У найбільш загальному та систематичному вигляді теорія хімічної будови (скорочено ТХС) вперше була сформульована російським хіміком А. М. Бутлеровим у 1861 р. і згодом розвинута та доповнена ним та його учнями та послідовниками (насамперед В. В. Марковниковим, А. А. М. Буковим, 1996). М. Зайцевим та інших.), і навіть багатьма зарубіжними хіміками (Я. Р. Вант-Гоффом, Ж. А. Ле Белем та інших.).

Розглянемо основні положення класичної ТХС та прокоментуємо їх із позиції сучасної структурної хімії.

1. Кожен атом у молекулі здатний утворювати певну кількість хімічних зв'язків з іншими атомами.

Вже у першій половині ХІХ ст. у хімії сформувалися уявлення про здатність атомів з'єднуватися один з одним у певних стосунках. За словами Бутлерова, кожному атому «природжено певну кількість сили, що виробляє хімічні явища (спорідненості). При хімічному поєднанні споживається... частина цієї сили чи вся її кількість». Тим самим підкреслювалися дві особливості міжатомної хімічної взаємодії: а) дискретність - все властиве атому спорідненість належало хіба що складеним із окремих порцій чи, по Бутлерову, «окремих одиниць хімічної сили», що було виражено символікою валентних штрихів (наприклад, Н-О- Н, Н-C≡N і т. д.), де кожен штрих характеризував один хімічний зв'язок; б) насичуваність - число утворюваних атомом хімічних зв'язків обмежено, через що існують, наприклад, такі нейтральні молекулярні системи різної стійкості, як СН, СН2, СН3, СН4, але немає молекул СН5, СН6 і т.д.

Кількісною мірою здатності атома утворювати хімічні зв'язки є його валентність. Формування 1850-х гг. понять валентності та хімічного зв'язку послужило найважливішою причиною створення ТХС. Проте на початок XX в. фізичний сенс валентного штриха, а отже, і природа хімічного зв'язку та валентності залишалися неясними, що іноді призводило до парадоксів. Так, вивчаючи властивості ненасичених вуглеводнів, Бутлеров прийняв у 1870 р. ідею німецького хіміка Еге. Ерленмейєра про існування у них кратних зв'язків. Тим часом залишалося незрозумілим, чому кратний зв'язок виявлявся менш міцним (схильним до реакцій приєднання), ніж одинарний зв'язок (в ці реакції не вступає). Були й інші свідчення нерівноцінності деяких чи всіх хімічних зв'язків у молекулі.

Зі створенням квантової хімії стало ясно, що кожному валентному штриху відповідає, як правило, двоцентровий двоелектронний зв'язок і що хімічні зв'язки можуть відрізнятися за енергією, довжиною, полярністю, поляризацією, спрямованістю в просторі, кратності і т. д. (див. Хімічний зв'язок) .

Поняття про хімічний зв'язок спричиняє поділ атомів молекули на хімічно пов'язані і хімічно незв'язані (див. рис.), з чого випливає друге положення ТХС.

H/O\H Хімічно пов'язані атоми

Хімічно не пов'язані атоми

2. Атоми в молекулі пов'язані один з одним у визначеному порядку відповідно до їх валентності. Саме "порядок хімічної взаємодії", або, іншими словами, "спосіб взаємного хімічного зв'язку" атомів у молекулі, Бутлеров називав хімічною будовою. У результаті хімічна будова, наочно виражається структурної формулою (іноді також званої графічної, а останні роки - топологічної), показує, які пари атомів хімічно пов'язані між собою, а які ні, т. е. хімічна будова характеризує топологію молекули (див. Молекула ). При цьому Бутлеров спеціально підкреслював, що кожній сполукі відповідає лише одна хімічна будова і, отже, лише одна структурна (графічна) формула.

Розглянуте становище ТХС загалом справедливе й сьогодні. Однак, по-перше, далеко не завжди молекулярну будову можна передати однією класичною структурною формулою (див. Бензол), по-друге, у нежорстких молекулах порядок зв'язку атомів може мимоволі змінюватися і досить швидко (див. Молекула), і по-третє , сучасна хімія відкрила широке коло молекул з «незвичайними» структурами (скажімо, у деяких карбонанах атом вуглецю пов'язаний з п'ятьма сусідніми атомами).

3. Фізичні та хімічні властивості сполуки визначаються як її якісним та кількісним складом, так і хімічною будовою, а також характером зв'язків між атомами.

Це положення є у ТХС центральним. Саме його твердження у хімії склало головну наукову заслугу Бутлерова. З цього положення випливає ряд важливих наслідків: пояснення ізомерії різницею хімічної будови ізомерів, ідея про взаємний вплив атомів у молекулі, а також розкривається зміст та значення структурних формул молекул.

У 1874 р. ТХС збагатилася стереохімічними уявленнями, в рамках яких вдалося пояснити явища оптичної, геометричної та конформаційної ізомерії (див. Ізомерія).

У сучасній хімії термін «будова молекули» розуміють "трояко: а) як хімічну будову (тобто топологія молекули); б) як просторову будову, що характеризує розташування та рух ядер у просторі; в) як електронну будову (див. Молекула, Хімічний зв'язок).

