Teoria AM Butlerow

1. Atomy w cząsteczkach są połączone w określonej kolejności wiązaniami chemicznymi zgodnie z ich wartościowością. Kolejność wiązań atomów nazywana jest ich strukturą chemiczną. Węgiel we wszystkich związkach organicznych jest czterowartościowy.

2. O właściwościach substancji decyduje nie tylko jakościowy i ilościowy skład cząsteczek, ale także ich struktura.

3. Atomy lub grupy atomów wzajemnie na siebie wpływają, od czego zależy reaktywność cząsteczki.

4. Budowę cząsteczek można ustalić na podstawie badania ich właściwości chemicznych.

Związki organiczne mają liczbę charakterystyczne cechy które odróżniają je od nieorganicznych. Prawie wszystkie z nich (z nielicznymi wyjątkami) są palne; większość związki organiczne nie dysocjuje na jony, co wynika z charakteru wiązania kowalencyjnego w materia organiczna Oh. Wiązanie typu jonowego jest realizowane tylko w solach kwasów organicznych, np. CH3COONa.

szereg homologiczny to nieskończona seria związków organicznych, które mają podobną strukturę, a zatem są podobne Właściwości chemiczne i różniące się od siebie dowolną liczbą grup CH2– (różnica homologiczna).

Jeszcze przed powstaniem teorii budowy znane były substancje o takim samym składzie pierwiastkowym, ale o różnych właściwościach. Takie substancje nazywano izomerami, a samo to zjawisko nazywano izomerią.

W sercu izomerii, jak wykazał A.M. Butlerova, leży różnica w budowie cząsteczek składających się z tego samego zestawu atomów.

izomeria- jest to zjawisko istnienia związków, które mają ten sam skład jakościowy i ilościowy, ale inną budowę, a co za tym idzie, inne właściwości.

Istnieją 2 rodzaje izomerii: strukturalny izomeria i przestrzenny izomeria.

Izomeria strukturalna

Izomery strukturalne- związki o tym samym składzie jakościowym i ilościowym, różniące się kolejnością wiązanych atomów, czyli budową chemiczną.

Izomeria przestrzenna

Izomery przestrzenne(stereoizomery) o tym samym składzie i tej samej budowie chemicznej różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów w cząsteczce.
Izomery przestrzenne to izomery optyczne i cis-trans (geometryczne).

Izomeria cis-trans

polega na możliwości ułożenia podstawników jeden po drugim lub po kolei różne strony płaszczyzna wiązania podwójnego lub pierścienia niearomatycznego izomery cis podstawniki znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny pierścienia lub wiązania podwójnego, w izomery trans- na różne sposoby.

W cząsteczce butenu-2 CH3–CH=CH–CH3 grupy CH3 mogą znajdować się albo po jednej stronie wiązania podwójnego, w izomerze cis, albo po przeciwnych stronach, w izomerze trans.

Izomeria optyczna

Pojawia się, gdy węgiel ma cztery różne podstawniki.
Jeśli dowolne dwa z nich zostaną zamienione, otrzymamy inny izomer przestrzenny o tym samym składzie. Właściwości fizykochemiczne takich izomerów znacznie się różnią. Związki tego typu wyróżniają się zdolnością do obracania płaszczyzny światła spolaryzowanego przechodzącego przez roztwór takich związków o określoną wartość. W tym przypadku jeden izomer obraca płaszczyznę światła spolaryzowanego w jednym kierunku, a jego izomer w przeciwnym kierunku. Ze względu na takie efekty optyczne ten rodzaj izomerii nazywa się izomeria optyczną.

Główne postanowienia teorii budowy chemicznej A.M. Butlerow

1. Atomy w cząsteczkach są połączone ze sobą w określonej kolejności według ich wartościowości. Sekwencja wiązań międzyatomowych w cząsteczce nazywana jest jej strukturą chemiczną i jest odzwierciedlona przez jeden wzór strukturalny (wzór struktury).

2. Budowę chemiczną można ustalić metodami chemicznymi. (Obecnie stosowane są również nowoczesne metody fizyczne).

3. Właściwości substancji zależą od ich budowy chemicznej.

4. Według właściwości dana substancja możesz określić strukturę jego cząsteczki, a na podstawie struktury cząsteczki możesz przewidzieć właściwości.

5. Atomy i grupy atomów w cząsteczce wzajemnie na siebie wpływają.

Teoria Butlerowa była naukową podstawą chemii organicznej i przyczyniła się do jej szybkiego rozwoju. Opierając się na założeniach teorii, A.M. Butlerow wyjaśnił zjawisko izomerii, przewidział istnienie różnych izomerów, a niektóre z nich otrzymał po raz pierwszy.

Rozwój teorii struktury ułatwiły prace Kekule, Kolbe, Coopera i van't Hoffa. Jednak ich teoretyczne stanowiska nie miały zastosowania ogólny i służył głównie celom wyjaśnienia materiału doświadczalnego.

2. Formuły strukturalne

Wzór strukturalny (wzór strukturalny) opisuje kolejność łączenia atomów w cząsteczce, tj. jego budowę chemiczną. Wiązania chemiczne we wzorze strukturalnym są reprezentowane przez kreski. Zwykle nie wskazuje się wiązania między wodorem a innymi atomami (takie wzory nazywane są skróconymi wzorami strukturalnymi).

Na przykład pełne (rozszerzone) i skrócone wzory strukturalne n-butanu C4H10 to:

Innym przykładem są formuły izobutanowe.

