Täpselt nagu mitte orgaaniline keemia põhiline teoreetiline alus on D. I. Mendelejevi perioodiline seadus ja keemiliste elementide perioodiline tabel, seega orgaanilises keemias on juhtivaks teaduslikuks aluseks orgaaniliste ühendite struktuuri teooria Butlerov-Kekule-Cooper.

Nagu iga teinegi teadusteooria, oli ka orgaaniliste ühendite struktuuri teooria orgaanilise keemia kogunenud rikkaliku faktimaterjali üldistamise tulemus, mis kujunes teadusena välja 19. sajandi alguses. Avastati üha uusi süsinikuühendeid, mille arv kasvas nagu laviin (tabel 1).

Tabel 1
Erinevatel aastatel teadaolevate orgaaniliste ühendite arv

Selle orgaaniliste ühendite mitmekesisuse selgitamiseks on 19. sajandi alguse teadlased. ei saanud. Isomeeria nähtus tekitas veelgi rohkem küsimusi.

Näiteks on etüülalkohol ja dimetüüleeter isomeerid: neil ainetel on sama koostis C2H6O, kuid erinev struktuur, see tähendab aatomite ühendamise erinev järjestus molekulides ja seetõttu erinevad omadused.

Teile juba tuntud F. Wöhler kirjeldas ühes oma kirjas J. Ya. Berzeliusele orgaanilist keemiat järgmiselt: „Orgaaniline keemia võib nüüd kedagi hulluks ajada. Mulle tundub see nagu tihe mets, täis hämmastavaid asju, lõputu tihnik, millest välja ei saa, kuhu ei julge sisse astuda ... "

Keemia arengut mõjutas suuresti inglise teadlase E. Franklandi töö, kes aatomismi ideedele toetudes tutvustas valentsi mõistet (1853).

Vesiniku molekulis H2 moodustub üks kovalentne kemikaal suhtlus H-Hsee tähendab, et vesinik on ühevalentne. Keemilise elemendi valentsust saab väljendada vesinikuaatomite arvuga, mis on kinnitatud või asendatud ühe keemilise elemendi aatomiga. Näiteks väävel vesiniksulfiidis ja hapnik vees on kahevalentsed: H2S või H-S-H, H2O või H-O-H ja lämmastik ammoniaagis on kolmevalentne:

Orgaanilises keemias on mõiste "valents" analoogne mõistega "oksüdatsiooniaste", millega olete harjunud kursusel töötama anorgaaniline keemia põhikoolis. Kuid need pole sama asi. Näiteks lämmastiku molekulis N 2 on lämmastiku oksüdatsiooniaste null ja valents kolm:

Vesinikperoksiidis H 2 O 2 on hapniku oksüdatsiooniaste -1 ja valents on kaks:

Ammooniumioonis NH + 4 on lämmastiku oksüdatsiooniaste -3 ja valents on neli:

Tavaliselt ei kasutata ioonsete ühendite (naatriumkloriid NaCl ja paljude teiste anorgaaniliste ühenditega ioonsidemetega) terminit aatomite valents ", kuid peetakse silmas nende oksüdatsiooniastet. Seetõttu on anorgaanilises keemias, kus enamikul ainetel on mittemolekulaarne struktuur, eelistatav kasutada mõistet "oksüdatsiooniaste" ja orgaanilises keemias, kus enamikul ühenditel on molekulaarne struktuur, reeglina mõiste " valents "kasutatakse.

Teooria keemiline struktuur - kolme Euroopa riigi silmapaistvate orgaaniliste teadlaste ideede üldistamise tulemus: sakslane F. Kekule, inglane A. Cooper ja venelane A. Butlerov.

1857. aastal klassifitseeris F. Kekulé süsiniku neljavalentseks elemendiks ja 1858. aastal märkis ta samaaegselt A. Cooperiga, et süsinikuaatomid on võimelised omavahel ühenduma erinevates ahelates: lineaarsed, hargnenud ja suletud (tsüklilised).

Arenduse aluseks olid F. Kekule ja A. Cooperi teosed teaduslik teooriaselgitades isomeeria nähtust, seost orgaaniliste ühendite molekulide koostise, struktuuri ja omaduste vahel. Selle teooria lõi vene teadlane A.M. Butlerov. Just tema uudishimulik mõistus "julges tungida" orgaanilise keemia "tihedasse metsa" ja hakkas seda "piiritut võsa" üleujutatuks muutma päikesevalgus tavaline park koos radade ja alleede süsteemiga. Selle teooria põhiideed väljendas A. M. Butlerov esmakordselt 1861. aastal Saksamaa loodusteadlaste ja arstide kongressil Speyeri linnas.

Sõnastage orgaaniliste ühendite Butlerov-Kekule-Cooperi struktuuri teooria peamised sätted ja tagajärjed lühidalt järgmiselt.

1. Ainete molekulides olevad aatomid on seotud teatud järjestuses vastavalt nende valentsile. Orgaanilistes ühendites sisalduv süsinik on alati neljavalentne ja selle aatomid on võimelised omavahel ühendatud, moodustades erinevaid ahelaid (hargnemata, hargnenud ja tsüklilisi).

Orgaanilisi ühendeid saab paigutada koostisega, struktuuri ja omadustega sarnaste aineridadena - homoloogsed read.

    Butlerov Aleksander Mihhailovitš (1828–1886), Vene keemik, Kaasani ülikooli professor (1857-1868), 1869-1885 - Peterburi ülikooli professor. Peterburi Teaduste Akadeemia akadeemik (alates 1874). Orgaaniliste ühendite keemilise struktuuri teooria looja (1861). Ennustas ja uuris paljude orgaaniliste ühendite isomeeriat. Ta sünteesis palju aineid.