Таким чином, основне положення ТХС, з сучасної точки зору, може бути представлене так: фізичні та хімічні властивості сполук визначаються їх кількісним та якісним елементним складом, а також хімічною (топологічною), просторовою (ядерною) та електронною будовою їх молекул.

4. Хімічну будову можна вивчати хімічними методами, тобто аналізом та синтезом.

Розвиваючи це, Бутлеров сформулював ряд правил для «розпізнавання хімічної будови» і широко застосовував їх у своїх експериментальних роботах.

Нині будову молекул вивчають як хімічними, і фізичними методами (див. Спектральний аналіз).

5. Входять у молекулу атоми, як хімічно пов'язані, і непов'язані, надають друг на друга певний вплив, що виявляється у реакційної здатності окремих атомів і зв'язків молекули, соціальній та інших її властивостях.

ТХС, як і будь-яка наукова теорія, заснована на деяких модельних уявленнях, що мають певну область застосування та відображають лише окремі сторони реальності. Так, говорячи про ТХС, не слід забувати, що насправді молекула є єдиною цілісною системою ядер і електронів і виділення в ній окремих атомів, функціональних груп, хімічних зв'язків, неподілених електронних пар і т. д. є наближення. Але якщо це наближення виявилося ефективним при вирішенні різноманітних хімічних проблем, воно набуло широкого поширення. Разом з тим теоретичне, уявне розчленування, структурування цілісного за своєю природою об'єкта (молекули) змушує вводити в теорію додаткові уявлення, що враховують ту обставину, що виділені молекулярні фрагменти (атоми, зв'язки тощо) насправді пов'язані та взаємодіють один з одним. . З цією метою була створена концепція взаємного впливу атомів (ВВА).

Властивості та стан кожного атома чи функціональної групи молекули визначаються не лише їхньою природою, а й їхнім оточенням. Наприклад, введення ОН-групи в молекулу може призвести до різних результатів:

Тому при вивченні характеру та інтенсивності впливу різних заступників на властивості молекули надходять так: розглядають реакційні серії, тобто ряд однотипних сполук, що відрізняються один від одного або наявністю заступника, або розташуванням кратних зв'язків, наприклад: СН2=СН-СН=СН- СН3, Н2С=СН-СН2-СН=СН2 тощо. буд., або з будь-яким іншим деталям будови. У цьому досліджують здатність речовин цієї серії брати участь у однотипних реакціях, скажімо, вивчають бромування фенолу і бензолу. Розбіжності, що спостерігаються, пов'язують з впливом різних заступників на решту молекули.

Що стосується органічних сполук, то однією з їх характерних рис є здатність заступника передавати свій вплив на ланцюги ковалентно пов'язаних атомів (див. Хімічний зв'язок). Зрозуміло, і заступники відчувають у собі вплив решти молекули. Передача впливу заступника з а- та л-зв'язків призводить до зміни цих зв'язків. Якщо вплив заступників передається за участю а-зв'язків, то кажуть, що заступник виявляє індуктивний або I-ефект. За наявності в ланцюгу π-зв'язків вони також поляризуються (π-ефект). Крім того, якщо в ланцюзі є система сполучених кратних зв'язків (-С=С-С=С-) або заступник з неподіленою електронною парою при кратному зв'язку (СН3-О-СН=СН2) або при ароматичному ядрі, то передача впливу відбувається за системі π-зв'язків (ефект сполучення, або С-ефект), при цьому електронна хмара частково зміщується в область сусіднього σ-зв'язку. Наприклад, такі заступники, як -Вг, -Сl, -ОН, -NH2, мають неподілені електронні пари, є донорами π-електронів. Тому кажуть, що вони мають +С-ефект. У той самий час вони зміщують себе електронну щільність по σ-зв'язків, т. е. мають -I-ефектом. Для -Вг, -Сl переважає I-ефект, для -ВІН і -NH2-, навпаки, +С-ефект. Тому, скажімо, у фенолі π-електронна щільність на бензольному ядрі більша, ніж у бензолі, що полегшує перебіг у фенолі (порівняно з бензолом) реакцій електрофільного заміщення.

Теорія хімічної будови широко використовується також і в неорганічній хімії, особливо після створення А. Вернер в 1893 координаційної теорії (див. Координаційні сполуки).

Слайд 1>

Завдання лекції:

• Освітні:
  • формувати поняття про сутність теорії хімічної будови органічних речовин, спираючись на знання учнів про електронну будову атомів елементів, їхнє становище в Періодичній системі Д.І. Менделєєва, про ступінь окислення, природу хімічного зв'язку та про інші найголовніші теоретичні положення:
    • послідовність розташування атомів вуглецю в ланцюзі,
    • взаємний вплив атомів у молекулі,
    • залежність властивостей органічних речовин від структури молекул;
  • сформувати уявлення про перебіг розвитку теорій в органічній хімії;
  • засвоїти поняття: ізомери та ізомерія;
  • роз'яснити сенс структурних формул орг.речовин та його переваг перед молекулярними;
  • показати необхідність та передумови створення теорії хімічної будови;
  • продовжити формування навичок складання конспекту.
• Розвиваючі:
  • розвивати розумові прийоми аналізу, порівняння, узагальнення;
  • розвивати абстрактне мислення;
  • тренувати увагу учнів під час сприйняття великого за обсягом матеріалу;
  • виробляти вміння аналізувати інформацію та виділяти найважливіший матеріал.
• Виховні:
  • з метою патріотичного та міжнародного виховання навести учням історичні відомості про життя та діяльність учених.

