ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы История развития представлений о природе химических связей из "Курс органической химии" И обратным путем, устанавливая закономерности и строя на них систематику, но для этого было необходимо более глубокое знание внутримолекулярных сил. [c.23] В то время как Дальтон считал, что химические силы можно изучить только путем исследования химических свойств, Берцелиус развил представления Деви о том, что в основе этих сил лежит кулонов-ское притяжение между различно заряженными частицами, образующими молекулу. Эта электрохимическая теория, возникшая на основе дуалистических представлений о чередовании положительно и отрицательно заряженных атомов и их взаимодействии, получила довольно широкое распространение, особенно в интерпретации реакций электролитов. Однако она оказалась ые в состоянии объяснить явления замещения в органических молекулах, так как отождествление химической связи с электростатическими силами взаимодействия дв.ух точечных зарядов привело к серьезным противоречиям. [c.23] Унитарные представления о природе химических сил были развиты Кекуле. Он назвал эти силы насыщаемыми силовыми лучами , которые можно символически обозначать крючками или черточками (Эрленмейер). Каждому атому присуща своя атомность , или валентность, которые указывают на количество его связей устойчивыми являются те молекулы, в которых не осталось неиспользованных валентностей. Характер валентных сил физика того времени еще не могла объяснить, но, тем не менее, с помощью этих представлений уже можно было описывать природу и превращения органических молекул. Едва ли какие-нибудь другие теории в естествознании были столь плодотворны для изучения и систематики колоссального экспериментального материала, как теория валентности Кекуле. Именно поэтому она долгое время находила почти неограниченное применение. [c.23] В 1926 г. Гейзенберг и Шредингер создали механику атомных и молекулярных систем, которая получила широкое применение в атомной и молекулярной физике. Необходимое дополнение в квантовую механику внес Паули, разработавший теорию электронных спинов. Это явилось фундаментом, на котором с учетом известного правила несовместимости (запрет Паули в атоме не может быть двух электронов, обладающих 4 одинаковыми квантовыми числами) было построено учение о химических силах, в принципе позволяющее понять и описать образование химических соединений. Сначала удалось интерп )етировать устойчивость электронных оболочек атомов инертных газов, благодаря чему нашло исчерпывающее объяснение понятие электровалентной связи, лежащее в основе теории Косселя. Затем получила квантово-механическое истолкование и ковалентная связь. Гейтлером и Лондоном было показано, что связь двух атомов в молекуле водорода может быть объяснена чисто электростатическими силами, если для этого использовать квантовую механику. Силы, связывающие два атома и два электрона, возникают благодаря тому, что оба электрона имеют антипараллельные спины и с большой степенью вероятности находятся между двумя атомными ядрами насыщаемость химических связей объясняется принципом Паули. Таким образом, представления Льюиса получили исчерпывающее физическое обоснование. [c.24] Достижения квантовой химии в настоящее время используются для интерпретации многих химических реакций. Однако современное состояние этой теории таково, что за исключением простейших молекул или ионов (Н ,Н2 , Н2), расчеты могут быть проведены только приближенно, и то лишь при использовании сложного математического аппарата. Чем точнее эти расчеты, тем дальше они, в большинстве случаев, от простых химических формул из них исчезают элементы наглядности, полученные результаты трудно поддаются физической интерпретации и уже не могут быть использованы химиками в их повседневной работе по расщеплению и синтезу сложных органических веществ. Поэтому был создан ряд вспомогательных, так называемых качественных электронных теорий химической связи (Вейтц, Робинсон, Ингольд, Арндт, Полинг, Слейтер, Хюккель, Мулликен и др.), которые нашли широкое распространение и дают плодотворные результаты в построении феноменологической органической химии. Впрочем, необходимо всегда знать границы применения этих приблил .