Основные положения теории химического строения Бутлерова

Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова

Химические свойства соединения определяются свойствами и строением его молекулы.

Различное строение при одном и том же свойстве и молекулярной массе вещества обуславливает явление изомерии.

Так как при отдельных реакциях изменяются не все, а только некоторые части молекул, то изучая продукты химических превращений соединения, можно установить его строение.

Химический характер (т.е. реакционная способность) атомов, входящих в молекулу меняется в зависимости от того, с какими атомами они связаны в данной молекуле. Это изменение химического характера обуславливается главным образом взаимным влиянием непосредственно связанных друг с другом атомов. Взаимное влияние атомов, не связанных непосредственно, обычно проявляется значительно слабее.

В конце Х1Х века теория химического строения обогатилась стереохимическими представлениями (Вант-Гофф, Ле-Бель), а с начала ХХ века в органическую химию внедряются электронные представления (Томсон, Коссель, Льюис, Ингольд, Робинсон, Полинг). Вторая половина ХХ века ознаменовалась широким использованием в органической химии квантово-механических представлений.

Большой вклад в развитие органической химии внесли отечественные ученые: А. М. Бутлеров, Н. Н. Зинин, В. В. Марковников, Е. Е. Вагнер, А. Е. Фаворский, Н. Д. Зелинский, М. Г. Кучеров, С. В. Лебедев, В. М. Родионов, А. Н. Несмеянов, Н. Н. Семенов и др.

Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова

• 1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения).
• 2. Химическое строение можно устанавливать химическими методами. (В настоящее время используются также современные физические методы).
• 3. Свойства веществ зависят от их химического строения.
• 4. По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы — предвидеть свойства.
• 5. Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.

Теория Бутлерова явилась научным фундаментом органической химии и способствовала быстрому ее развитию.

Опираясь на положения теории, А.М. Бутлеров дал объяснение явлению изомерии, предсказал существование различных изомеров и впервые получил некоторые из них.

Развитию теории строения способствовали работы Кекуле, Кольбе, Купера и Вант-Гоффа.

Однако их теоретические положения не носили общего характера и служили, главным образом, целям объяснения экспериментального материала

Теория химического строения

В 1858г шотландский химик А. Купер предложил обозначать черточками связи между атомами в молекулах органических соединений.

В 1861г русский химик А.М. Бутлеров сформулировал понятие «химическое строение». Развитие представлений о химическом строении привело к созданию А.М. Бутлеровым теории химического строения.

Основные положения этой теории сводятся к следующему:

• 1. Химическая природа каждой молекулы определяется природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением.
• 2. Химическое строение – это определенный порядок в чередовании атомов в молекуле и взаимное влияние атомов друг на друга.
• 3. Химическое строение веществ определяет их физические и химические свойства.
• 4. Изучение свойств веществ позволяет определить их химическое строение.

Первым практическим следствием теории химического строения явились структурные формулы, с помощью которых можно отразить строение молекулы сочетанием символов атомов и черточек, обозначающих химические связи.

При этом всегда следует придерживаться следующих правил:

• 1. Атомы углерода в молекулах органических соединений всегда четырехвалентны:
• 2. Атомы углерода в молекулах органических соединений способны образовывать цепи:
• 3. Атомы углерода в молекулах органических соединений могут быть соединены двумя и тремя связями:
• 4. Атомы углерода в молекулах органических соединений могут образовывать циклы:
• 5. Атом или группа атомов, определенным образом соединенные друг с другом и придающие молекулам органических соединений характерные свойства называются функциональными группами.

Изомерия: что это?

Понятие «изомеры» введено Берцелиусом в 1830г. Он определил «изомеры» как вещества, имеющие одинаковый состав (молекулярную формулу), но различные свойства.

Представление об изомерах Берцелиус ввел после того как установил, что циановая кислота НОСN идентична по составу гремучей или изоциановой кислоте О=С=NН.

Теории химического строения объясняет, почему могут существовать органические соединения, имеющие одинаковый состав и различающиеся свойства. Например, эмпирической формуле С4Н10 могут соответствовать два вещества, различающиеся по своему химическому строению и соответственно различающиеся по своим физическим и химическим свойствам:

Такие вещества, имеющие одинаковые эмпирические формулы, но различающиеся по структурным формулам, названы А.М. Бутлеровым структурными изомерами.