ХІД УРОКУ

1. Організаційна частина

– Привітання
– Підготовка учнів до уроку
– Отримання відомостей про відсутні.

2. Вивчення нового

План лекції:<Додаток 1 . Слайд 2>

I. Доструктурні теорії:
- Віталізм;
- Теорія радикалів;
- Теорія типів.
ІІ. Коротка довідка про стан хімічної науки до 60-х років ХІХ століття. Умови створення теорії хімічної будови речовин:
- Необхідність створення теорії;
- Причини теорії хімічної будови.
ІІІ. Сутність теорії хімічної будови органічних речовин А.М. Бутлерова. Поняття про ізомерію та ізомери.
IV. Значення теорії хімічної будови органічних речовин А.М. Бутлерова та її розвиток.

3. Завдання додому:конспект, п. 2.

4. Лекція

I. Знання про органічні речовини накопичувалися поступово ще з давнини, але як самостійна наука органічна хімія виникла лише на початку XIX століття. Оформлення самостійності орг.хімії пов'язане з ім'ям шведського вченого Я. Берцеліуса<Додаток 1 . Слайд 3. У 1808-1812 р.р. він видав свій великий посібник з хімії, в якому спочатку мав намір розглянути поряд з мінеральними також і речовини тваринного та рослинного походження. Але частина підручника, присвячена орг.речовинам, з'явилася лише 1827 р.
Найсуттєвіша різниця між речовинами неорганічними та органічними Я. Берцеліус бачив у тому, що перші можуть бути отримані в лабораторіях синтетичним шляхом, у той час як другі нібито утворюються лише в живих організмах під дією «життєвої сили» – хімічного синоніма «душі», "духу", "божественного походження" живих організмів і складових їх органічних речовин.
Теорія, яка пояснювала утворення орг.з'єднань втручанням «життєвої сили», отримала назву віталізму.Протягом деякого часу вона популярна. У лабораторії вдавалося синтезувати лише найпростіші вуглецевмісні речовини, такі як вуглекислий газ – СО 2 , карбід кальцію – CaC 2 , ціанід калію – KCN.
Тільки 1828 р. німецький вчений Велер<Додаток 1 . Слайд 4> зумів отримати органічну речовину сечовину з неорганічної солі – ціанату амонію – NH 4 CNO.
NH 4 CNO - t -> CO(NH 2) 2
У 1854 р. французький вчений Бертло<Додаток 1 . Слайд 5>отримав тригліцерид. Це й спричинило необхідність зміни визначення органічної хімії.
Вчені намагалися на підставі складу та властивостей розгадати природу молекул органічних речовин, прагнули створити систему, яка б зв'язати воєдино розрізнені факти, що накопичилися до початку XIX століття.
Перша спроба створення теорії, що прагнула узагальнити дані, що були про орг.речовини, пов'язана з ім'ям французького хіміка Ж.Дюма<Додаток 1 . Слайд 6>. Це була спроба розглянути з єдиної точки зору досить велику групу з'єднань, які сьогодні ми називали б похідними етилену. Орг. з'єднання виявлялися похідними деякого радикала C 2 H 4 - етерину:
C 2 H 4 * HCl – хлористий етил (солянокислий етерин)
Закладена в цій теорії ідея - підхід до орг.речовини як складається з 2-х частин - лягла в основу, ширшої теорії радикалів (Я. Берцеліус, Ю.Лібіх, Ф. Велер). Ця теорія заснована на уявленні про «дуалістичну будову» речовин. Я. Берцеліус писав: «кожне орг.речовина складається з 2-х складових частин, що несуть протилежний електричний заряд». Однією з цих складових частин, а саме частиною електронегативною, Я.Берцеліус вважав кисень, решта ж, власне органічна, мала становити електропозитивний радикал.

Основні положення теорії радикалів:<Додаток 1 . Слайд 7>

- До складу органічних речовин входять радикали, що несуть на собі позитивний заряд;
– радикали завжди постійні, не зазнають змін, вони без змін переходять із однієї молекули до іншої;
– радикали можуть існувати у вільному вигляді.

Поступово у науці накопичувалися факти, що суперечать теорії радикалів. Так Ж.Дюма провів заміщення водню хлором у вуглеводневих радикалах. Вченим, прихильникам теорії радикалів, здавалося неймовірним, щоб хлор, заряджений негативно, грав у сполуках роль водню, зарядженого позитивно. У 1834 р. Ж. Дюма отримав завдання розслідувати неприємну пригоду під час балу у палаці французького короля: свічки при горінні виділяли задушливий дим. Ж.Дюма встановив, що віск, з якого робилися свічки, фабрикант для відбілювання обробляв хлором. При цьому хлор входив в молекулу воску, замінюючи частину водню, що містився в ній. Задушливі пари, що налякали королівських гостей, виявилися хлороводнем (HCl). Надалі Ж.Дюма отримав трихлороцтову кислоту з оцтової.
Таким чином, електропозитивний водень замінювався надто електронегативним елементом хлором, а властивості сполуки при цьому майже не змінювалися. Тоді Ж.Дюма зробив висновок, що на місце дуалістичного підходу має стати підхід до орг.сполуки як єдиного цілого.