еиных представлений, и они будут часто указываться в настоящей книге. Наконец, следует отметить, что согласно квантовой механике, невозможно создать точную и вместе с тем наглядную теорию материи, так как любая такая теория неизбежно окажется лишь oгpaничeIiнo правильной. [c.24] Число углеводородов жирного ряда (алифатических углеводородов) чрезвычайно велико. Их многообразие обусловлено способностью атомов углерода соединяться между собой с образованием цепей, причем это свойство в столь сильной степени не присуще ни одному другому элементу и проявляется в гораздо меньщей мере лишь у некоторых элементов, расположенных в периодической системе вблизи от углерода (например, у кремния, азота, фосфора, мышьяка). [c.25] Высший предел способности атомов углерода к взаимному соединению неизвестен. Был синтезирован углеводород, в молекуле которого имеются 82 последовательно связанных друг с другом атома углерода, и ничто не предсказывает неустойчивости еще более длинных углеродных цепей.. [c.25] Особое положение, занимаемое углеродом среди других элементов, связано по крайней мере частично с его элсктронейтральностью, которая благоприятствует взаимодействию однородных атомов друг с другом в большей степени, чем у элементов с ярко выраженными электроположительными или электроотрицательными свойствами. Определенные представления о сущности органической, т. е. гомеополярной углерод-углеродной связи дает теория Льюиса—Лэнгмюра, которую мы считаем уже известной читателю (см. также сгр. 51). [c.25] Углеводороды подразделяются на группы в зависимости от соотношения, в котором углерод и водород содержатся в их молекуле. Углеводороды, наиболее богатые водородом, называются насыщенными в них достигнута высшая степень насыщения водородом. Все другие углеводороды, более бедные водородом, называются ненасыщен-н ы м и. В свою очередь, ненасыщенные углеводороды подразделяются на различные подгруппы в зависимости от отпошеиия содержания в них углерода к содерлсанию водорода. [c.25] Насыщенные углеводороды вследствие их низкой химической реакционной способности называются также парафинами или предельными углеводородами, так как в них достигнут предел насыщения водородом. [c.26] Первые четыре парафина носят тривиальные названия метан, этан, пропан, бутан для наименования остальных парафинов, начиная с пятого, применяют греческие числительные, к которым прибавляют окончание ан , служащее вообще для обозначения насыщенных углеводородов. Два следующих друг за другом члена ряда предельных углеводородов различаются всегда на группу СН2. Соединения, построенные таким образом, что атом водорода при углеродном атоме замещен на метильную группу СН.з, и, следовательно, различающиеся между собой по составу на одну или несколько групп СНг, называются гомологичными соединениями . [c.26] Предельные углеводороды образуют гомологический ряд. Физические и химические свойства в гомологическом ряду обычно изменяются от одного члена к другому постепенно и равномерно, так что знание свойств отдельных членов ряда позволяет судить и о свойствах низших и высших его гомологов. [c.26] Вещества, обладающие одинаковым химическим составом, но различными свойствами, называются изомерами, а само явление — изомерией. Изомерия может быть обусловлена различной величиной молекул или различным взаимным расположением атомов в молекуле. В первом случае говорят о полимерии (полимерные вещества), во втором — об изомерии положения (структурной изомерии). [c.27] Упомянутая выше изомерия бутанов, пентанов и высших углеводородов представляет собой особый случай изомерии положения. Она связана с различным взаимным расположением углеродных атомов и называется изомерией углеродной цепи, или углеродного скелета. [c.27] Изомерия углеродного скелета предельных углеводородов основана на способности атомов углерода соединяться между собой с образованием не только прямых, но и разветвленных цепей. Форма, обладаю-ш,ая прямой углеродной цепью, называется нормальной, например нормальный пентан (сокращенно -пентан) остальные два пентана изомерны ему, они называются изосоединениями. [c.27] Приведенные формулы позволяют представить картину взаимной связи атомов в молекуле. Они разбивают эмпирическую формулу на отдельные группы атомов и таким образом указывают внутреннее строение молекул. Поэтому их называют структурными формулами. [c.27] Как показано на примере бутанов и пентанов, данных об эмпирическом составе органического соединения еще недостаточно для того, чтобы составить правильное представление о природе вещества только структурная формула позволяет глубже уяснить его строение. Поэтому первая задача при исследовании органического соединения всегда состоит в выяснении его структурной формулы, и химик-органик по возможности всегда пользуется именно ею. Дальнейшим развитием структурной формулы является пространственная фо рыула, с помощью которой стремятся отразить расположение атомов в пространстве. [c.28] Не все атомы углерода в предельных угл.еводородах равноценны между собой они могут быть соединены с различным числом атомов водорода (ср., например, формулы изомерных пентанов). Атом углерода, непосредственно связанный лишь с одним другим углеродным атомом, называется первичным. Если он связан с двумя другими углеродными атомами, то его называют вторичны м, если с тремя — третичным если же все четыре его валентности связаны с другими углеродными атомами, то такой атом углерода называют четвертичным. [c.28] Углеводород метан занимает особое положение все четыре его валентности насыщены водородом. [c.28] Вернуться к основной статье