До середини XIX століття хіміки накопичили чималий експериментальний матеріал і вже мали в своєму розпорядженні значну кількість органічних сполук. Проте синтез цих сполук здійснювався випадково, несвідомо. Хіміки займалися, головним чином, вивченням складу та властивостей природних речовин. На більше вони поки що не наважувалися. Але бурхливий розвиток промисловості вже вимагав отримання багатьох речовин, яких не могла, на жаль, дати людині природа. Людям були потрібні різноманітні барвники, медикаменти, тканини, вибухові речовини, порох. Так виникла потреба у цілеспрямованому синтезі багатьох речовин. Однак цьому заважала відсутність загальної теорії органічної хімії. Робота хіміків нагадувала роботу в темряві, на дотик, по інтуїції. Навіть встановлення будови молекул вважалося принципово неможливим, а будь-які спроби зробити це – несерйозною справою. Про становище, в якому опинилися хіміки в першій половині минулого століття, говорить лист Ф.Велера до Й.Берцеліуса, написаний в 1835 р. У ньому є такі слова: "Органічна хімія може зараз будь-кого звести з розуму. Вона представляється мені дрімучим лісом , сповнених дивовижних речей, безмежної частіше, з якої не можна вибратися, куди не насмілюєшся проникнути».

Однак для народження єдиної теорії вже було зроблено деякі, але досить суттєві передумови. Завдяки дослідженням німецьких хіміків А.Кекуле та Г.Кольбе (1857), а також шотландського хіміка А.Купера (1858) стало відомо, що вуглець має валентність, що дорівнює чотирьом, і здатний з'єднуватися з іншими атомами вуглецю, утворюючи ланцюги. Вуглецевий атом вже зображували сучасним символом "С" із чотирма рисками, під якими мали на увазі його валентність:

Однак ці вчені так і не змогли впритул підійти до створення загальної теорії будови органічних речовин.

Автором такої теорії став видатний російський хімік – професор Казанського університету Олександр Михайлович Бутлеров (1828–1886). Він твердо стояв на матеріалістичних позиціях і був у тому, що встановлення будови молекул можливе.

Сутність основних положень теорії А.М.Бутлерова, які були опубліковані в 1861, зводиться до наступного:

• 1. Атоми, що входять до складу молекули органічної речовини, не перебувають у безладному стані, а з'єднані між собою у певній послідовності хімічними зв'язками (відповідно до валентності цих атомів). Певний порядок та послідовність з'єднання атомів у молекулі А.М.Бутлеров назвав хімічною будовою.
• 2. Властивості речовини залежать не тільки від того, які атоми і скільки їх входить до складу молекули, а й від того, в якій послідовності вони з'єднані між собою у молекулі (тобто від хімічної будови).
• 3. Атоми та групи, що входять до молекули, впливають на хімічну поведінку один одного. Особливо помітно проявляється такий вплив у тому випадку, якщо ці атоми чи групи пов'язані один з одним безпосередньо.
• 4. Знаючи властивості речовини, можна встановити її будову. І навпаки, хімічна будова органічної сполуки багато говорить про її властивості.
• 5. Будова молекули можна виразити за допомогою структурної формули, яка для цієї речовини є єдиною.

Значення теорії хімічної будови А.М.Бутлерова важко переоцінити. Вона вперше дозволила хімікам-органікам подивитися на молекулу як систему, в якій існує суворий порядок зв'язку між атомами. Вона показала можливість пізнання цього зв'язку, спростувала помилковість ідеалістичного вчення про непізнаваність структури молекул, науково пояснила багато фактів в органічній хімії, наприклад, явище ізомерії.