Теорія радикалів була поступово відкинута, проте вона залишила глибокий слід в органічній хімії:<Додаток 1 . Слайд 8>
– поняття «радикал» міцно увійшло хімію;
- вірним виявилося твердження про можливість існування радикалів у вільному вигляді, про перехід у величезній кількості реакцій певних груп атомів з однієї сполуки до іншої.

У 40-х р.р. ХІХв. Було започатковано вчення про гомологію, що дозволило з'ясувати деякі відносини між складом та властивостями сполук. Виявлено гомологічні ряди, гомологічну різницю, що дозволило класифікувати органічні речовини. Класифікація орг.речовин з урахуванням гомології призвела до виникнення теорії типів (40-50-ті роки ХІХ ст., Ш. Жерар, А.Кекуле та інших.)<Додаток 1 . Слайд 9>

Сутність теорії типів<Додаток 1 . Слайд 10>

– в основу теорії покладено аналогію в реакціях між органічними та деякими неорганічними речовинами, прийнятими як типи (типи: водень, вода, аміак, хлороводень та ін.). Заміщаючи у вигляді речовини атоми водню інші групи атомів, вчені передбачили різні похідні. Наприклад, заміщення атома водню у молекулі води на радикал метил призводить до виникнення молекули спирту. Заміщення двох атомів водню – до появи молекули ефіру<Додаток 1 . Слайд 11>

Ш. Жерар прямо говорив у зв'язку з цим, що формула речовини – це скорочений запис його реакцій.

Усі орг. речовини вважали похідними найпростіших неорганічних речовин - водню, хлороводню, води, аміаку<Додаток 1 . Слайд 12>

<Додаток 1 . Слайд 13>

– молекули органічних речовин є системою, що складається з атомів, порядок з'єднання яких невідомий; на властивості з'єднань впливає сукупність всіх атомів молекули;
– неможливо пізнати будову речовини, оскільки молекули у процесі реакції змінюються. Формула речовини відбиває не будова, а реакції, у яких дана речовина. Для кожної речовини можна написати стільки раціональних формул, скільки різних видів перетворень може зазнавати речовини. Теорія типів допускала множинність «раціональних формул» для речовин залежно від того, які реакції хочуть цими формулами висловити.

Теорія типів відіграла велику роль у розвитку органічної хімії <Додаток 1 . Слайд 14>

– дозволила передбачити та відкрити ряд речовин;
– надала позитивний вплив на розвиток вчення про валентність;
– звернула увагу на вивчення хімічних перетворень органічних сполук, що дозволило глибше вивчити властивості речовин, а також властивості сполук, що передбачаються;
- Створила досконалу на той час систематизацію органічних сполук.

Не слід забувати, що насправді теорії виникали та змінювали один одного не послідовно, а існували одночасно. Хіміки нерідко погано розуміли одне одного. Ф.Велер в 1835 р. говорив, що «органічна хімія в даний час може будь-кого звести з розуму. Вона представляється мені дрімучим лісом сповненим чудесних речей, величезною часткою без виходу, без кінця, куди не наважуєшся проникнути…».

Жодна з цих теорій стала теорією органічної хімії у сенсі слова. Головна причина неспроможності цих уявлень у тому ідеалістичної сутності: внутрішнє будова молекул вважалося принципово непізнаваним, а будь-які міркування про нього – шарлатанством.

Потрібна була нова теорія, яка стояла б на матеріалістичних позиціях. Такою теорією стала теорія хімічної будови А.М. Бутлерова <Додаток 1 . Слайди 15, 16>, яка створена в 1861 р. Все раціональне та цінне, що було в теоріях радикалів та типів, було надалі асимільовано теорією хімічної будови.

Необхідність появи теорії диктувалася:<Додаток 1 . Слайд 17>

- Збільшення вимог промисловості до органічної хімії. Потрібно було забезпечити текстильну промисловість барвниками. З метою розвитку харчової промисловості потрібно удосконалити методи переробки сільськогосподарських продуктів.
У зв'язку із цими завданнями почали розроблятися нові методи синтезу органічних речовин. Однак у вчених виникли серйозні труднощі щодо наукового обґрунтування цих синтезів. Так, наприклад, не можна було пояснити валентність вуглецю у сполуках за допомогою старої теорії.
Вуглець нам відомий як елемент 4-х валентний (це було доведено експериментально). Але тут він начебто тільки в метані CH4 зберігає цю валентність. В етані C 2 H 6 якщо слідувати нашим уявленням, вуглець д.б. 3-валентним, а в пропані C 3 H 8 - дрібну валентність. (А ми знаємо, що валентність має бути виражена лише цілими числами).
Яка ж валентність вуглецю в органічних сполуках?

Було незрозуміло, чому існують речовини з однаковим складом, але різними властивостями: З 6 H 12 O 6 – молекулярна формула глюкози, але така сама формула та фруктози (цукриста речовина – складова частина меду).