Często używany jeszcze bardziej krótki wpis wzory, gdy nie przedstawiają one nie tylko wiązań z atomem wodoru, ale także symboli atomów węgla i wodoru. Na przykład strukturę benzenu C6H6 odzwierciedlają wzory:

Wzory strukturalne różnią się od wzorów cząsteczkowych (brutto), które pokazują tylko, jakie pierwiastki i w jakim stosunku wchodzą w skład substancji (tj. jakościowy i ilościowy skład pierwiastkowy), ale nie odzwierciedlają kolejności wiążących atomów.

Na przykład n-butan i izobutan mają ten sam wzór cząsteczkowy C4H10, ale inną sekwencję wiązań.

Zatem różnica w substancjach wynika nie tylko z odmiennego jakościowego i ilościowego składu pierwiastkowego, ale także z odmiennej budowy chemicznej, co można odzwierciedlić jedynie we wzorach strukturalnych.

3. Pojęcie izomerii

Jeszcze przed powstaniem teorii budowy znane były substancje o takim samym składzie pierwiastkowym, ale o różnych właściwościach. Takie substancje nazywano izomerami, a samo to zjawisko nazywano izomerią.

W sercu izomerii, jak wykazał A.M. Butlerova, leży różnica w budowie cząsteczek składających się z tego samego zestawu atomów. Zatem,

izomeria to zjawisko występowania związków, które mają ten sam skład jakościowy i ilościowy, ale inną budowę, a co za tym idzie, inne właściwości.

Na przykład, gdy cząsteczka zawiera 4 atomy węgla i 10 atomów wodoru, możliwe jest istnienie 2 związków izomerycznych:

W zależności od charakteru różnic w budowie izomerów wyróżnia się izomerię strukturalną i przestrzenną.

4. Izomery strukturalne

Izomery strukturalne - związki o tym samym składzie jakościowym i ilościowym, różniące się kolejnością wiążących atomów, czyli budową chemiczną.

Na przykład skład C5H12 odpowiada 3 izomerom strukturalnym:

Inny przykład:

5. Stereoizomery

Izomery przestrzenne (stereoizomery) o takim samym składzie i takiej samej budowie chemicznej różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów w cząsteczce.

Izomery przestrzenne to izomery optyczne i cis-trans (kule o różnych kolorach reprezentują różne atomy lub grupy atomowe):

Cząsteczki takich izomerów są przestrzennie niekompatybilne.

Stereoizomeria odgrywa ważną rolę w chemii organicznej. Kwestie te zostaną rozważone bardziej szczegółowo podczas badania związków poszczególnych klas.

6. Reprezentacje elektronowe w chemii organicznej

Zastosowanie elektronowej teorii budowy atomu i wiązań chemicznych w chemii organicznej było jednym z najważniejszych etapów rozwoju teorii budowy związków organicznych. Koncepcja budowy chemicznej jako sekwencji wiązań między atomami (A.M. Butlerov) została uzupełniona teorią elektronową o koncepcje budowy elektronowej i przestrzennej oraz ich wpływu na właściwości związków organicznych. To właśnie te reprezentacje pozwalają zrozumieć sposoby przenoszenia wzajemnego oddziaływania atomów w cząsteczkach (efekty elektronowe i przestrzenne) oraz zachowania się cząsteczek w reakcjach chemicznych.

Według współczesnych koncepcji właściwości związków organicznych określają:

natura i struktura elektronowa atomów;

rodzaj orbitali atomowych i charakter ich interakcji;

rodzaj wiązań chemicznych;

budowa chemiczna, elektronowa i przestrzenna cząsteczek.

7. Właściwości elektronów

Elektron ma podwójną naturę. W różnych eksperymentach może wykazywać właściwości zarówno cząstek, jak i fal. Ruch elektronu podlega prawom mechaniki kwantowej. Związek między właściwościami falowymi i korpuskularnymi elektronu odzwierciedla zależność de Broglie'a.

Energii i współrzędnych elektronu, podobnie jak innych cząstek elementarnych, nie można mierzyć jednocześnie z taką samą dokładnością (zasada nieoznaczoności Heisenberga). Dlatego ruchu elektronu w atomie lub cząsteczce nie można opisać za pomocą trajektorii. Elektron może znajdować się w dowolnym punkcie przestrzeni, ale z różnymi prawdopodobieństwami.

Część przestrzeni, w której prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest wysokie, nazywana jest orbitą lub obłokiem elektronów.

Na przykład:

8. Orbitale atomowe

Orbital atomowy (AO) - obszar najbardziej prawdopodobnego przebywania elektronu (chmury elektronowej) w polu elektrycznym jądra atomowego.

Położenie pierwiastka w układzie okresowym określa rodzaj orbitali jego atomów (s-, p-, d-, f-AO itd.), które różnią się energią, kształtem, rozmiarem i orientacją przestrzenną.

Elementy pierwszego okresu (H, He) charakteryzują się jednym AO - 1s.

W pierwiastkach drugiego okresu elektrony zajmują pięć AO na dwóch poziomach energii: pierwszy poziom to 1s; drugi poziom - 2s, 2px, 2py, 2pz. (cyfry oznaczają numer poziomu energetycznego, litery wskazują kształt orbitalu).

Stan elektronu w atomie jest całkowicie opisany przez liczby kwantowe.

Rodzaj wodoru:

Takie formuły są nieco podobne do współczesnych. Ale zwolennicy teorii typów nie uważali ich za odzwierciedlające rzeczywistą strukturę substancji i pisali wiele różnych wzorów dla jednego związku, w zależności od reakcji chemicznych, które próbowali napisać za pomocą tych wzorów. Uważali budowę cząsteczek za zasadniczo niepoznawalną, co szkodziło rozwojowi nauki.

3. Wprowadzenie przez J. Berzeliusa w 1830 r. terminu „izomeria” dla zjawiska istnienia substancji o tym samym składzie i różnych właściwościach.