Näiteks on CH4 metaan küllastunud süsivesinike (alkaanide) homoloogse rühma esivanem. Selle lähim homoloog on etaan C2H6 või CH3-CH3. Järgmised kaks metaani homoloogse seeria liiget on propaan C3H8 või CH3-CH2-CH3 ja butaan C4H10 või CH3-CH2-CH2-CH3 jne.

On lihtne mõista, et homoloogiliste seeriate jaoks võib tuletada sarja üldise valemi. Nii, alkaanide jaoks see üldvalem CnH2n + 2.

2. Ainete omadused sõltuvad mitte ainult nende kvalitatiivsest ja kvantitatiivsest koostisest, vaid ka nende molekulide struktuurist.

See orgaaniliste ühendite struktuuri teooria seisukoht selgitab isomeeria nähtust. On ilmne, et C4H10-butaani puhul on lisaks hargnemata struktuuri CH3-CH2-CH2-CH3 molekulile võimalik ka hargnenud struktuur:

See on täiesti uus aine, millel on oma individuaalsed omadused, mis erinevad lineaarsest butaanist.

Butaani, mille molekulis on aatomid paigutatud lineaarsesse ahelasse, nimetatakse normaalseks butaaniks (n-butaaniks) ja butaani, mille süsinikuahel on hargnenud, isobutaaniks.

Isomeerial on kaks peamist tüüpi - struktuurne ja ruumiline.

Vastavalt aktsepteeritud klassifikatsioonile eristatakse kolme tüüpi struktuurilist isomeeriat.

Süsiniku skeleti isomeeria. Ühendid erinevad süsinik-süsinik sidemete järjestuse järjekorras, näiteks vaadeldavad n-butaan ja isobutaan. Alkaanidele on iseloomulik just seda tüüpi isomeeria.

Mitmekordse sideme (C \u003d C, C \u003d C) või funktsionaalse rühma (s.o aatomite rühma, mis määrab ühendi kuuluvuse ühte või teise orgaaniliste ühendite klassi) positsiooni isomeeria, näiteks:

Klassidevaheline isomeeria... Seda tüüpi isomeersed isomeerid kuuluvad erinevatesse orgaaniliste ühendite klassidesse, näiteks ülalnimetatud etüülalkohol (küllastunud monohüdroksüülsete alkoholide klass) ja dimetüüleeter (eetrite klass).

Ruumilist isomeeriat on kahte tüüpi: geomeetriline ja optiline.

Geomeetriline isomeeria on iseloomulik kõigepealt kahekordse süsinik-süsinik sidemega ühenditele, kuna sellise sideme kohas on molekulil tasapinnaline struktuur (joonis 6).

Joonis: 6.
Etüleeni molekuli mudel

Näiteks kui buteen-2 puhul on kaksiksidemega süsinikuaatomitel samad aatomirühmad ühel küljel C \u003d C-sideme tasapinnal, siis on molekul cis-isomeer, kui vastaskülgedel on trans-isomeer.

Optilist isomeeriat omavad näiteks ained, mille molekulidel on asümmeetriline või kiraalne süsinikuaatom, mis on seotud nelja erinevad asetäitjad. Optilised isomeerid on üksteise peegelpildid, nagu kaks peopesa, ja ei ühildu. (Nüüd on ilmselgelt teile selle isomeeriatüübi teine \u200b\u200bnimi selgeks saanud: kreeka chiros - käsi - asümmeetrilise kujundi proov.) Näiteks on kahe optilise isomeeri kujul 2-hüdroksüpropano ( ) hape, mis sisaldab ühte asümmeetrilist süsinikuaatomit.

Isomeersed paarid tekivad kiraalsetes molekulides, milles isomeermolekulid on oma ruumilises korralduses üksteisega seotud samamoodi nagu objekt ja selle peegelpilt üksteisega. Selliste isomeeride paaril on alati sama kemikaal ja füüsikalised omadusedvälja arvatud optiline aktiivsus: kui üks isomeer pöörleb tasapinda polariseeritud valgus päripäeva, siis on teine \u200b\u200btingimata vastupidine. Esimest isomeeri nimetatakse dekstrotatoorseks ja teist levorotatoorseks.

Optilise isomeeria tähtsus meie planeedi elukorralduses on väga suur, kuna optilised isomeerid võivad oluliselt erineda nii oma bioloogilise aktiivsuse kui ka ühilduvuse osas teiste looduslike ühenditega.

3. Ainete molekulides olevad aatomid mõjutavad üksteist. Kursuse edasisel uurimisel kaalute aatomite vastastikust mõju orgaaniliste ühendite molekulides.

Orgaaniliste ühendite struktuuri tänapäevane teooria ei põhine ainete keemilisel, vaid ka elektroonilisel ja ruumilisel struktuuril, mida käsitletakse üksikasjalikult profiili tase õppides keemiat.

Orgaanilises keemias kasutatakse laialdaselt mitut tüüpi keemilisi valemeid.

Molekulaarne valem peegeldab ühendi kvalitatiivset koostist, see tähendab, et see näitab iga keemilise elemendi aatomite arvu, mis moodustavad aine molekuli. Näiteks on propaani molekulaarne valem C3H8.

Struktuurivalem kajastab aatomite ühendamise järjekorda molekulis vastavalt nende valentsile. Propaani struktuurivalem on järgmine:

Sageli pole vaja süsiniku- ja vesinikuaatomite keemilisi sidemeid üksikasjalikult kujutada, seetõttu kasutatakse enamasti lühendatud struktuurivalemeid. Propaani puhul on see valem kirjutatud järgmiselt: CH3-CH2-CH3.