Доструктурні теорії було неможливо пояснити різноманіття органічних речовин. (Чому вуглець і водень – два елементи – можуть утворювати таку велику кількість різних сполук?).

Необхідно було систематизувати наявні знання з єдиної точки зору та розробити єдину хімічну символіку.

Науково обгрунтовану відповідь ці питання дала теорія хімічної будови органічних сполук, створена російським ученим А.М. Бутлеровим.

Основними передумовами, які підготували ґрунт для виникнення теорії хімічної будови<Додаток 1 . Слайд 18>

- Вчення про валентність. У 1853 р. Е. Франкланд ввів поняття про валентність, встановив валентність для низки металів, досліджуючи металоорганічні сполуки. Поступово поняття валентності було поширене на багато елементів.

Важливим відкриттям для органічної хімії стала гіпотеза про здатність атомів вуглецю до утворення ланцюгів (А. Кекуле, А. Купер).

Однією з передумов було вироблення правильного уявлення про атоми та молекули. До 2-ї половини 50-х р.р. ХІХв. Не було загальновизнаних критеріїв визначення понять: «атом», «молекула», «атомна маса», «молекулярна маса». Тільки на міжнародному конгресі хіміків у Карлсруе (1860 р.) було чітко визначено ці поняття, що зумовило розвиток теорії валентності, виникнення теорії хімічної будови.

Основні положення теорії хімічної будови А.М. Бутлерова(1861 р.)

А.М. Бутлеров сформулював найважливіші ідеї теорії будови органічних сполук як основних положень, які можна розділити на 4 групи.<Додаток 1 . Слайд 19>

1. Усі атоми, що утворюють молекули органічних речовин, пов'язані у певній послідовності відповідно до їх валентності (тобто молекула має будову).

<Додаток 1 . Слайди 19, 20>

Відповідно до цих уявлень валентність елементів умовно зображують рисочками, наприклад, метані CH 4 .<Додаток 1 . Слайд 20> >

Таке схематичне зображення будови молекул називають формулами будови та структурними формулами. Грунтуючись на положеннях про 4-х валентність вуглецю та здатність його атомів утворювати ланцюги та цикли, структурні формули орг.речовин можна зобразити так:<Додаток 1 . Слайд 20>

У цих сполуках вуглець чотиривалентний. (Рісунок символізує ковалентний зв'язок, пару електронів).

2. Властивості речовини залежать не тільки від того, які атоми і скільки їх входить до складу молекул, але і від порядку з'єднання атомів в молекулах. <Додаток 1 . Слайд 19>

Це положення теорії будівлі орг.речовин пояснило, зокрема, явище ізомерії. Існують сполуки, які містять однакове число атомів одних і тих самих елементів, але пов'язаних у різному порядку. Такі сполуки мають різні властивості і називаються ізомерами.
Явище існування речовин з однаковим складом, але різною будовою та властивостями називається ізомерією.<Додаток 1 . Слайд 21>

Існування ізомерів орг.речовин пояснює їх різноманіття. Явище ізомерії було передбачено та доведено (експериментально) А.М.Бутлеровим на прикладі бутану

Так, наприклад, складу 4 Н 10 відповідають дві структурні формули:<Додаток 1 . Слайд 22>

Різне взаємне розташування атомів вуглецю в молекулах у/в утворюється лише з бутану. Число ізомерів зростає зі збільшенням числа атомів вуглецю у відповідного вуглеводню, наприклад, у пентана – три ізомери, а у декана – сімдесят п'ять.

3. За властивостями даної речовини можна визначити будову молекули, а за будовою молекули передбачати властивості. <Додаток 1 . Слайд 19>

З курсу неорганічної хімії відомо, що властивості неорганічних речовин залежать від будови кристалічних ґрат. Відмінні властивості атомів від іонів пояснюються їхньою будовою. Надалі ми переконаємося, що органічні речовини з однаковими молекулярними формулами, але різною будовою відрізняються не лише за фізичними, а й за хімічними властивостями.

4. Атоми та групи атомів у молекулах речовин взаємно впливають один на одного.

<Додаток 1 . Слайд 19>

Як нам відомо, властивості неорганічних сполук, містять гідроксогрупи, залежить від цього, з якими атомами вони пов'язані – з атомами металів чи неметалів. Так, наприклад, гідроксогрупу містять як основи, так і кислоти:<Додаток 1 . Слайд 23>

Проте властивості цих речовин абсолютно різні. Причина різного хімічного характеру групи – ВІН (у водному розчині) обумовлена ​​впливом пов'язаних із нею атомів та груп атомів. Зі зростанням неметалічних властивостей центрального атома послаблюється дисоціація за типом основи та зростає дисоціація за типом кислоти.

Органічні сполуки можуть мати різні властивості, які залежать від того, з якими атомами або групами атомів пов'язані гідроксильні групи.

Питання про взаємне вливання атомів А.М. Бутлеров докладно розібрав 17 квітня 1879 на засіданні Російського фізико - хімічного суспільства. Він говорив, що якщо з вуглецем пов'язані два різні елементи, наприклад, Cl і H, то «вони тут не залежать один від одного в тій мірі, як від вуглецю: між ними немає тієї залежності, того зв'язку, який існує в частинці соляної кислоти … Але чи випливає з цього, що у поєднанні CH 2 Cl 2 між воднем та хлором немає жодної залежності? Я відповідаю на це рішучим запереченням».

