Другим значимым аспектом теории А. М. Бутлерова стало утверждение, что химическое строение веществ можно установить опытным путём химическими методами и отразить в формуле.
отражены в следующем:
1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определённой последовательности согласно их валентности.
2. Свойства веществ зависят от вида и количества атомов, входящих в состав молекулы, а также от химического строения. Химическое строение определяет взаимное влияние атомов в молекуле.
3. Химическое строение молекулы может быть установлено в результате изучения свойств вещества.
Структуры органических соединений отображаются химическими формулами, в которых показан порядок соединения атомов в молекулах. Такие формулы называют формулами химического строения или структурными формулами.
Структурные формулы отображают только последовательность соединения атомов, но не расположение их в пространстве.
Каждая структурная формула отображает строение одной и той же молекулы пропана, т. к. последовательность соединения атомов в данном случае не изменяется.
Структурные формулы веществ обычно изображают в сокращённом виде `»CH»_3-«CH»_2-«CH»_3`. В сокращённых формулах чёрточки показывают связь атомов углерода друг с другом, но не показывают связи между атомами углерода и водорода. Начиная с бутана возможен различный порядок соединения атомов при одном и том же составе молекулы, т. е. в бутане атомы углерода могут располагаться в виде линейной и разветвлённой цепей.
`»C»-«C»-«C»-«C»`
В первом случае каждый атом углерода соединён с одним (если он концевой) или с двумя (если он находится внутри цепи) соседними атомами углерода; во втором случае – появляется атом углерода, соединённый с тремя соседними атомами углерода. Различному порядку связывания атомов при одном и том же качественном и количественном составе молекулы должны соответствовать разные вещества.
Бутан линейного строения и изобутан различаются температурами кипения.
`»CH»_3-«CH»_2-«CH»_2-«CH»_3`
бутан (т. кип. `-0,5^@»C»`)
изобутан (т. кип. `-11,7^@»C»`)
называют вещества, которые имеют одинаковый состав молекулы, но различное химическое строение.
С увеличением числа атомов углерода в молекуле число возможных изомеров резко возрастает. Различия в химическом строении являются причиной проявления изомерами различных физико-химических свойств.
Теория А. М. Бутлерова завоевала признание. Значение теории химического строения А. М. Бутлерова можно сравнить с Периодическим законом и Периодической системой химических элементов Д. И. Менделеева.
Общую пару электронов иногда обозначают чёрточкой, которая и символизирует внутримолекулярную химическую связь:
Александр Михайлович Бутлеров родился 25 августа 1828 г. в гор. Чистополе, Казанской губернии. В 1849 г. он окончил Казанский университет, где его учителями были выдающиеся русские химики К. К. Клаус и Н. Н. Зинин.
После окончания университета Бутлеров был оставлен при нем для подготовки к профессорскому званию и вскоре нача л чтение лекций по химии. В 1851 г. Бутлеров защитил диссертацию на тему «Об окислении органических соединений» и получил степень магистра, а в 1854 г., после защиты диссертации «Об эфирных маслах», он был утвержден в степени доктора и в том же году избран профессором Казанского университета, в котором и преподавал в течение 20 лет.
В мае 1868 г. совет Петербургского университета по предложению Менделеева избрал Бутлерова ординарным профессором по кафедре органической химии, после чего вся его научная и педагогическая деятельность протекала в Петербурге. В 1871 г. за выдающиеся научные заслуги Бутлеров был избран экстраординарным, а в 1874 г. ординарным академиком.
С первых же шагов своей научной деятельности Бутлеров проявил себя блестящим экспериментатором и осуществил ряд за мечательных синтезов, в частности синтез первого искусственно полученного сахаристого вещества, названного им метиленитаном, и синтез нашедшего широкое применение в медицине уротропина.
Экспериментаторский талант Бутлерова сочетался с широкими теоретическими обобщениями и научным предвидением. Будучи еще сравнительно молодым ученым, Бутлеров высказывает глубокие и смелые идеи в области теоретической химии, например в вопросе о выражении формулами строения молекул и связи атомов в них. В то время как многие химики считали, что наука никогда не проникнет вглубь строения молекулы, Бутлеров был убежден в возможности выразить формулами строение молекул органических соединений и притом сделать это путем изучения их химических превращений.
