Органическая химия

ионы в малой степени. В молекулах аммиака азот еще в меньшей степени

оттягивает к себе электроны связей с атомами водорода, и молекула в водном

растворе не подвергается диссоциации.

    Химические  свойства молекулы определяются  свойствами составляющих ее

атомов, их числом и химическим строением.

 

 

 

     Значение  теории.

 

  Теория химического  строения позволила объяснить  многие факты,

накопившиеся в органической химии в начале второй половины ХIХ в.,

доказала, что с помощью химических методов ( синтеза, разложения и других

реакций) можно установить порядок соединения атомов в молекулах ( этим

самым была доказана возможность познания строения вещества);

    Внесла  новое в атомно-молекулярное учение  ( порядок расположения атомов

в молекулах, взаимное влияние атомов, зависимость свойств от строения

молекул вещества). Теория рассматривала молекулы вещества как упорядоченную

систему, наделенную динамикой взаимодействующих атомов. В связи с этим

атомно-молекулярное учение получило свое дальнейшее развитие, что имело

большое значение для науки химии;

    Дала возможность  предвидеть свойства органических  соединений на

основании строения, синтезировать новые вещества, придерживаясь плана;

    Позволила  объяснить многообразие органических  соединений;

    Дала мощный  толчок синтезу органических  соединений, развитию

промышленности органического синтеза ( синтез спиртов, эфиров, красителей,

лекарственных веществ и др.).

    Отметим  некоторые аспекты мировоззренческого  значения теории

химического строения, важное для диалектико-материалистического воспитания

учащихся.

    По своему  содержанию теория химического  строения – материалистическая.

В ней утверждаются материальность мира и возможность его познания, которые

проявляются в признании реально существующих атомов и молекул, в

возможности познания их строения ( химического и пространственного) и

свойств. Химическая формула молекулы вещества, следовательно, отражает

реально существующую молекулу, связь в ней атомов.

    Разработав  теорию и подтвердив правильность  ее синтезом новых

соединений А.М. Бутлеров не считал теорию абсолютной и неизменной. Он

утверждал, что она должна развиваться, и предвидел, что это развитие пойдет

путем разрешения противоречий между теоретическими знаниями и возникающими

новыми фактами.

    Теория  химического строения, как и предвидел  А.М. Бутлеров, не осталась

неизменной. Дальнейшее ее развитие шло главным образом в двух

взаимосвязанных направлениях

     Первое  из них было предсказано самим  А.М.Бутлеровым

Он считал,что наука в будущем сможет устанавливать не только порядок

соединения атомов в молекуле,но и их пространственное расположение. Учение

о пространственном строении молекул, называемое стереохимией ( греч.

«стереос» - пространственный), вошло в науку в 80-х годах прошлого

столетия. Оно позволило объяснять и предсказывать новые факты, не

вмещавшиеся в рамки прежних теоретических представлений.

    Второе  направление связано с применением  в органической химии учения  об

электронном строении атомов, развитого в физике ХХ века. Это учение

позволило понять природу химической связи атомов, выяснить сущность их

взаимного влияния, объяснить причину проявления веществом тех или иных

химических свойств.

 

 

 

 

Ко времени создания А. М. Бутлеровым теории химического строения органических веществ (1861 г.) были известны многие десятки и сотни тысяч органических соединений. 
 
Возникновение органической химии как самостоятельной науки можно отнести к 1807 г., когда известный шведский химик Й. Берцелиус впервые ввел термины «органическая химия» и «органические вещества». До этого времени вещества классифицировали по источнику их получения и поэтому еще в XVIII в. различали три химии: «растительную», «животную» и «минеральную». 
 
В конце XVIII в. французский химик А. Лавуазье показал, что вещества, получаемые из организмов растений и животных (отсюда их название — органические вещества), содержат, в отличие от минеральных, лишь немногие элементы: углерод, водород кислород, азот, а иногда фосфор и серу. Так как углерод обязательно присутствует во всех органических соединениях, то органическую химию по предложению А. Кекуле с середины XIX в. стали называть химией соединений углерода. 
 
Позднее немецкий химик К. Шорлеммер дал более точное определение этой науки: органическая химия — это химия углеводородов и их производных (то есть соединений, которые могут быть получены на основе углеводородов). 
 
Работы предшественников А. М. Бутлерова 
 
1. Введение французскими химиками Л. Гитоном де Морво и А. Лавуазье термина «радикал» и истолкование органической химии как химии сложных радикалов (Ж. Дюма и Ф. Велер).

 
В 20—30-х гг. XX в. прошлого столетия сформировалась теория радикалов (Й. Берцелиус, Ю. Либих, Ж. Дюма), явившаяся одной из первых попыток объяснить природу органических веществ. Считалось, что органические вещества построены из радикалов — групп атомов, без изменения переходящих из одного соединения в другое при химических реакциях. Радикалы рассматривали как «подлинные элементы органической химии» и считали их устойчивость постоянным свойством. Такие представления могут быть оценены как односторонние, хотя их признают и в настоящее время, когда доказано существование органических радикалов как промежуточных частиц, возникающих в ходе химических реакций. Этим не исчерпывается многообразная природа органических веществ и их превращений. 2. Создание теории типов французскими химиками Ж. Дюма, Ш. Жераром и О. Лораном (1848—1853), согласно которой органические вещества рассматривают как производные простейших неорганических веществ: водорода, хлороводорода, воды,аммиака. 
 