4. Sukcesy w syntezie związków organicznych, w wyniku których obalona została doktryna witalizmu, czyli „siły życiowej”, pod wpływem której rzekomo tworzą się substancje organiczne w organizmie istot żywych:

W 1828 r. F. Wehler zsyntetyzował mocznik z substancji nieorganicznej (cyjanian amonu);

W 1842 r. Rosyjski chemik N. N. Zinin otrzymał anilinę;

W 1845 r. niemiecki chemik A. Kolbe zsyntetyzował kwas octowy;

W 1854 r. francuski chemik M. Berthelot zsyntetyzował tłuszcze i ostatecznie

W 1861 roku sam A. M. Butlerov zsyntetyzował substancję podobną do cukru.

5. W połowie XVIII wieku. chemia staje się bardziej rygorystyczną nauką. W wyniku prac E. Franklanda i A. Kekule powstała koncepcja wartościowości atomów pierwiastków chemicznych. Kekule opracował koncepcję czterowartościowości węgla. Dzięki pracom Cannizzaro pojęcia mas atomowych i cząsteczkowych stały się jaśniejsze, ich znaczenie i metody wyznaczania zostały dopracowane.

W 1860 ponad 140 czołowych chemików z różne kraje Europa zebrała się na międzynarodowym kongresie w Karlsruhe. Kongres stał się bardzo ważne wydarzenie w historii chemii: podsumowano sukcesy nauki i przygotowano warunki dla nowego etapu w rozwoju chemii organicznej – pojawienia się teorii budowy chemicznej substancji organicznych A. M. Butlerova (1861), a także dla fundamentalne odkrycie D. I. Mendelejewa - prawo okresowe i układy pierwiastków chemicznych (1869).

W 1861 r. A. M. Butlerow przemawiał na kongresie lekarzy i przyrodników w mieście Speyer z raportem „O chemicznej budowie ciał”. Nakreślił w nim podstawy swojej teorii budowy chemicznej związków organicznych. Pod strukturą chemiczną naukowiec zrozumiał kolejność łączenia atomów w cząsteczkach.

Osobiste cechy A. M. Butlerova

A. M. Butlerov wyróżniał się encyklopedycznym charakterem wiedzy chemicznej, umiejętnością analizowania i uogólniania faktów oraz przewidywania. Przepowiedział istnienie izomeru butanu, a następnie go otrzymał, a także izomeru butylenu - izobutylenu.

Butlerow Aleksander Michajłowicz (1828-1886)

Rosyjski chemik, akademik Petersburskiej Akademii Nauk (od 1874). Absolwent Uniwersytetu Kazańskiego (1849). Pracował tam (od 1857 - profesor, w 1860 i 1863 - rektor). Twórca teorii budowy chemicznej związków organicznych, leżącej u podstaw współczesnej chemii. Uzasadnił ideę wzajemnego wpływu atomów w cząsteczce. Przewidział i wyjaśnił izomerię wielu związków organicznych. Napisał „Wstęp do pełnego studium chemii organicznej” (1864) – pierwszy podręcznik w historii nauki oparty na teorii budowy chemicznej. Przewodniczący Wydziału Chemii Rosyjskiego Towarzystwa Fizyczno-Chemicznego (1878-1882).

A. M. Butlerow stworzył pierwszą szkołę chemików organicznych w Rosji, z której wyłonili się znakomici naukowcy: V. V. Markovnikov, D. P. Konovalov, A. E. Favorsky i inni.

Nic dziwnego, że D. I. Mendelejew napisał: „A. M. Butlerow jest jednym z najwybitniejszych rosyjskich naukowców, jest Rosjaninem zarówno pod względem wykształcenia naukowego, jak i oryginalności swoich prac”.

Główne postanowienia teorii budowy związków chemicznych

Teoria budowy chemicznej związków organicznych, wysunięta przez A. M. Butlerova w drugiej połowie ubiegłego wieku (1861), została potwierdzona pracą wielu naukowców, w tym uczniów Butlerova i jego samego. Okazało się, że na jego podstawie można wyjaśnić wiele zjawisk, które do tej pory nie miały interpretacji: izomerii, homologii, manifestacji czterowartościowości przez atomy węgla w substancjach organicznych. Teoria spełniła też swoją funkcję prognostyczną: na jej podstawie naukowcy przewidzieli istnienie wciąż nieznanych związków, opisali właściwości i odkryli je.

Tak więc w latach 1862-1864. A. M. Butlerov rozważył izomerię alkoholi propylowego, butylowego i amylowego, określił liczbę możliwych izomerów i wyprowadził wzory tych substancji. Ich istnienie zostało później udowodnione eksperymentalnie, a niektóre izomery zostały zsyntetyzowane przez samego Butlerova.

W ciągu XX wieku. postanowienia teorii budowy chemicznej związków chemicznych zostały opracowane na podstawie nowych poglądów, które rozpowszechniły się w nauce: teorii budowy atomu, teorii wiązań chemicznych, koncepcji mechanizmów reakcji chemicznych. Obecnie teoria ta ma charakter uniwersalny, to znaczy dotyczy nie tylko substancji organicznych, ale także nieorganicznych.

Pierwsza pozycja. Atomy w cząsteczkach są połączone w określonej kolejności zgodnie z ich wartościowością. Węgiel we wszystkich związkach organicznych i większości związków nieorganicznych jest czterowartościowy.

Jest oczywiste, że ostatnią część pierwszego przepisu teorii można łatwo wytłumaczyć faktem, że atomy węgla w związkach znajdują się w stanie wzbudzonym:

a) czterowartościowe atomy węgla mogą łączyć się ze sobą, tworząc różne łańcuchy:

otwarte rozgałęzione
- otwarte nierozgałęzione
- Zamknięte

b) kolejność łączenia atomów węgla w cząsteczkach może być różna i zależy od rodzaju kowalencyjnego wiązania chemicznego między atomami węgla - pojedyncze lub wielokrotne (podwójne i potrójne).