Як конкретний приклад він наводить далі збільшення рухливості хлору при перетворенні групи CH 2 Cl COCl і говорить з цього приводу: «Очевидно, що характер знаходиться в частинці хлору змінився під впливом кисню, хоча цей останній і не з'єднався з хлором безпосередньо».<Додаток 1 . Слайд 23>

Питання про взаємний вплив безпосередньо не пов'язаних атомів стало основним теоретичним стрижнем робіт В.В. Морковнікова.

В історії людства відомо порівняно небагато вчених, відкриття яких мають всесвітнє значення. У сфері органічної хімії такі досягнення належать А.М. Бутлерову. За значимістю теорію А.М. Бутлерова зіставляють із Періодичним законом.

Теорія хімічної будови А.М. Бутлерова:<Додаток 1 . Слайд 24>

- Дала можливість систематизувати органічні речовини;
- Відповіла на всі питання, що виникли на той час в органічній хімії (див. вище);
– дозволила теоретично передбачати існування невідомих речовин, знайти шляхи їхнього синтезу.

Пройшло майже 140 років з того часу, як було створено ТХС органічних сполук А.М. Бутлерова та й тепер хіміки всіх країн використовують її у своїх роботах. Нові досягнення науки поповнюють цю теорію, уточнюють і знаходять нові підтвердження правильності її основних ідей.

Теорія хімічної будови й досі залишається фундаментом органічної хімії.

ТХС органічних сполук А.М. Бутлерова зробила істотний внесок у створення загальнонаукової картини світу, сприяла діалектико – матеріалістичному розумінню природи:<Додаток 1 . Слайд 25>

– закон переходу кількісних змін до якісних можна простежити на прикладі алканів:<Додаток 1 . Слайд 25.

Змінюється лише кількість атомів вуглецю.

– закон єдності та боротьби протилежностей простежується на явищі ізомерії<Додаток 1 . Слайд 26>

Єдність – у складі (однаковий), розміщенні у просторі.
Протилежність – у будові та властивостях (різна послідовність розташування атомів).
Ці дві речовини співіснують разом.

– закон заперечення заперечення - На ізомерії.<Додаток 1 . Слайд 27>

Ізомери співіснуючи заперечують одне одного своїм існуванням.

Розробивши теорію, А.М. Бутлеров не вважав її абсолютною та незмінною. Він стверджував, що вона має розвиватися. ТХС органічних сполук не залишилася незмінною. Подальший її розвиток йшов, головним чином, у 2-х взаємопов'язаних напрямках:<Додаток 1 . Слайд 28>

Стереохімія - вчення про просторову будову молекул.

Вчення про електронну будову атомів (дозволило зрозуміти природу хімічного зв'язку атомів, сутність взаємного впливу атомів, пояснити причину прояву речовиною тих чи інших хімічних властивостей).

Хімічна структура молекулиє найбільш характерною і унікальною її стороною, оскільки вона визначає її загальні властивості (механічні, фізичні, хімічні та біохімічні). Будь-яка зміна в хімічній структурі молекули спричиняє зміну її властивостей. У разі незначних структурних змін, внесених в одну молекулу, слідують невеликі зміни її властивостей (зазвичай зачіпає фізичні властивості), якщо молекула зазнала глибокі структурні зміни, то і її властивості (особливо хімічні) будуть глибоко змінені.

Наприклад, Альфа-амінопропіонова кислота (Альфа-аланін) має таку структуру:

Альфа-аланін

Що ми бачимо:

1. Наявність певних атомів (С, Н, О, N),
2. певну кількість атомів, що належать кожному класу, які пов'язані у певному порядку;

Всі ці конструктивні особливості визначають цілу низку властивостей Альфа-аланіну, таких як: твердий агрегатний стан, температура кипіння 295 ° С, розчинність у воді, оптична активність, хімічні властивості амінокислот і т.д.

За наявності зв'язку аміногрупи з іншим атомом вуглецю (тобто відбулася незначна структурна зміна), що відповідає бета-аланіну:

Бета-аланін

Загальні хімічні властивості, як і раніше, залишаються характерними для амінокислот, але температура кипіння становить вже 200°C і відсутня оптична активність.

Якщо ж, наприклад, два атоми в цій молекулі з'єднані атомом N у наступному порядку (глибока структурна зміна):

тоді утворена речовина - 1-нітропропан за своїми фізичними та хімічними властивостями зовсім не схожий на амінокислоти: 1-нітро-пропан - це жовта рідина, з температурою кипіння 131 ° С, нерозчинний у воді.

Таким чином, взаємозв'язок «структура-властивості»дозволяє описувати загальні властивості речовини з відомою структурою та, навпаки, дозволяє знайти хімічну структуру речовини, знаючи її загальні властивості.

Загальні принципи теорії будови органічних сполук

По суті визначення структури органічної сполуки, лежать такі принципи, що випливають із зв'язку між їх структурою та властивостями:

а) органічні речовини, в аналітично чистому стані, мають той самий склад, незалежно від способу їх отримання;

б) органічні речовини, в аналітично чистому стані, має постійні фізико-хімічні властивості;

в) органічні речовини з постійним складом та властивостями, має лише одну унікальну структуру.