В 1861 году во время заграничной командировки Бутлеров выступает на съезде германских естествоиспытателей и врачей с докладом «О химическом строении веществ», создавшим новую эпоху в химии органических соединений. Вернувшись в Казань, он детально развивает новое учение и для подтверждения своих теоретических положений приступает к обширным экспериментальным исследованиям, проводимым как им лично, так я его многочисленными учениками. Эти работы Бутлерова не только привели к ряду новых, важных синтезов, но и подтвердили созданную им теорию, которая под названием теории химического строения стала руководящей теорией органической химии.
Бутлеров
Сущность теории Бутлерова заключается в утверждении, что свойства веществ определяются не только их качественным и количественным составом, как считали раньше, но и внутренним устройством молекул, определенным порядком соединения между собой атомов, образующих молекулу. Это внутреннее устройство Бутлеров называл «химическим строением».
В 1862—1863 гг. Бутлеров пишет свой замечательный труд «Введение к полному изучению органической химии», в котором располагает весь фактический материал орг анической химии на основе строго научной классификации, вытекающей из теории химического строения. По силе мысли, научной глубине, ясности формы и насыщенности новыми идеями «Введение» Бутлерова подобно «Основам химии» Менделеева. Принятая в этой книге классификация органических соединений сохранилась в своих главных чертах до наших дней.
Бутлеров воспитал блестящую плеяду учеников, продолжавших развивать его идеи. Из его школы вышли такие выдающиеся ученые, как В. В. Марковников, А. Е. Фаворский и многие другие.
Значение трудов Бутлерова и его выдающуюся роль в развитии науки прекрасно охарактеризовал Менделеев в своем представлении Бутлерова на занятие кафедры органической химии в Петербургском университете. «А. М. Бутлеров — ординарный профессор Казанского университета, один из замечательнейших русских ученых. Он русский и по ученому образованию, и по оригинальности своих трудов. Ученик знаменитого нашего академика Н. Н. Зинина, он сделался химиком не в чужих краях, а в Казани, где и продолжает развивать самостоятельную химическую школу. Направление ученых трудов Александра Михайловича не составляет продолжения или развития идей его предшественников, но принадлежит ему самому. В химии существует бутлеровская школа, бутлеровское направление».
Учение Бутлерова о химическом строении молекул составляет теоретическую основу органической химии. Оно дает возможность химику ориентироваться в огромном разнообразии соединений углерода, определять строение молекул на основании изучения их химических свойств, предугадывать свойства веществ по строению молекул, намечать пути синтеза нужных веществ.
Со времени создания теории химического строения прошло более 90 лет, однако основные положения этой теории с течением времени не только не утратили свою силу, но, наоборот, еще более укрепились и углубились. В частности, современные данные об электронном строении молекул полностью подтвердили все выводы, полученные на основе бутлеровского учения. Вместе с тем был раскрыт и физический смысл «черточек валентности» как пар электронов, общих двум связуемым атомам. Это ясно видно из сопоставления структурных формул в их обычном и в электронном выражении.
Применяя обычные структурные формулы, следует всегда помнить, что каждая «черточка валентности», соединяющая два атома, обозначает одну общую пару электронов.
Вы читаете, статья на тему А.М. Бутлеров теория химическое строение
создатель теории химического строения, родоначальник «бутлеровской школы»
Содержание
Биография
Адреса в Санкт-Петербурге
Научный вклад
Основные идеи теории химического строения Бутлеров впервые высказал в 1861. Главные положения своей теории он изложил в докладе «О химическом строении вещества», прочитанном в химической секции Съезда немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере (сентябрь 1861). Основы этой теории сформулированы таким образом:
С этим постулатом прямо или косвенно связаны и все остальные положения классической теории химического строения. Бутлеров намечает путь для определения химического строения и формулирует правила, которыми можно при этом руководствоваться. Предпочтение он отдаёт синтетическим реакциям, проводимым в условиях, когда радикалы, в них участвующие, сохраняют своё химическое строение. Однако Бутлеров предвидит и возможность перегруппировок, полагая, что впоследствии «общие законы» будут выведены и для этих случаев. Оставляя открытым вопрос о предпочтительном виде формул химического строения, Бутлеров высказывался об их смысле: «… когда сделаются известными общие законы зависимости химических свойств тел от их химического строения, то подобная формула будет выражением всех этих свойств» (там же, с. 73-74).