Druga pozycja. Właściwości substancji zależą nie tylko od ich składu jakościowego i ilościowego, ale także od struktury ich cząsteczek.

Stanowisko to wyjaśnia zjawisko izomerii. Substancje, które mają ten sam skład, ale inną budowę chemiczną lub przestrzenną, a więc różne właściwości, nazywane są izomerami. Główne typy izomerii:

Izomeria strukturalna, w której substancje różnią się kolejnością wiązania atomów w cząsteczkach:

1) izomeria szkieletu węglowego

3) izomeria szeregu homologicznego (międzyklasowego)

Izomeria przestrzenna, w której cząsteczki substancji różnią się nie kolejnością wiązania atomów, ale ich położeniem w przestrzeni: izomeria cis-trans (geometryczna).

Izomeria ta jest typowa dla substancji, których cząsteczki mają płaską strukturę: alkeny, cykloalkany itp.

Izomeria optyczna (lustrzana) należy również do izomerii przestrzennej.

Jak już wiesz, cztery pojedyncze wiązania wokół atomu węgla są ułożone czworościennie. Jeżeli atom węgla jest związany z czterema różnymi atomami lub grupami, to możliwe jest różne rozmieszczenie tych grup w przestrzeni, czyli dwie przestrzenne formy izomeryczne.

Dwie formy lustrzane aminokwasu alaniny (kwas 2-aminopropanowy) pokazano na rycinie 17.

Wyobraź sobie, że cząsteczka alaniny jest umieszczona przed lustrem. Grupa -NH2 jest bliżej zwierciadła, więc będzie z przodu w odbiciu, a grupa -COOH będzie w tle itd. (patrz ilustracja po prawej). Alanya istnieje w dwóch formach przestrzennych, które nałożone na siebie nie łączą się ze sobą.

Uniwersalność drugiego stanowiska teorii budowy związków chemicznych potwierdza istnienie izomerów nieorganicznych.

Tak więc pierwsza z syntez substancji organicznych - synteza mocznika przeprowadzona przez Wehlera (1828) wykazała, że ​​​​substancja nieorganiczna - cyjanian amonu i substancja organiczna - mocznik są izomeryczne:

Jeśli zastąpisz atom tlenu w moczniku atomem siarki, otrzymasz tiomocznik, który jest izomerem tiocyjanianu amonu, dobrze znanego odczynnika jonów Fe 3+. Oczywiście tiomocznik nie daje tej jakościowej reakcji.

Trzecia pozycja. Właściwości substancji zależą od wzajemnego oddziaływania atomów w cząsteczkach.

Na przykład w kwasie octowym tylko jeden z czterech atomów wodoru reaguje z alkaliami. Na tej podstawie można założyć, że tylko jeden atom wodoru jest związany z tlenem:

Z drugiej strony ze wzoru strukturalnego kwasu octowego można wywnioskować, że zawiera on jeden ruchomy atom wodoru, czyli jest jednozasadowy.

Aby zweryfikować uniwersalność stanowiska teorii budowy dotyczącej zależności właściwości substancji od wzajemnego oddziaływania atomów w cząsteczkach, która występuje nie tylko w związkach organicznych, ale także nieorganicznych, porównujemy właściwości atomów wodoru w wodorowe związki niemetali. Mają budowę molekularną iw normalnych warunkach są gazami lub lotnymi cieczami. W zależności od pozycji niemetalu w układzie okresowym D. I. Mendelejewa można zidentyfikować wzór zmiany właściwości takich związków:

Metan nie wchodzi w interakcje z wodą. Brak podstawowych właściwości metanu tłumaczy się nasyceniem zdolności walencyjnych atomu węgla.

Amoniak wykazuje podstawowe właściwości. Jego cząsteczka jest zdolna do przyłączenia do siebie jonu wodoru dzięki przyciąganiu do samotnej pary elektronów atomu azotu (mechanizm tworzenia wiązań donor-akceptor).

W fosfinie PH3 podstawowe właściwości są słabo wyrażone, co jest związane z promieniem atomu fosforu. Jest znacznie większy niż promień atomu azotu, więc atom fosforu słabiej przyciąga do siebie atom wodoru.

W okresach od lewej do prawej ładunki jąder atomów rosną, promienie atomów maleją, siła odpychania atomu wodoru z częściowym ładunkiem dodatnim G + wzrasta, a zatem właściwości kwasowe związków wodoru niemetali są wzmocnione.

W głównych podgrupach promienie atomowe pierwiastków rosną od góry do dołu, atomy niemetali z 5- przyciągają atomy wodoru z 5+ słabiej, siła związków wodoru maleje, łatwo dysocjują, a zatem ich właściwości kwasowe są wzmocnione.

Różną zdolność związków wodorowych niemetali do usuwania lub dodawania kationów wodoru w roztworach tłumaczy się nierównym wpływem atomu niemetalu na atomy wodoru.

Różny wpływ atomów w cząsteczkach wodorotlenków tworzonych przez pierwiastki z tego samego okresu wyjaśnia również zmianę ich właściwości kwasowo-zasadowych.

Podstawowe właściwości wodorotlenków maleją, a kwasowych rosną wraz ze wzrostem stopnia utlenienia atomu centralnego, a więc energia jego wiązania z atomem tlenu (8-) i odpychania atomu wodoru (8+) przez to wzrasta.

Wodorotlenek sodu NaOH. Ponieważ promień atomu wodoru jest bardzo mały, silniej przyciąga on do siebie atom tlenu, a wiązanie między atomami wodoru i tlenu będzie silniejsze niż między atomami sodu i tlenu. Wodorotlenek glinu Al(OH)3 wykazuje właściwości amfoteryczne.

