте положение теории строения, которое объясняет различие в свойствах изомеров, Сформулируйте положения теории строения, которые объясняют многообразие органических соединений.
- Какой вклад внес каждый из ученых - основоположников теории химического строения - в эту теорию? Почему ведущую роль в становление этой теории сыграл вклад русского химика?
- Возможно существование трех изомеров состава С 5 Н 12 , Запишите их полные и сокращенные структурные формулы,
- По представленной в конце параграфа модели молекулы вещества (см, рис. 7) составьте его молекулярную и сокращенную структурную формулы.
- Рассчитайте массовую долю углерода в молекулах первых четырех членов гомологического ряда алканов.
Создание теории строения именно в России не является слу-чайностью. Шестидесятые годы XIX столетия были годами бур-ного роста капитализма в России. Это, в свою очередь, предъявило ряд требований к естествознанию. В формировании мировоззре-ния русских естествоиспытателей того времени Д. И. Менделеева, И. М. Сеченова, А. М. Бутлерова и др. огромную роль сыграла дея-тельность революционных демократов-материалистов: А. И. Герце-на и В.Г.Белинского, Н.Г.Чернышевского и Н. А.Добролюбова.
Бутлеров воспринял от них материалистическое учение и критическое отношение ко всем теориям. Впервые основные идеи теории строения, высказанные А. М. Бутлеровым в его докладе «О химическом строении вещества», сделанном им 19 сентября 1861 года на конференции в Шпейере, а затем вошли в его учебник, который был издан в России в 1864-1866 гг., а затем переведен в Гер-мании на немецкий язык в 1867-1868 гг.
Основные идеи теории А. М. Бутлерова могут быть кратко из-ложены следующим образом:
1. Все атомы , образующие молекулу органического вещества, свя-заны в определенной последовательности, причем на соедине-ние их друг с другом затрачивается определенная доля химиче-ского сродства.
Четырехвалентность углерода и способность его образовывать цепи вошла в теорию как составные части. Химическое сродство - валентность. Все это привело к написанию химических формул, ко-торыми мы пользуемся в настоящее время, т.е. открытые цени угле-родных атомов, замкнутая в кольцо цепь углеродных атомов.
2. От химического строения вещества зависят его химические и фи-зические свойства. Это положение теории объяснило явление изомерии.
3. Изучение свойств вещества позволяет определить его строение, а, следовательно, и свойства.
4. Химические свойства атомов и атомных групп неизменны и меняются только под влиянием присутствующих атомов и атомных групп, особенно непосредственно связанных друг с другом.
Идея Бутлерова о взаимном влиянии атомов в молекуле впослед-ствии была блестяще развита его учеником В. В. Морковниковым.
Величайшая заслуга А. М. Бутлерова заключается не только в обобщении огромного фактического материала и выдвиженки пе-редовых идей, но и в блестящем экспериментальном доказательстве созданной им теории строения. Исходя из своей теории строения, Л. М. Бутлеров предсказал существование совершенно в то время неизвестных соединений и даже классов (например, третичных спиртов) и затем смог их синтезировать.
Как Д. И. Менделеев , исходя из своей периодической системы, предсказывал неизвестные элементы, так и А. М. Бутлеров, исходя из теории строения, предсказывал возможность существования но-вых веществ и сам синтезировал их.
А. М. Бутлеров впервые высказал мысль о расположении атомов не на плоскости, а в пространстве, и явился основоположником идеи пространственной изомерии.
Он рассматривал химическую молекулу не как что-то мертвое, а находящееся в постоянном движении. Это представление привело Л. М. Бутлерова к идее об «обратной изомерии», т.е. он фактически явился основателем идеи так называемой таутомерии. Прошло бо-лее ста лет с тех пор, как была создана теория А. М. Бутлерова, но и теперь все с тем же успехом пользуются ею химики-органики.
Позднее, К. Шорлеммер в 1880 г определил органическую хи-мию как «химию углеводородов и их производных», он этим хотел подчеркнуть:
1 Способность углерода образовывать цепи С — С атомов.
2 Присутствие водорода в большинстве органических молекул.
