Вопрос № 2. Теория химического строения А.Н. Бутлерова (20 мин).
Накопление большого экспериментального материала в органической химии потребовало создания единой теории, способной не только объяснить, но, главное, научно предвидеть новые факты.
Первой теорией была "теория радикалов". Ее создатели: Берцелиус, Дюма, Либих, Велер, Гей-Люссак,- рассматривали органическое вещество как систему, состоящую из двух противоположно заряженных частиц - радикалов, которые без изменения переходят из одной молекулы в другую в ходе химической реакции.
В 40-х годах 19 века возникла "теория типов", которая рассматривала часть молекулы, изменяющуюся в процессе химической реакции. Создатели теории: Жерар, Лоран, Дюма,- отнесли все известные органические вещества по характеру их химических превращений к пяти типам. Однако считалось, что строение органических соединений в ходе химических превращений познать нельзя, а значит, невозможно предсказать их свойства.
В середине 19 века для создания новой теории уже были созданы определенные предпосылки. Кекуле и Кольбе установили, что углерод четырехвалентен и что его атомы способны соединяться в длинные углерод -углеродные цепи. Купер предложил изображать отдельные связи в молекуле с помощью черточек-символов.
В 1861 году в статье "О химическом строении вещества" А.М. Бутлеров высказал основные положения теории химического строения органических соединений. Сущность этой теории можно кратко сформулировать в виде следующих положений:
1. Атомы, входящие в состав органического вещества, соединены между собой в определенной последовательности согласно их валентности. Последовательность соединений атомов А.М. Бутлеров назвал химическим строением.
2. Каждому химическому строению соответствуют определенные химические свойства.
3. Атомы в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга, т.е. их химические свойства не являются постоянными, а зависят от того, с какими атомами они связаны.
4. Зная свойства вещества, можно установить его строение, и наоборот. Строение молекулы можно выразить при помощи структурной формулы, которая для данного вещества является единственной.
Теория химического строения дала возможность объяснить явление изомерии, т.е. существования веществ, имеющих различное химическое строение при одном и том же составе и молекулярной массе, в результате обладающих различными химическими и физическими свойствами. А.М.Бутлеров высказал предположение о пространственном строении органических соединений, дав начало новой науке - стереохимии.
Таким образом, теория А.М.Бутлерова позволила ученым взглянуть на молекулу, как на систему, в которой существует строгий порядок химической связи между атомами. Сегодня сущность этой теории можно выразить так: физические и химические свойства рганических соединений определяются составом их молекул, а также химическим, пространственным и электронным строением.
Органическая химия - это наука, изучающая свойства и химическое поведение углеводородов и их производных.
В основу химического строения органических соединений положено понятие валентности. Углерод во всех органических соединениях четырехвалентен.
Однако теория А.М.Бутлерова была выдвинута до открытия Периодического закона и Периодической системы, когда не существовало еще квантово-механической теории и представления об атоме, как совокупности положительно заряженного ядра и отрицательных электронов. При изучении органической химии электронное строение атома углерода представляет особый интерес, так как с этим связаны особые свойства атома, определяющие различия между органическими и неорганическими соединениями.
Углерод - первый элемент 4-ой группы Периодической системы элементов, имеющий электронную формулу 1S22S22р2 . Такое распределение электронов может привести к неверному выводу о том, что углерод является двухвалентным элементом. Несмотря на то, что в наружном электронном слое спарены только 2s-электроны, а 2р-электроны не спарены и способны образовывать химическую связь, в момент химической реакции углерод переходит из основного состояния в возбужденное, 2s-электроны распариваются и один из них переходит на свободную 2р-орбиталь.
1s
| ↑↓ |
2s ——————→
| ↓↑ |
2р
| ↑ | ↑ |
1s
| ↑↓ |
2s
| ↓ |
2р
| ↑ | ↑ | ↑ |
В результате такого перехода образуются четыре неспаренных электрона - один 2s и три 2р. Это возможно потому, что данные состояния очень близки в энергетическом отношении. Затраченная энергия /676,2 КДж/моль/ затем компенсируется при образовании четырех связей. Таким образом, углерод не будет склонен ни к принятию, ни к отдаче
электронов для образования восьми электронного октета, при образовании молекулы он создает равноценные ковалентные связи, электронные пары, каждая из которых в структурной формуле вещества обозначается черточкой. Четыре валентности углерода направлены в пространстве к четырем углам тетраэдра, т.е. молекула имеет не плоскостное, а пространственное строение:
метан СН4 этан СН3 - СН3
Н Н Н
¦ ¦ ¦
Н-- С-- Н Н--С--С--Н
¦ ¦ ¦
Н Н Н
Образованием цепочек, как линейных так и замкнутых, объясняется многообразие органических соединений. Так из 20 атомов углерода и 42 атомов водорода можно получить 366319 различных углеводородов. Вещества, имеющие одинаковый состав, но различное строение называются изомерами.
(Все определения, формулы, графики и уравнения реакций даются под запись.)