Până la mijlocul secolului al XIX-lea, chimiștii acumulaseră material experimental considerabil și aveau deja o cantitate semnificativă de compuși organici. Cu toate acestea, sinteza acestor compuși a fost efectuată accidental, inconștient. Chimiștii au fost implicați în principal în studiul compoziției și proprietăților substanțelor naturale. Încă nu s-au hotărât să facă mai mult. Dar dezvoltarea rapidă a industriei a necesitat deja producerea multor substanțe pe care, din păcate, natura nu le-a putut oferi omului. Oamenii aveau nevoie de o varietate de coloranți, medicamente, țesături, explozibili și praf de pușcă. Astfel, a apărut necesitatea sintezei țintite a multor substanțe. Cu toate acestea, acest lucru a fost îngreunat de lipsa unei teorii generale a chimiei organice. Munca chimiștilor de atunci amintea de lucrul în întuneric, prin atingere, prin intuiție. Chiar și stabilirea structurii moleculelor a fost considerată fundamental imposibilă, iar orice încercare de a face acest lucru a fost considerată frivolă. Situația în care se aflau chimiștii în prima jumătate a secolului trecut este evidențiată de o scrisoare a lui F. Wöhler către J. Berzelius, scrisă în 1835. Conține următoarele cuvinte: „Chimia organică poate înnebuni acum pe oricine. Se pare că pentru mine ca o pădure deasă, plină de lucruri uimitoare, un desiș fără margini din care nu poți ieși, unde nu îndrăznești să pătrunzi.”

Cu toate acestea, pentru nașterea unei teorii unificate, au fost deja făcute unele, dar destul de semnificative, condiții prealabile. Datorită cercetărilor chimiștilor germani A. Kekule și G. Kolbe (1857), precum și ale chimistului scoțian A. Cooper (1858), a devenit cunoscut faptul că carbonul are o valență de patru și este capabil să se combine cu alți atomi de carbon pentru a forma lanțuri. Atomul de carbon era deja reprezentat de simbolul modern „C” cu patru liniuțe, ceea ce însemna valența sa:

Cu toate acestea, acești oameni de știință nu au fost niciodată capabili să se apropie de a crea o teorie generală a structurii substanțelor organice.

Autorul acestei teorii a fost remarcabilul chimist rus - profesor la Universitatea din Kazan Alexander Mihailovici Butlerov (1828-1886). El a stat ferm pe o poziție materialistă și a fost convins că este posibil să se stabilească structura moleculelor.

Esența principalelor prevederi ale teoriei lui A.M. Butlerov, care au fost publicate în 1861, se rezumă la următoarele:

• 1. Atomii care alcătuiesc o moleculă a unei substanțe organice nu sunt în stare dezordonată, ci sunt legați între ei într-o anumită succesiune prin legături chimice (după valența acestor atomi). A.M. Butlerov a numit o anumită ordine și secvență de conectare a atomilor dintr-o moleculă o structură chimică.
• 2. Proprietățile unei substanțe depind nu numai de ce atomi și câți dintre ei sunt incluși în moleculă, ci și de secvența în care sunt conectați între ei în moleculă (adică de structura chimică).
• 3. Atomii și grupurile care alcătuiesc o moleculă influențează reciproc comportamentul chimic al celuilalt. Această influență este vizibilă mai ales dacă acești atomi sau grupuri sunt conectați direct unul cu celălalt.
• 4. Cunoscând proprietățile unei substanțe, puteți stabili structura acesteia. În schimb, structura chimică a unui compus organic spune multe despre proprietățile sale.
• 5. Structura unei molecule poate fi exprimată folosind o formulă structurală, care este unică pentru o anumită substanță.

Importanța teoriei structurii chimice a lui A.M. Butlerov este greu de supraestimat. Pentru prima dată, a permis chimiștilor organici să privească o moleculă ca pe un sistem în care există o ordine strictă a legăturilor între atomi. Ea a arătat posibilitatea cunoașterii acestei conexiuni, a respins eroarea doctrinei idealiste a incognoscibilității structurii moleculelor și a explicat științific multe fapte din chimia organică, de exemplu, fenomenul izomerismului.