РАБОТА ПО ХИМИИ
ТЕОРИЯ ХИМИЧКСКОГО СТРОЕНИЯ
ОРГАНИЧЕСКИХ
СОЕДЕНЕНИЙ А.М. БУТЛЕРОВА
ВЫПОЛНИЛ:
Лебедев Евгений
ПЛАН:
1. РАЗВИТИЕ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, СВЯЗАННОЙ С ПРОИЗВОДСТВОМ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ, В ПЕРВОЙ ПОЛОВИНЕ XIX ВЕКА .СВЯЗЬ НАУКИ И ПРАКТИКИ.
2. СОСТОЯНИЕ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ В СЕРЕДИНЕ XIX ВЕКА.
3. ПРЕДПОСЫЛКИ ТЕОРИИ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ.
4. ВЗГЛЯДЫ А.М. БУТЛЕРОВАНА СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА.
5. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ.
6. ЗНАЧЕНИЕ ТЕОРИИ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ И О НАПРАВЛЕНИЯХ ЕЕ РАЗВИТИЯ.
С органическими веществами человек знаком с давних времен . Наши далекие предки применяли природные красители для окраски тканей, использовали в качестве продуктов питания растительные масла, животные жиры, тростниковый сахар, получали брожением спиртовых жидкостей уксус…
Но наука о соединениях углерода возникла лишь в первой половине Х I Х века.
В 1828 году ученик Я. Берцелиуса – немецкий ученый Ф.Велер из неорганических веществ синтезирует органическое вещество -–мочевину. В 1845 году немецкий химик А.Кольбе искусственным путем получает уксусную кислоту. В 1854 году французский химик М.Бертло синтезирует жиры. Русский ученый А.М. Бутлеров в 1861 году впервые синтезом получает сахаристое вещество.
Известно, что развивающаяся промышленность, практика ставят новые задачи перед наукой. Как только у общества появляется техническая потребность, она продвигает
науку вперед больше, чем десяток университетов.
Для подтверждения этих слов можно привести такой пример. Текстильная промышленность в 40-х годах девятнадцатого века уже не могла себя
обеспечить натуральными красителями – их не хватало. Перед наукой встала задача получения красителей синтетическим путем. Начались поиски, в результате которых были синтезированы различные анилиновые красители и ализарин, добываемый ранее из корней растения марены. Полученные красители в свою очередь способствовали бурному росту текстильной промышленности.
В настоящее время синтезированы многие органические вещества, не только имеющиеся в природе, но и не встречающиеся в ней, например, многочисленные пластмассы, различные виды каучуков, всевозможные красители, взрывчатые вещества, лекарственные препараты.
Синтетически полученных веществ сейчас известно больше, чем найденных в природе, и их число быстро растет. Начинают осуществляться синтезы самых сложных органических веществ – белков .
2. Состояние органической химии в середине Х I Х века.
Между тем существовали доструктурные теории – теория радикалов и теория типов.
Теория радикалов (ее создатели Ж. Дюма, И. Берцелиус) утверждала, что в состав органических веще ств входят радикалы, переходящие из одной молекулы в другую: радикалы постоянны по составу и могут существовать в свободном виде. В дальнейшем было установлено, что радикалы могут подвергаться изменениям в результате реакции замещения (замещение атомов водорода атомами хлора). Так,была получена трихлоруксусная кислота. Теория радикалов была постепенно отвергнута, однако она оставила глубокий след в науке: понятие о радикале прочно вошло в химию. Верными оказались утверждения о возможности существования радикалов в свободном виде, о переходе в огромном числе реакций определенных групп из одного соединения в другое.
Наиболее распространенной в 40-е г.г. ХIХ века была теория типов. Согласно этой теории все органические вещества считали производными простейших неорганических веществ – типа водорода, хлоро-водорода, воды, аммиака и др. Например, тип водорода
Согласно этой теории формулы выражают не внутреннее строение молекул, а только способы образования и реакции вещества. Создатель этой теории Ш.Жерар и его последователи считали, что строение вещества не может быть познано, так как молекулы в процессе реакции изменяются. Для каждого вещества можно написать столько формул, сколько различных видов превращений может испытывать вещество.