Бутлеров впервые объяснил явление изомерии тем, что изомеры — это соединения, обладающие одинаковым элементарным составом, но различным химическим строением. В свою очередь, зависимость свойств изомеров и вообще органических соединений от их химического строения объясняется существованием в них передающегося вдоль связей «взаимного влияния атомов», в результате которого атомы в зависимости от их структурного окружения приобретают различное «химическое значение». Самим Бутлеровым и особенно его учениками В. В. Марковниковым и А. Н. Поповым это общее положение было конкретизировано в виде многочисленных «правил». Уже в XX в. эти правила, как и вся концепция взаимного влияния атомов, получили электронную интерпретацию.
Большое значение для становления теории химического строения имело её экспериментальное подтверждение в работах как самого Бутлерова, так и его школы. Он предвидел, а затем и доказал существование позиционной и скелетной изомерии. Получив третичный бутиловый спирт, он сумел расшифровать его строение и доказал (совместно с учениками) наличие у него изомеров. В 1864 Бутлеров предсказал существование двух бутанов и трёх пентанов, а позднее и изобутилена. Чтобы провести идеи теории химического строения через всю органическую химию, Бутлеров издал в 1864-1866 в Казани 3 выпусками «Введение к полному изучению органической химии», 2-е изд. которого вышло в 1867-1868 на немецком языке.
Бутлеров впервые начал на основе теории химического строения систематическое исследование полимеризации, продолженное в России его последователями и увенчавшееся открытием С. В. Лебедевым промышленного способа получения синтетического каучука.
Педагогическая деятельность
Огромная заслуга Бутлерова — создание первой русской школы химиков. Ещё при его жизни ученики Бутлерова по Казанскому университету В. В. Марковников, А. Н. Попов, А. М. Зайцев заняли профессорские кафедры в университетах. Из учеников Бутлерова по Петербургскому университету наиболее известны А. Е. Фаворский, М. Д. Львов и И. Л. Кондаков. В разное время в бутлеровской лаборатории работали практикантами Е. Е. Вагнер, Д. П. Коновалов, Ф. М. Флавицкий, А.И. Базаров, А. А. Каракау и др. видные русские химики. Отличительной чертой Бутлерова как руководителя было то, что он учил примером — студенты всегда могли сами наблюдать, над чем и как работает профессор.
Общественная деятельность
Много сил отнимала у Бутлерова борьба за признание Академией наук заслуг русских учёных. В 1882 в связи с академическими выборами Бутлеров обратился непосредственно к общественному мнению, опубликовав в московской газете «Русь» обличительную статью «Русская или только Императорская Академия наук в Санкт-Петербурге?».
Бутлеров был поборником высшего образования для женщин, участвовал в организации Высших женских курсов в 1878, создал химические лаборатории этих курсов. В Казани и Петербурге Бутлеров прочитал много популярных лекций, главным образом на химико-технические темы.
Кроме химии, Бутлеров много внимания уделял практическим вопросам сельского хозяйства, садоводству, пчеловодству, а позднее также и разведению чая на Кавказе. Был основателем и, первое время, главным редактором «Русского Пчеловодного Листка». С конца 1860-х гг. проявлял интерес к медиумизму — спиритизму.
Память о Бутлерове была увековечена только при Советской власти монументом (открыт в 1953) перед зданием химического факультета МГУ; было осуществлено академическое издание его трудов.