Orgaaniliste ühendite molekulide struktuur kajastub kasutades erinevad mudelid... Kõige kuulsamad on volumetrilised (skaala) ja palli-pulgaga mudelid (joonis 7).

Joonis: 7.
Etaani molekuli mudelid:
1 - pall ja kepp; 2 - suuremahuline

Uued sõnad ja mõisted

  1. Isomeeria, isomeerid.
  2. Valentsus.
  3. Keemiline struktuur.
  4. Orgaaniliste ühendite struktuuri teooria.
  5. Homoloogsed seeriad ja homoloogne erinevus.
  6. Molekul- ja struktuurivalemid.
  7. Molekulaarsed mudelid: mahuline (skaala) ja palli ja kepp.

Küsimused ja ülesanded

  1. Mis on valents? Kuidas see erineb oksüdatsiooniastmest? Tooge näiteid ainetest, mille aatomite oksüdatsiooniastme ja valentsi väärtused on arvuliselt ühesugused ja erinevad,
  2. Määrake aatomite valents ja oksüdatsiooniaine ainetes, mille valemid on Cl 2, CO 2, C 2 H 6, C 2 H 4.
  3. Mis on isomeeria; isomeerid?
  4. Mis on homoloogia; homoloogid?
  5. Kuidas isomeeria ja homoloogia alaseid teadmisi kasutades selgitada süsinikuühendite mitmekesisust?
  6. Mida mõeldakse orgaaniliste ühendite molekulide keemilise struktuuri all? Sõnastage struktuuriteooria seisukoht, mis selgitab isomeeride omaduste erinevust, sõnastage struktuuriteooria seisukoht, mis selgitab orgaaniliste ühendite mitmekesisust.
  7. Millise panuse kõik teadlased - keemilise struktuuri teooria rajajad - sellesse teooriasse andsid? Miks mängis Vene keemiku panus selle teooria kujunemisel juhtivat rolli?
  8. Koostise C5H12 kolme isomeeri olemasolu on võimalik. Kirjutage üles nende täielikud ja lühendatud struktuurivalemid,
  9. Punkti lõpus esitatud ainemolekuli mudeli abil (vt joonis 7) moodustage selle molekulaarne ja lühendatud struktuurivalem.
  10. Arvutama massiosa alkaanide homoloogse seeria esimese nelja liikme molekulides sisalduv süsinik.

Struktuuriteooria loomine on Venemaal pole juhus. 19. sajandi kuuekümnendad aastad olid kapitalismi kiire kasvu aastad Venemaal. See esitas omakorda rea \u200b\u200bnõudeid loodusteadusele. Tolleaegsete vene loodusteadlaste D.I. Mendelejevi, I. M. Sečenovi, A. M. Butlerovi jt maailmavaate kujundamisel mängis tohutut rolli revolutsiooniliste demokraatide-materialistide tegevus: A. I. Herzen ja V. G. Belinsky, NG Tšernõševski ja NA Dobrolyubov.

Butlerov võttis neilt materialistlik õpetus ja kriitiline suhtumine kõikidesse teooriatesse. Esimest korda esitasid struktuuriteooria põhiideed, mille AM \u200b\u200bButlerov väljendas oma aruandes "Aine keemilisest struktuurist", mille ta tegi 19. septembril 1861 Speyeris toimunud konverentsil ja mis seejärel lisati tema õpikusse. , mis ilmus Venemaal aastatel 1864-1866. ja seejärel viidi Saksamaal üle saksa keel aastatel 1867-1868

A. M. Butlerovi teooria peamised ideed võib kokku võtta järgmiselt:

1. Kõik aatomid, moodustades orgaanilise aine molekuli, seotakse kindlas järjestuses ja teatud osa keemilisest afiinsusest kulub nende omavahelisele ühendusele.

Süsiniku nelivalentsus ja selle võime moodustada ahelaid sisenes teooriasse koostisosadena. Keemiline afiinsus - valents. Kõik see viis praeguste keemiliste valemite kirjutamiseni, s.t. avatud süsinikuaatomite väärtused, süsinikuaatomite suletud ahel.

2. Keemilisest struktuurist ained sõltuvad selle keemilistest ja füüsikalistest omadustest. See teooria seisukoht selgitas isomeeria nähtust.

3. omaduste uurimine aine võimaldab teil määrata selle struktuuri ja sellest tulenevalt ka omadused.

4. Aatomite keemilised omadused ja aatomirühmad ei muutu ja muutuvad ainult kohalolevate aatomite ja aatomirühmade mõjul, eriti nende vahel, mis on omavahel otseselt seotud.

Butlerovi idee vastastikusest mõjust molekuli aatomid arendas seejärel hiilgavalt välja tema õpilane V. V. Morkovnikov.

A.M. Butlerovi suurim teene koosneb mitte ainult tohutu hulga faktimaterjali üldistamisest ja arenenud ideede edendamisest, vaid ka tema loodud struktuuriteooria hiilgavast eksperimentaalsest tõestusest. Oma struktuuriteooria põhjal ennustas L.M. Butlerov täiesti tundmatute ühendite ja isegi klasside (näiteks tertsiaarsete alkoholide) olemasolu ja suutis need siis sünteesida.

Nagu D.I. Mendelejev, lähtudes oma perioodilisest süsteemist, ennustas ta tundmatuid elemente ning A. M. Butlerov, lähtudes struktuuriteooriast, ennustas uute ainete olemasolu võimalust ja sünteesis need ise.