Теория типов в свое время была прогрессивной, так как она позволила провести классификацию органических веществ, предсказать и открыть ряд несложных веществ, если удавалось отнести их по составу и некоторым свойствам к определенному типу. Однако далеко не все синтезируемые вещества укладывались в тот или иной тип соединений. Теория типов обратила основное внимание на изучение химических превращений органических соединений, что важно было для познания свойств веществ. В дальнейшем теория типов стала тормозом развития органической химии, так как она не в состоянии была объяснить факты, накопившиеся в науке, указать пути синтеза новых веществ, необходимых для техники, медицины, ряда отраслей промышленности и др. Нужна была новая теория, которая смогла бы не только объяснить факты, наблюдения, но и прогнозировать, указывать пути синтеза новых веществ.
Фактов, требовавших объяснений много –
- вопрос валентности
- изомерии
- написание формул.
Предпосылки теории химического строения.
К моменту появления теории химического строения А.М. Бутлерова многое уже было известно о валентности элементов : Э. Франкланд установил валентность для ряда металлов, для органических соединений А.Кекуле предложил четырехвалентность атома углерода (1858) , было высказано предположение об углерод-углеродной связи, о возможности соединения атомов углерода в цепи (1859, А.С. Купер, А.Кекуле). Эта идея сыграла большую роль в развитии органической химии.
Важным событием в химии был Международный конгресс химиков (1860, г.Карлсруэ), где были четко определены понятия об атоме, молекуле, атомном весе, молекулярном весе. До этого не было общепризнанных критериев для определения этих понятий, поэтому была путаница в написании формул веществ. А.М. Бутлеров считал самым существенным успехом химии за период с 1840 по 1880г. установление понятий об атоме и молекуле, что дало толчок развитию учения о валентности и позволило перейти к созданию теории химического строения.
Таким образом, теория химического строения возникла не на пустом месте. Объективными предпосылками ее появления явились : а). Введение в химию понятий о валентности и особенно , о четырехвалентности атома углерода, б). Введение понятия об углерод-углеродной связи. в). Выработка правильного представления об атомах и молекулах.
Взгляды А.М. Бутлерова на строение вещества.
В 1861 году был произнесен доклад А.М. Бутлерова на ХХХУ I съезде немецких врачей и естествоиспытателей в Шпейере. Между тем его первое выступление по теоретическим вопросам органической химии состоялось в 1858г, в Париже в Химическом обществе. В своем выступлении, а также в статье о А.С. Купере (1859г.) А.М. Бутлеров указывает на то, что в создании теории химического строения должна сыграть роль валентность (химическое сродство). Здесь он впервые употребил термин «структура», высказал мысль о возможности познания строения вещества, об использовании для этих целей экспериментальных исседований.
Основные идеи о химическом строении были изложены А.М. Бутлеровым в1861 году в докладе «О химическом строении веществ». В нем отмечалось отставание теории от практики, указывалось на то, что теория типов, несмотря на некоторые ее положительные стороны, имеет крупные недостатки. В докладе дано четкое определение понятия о химическом строении, рассмотрены пути установления химического строения (способы синтеза веществ, использование различных реакций).
А.М. Бутлеров утверждал, что каждому веществу соответствует одна химическая формула : она характеризует все химические свойства вещества, реально отражает порядок химической связи атомов в молекулах. В последующие годы А.М. Бутлеров и его ученики осуществили ряд экспериментальных работ с целью проверки правильности предсказаний, сделанных на основе теории химического строения. Так, были синтезированы изобутан, изобутилен, изомеры пентана, ряд спиртов и др. По значимости для науки эти работы можно сравнить с открытием предсказанных Д.И. Менднлеевым элементов (экабор,экасилиций, экаалюминий).
В полном объеме теоретические воззрения А.М. Бутлерова нашли отражение в его учебнике « Введение к полному изучению органической химии» (первое издание вышло в 1864-1866г.г.), построенном на основе теории химического строения. Он считал, что молекулы – это не хаотичное скопление атомов, что атомы в молекулах соединены между собой в определенной последовательности и находятся в постоянном движении и взаимном влиянии. Изучая химические свойства вещества, можно установить последовательность соединения атомов в молекулах и выразить ее формулой.