В начале девятнадцатого века среди западных химиков безраздельно господствовала электрохимическая теория Дэви — Берцелиуса. Согласно теории Йенса Берцелиуса (1779—1848), в каждом химическом соединении отличали две его части: одну часть, заряженную электроположительно, другую — электроотрицательно. Соответственно сказанному все элементы Берцелиус располагал в ряд, причем кислород самым электроотрицательным элементом, калий самым электроположительным. Наиболее электроотрицательные элементы Берцелиус назвал металлоидами, наиболее электроположительные — металлами.
В дальнейшем огромным шагом вперед в проблеме развития основных химических понятий явилась так называемая унитарная система, или теория французских химиков, Ш. Жерара и О. Лорана. Наиболее существенной чертой этой теории было последовательное приложение к химическим соединениям нового учения. Лорану и Жерару принадлежит заслуга разграничения понятий о частице, атоме и эквиваленте. Однако наиболее принципиальным вопросом, вызвавшим бурные споры между ведущими химиками Запада, был вопрос о возможности выражать формулами строение химических соединений.
Великий реформатор химии, как иногда называли Шарля Фредерика Жерара (1816—1856), пришел к убеждению, что химические явления начинаются лишь тогда, когда вещество изменяется, т. е. перестает существовать как таковое. Поэтому мы можем знать, как выражался Жерар, только прошедшее и будущее вещества, и, следовательно, химические формулы могут выражать не расположение атомов, а лишь известные аналоги веществ. В соответствии с только что сказанным, по Жерару, для каждого вещества можно написать столько рациональных формул, сколько данное вещество может испытывать различных видов превращений.
В 1858 году известный химик Август Кекуле (1829—1896) делает чрезвычайно важный шаг и распространяет положение о четырехатом-ности углерода на соединения, заключающие в своем составе несколько углеродных атомов, и таким образом приходит к выводу о возможности целесообразного сцепления углеродных атомов во многоуглеродистых соединениях. В дальнейшем это правило сцепления Кекуле распространяет и на случаи соединения углеродных атомов с другими многоатомными элементами, такими, например, как кислород, азот и другие.
Позднее Кекуле подошел вплотную к проблеме строения органических соединений, имея отправным пунктом атомность или валентность элементов, но решительного шага в этом направлении не сделал. Так, в конце своей статьи в 1858 году Кекуле пишет: «В заключение я считаю нужным отметить, что сам я рассуждениям подобного рода придаю лишь второстепенное значение. »
К сказанному следует добавить, что Кекуле еще долгое время остается во власти идей Жерара и в своем известном учебнике органической химии, изданном в 1859—1861 годах, широко пользуется «рациональными» формулами в духе Жерара. И хотя чувствовалось приближение нового периода в развитии химии, но нужен был гений Бутлерова, чтобы совершить прорыв.
Александр Михайлович Бутлеров (1828—1886) родился в Бутлеровке, небольшой деревушке неподалеку от Казани, где находилось имение отца. Матери своей Саша не помнил, она умерла через одиннадцать дней после его рождения. Воспитанный отцом, человеком образованным, Саша хотел во всем походить на него.
Сначала он учился в пансионе, а затем поступил в Первую казанскую гимназию. После ее окончания Саша поступил на естественнонаучное отделение Казанского университета, правда, пока только как слушатель, он был еще несовершеннолетним. Лишь в следующем, 1845 году, когда юноше исполнилось 17 лет, имя Бутлерова появилось в списке принятых на первый курс.
В 1846 году юноша заболел тифом и чудом выжил, а вот заразившийся от него отец скончался. Осенью вместе с тетей они переехали в Казань.
Молодой Бутлеров занимался с исключительным усердием, но, к своему удивлению, заметил, что самое большое удовольствие доставляют ему лекции по химии. Он стал регулярно ходить и на лекции Николая Николаевича Зинина, которые читались для студентов физико-математического отделения.
Чтобы получить ученую степень кандидата, Бутлеров должен был представить диссертацию по окончании университета. К этому времени Зинин уехал из Казани в Петербург, и не оставалось ничего иного, как заняться естественными науками. Для кандидатской работы Бутлеров подготовил статью «Дневные бабочки Волго-Уральской фауны». Однако обстоятельства сложились так, что Александру все-таки пришлось вернуться к химии.
