3.2.Второй этап развития химии как науки - XIX в. Структурная химия

В 1820 - 1830 гг. мануфактурная стадия производства с ее ручной техникой сменилась фабричной стадией. На производстве появились новые машины, возникла потребность в поиске новых сырьевых материалов для использования в промышленности. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного происхождения, качественное разнообразие которых было потрясающе велико, а состав однообразен: углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. "Значит, свойства веществ, - сделали вывод химики, - определяется не одним только составом!" Появилось на свет еще и такое понятие как структура вещества. Если знание состава вещества отвечает на вопрос о том, из каких химических элементов состоит молекула данного вещества, то знание структуры вещества дает представление о пространственном расположении атомов в этой самой молекуле.

Аналогично химики выяснили, что свойства веществ, а значит и их качественное разнообразие обусловливается не только их составом, но и структурой молекул.

Можно себе представить насколько большими и сложными оказывались порой эти органические молекулы и как непросто было понять, какие из входящих в их состав атомы принимают участие в конкретной химической реакции. Вместе с тем стало ясно, что не все атомы, входящие в состав молекулы данного вещества, одинаково хорошо вступают во взаимодействие с атомами других молекул, - оказывается каждую молекулу можно условно подразделить на несколько так называемых функциональных или реактивных блоков, в которые входят группы атомов, просто отдельные атомы или даже отдельные химические связи. Каждая из таких структур обладает своей уникальной способностью вступать в химические реакции, т.е. своей реакционной способностью.

Таким образом, познание структуры молекул перевело химию на второй уровень развития химических знаний и способствовало превращению химии из преимущественно аналитической науки в науку синтетическую. Возникла технология органических веществ, которой ранее не было.

Второй уровень развития химических знаний получил условное название структурная химия.

Главным достижением этого этапа можно было назвать установление связи между структурой молекулы и функциональной активностью соединения:

СТРУКТУРА МОЛЕКУЛЫ ——> ФУНКЦИЯ (РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ)

Согласно теории, выдвинутой Дж. Дальтоном, любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, обладающих строго определенным качественным и количественным составом, т. е. состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Теория строения вещества Дж. Дальтона отвечала на вопрос: как можно отличить индивидуальное вещество от смесей веществ, но она не давала ответа на множество других вопросов: каким образом объединяются атомы в молекулу, существует ли какая-то упорядоченность в расположении атомов в молекуле или они объединены как попало, случайно?

На эти вопросы попытался дать ответ шведский химик И.Я. Берцелиус, живший в первой половине XIX в. Он предложил новую модель атома в виде электрического диполя. И.Я. Берцелиус, на основании определения данного им процентного состава многих веществ и поиска элементарных стехиометрических закономерностей, а также изучения разложения сложных веществ в растворе под действием электрического тока, задался вопросом: что влияет на знак и величину электрического заряда конкретного вещества?

Почему существуют электроположительные и электроотрицательные вещества? В чем различие в строении молекул кислоты и щелочи или щелочи и нейтральной соли? Чтобы ответить на эти вопросы, И.Я. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы разных химических элементов обладают различной электроотрицательностью и расположил их в своеобразный ряд по мере увеличения этой самой электроотрицательности. Итак, И. Я. Берцелиус полагал, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.

В 1840г. в работах французского ученого Ш.Жерара было показано, что структуры И.Я.Берцелиуса справедливы не во всех случаях: есть масса веществ, молекулы которых невозможно разложить на отдельные атомы под действием электрического тока, они представляют как бы единую целую систему и именно такую неделимую систему взаимосвязанных друг с другом атомов Ш. Жерар и предлагал называть молекулой. Он разработал теорию типов органических соединений.

Однако, оставался открытым вопрос: какие же силы заставляют связываться атомы в эти самые молекулы? Теория не давала ответа на этот вопрос, как и не давала конкретных указаний, касающихся синтеза новых веществ. Многое, связанное со структурой молекул, оставалось непонятным и загадочным.

