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, определяется не одним только составом - сделали вывод химики.

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

Вместе с тем стало ясно, что не все атомы, входящие в состав моле­кулы данного вещества одинаково хорошо вступают во взаимодействие с атомами других молекул. 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.

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)

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 также технология органических веществ, которой ранее не было.

Эволюция понятия «структура» в химии. 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. И. Я. Берцелиус полагал, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. Он предложил новую модель атомав видеэлектрического диполя. И.Я. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы разных химических элементов обладают различной электроотрицательностью и расположил их в своеобразный ряд по мере ее увеличения.

N.B! 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?

В 1840 г. в работах французского ученого Ш. Жерара было 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.

В 1857 г. немецкий химик А. Кекуле обнародовал 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.

Понятие структура молекулы с 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.

N.B! 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 Александра Михайловича 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».

Теория А. М. Бутлерова стала для химиков руководством в их практической деятельности. Позже она нашла свое подтверждение и физическое обоснование в квантовой механике.

Химическая связь. Химической связью называется взаимодействие между атомами элементов, обуславливающее их соединение в молекулы и кристаллы.

Тип связи определяется характером физического взаимодействия атомно-молекулярных частиц друг с другом. Фундаментальную теорию химических связей создал в 30-е годы ХХ века американский химик Лайнус Полинг.

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, неполярная), водородная и ионная (ионно-ковалентная) связи, а также металлическая связь.

Ионная связь образуется в том случае, когда, объединяясь в одну молекулу, один из атомов теряет электроны со своей внешней оболочки (катион), а другой их приобретает (анион) противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу, образуя прочные связи. Ионные соединения – как правило, твердые вещества, имеющие очень высокую температуру плавления (соли, щелочи, напр., поваренная соль).

Ковалентная связь образуется в результате электронной пары, принадлежащей одновременно обоим атомам, создающим молекулу вещества. Поскольку такие молекулы удерживаются слабыми силами, они неустойчивы и существуют в виде жидкостей или газов с низкими температурами плавления и кипения (кислород, бутан).

Водородная связь обусловлена поляризацией ковалентных связей, когда совместные электроны большую часть времени находятся у атома элемента, связанного с атомом водорода. В результате такой атом получает небольшой отрицательный заряд, что делает соединения с водородными связями более крепкими по сравнению с другими ковалентными соединениями (вода).

Металлические связи обусловлены свободным перемещением электронов внешних оболочек атомов металлов. Атомы в металлах выстраиваются в точно подогнанные друг к другу ряды, удерживаемые вместе электронным полем.

Благодаря развитию структурных представлений в 1860-1880 гг. в химии появился термин органический синтез, обозначавший не только действия по получению новых органических веществ, но и целую область науки, названную так в противоположность всеобщему увлечению анализом природных веществ.

Итак, под валентностью атомных частиц понимается 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 структура понимают устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы.

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.

В первом приближениипод атомной структурой следует понимать устойчивую совокупность ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом.

Дата добавления: 2014-01-05