W kwasie nadchlorowym HclO 4 atom chloru o stosunkowo dużym ładunku dodatnim jest silniej związany z atomem tlenu i silniej odpycha atom wodoru 6+. Dysocjacja przebiega zgodnie z rodzajem kwasu.

Główne kierunki rozwoju teorii budowy związków chemicznych i jej znaczenie

W czasach A. M. Butlerova wzory empiryczne (molekularne) i strukturalne były szeroko stosowane w chemii organicznej. Te ostatnie odzwierciedlają kolejność połączeń atomów w cząsteczce zgodnie z ich wartościowością, na co wskazują kreski.

Dla ułatwienia zapisu często stosuje się skrócone wzory strukturalne, w których kreskami zaznaczono tylko wiązania między atomami węgla lub węgla i tlenu.

Skrócone wzory strukturalne

Następnie, wraz z rozwojem wiedzy o naturze wiązania chemicznego i wpływie budowy elektronowej cząsteczek substancji organicznych na ich właściwości, zaczęto stosować wzory elektroniczne, w których wiązanie kowalencyjne umownie oznacza się dwiema kropkami. W takich wzorach często pokazywany jest kierunek przemieszczania się par elektronów w cząsteczce.

To elektronowa struktura substancji wyjaśnia efekty mezomeryczne i indukcyjne.

Efekt indukcyjny polega na przemieszczeniu par elektronów wiązań gamma z jednego atomu na drugi z powodu ich różnej elektroujemności. Oznaczone (->).

Efekt indukcyjny atomu (lub grupy atomów) jest ujemny (-/), jeśli atom ten ma wysoką elektroujemność (halogeny, tlen, azot), przyciąga elektrony związane z wiązaniem gamma i uzyskuje częściowy ładunek ujemny. Atom (lub grupa atomów) ma dodatni efekt indukcyjny (+/), jeśli odpycha elektrony wiązań gamma. Właściwość tę posiadają niektóre ograniczające rodniki C2H5). Przypomnij sobie regułę Markownikowa dotyczącą dodawania wodoru i halogenu halogenowodoru do alkenów (propenu), a zrozumiesz, że ta reguła ma szczególny charakter. Porównaj te dwa przykłady równań reakcji:

[[Theory_of_the_chemical_compounds_A._M._Butlerov| ]]

W cząsteczkach poszczególnych substancji jednocześnie manifestują się zarówno efekty indukcyjne, jak i mezomeryczne. W tym przypadku albo się wzmacniają (w aldehydach, kwasach karboksylowych), albo wzajemnie osłabiają (w chlorku winylu).

Efektem wzajemnego oddziaływania atomów w cząsteczkach jest redystrybucja gęstości elektronowej.

Idea przestrzennego kierunku wiązań chemicznych została po raz pierwszy wyrażona przez francuskiego chemika J. A. Le Bela i holenderskiego chemika J. X. Van't Hoffa w 1874 roku. Przypuszczenia naukowców zostały w pełni potwierdzone przez chemię kwantową. Na właściwości substancji istotny wpływ ma struktura przestrzenna ich cząsteczek. Na przykład podaliśmy już wzory na cis- i trans-izomery butenu-2, które różnią się właściwościami (patrz ryc. 16).

Średnia energia wiązania, która musi zostać zerwana podczas przejścia z jednej formy do drugiej, wynosi około 270 kJ / mol; nie ma tak dużo energii w temperaturze pokojowej. Do wzajemnego przejścia form butenu-2 z jednej do drugiej konieczne jest zerwanie jednego wiązania kowalencyjnego i utworzenie zamiast niego innego. Innymi słowy, proces ten jest przykładem reakcji chemicznej, a obie rozważane formy butenu-2 są różnymi związkami chemicznymi.

Pamiętacie zapewne, że najważniejszym problemem w syntezie kauczuku było uzyskanie kauczuku stereoregularnego. Konieczne było stworzenie polimeru, w którym jednostki strukturalne byłyby ułożone w ścisłej kolejności (na przykład kauczuk naturalny składa się tylko z jednostek cis), ponieważ od tego zależy tak ważna właściwość gumy, jak jej elastyczność.

Współczesna chemia organiczna wyróżnia dwa główne typy izomerii: strukturalny (izomeria łańcuchowa, izomeria położenia wiązań wielokrotnych, izomeria szeregu homologicznego, izomeria położenia grup funkcyjnych) i stereoizomeria (izomeria geometryczna lub cis-trans-izomeria, optyczna, lub lustro, izomeria).

Udało ci się więc upewnić, że drugie stanowisko teorii budowy chemicznej, jasno sformułowane przez A. M. Butlerova, było niepełne. Ze współczesnego punktu widzenia przepis ten wymaga uzupełnienia:
właściwości substancji zależą nie tylko od ich składu jakościowego i ilościowego, ale także od:

Chemiczny,

elektroniczny,

Struktura przestrzenna.

Stworzenie teorii budowy odtwarzanych substancji zasadnicza rola w rozwoju chemii organicznej. Z nauki przeważnie opisowej przeradza się w naukę twórczą, syntetyzującą, możliwe stało się ocenianie wzajemnego wpływu atomów w cząsteczkach różnych substancji (patrz tabela 10). Teoria struktury stworzyła warunki do wyjaśniania i przewidywania różnego rodzaju izomeria cząsteczek organicznych oraz kierunki i mechanizmy reakcji chemicznych.

Na podstawie tej teorii chemicy organicy tworzą substancje, które nie tylko zastępują naturalne, ale znacznie przewyższają je swoimi właściwościami. Tak więc syntetyczne barwniki są znacznie lepsze i tańsze niż wiele naturalnych, na przykład alizaryna i indygo znane w starożytności. Kauczuki syntetyczne są produkowane w dużych ilościach i mają różnorodne właściwości. Tworzywa sztuczne i włókna są szeroko stosowane, a produkty z nich są wykorzystywane w inżynierii, życiu codziennym, medycynie i rolnictwie.