Осенью 1850 года Бутлеров сдал экзамены на ученую степень магистра химии и немедленно приступил к докторской диссертации «Об эфирных маслах», которую защитил в начале следующего года.
4 июня 1854 года Бутлеров получил подтверждение о присуждении ему ученой степени доктора химии и физики. События разворачивались с невероятной быстротой. Сразу же после получения докторской степени Бутлеров был назначен исполняющим обязанности профессора химии Казанского университета. В начале 1857 года он стал уже профессором, а летом того же года получил разрешение на заграничную командировку.
Бутлеров прибыл в Берлин в конце лета. Затем он продолжил поездку по Германии, Швейцарии, Италии и Франции. Конечной целью его путешествия был Париж — мировой центр химической науки того времени. Его влекла, прежде всего, встреча с Адольфом Вюрцем. Бутлеров проработал в лаборатории Вюрца два месяца, именно здесь он начал свои экспериментальные исследования, которые в течение последующих двадцати лет увенчались открытиями десятков новых веществ и реакций. Многочисленные образцовые синтезы Бутлерова — этанола и этилена, динзобутилена, третичных спиртов, уротропина, триоксиме-тилена, полимеризации этиленовых углеводородов — лежат у истоков ряда отраслей промышленности и, таким образом, оказали на нее самое непосредственное стимулирующее влияние.
Занимаясь изучением углеводородов, Бутлеров понял, что они представляют собой совершенно особый класс химических веществ. Анализируя их строение и свойства, ученый заметил, что здесь существует строгая закономерность. Она и легла в основу созданной им теории химического строения.
17 февраля 1858 года Бутлеров сделал доклад в Парижском химическом обществе, где впервые изложил свои теоретические идеи о строении вещества.
Его доклад вызвал всеобщий интерес и оживленные прения:
«Способность атомов соединяться друг с другом различна. Особенно интересен в этом отношении углерод, который, по мнению Августа Кекуле, является четырехвалентным, — говорил в своем докладе Бутлеров — Если представить валентность в виде щупальцев, с помощью которых атомы связываются между собой, нельзя не заметить, что способ связи отражается на свойствах соответствующих соединений».
Подобных мыслей никто до сих пор не высказывал. Может быть, настало время, — продолжал Бутлеров, — когда наши исследования должны стать основой новой теории химического строения веществ. Эта теория будет отличаться точностью математических законов и позволит предвидеть свойства органических соединений».
Через несколько лет, во время второй заграничной командировки, Бутлеров представил на обсуждение созданную им теорию Сообщение он сделал на 36-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере. Съезд состоялся в сентябре 1861 года
Он выступил с докладом перед химической секцией. Тема носила более чем скромное название- «Нечто о химическом строении тел».
В докладе Бутлеров высказывает основные положения своей теории строения органических соединений. Это, прежде всего, определение понятия «химическое строение», которое Бутлеров формулирует следующим образом
«Исходя из мысли, что каждый химический атом, входящий в состав тела, принимает участие в образовании этого последнего и действует здесь определенным количеством принадлежащей ему химической силы (сродства), я называю химическим строением распределение действия этой силы, вследствие которого химические атомы, посредственно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу».
«Это определение Бутлерова настолько глубоко, — пишет в своей книге академик А Е Арбузов, — настолько содержательно, что в основном оно не расходится с тем, что мы разумеем в настоящее время под химическим строением в свете новейших научных представлений о строении химической частицы (молекулы)
В высшей степени важным, особенно для того времени, является также то место доклада, где Бутлеров говорит о возможности судить о строении молекул вещества химическими методами и, прежде всего, методами синтеза органических соединений.
