|
|
Учебник для 11 класса ХИМИЯ§ 8.2. Основные положения теории строения химических соединенийТеория химического строения органических соединений, выдвинутая А. М. Бутлеровым во второй половине XIX в. (1861), была подтверждена работами многих ученых, в том числе учениками А. М. Бутлерова и им самим. На ее основе оказалось возможным объяснить многие явления, до той поры не имевшие толкования: изомерию, гомологию, проявление атомами углерода четырехвалентности в органических веществах.
Теория выполнила и свою прогностическую функцию: на ее основе ученые предсказывали существование неизвестных еще соединений, описывали свойства и открывали их. Так, в 1862—1864 гг. А. М. Бутлеров рассмотрел изомерию пропиловых, бутиловых и амиловых спиртов, определил число возможных изомеров и вывел формулы этих веществ. Существование их позднее было экспериментально доказано, причем некоторые из изомеров синтезировал сам Бутлеров. В течение XX в. положения теории строения химических соединений были развиты на основе новых воззрений, распространившихся в науке: теории строения атома, теории химической связи, представлений о механизмах химических реакций. В настоящее время эта теория имеет универсальный характер, т. е. справедлива не только для органических веществ, но и для неорганических соединений с ковалентными связями. Первое положение. Атомы в молекулах соединяются в определенном порядке в соответствии с их валентностью. Углерод во всех органических и в большинстве неорганических соединений четырехвалентен. Очевидно, что последнюю часть первого положения теории легко объяснить тем, что в соединениях атомы углерода находятся в возбужденном состоянии.
Атомы четырехвалентного углерода могут соединяться друг с другом, образуя различные цепи.
В молекулах между атомами углерода могут образовываться одинарные или кратные (двойные и тройные) связи.
Второе положение. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения их молекул. Это положение объясняет явление изомерии. Вещества, имеющие одинаковый состав, но разное химическое или пространственное строение, а следовательно, и разные свойства, называют изомерами. Рассмотрим основные виды изомерии. Структурная изомерия, при которой вещества различаются порядком связи атомов в молекулах: 1) изомерия углеродного скелета
2) изомерия положения а) кратных связей:
б) функциональных групп:
3) изомерия гомологических рядов (межклассовая)
или через общие формулы: Пространственная изомерия, при которой молекулы веществ отличаются не порядком связи атомов, а положением их в пространстве относительно плоскости двойной связи или цикла: цис-, трансизомерия (геометрическая). Эта изомерия характерна, например, для алкенов, циклоалканов и др. (рис. 16).
Рис. 16. К пространственной изомерии относится и оптическая (зеркальная) изомерия. Четыре одинарные связи вокруг атома углерода, как вы уже знаете, расположены тетраэдрически. Если атом углерода связан с четырьмя различными атомами или группами атомов, то возможно их разное расположение в пространстве, т. е. две пространственные изомерные формы. Две зеркальные формы аминокислоты аланина (2-аминопропановой кислоты) изображены на рисунке 17.
Рис. 17. Представьте себе, что молекулу аланина поместили перед зеркалом. Группа —NH2 находится ближе к зеркалу, поэтому в отражении она будет впереди, а группа —СООН — на заднем плане и т. д. (см. изображение справа). Аланин существует в двух пространственных формах, которые при наложении не совмещаются одна с другой. Универсальность второго положения теории строения химических соединений подтверждает существование неорганических изомеров. Так, первый из синтезов органических веществ — синтез мочевины, проведенный Ф. Велером (1828), показал, что изомерны неорганическое вещество — цианат аммония и органическое — мочевина:
Если заменить атом кислорода в мочевине на атом серы, то получится тиомочевина, которая изомерна роданиду аммония:
хорошо известному вам реактиву на ионы Fe3+. Очевидно, что тиомочевина не дает этой качественной реакции. Третье положение. Свойства веществ зависят от взаимного влияния атомов в молекулах. Например, в уксусной кислоте в реакцию с щелочью вступает только один из четырех атомов водорода. На основании этого можно предположить, что только один атом водорода связан с кислородом:
С другой стороны, из структурной формулы уксусной кислоты можно сделать вывод о наличии в ней одного подвижного атома водорода, т. е. о ее одноосновности. Чтобы убедиться в универсальности положения теории строения о зависимости свойств веществ от взаимного влияния атомов в молекулах, которое существует не только у органических, но и у неорганических соединений, сравним свойства атомов водорода в водородных соединениях неметаллов. Они имеют молекулярное строение и в обычных условиях представляют собой газы или летучие жидкости. В зависимости от положения неметалла в Периодической системе Д. И. Менделеева можно выявить закономерность в изменении свойств таких соединений:
Метан не взаимодействует с водой. Отсутствие основных свойств у метана объясняется насыщенностью валентных возможностей атома углерода. Аммиак проявляет основные свойства. Его молекула способна присоединять к себе ион водорода за счет его притяжения к неподеленной электронной паре атома азота (донорно-акцепторный механизм образования связи).
У фосфина РН3 основные свойства слабо выражены, что связано с радиусом атома фосфора. Он значительно больше радиуса атома азота, поэтому атом фосфора слабее притягивает к себе ион водорода. В периодах слева направо увеличиваются заряды ядер атомов, уменьшаются радиусы атомов, увеличивается сила отталкивания атома водорода с частичным положительным зарядом δ+, а потому кислотные свойства водородных соединений неметаллов усиливаются.
В главных подгруппах сверху вниз увеличиваются радиусы атомов элементов, атомы неметаллов с δ- слабее притягивают атомы водорода с δ+, уменьшается прочность водородных соединений, они легко диссоциируют, а потому их кислотные свойства усиливаются. Различная способность водородных соединений неметаллов к отщеплению или присоединению катионов водорода в растворах объясняется неодинаковым влиянием, которое оказывает атом неметалла на атомы водорода.
Различным влиянием атомов в молекулах гидроксидов, образованных элементами одного периода, объясняется также изменение их кислотно-основных свойств. Вспомним, например:
Основные свойства гидроксидов убывают, а кислотные усиливаются, так как увеличивается степень окисления центрального атома, следовательно, растет энергия связи его с атомом кислорода (δ-) и отталкивание им атома водорода (δ+). Гидроксид натрия . Так как у атома водорода радиус очень мал, его сильнее притягивает к себе атом кислорода и связь между атомами водорода и кислорода будет более прочной, чем между атомами натрия и кислорода. NaOH → Na+ + ОН-. Гидроксид алюминия А1(ОН)3 проявляет амфотерные свойства. В хлорной кислоте атом хлора с относительно большим положительным зарядом прочнее связан с атомом кислорода и сильнее отталкивает от себя атом водорода с 8+. Диссоциация происходит по кислотному типу: НСlO4 → Н+ + СlO-4.
|
|
|