În procesul de creare a unei teorii a structurii AM. Butlerov a ajuns la ideea că compușii organici ar trebui să aibă o structură spațială. Acest lucru a fost cauzat în primul rând de faptul că unele cazuri de izomerie (geometrică și optică) erau greu de explicat din punct de vedere al structurii plane a moleculelor. Presupunea îndrăzneață a genialului chimist a fost în curând confirmată în 1874 de omul de știință olandez J1. Wang Hoff și chimistul francez Le Belei. Independent unul de celălalt, ei au prezentat ideea că cele patru valențe ale atomului de carbon sunt direcționate în spațiu către cele patru colțuri ale tetraedrului (dacă ne imaginăm că carbonul însuși se află în centrul său). Această idee a dezvăluit unul dintre secretele naturii: ea a ales tetraedrul ca principal element geometric pentru chimia organică. Astfel, teoria structurii lui A.M. Butlerov a fost completată de teoria aranjamentului spațial a atomilor într-o moleculă, care a format ulterior baza unei noi științe - stereochimie.

Teoria lui A.M. Butlerov a făcut posibilă prezicerea existenței unor compuși organici necunoscuți și realizarea sintezei țintite a acestora. În timp ce își păstrează baza științifică, învățăturile lui A.M. Butlerov au devenit fundamentul conceptelor teoretice moderne în chimia organică.

Principiile de bază general acceptate ale teoriei lui Butlerov sunt considerate fundamentul chimiei moderne. Omul de știință a fost primul care a explicat trăsăturile.El a studiat în detaliu natura relațiilor atomilor.

Condiții preliminare pentru apariția teoriei

Alexander Butlerov a devenit fondatorul unei noi teorii tocmai când știința a acumulat multe întrebări la care oamenii de știință nu au putut găsi răspunsuri. De exemplu, explicațiile au necesitat fenomenele de valență și izomerie. În plus, chimiștii au continuat să se certe despre cum să scrie corect formulele chimice. Butlerov a clarificat această problemă. El a demonstrat că formulele ar trebui să reflecte structura materiei.

În plus, au existat mai multe concepte care erau opuse opiniilor exprimate de Butlerov. Aceasta a fost teoria radicalilor. Fondatorul său a fost Jens Berzelius. El a susținut că moleculele conțin elemente speciale - radicali care se deplasează de la o substanță la alta. A existat și o teorie a tipurilor. Susținătorii săi credeau că toate substanțele complexe sunt derivate ale unor substanțe anorganice simple - apă, hidrogen, amoniac etc. Toate aceste concepte se contraziceau reciproc. Știința avea nevoie de o teorie care să pună totul la locul său.

Noi idei ale lui Butlerov

Alexander Mihailovici Butlerov (1828-1886) a fost unul dintre chimiștii remarcabili ai timpului său. S-a ocupat mult de probleme teoretice ale științei sale. În 1858, omul de știință a vorbit la una dintre întâlnirile Societății de Chimie din Paris. În același timp, pentru prima dată, principalele prevederi ale teoriei lui Butlerov au fost auzite de pe buzele lui.

Cercetătorul a folosit termeni noi în raportul său, care mai târziu s-au înrădăcinat în știința internațională. De exemplu, el a devenit autorul conceptului de structură a compușilor. Omul de știință a crezut că structura diferitelor substanțe le permite să fie clasificate în aceleași grupuri (în special, metan, cloroform, alcool metilic etc.).

Studiul sintezei substantelor

În 1861, în raportul publicat „Despre structura chimică a materiei”, au fost formulate principalele prevederi ale teoriei structurii chimice a lui A. M. Butlerov. Omul de știință a descris în detaliu metodele de sinteză și utilizarea diferitelor reacții. Una dintre cele mai importante teze ale chimistului a fost afirmația sa că fiecare substanță chimică corespunde unei formule. Importanța sa constă în faptul că caracterizează toate proprietățile și arată legătura atomilor în interiorul moleculelor.

