Второй этап развития химии как науки - XIX в. Структурная химия

В 1820 - 1830 гг. мануфактурная стадия производства с ее ручной
техникой сменилась фабричной стадией. На производстве появились новые
машины, возникла потребность в поиске новых сырьевых материалов для
использования в промышленности. В химическом производстве стала
преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного
происхождения, качественное разнообразие которых было потрясающе велико,
а состав однообразен: углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор.
"Значит, свойства веществ, - сделали вывод химики, - определяется не одним только составом!" Появилось на свет еще и такое понятие как структура вещества. Если знание состава вещества отвечает на вопрос о том, из каких химических элементов состоит молекула данного вещества, то знание структуры вещества дает представление о пространственном расположении атомов в этой самой молекуле.

Аналогично химики выяснили, что свойства веществ, а значит и их качественное разнообразие обусловливается не только их составом, но и структурой молекул.

Можно себе представить насколько большими и сложными оказывались порой эти органические молекулы и как непросто было понять, какие из входящих в их состав атомы принимают участие в конкретной химической реакции. Вместе с тем стало ясно, что не все атомы, входящие в состав молекулы данного вещества, одинаково хорошо вступают во взаимодействие с атомами других молекул, - оказывается каждую молекулу можно условно подразделить на несколько так называемых функциональных или реактивных блоков, в которые входят группы атомов, просто отдельные атомы или даже отдельные химические связи. Каждая из таких структур обладает своей уникальной способностью вступать в химические реакции, т.е. своей реакционной способностью.

Таким образом, познание структуры молекул перевело химию на второй уровень развития химических знаний и способствовало превращению химии из преимущественно аналитической науки в науку синтетическую.Возникла технология органических веществ,которой ранее не было.

Второй уровень развития химических знаний получил условное название структурная химия.

Главным достижением этого этапа можно было назвать установление связи между структурой молекулы и функциональной активностью соединения:

СТРУКТУРА МОЛЕКУЛЫ——> ФУНКЦИЯ (РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ)

Согласно теории, выдвинутой Дж. Дальтоном,любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, обладающих строго определенным качественным и количественным составом, т. е. состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Теория строения вещества Дж. Дальтона отвечала на вопрос: как можно отличить индивидуальное вещество от смесей веществ, но она не давала ответа на множество других вопросов: каким образом объединяются атомы в молекулу, существует ли какая-то упорядоченность в расположении атомов в молекуле или они объединены как попало, случайно?

На эти вопросы попытался дать ответ шведский химик И.Я. Берцелиус,живший в первой половине XIX в. Он предложил новую модель атома в виде электрического диполя. И.Я. Берцелиус, на основании определения данного им процентного состава многих веществ и поиска элементарных стехиометрических закономерностей, а также изучения разложения сложных веществ в растворе под действием электрического тока, задался вопросом: что влияет на знак и величину электрического заряда конкретного вещества?

Почему существуют электроположительные и электроотрицательные вещества? В чем различие в строении молекул кислоты и щелочи или щелочи и нейтральной соли? Чтобы ответить на эти вопросы, И.Я. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы разных химических элементов обладают различной электроотрицательностью и расположил их в своеобразный ряд по мере увеличения этой самой электроотрицательности. Итак, И. Я. Берцелиус полагал, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.

В 1840г. в работах французского ученого Ш.Жерарабыло показано, что структуры И.Я.Берцелиуса справедливы не во всех случаях: есть масса веществ, молекулы которых невозможно разложить на отдельные атомы под действием электрического тока, они представляют как бы единую целую систему и именно такую неделимую систему взаимосвязанных друг с другом атомов Ш. Жерар и предлагал называть молекулой. Он разработал теорию типов органических соединений.

Однако, оставался открытым вопрос: какие же силы заставляют связываться атомы в эти самые молекулы? Теория не давала ответа на этот вопрос, как и не давала конкретных указаний, касающихся синтеза новых веществ. Многое, связанное со структурой молекул, оставалось непонятным и загадочным.

В 1857 г. немецкий химик А. Кекулеобнародовал свои наблюдения о свойствах отдельных элементов, которые могут замещать атомы водорода в ряде соединений. Он пришел к выводу о том, что некоторые из них могут замещать три атома водорода, другие же - только два или даже один. А.Кекуле также установил, что "один атом углерода ... эквивалентен четырем атомам водорода". Это были основополагающие положения теории валентности веществ.

А. Кекуле ввел в обиход новый химический термин сродство,который и обозначал количество атомов водорода, которое может заместить данный химический элемент. Он приписал всем элементам соответственно три, две или одну единицу сродства. Углерод же находился при этом в необычном положении - его атом обладал четырьмя единицами сродства. Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу ученый назвал валентностью атома.

При объединении атомов в молекулу происходит замыкание свободных единиц сродства. Например, две единицы сродства, по одной от двух атомов водорода, замыкаются на двух единицах сродства атома кислорода и образуют молекулу воды.

Понятие структура молекулыс легкой руки А.Кекуле свелось к построению наглядных формульных схем, которые служили химикам руководством в их практической работе, конкретным указанием на то, какие исходные вещества следует брать для того, чтобы получить необходимый химический продукт.

Схемы А. Кекуле, однако, не всегда можно было осуществить на практике; хорошо продуманная (или придуманная) реакция не хотела протекать согласно красивой схеме! Это происходило потому, что формульный схематизм не учитывал реакционную способность веществ, вступающих в химическое взаимодействие друг с другом.

Ответы на волнующие практических химиков вопросы дала теория химического строения русского ученого А. М. Бутлерова.Бутлеров так же как и Кекуле признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но одновременно с этим он указывал на важность того, с каким "напряжением, большей или меньшей энергией (это сродство) связывает вещества между собой". Другими словами, А. М. Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей таких как, например, одинарной С–С, двойной С = С или тройной С ≡ С химической связей в органических соединениях. Его теория указала на причины активности одних веществ и пассивности других. Она также указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.

Теория А. М. Бутлерова стала для химиков руководством в их практической деятельности. Позже она нашла себе подтверждение и физическое обоснование в квантовой механике. В настоящее время понятие "химическая связь" стало более широким. Теперь под химической связью понимается такой вид взаимодействия не просто между отдельными атомами, а иногда и между атомно-молекулярными частицами, который обусловлен совместным использованием их электронов. При этом имеется в виду, что такое обобществление электронов взаимодействующими частицами может изменяться в широких пределах. Существуют ковалентная, полярная, ионно-ковалентная и ионные связи. Тип связи определяется характером физического взаимодействия атомно-молекулярных частиц друг с другом.

Под валентностью атомных частицпонимается их свойство вступать в химическое взаимодействие, количественной мерой которого является суммарное число неспаренных электронов, неподеленных электронных пар и вакантных орбиталей, участвующих в образовании химических связей.

Валентность атомной частички не является постоянной величиной и может изменяться от единицы до некоторого максимального значения в зависимости от природы частиц-партнеров и условий образования химического соединения.

Под понятием структурапонимают устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы.

В первом приближении под атомной структуройследует понимать устойчивую совокупность ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом.

Под молекулярной структурой понимают сочетание ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов. Молекулярную структуру подразделяют на атомную (геометрическую) и электронную.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 279; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!