A.M. Butlerov esimest korda väljendas ideed aatomite paigutusest mitte tasapinnal, vaid ruumis ja oli ruumilise isomeeria idee rajaja.

Ta uuris keemilist molekuli mitte millegi surnuna, vaid pidevas liikumises. See idee viis L.M.Butlerovi ideele "vastupidine isomeeria", s.t. tegelikult oli ta nn tautomerismi idee rajaja. A.M.Butlerovi teooria loomisest on möödunud üle saja aasta, kuid nüüd kasutavad seda kõik orgaanilised keemikud sama edukalt.

Hiljem määras K. Schorlemmer 1880. aastal orgaanilist keemiat kui "süsivesinike ja nende derivaatide keemiat", soovis ta sellega rõhutada:

1 Süsiniku võime moodustada C - C aatomite ahelaid.

2 Vesiniku esinemine enamikus orgaanilistes molekulides.

Orgaaniline keemia - keemia osa, mis uurib süsinikuühendeid, nende struktuuri, omadusi, vastastikust teisendamist.

Distsipliini nimi - "orgaaniline keemia" - tekkis juba ammu. Selle põhjus seisneb selles, et enamik süsinikuühendeid, millega teadlased keemiateaduse kujunemise algstaadiumis kokku puutusid, olid taimse või loomse päritoluga. Erandina klassifitseeritakse teatavad süsinikuühendid anorgaanilisteks. Niisiis peetakse anorgaanilisteks aineteks näiteks süsinikoksiide, süsihapet, karbonaate, süsivesinikke, vesiniktsüaniidi ja mõnda muud.

Praegu veidi alla 30 miljoni erineva orgaaniline aine ja see nimekiri täieneb pidevalt. Nii suur hulk orgaanilisi ühendeid on seotud peamiselt järgmiste süsiniku omadustega:

1) süsinikuaatomid võivad omavahel ühenduda meelevaldse pikkusega ahelates;

2) on võimalik mitte ainult süsinikuaatomite järjestikune (lineaarne) ühendamine üksteisega, vaid ka hargnenud ja isegi tsükliline;

3) süsinikuaatomite vahel on võimalik erinevat tüüpi sidemed, nimelt ühe-, kahe- ja kolmekordsed sidemed. Sel juhul on orgaaniliste ühendite süsiniku valents alati neli.

Lisaks hõlbustab laia valikut orgaanilisi ühendeid ka asjaolu, et süsinikuaatomid on võimelised moodustama sidemeid paljude teiste keemiliste elementide, näiteks vesiniku, hapniku, lämmastiku, fosfori, väävli ja halogeenide aatomitega. Samal ajal leidub kõige sagedamini vesinikku, hapnikku ja lämmastikku.

Tuleb märkida, et üsna pikka aega on orgaaniline keemia olnud teadlaste jaoks "tume mets". Mõnda aega oli teaduses koguni populaarne vitalismi teooria, mille kohaselt ei saa orgaanilisi aineid saada "kunstliku" meetodi abil, s.t. väljaspool elavat ainet. Vitalismiteooria ei kestnud siiski kuigi kaua, kuna avastati ükshaaval ained, mille süntees on võimalik väljaspool elusorganisme.

Teadlasi hämmastas asjaolu, et paljudel orgaanilistel ainetel on sama kvalitatiivne ja kvantitatiivne koostis, kuid neil on sageli täiesti erinevad füüsikalised ja keemilised omadused. Nii et näiteks dimetüüleetril ja etüülalkoholil on täpselt sama elementaarne koostis, kuid tavalistes tingimustes on dimetüüleeter gaas ja etüülalkohol on vedelik. Lisaks ei reageeri dimetüüleeter naatriumiga, kuid etüülalkohol suhtleb sellega, eraldades gaasilist vesinikku.

19. sajandi teadlased esitasid palju oletusi orgaanilise aine paigutuse kohta. Sisuliselt oluliste eelduste esitas saksa teadlane FA Kekule, kes esitas esimesena idee, et erinevate keemiliste elementide aatomitel on spetsiifilised valentsväärtused ning orgaaniliste ühendite süsinikuaatomid on neljavalentsed ja suudavad omavahel kombineeruda muud ahelate moodustamiseks. Hiljem töötas vene teadlane Aleksander Mihhailovitš Butlerov Kekule eelduste põhjal välja orgaaniliste ühendite struktuuri teooria, mis pole meie aja jooksul aktuaalsust kaotanud. Mõelge selle teooria peamistele sätetele:

1) kõik orgaaniliste ainete molekulides olevad aatomid on omavahel ühendatud vastavalt nende valentsile teatud järjestuses. Süsiniku aatomitel on püsiv valents neli ja nad võivad moodustada üksteisega erineva struktuuriga ahelaid;

2) füüsiline ja keemilised omadused mis tahes orgaaniline aine sõltub mitte ainult selle molekulide koostisest, vaid ka selle molekuli aatomite ühendamise järjekorrast;

3) üksikud aatomid, samuti molekuli aatomirühmad, mõjutavad üksteist. See vastastikune mõju kajastub ühendite füüsikalistes ja keemilistes omadustes;

4) uurides orgaanilise ühendi füüsikalisi ja keemilisi omadusi, saate kindlaks teha selle struktuuri. Samuti on vastupidi - teades konkreetse aine molekuli struktuuri, saate ennustada selle omadusi.