В 1857 г. немецкий химик А. Кекуле обнародовал свои наблюдения о свойствах отдельных элементов, которые могут замещать атомы водорода в ряде соединений. Он пришел к выводу о том, что некоторые из них могут замещать три атома водорода, другие же - только два или даже один. А.Кекуле также установил, что "один атом углерода ... эквивалентен четырем атомам водорода". Это были основополагающие положения теории валентности веществ.

А. Кекуле ввел в обиход новый химический термин сродство, который и обозначал количество атомов водорода, которое может заместить данный химический элемент. Он приписал всем элементам соответственно три, две или одну единицу сродства. Углерод же находился при этом в необычном положении - его атом обладал четырьмя единицами сродства. Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу ученый назвал валентностью атома.

При объединении атомов в молекулу происходит замыкание свободных единиц сродства. Например, две единицы сродства, по одной от двух атомов водорода, замыкаются на двух единицах сродства атома кислорода и образуют молекулу воды.

Понятие структура молекулы с легкой руки А.Кекуле свелось к построению наглядных формульных схем, которые служили химикам руководством в их практической работе, конкретным указанием на то, какие исходные вещества следует брать для того, чтобы получить необходимый химический продукт.

Схемы А. Кекуле, однако, не всегда можно было осуществить на практике; хорошо продуманная (или придуманная) реакция не хотела протекать согласно красивой схеме! Это происходило потому, что формульный схематизм не учитывал реакционную способность веществ, вступающих в химическое взаимодействие друг с другом.

Ответы на волнующие практических химиков вопросы дала теория химического строения русского ученого А. М. Бутлерова. Бутлеров так же как и Кекуле признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но одновременно с этим он указывал на важность того, с каким "напряжением, большей или меньшей энергией (это сродство) связывает вещества между собой". Другими словами, А. М. Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей таких как, например, одинарной С–С, двойной С = С или тройной С ≡ С химической связей в органических соединениях. Его теория указала на причины активности одних веществ и пассивности других. Она также указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.

Теория А. М. Бутлерова стала для химиков руководством в их практической деятельности. Позже она нашла себе подтверждение и физическое обоснование в квантовой механике. В настоящее время понятие "химическая связь" стало более широким. Теперь под химической связью понимается такой вид взаимодействия не просто между отдельными атомами, а иногда и между атомно-молекулярными частицами, который обусловлен совместным использованием их электронов. При этом имеется в виду, что такое обобществление электронов взаимодействующими частицами может изменяться в широких пределах. Существуют ковалентная, полярная, ионно-ковалентная и ионные связи. Тип связи определяется характером физического взаимодействия атомно-молекулярных частиц друг с другом.

Под валентностью атомных частиц понимается их свойство вступать в химическое взаимодействие, количественной мерой которого является суммарное число неспаренных электронов, неподеленных электронных пар и вакантных орбиталей, участвующих в образовании химических связей.

Валентность атомной частички не является постоянной величиной и может изменяться от единицы до некоторого максимального значения в зависимости от природы частиц-партнеров и условий образования химического соединения.

Под понятием структура понимают устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы.

В первом приближении под атомной структурой следует понимать устойчивую совокупность ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом.

Под молекулярной структурой понимают сочетание ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов. Молекулярную структуру подразделяют на атомную (геометрическую) и электронную.

Период триумфального шествия органического синтеза

Благодаря развитию структурных представлений в 1860-1880 гг. в химии появился термин органический синтез, обозначавший не только действия по получению новых органических веществ, но и целую область науки, названную так в противоположность всеобщему увлечению анализом природных веществ. В эти годы были впервые синтезированы анилиновые красители, взрывчатые вещества, многие лекарства. Этот период в химии был назван триумфальным шествием органического синтеза.

Но возможности химиков были не безграничны, часто химические реакции имели очень низкий выход нужных продуктов и большие отходы побочных продуктов. В качестве сырья химики часто использовали дефицитные реагенты или же продукты питания - зерно, жиры, молочные продукты. Это было экономически невыгодно! Кроме того, в то время управлять многостадийным органическим синтезом на производстве химики не умели. Все эти причины тормозили развитие органического синтеза.