А.М. Бутлеров считал, что с помощью химических методов анализа и синтеза вещества можно установить химическое строение соединения и, наоборот, зная химическое строение вещества, можно предсказать его химические свойства.
Основные положения теории А.М. Бутлерова .
Основываясь на приведенных выше высказываниях А.М. Бутлерова, сущность теории химического строения можно выразить в следующих положениях :
Атомы в молекулах располагаются не беспорядочно, они соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентности
А) последовательность соединения атомов в молекуле
Б) углерод четырехвалентен
В) структурные формулы (полные)
Последовательность соединения атомов в молекуле
Г) сокращенные формулы
Д) виды цепей
Изомерия объясняет многообразие органических веществ. Различному порядку взаимосвязи атомов при одном и том же качественном и количественном составе молекулы отвечают, как учит теория химического строения, разные вещества. Если эта теория правильна, должны существовать два бутана, различающиеся по своему строению и свойствам. Так как в то время был известен лишь один бутан, то А.М. Бутлеров предпринял попытку синтезировать бутан другого строения. Полученное им вещество имело тот же состав , но другие свойства, в частности более низкую температуру кипения. В отличие от бутана новое вещество получило название « изобутан» (греч. « изос»- равный).
Для приготовления пищи, красителей, одежды, лекарств человек издавна научился применять различные вещества. С течением времени накопилось достаточное количество сведений о свойствах тех или иных веществ, что позволило усовершенствовать способы их получения, переработки и т.д. И оказалось, что многие минеральные (неорганические вещества) можно получить непосредственно.
Но некоторые используемые человеком вещества не были им синтезированы, потому что их получали из живых организмов или растений. Эти вещества назвали органическими. Органические вещества не удавалось синтезировать в лаборатории. В начале ХIХ века активно развивалось такое учение как витализм (vita – жизнь), согласно которому органические вещества возникают только благодаря «жизненной силе» и создать их «искусственным путём» невозможно.
Но шло время и наука развивалась, появились новые факты об органических веществах, которые шли вразрез с существовавшей теорией виталистов.
В 1824 году немецкий учёный Ф. Вёлер впервые в истории химической науки синтезировал щавелевую кислоту – органическое вещество из неорганических веществ (дициана и воды):
(CN) 2 + 4H 2 O → COOH - COOH + 2NH 3
В 1828 Вёллер нагрел циановокислый натрий с серлым аммонием и синтезировал мочевину – продукт жизнедеятельности животных организмов:
NaOCN + (NH 4) 2 SO 4 → NH 4 OCN → NH 2 OCNH 2
Эти открытия сыграли важную роль в развитии науки вообще, а химии в особенности. Учёные-химики стали постепенно отходить от виталистического учения, а принцип деления веществ на органические и неорганические обнаружил свою несостоятельность.
В настоящее время вещества по-прежнему делят на органические и неорганические, но критерий разделения уже немного другой.
Органическими называют вещества , содержащие в своём составе углерод, их ещё называют соединениями углерода. Таких соединений около 3 миллионов, остальных же соединений около 300 тысяч.
Вещества, в состав которых углерод не входит, называют неорганическим и. Но есть исключения из общей классификации: существует ряд соединений, в состав которых входит углерод, но они относятся к неорганическим веществам (окись и двуокись углерода, сероуглерод, угольная кислота и её соли). Все они по составу и свойствам они сходны с неорганическими соединениями.
В ходе изучения органических веществ появились новые сложности: на основании теорий о неорганических веществах нельзя раскрыть закономерности строения органических соединений, объяснить валентность углерода. Углерод в разных соединениях имел различную валентность.
В 1861 году русский ученый А.М. Бутлеров впервые синтезом получил сахаристое вещество.
При изучении углеводородов, А.М. Бутлеров понял, что они представляют собой совершенно особый класс химических веществ. Анализируя их строение и свойства, ученый выявил несколько закономерностей. Они и легла в основу созданной им теории химического строения.
1. Молекула любого органического вещества не является беспорядочной, атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Углерод в органических соединениях всегда четырёхвалентен.