У процесі створення теорії будови AM. Бут лерів прийшов до думки, що органічні сполуки повинні мати просторову будову. Це було викликано насамперед тим, що деякі випадки ізомерії (геометрична та оптична) було важко пояснити з погляду площинної будови молекул. Смілива здогад геніального хіміка незабаром була підтверджена 1874 р. голландським ученим Я 1 . Ванг-Гоффом та французьким хіміком Ле Белей. Незалежно один від одного вони висунули ідею, згідно з якою чотири валентності атома вуглецю спрямовані у просторі до чотирьох кутів тетраедра (якщо уявити, що сам вуглець знаходиться у його центрі). Ця ідея відкрила одну з таємниць природи: як основний геометричний елемент для органічної хімії вона обрала тетраедр. Таким чином, теорія будови А.М.Бутлерова доповнилася теорією про просторове розташування атомів у молекулі, яка згодом лягла в основу нової науки. стереохімії.

Теорія А.М.Бутлерова дозволила передбачити існування невідомих органічних сполук та здійснити їх цілеспрямований синтез. Зберігаючи свою наукову основу, вчення А.М.Бутлерова стало фундаментом сучасних теоретичних уявлень в органічній хімії.

Загальновизнані основні тези теорії Бутлерова вважаються фундаментом сучасної хімії. Він докладно вивчив природу взаємозв'язків атомів.

Передумови появи теорії

Олександр Бутлеров став основоположником нової теорії саме тоді, як у науці накопичилося безліч питань, куди вчені було неможливо знайти відповідей. Наприклад, пояснення вимагали явища валентності та ізомерії. Крім того, хіміки продовжували сперечатися про те, як правильно записувати хімічні формули. Бутлеров зрозумів це питання. Він довів, що формули мають відбивати будову речовини.

Крім цього, існувало кілька концепцій, які були протилежні поглядам, висловленим Бутлеровим. То була теорія радикалів. Її основоположником став Єнс Берцеліус. Він стверджував, що в молекулах є особливі елементи – радикали, які переходять з однієї речовини до іншої. Також існувала теорія типів. Її прихильники вважали, що це складні речовини є похідними простих неорганічних речовин - води, водню, аміаку тощо. буд. Усі ці концепції суперечили одна одній. Науці була потрібна теорія, яка поставила б усе на свої місця.

Нові ідеї Бутлерова

Олександр Михайлович Бутлеров (1828-1886 рр.) був одним із видатних хіміків свого часу. Він багато займався теоретичними питаннями своєї науки. 1858-го вчений виступив на одному із засідань Паризького хімічного товариства. Тоді ж уперше з його вуст пролунали основні тези теорії Бутлерова.

Дослідник використав у своїй доповіді нові терміни, які пізніше закріпилися у міжнародній науці. Наприклад, саме він став автором поняття структури з'єднань. Вчений вважав, що будова різних речовин дозволяє віднести їх до одних груп (зокрема це метан, хлороформ, метиловий спирт і т. д.).

Дослідження синтезу речовин

У 1861 році в опублікованій доповіді «Про хімічну будову речовини» було сформульовано основні положення теорії хімічної будови А. М. Бутлерова. Вчений докладно описав способи синтезу та використання різних реакцій. Однією з найважливіших тез хіміка було його твердження про те, що кожній хімічній речовині відповідає одна формула. Її важливість полягає в тому, що вона характеризує всі властивості та показує зв'язок атомів усередині молекул.

Теорія Бутлерова також передбачала, що з допомогою керованих реакцій можна виробляти нові речовини. У наступні роки знаменитий хімік та його учні провели безліч експериментів, щоб довести це припущення. Їм вдалося синтезувати такі нові речовини, як ізобутилен та деякі спирти. Для своєї епохи ці відкриття мали колосальну значимість, яку можна порівняти лише з важливістю визначення інших елементів Менделєєвим (наприклад, екабору).

Систематизація хімії

У XIX столітті основні положення теорії Бутлерова повністю змінили уявлення вчених щодо елементів. Зокрема, дослідник першим припустив, що молекули є не хаотичним скупченням атомів. Навпаки, вони мають упорядковану структуру. Атоми з'єднані один з одним у певній послідовності, від якої залежить характер всього речовини.