Teoria lui Butlerov mai prevedea că noi substanțe ar putea fi produse folosind reacții controlate. În anii următori, celebrul chimist și studenții săi au efectuat multe experimente pentru a demonstra această presupunere. Au reușit să sintetizeze noi substanțe precum izobutilena și unii alcooli. Pentru epoca lor, aceste descoperiri au avut o importanță enormă, care poate fi comparată doar cu importanța identificării altor elemente de către Mendeleev (de exemplu, ecaboron).

Sistematizarea chimiei

În secolul al XIX-lea, principalele prevederi ale teoriei lui Butlerov au schimbat complet înțelegerea elementelor de către oamenii de știință. În special, cercetătorul a fost primul care a sugerat că moleculele nu sunt o colecție haotică de atomi. Dimpotrivă, au o structură ordonată. Atomii sunt legați între ei într-o anumită secvență, de care depinde și caracterul întregii substanțe.

Butlerov, dezvoltându-și teoria, s-a bazat pe principii și legi matematice. Cu ajutorul acestei științe, el a putut explica majoritatea proceselor și relațiilor din substanțele chimice. Pentru contemporani a fost o adevărată revoluție. Ideea era că, chiar dacă oamenii de știință știau unele fapte despre natura anumitor substanțe, ei nu și-ar putea organiza cunoștințele într-o imagine clară, sistematică. Principiile de bază ale teoriei structurii lui Butlerov au rezolvat această problemă. Acum, chimia nu era o colecție împrăștiată de fapte, ci un sistem armonios în care totul era supus unei logici matematice stricte.

Varietate de substanțe

Celebra teorie a lui Butlerov acordă o mare atenție izomeriei - fenomen constând în existența izomerilor - substanțe cu greutate moleculară și compoziție atomică egale, care în același timp diferă între ele în aranjarea atomilor și a structurii. Această caracteristică explică varietatea de proprietăți ale substanțelor din natură.

Butlerov și-a dovedit teoria folosind butanul ca exemplu. Conform ideii omului de știință, ar fi trebuit să existe două tipuri de această substanță în natură. Cu toate acestea, la acea vreme știința cunoștea doar un butan. Butlerov a efectuat multe experimente și a obținut totuși o substanță nouă, similară ca compoziție, dar diferită ca proprietăți. A fost numit izobutan.

Influența atomilor unul asupra celuilalt

Butlerov a descoperit un alt model important. Odată cu formarea legăturilor chimice, începe procesul de transfer de electroni de la un atom la altul. În același timp, densitatea lor se modifică. Apar perechi de electroni care afectează proprietățile noii substanțe care se formează. Omul de știință a studiat acest fenomen folosind exemplul clorurii de hidrogen, în care clorul modifică densitatea electronică a legăturilor de hidrogen.

Butlerov și principiile de bază ale teoriei structurii au putut explica natura transformării substanțelor. Ulterior, principiul descoperit a fost studiat în detaliu de către adepții și studenții săi. Înțelegerea mecanismului de schimbare a substanțelor a permis oamenilor de știință să înțeleagă cum să sintetizeze elemente noi. O creștere specială a acestor descoperiri a început la sfârșitul secolului al XIX-lea. Apoi, oamenii de știință europeni și americani în laboratoare noi, folosind metodele propuse de Butlerov, au reușit să producă noi substanțe.

Legături chimice

Butlerov credea că structura substanțelor poate fi studiată prin metode chimice. Această poziție a fost confirmată datorită multor experimente de succes ale omului de știință. Cercetătorul a fost, de asemenea, un susținător al ideii că formulele pot fi corecte doar dacă reflectă ordinea legăturilor chimice ale diferiților atomi. Butlerov a analizat această presupunere timp de mulți ani.

