Структурная химия

Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине 19в. привели ученых к убеждению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени в химическом пространстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. Их качественное разнообразие потрясающе велико - сотни тысяч химических соединений, состав которых крайне однообразен, так как они состоят из нескольких элементов – органогенов. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном элементном составе было найдено в явления изомерии и полимеризации. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии. Она стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе вещества, включив его в себя. При этом химия из преимущественно аналитической науки превратилась в синтетическую.

Проблема производства новых материалов связана с включением в их

состав новых химических элементов. 98,7% массы слоя Земли, на котором

осуществляет свою производственную деятельность человек, составляют 8 химических элементов:

· кислород (47 %);

· 81 кремний (27,5 %);

· алюминий (8,8 %);

· железо (4,6 %);

· кальций (3,6 %);

· натрий (2,6 %);

· калий (2,5 %);

· магний (2,1 %).

Они распределены и используются на Земле неравномерно. Более 95% изделий из металла в своей основе содержат железо. Сто­ит задача использовать для человеческой деятельности и другие химические элементы, способные заменить железо. Силикаты, различные соединения кремния с кислородом и другими элемен­тами составляют 97% массы земной коры, и использовать их как основной вид сырья необходимо в самых разных сферах чело­веческой деятельности - от строительства до машиностроения.

Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.

Термин «структурная химия» условен. В нем подразумевается такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Основы структурной химии были заложены Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем Й.Я. Берцелиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.

В 1857г. немецкий химик Ф.А.Кекуле опубликовал свои наблюдения о свойствах некоторых элементов, которые могут заменить атомы водорода в ряде соединений, и ввел новый термин – сродство. Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу назвал валентностью.

Но схемы Кекуле не всегда можно было осуществить на практике. Это было вызвано тем, что подобные формальные схемы не учитывали реакционной способности веществ, вступавших в химическую реакцию.

Таким образом, важнейшим шагом в развитии структурной химии стало появление теории химического строения органических соединений русского химика А.М.Бутлерова, который вслед за Кекуле признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других.

В 20в. структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры - устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом, - и молекулярной структуры – сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.

Лекция № 3:

1. Учение о химическом процессе;

2. Эволюционная химия;