Sarnane, kuidas perioodiline seadus D.I. Mendelevist sai anorgaanilise keemia teaduslik alus, orgaaniliste ainete struktuuri teooria A.M. Butlerovast sai tegelikult alguspunkt orgaanilise keemia kui teaduse kujunemisel. Tuleb märkida, et pärast Butlerovi struktuuriteooria loomist alustas orgaaniline keemia oma arengut väga kiires tempos.

Isomeeria ja homoloogia

Butlerovi teooria teise teesi kohaselt ei sõltu orgaaniliste ainete omadused mitte ainult molekulide kvalitatiivsest ja kvantitatiivsest koostisest, vaid ka nende molekulide aatomite ühendamise järjekorrast.

Sellega seoses on orgaaniliste ainete hulgas laialt levinud selline nähtus nagu isomeeria.

Isomeeria on nähtus, kui erinevatel ainetel on täpselt sama molekulide koostis, s.t. sama molekulivalem.

Väga sageli erinevad isomeerid füüsikaliste ja keemiliste omaduste poolest suuresti. Näiteks:

Isomeeria tüübid

Struktuuriline isomeeria

a) Süsiniku skeleti isomeeria

b) positsiooni isomeeria:

mitmekordne ühendus

asetäitjad:

funktsionaalsed rühmad:

c) klassidevaheline isomeeria:

Klassidevaheline isomeeria tekib siis, kui isomeerideks olevad ühendid kuuluvad erinevatesse orgaaniliste ühendite klassidesse.

Ruumiline isomeeria

Ruumiline isomeeria on nähtus, kui erinevad aatomite üksteisega kinnitumise järjekorras olevad erinevad ained erinevad üksteisest aatomite või aatomirühmade fikseeritud-erineva asukoha järgi ruumis.

Ruumilist isomeeriat on kahte tüüpi - geomeetriline ja optiline. Eksamil ei ole optilise isomeeria ülesandeid, seega kaalume ainult geomeetrilist.

Kui mõne ühendi molekulis on topelt-C \u003d C-side või tsükkel, võib mõnikord sellistel juhtudel esineda geomeetrilise või cis-trans-isomeeria.

Näiteks buteen-2 puhul on selline isomeeria võimalik. Selle tähendus seisneb selles, et süsinikuaatomite vahelisel kaksiksidemel on tegelikult tasapinnaline struktuur ja nende süsinikuaatomite asendajad võivad olla kindlalt kas selle tasapinna kohal või all:

Kui samad asendajad asuvad tasapinna samal küljel, ütlevad nad, et see on nii cis-isomeer ja kui erinevad - transsisomeer.

Sisse struktuurivalemite kujul cis- ja transs-isomeere (näiteks buteen-2) on kujutatud järgmiselt:

Pange tähele, et geomeetriline isomeeria on võimatu, kui vähemalt ühel kaksiksideme süsinikuaatomil on kaks identset asendajat. Näiteks, cis-transisomeeria pole propeeni jaoks võimalik:


Propeenil pole cis-trans-isomeerid, kuna ühes kaksiksideme süsinikuaatomis on kaks identset "asendajat" (vesiniku aatomid)

Nagu näete ülaltoodud jooniselt, kui vahetate metüülradikaali ja teisel süsinikuaatomil asuva vesiniku aatomi positsiooni tasapinna vastaskülgedel, saame sama molekuli, mida vaatasime just teiselt poolt .

Orgaaniliste ühendite molekulides aatomite ja aatomirühmade mõju üksteisele

Mõiste keemiline struktuur kuidas oleks üksteisega ühendatud aatomite järjestust elektroonilise teooria tulekuga oluliselt laiendatud. Selle teooria seisukohalt on võimalik selgitada, kuidas molekuli aatomid ja aatomirühmad üksteist mõjutavad.

Molekuli mõningate osade mõjutamiseks teistele on kaks võimalust:

1) Induktiivne toime

2) Mesomeerne efekt

Induktiivne toime

Selle nähtuse demonstreerimiseks võtke näiteks 1-kloropropaanmolekul (CH3CH2CH2CI). Seos süsiniku ja kloori aatomite vahel on polaarne, kuna klooril on palju suurem elektronegatiivsus kui süsinikul. Elektrooni tiheduse nihkumise tagajärjel süsinikuaatomilt kloori aatomile moodustub süsinikuaatomil osaline positiivne laeng (δ +) ja kloori aatomil osaline negatiivne laeng (δ-):

Elektroni tiheduse muutust ühest aatomist teise näitab sageli nool, mis osutab elektronegatiivsema aatomi poole:

Huvitav on aga see, et lisaks elektronide tiheduse nihkumisele esimeselt süsinikuaatomilt kloori aatomile toimub ka nihe, kuid mõnevõrra vähemal määral teiselt süsinikuaatomilt esimesele, nagu samuti kolmandalt teisele:

Sellist elektroni tiheduse nihet σ-sidemete ahelas nimetatakse induktiivseks efektiks ( Mina). See efekt laguneb mõjutava rühma kaugusega ja praktiliselt ei avaldu pärast 3 σ-sidet.

Juhul, kui aatom või aatomirühm on rohkem elektronegatiivsed kui süsinikuaatomid, on neil asendajatel negatiivne induktiivne toime (- Mina). Seega on ülaltoodud näites kloori aatomil negatiivne induktiivne toime. Lisaks kloorile on negatiivsed induktiivsed mõjud ka järgmistel asendajatel:

–F, –Cl, –Br, –I, –OH, –NH2, –CN, –NO2, –COH, –COOH

Kui aatomi või aatomirühma elektronegatiivsus on väiksem kui süsiniku aatomi elektronegatiivsus, toimub tegelikult elektronide tiheduse ülekandmine sellistest asendajatest süsiniku aatomiteks. Sel juhul öeldakse, et asendajal on positiivne induktiivne toime (+ Mina) (on elektronidoonor).

