Теория химического строения Бутлерова 93.5 КБ

1
Основные положения теории химического
строения А.М. Бутлерова.
Зависимость свойств веществ от
химического строения. Изомерия.
В первой половине XIX века среди ученых – химиков не существовало
единых взглядов на строение органических веществ. Большинство ученых
считало, что:
- состав вещества может быть выражен различными формулами ( А. Кекуле
использовал 20 различных формул уксусной кислоты;
- строение вещества непознаваемо;
- атомы и молекулы реально не существуют;
- невозможно объяснить многообразие органических веществ;
- невозможно объяснить валентность углерода в органических соединениях (
какова валентность углерода в соединениях - С₂Н₆, С₂Н₄, С₂Н₂, С₃Н₈)
Кроме того многие химики придерживались виталистических взглядов, т.е.
считали, что органические соединения образуются только в живых
организмах под воздействием «жизненной силы».
Органическая химия как наука стала развиваться быстро и успешно с 1861 г.,
когда в научной печати была опубликована теория химического строения
органических веществ А.М. Бутлерова.
При создании своей теории А.М. Бутлеров исходил из реальности
существования атомов и молекул. Он обобщил и осмыслил известные в то
время научные факты:
1) открытие валентности элементов
2
2)
3)
4)
5)
( Э. Франкланд, 1858 г.);
установление четырёхвалентности углерода ( А. Кекуле, 1857 г.);
обнаружение способности атомов углерода соединяться между собой (
А. Купер, А. Кекуле, 1857 г.);
предложение валентного штриха для обозначения химических сил
щепления атомов ( А. Купер, 1858 г.);
разделение уточнение понятий «атом» и «молекула» (Международный
съезд в Карлсруэ, 1861 г.).
Основные положения теории
I. Атомы в молекулах органических веществ соединяются между собой в
определенном порядке в соответствии с их валентностью
Порядок (последовательность) соединения атомов в молекуле называется
химическим строением ( структурой).
Бутлеров ввел понятие « химическое строение вещества». Теория
химического строения позволяет сделать ряд выводов относительно
углерода в связи с его положением в периодической системе элементов:
1 - углерод всегда четырёхвалентный;
2- все валентности углерода равнозначны и размещены симметрично
(позже будет доказано, что они направлены к вершинам правильного
тетраэдра);
3- углерод обладает индифферентным характером и способен соединяться
как с металлами, так и с неметаллами;
4 - атомы углерода могут соединяться между собой и образовывать цепи,
затрачивая на взаимную связь одну, две или три единицы валентности:
а) прямая цепь (линейная):
3
б) разветвленная цепь:
в) замкнутая цепь (циклическая, кольцевая):
Каждое органическое вещество имеет определённое химическое строение,
которое может быть выражено только одной структурной формулой –
развёрнутой ( полной ) или сокращённой.
Строение этана, этилена и ацетилена может быть выражено следующим
образом:
а) эмпирической формулой
C₂H₆ C₂H₄ C₂H₂
б) развёрнутой структурной формулой:
в) сокращённой структурной формулой:
4
В органической химии используется традиционно сложившееся определение
«структурная формула».
В неорганической химии различают понятия:
- структурная формула,
- графическая формула
Отличие между ними заключается в том, что графическая формула не
отражает реальной геометрии молекул, т.е. длины, связи и углов,
образуемых связями между атомами.
В органической химии понятию «структурная формула» больше
соответствует понятие «графическая формула» из неорганичекой химии.
II. Свойства органических веществ зависят не только от состава молекул, но
и от химического состава молекул.
Физические и химические свойства соединений определяются:
- качественным составом;
- количественным составом;
- химическим строением, причем химическому строению принадлежит
решающая роль.
До Бутлерова не могли объяснить существование изомеров, т.е. явление
изомерии.
Явление изомерии было обнаружено Берцелиусом в 1830 г. И им же было
введен в 1830 г.термин «изомерия».
Изомерия – явление, при котором двум и большему числу соединениий с
различными свойствами отвечает однна и та же общая формула.
Изомеры – вещества, имеющие оддинаковый качественный и
количественный состав, но различное строение молекул, а потому
обладающие различными свойствами – физическими и химическими.
5
Изомеры имеют одинаковую эмпирическую формулу, но различные
структурные ( графические) формулы
С увеличением числа атомов углерода в молекуле число изомеров резко
возрастает, например:
С₄Н₁₀– два изомера
С₁₀Н₂₂ – 75 изомеров
III. Атомы или группы атомов, образующие молекулу, взаимно влияют
друг на друга и на свойства молекулы в целом.
В молекулах существует взаимное влияние атомов как связанных, так и
непосредственно между собой не связанных.
Мысль о взаимном влиянии атомов в молекуле органического вещества –
одна из наиболее глубоких мыслей в теории Бутлерова.
Под понятием «химическое строение» Бутлеров поинмал не только состав
молекулы и определенный порядок соединения атомов в молекуле, но и
порядок взаимного влияния атомов в молекуле.
Молекула не представляет собой простую сумму атомов, хотя и
соединенных между собой в определенном порядке.
Из неорганической химии известно, что водород ведет себя по разному:
- в соляной кислоте НСI,
- в воде Н₂О,
- в аммиаке NH₃.
Вытеснение водорода происходи по разному:
6
- это явление можно объяснить различным влиянием но водород атомов
хлора, кислорода, азота.
Имеет место влияние атомов в молекулах органических и неорганических
веществ, которые содержат гидроксигруппу:
причина
различного
химического характера группы ОН обусловленна влиянием связанных с ней
атомов и групп атомов.
ОН – группа также влияет на некоторые свойства молекул, например на
подвижность атомов водорода в цикле:
7
Взаимное влияние могут оказывать и атомы, не связанные друг с другом:
СН₃ – СН₂ - Сl (хлористый этил) - атом хлора весьма реакционноспособен
СН₂ = СН – Cl ( хлористый винил) - атом хлора инертный
- здесь проявляется различное влияние на атом хлора
различных радикалов:
этила – СН₂ - СН₃
винила – СН = СН₂
Трихлоруксусная кислота значительно более сильная, чем уксусная, т.к.
замена водорода на хлор в углеводородном радикале вызывает увеличение
подвижности протана в карбоксильной группе.
8
IV. На основании изучения свойств вещества можно определить строение
его молекулы и наоборот, зная строение вещества, можно предвидеть его
свойства.
Два изомера С₆Н₁₂ - жидкости, но один из них обесцвечивает бромную
воду и раствор перманганата калия ( при комнатной температуре), а другой –
нет, следовательно, можно предположить, что:
первое вещество – алкен
второе вещество – алкан ( циклоалкан).
Определить строение молекулы вещества и выразить это строение
конкретной химической формулой можно, изучая продукты химического
превращения вещества.
Теория А.М. Бутлерова не только объяснила строение органических
веществ и их свойства, но также дала возможность теоретически предвидеть
существование новых веществ и находить пути их синтеза ( получения).
Новейшие достижения науки не разрушают теорию Бутлерова, а лишь
расширяют и дополняют её.
9