У 1861 р. великий російський учений А. М. Бутлерову своїй статті «Про хімічну будову речовини» розкрив основну ідею теорії хімічної будови, яка полягає у вплив способу зв'язку атомів в органічній речовині на його властивості. Він узагальнив усі наявні на той час знання та уявлення про будову хімічних сполук у теорії будови органічних сполук.

Основні положення теорії А. М. Бутлерова

коротко можуть бути викладені таким чином:

1. У молекулі органічної сполуки атоми пов'язані у певній послідовності, що визначає його будову.
2. Атом вуглецю у складі органічних сполук має валентність рівну чотирьом.
3. За однакового складу молекули можливе кілька варіантів з'єднання атомів цієї молекули між собою. Такі сполуки, що мають один склад, але різну будову назвали ізомерами, а подібне явище – ізомерією.
4. Знаючи будову органічної сполуки можна передбачити її властивості; знаючи властивості органічного з'єднання можна передбачити його будову.
5. Атоми, що утворюють молекулу схильні до взаємного впливу, що визначає їх реакційну здатність. Безпосередньо пов'язані атоми мають більший вплив один на одного, вплив не пов'язаних безпосередньо атомів значно слабший.

Учень А.М. Бутлерова В. В. Марковніковпродовжив вивчення питання взаємного впливу атомів, що знайшло своє відображення у 1869 році в його дисертаційній роботі «Матеріали щодо взаємного впливу атомів у хімічних сполуках».

Заслуга А.М. Бутлерова і значення теорії хімічної будови винятково велика для хімічного синтезу. Відкрилася можливість передбачити основні властивості органічних сполук, передбачити шляхи їхнього синтезу. Завдяки теорії хімічної будови хіміки вперше оцінили молекулу як упорядковану систему із суворим порядком зв'язку між атомами. І в даний час основні положення теорії Бутлерова, незважаючи на зміни та уточнення, лежать в основі сучасних теоретичних уявлень органічної хімії.

Категорії

Створена А.М. Бутлеровим у 60-х роках XIX століття теорія хімічної будови органічних сполук внесла необхідну ясність у причини різноманіття органічних сполук, розкрила взаємозв'язок між будовою та властивостями цих речовин, дозволила пояснити властивості вже відомих та передбачити властивості ще не відкритих органічних сполук.

Відкриття в області органічної хімії (чотирихвалентність вуглецю, здатність утворення довгих ланцюжків) дозволили Бутлерову в 1861 сформулювати основні покоління теорії:

1) Атоми в молекулах з'єднуються згідно з їхньою валентністю (вуглець-IV, кисень-II, водень-I), послідовність з'єднання атомів відображається структурними формулами.

2) Властивості речовин залежать не лише від хімічного складу, а й від порядку з'єднання атомів у молекулі (хімічна будова). Існують ізомеритобто речовини, що мають однаковий кількісний і якісний склад, але різна будова, і, отже, різні властивості.

C 2 H 6 O: CH 3 CH 2 OH – етиловий спирт та CH 3 OCH 3 – диметиловий ефір

C 3 H 6 – пропен та циклопропан - CH 2 =CH−CH 3

3) Атоми взаємно впливають один на одного, це наслідок різної електронегативності атомів, що утворюють молекули (O>N>C>H), і ці елементи мають різний вплив на зміщення загальних електронних пар.

4) За будовою молекули органічної речовини можна передбачити її властивості, а, за властивостями – визначити будову.

Подальший розвиток ТСОС отримала після встановлення будови атома, прийняття концепції про типи хімічних зв'язків, види гібридизації, відкриття явища просторової ізомерії (стереохімія).

Квиток №7 (2)

Електроліз як окисно-відновний процес. Електроліз розплавів та розчинів на прикладі хлориду натрію. Практичне застосування електролізу.

Електроліз- це окисно-відновний процес, що протікає на електродах при проходженні постійного електричного струму через розплав або розчин електроліту

Сутність електролізу полягає у здійсненні за рахунок електричної енергії хім. Реакції-відновлення на катоді та окислення на аноді.

Катод(-) віддає електрони катіона, а анод(+) приймає електрони від аніонів.

Електроліз розплаву NaCl

NaCl-―> Na + +Cl -

K(-): Na + +1e-―>Na 0 | 2 відс. відновлення

A(+) :2Cl-2e-―>Cl 2 0 | 1 відс. окиснення

2Na + +2Cl - ->>2Na+Cl 2

Електроліз водного розчину NaCl

У електролізі розчину NaC| у воді беруть участь іони Na ​​+ та Cl - , і навіть молекули води. При проходженні струму катіони Na ​​+ рухаються до катода, а аніони Cl - до анода. Але на катодізамість іонів Na відновлюватися молекули води:

2H 2 O + 2e--> H 2 +2OH -

а на аноді окислюються хлорид-іони:

2Cl - -2e-->Cl 2

У результаті катоді-водень, аноде-хлор, а розчині накопичується NaOH

В іонній формі: 2H 2 O+2e-―>H 2 +2OH-

2Cl - -2e-->Cl 2

електроліз

2H 2 O+2Cl - ->>H 2 +Cl 2 +2OH -

електроліз

У молекулярній формі: 2H 2 O+2NaCl--> 2NaOH+H 2 +Cl 2

Застосування електролізу:

1) Захист металів від корозії

2) Отримання активних металів (натрію, калію, лужноземельних та ін)

3) Очищення деяких металів від домішок (електричне рафінування)

Квиток №8 (1)

Подібна інформація:

1. A) Теорія пізнання - наука, що вивчає форми, способи та прийоми виникнення та закономірності розвитку знання, відношення його до дійсності, критерії його істинності.