Бутлеров, розробляючи свою теорію, спирався на математичні принципи та закони. За допомогою цієї науки він зміг пояснити більшість процесів та взаємозв'язків у хімічних речовинах. Для сучасників це була справжня революція. Справа була в тому, що навіть якщо вчені і знали деякі факти про характер певних речовин, вони не могли вибудувати свої знання у чітку систематизовану картинку. Основні положення теорії будівлі Бутлерова вирішили проблему. Тепер хімія була не розрізненою скарбничкою фактів, а стрункою системою, де все підкорялося суворій математичній логіці.

Різноманітність речовин

Знаменита теорія Бутлерова багато уваги приділяє ізомерії - явищу, що полягає у існуванні ізомерів - рівних за молекулярною масою та атомним складом речовин, які в той же час відрізняються один від одного розташуванням атомів і будовою. Ця особливість пояснює різноманітність властивостей речовин у природі.

Бутлеров довів свою теорію з прикладу бутану. Відповідно до ідеї вченого, у природі мало існувати два види цієї речовини. Однак у той час наука знала лише один бутан. Бутлеров провів безліч експериментів і таки отримав нову речовину, схоже за складом, але відмінне за властивостями. Воно було названо ізобутаном.

Вплив атомів один на одного

Бутлеров відкрив та іншу важливу закономірність. З освітою хімічних зв'язків починається процес переходу електронів від одних атомів до інших. При цьому змінюється їхня щільність. Виникають електронні пари, які впливають на властивість нової речовини, що утворюється. Вчений вивчав цей феномен на прикладі хлороводню, де хлор змінює електронну щільність зв'язків водню.

Бутлерів та основні положення теорії будови змогли пояснити природу трансформації речовин. Надалі принцип, відкритий докладно досліджувався його послідовниками та учнями. Усвідомлення механізму зміни речовин дозволило вченим зрозуміти, як синтезувати нові елементи. Особливий сплеск цих відкриттів розпочався наприкінці ХІХ століття. Тоді європейські та американські вчені у нових лабораторіях за допомогою методів, які запропонував Бутлеров, змогли виготовити нові речовини.

Хімічні зв'язки

Бутлеров вважав, що будову речовин можна вивчати хімічними методами. Це становище підтвердилося завдяки безлічі вдалих експериментів вченого. Також дослідник був прихильником ідеї про те, що формули можуть бути правильними, тільки якщо вони відбиватимуть порядок хімічних зв'язків різних атомів. Бутлеров займався аналізом цього припущення багато років.

Він виділяв три види зв'язків - просту, подвійну та потрійну. Вчений мав рацію, але подальший розвиток науки показав, що є й інші хімічні зв'язки. Зокрема тепер фахівці можуть характеризувати їх ще й за допомогою фізичних параметрів.

Розвиток Бутлерівської теорії

Нова теорія будови хімічних сполук А. М. Бутлерова за характером була матеріалістичної. Вчений першим сміливо заявив про те, що дослідникам під силу вивчити властивості атомів, з яких будуються всі елементи. При цьому сам Бутлеров ставився до своєї теорії як до тимчасової. Він вважав, що його наступники повинні розвинути її, оскільки вона не до кінця пояснювала деякі факти хімічної науки.

Вчений мав рацію. Теорія Бутлерова надалі розвивалася у двох напрямках. Перше полягало в тому, що наука змогла визначити не тільки порядок з'єднання, а й просторове розташування атомів у молекулі. Так виникла стереохімія. Ця дисципліна стала докладно досліджувати. Про цей новий напрям говорив ще сам Бутлеров, хоча він за життя так і не встиг вивчити це теоретичне питання.

Другим напрямом розвитку теорії вченого стала поява вчення, присвяченого електронній будові атомів. Це не лише хімічна, а й фізична дисципліна. Докладніше досліджено сутність взаємного впливу атомів і пояснено причини прояву різних властивостей. Саме основні положення теорії Бутлерова дозволили вченим досягти таких успіхів.

Як наука оформилася на початку ХІХ ст., коли шведський вчений Й. Я. Берцеліус вперше ввів поняття про органічні речовини та органічну хімію. Перша теорія в органічній хімії – теорія радикалів. Хіміками було виявлено, що при хімічних перетвореннях групи з декількох атомів у незмінному вигляді переходять із молекули однієї речовини в молекулу іншої речовини, подібно до того, як переходять з молекули в молекулу атоми елементів. Такі «незмінні» групи атомів отримали назву радикалів.