2. Последовательность межатомных связей в молекуле называется еехимическим строениеми отражается одной структурной формулой (формулой строения).
3. Химическое строение можно устанавливать химическими методами. (В настоящее время используются также современные физические методы).
4. Свойства веществ зависят не только от состава молекул вещества, но от их химического строения (последовательности соединения атомов элементов).
5. По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы – предвидеть свойства.
6. Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.
Данная теория стала научным фундаментом органической химии и ускорила её развитие. Опираясь на положения теории, А.М. Бутлеров описал и объяснил явление изомерии , предсказал существование различных изомеров и впервые получил некоторые из них.
Рассмотрим химическое строение этана – C 2 H 6 . Обозначив валентность элементов чёрточками, изобразим молекулу этана в порядке соединения атомов, то есть напишем нё структурную формулу. Согласно теории А.М. Бутлерова, она будет иметь следующий вид:
Атомы водорода и углерода связаны в одну частицу, валентность водорода равна единице, а углерода – четырём. Два атома углерода соединены между собой связью углерод – углерод (С – С). Способность углерода образовывать С – С-связь понятна, исходя из химических свойств углерода. На внешнем электронном слое у атома углерода четыре электрона, способность отдавать электроны такая же, как и присоединять недостающие. Поэтому углерод чаще всего образует соединения с ковалентной связью, то есть за счёт образования электронных пар с другими атомами, в том числе и атомов углерода друг с другом.
Это одна из причин многообразия органических соединений.
Соединения, которые имеют один и тот же состав, но различное строение, называются изомерами. Явление изомерии – одна из причин многообразия органических соединений
Остались вопросы? Хотите знать больше о теории строения органических соединений?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Общепризнанные основные положения теории Бутлерова считаются фундаментом современной химии. Ученый первым объяснил особенности Он подробно изучил природу взаимосвязей атомов.
Предпосылки появления теории
Александр Бутлеров стал основоположником новой теории как раз тогда, когда в науке накопилось множество вопросов, на которые ученые не могли найти ответов. Например, объяснения требовали явления валентности и изомерии. Кроме того, химики продолжали спорить о том, как правильно записывать химические формулы. Бутлеров внес ясность в этот вопрос. Он доказал, что формулы должны отражать строение вещества.
Помимо этого, существовало несколько концепций, которые были противоположны взглядам, высказанным Бутлеровым. Это была теория радикалов. Ее основоположником стал Йенс Берцелиус. Он утверждал, что в молекулах есть особые элементы - радикалы, которые переходят из одного вещества в другое. Также существовала теория типов. Ее сторонники считали, что все сложные вещества являются производными простых неорганических веществ - воды, водорода, аммиака и т. д. Все эти концепции противоречили друг другу. Науке была необходима теория, которая поставила бы все на свои места.
Новые идеи Бутлерова
Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886 гг.) был одним из выдающихся химиков своего времени. Он много занимался теоретическими вопросами своей науки. В 1858-м ученый выступил на одном из заседаний Парижского химического общества. Тогда же впервые из его уст прозвучали основные положения теории Бутлерова.
Исследователь употребил в своем докладе новые термины, которые позже закрепились в международной науке. Например, именно он стал автором понятия структуры соединений. Ученый считал, что строение разных веществ позволяет отнести их к одним группам (в частности, это метан, хлороформ, метиловый спирт и т. д.).
Исследование синтеза веществ
В 1861 году в опубликованном докладе «О химическом строении вещества» были сформулированы основные положения теории химического строения А. М. Бутлерова. Ученый подробно описал способы синтеза и использования разных реакций. Одним из самых важных тезисов химика было его утверждение о том, что каждому химическому веществу соответствует одна формула. Ее важность заключается в том, что она характеризует все свойства и показывает связь атомов внутри молекул.
Теория Бутлерова также предусматривала, что с помощью управляемых реакций можно производить новые вещества. В последующие годы знаменитый химик и его ученики провели множество экспериментов, чтобы доказать это предположение. Им удалось синтезировать такие новые вещества, как изобутилен и некоторые спирты. Для своей эпохи эти открытия имели колоссальную значимость, которую можно сравнить только с важностью определения других элементов Менделеевым (например, экабора).