El a identificat trei tipuri de legături - simple, duble și triple. Omul de știință avea dreptate, dar dezvoltarea ulterioară a științei a arătat că există și alte legături chimice. În special, experții le pot caracteriza acum folosind parametri fizici.

Dezvoltarea teoriei lui Butlerov

Noua teorie a structurii compușilor chimici a lui A.M. Butlerov a fost de natură materialistă. Omul de știință a fost primul care a declarat cu îndrăzneală că cercetătorii sunt capabili să studieze proprietățile atomilor din care sunt construite toate elementele. În același timp, Butlerov însuși și-a tratat teoria ca fiind temporară. El credea că succesorii săi ar trebui să o dezvolte, deoarece nu explica pe deplin unele fapte ale științei chimice.

Omul de știință avea dreptate. Teoria lui Butlerov s-a dezvoltat ulterior în două direcții. Prima a fost că știința a putut determina nu numai ordinea compusului, ci și aranjarea spațială a atomilor din moleculă. Așa a apărut stereochimia. Această disciplină a început să fie studiată în detaliu.Butlerov însuși a vorbit despre această nouă direcție, deși în timpul vieții nu a avut niciodată timp să studieze această problemă teoretică.

A doua direcție în dezvoltarea teoriei omului de știință a fost apariția unei doctrine dedicate structurii electronice a atomilor. Aceasta nu este doar o disciplină chimică, ci și o disciplină fizică. Esența influenței reciproce a atomilor a fost studiată mai detaliat și au fost explicate motivele manifestării diferitelor proprietăți. Prevederile de bază ale teoriei lui Butlerov au fost cele care au permis oamenilor de știință să obțină un astfel de succes.

Cum a luat contur știința la începutul secolului al XIX-lea, când omul de știință suedez J. Ya. Berzelius a introdus pentru prima dată conceptul de substanțe organice și chimie organică. Prima teorie din chimia organică este teoria radicalilor. Chimiștii au descoperit că în timpul transformărilor chimice, grupurile de mai mulți atomi trec neschimbate de la o moleculă a unei substanțe la o moleculă a unei alte substanțe, la fel cum atomii de elemente trec de la o moleculă la alta. Astfel de grupuri „imuabile” de atomi sunt numite radicali.

Cu toate acestea, nu toți oamenii de știință au fost de acord cu teoria radicală. Mulți au respins în general ideea atomismului - ideea structurii complexe a unei molecule și existența unui atom ca parte componentă a acestuia. Ceea ce s-a dovedit incontestabil astăzi și nu ridică nici cea mai mică îndoială, în secolul al XIX-lea. a făcut obiectul unei acerbe controverse.

Conținutul lecției notele de lecție sprijinirea metodelor de accelerare a prezentării lecției cadru tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autotestare, instruiri, cazuri, întrebări teme pentru acasă întrebări de discuție întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini, grafice, tabele, diagrame, umor, anecdote, glume, benzi desenate, pilde, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole trucuri pentru pătuțurile curioși manuale dicționar de bază și suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment dintr-un manual, elemente de inovație în lecție, înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru anul; recomandări metodologice; program de discuții Lecții integrate

Principiile de bază ale teoriei structurii chimice a lui A.M. Butlerov

1. Atomii din molecule sunt legați între ei într-o anumită secvență în funcție de valențele lor. Secvența legăturilor interatomice dintr-o moleculă se numește structura sa chimică și este reflectată de o formulă structurală (formula de structură).

2. Structura chimică poate fi determinată prin metode chimice. (În prezent sunt utilizate și metode fizice moderne).

3. Proprietățile substanțelor depind de structura lor chimică.

4. Pe baza proprietăților unei substanțe date, se poate determina structura moleculei sale, iar pe baza structurii moleculei se pot prezice proprietățile.