Основою створення теорії хімічної будови органічних сполук А.М. Бутлеровим послужило атомно-молекулярне вчення (роботи А. Авагадро та С. Канніццаро). Буде неправильним припускати, що до створення в світі нічого не було відомо про органічні речовини і не робилися спроби обґрунтування будови органічних сполук. До 1861 року (рік створення А.М. Бутлеровим теорії хімічної будови органічних сполук) число відомих органічних сполук досягало сотень тисяч, а виділення органічної хімії як самостійної науки відбулося ще 1807 року (Й. Берцеліус).

Передумови теорії будови органічних сполук

Широке вивчення органічних сполук почалося у XVIII столітті з робіт А. Лавуазьє, який показав, що речовини, одержувані з живих організмів, складаються з кількох елементів – вуглецю, водню, кисню, азоту, сірки та фосфору. Велике значення мало запровадження термінів «радикал» та «ізомерія», а також формування теорії радикалів (Л. Гітон де Морво, А. Лавуазьє, Ю. Лібіх, Ж. Дюма, Й. Берцеліус), успіхи в синтезі органічних сполук (сечовина, анілін, оцтова кислота, жири, цукроподібні речовини та ін.).

Термін "хімічна будова", а також основи класичної теорії хімічної будови були вперше оприлюднені А.М. Бутлеровим 19 вересня 1861 року у його доповіді на З'їзді німецьких дослідників природи та лікарів у Шпейєрі.

Основні положення теорії будови органічних сполук А.М. Бутлерова

1. Атоми, що утворюють молекулу органічної речовини, пов'язані між собою в певному порядку, причому на зв'язок з один одним витрачається по одній або кілька валентностей від кожного атома. Вільних валентностей немає.

Послідовність з'єднання атомів Бутлер назвав «хімічною будовою». Графічно зв'язок між атомами позначаються рисою чи точкою (рис. 1).

Рис. 1. Хімічне будова молекули метану: А – структурна формула, Б – електронна формула

2. Властивості органічних сполук залежить від хімічної будови молекул, тобто. властивості органічних сполук залежить від порядку сполуки атомів у молекулі. Вивчивши властивості, можна зобразити речовину.

Розглянемо приклад: речовину мають брутто-формулу C2H6O. Відомо, що при взаємодії цієї речовини з натрієм виділяється водень, а при дії на нього кислоти утворюється вода.

C 2 H 6 O + Na = C 2 H 5 ONa + H 2

C 2 H 6 O + HCl = C 2 H 5 Cl + H 2 O

Даній речовині може відповідати дві структурні формули:

CH 3 -O-CH 3 - ацетон (диметилкетон) і CH 3 -CH 2 -OH - етиловий спирт (етанол),

виходячи з хімічних властивостей, характерних для цієї речовини, робимо висновок, що це етанол.

Ізомери – це речовини, що мають однаковий якісний і кількісний склад, але різною хімічною будовою. Виділяють кілька типів ізомерії: структурна (лінійна, розгалужена, вуглецевого скелета), геометрична (цис- та транс-ізомерія, характерна для сполук з кратним подвійним зв'язком (рис. 2)), оптична (дзеркальна), стерео (просторова, характерна для речовин , здатних по-різному розташовуватися у просторі (рис. 3)).

Рис. 2. Приклад геометричної ізомерії

3. На хімічні властивості органічних сполук впливають інші атоми, присутні у молекулі. Такі групи атомів отримали назву функціональних груп, за рахунок того, що їхня наявність у молекулі речовини надає йому особливих хімічних властивостей. Наприклад: -OH (гідроксо-група), -SH (тіо-група), -CO (карбонільна група), -COOH (карбоксильна група). Причому хімічні властивості органічної речовини меншою мірою залежать від вуглеводневого скелета, ніж від функціональної групи. Саме функціональні групи забезпечують різноманіття органічних сполук, за рахунок чого їх класифікують (спирти, альдегіди, карбонові кислоти і т. д. До функціональних груп іноді відносять і вуглець-вуглецеві зв'язки (кратні подвійні та потрійні). Якщо в молекулі органічної речовини кілька однакових функціональних груп, його називають гомополифунцкиональным (CH 2 (OH)-CH(OH)-CH 2 (OH) – гліцерин), якщо кілька, але різних – гетерополіфункціональним (NH 2 -CH(R)-COOH – амінокислоти).

Рис.3. Приклад стереоізомерії: а – циклогексан, форма «крісла», б – циклогексан, форма «ванна»

4. Валентність вуглецю в органічних сполуках завжди дорівнює чотирьом.