Wartość teorii budowy chemicznej A. M. Butlerowa dla chemii organicznej można porównać z wartością prawa okresowego i układu okresowego pierwiastków chemicznych D. I. Mendelejewa dla chemia nieorganiczna. Nie bez powodu obie teorie mają tak wiele wspólnego w sposobach ich powstawania, kierunkach rozwoju i ogólnonaukowym znaczeniu. Jednak w historii żadnego innego wiodącego teoria naukowa(teoria Ch. Darwina, genetyka, teoria kwantów itp.) można znaleźć takie ogólne etapy.

1. Ustal podobieństwa między dwiema wiodącymi teoriami chemii - prawem okresowym i układem okresowym pierwiastków chemicznych D. I. Mendelejewa oraz teorią budowy chemicznej związków organicznych A. M. Butlerowa według następujące znaki: wspólne w przesłankach, wspólne w kierunkach ich rozwoju, wspólne w roli prognostycznej.

2. Jaką rolę odegrała teoria budowy związków chemicznych w powstawaniu prawa okresowego?

3. Jakie przykłady z chemii nieorganicznej potwierdzają uniwersalność każdego z zapisów teorii budowy związków chemicznych?

4. Kwas fosforawy H3PO3 odnosi się do kwasów dwuzasadowych. Zaproponuj jego wzór strukturalny i rozważ wzajemne oddziaływanie atomów w cząsteczce tego kwasu.

5. Zapisz izomery o składzie С3Н8O. Nazwij je zgodnie z nomenklaturą systematyczną. Określ rodzaje izomerii.

6. Znany następujące formuły krystaliczne hydraty chlorku chromu(III): [Cr(H2O)6]Cl3; [Cr(H20)5Cl]Cl2H2O; [Cr(H2O)4 * C12]Cl2H2O. Jak nazwałbyś to zjawisko?

Jak kształtowała się nauka na początku XIX wieku, kiedy szwedzki naukowiec J. J. Berzelius po raz pierwszy wprowadził pojęcie substancji organicznych i chemii organicznej. Pierwszą teorią chemii organicznej jest teoria rodników. Chemicy odkryli, że podczas przemian chemicznych grupy kilku atomów przechodzą niezmienione z cząsteczki jednej substancji do cząsteczki innej substancji, tak jak atomy pierwiastków przechodzą z cząsteczki do cząsteczki. Takie „niezmienne” grupy atomów nazywane są rodnikami.

Jednak nie wszyscy naukowcy zgodzili się z teorią rodników. Wielu ogólnie odrzuciło ideę atomizmu - ideę złożonej struktury cząsteczki i istnienia atomu jako jej części składowej. Co jest niezaprzeczalnie udowodnione w naszych czasach i nie budzi najmniejszych wątpliwości, w XIX wieku. była przedmiotem ostrych sporów.

Treść lekcji podsumowanie lekcji rama pomocnicza prezentacja lekcji metody akceleracyjne technologie interaktywne Ćwiczyć zadania i ćwiczenia samoocena warsztaty, ćwiczenia, przypadki, questy praca domowa dyskusja pytania pytania retoryczne od uczniów Ilustracje pliki audio, wideo i multimedia fotografie, obrazki grafika, tabele, schematy humor, anegdoty, dowcipy, komiksy przypowieści, powiedzonka, krzyżówki, cytaty Dodatki streszczenia artykuły żetony dla dociekliwych ściągawki podręczniki podstawowy i dodatkowy słowniczek terminów inne Ulepszanie podręczników i lekcjipoprawianie błędów w podręczniku aktualizacja fragmentu w podręczniku elementy innowacji na lekcji zastępowanie przestarzałej wiedzy nową Tylko dla nauczycieli doskonałe lekcje plan kalendarza przez rok wytyczne programy dyskusyjne Zintegrowane lekcje

Tak jak w chemii nieorganicznej podstawową podstawą teoretyczną jest prawo okresowości i układ okresowy pierwiastków chemicznych D. I. Mendelejewa, tak w chemii organicznej wiodącą podstawą naukową jest teoria budowy związków organicznych Butlerowa-Kekule-Coopera.

Jak każda teoria naukowa, teoria budowy związków organicznych była wynikiem uogólnienia najbogatszego materiału faktograficznego zgromadzonego przez chemię organiczną, która ukształtowała się jako nauka na początku XIX wieku. Odkrywano coraz więcej nowych związków węgla, których liczba rosła lawinowo (tab. 1).

Tabela 1
Liczba związków organicznych znanych w różnych latach

Wyjaśnij tę różnorodność naukowców zajmujących się związkami organicznymi początek XIX V. nie móc. Jeszcze więcej pytań budziło zjawisko izomerii.

Na przykład alkohol etylowy i eter dimetylowy są izomerami: substancje te mają ten sam skład C 2 H 6 O, ale inną strukturę, to znaczy inną kolejność połączeń atomów w cząsteczkach, a zatem różne właściwości.

Znany wam już F. Wöhler w jednym ze swoich listów do J. J. Berzeliusa tak opisał chemię organiczną: „Chemia organiczna może teraz doprowadzić każdego do szaleństwa. Wydaje mi się gęstym lasem, pełnym niesamowitych rzeczy, bezkresnym gąszczem, z którego nie można się wydostać, gdzie nie odważysz się przeniknąć ... ”

Duży wpływ na rozwój chemii miała praca angielskiego naukowca E. Franklanda, który opierając się na ideach atomizmu, wprowadził pojęcie wartościowości (1853).

