Підручник з Хімії. 10 клас. Величко - Нова програма

§ 3. ТЕОРІЯ ХІМІЧНОЇ БУДОВИ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

Теорія — вища форма наукових знань. Наука як система знань із певної галузі відображає дійсність у різних формах і на різних рівнях. До емпіричного (від гр. έμπειρία — досвід) рівня пізнання належать спостереження, експеримент, опис, які й ви використовуєте під час лабораторних досліджень. На теоретичному (від гр. θεωρια — розгляд, дослідження) рівні відбуваються узагальнення й пояснення того, що спостерігається, розкриття внутрішніх взаємозв’язків явищ.

Із курсів фізики, біології, математики вам відомі різні форми вираження наукових знань: теорії, закони, правила, аксіоми, постулати тощо. Теорія є вищою, найскладнішою та найдосконалішою формою наукового знання. До її складу можуть входити і закон, і правила, і принципи, вона передбачає наявність наслідків. Наприклад, в основі теорії відносності лежить принцип відносності, а наслідком, що випливає з цієї теорії, є сповільнення плину подій у разі швидкостей, наближених до швидкості світла.

За означенням, теорія є системою основних ідей у певній галузі знань. Такі ідеї в галузі органічної хімії в 1861 р. висловив видатний російський учений О. М. Бутлеров. Але цьому передувало багато інших подій.

Передумови створення теорії хімічної будови. У першій половині ХІХ ст. органічна хімія розвивалася емпіричним шляхом, тобто накопичувалися експериментальні факти, отримані під час виділення органічних речовин і вивчення їхнього кількісного і якісного складу, фізичних і хімічних властивостей. Як вам уже відомо з курсів біології та неорганічної хімії, сукупність наукових фактів на певному етапі потребує їх упорядкування за певними ознаками, або класифікації. Такі спроби робилися і щодо органічних сполук.

Першою теорією, що спробувала впорядкувати відомості про органічні сполуки, була теорія радикалів. Згідно з цією теорією до складу органічних речовин входять групи атомів (радикалів), що під час перебігу реакцій переміщуються від однієї сполуки до іншої. Згідно з іншою теорією, а саме теорією типів, органічні сполуки розглядали як похідні «типових» неорганічних сполук — амоніаку, води, гідроген хлориду тощо.

Ці теорії, хоча й систематизували фактичний матеріал і були прогресивними для свого часу, проіснували недовго, оскільки об’єктивно не пояснювали нові дослідні дані. Зокрема, стали відомі сполуки, що мають той самий хімічний склад, але різні властивості (так звані ізомери). Тогочасні теорії не давали відповіді на причину цього явища.

До того ж серед учених не було єдності щодо написання формул сполук, а дехто вважав неможливим «групувати атоми на площині паперу». Наприклад, для оцтової кислоти пропонували понад десяти формул.

У середині ХІХ ст. в органічній хімії виникли суперечності між накопиченими фактами й теоретичними уявленнями, на основі яких можна було б пояснити ці факти. У 1835 р. Ф. Велер писав: «Органічна хімія може нині кого завгодно позбавити здорового глузду. Вона здається мені дрімучим лісом, повним дивних речей, безмежною хащею, з якої неможливо вибратися, куди не насмілишся проникнути».

Схарактеризуйте ситуацію, що склалася в неорганічній хімії напередодні відкриття Періодичного закону, і порівняйте її з описаною ситуацією в органічній хімії.

Важливим кроком у розвитку теоретичних уявлень у хімії було створення вчення про валентність (Е. Франкленд, 1852 р.) і визначення валентності низки елементів. Було висловлено думку про чотиривалентність атомів Карбону та їхню здатність сполучатися між собою з утворенням ланцюгів (А. Кекуле, А. Купер, 1857—1858 рр.).

Цікаво, що в хімічній науці на той час ще не було чітко визначено поняття атома і молекули. Лише після Міжнародного з’їзду хіміків у 1860 р. ці поняття остаточно увійшли в науку. Усе це створило передумови для появи нової теорії в органічній хімії.

Теорія хімічної будови органічних сполук О. М. Бутлерова. Як засвідчує історія науки, для створення теорії недостатньо одних лише передумов. Потрібні нові ідеї, на основі яких можна будувати цілісну теорію. Які ж наукові ідеї було покладено в основу нової теорії її автором — О. М. Бутлеровим?