5. Atomii și grupurile de atomi dintr-o moleculă au o influență reciprocă unul asupra celuilalt.

Teoria lui Butlerov a fost fundamentul științific al chimiei organice și a contribuit la dezvoltarea rapidă a acesteia. Pe baza prevederilor teoriei, A.M. Butlerov a explicat fenomenul de izomerie, a prezis existența diverșilor izomeri și a obținut unii dintre ei pentru prima dată.

Dezvoltarea teoriei structurii a fost facilitată de lucrările lui Kekule, Kolbe, Cooper și Van't Hoff. Cu toate acestea, pozițiile lor teoretice nu erau de natură generală și serveau în principal la explicarea materialului experimental.

2. Formule de structură

Formula de structură (formula structurală) descrie ordinea conexiunii atomilor dintr-o moleculă, adică. structura sa chimică. Legăturile chimice din formula structurală sunt reprezentate prin liniuțe. Legătura dintre hidrogen și alți atomi de obicei nu este indicată (astfel de formule se numesc formule structurale abreviate).

De exemplu, formulele structurale complete (extinse) și abreviate ale n-butanului C4H10 au forma:

Un alt exemplu sunt formulele cu izobutan.

Adesea se folosește o notație și mai scurtă a formulei, atunci când nu sunt descrise nu numai legăturile cu atomul de hidrogen, ci și simbolurile atomilor de carbon și hidrogen. De exemplu, structura benzenului C6H6 este reflectată de formulele:

Formulele structurale diferă de formulele moleculare (brute), care arată doar ce elemente și în ce proporție sunt incluse în compoziția substanței (adică compoziția elementară calitativă și cantitativă), dar nu reflectă ordinea legăturii atomilor.

De exemplu, n-butanul și izobutanul au aceeași formulă moleculară C4H10, dar o secvență diferită de legături.

Astfel, diferența de substanțe se datorează nu numai compozițiilor elementare calitative și cantitative diferite, ci și structurilor chimice diferite, care pot fi reflectate doar prin formule structurale.

3. Conceptul de izomerie

Chiar înainte de crearea teoriei structurii, erau cunoscute substanțe cu aceeași compoziție elementară, dar cu proprietăți diferite. Astfel de substanțe au fost numite izomeri, iar acest fenomen în sine a fost numit izomerie.

Baza izomerismului, așa cum arată A.M. Butlerov, constă diferența în structura moleculelor constând din același set de atomi. Prin urmare,

izomeria este fenomenul de existență a unor compuși care au aceeași compoziție calitativă și cantitativă, dar structuri diferite și, prin urmare, proprietăți diferite.

De exemplu, atunci când o moleculă conține 4 atomi de carbon și 10 atomi de hidrogen, este posibilă existența a 2 compuși izomeri:

În funcție de natura diferențelor în structura izomerilor, se disting izomeria structurală și spațială.

4. Izomeri structurali

Izomerii structurali sunt compuși cu aceeași compoziție calitativă și cantitativă, care diferă în ordinea legăturii atomilor, adică structura chimică.

De exemplu, compoziția C5H12 corespunde la 3 izomeri structurali:

Alt exemplu:

5. Stereoizomeri

Izomerii spațiali (stereoizomerii), cu aceeași compoziție și aceeași structură chimică, diferă prin aranjarea spațială a atomilor din moleculă.

Izomerii spațiali sunt izomeri optici și cis-trans (bilele colorate diferite reprezintă atomi sau grupuri atomice diferiți):

Moleculele unor astfel de izomeri sunt incompatibile spațial.

Stereoizomeria joacă un rol important în chimia organică. Aceste probleme vor fi luate în considerare mai detaliat atunci când se studiază compușii claselor individuale.