W cząsteczce wodoru H 2 powstaje jedna kowalencyjna substancja chemiczna Połączenie H-H, tj. wodór jest jednowartościowy. Wartościowość pierwiastka chemicznego można wyrazić liczbą atomów wodoru, które jeden atom pierwiastka chemicznego przyłącza do siebie lub zastępuje. Na przykład siarka w siarkowodorze i tlen w wodzie są dwuwartościowe: H2S lub H-S-H, H2O lub H-O-H, a azot w amoniaku jest trójwartościowy:

W chemii organicznej pojęcie „wartościowości” jest analogiczne do pojęcia „stanu utlenienia”, z którym jesteś przyzwyczajony podczas zajęć z chemii nieorganicznej w szkole podstawowej. Jednak nie są one takie same. Na przykład w cząsteczce azotu N 2 stopień utlenienia azotu wynosi zero, a wartościowość wynosi trzy:

W nadtlenku wodoru H 2 O 2 stopień utlenienia tlenu wynosi -1, a wartościowość wynosi dwa:

W jonie amonowym NH + 4 stopień utlenienia azotu wynosi -3, a wartościowość wynosi cztery:

Zwykle w odniesieniu do związków jonowych (chlorek sodu NaCl i wiele innych substancji nieorganicznych z wiązaniem jonowym) nie używa się terminu „wartościowość” atomów, ale uwzględnia się ich stopień utlenienia. Dlatego w chemii nieorganicznej, gdzie większość substancji ma budowę niemolekularną, lepiej jest używać pojęcia „stan utlenienia”, a w chemii organicznej, gdzie większość związków ma budowę molekularną, z reguły używa się pojęcia "wartościowość".

Teoria budowy chemicznej jest wynikiem uogólnienia idei wybitnych ekologów z trzech krajów europejskich: Niemca F. Kekule, Anglika A. Coopera i Rosjanina A. Butlerowa.

W 1857 r. F. Kekule zaklasyfikował węgiel jako pierwiastek czterowartościowy, aw 1858 r. wraz z A. Cooperem zauważył, że atomy węgla mogą łączyć się ze sobą w różne łańcuchy: liniowy, rozgałęziony i zamknięty (cykliczny).

Prace F. Kekule i A. Coopera posłużyły jako podstawa do opracowania teorii naukowej wyjaśniającej zjawisko izomerii, związku między składem, strukturą i właściwościami cząsteczek związków organicznych. Taką teorię stworzył rosyjski naukowiec A. M. Butlerow. To jego dociekliwy umysł „odważył się przeniknąć” do „gęstego lasu” chemii organicznej i rozpocząć przekształcanie tego „bezkresnego gąszczu” w regularny, wypełniony słońcem park z systemem ścieżek i alejek. Główne idee tej teorii zostały po raz pierwszy wyrażone przez A. M. Butlerova w 1861 r. Na kongresie niemieckich przyrodników i lekarzy w Speyer.

Krótko sformułuj główne założenia i konsekwencje teorii Butlerova-Kekule-Coopera dotyczącej budowy związków organicznych w następujący sposób.

1. Atomy w cząsteczkach substancji są połączone w określonej kolejności zgodnie z ich wartościowością. Węgiel w związkach organicznych jest zawsze czterowartościowy, a jego atomy mogą łączyć się ze sobą, tworząc różne łańcuchy (liniowe, rozgałęzione i cykliczne).

Związki organiczne można układać w szeregi substancji o podobnym składzie, strukturze i właściwościach - szeregi homologiczne.

Butlerow Aleksander Michajłowicz (1828-1886), rosyjski chemik, profesor Uniwersytetu Kazańskiego (1857-1868), od 1869 do 1885 - profesor Uniwersytetu Petersburskiego. Akademik Petersburskiej Akademii Nauk (od 1874). Twórca teorii budowy chemicznej związków organicznych (1861). Przewidywał i badał izomerię wielu związków organicznych. Zsyntetyzował wiele substancji.

Na przykład metan CH 4 jest przodkiem homologicznej serii węglowodorów nasyconych (alkanów). Jego najbliższym homologiem jest etan C 2 H 6 lub CH 3 -CH 3. Kolejnymi dwoma członkami homologicznej serii metanu są propan C 3 H 8 lub CH 3 -CH 2 -CH 3 i butan C 4 H 10 lub CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 itd.

Łatwo zauważyć, że dla szeregu homologicznego można wyprowadzić ogólny wzór na szereg. Tak więc dla alkanów ten ogólny wzór to C n H 2n + 2.

2. Właściwości substancji zależą nie tylko od ich składu jakościowego i ilościowego, ale także od struktury ich cząsteczek.

Takie stanowisko teorii budowy związków organicznych wyjaśnia zjawisko izomerii. Oczywiście dla butanu C 4 H 10 oprócz cząsteczki struktura liniowa CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3, możliwa jest również rozgałęziona struktura:

Jest to zupełnie nowa substancja o własnych, indywidualnych właściwościach, różniących się od butanu liniowego.

Butan, w cząsteczce którego atomy ułożone są w łańcuch liniowy, nazywany jest butanem normalnym (n-butanem), a butan, którego łańcuch atomów węgla jest rozgałęziony, nazywany jest izobutanem.

Istnieją dwa główne typy izomerii - strukturalna i przestrzenna.

Zgodnie z przyjętą klasyfikacją wyróżnia się trzy typy izomerii strukturalnej.

Izomeria szkieletu węglowego. Związki różnią się kolejnością wiązań węgiel-węgiel, na przykład rozważany jest n-butan i izobutan. To właśnie ten typ izomerii jest charakterystyczny dla alkanów.