Существуют следующие виды изомерии:

Изомерия углеродного скелета. В этом случае изомеры различаются последовательностью связывания атомов углерода. Например, рассмотренные выше н-бутан и изобутан.

Изомерия положения, обусловленная положением функциональных групп или кратных связей.

Пространственные изомеры или стереоизомеры. Это органические соединения, имеющие одинаковый состав, т.е. молекулярную формулу и одинаковую последовательность связывания атомов (структурную формулу), но различающиеся расположением атомов в пространстве.

Подобное строение имеют молекулы, обладающие атомом углерода с четырьмя различными заместителями. Такие атомы называются асимметрическими или хиральными. Например:

Такие изомеры различаются как предмет и его зеркальное отражение.

Эти изомеры обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами кроме одного. Они различным образом взаимодействуют с поляризованным светом. Один изомер вращает плоскость поляризации вправо, а другой влево.

Поворотные изомеры

Теория химического строения заложила основы для факта существования изомеров, но не смогла объяснить, причину различий в химических свойствах изомеров.

Вплотную подойти к установлению взаимосвязи между строением молекулы органического вещества и его химическими свойствами удалось в начале ХХ века, когда Льюис положил, что черточкой в структурной формуле обозначается пара электронов.

Электронное строение атома

Современные представления о природе химической связи сложились после создания квантовой механики.

Согласно квантово-механическим представлениям электроны в атомах находятся на атомных орбиталях. Под атомной орбиталью подразумевается область пространства вокруг атомного ядра, где наиболее высокая вероятность нахождения электрона.

Каждая АО является решением волнового уравнения Шреденгера. Волновое уравнение является дифференциальным уравнением второго порядка. Решениями дифференциальных уравнений являются функции. Решениями дифференциальных уравнений второго порядка являются функции экспоненты «еr» и круговых функций «sinφ» и «cosΘ».

В условиях квантования экспонента и круговые функции зависят также от трех чисел, которые принимают определенные значения. В этим числам относятся :

1. Главное квантовое число «n», которое определяет энергию и размер АО и принимает положительные целочисленные значения. Эти значения соответствуют номеру периода в таблице Менделеева.

Орбитальное квантовое число (побочное или азимутальное) «l» характеризует форму орбитали и принимает значения от 0 до n-1 (l = 0, 1, 2, …. n-1). АО для l=0 имеет форму сферы и называется s – орбиталью. АО для l = 1 имеет форму гантели и называется p–орбиталью.

АО для l = 2 имеет форму лепестков и называется d-орбиталью:

Магнитное квантовое число «m». Характеризует пространственную ориентацию и принимает значения 0, ±1, ±2, ….±l

Различные значения «m» для р-орбиталей означают различную пространственную ориентацию.

Так р-орбитали ориентированы по трем координатным осям и называются соответственно рх, рy и рz. Ориентация по координатным осям обуславливает их взаимную перпендикулярность или ортогональность. У каждой р-орбитали есть узловая точка, в которой волновая функция обращается в нуль и меняет знак на противоположный. Смена знака волновой функции связана с ростом энергии АО. Чем больше случаев смены знака АО тем выше она по энергии.

Из этого следует что из трех видов АО: s, p и d наиболее низкой является s у нее отсутствует узловая точка. Далее следуют p-орбиталь с одной узловой точкой. Еще выше расположены d –орбитали, у которых две узловые точки.

Кроме перечисленных квантовых чисел действует еще одно – так называемый спин, характеризующий квантование движения самого электрона.

Спин принимает два значения ½ и – ½.

По мере роста порядкового номера элемента в таблице Менделеева происходит заселение АО. Заселение проводится в соответствии со следующим правилами:

• 1. Соблюдается принцип минимума энергии в соответствие с ростом главного квантового числа.
• 2. Соблюдается правило Клечковского в соответствии с ростом суммы главного и орбитального квантового числа.
• 3. По принципу Паули в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором квантовых чисел.
• 4. По правилу Гунда заселение идет таким образом, чтобы суммарный спин был максимален.

Графически АО часто изображают в виде квадратика – ячейки.