Однак далеко не всі вчені погоджувалися з теорією радикалів. Багато хто взагалі відкидав ідею атомістики - уявлення про складну будову молекули та існування атома як її складової частини. Те, що безперечно доведено в наші дні і не викликає жодних сумнівів, у XIX ст. було предметом запеклих суперечок.

Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Удосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні урокикалендарний план на рік методичні рекомендації програми обговорення Інтегровані уроки

Основні положення теорії хімічної будови А.М. Бутлерова

1. Атоми в молекулах з'єднані один з одним у певній послідовності згідно з їх валентностями. Послідовність міжатомних зв'язків у молекулі називається її хімічною будовою та відображається однією структурною формулою (формулою будови).

2. Хімічна будова можна встановлювати хімічними методами. (В даний час використовуються також сучасні фізичні методи).

3. Властивості речовин залежать від їхньої хімічної будови.

4. За властивостями цієї речовини можна визначити будову його молекули, а за будовою молекули - передбачати властивості.

5. Атоми та групи атомів у молекулі надають взаємний вплив один на одного.

Теорія Бутлерова стала науковим фундаментом органічної хімії та сприяла швидкому її розвитку. Маючи положення теорії, А.М. Бутлеров дав пояснення явищу ізомерії, передбачив існування різних ізомерів та вперше отримав деякі з них.

Розвитку теорії будівлі сприяли роботи Кекуле, Кольбе, Купера та Вант-Гоффа. Однак їх теоретичні положення не мали загального характеру і служили, головним чином, цілей пояснення експериментального матеріалу.

2. Формули будови

Формула будівлі (структурна формула) визначає порядок сполуки атомів у молекулі, тобто. її хімічна будова. Хімічні зв'язки у структурній формулі зображують рисками. Зв'язок між воднем та іншими атомами зазвичай не вказується (такі формули називаються скороченими структурними формулами).

Наприклад, повна (розгорнута) і скорочена структурні формули н-бутану C4H10 мають вигляд:

Інший приклад – формули ізобутану.

Часто використовується ще коротший запис формули, коли зображують як зв'язку з атомом водню, а й символи атомів вуглецю і водню. Наприклад, будова бензолу C6H6 відображають формули:

Структурні формули відрізняються від молекулярних (брутто) формул, які показують лише, які елементи та в якому співвідношенні входять до складу речовини (тобто якісний та кількісний елементний склад), але не відображають порядку зв'язування атомів.

Наприклад, н-бутан та ізобутан мають одну молекулярну формулу C4H10, але різну послідовність зв'язків.

Отже, відмінність речовин зумовлено як різним якісним і кількісним елементним складом, а й різним хімічним будовою, що можна відобразити лише структурними формулами.

3. Поняття про ізомерію

Ще до створення теорії будови були відомі речовини однакового елементного складу, але з різними властивостями. Такі речовини були названі ізомерами, а саме це явище – ізомерією.

В основі ізомерії, як показав А.М. Бутлерів лежить відмінність у будові молекул, що складаються з однакового набору атомів. Таким чином,

ізомерія - явище існування сполук, мають однаковий якісний і кількісний склад, але різна будова і, отже, різні властивості.

Наприклад, при вмісті в молекулі 4-х атомів вуглецю та 10-ти атомів водню можливе існування 2-х ізомерних сполук:

Залежно від характеру відмінностей у будові ізомерів розрізняють структурну та просторову ізомерію.

4. Структурні ізомери

Структурні ізомери - сполуки однакового якісного та кількісного складу, що відрізняються порядком зв'язування атомів, тобто хімічною будовою.

Наприклад, складу C5H12 відповідає 3 структурних ізомери:

Інший приклад:

5. Стереоізомери

Просторові ізомери (стереоізомери) при однаковому складі та однаковій хімічній будові розрізняються просторовим розташуванням атомів у молекулі.