Izomeria pozycji wiązania wielokrotnego (C=C, C=C) lub grupy funkcyjnej (tj. grupy atomów, która określa, czy związek należy do określonej klasy związków organicznych), na przykład:

Izomeria międzyklasowa. Izomery tego typu izomerii należą do różnych klas związków organicznych, na przykład alkoholu etylowego (klasa nasyconych alkoholi jednowodorotlenowych) i eteru dimetylowego (klasa eterów) omówionych powyżej.

Istnieją dwa rodzaje izomerii przestrzennej: geometryczna i optyczna.

Izomeria geometryczna jest charakterystyczna przede wszystkim dla związków z podwójnym wiązaniem węgiel-węgiel, ponieważ cząsteczka ma płaską strukturę w miejscu takiego wiązania (ryc. 6).

Ryż. 6.
Model cząsteczki etylenu

Na przykład dla butenu-2, jeśli te same grupy atomów przy atomach węgla w wiązaniu podwójnym znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny wiązania C=C, to cząsteczka jest cisisomerem, jeśli po przeciwnych stronach jest transizomerem .

Izomerię optyczną posiadają na przykład substancje, których cząsteczki mają asymetryczny lub chiralny atom węgla związany z czterema różny zastępcy. Izomery optyczne są swoimi lustrzanymi odbiciami, jak dwie dłonie i nie są kompatybilne. (Teraz, oczywiście, druga nazwa tego typu izomerii stała się dla ciebie jasna: greckie chiros - ręka - próbka figury asymetrycznej.) Na przykład w postaci dwóch izomerów optycznych występuje 2-hydroksypropanowy (mlekowy ) kwas zawierający jeden asymetryczny atom węgla.

Cząsteczki chiralne mają pary izomerów, w których cząsteczki izomerów są powiązane ze sobą w swojej organizacji przestrzennej w taki sam sposób, jak obiekt i jego lustrzane odbicie są ze sobą powiązane. Para takich izomerów ma zawsze te same właściwości chemiczne i fizyczne, z wyjątkiem aktywności optycznej: jeśli jeden izomer obraca płaszczyznę światła spolaryzowanego zgodnie z ruchem wskazówek zegara, to drugi koniecznie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Pierwszy izomer nazywa się prawoskrętnym, a drugi lewoskrętnym.

Znaczenie izomerii optycznej w organizacji życia na naszej planecie jest bardzo duże, ponieważ izomery optyczne mogą znacznie różnić się zarówno aktywnością biologiczną, jak i kompatybilnością z innymi naturalnymi związkami.

3. Atomy w cząsteczkach substancji wpływają na siebie nawzajem. W dalszej części kursu rozważysz wzajemny wpływ atomów w cząsteczkach związków organicznych.

Współczesna teoria budowy związków organicznych opiera się nie tylko na strukturze chemicznej, ale także elektronowej i przestrzennej substancji, co jest szczegółowo rozpatrywane na poziomie profilu nauk chemicznych.

W chemii organicznej szeroko stosuje się kilka rodzajów wzorów chemicznych.

Wzór cząsteczkowy odzwierciedla jakościowy skład związku, to znaczy pokazuje liczbę atomów każdego z pierwiastków chemicznych, które tworzą cząsteczkę substancji. Na przykład wzór cząsteczkowy propanu to C 3 H 8 .

Wzór strukturalny odzwierciedla kolejność łączenia atomów w cząsteczce według wartościowości. Wzór strukturalny propanu to:

Często nie ma potrzeby szczegółowego przedstawiania wiązań chemicznych między atomami węgla i wodoru, dlatego w większości przypadków stosuje się skrócone wzory strukturalne. W przypadku propanu taki wzór jest zapisany w następujący sposób: CH 3 -CH 2 -CH 3.

Strukturę cząsteczek związków organicznych odzwierciedla się za pomocą różnych modeli. Najbardziej znane są modele wolumetryczne (w skali) i kulowo-patykowe (ryc. 7).

Ryż. 7.
Modele cząsteczki etanu:
1 - piłka i kij; 2 - skala

Nowe słowa i pojęcia

1. Izomeria, izomery.
2. Wartościowość.
3. Struktura chemiczna.
4. Teoria budowy związków organicznych.
5. Szeregi homologiczne i różnica homologiczna.
6. Wzory molekularne i strukturalne.
7. Modele cząsteczek: objętościowy (skalowy) i sferyczny.

Pytania i zadania

1. Co to jest wartościowość? Czym różni się od stanu utlenienia? Podaj przykłady substancji, w których wartości stopnia utlenienia i wartościowości atomów są liczbowo takie same i różne,
2. Określ wartościowość i stopień utlenienia atomów w substancjach o wzorach Cl 2, CO 2, C 2 H 6, C 2 H 4.
3. Co to jest izomeria; izomery?
4. Co to jest homologia; homologi?
5. Jak, wykorzystując wiedzę o izomerii i homologii, wyjaśnić różnorodność związków węgla?
6. Co oznacza budowa chemiczna cząsteczek związków organicznych? Sformułować stanowisko teorii budowy wyjaśniające różnice we właściwościach izomerów Sformułować stanowisko teorii budowy wyjaśniającej różnorodność związków organicznych.
7. Jaki wkład w tę teorię wnieśli wszyscy naukowcy - twórcy teorii budowy chemicznej? Dlaczego wkład rosyjskiego chemika odegrał wiodącą rolę w powstaniu tej teorii?
8. Możliwe, że istnieją trzy izomery o składzie C 5 H 12. Zapisz ich pełne i skrócone wzory strukturalne,
9. Zgodnie z modelem cząsteczki substancji przedstawionym na końcu akapitu (patrz ryc. 7), uzupełnij jego cząsteczkowe i skrócone wzory strukturalne.
10. Oblicz udział masowy węgla w cząsteczkach pierwszych czterech członków szeregu homologicznego alkanów.