В соответствии с перечисленными правилами ячейки будут заполняться следующим образом:

Как видно из ячеечных формул различаются два вида АО.

Одни заполнены, другие заполняются. Главное квантовое число заполняемых АО, как правило, соответствует номеру периода в таблице Менделеева.

Оно соответствует внешним электронным оболочкам. Электроны, находящиеся на внешних, заполняемых электронных оболочках участвуют в образовании химической связи.

Химическая связь

Химическая связь образуется за счет перекрывания АО, взаимодействующих атомов и обобществления этими атомами пары электронов с антипараллельными спинами.

По правилу октетов, сформулированному Льюисом, каждый атом стремится заполнить свою оболочку до устойчивого состояния, соответствующего инертному газу. Для атома водорода это два электрона, что соответствует электронной оболочке атома гелия. Для элементов второго периода восемь электронов, что соответствует электронной оболочке атома неона.

На рисунке приведены схемы образования устойчивых оболочек атомов водорода, углерода, азота и кислорода на примерах образования метана из углерода и водорода, этана из двух метильных радикалов, аммиака из азота и водорода, воды из кислорода и водорода.

Стрелками указаны неподеленные электронные пара атомов азота и кислорода.

Различают два вида химической связи: электровалентная и ковалентная. Электровалентная связь осуществляется когда пара электронов полностью переходит на орбитали одного из атомов, имеющему большую электроотрицательность:

Виды ковалентной связи:

Собственно ковалентная связь образуется между атомами одной природы при условии равной электроотрицательности, например, между атомами углерода в молекуле этана:

При взаимодействии электрически нейтральной молекулы, в состав которой входит атом с НЭП, с ионом несущим положительный заряд и, соответственно, обладающим вакантной орбиталью, НЭП может переместиться на вакантную орбиталь, что приводит к образованию ковалентной связи.

Образовавшаяся связь называется координационной:

На представленной схеме стрелка указывает направление смещения электронной плотности.

В соответствии с особенностями электронно-дырочной проводимости, в ходе перемещения НЭП на вакантную орбиталь — положительный заряд иона водорода перетекает на атом азота.

3. Если электрически нейтральная молекула, в состав которой входит атом с НЭП, взаимодействует с электрически нейтральной молекулой, в состав которой входит атом, обладающий вакантной орбиталью, то НЭП, также как и в случае координационной связи, переходит на вакантную орбиталь.

При этом образуется ковалентная связь, которая называется донорно-акцепторной:

Атом, поставляющий электронную пару — называется донором. Атом, принимающий электронную пару на вакантную орбиталь — называется акцептором.

4. Ковалентная семиполярная или полуполярная связь образуется в случае переноса с орбитали атома-донора на орбиталь атома-акцептора только одного электрона (в отличие от координационной и донорно-акцепторной связей, где переносится НЭП).

Свойства ковалентной связи

Ковалентная связь обладает следующими свойствами:

1 Ковалентная связь насыщенная (в отличие от электровалентной которая ненасыщенная и ненаправленная) поскольку образована парой электронов.

2. Ковалентная связь характеризуется длиной и направленностью, поскольку образующие ее орбитали занимают определенный объем вокруг атомного ядра и имеют определенную пространственную ориентацию.

3. Ковалентная связь, образованная атомами, различающимися по своей природе и электроотрицательностьи, является полярной.

Электронная пара, осуществляющая связь смещается в сторону более электроотрицательного атома. Мерой полярности ковалентной связи является дипольный момент.

4. Ковалентная связь обладает поляризуемостью. Это отклонение от стационарного состояния электронной плотности (пары) под действием внешних факторов.

Мерой поляризуемости является молекулярная рефракция.

5. Ковалентная связь характеризуется энергией. Под энергией связи подразумевается энергия необходимая для разрыва связи.

Поскольку после разрыва связи потенциальная энергия несвязанных атомов равна нулю, то исходная энергия связи является отрицательной величиной.

6. Химическая связь — это понижение энергии системы из взаимодействующих атомов.

Созданная А.М. Бутлеровым в 60-х годах XIX века теория химического строения органических соединений внесла необходимую ясность в причины многообразия органических соединений, вскрыла взаимосвязь между строением и свойствами этих веществ, позволила объяснить свойства уже известных и предсказать свойства ещё не открытых органических соединений.

