Содержание

Главная >> Химия. Углубленный уровень

Химия 10 класс. Габриелян

§ 2. Теория строения органических соединений А. М. Бутлерова

Органическая химия как наука оформилась в начале XIX в. Первая теория в органической химии — теория радикалов. Химиками было обнаружено, что при химических превращениях группы из нескольких атомов в неизменном виде переходят из молекулы одного вещества в молекулу другого вещества, подобно тому как переходят из молекулы в молекулу атомы элементов. Такие «неизменяемые» группы атомов и получили название радикалов.

Однако далеко не все учёные были согласны с теорией радикалов. Многие вообще отвергали идею атомистики — представления о сложном строении молекулы и существовании атома как её составной части. То, что неоспоримо доказано в наши дни и не вызывает ни малейших сомнений, в XIX в. было предметом ожесточённых споров.

Теорию радикалов сменила теория типов, в соответствии с которой предполагалось, что реакции органических веществ сходны с реакциями простейших неорганических соединений. Основоположник этой теории Ш. Жерар предложил разделить органические вещества на группы, близкие по своему типу к воде, хлороводороду, аммиаку и т. д. Во многих случаях одно и то же соединение изображали десятками типических формул. По мере накопления экспериментального материала теория типов зашла в тупик.

Потерпело поражение и учение о витализме, которое, как вы уже знаете, не устояло перед достижениями практической химии.

Органическая химия накапливала всё больше фактов о соединениях углерода, число которых постоянно росло (табл. 1).

Объяснить причины многообразия органических веществ учёные не могли. Ещё больше вопросов вызывало существование изомеров. Эти вещества имели совершенно одинаковый состав, но проявляли при этом разные физические и химические свойства. Уже известный вам Ф. Вёлер в одном из писем Й. Я. Берцелиусу так описывал органическую химию того времени: «Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она кажется мне дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть...»

Большое влияние на развитие химии в это время оказали работы английского химика Э. Франкланда, который, опираясь на идеи атомистики, в 1853 г. ввёл понятие «валентность». Однако валентность углерода во многих соединениях, например в этане С₂Н₆ и пропане С₃Н₈, вызывала ещё больше вопросов. В 1857 г. немецкий химик Ф. А. Кекуле отнёс углерод к четырёхвалентным элементам, а в 1858 г. он одновременно с шотландским химиком А. Купером (1831—1892) отметил, что атомы углерода способны соединяться друг с другом в различные цепи.

Однако за уже установленными фактами и частными выводами и Франкланд, и Кекуле не увидели общей концепции. Оставался открытым вопрос, как определять строение молекулы. Была необходима научная теория органических соединений. Такая теория была создана русским учёным Александром Михайловичем Бутлеровым. Именно его пытливый ум «осмелился проникнуть» в «дремучий лес» органической химии и начать преобразования этой «безграничной чащи» в залитый солнечным светом регулярный парк с системой дорожек и аллей.

Основные идеи новой теории впервые были высказаны Бутлеровым в 1861 г. в докладе «О химическом строении веществ» на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в г. Шпейере.

Кратко сформулировать положения и следствия теории строения А. М. Бутлерова можно следующим образом:

1. Атомы в молекулах веществ соединены согласно их валентности. Углерод в органических соединениях в большинстве случаев четырёхвалентен, а его атомы способны соединяться друг с другом, образуя различные цепи.

2. Свойства веществ определяются не только их качественным и количественным составом, но и порядком соединения атомов в молекуле, т. е. химическим строением вещества.

3. Свойства органических соединений зависят не только от состава вещества и порядка соединения атомов в его молекуле, но и от взаимного влияния атомов и групп атомов друг на друга. (Наибольшее влияние оказывают атомы, непосредственно связанные друг с другом. Влияние атомов или групп атомов, не связанных непосредственно, ослабевает по мере их удаления друг от друга.)

Рассмотрим подробнее положения теории строения органических соединений. Свойства вещества зависят от того, из каких атомов состоит его молекула. Этот состав отражает молекулярная формула. Молекула метана СН₄ состоит из атомов углерода и водорода. Это вещество при обычных условиях — газ, который вступает в химические реакции с трудом. В состав молекул метилового спирта СН3ОН, помимо атомов углерода и водорода, входит атом кислорода. Метиловый спирт в тех же условиях — это уже жидкость, которая способна реагировать с различными веществами, например с серной кислотой, металлическим натрием. Различные свойства этих соединений обусловлены их различным качественным составом.