Niisiis, saadikud + -ga Mina-efekt on küllastunud süsivesinikradikaalid. Samal ajal on tõsidus + Mina-efekt süveneb süsivesinikradikaali pikenedes:

–CH3, –C2H5, –C3H7, –C4H9

Tuleb märkida, et erinevate valentsolekute süsinikuaatomitel on samuti erinev elektronegatiivsus. Sp-hübridiseeritud süsinikuaatomid on rohkem elektronegatiivsed kui sp2-hübridiseeritud süsinikuaatomid, mis omakorda on rohkem elektronegatiivsed kui sp-3-hübridiseeritud süsinikuaatomid.

Mesomeeriline efekt (M)või konjugatsiooniefekt on konjugeeritud π-sidemete süsteemi kaudu edastatud asendaja mõju.

Mesomeerse efekti märk määratakse sama põhimõtte järgi nagu induktiivse efekti märk. Kui asendaja suurendab konjugeeritud süsteemis elektronide tihedust, on sellel positiivne mesomeeriline efekt (+ M) ja on elektronidoonor. Topelt süsinik-süsinik sidemed, jagamata elektronipaari sisaldavad asendajad: -NH2, -OH, halogeenid, omavad positiivset mesomeerset toimet.

Negatiivne mesomeerne toime (- M) omavad asendajad, mis eemaldavad konjugeeritud süsteemist elektronide tiheduse, samal ajal kui elektronide tihedus süsteemis väheneb.

Järgmistel rühmadel on negatiivne mesomeerne toime:

–NO2, –COOH, –S03H, -COH,\u003e C \u003d O

Molekuli mesomeersest ja induktiivsest mõjust tingitud elektrontiheduse ümberjaotamise tõttu ilmnevad mõnel aatomil osalised positiivsed või negatiivsed laengud, mis kajastuvad aine keemilistes omadustes.

Graafiliselt näitab mesomeerset efekti kaarjas nool, mis algab elektroni tiheduse keskelt ja lõpeb seal, kus elektroni tihedus nihkub. Nii tekib näiteks vinüülkloriidi molekulis mesomeerne efekt, kui kloori aatomi üksik elektronpaar on konjugeeritud süsinikuaatomite vahelise π-sideme elektronidega. Seega ilmub selle tagajärjel kloori aatomile osaline positiivne laeng ja liikuva π-elektronpilv elektronpaari mõjul nihutatakse äärmise süsinikuaatomi suunas, millele tekib osaline negatiivne laeng tulemusena:

Kui molekulil on vahelduvad ühe- ja kaksiksidemed, siis väidetavalt sisaldab molekul konjugeeritud π-elektronide süsteemi. Sellise süsteemi huvitav omadus on see, et mesomeerne efekt selles ei nõrgene.

Butlerovi teooria üldtunnustatud põhisätteid peetakse kaasaegse keemia aluseks. Esimesena selgitas iseärasusi teadlane, kes uuris üksikasjalikult aatomite omavaheliste ühenduste olemust.

Eeldused teooria tekkimiseks

Aleksander Butlerovist sai uue teooria rajaja just siis, kui teaduses kogunes palju küsimusi, millele teadlased vastust ei leidnud. Näiteks vajavad selgitused valentsi ja isomeeria nähtusi. Lisaks vaidlesid keemikud edasi selle üle, kuidas õigesti keemilisi valemeid kirjutada. Butlerov selgitas seda küsimust. Ta tõestas, et valemid peaksid peegeldama aine struktuuri.

Lisaks oli mitmeid kontseptsioone, mis olid vastupidised Butlerovi väljendatud seisukohtadele. See oli radikaalide teooria. Selle asutajaks sai Jens Berzelius. Ta väitis, et molekulidel on erilised elemendid - radikaalid, mis lähevad ühest ainest teise. Samuti oli tüüpide teooria. Selle pooldajad uskusid, et kõik keerulised ained on lihtsa derivaadid anorgaanilised ained - vesi, vesinik, ammoniaak jne. Kõik need mõisted olid üksteisega vastuolus. Teadus vajas teooriat, mis paneks kõik oma kohale.

Butlerovi uued ideed

Aleksander Mihhailovitš Butlerov (1828-1886) oli üks oma aja silmapaistvamaid keemikuid. Ta käsitles palju oma teaduse teoreetilisi küsimusi. 1858. aastal esines teadlane ühel Pariisi keemiaseltsi koosolekul. Samal ajal kõlasid Butlerovi teooria põhisätted esimest korda tema huultelt.

Teadlane kasutas oma aruandes uusi termineid, mis kinnistusid hiljem rahvusvahelises teaduses. Näiteks sai temast seoste struktuuri kontseptsiooni autor. Teadlane uskus, et erinevate ainete struktuur võimaldab neid omistada samadele rühmadele (eelkõige on see metaan, kloroform, metüülalkohol jne).

Ainete sünteesi uuring

1861. aastal sõnastati avaldatud aruandes "Aine keemilisest struktuurist" AM Butlerovi keemilise struktuuri teooria peamised sätted. Teadlane kirjeldas üksikasjalikult erinevate reaktsioonide sünteesi ja kasutamise meetodeid. Keemiku üks olulisemaid teese oli tema väide, et igal kemikaalil on üks valem. Selle tähtsus seisneb selles, et see iseloomustab kõiki omadusi ja näitab aatomite seost molekulides.