По этому вопросу Бутлеров в своем докладе говорит: «Заключения о химическом строении веществ, по всей вероятности, можно всего лучше будет основывать на изучении способов их синтетического образования — и преимущественно — на таких синтезах, которые совершаются при температуре мало возвышенной и — вообще — при условиях, где можно следить за ходом постепенного усложнения химической частицы»
Однако наиболее ответственным местом доклада Бутлерова является вопрос о возможности выражать формулами строение того или иного вещества
По этому принципиальному вопросу научная позиция Бутлерова резко отличалась от взглядов и убеждений всех его предшественников. Именно A.M. Бутлеров, в противоположность Жерару, Кекуле, Кольбе и другим химикам, считал возможным и необходимым выражать строение определенного соединения лишь одной формулой. Это место доклада и знаменует, как я выразился, Рубикон, который перешагнул Бутлеров, оно-то и дает нам право утверждать, что Бутлеров является истинным творцом теории химического строения».
Итак, теория заявила свое право на существование. Она требовала дальнейшего развития и экспериментальных доказательств.
В 1863 году Бутлеров, воздействуя диметилцинком на хлористый ацетил, получил впервые в истории химии самый простой третичный спирт — третичный бутиловый спирт, или триметилкарбинол. Вскоре после этого в литературе появились сообщения об успешно проведенном синтезе первичного и вторичного бутиловых спиртов. Теперь уже ни о каком споре и речи быть не могло — существовало четыре различных бутиловых спирта. И все они — изомеры.
Какой это был триумф структурной теории! И как счастлив был ее автор. Триумфом теории химического строения органических соединений Бутлерова явилось правильное объяснение на основе этой теории явлений изомерии. В статье «О различных способах объяснения некоторых случаев изомерии», опубликованной в 1863 году на немецком и в 1864 году на французском языках, Бутлеров сделал вывод: «Если при одинаковом составе вещества отличаются свойствами, то они должны также отличаться и своим химическим строением». Лучшим подтверждением учения Бутлерова об изомерии послужил синтез теоретически предсказанных изомеров — изобутана и изобутилена.
В 1862—1865 годах Бутлеров высказал основное положение теории обратимой изомеризации — таутомерии, механизм которой, по Бутлерову, заключается в расщеплении молекул одного строения и соединении их остатков с образованием молекул другого строения. Успех принес ученому уверенность, но в то же время поставил перед ним новую, более трудную задачу. Необходимо было применить структурную теорию ко всем реакциям и соединениям органической химии, а главное, написать новый учебник по органической химии, где все явления рассматривались бы с точки зрения новой теории строения.
Бутлеров работал над учебником почти два года без перерыва. Книга «Введение к полному изучению органической химии» вышла из печати тремя выпусками в 1864—1866 годах.
Появление этого учебника имело огромное значение для распространения нового учения среди химиков. Книга вызвала настоящую революцию в химической науке. Уже в 1867 году началась работа по ее переводу и изданию на немецком языке.
Издание Бутлеровым на русском и немецком языках руководства по органической химии, где впервые теория химического строения была последовательно проведена через все тогда известные классы органических соединений, наряду с его блестящими синтезами, способствовали широкому признанию и укреплению его теории среди химиков всего мира.
Вскоре после этого вышли издания почти на всех основных европейских языках. По словам немецкого исследователя Виктора Мейера, она стала «путеводной звездой в громадном большинстве исследований в области органической химии».
В своих исследованиях Бутлеров продолжал развивать структурную теорию. Он задался целью доказать, что разветвленную и прямую углеродные цепи могут иметь все типы органических соединений. Это вытекало непосредственно из теории, но теоретические положения надо было доказать на практике. Разве нельзя получить углеводород — например, бутан, — четыре углеродных атома которого были бы связаны друг с другом не последовательно, а так, как они связаны в триметил-карбиноле? Но чтобы найти правильный метод его синтеза, требовалось множество опытов
И вот, наконец, усилия Бутлерова увенчались успехом. В большой колбе был долгожданный изобутилен. Доказано существование разветвленной цепи углеводородов!
Сегодня, между прочим, получение углеводородов и спиртов, которыми занимался Бутлеров, достигло колоссальных промышленных масштабов, их получают в миллионах тонн.