Систематизация химии
В XIX веке основные положения теории Бутлерова полностью изменили представление ученых о элементов. В частности, исследователь первым предположил, что молекулы являются не хаотическим скоплением атомов. Наоборот, они обладают упорядоченной структурой. Атомы соединены друг с другом в определенной последовательности, от которой также зависит характер всего вещества.
Бутлеров, разрабатывая свою теорию, опирался на математические принципы и законы. С помощью этой науки он смог объяснить большинство процессов и взаимосвязей в химических веществах. Для современников это была настоящая революция. Дело было в том, что даже если ученые и знали некоторые факты о характере определенных веществ, они не могли выстроить свои знания в четкую систематизированную картинку. Основные положения теории строения Бутлерова разрешили эту проблему. Теперь химия была не разрозненной копилкой фактов, а стройной системой, где все подчинялось строгой математической логике.
Многообразие веществ
Знаменитая теория Бутлерова много внимания уделяет изомерии - явлению, заключающемуся в существовании изомеров - равных по молекулярной массе и атомному составу веществ, которые в то же время отличаются друг от друга расположением атомов и строением. Эта особенность объясняет многообразие свойств веществ в природе.
Бутлеров доказал свою теорию на примере бутана. Согласно идее ученого, в природе должно было существовать два вида этого вещества. Однако в то время наука знала только один бутан. Бутлеров провел множество экспериментов и все-таки получил новое вещество, похожее по составу, но отличное по свойствам. Оно было названо изобутаном.
Влияние атомов друг на друга
Бутлеров открыл и другую важную закономерность. С образованием химических связей начинается процесс перехода электронов от одних атомов к другим. При этом меняется их плотность. Возникают электронные пары, которые влияют на свойство нового образующегося вещества. Ученый изучал этот феномен на примере хлороводорода, где хлор меняет электронную плотность связей водорода.
Бутлеров и основные положения теории строения смогли объяснить природу трансформации веществ. В дальнейшем принцип, открытый подробно исследовался его последователями и учениками. Осознание механизма изменения веществ позволило ученым понять, как синтезировать новые элементы. Особенный всплеск этих открытий начался в конце XIX века. Тогда европейские и американские ученые в новых лабораториях с помощью методов, которые предложил Бутлеров, смогли произвести новые вещества.
Химические связи
Бутлеров считал, что строение веществ можно изучать химическими методами. Это положение подтвердилось благодаря множеству удачных экспериментов ученого. Также исследователь был сторонником идеи о том, что формулы могут быть правильными, только если они станут отражать порядок химических связей разных атомов. Бутлеров занимался анализом этого предположения на протяжении многих лет.
Он выделял три вида связей - простую, двойную и тройную. Ученый был прав, но дальнейшее развитие науки показало, что есть и другие химические связи. В частности, теперь специалисты могут характеризовать их еще и с помощью физических параметров.
Развитие Бутлеровской теории
Новая теория строения химических соединений А. М. Бутлерова по своему характеру была материалистической. Ученый первым смело заявил о том, что исследователям по силам изучить свойства атомов, из которых строятся все элементы. При этом сам Бутлеров относился к своей теории как к временной. Он считал, что его преемники должны развить ее, поскольку она не до конца объясняла некоторые факты химической науки.
Ученый оказался прав. Теория Бутлерова в дальнейшем развивалась в двух направлениях. Первое заключалось в том, что наука смогла определить не только порядок соединения, но и пространственное расположение атомов в молекуле. Так возникла стереохимия. Эта дисциплина стала подробно исследовать Об этом новом направлении говорил еще сам Бутлеров, хотя он при жизни так и не успел изучить этот теоретический вопрос.
Вторым направлением развития теории ученого стало появление учения, посвященного электронному строению атомов. Это не только химическая, но и физическая дисциплина. Была подробнее исследована сущность взаимного влияния атомов и объяснены причины проявления разных свойств. Именно основные положения теории Бутлерова позволили ученым добиться таких успехов.
Загрузка...