Butlerovi teooria sätestas ka, et kontrollitavate reaktsioonide abil saab toota uusi aineid. Järgnevatel aastatel tegid kuulus keemik ja tema õpilased selle oletuse tõestamiseks palju katseid. Neil õnnestus sünteesida selliseid uusi aineid nagu isobutüleen ja mõned alkoholid. Oma ajastu jaoks olid need avastused kolossaalse tähendusega, mida saab võrrelda ainult teiste elementide tuvastamise olulisusega Mendelejevi poolt (näiteks ekabor).

Keemia süstematiseerimine

19. sajandil muutsid Butlerovi teooria peamised sätted teadlaste ideed elementidest täielikult. Täpsemalt soovitas teadlane esimesena väita, et molekulid ei ole aatomite kaootiline kuhjumine. Vastupidi, neil on korrastatud struktuur. Aatomid on omavahel ühendatud teatud järjestuses, millest sõltub ka kogu aine olemus.

Oma teooriat arendades tugines Butlerov matemaatilistele põhimõtetele ja seadustele. Selle teaduse abil suutis ta selgitada enamikku kemikaalides toimuvatest protsessidest ja suhetest. Kaasaegsete jaoks oli see tõeline revolutsioon. Fakt oli see, et isegi kui teadlased teadsid mõningaid fakte teatud ainete olemuse kohta, ei saanud nad oma teadmisi selgeks süstematiseeritud pildiks ehitada. Butlerovi struktuuri teooria peamised sätted lahendasid selle probleemi. Nüüd ei olnud keemia mitte hajutatud faktide säästupank, vaid harmooniline süsteem, kus kõik allus rangele matemaatilisele loogikale.

Ainete mitmekesisus

Kuulus Butlerovi teooria pöörab palju tähelepanu isomeeriumile - nähtus, mis koosneb isomeeride olemasolust - molekulmassilt ja aatomkoostiselt võrdsed ained, mis samal ajal erinevad üksteisest aatomite paigutuse ja struktuuri poolest. See omadus selgitab ainete omaduste mitmekesisust looduses.

Butlerov tõestas oma teooriat butaani näitel. Teadlase idee kohaselt oleks looduses pidanud seda ainet olema kahte tüüpi. Kuid teadus teadis sel ajal ainult ühte butaani. Butlerov viis läbi palju katseid ja sai sellest hoolimata uue, koostiselt sarnase, kuid omadustelt erineva aine. Selle nimi oli isobutaan.

Aatomite mõju üksteisele

Butlerov avastas veel ühe olulise mustri. Keemiliste sidemete moodustumisega algab elektronide üleminekuprotsess ühest aatomist teise. Samal ajal muutub nende tihedus. Tekivad elektronipaarid, mis mõjutavad vastloodud aine omadust. Teadlane uuris seda nähtust vesinikkloriidi näitel, kus kloor muudab vesiniksidemete elektrontihedust.

Butlerov ja struktuuriteooria peamised sätted suutsid selgitada ainete muundumise olemust. Edaspidi uurisid avastatud põhimõtet tema järgijad ja õpilased üksikasjalikult. Ainete muutuste mehhanismi mõistmine võimaldas teadlastel mõista, kuidas uusi elemente sünteesida. Nende avastuste eriline tõus algas 19. sajandi lõpus. Siis suutsid Euroopa ja Ameerika teadlased uutes laborites Butlerovi pakutud meetodeid kasutades toota uusi aineid.

Keemilised sidemed

Butlerov uskus, et ainete struktuuri saab uurida keemiliste meetoditega. See seisukoht leidis kinnitust tänu teadlase paljudele edukatele katsetele. Samuti toetas teadlane ideed, et valemid võivad olla õiged ainult siis, kui need kajastavad erinevate aatomite keemiliste sidemete järjekorda. Butlerov on seda oletust aastaid analüüsinud.

Ta eristas kolme tüüpi võlakirju - lihtsaid, topelt- ja kolmekordseid. Teadlasel oli õigus, kuid teaduse edasine areng näitas, et on ka muid keemilisi sidemeid. Eelkõige saavad spetsialistid neid nüüd ka füüsiliste parameetrite abil iseloomustada.

Butlerovi teooria areng

AM Butlerovi uus keemiliste ühendite struktuuri teooria oli oma olemuselt materialistlik. Teadlane teatas esimesena julgelt, et teadlased suudavad uurida aatomite omadusi, millest kõik elemendid on üles ehitatud. Samal ajal pidas Butlerov ise oma teooriat ajutiseks. Ta uskus, et tema järeltulijad peaksid selle välja töötama, kuna see ei selgitanud täielikult mõnda keemiateaduse fakti.

Teadlasel oli õigus. Hiljem arenes Butlerovi teooria kahes suunas. Esimene oli see, et teadus suutis kindlaks määrata mitte ainult ühendamise järjekorra, vaid ka aatomite ruumilise paigutuse molekulis. Nii tekkis stereokeemia. Seda distsipliini hakati üksikasjalikult uurima, Butlerov ise rääkis sellest uuest suunast, kuigi eluajal polnud tal aega seda teoreetilist küsimust uurida.

Teine suund teadlase teooria arengus oli aatomite elektroonilisele struktuurile pühendatud doktriini tekkimine. See pole mitte ainult keemiline, vaid ka füüsiline distsipliin. Lähemalt uuriti aatomite vastastikuse mõju olemust ja selgitati erinevate omaduste avaldumise põhjuseid. Just Butlerovi teooria põhisätted võimaldasid teadlastel sellist edu saavutada.

Orgaanilise keemia arengus oli suurim sündmus 1961. aastal loodud suure vene teadlase A.M. Orgaaniliste ühendite keemilise struktuuri teooria Butlerov.

Enne A.M. Butlerov, peeti võimatuks teada molekuli struktuuri ehk järjekorda keemiline side aatomite vahel. Paljud teadlased eitasid isegi aatomite ja molekulide reaalsust.

OLEN. Butlerov lükkas selle arvamuse ümber. Ta lähtus õigetest materialistlikest ja filosoofilistest ideedest aatomite ja molekulide olemasolu tegelikkuse kohta, võimalusest teada aatomite keemilist sidet molekulis. Ta näitas, et molekuli struktuuri saab empiiriliselt kindlaks teha, uurides aine keemilisi muundumisi. Ja vastupidi, teades molekuli struktuuri, saate tuletada ühendi keemilised omadused.

Keemilise struktuuri teooria selgitab orgaaniliste ühendite mitmekesisust. Selle põhjuseks on neljavalentse süsiniku võime moodustada süsinikuahelaid ja -ringe, kombineeruda teiste elementide aatomitega ning isomeeria esinemine orgaaniliste ühendite keemilises struktuuris. See teooria pani orgaanilise keemia teadusliku aluse ja selgitas selle olulisemaid seadusi. Tema teooria põhiprintsiibid A.M. Butlerov esitas aruandes "Keemilise struktuuri teooriast".

Struktuuriteooria põhisätted on järgmised:

1) molekulides on aatomid omavahel seotud teatud järjestuses vastavalt nende valentsile. Aatomite seondumise järjekorda nimetatakse keemiliseks struktuuriks;

2) aine omadused sõltuvad mitte ainult sellest, milliseid aatomeid ja millises koguses selle molekuli koostis sisaldab, vaid ka järjestusest, milles need on omavahel ühendatud, see tähendab molekuli keemilisest struktuurist ;

3) molekuli moodustavad aatomid või aatomirühmad mõjutavad üksteist vastastikku.

Keemilise struktuuri teoorias suur tähelepanu pöörab tähelepanu aatomite ja aatomirühmade vastastikusele mõjule molekulis.

Keemilised valemid, milles on kujutatud molekulide aatomite ühendamise järjekorda, nimetatakse struktuurivalemiteks või struktuurivalemiteks.

Keemilise struktuuri teooria väärtus A.M. Butlerova:

1) on orgaanilise keemia teoreetilise aluse kõige olulisem osa;

2) olulisuse poolest saab seda võrrelda Perioodiline süsteem elemendid D.I. Mendelejev;

3) see võimaldas süstematiseerida tohutul hulgal praktilisi materjale;

4) võimaldas ette ennustada uute ainete olemasolu, samuti osutada nende valmistamise viisidele.

Keemilise struktuuri teooria on kõigi orgaanilise keemia alaste uurimuste aluseks.

5. Isomeeria. Väikeste perioodide elementide aatomite elektrooniline struktuur.

Orgaaniliste ainete omadused sõltuvad mitte ainult nende koostisest, vaid ka aatomite ühendamise järjekorrast molekulis.

Isomeerid on ained, millel on sama koostis ja sama koostis molaarmass, kuid molekulide struktuur on erinev ja seetõttu on neil erinevad omadused.

Keemilise struktuuri teooria teaduslik tähtsus:

1) süvendab aine mõistmist;

2) näitab teadmiste teed sisemine struktuur molekulid;

3) võimaldab mõista keemias kogunenud fakte; ennustada uute ainete olemasolu ja leida viise nende sünteesiks.

Kõigele sellele aitas teooria suuresti kaasa. edasine areng orgaaniline keemia ja keemiatööstus.

Saksa teadlane A. Kekule väljendas ideed ühendada süsinikuaatomid omavahel ahelas.

Õpetamine elektrooniline struktuur aatomid.

Aatomite elektroonilise struktuuri õpetuse tunnused: 1) võimaldasid mõista aatomite keemilise sideme olemust; 2) selgitada välja aatomite vastastikuse mõju olemus.

Elektronide olek aatomites ja elektronkestade struktuur.

Elektronpilved on kõige suurema tõenäosusega elektroni olemasolu piirkonnad, mis erinevad oma kuju, suuruse, suuna poolest ruumis.

Aatomis vesiniküks elektron moodustab oma liikumises sfäärilise (sfäärilise) kujuga negatiivselt laetud pilve.

S-elektronid on sfäärilise pilve moodustavad elektronid.

Vesiniku aatomil on üks s-elektron.

Aatomis heelium- kaks s-elektroni.

Heeliumi aatomi tunnused: 1) sama kerakujulised pilved; 2) suurim tihedus on südamikust võrdselt kaugel; 3) elektroonilised pilved on ühendatud; 4) moodustavad ühise kahelektroonilise pilve.

Liitiumiaatomi omadused: 1) sellel on kaks elektroonilist kihti; 2) on sfäärilise pilvega, kuid mõõtmetelt palju suurem kui sisemine kaheelektrooniline pilv; 3) teise kihi elektron on tuuma suhtes vähem köitnud kui kaks esimest; 4) teiste aatomite poolt redoksreaktsioonides hõlpsasti kinni haaratud; 5) omab s-elektroni.

Berülliumi aatomi tunnused: 1) neljas elektron - s-elektron; 2) sfääriline pilv on ühendatud kolmanda elektroni pilvega; 3) sisekihis on kaks paaritud s-elektroni ja välimises kaks paaritatud s-elektroni.

Mida rohkem elektronpilved aatomite kombineerimisel kattuvad, seda rohkem energiat vabaneb ja seda tugevam keemiline side.