6. Reprezentări electronice în chimie organică

Aplicarea teoriei electronice a structurii atomice și a legăturii chimice în chimia organică a fost una dintre cele mai importante etape în dezvoltarea teoriei structurii compușilor organici. Conceptul de structură chimică ca succesiune de legături între atomi (A.M. Butlerov) a fost completat de teoria electronică cu concepte de structură electronică și spațială și influența lor asupra proprietăților compușilor organici. Aceste idei fac posibilă înțelegerea modalităților de transmitere a influenței reciproce a atomilor în molecule (efecte electronice și spațiale) și comportamentul moleculelor în reacțiile chimice.

Conform conceptelor moderne, proprietățile compușilor organici sunt determinate de:

natura și structura electronică a atomilor;

tipul de orbitali atomici și natura interacțiunii lor;

tip de legături chimice;

structura chimică, electronică și spațială a moleculelor.

7. Proprietăţile electronului

Electronul are o natură duală. În diferite experimente, poate prezenta proprietățile atât ale unei particule, cât și ale unei unde. Mișcarea unui electron respectă legile mecanicii cuantice. Legătura dintre undă și proprietățile corpusculare ale electronului reflectă relația de Broglie.

Energia și coordonatele unui electron, ca și alte particule elementare, nu pot fi măsurate simultan cu aceeași precizie (principiul de incertitudine al lui Heisenberg). Prin urmare, mișcarea unui electron într-un atom sau moleculă nu poate fi descrisă folosind o traiectorie. Un electron poate fi localizat în orice punct al spațiului, dar cu probabilități diferite.

Partea din spațiu în care există o mare probabilitate de a găsi un electron se numește orbital sau nor de electroni.

De exemplu:

8. Orbitali atomici

Orbitul atomic (AO) este regiunea în care un electron este cel mai probabil să locuiască (norul de electroni) în câmpul electric al nucleului atomic.

Poziția unui element în Tabelul Periodic determină tipul de orbitali ai atomilor săi (s-, p-, d-, f-AO etc.), care diferă ca energie, formă, dimensiune și orientare spațială.

Elementele primei perioade (H, He) sunt caracterizate de un AO ​​- 1s.

În elementele perioadei a 2-a, electronii ocupă cinci AO la două niveluri de energie: primul nivel 1; al doilea nivel - 2s, 2px, 2py, 2pz. (cifrele indică numărul nivelului de energie, literele indică forma orbitalului).

Starea unui electron într-un atom este complet descrisă de numere cuantice.

Contribuția la chimie a chimistului rus, academician al Academiei de Științe din Sankt Petersburg și profesor la Universitatea din Sankt Petersburg, creator al teoriei structurii chimice, este prezentată în acest articol.

Butlerov Alexander Mikhailovici contribuția la chimie:

Alexandru Mihailovici a descoperit în 1858 o nouă metodă pentru sinteza iodurei de metilen. În același timp, a îndeplinit multe sarcini și lucrări asupra derivatelor sale.

Chimistul a reușit să sintetizeze diacetat de metilen și, prin procesul de saponificare, a obținut un polimer de formaldehidă. Pe baza sa, în 1861, Butlerov a obținut pentru prima dată urotropină și metilenitan, realizând astfel prima sinteză a elementului zahăr.

Contribuția lui Butlerov la studiul chimiei a fost dezvăluită pe deplin în mesajul său revelator din 1861. În ea el:

1. El a dovedit imperfecțiunea teoriilor chimiei existente la acea vreme.
2. A subliniat importanța teoriei atomice.
3. A definit conceptul de structură chimică.
4. A formulat 8 reguli pentru formarea compușilor chimici.
5. Butlerov a fost primul care a arătat diferența dintre reactivitatea diferiților compuși.

Alexander Mikhailovici a prezentat ideea că atomii din molecule se influențează reciproc. El a explicat în 1864 procesul de izomerie în majoritatea compușilor organici. În procesul de experimente în folosul ideii sale, omul de știință a studiat structura alcoolului terțiar butilic și a izobutilenei. El a efectuat și polimerizarea hidrocarburilor de etilenă.

Principalul rol al lui Butlerov în chimie este că el este fondatorul doctrinei tautomerismului, punând bazele acesteia.