Тип водорода: 

 

Такие формулы несколько похожи на современные. Но сторонники теории типов не считали их отражающими реальное строение веществ и писали множество различных формул одного соединения в зависимости от химических реакций, которые пытались записать с помощью этих формул. Строение молекул они считали принципиально непознаваемым, что наносило вред развитию науки. 

3. Введение Й. Берцелиусом  в 1830 г. термина «изомерия» для явления существования веществ одинакового состава, обладающих различными свойствами.

4.    Успехи в синтезе органических соединений, в результате которых было развеяно учение о витализме, то есть о «жизненной силе», под влиянием которой якобы в организме живых существ образуются органические вещества: 
 
•    в 1828 г. Ф. Велер из неорганического вещества (цианата аммония) синтезировал мочевину; 
 
•    в 1842 г. русский химик Н. Н. Зинин получил анилин; 
 
•    в 1845 г. немецкий химик А. Кольбе синтезировал уксусную кислоту; 
 
•    в 1854 г. французский химик М. Бертло синтезировал жиры, и, наконец, 
 
•    в 1861 г. сам А. М. Бутлеров синтезировал сахароподобное вещество. 
 
5.    В середине XVIII в. химия становится более строгой наукой. В результате работ Э. Франкланда и А. Кекуле утвердилось понятие о валентности атомов химических элементов. Кекуле развил представление о четырехвалентности углерода. Благодаря трудам Канниццаро четче стали понятия об атомных и молекулярных массах, уточнены их значения и способы определения. 
 
В 1860 г. более 140 ведущих химиков из разных стран Европы собрались на международный конгресс в г. Карлсруэ. Конгресс стал очень важным событием в истории химии: были обобщены успехи науки и подготовлены условия для нового этапа в развитии органической химии — появления теории химического строения органических веществ А. М. Бутлерова (1861 г.), а также для фундаментального открытия Д. И. Менделеева — Периодического закона и системы химических элементов (1869 г.). 
 
В 1861 г. А. М. Бутлеров выступил на съезде врачей и естествоиспытателей в г. Шпейере с докладом «О химическом строении тел». В нем он изложил основы разработанной им теории химического строения органических соединений. Под химическим строением ученый понимал порядок соединения атомов в молекулах. 
 
Личностные качества А. М. Бутлерова 
 
А. М. Бутлерова отличали энциклопедичность химических знаний, умение анализировать и обобщать факты, прогнозировать. Он предсказал существование изомера бутана, а затем получил его, равно как изомер бутилена — изобутилен.

Бутлеров Александр Михайлович (1828—1886) 

 
Русский химик, академик Петербургской АН (с 1874 г.). Окончил Казанский университет (1849 г.). Работал там же (с 1857 г. — профессор, в 1860 и 1863 гг. — ректор). Создатель теории химического строения органических соединений, лежащей в основе современной химии. Обосновал идею о взаимном влиянии атомов в молекуле. Предсказал и объяснил изомерию многих органических соединений. Написал «Введение к полному изучению органической химии» (1864 г.) — первое в истории науки руководство, основанное на теории химического строения. Председатель Отделения химии Русского физико-химического общества (1878—1882). 
 
А. М. Бутлеров создал первую в России школу химиков-органиков, из которой вышли блестящие ученые: В. В. Марковников, Д. П. Коновалов, А. Е. Фаворский и др. 
 
Недаром Д. И. Менделеев писал: «А. М. Бутлеров — один из величайших русских ученых, он русский и по ученому образованию, и по оригинальности трудов». 
 
Основные положения теории строения химических соединений 
 
Теория химического строения органических соединений, выдвинутая А. М. Бутлеровым во второй половине прошлого века (1861 г.), была подтверждена работами многих ученых, в том числе учениками Бутлерова и им самим. Оказалось возможным на ее основе объяснить многие явления, до той поры не имевшие толкования: изомерию, гомологию, проявление атомами углерода четырехвалентности в органических веществах. Теория выполнила и свою прогностическую функцию: на ее основе ученые предсказывали существование неизвестных еще соединений, описывали свойства и открывали их.

Так, в 1862—1864 гг. А. М. Бутлеров рассмотрел изомерию пропиловых, бутиловых и амиловых спиртов, определил число возможных изомеров и вывел формулы этих веществ. Существование их позднее было экспериментально доказано, причем некоторые из изомеров синтезировал сам Бутлеров. 
 
В течение XX в. положения теории химического строения химических соединений были развиты на основе новых воззрений, распространившихся в науке: теории строения атома, теории химической связи, представлений о механизмах химических реакций. В настоящее время эта теория имеет универсальный характер, то есть справедлива не только для органических веществ, но и для неорганических. 
 