Открытия в области органической химии (четырёхвалентность углерода, способность образования длинных цепочек) позволили Бутлерову в 1861 году сформулировать основные поколения теории:

1) Атомы в молекулах соединяются согласно их валентности (углерод-IV, кислород-II, водород-I), последовательность соединения атомов отражается структурными формулами.

2) Свойства веществ зависят не только от химического состава, но и от порядка соединения атомов в молекуле (химическое строение).

Существуют изомеры, то есть вещества, имеющие одинаковый количественный и качественный состав, но разное строение, и, следовательно, разные свойства.

C2H6O: CH3CH2OH – этиловый спирт и CH3OCH3 – диметиловый эфир

C3H6 – пропен и циклопропан — CH2=CH−CH3

3) Атомы взаимно влияют друг на друга, это следствие различной электроотрицательности атомов, образующих молекулы (O>N>C>H), и эти элементы оказывают различное влияние на смещение общих электронных пар.

4) По строению молекулы органического вещества можно предсказать его свойства, а по свойствам – определить строение.

Дальнейшее развитие ТСОС получила после установления строения атома, принятия концепции о типах химических связей, о видах гибридизации, открытие явления пространственной изомерии (стереохимия).

Химическое строение как порядок соединения атомов в молекулы по валентности

В отличие от неорганических веществ органические вещества имеют ряд характерных особенностей:

1) атомы углерода способны соединяться друг с другом;

2) образуют цепи и кольца, что не так типично для неорганических соединений.

Это одна из причин многообразия органических соединений;

3) одной из важных особенностей органических соединений, которая накладывает отпечаток на все их химические свойства, является характер связей между атомами в их молекулах.

Эти связи имеют ярко выраженный ковалентный характер. Органические вещества в большинстве неэлектролиты, не диссоциируют в растворах на ионы и сравнительно медленно взаимодействуют друг с другом. Время, необходимое для завершения реакций между органическими веществами, измеряется часами, а иногда и днями.

4) важной особенностью органических соединений является и то, что среди них широко распространено явление изомерии;

5) имеется множество соединений углерода, которые обладают одинаковым качественным и количественным составом и одинаковой молекулярной массой, но совершенно различными физическими и даже химическими свойствами;

6) многие органические соединения являются непосредственными носителями, участниками или продуктами процессов, которые протекают в живых организмах, – ферменты, гормоны, витамины.

Особенности атома углерода объясняются его строением:

1) он имеет четыре валентных электрона;

2) атомы углерода образуют с другими атомами, а также друг с другом общие электронные пары.

При этом на внешнем уровне каждого атома углерода будет восемь электронов (октет), четыре из которых одновременно принадлежат другим атомам.

В органической химии обычно пользуются структурными формулами, поскольку атомы имеют пространственное расположение в молекуле.

Структурные формулы– это язык органической химии.

В структурных формулах ковалентная связь обозначается черточкой. Как и в структурных формулах неорганических веществ, каждая черточка означает общую электронную пару, связывающую атомы в молекуле.

Используются также эмпирическиеи электронные формулы.

«Типы связей в молекулах органических веществ»

Основными положениями теории строения органических соединений являются:

• атомы в молекулах соединены между собой в определенном порядке химическими связями согласно их валентности (углерод всегда в органических соединениях четырехвалентен).
• свойства соединения определяются строением, взаимном влиянием атомов, связанных и несвязанных атомов;
• строение может быть изучено на основе химических свойств.

Каждое органическое соединение должно иметь только одну химическую формулу, которая отражает ее строение.

Тут следует сказать об изомерии: существование веществ с одинаковым молекулярным составом, но обладающих различными свойствами.

Структурная формула – это изображение химических связей между атомами в молекуле с учетом их валентности.

Органических соединений на Земле очень много.

В основном, они находятся в комплексных соединениях, редко встречаются в естественном виде (хлопок – это чистая целлюлоза, камни в желчном пузыре – холестерин).

Органические соединения используют в качестве производства тканей, в качестве пищи для живых существ.

В современном мире ничто не обходится без синтетических высокомолекулярных веществ, которые используют в самых разных областях промышлености.

Органические соединения являются ключевыми компонентами лекарственных средств и биологически активных веществ.