История возникновения теории Бутлерова

В хлорной кислоте НСlO4 атом хлора  с относительно большим положительным  зарядом прочнее связан с атомом кислорода и сильнее отталкивает  от себя атом водорода с 6+. Диссоциация  происходит по кислотному типу.

Основные направления развития теории строения химических соединений и ее значение

Во времена А. М. Бутлерова в  органической химии широко использовали эмпирические (молекулярные) и структурные  формулы. Последние отражают порядок  соединения атомов в молекуле согласно их валентности, которая обозначается черточками.

Для простоты записи часто используют сокращенные структурные формулы, в которых черточками обозначают только связи между атомами углерода или углерода и кислорода.

Сокращенные структурные формулы

Затем, по мере развития знаний о природе  химической связи и о влиянии  электронного строения молекул органических веществ на их свойства, стали пользоваться электронными формулами, в которых  ковалентную связь условно обозначают двумя точками. В таких формулах часто показывают направление смещения электронных пар в молекуле.

Именно электронным строением  веществ объясняют мезомерный и  индукционный эффекты.

Индукционный эффект — смещение электронных пар гамма-связей от одного атома к другому вследствие их разной электроотрицательности. Обозначается (—>).

Индукционный эффект атома (или  группы атомов) отрицательный (-/), если этот атом имеет большую электроотрицательность (галогены, кислород, азот), притягивает  к себе электроны гамма-связи  и приобретает при этом частичный  отрицательный заряд. Атом (или группа атомов) имеет положительный индукционный эффект (+/), если он отталкивает электроны  гамма-связей. Этим свойством обладают некоторые предельные радикалы С2H5 ). Вспомните правило Марковникова о том, как присоединяется к алкенам (пропену) водород и галоген галогеноводорода и вы поймете, что это правило  носит частный характер. Сравните эти два примера уравнений  реакций:

В молекулах отдельных веществ  проявляются и индукционный, и  мезомерный эффекты одновременно. В  этом случае они или усиливают  друг друга (в альдегидах, карбоновых кислотах), или взаимно ослабляются (в хлорвиниле).

Результатом взаимного влияния  атомов в молекулах является перераспределение  электронной плотности.

Идею о пространственном направлении  химических связей впервые высказали  французский химик Ж. А. Ле Бель и  голландский химик Я. X. Вант-Гофф в 1874 г. Предположения ученых полностью  подтвердила квантовая химия. На свойства веществ значительное влияние  оказывает пространственное строение их молекул. Например, мы уже приводили  формулы цис- и транс-изомеров бутена-2, которые отличаются по своим свойствам (см. рис. 16).

Средняя энергия связи, которую  необходимо разорвать при переходе одной формы в другую, равна  примерно 270 кДж/моль; такого большого количества энергии при комнатной  температуре нет. Для взаимного  перехода форм бутена-2 из одной в  другую необходимо одну ковалентную  связь разорвать и взамен образовать другую. Иными словами, этот процесс  — пример химической реакции, а обе  рассмотренные формы бутена-2 представляют собой различные химические соединения.

Вы, очевидно, помните, что важнейшей  проблемой при синтезе каучука  было получение каучука стереорегулярного  строения. Необходимо было создать  такой полимер, в котором структурные  звенья располагались бы в строгом  порядке (натуральный каучук, например, состоит только из цис-звеньев), ведь от этого зависит такое важнейшее  свойство каучука, как его эластичность.

Современная органическая химия различает  два основных типа изомерии: структурную (изомерию цепи, изомерию положения  кратных связей, изомерию гомологических рядов, изомерию положения функциональных групп) и стереоизоме-рию (геометрическую, или цис-транс-изомерию, оптическую, или зеркальную, изомерию).

Итак, вы смогли убедиться в том, что второе положение теории химического  строения, четко сформулированное А. М. Бутлеровым, было неполным. С современных  позиций это положение требует дополнения:

свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного  состава, но и от их:

•    химического,

•    электронного,

•    пространственного строения.

Создание теории строения веществ  сыграло важнейшую роль в развитии органической химии. Из науки преимущественно  описательной она превращается в  науку созидательную, синтезирующую, появилась возможность судить о  взаимном влиянии атомов в молекулах  различных веществ (см. табл. 10). Теория строения создала предпосылки для  объяснения и прогнозирования различных  видов изомерии органических молекул, а также направлений и механизмов протекания химических реакций.

На основе этой теории химики-органики создают вещества, которые не только заменяют природные, но по своим свойствам  значительно их превосходят. Так, синтетические  красители гораздо лучше и  дешевле многих природных, например известных в древности ализарина  и индиго. В больших количествах  производят синтетические каучуки  с самыми разнообразными свойствами. Широкое применение находят пластмассы и волокна, изделия из которых  используют в технике, быту, медицине, сельском хозяйстве.

Значение теории химического строения А. М. Бутлерова для органической химии можно сравнить со значением  Периодического закона и Периодической  системы химических элементов Д. И. Менделеева для неорганической химии. Недаром в обеих теориях так  много общего в путях их становления, направлениях развития и общенаучном  значении. Впрочем, в истории любой  другой ведущей научной теории (теории Ч. Дарвина, генетике, квантовой теории и т. д.) можно найти такие общие  этапы.

1.    Установите параллели  между двумя ведущими теориями  химии — Периодическим законом  и Периодической системой химических  элементов Д. И. Менделеева  и теорией химического строения  органических соединений А. М.  Бутлерова по следующим признакам:  общее в предпосылках, общее в  направлениях их развития, общее  в прогностической роли.

2.    Какую роль сыграла  теория строения химических соединений  в становлении Периодического  закона?

3.    Какие примеры из  неорганической химии подтверждают  универсальность каждого из положений  теории строения химических соединений?

4.    Фосфористая кислота  Н3РО3 относится к двухосновным  кислотам. Предложите ее структурную  формулу и рассмотрите взаимное  влияние атомов в молекуле  этой кислоты.

5.    Напишите изомеры, имеющие  состав С3Н8O. Назовите их по  систематической номенклатуре. Определите  виды изомерии.

6.    Известны следующие  формулы кристаллогидратов хлорида  хрома(III): [Сг(Н20)6]Сl3; [Сг(Н20)5Сl]Сl2 • Н20; [Сг(Н20)4 * С12]Сl • 2Н2О. Как вы  назовете описанное явление?