Первое положение. Атомы в молекулах соединяются в определенном порядке в соответствии с их валентностью. Углерод во всех органических и в большинстве неорганических соединений четырехвалентен. 
 
Очевидно, что последнюю часть первого положения теории легко объяснить тем, что в соединениях атомы углерода находятся в возбужденном состоянии: 

 
а) атомы четырехвалентного углерода могут соединяться друг с другом, образуя различные цепи: 
 
- открытые разветвленные 
- открытые неразветвленные 
- замкнутые

 
б) порядок соединения атомов углерода в молекулах может быть различным и зависит от вида ковалентной химической связи между атомами углерода — одинарной или кратной (двойной и тройной). 
 
Второе положение. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения их молекул. 
 
Это положение объясняет явление изомерии. Вещества, имеющие одинаковый состав, но разное химическое или пространственное строение, а следовательно, и разные свойства, называют изомерами. Основные виды изомерии: 
 
Структурная изомерия, при которой вещества различаются порядком связи атомов в молекулах:

1) изомерия углеродного  скелета 

 

3) изомерия гомологических  рядов (межклассовая) 

 

Пространственная изомерия, при которой молекулы веществ отличаются не порядком связи атомов, а положением их в пространстве: цис-транс-изомерия (геометрическая). 
 
Эта изомерия характерна для веществ, молекулы которых имеют плоское строение: алкенов, циклоалканов и др.

 

К пространственной изомерии относится и оптическая (зеркальная) изомерия. 
 
Четыре одинарные связи вокруг атома углерода, как вы уже знаете, расположены тетраэдрически. Если атом углерода связан с четырьмя различными атомами или группами, то возможно разное расположение этих групп в пространстве, то есть две пространственные изомерные формы. 
 
Две зеркальные формы аминокислоты аланина (2-аминопропановой кислоты) изображены на рисунке 17. 
 
Представьте себе, что молекулу аланина поместили перед зеркалом. Группа —NH2 находится ближе к зеркалу, поэтому в отражении она будет впереди, а группа —СООН — на заднем плане и т. д. (см. изображение справа). Алании существует в двух пространственных формах, которые при наложении не совмещаются одна с другой. 
 
Универсальность второго положения теории строения химических соединений подтверждает существование неорганических изомеров. 
 
Так, первый из синтезов органических веществ — синтез мочевины, проведенный Велером (1828 г.), показал, что изомерны неорганическое вещество — цианат аммония и органическое — мочевина: 

 

Если заменить атом кислорода в мочевине на атом серы, то получится тиомочевина, которая изомерна роданиду аммония, хорошо известному вам реактиву на ионы Fе3+. Очевидно, что тиомочевина не дает этой качественной реакции.

Третье положение. Свойства веществ зависят от взаимного влияния атомов в молекулах. 
 
Например, в уксусной кислоте в реакцию со щелочью вступает только один из четырех атомов водорода. На основании этого можно предположить, что только один атом водорода связан с кислородом: 

 

С другой стороны, из структурной формулы уксусной кислоты можно сделать вывод о наличии в ней одного подвижного атома водорода, то есть о ее одноосновности. 
 
Чтобы убедиться в универсальности положения теории строения о зависимости свойств веществ от взаимного влияния атомов в молекулах, которое существует не только у органических, но и у неорганических соединений, сравним свойства атомов водорода в водородных соединениях неметаллов. Они имеют молекулярное строение и в обычных условиях представляют собой газы или летучие жидкости. В зависимости от положения неметалла в Периодической системе Д. И. Менделеева можно выявить закономерность в изменении свойств таких соединений: 

 

Метан не взаимодействует с водой. Отсутствие основных свойств у метана объясняется насыщенностью валентных возможностей атома углерода. 
 
Аммиак проявляет основные свойства. Его молекула способна присоединять к себе ион водорода за счет его притяжения к неподеленной электронной паре атома азота (донорно-акцепторный механизм образования связи). 
 
У фосфина РН3 основные свойства слабо выражены, что связано с радиусом атома фосфора. Он значительно больше радиуса атома азота, поэтому атом фосфора слабее притягивает к себе атом водорода. 
 
В периодах слева направо увеличиваются заряды ядер атомов, уменьшаются радиусы атомов, увеличивается сила отталкивания атома водорода с частичным положительным зарядом §+, а потому кислотные свойства водородных соединений неметаллов усиливаются. 

 

В главных подгруппах сверху вниз увеличиваются радиусы атомов элементов, атомы неметаллов с 5- слабее притягивают атомы водорода с 5+, уменьшается прочность водородных соединений, они легко диссоциируют, а потому их кислотные свойства усиливаются. 
 
Различная способность водородных соединений неметаллов к отщеплению или присоединению катионов водорода в растворах объясняется неодинаковым влиянием, которое оказывает атом неметалла на атомы водорода. 
 
Различным влиянием атомов в молекулах гидроксидов, образованных элементами одного периода, объясняется также изменение их кислотно-основных свойств.