Учений висловив думку про те, що кожній речовині притаманна своя хімічна будова. За Бутлеровим, хімічна будова — це «спосіб взаємного сполучення атомів у складному тілі», або, cучасною мовою, послідовність (порядок) сполучення атомів у молекулі.

Наявність хімічної будови означає, що атоми в молекулі розміщені не безладно, а в певному порядку згідно з їх валентністю.

Хімічну будову речовини можна зобразити за допомогою структурної формули, або формули будови. Пригадаймо структурні формули органічних речовин, які ви вивчали в курсі хімії 9 класу.

Наприклад, сполука пропан складу С3Н8 має структурну формулу

Хімічну будову можна встановити на основі хімічних перетворень речовини. Визначення того, які атоми, скільки їх і в якій послідовності вони сполучені між собою, тобто, визначення хімічного складу й хімічної будови — це перші кроки в дослідженні будь-якої речовини.

Теорія хімічної будови стверджує також наявність взаємного впливу атомів у молекулі. Розглянемо це явище на прикладі відомих вам неорганічних речовин води Н2О і гідроген хлориду НСІ, а також органічної — метану СН4. Усі вони містять елемент Гідроген, однак він виявляє різні властивості: у гідроген хлориді легко заміщується на металічний елемент, у воді заміщується лише на активний металічний елемент, у метані — не заміщується на металічний елемент. Гідроген по-різному поводиться в цих хімічних реакціях залежно від того, з атомом якого елемента він сполучений. Отже, властивості речовин не зводяться до суми властивостей окремих атомів, оскільки ці атоми зазнають взаємного впливу.

Основне положення теорії, що увійшла в науку як теорія хімічної будови органічних сполук О. М. Бутлерова, учений сформулював так: «хімічна натура складної частинки визначається натурою елементарних складових частин, кількістю їх і хімічною будовою».

Згідно із сучасними поняттями це положення формулюють так: хімічна природа молекули визначається природою атомів, що входять до її складу, їх кількістю та хімічною будовою.

Це положення встановлює закономірний зв’язок між складом, хімічною будовою і властивостями речовини та є одним із найважливіших серед теоретичних положень хімічної науки.

Олександр Михайлович Бутлеров (1828—1886)

Російський учений. Здобув освіту в Казанському університеті, там став професором, згодом очолив кафедру в Петербурзькому університеті. Видатний теоретик і блискучий експериментатор. Автор теорії хімічної будови органічних сполук і підручника з органічної хімії, в якому матеріал уперше викладався з позицій цієї теорії. Власними синтезами ізомерів, передбачених за допомогою теорії, підтвердив її справедливість. Вперше синтезував цукристу речовину.

Крім хімії інтереси О. М. Бутлерова як людини високоосвіченої стосувалися також медицини, бджолярства, садівництва. Був видатним педагогом, виховав плеяду вчених-хіміків.

Теорія будови виникла на основі дослідження органічних речовин. Поняття хімічної будови О. М. Бутлеров пов’язував насамперед із молекулами органічних речовин. Проте ця теорія є загальнохімічною і поширюється також на речовини немолекулярної будови. Відома вам залежність між типом хімічного зв’язку, кристалічною будовою неорганічних речовин та їхніми властивостями — це також вияв цього закону.

Завдання для самоконтролю

1. Наведіть приклади наукової класифікації, відомі вам із курсів біології та неорганічної хімії.

2. Наведіть приклади теорії, закону, постулату, гіпотези, аксіоми з різних галузей знань.

3. Схарактеризуйте положення, що склалося в органічній хімії в середині ХІХ ст.

4. Видатні відкриття невіддільні від своєї історичної доби. Пригадайте історичні умови, що склалися в Росії 60-х років ХІХ ст. (суспільно-політична ситуація, просвітницький рух тощо).

5. Назвіть наукові передумови створення теорії хімічної будови органічних речовин й імена вчених, які зробили внесок у розвиток теоретичних уявлень в органічній хімії.

6. Що таке хімічна будова органічних речовин?

7. Як ви розумієте взаємний уплив атомів у молекулі?

8. Що виражає структурна формула речовини?

9. Яку залежність встановлює основне положення теорії О. М. Бутлерова?

10. Наведіть приклади залежності фізичних властивостей неорганічних речовин від типу хімічного зв’язку.