Развитее структурной химии

Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеждению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени мануфактурное производство сменилось фабричным, опирающимся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. Качественное разнообразие данных веществ потрясающе велико — сотни тысяч химических соединений, состав которых, тем не менее, крайне однообразен, так как они состоят из нескольких элементов-органогенов. Это — углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном элементном составе было найдено в явлениях, получивших названия изомерии и полимерии. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии.Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.

Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Основы структурной химии были заложены еще Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем Берцелиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. Как позже показал химик Жерар, это утверждение было верно не всегда, поэтому еще в середине XIX в. структура молекул оставалась загадочной.

В 1857 г. немецкий химик А. Кекуле опубликовал свои наблюдения о свойствах некоторых элементов, могущих заменять атомы водорода в ряде соединений, и ввел новый термин — сродство. Он стал обозначать количество атомов водорода, которые может заместить данный химический элемент. Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу, Кекуле назвал вагентностыо. Таким образом, понятие «структура молекулы» свелось к построению наглядных формульных схем, которые служили химикам руководством в их практической работе, показывали, какие исходные вещества нужно брать для получения конечного продукта.

Комбинируя атомы различных химических элементов с их единицами сродства, можно создать структурные формулы любого химического соединения. А это означает, что химик в принципе может создавать план синтеза любого химического соединения — как уже известного, так и еще неоткрытого. То есть химик может прогнозировать получение неизвестного соединения и проверить свой прогноз синтезом.

К сожалению, схемы Кекуле не всегда можно было осуществить на практике. Часто придуманная химиками реакция, которая должна была привести к получению вещества с нужной структурной формулой, не происходила. Это было вызвано тем, что подобные формальные схемы не учитывали реакционной способности веществ, вступавших в химическую реакцию.

Поэтому важнейшим шагом в развитии структурной химии стало создание теории химического строения органических соединений русским химиком А.М. Бутлеровым. Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других.

В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры — устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом, и молекулярной структуры — сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.

На основе достижений структурной химии у исследователей появилась уверенность в положительном исходе экспериментов в области органического синтеза.В это время появились всевозможные азокрасители для текстильной промышленности, различные препараты для фармации, искусственный шелк и т.д.

11. Развитее неорганической химии .История неорганической химии тесно связана с историей химии. Уже в глубокой древности человек был знаком с такими простыми веществами как уголь, сера, сурьма. Известны были и семь металлов (золото, серебро, железо, медь, олово, ртуть, свинец). Из числа сложных веществ люди были знакомы с рудными минералами, служившими сырьем для возникшей тогда металлургии (малахит, гематит, касситерит, свинцовый блеск, киноварь), а также с кварцем, мелом, гипсом и солями, встречающимися в природе . Первые общетеоретические представления сформировавшиеся в Древней Греции, были основаны на учении о стихиях и на атомистике Демокрита. Учение о стихиях и их взаимопревращениях трансформировалось в средневековые представления о трансмутации веществ. В период алхимии наука обогатилась полученными эмпирически знаниями о многих неорганических веществах – минеральных кислотах, щелочах, соединениях ртути и мышьяка. В XVI веке химия все еще оставалась на чисто эмпирических позициях. В это время большое развитие получило военное дело и металлургия. В трудах Парацельса было впервые предложено использовать искусственно полученные неорганические вещества для лечения болезней. В алхимический период были открыты такие элементы как фосфор, мышьяк, висмут, цинк. Разделение веществ на минеральные и органические впервые осуществил Н. Лемери в «Курсе химии» 1675 г. В результате изучения металлических руд в первой половине XVIII века были открыты платина, кобальт, никель. Первой теорией, разрушившей фундамент алхимии, стала теория флогистона, согласно которой металлы представляют собой сложные тела, при горении выделяющие особую субстанцию – флогистон. Теория флогистона была опровергнута А.Л. Лавуазье и М.В. Ломоносовым, которые доказали, что при нагревании на воздухе металлы присоединяют кислород. Именно в это время (вторая половина XVIII века – начало XIX века) были открыты многие газы – кислород, азот, водород, углекислый газ, угарный газ, аммиак, хлороводород, хлор. В составленной Лавуазье таблице было уже 23 простых тела, а также несколько радикалов (кислотных остатков) и земель (известь, магнезия, барит, глинозем, кремнезем). Число простых веществ заметно увеличилось в XIX веке, когда Г. Дэви открыл щелочные и щелочно-земельные металлы. Для этого он использовал электролиз оксидов при помощи вольтова столба. Несколько позднее Велером был получен алюминий нагреванием безводного хлорида алюминия с металлическим калием. Внедрение в химию физических методов исследования, в частности, спектрального анализа, позволило открыть в середине XIX века цезий, рубидий, таллий, индий.

Важнейшим событием в развитии неорганической химии стало открытие в 1869 г великим русским химиком Д.И. Менделеевым периодического закона и создание Периодической системы химических элементов. Триумф периодического закона стал возможен благодаря его предсказательной силе и открытию в 1875 – 1886 гг предсказанных на его основе элементов экабора, (скандия), экасилиция (германия) и экаалюминия (галлия). Во второй половине XIX века были открыты и инертные газы. Несколько десятилетий ушло на разделение редко-земельных элементов, которое завершилось лишь в 1945 году открытием прометия. Особая страница в истории неорганической химии посвящена открытию радиоактивных элементов. Исследование радиоактивности в конце XIX – начале XX века привело к открытию радия, полония, актиния, радона, протактиния. В первой половине XX века были открыты редкие и рассеянные элементы рений, гафний технеций, астат, франций. К середине XX века, таким образом, все встречающиеся в природе элементы стали уже известны.

Во второй половине XX века были получены искусственно радиоактивные элементы, следующие в периодической системе за протактинием. На октябрь 2009 года ученым известно 117 химических элементов (с порядковыми номерами с 1 по 116 и 118), из них 94 обнаружены в природе, а 23 получены искусственно. Однако число простых веществ, известных науке, возрастает не только за счет работ по синтезу неустойчивых ядер. Ведутся поиски и новых аллотропных модификаций уже известных элементов. Так, во второй половине XX века было синтезировано несколько новых модификаций серы, черного фосфора. А за открытие молекулярной формы углерода – фуллеренов – Р. Керл, Х. Крото, Р. Смоли получили в 1986 г Нобелевскую премию по химии.