Этилен, имеющий молекулярную формулу С₂Н₄, легко полимеризуется (всем хорошо знаком продукт этой реакции — полиэтилен), в то время как метан СН₄ к такому превращению не способен. Заметьте, что молекулы обоих этих веществ имеют одинаковый качественный состав, т. е. состоят из атомов углерода и водорода. Быть может, определяющим фактором реакционной способности является количественное соотношение атомов в молекуле? Сравним свойства ацетилена С₂Н₂ и бензола С₆Н₆. Помимо одинакового качественного состава количественное соотношение числа атомов в молекулах этих веществ также совпадает: на один атом углерода приходится один атом водорода, простейшая (эмпирическая) формула ацетилена и бензола СН. Однако ацетилен легко присоединяет галогены (обесцвечивает бромную воду), а бензол вступает в реакцию с бромом только в присутствии катализатора. Следовательно, одинаковое количественное соотношение числа атомов в молекулах органических веществ также не гарантирует совпадение их химических свойств.

Попробуем выдвинуть следующую гипотезу: если молекулярные формулы двух веществ А и Б одинаковы, то и их химические свойства совпадают. Следующий логический шаг в этой цепочке рассуждений неизбежно приведёт нас к утверждению, что А и Б являются одним и тем же веществом. Так ли это?

При обработке этана азотной кислотой образуетсянитроэтан — вещество состава C₂H₅NO₂, бесцветная жидкость с резким запахом, нерастворимое в воде. В 1820 г. французский химик А. Браконно (1780— 1855) из продуктов гидролиза животных тканей выделил бесцветное кристаллическое вещество, без запаха, сладковатого вкуса, легко растворимое в воде. Сегодня это вещество называют глицином. Тот факт, что глицин имеет такую же молекулярную формулу, как и нитроэтан, — C₂H₅NO₂, разрушает нашу гипотезу о совпадении свойств веществ с одинаковым качественным и количественным составом. Как оказалось, не только физические, но и химические свойства нитроэтана и глицина коренным образом различаются. Как вы, наверное, догадались, мы столкнулись с очень распространённым в органической химии явлением, котороеназывается изомерией.

Вещества одинакового состава, а значит, имеющие и одинаковую молекулярную массу, также могут отличаться по свойствам, если они имеют различное химическое строение. Такие вещества, как вы знаете, называются изомерами, а явление — изомерией. Причиной изомерии является различный порядок расположения атомов в молекуле. Молекулярная формула показывает только качественный и количественный состав соединения, но не несёт информации о порядке связей атомов в молекуле. Так, для молекул формулы С₄Н₁₀ возможны два различных порядка связи атомов углерода в цепи. К цепи из трёх атомов углерода четвёртый углеродный атом может быть присоединён двумя способами: либо к одному из крайних атомов, либо к среднему атому. Действительно, молекулярная формула С₄Н₁₀ соответствует двум различным соединениям, отличающимся расположением атомов в молекулах: нормальному бутану (н - бутану), т. е. соединению, содержащему неразветвлённую цепь атомов углерода, и изобутану, молекула которого имеет разветвлённое строение.

Физические свойства этих соединений отличаются: изобутан имеет более низкие температуры кипения и плавления, чем н-бутан. Химические свойства данных изомеров различаются незначительно, так как они имеют одинаковые качественный состав и характер связи между атомами в молекуле.

Таким образом, с точки зрения теории А. М. Бутлерова существование изомеров — не загадочное явление, противоречащее представлениям людей об окружающем мире, а закономерный результат вариативности соединения атомов в молекуле.

Очевидно, что способность атомов углерода соединяться друг с другом и образовывать «цепи» легко объясняет «неправильную» формальную валентность углерода в этане С₂Н₆ (формальная валентность 3), пропане С₃Н₈ (формальная валентность 8/3 ) и других органических соединениях. Структурные формулы, например бутана и изобутана, лишь подтверждают это.

Различное количество атомов углерода в молекулах и их способность, соединяясь друг с другом, образовывать разные комбинации («скелеты» молекул) делают понятной причину многообразия органических веществ.

Подводя итоги, необходимо заметить, что теория строения органических соединений возникла не случайно, предпосылками её создания явились: