ЧЕРТЕЖИ АТОМНЫХ ПОСТРОЕК


ЧЕРТЕЖИ АТОМНЫХ ПОСТРОЕК

Язык химических формул имеет огромное значение в науке. Ой позволяет кратко и наглядно, в одной строчке изобразить то, что потребовало бы многих страниц для объяснения словами. Изображения эти одинаково понятны химикам всех стран и народов.

В неорганической химии ученые имеют дело с веществами, построенными сравнительно просто; в формулах, как правило, чтобы получить представление о химических особенностях вещества, достаточно отметить количественное соотношение элементов, входящих в соединение (например, формула Н25 04 показывает, что речь идет о серной кислоте).

Не так обстоит дело в органической химии, где, как теперь мы знаем, вещество необходимо характеризовать не только количеством атомов углерода, водорода, кислорода и других элементов, вошедших в молекулу, но и взаимным расположением атомов и тем, каким образом они

Изомеры — даметиловый эфир и винный спирт. Разное строение молекул этих веществ определяет их различные физические свойства.

связаны друг с другом. Формулы, которыми пользуются в неорганической химии, для органической химии недостаточны. Под одинаковой формулой может скрываться несколько разных веществ с совершенно различными свойствами. Диметиловый эфир и этиловый (винный) спирт, например, выразятся одной и той же количественной формулой — С2Н60.

Такие вещества, одинаковые по-составу, но разные по свойствам, называются изомерами.

Первая пара изомеров была открыта в 1823 году. В дальнейшем обнаруживались все новые и новые вещества, одинаковые по составу, но разные по свойствам.

В первой половине прошлого столетия химики, изучая сложные тела, узнавали, из каких атомов они состоят и сколько каких атомов входит в состав тела. Это был путь от сложного к простому. Но как построить из простого сложное?

В чем же причина удивительного явления изомерии? Как из атомных «кирпичиков» строятся различные молекулы?

Все эти загадочные вопросы разрешила теория химического строения органических соединений русского ученого Александра Михайловича Бутлерова (1828—1886). Русский химик опроверг взгляды некоторых химиков, писавших в своих трудах о том, что наука никогда не даст ответа на вопрос, каким образом сгруппированы атомы в молекулах.

Теория Бутлерова необычайно расширила власть человечества над природой, она раскрыла тайну строения множества веществ и дала ключ к их синтезу, то есть к искусственному изготовлению сложных органических веществ.

Создатель новой теории показал, как можно выразить формулами химическое строение молекул органического вещества и связь атомов в молекуле.

Два года излагал Бутлеров свою теорию студентам на лекциях в Казанском университете, одновременно проверяя ее опытами в лаборатории.

В феврале 1858 года русский ученый принял участие в заседании Парижского химического общества, на котором выступил с докладом.

Год спустя Бутлеров подверг критике господствовавшее тогда учение Жерара и призывал «идти дальше Жерара».

19 сентября 1861 года Бутлеров выступил на 36-м собрании немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере с докладом «О химическом строении веществ».

В этом докладе он подробно изложил свою теорию.

А М. Бутлеров докладывает на съезде химиков о своей теории строения вещества.

Изомеры — бутан и изобутан.

Он говорил: «Заключение о химическом строении веществ, по всей вероятности, можно всего лучше будет основывать на изучении способов их синтетического образования... С другой стороны, впрочем, и аналитические реакции также могут служить для определения химического строения».

На его докладе присутствовали видные химики. Здесь никто из присутствующих не оценил тогда того нового, что внес в науку А. М. Бутлеров своей теорией. После возвращения в Казань Бутлеров в 1863 году печатает статью «О различных способах объяснений некоторых случаев изомерии». В этой статье, критикуя взгляды немецкого ученого А. Кекуле, он писал:

«С мнением Кекуле, что положение атомов в пространстве нельзя представить на плоскости бумаги, едва ли можно согласиться; ведь выражается же положение точек в пространстве математическими формулами, и следует,- конечно, надеяться, что законы, которые управляют образованием и существованием химических соединений, найдут свое математическое выражение».

Эти строки показывают нам, как Бутлеров заглядывал вперед, предугадывая и предвещая новую фазу развития химии — стереохимию, которая вскоре действительно была создана.

* * *

Сравнительно легко сделать анализ вещества, определить, из чего оно построено. Значительно сложнее искусственно построить вещество, осуществить синтез. Здесь уже мало поможет одно только знание того, из каких атомов оно состоит, — надо знать и то, как эти атомы сложены в молекуле.

Именно’ «проект» атомных и молекулярных построек должен иметь химик, прежде чем он приступит к созданию нового вещества.

Если он не будет знать формы сочетания атомов, если он не будет знать связующей силы «цемента» каждого атома в данном сочетании, или, как говорят ученые, силы химического сродства, он не построит нового вещества. На все эти вопросы дала ответ теория химического строения, открывшая новую эру в развитии мировой науки.

В 1864—1866 годах Бутлеров издает учебник «Введение, к полному изучению органической химии», в котором вся органическая химия бьхла изложена в соответствии с теорией химического строения.

Молекулы соляной кислоты и 'воды.

Эта книга в 1867 — 1868 годах вышла в Германии в переводе на немецкий язык. О необходимости такого перевода писал из-за границы ученик Бутлерова Б. В. Марковни-ков. Он указал, цтр в течение двухлетнего пребывания ерр в Германии многие известные химики задавали ему такие вопросы, которые Бутлеров давно освещал казанским студентам на лекциях в своем элементарном курсе органической химии.

В 1865 году А. Кекуле в статье «Об ароматических соединениях» предложил формулу бензола, явившуюся в результате дальнейшего развития теории А. М. Бутлерова.

Величайшая заслуга Бутлерова перед наукой всего мира заключается в том, что он дал в руки ученых оружие, с помощью которого стало возможным строить вещества по заранее разработанному плану, производить такие постройки из невидимых атомов, которые были совершенно немыслимы до этого.

Можно ручаться за возможность синтетического получения каждого органического вещества, химическое строение которого изучено, писал Бутлеров еще в 1864 году. Будущее подтвердило это. Структурные формулы для химиков так же необходимы, как проект для строителя дома, — это их «чертежи», схематически изображающие строение вещества. Такие «чертежи»-формулы мы сейчас находим в любом учебнике.

Созданная Бутлеровым теория химического строения имеет большое практическое и теоретическое значение.

Он сам применял ее при решении проблем органического синтеза. Работы Бутлерова по синтезу новых веществ принесли ему славу одного из крупнейших химиков-синтетиков.

Синтезы, осуществленные Бутлеровым, вошли в историю химии как крупные достижения этой науки.

В 1860 году Бутлеров открыл способ искусственного получения широко известного сейчас лекарства — уротропина.

На основе своей теории химического строения Бутлеров синтезировал новое вещество — изобутилен.

Изучая изобутилен, ученый открыл, что он полимеризуется при воздействии серной кислоты. Этим своим' замечательным исследованием Бутлеров цроложил путь химии высокомолекулярных соединений, химии больших молекул.

Александр Михайлович .Бутлеров

❖ * *

Замечательным теоретиком и блестящим экспериментатором бутле-ровской цщрды был Владимир Васильевич Марковников. В 1869 году он развил идеи Бутлерову о взаимном влиянии атомов в химических соединениях.

Владимир Васильевич Марковников.

Возьмем молекулы основных типов водородистых соединений: соляную кислоту, воду, аммиак, метан.

Атомы водорода всюду как будто одинаковы, но в каждой молекуле они обладают совершенно различным химическим характером. В молекуле соляной кислоты атом водорода под влиянием хлора приобретает кислотный характер. В химических реакциях он легко замещается металлом. В молекуле воды атомы водорода связаны с кислородом и имеют уже другой характер: они могут замещаться такими активными металлами, как натрий или калий.

В молекуле аммиака, где водород находится под влиянием атома азота, свойство замещаться металлом почти пропадает. Наконец водородные атомы в молекуле метана прямо не замещаются металлами, но приобретают новую способность — замещаться хлором. В этом поведении атомов имеется определенная закономерность.

Современная наука объяснила физическую сущность этой законог мерности. В молекулах соляной кислоты и воды атомы водорода отдают свои электроны хлору и кислороду и превращаются в ионы, теряют свою нейтральность. В молекулах аммиака и метана связь между атомами, как мы теперь уже знаем, не ионная.

Электроны атомов водорода объединяются с внешними электронами атомов азота и углерода. Водородные атомы в аммиаке и метане остаются нейтральными. В аммиаке они могут лишь в специальных условиях замещаться металлами, в метане же они не способны к таким замещениям.

Оказалось, что на свойства отдельных атомов в молекулах влияют прежде всего те атомы, с которыми они связаны непосредственно. В меньт шей стейени могут влиять атомы, связанные друг с другом через посредство других атомов. Марковников доказал правильность высказанной ранее Бутлеровым идеи о том, что при соединении двух атомов их свойства в сложном веществе изменяются под взаимным воздействием. Речь идет не о простом сложении двух или нескольких неизменных величин, а о взаимном влиянии атомов, распространяющемся даже на такие атомы, которые непосредственно не связаны друг с другом. Зная это влияние, можно заранее предсказать, как будут вести себя в различных случаях составные части молекул.

Работы В. В. Марковникова — важный этап в развитии органической химии. Они помогают химикам предвидеть направление химических реакций.

В своей диссертации «Материалы по вопросу о взаимном влиянии атомов в химических соединениях» Марковников сформулировал ряд правил. Правила эти дают возможность предвидеть, какие соединения получатся в том или ином случае в результате химической реакции.

Молекулы метач& и аммиака.



Истории, рассказы о русской науке и технике, Болховиттинов В. 1957