Просторовими ізомерами є оптичні та цис-транс ізомери (кульки різного кольору позначають різні атоми або атомні групи):

Молекули таких ізомерів несумісні у просторі.

Стереоізомерія відіграє важливу роль в органічній хімії. Докладніше ці питання розглядатимуться при вивченні сполук окремих класів.

6. Електронні уявлення в органічній хімії

Застосування електронної теорії будови атома та хімічного зв'язку в органічній хімії стало одним з найважливіших етапів розвитку теорії будови органічних сполук. Поняття про хімічну будову як послідовність зв'язків між атомами (А.М. Бутлеров) електронна теорія доповнила уявленнями про електронну і просторову будову та їх вплив на властивості органічних сполук. Саме ці уявлення дають змогу зрозуміти способи передачі взаємного впливу атомів у молекулах (електронні та просторові ефекти) та поведінку молекул у хімічних реакціях.

Відповідно до сучасних уявлень властивості органічних сполук визначаються:

природою та електронною будовою атомів;

типом атомних орбіталей та характером їх взаємодії;

типом хімічних зв'язків;

хімічною, електронною та просторовою будовою молекул.

7. Властивості електрона

Електрон має подвійну природу. У різних експериментах може проявляти властивості як частинки, і хвилі. Рух електрона підпорядковується законам квантової механіки. Зв'язок між хвильовими та корпускулярними властивостями електрона відбиває співвідношення де Бройля.

Енергію та координати електрона, як і інших елементарних частинок, неможливо одночасно виміряти з однаковою точністю (принцип невизначеності Гейзенберга). Тому рух електрона в атомі чи молекулі не можна описати за допомогою траєкторії. Електрон може бути в будь-якій точці простору, але з різною ймовірністю.

Частину простору, в якому велика ймовірність знаходження електрона, називають орбіталлю або електронною хмарою.

Наприклад:

8. Атомні орбіталі

Атомна орбіталь (АТ) - область найбільш можливого перебування електрона (електронна хмара) в електричному полі ядра атома.

Положення елемента в Періодичній системі визначає тип орбіталей його атомів (s-, p-, d-, f-АТ і т.д.), що відрізняються енергією, формою, розмірами та просторовою спрямованістю.

Для елементів 1-го періоду (Н, He) характерна одна АТ – 1s.

В елементах 2-го періоду електрони займають п'ять АТ двох енергетичних рівнях: перший рівень 1s; другий рівень - 2s, 2px, 2py, 2pz. (Цифри позначають номер енергетичного рівня, літери – форму орбіталі).

Стан електрона атомі повністю описують квантові числа.

Внесок у хімію російського хіміка, академіка Петербурзької АН та професора Петербурзького університету, творця теорії хімічної будови викладено у цій статті.

Бутлеров Олександр Михайлович внесок у хімію:

Олександр Михайлович у 1858 році відкрив новий спосіб синтезу йодистого метилену. При цьому він виконав багато завдань та робіт з його похідних.

Хімік зміг синтезувати діацетат метилену і в процесі його омилення отримав полімер формальдегіду. На його основі в 1861 Бутлеров вперше отримав уротропін і метиленітан, здійснивши при цьому перший синтез цукристого елемента.

Внесок у вивчення хімії Бутлерова повністю розкрився у його показовому повідомленні 1861 року. У ньому він:

1. Доказав недосконалість існуючих на той час теорій хімії.
2. Наголосив на значенні теорії атомності.
3. Визначив поняття хімічної будови.
4. Сформулював 8 правил утворення хімічних сполук.
5. Бутлеров був першим, хто показав різницю між реакційною здатністю різних сполук.

Олександр Михайлович висунув ідею у тому, що атоми в молекули взаємно впливають друг на друга. Він пояснив у 1864 році процес ізомерії більшості сполук органічного походження. У процесі експериментів на користь своєї ідеї вчений досліджував будову бутилового третинного спирту та ізобутилену. Також він здійснив полімеризацію етиленових вуглеводнів.

Головна роль Бутлерова в хімії полягає в тому, що він є фундатором вчення про таутомерію, заклавши його основи.