Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Благодаря возникновению нового способа решения проблем генезиса свойств не только в зависимости от состава, но и от структуры, возникает целый ряд теорий высокой степени общности и абстракции, необыкновенной эвристической и практической ценности; эти теории положили начало второй концептуальной системе - структурной химии (первая - наука о составе веществ или «наука о химических элементах и их соединениях»). Поднявшись на новый, более высокий (по отношению к науке о составе) уровень знаний, химия превратилась из науки преимущественно аналитической в науку главным образом синтетическую. Период становления структурной химии историки называют «триумфальным маршем органического синтеза». На те требования развития производства, которые вызвали этот способ, химия уже в 1870-1890-х годах ответила получением всевозможных азокрасителей для текстильной промышленности, самых различных препаратов для фармации, искусственного шёлка для производственных и бытовых нужд. На этом уровне развития химии возникла технология органических веществ.

Её появление было ошеломляющим, т.к. до неё все названные здесь материалы можно было добывать в ограниченных масштабах и с огромными затратами низкопроизводительного, преимущественно сельскохозяйственного труда. Но изумление успехами структурной химии было недолговечным. Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в ХХ в. Выдвинуло совершенно необычные для материаловедения требования: нужны были материалы (и в невиданных масштабах!) со строго заданными свойствами - высооктановое моторное топливо, особые смазки, специальные каучуки и пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ, основанный лишь на структурной химии, был уже непригоден:

1) он не обеспечивал экономически приемлемых выходов продуктов;

2) он ориентировался, как правило, на активные исходные вещества - спирты, кислоты и т.п. - растительного происхождения (достаточно сказать, что первый синтетический каучук получен из этилового спирта с выходом мономера 28 - 30%, а спирт - из зерна);

3) он не располагал необходимыми возможностями управления процессами синтеза.

Под влиянием новых требований производства возник новый способ решения проблемы генезиса, который послужил основанием новой концепции - учения о химических процессах.

Закономерности развития химических знаний, представляющих собой единственную систему. Её элементами являются сменяющие друг друга структурные теории, общность которых состоит в том, что все они решают проблему генезиса свойств в зависимости не только от состава, но и от структуры. Различие же их заключается в различном понимании структуры, т.е. в разном содержании, которое они вкладывают в понятие структуры.

Смена структурных теорий - факт исторический. Он описан в сотнях монографий по истории химии со всеми подробностями тех драматических событий, которые в конце концов приводят к созданию научных основ органического синтеза.

Но вместе с тем смена структурных теорий - это не хаотический, а строго закономерный процесс, подчиняющийся логике развития научного знания. Рассмотрим сменяющиеся друг друга структурные теории в соответствии с системной природой объекта изучения как органически целостная цепочка, каждое последующее звено которой, отрицая абсолютизацию истины предыдущего звена, последовательно раскрывает новые стороны структуры молекул и таким образом ведёт ко всё более всестороннему охвату содержания понятия структуры. [1, c. 105]

1. Возникновение первых структурных представлений

Самые первые структурные представления обособлены по отношению к последующим. Они возникли в атомистике Д. Дальтона в качестве своеобразного вывода из учения о составе и функционируют на первом уровне развития химических знаний, т.е. в русле первой концептуальной системе.

Дальтон, развивая представления о способах объединения «простых атомов» в «сложные», преследовал лишь одну цель - создать теорию для объяснения эмпирически открытых стехиометрических законов. Или иначе говоря, Дальтон решил проблему отношений только между составом и структурной тел, опираясь на результаты предшествующего изучения отношений между составом и свойствами и вовсе не затрагивая проблемы изменения свойств в зависимости от структуры.

Но в высшей степени интересно то обстоятельство, что Дальтон выдвинул такие соображения о соединении «простых» атомов в «сложные», которые привели к химической символике структурных формул и предвосхищают многие представления о структуре ряда сложных соединений, появившиеся полвека спустя.

Рассуждения Дальтона о порядке связей атомов в частице и о характере самих связей представляют собой поистине увертюру к структурной химии всего ХIХ в., ибо в них содержится основной мотив, вошедший во многие структурные теории. Это объясняется тем, что системные представления о составе, структуре и свойствах, определяющие основные атрибуты молекулы как единой системы, нераздельны. Эта их нераздельность, или слитность, предполагает необходимость изучения отношения как попарно, так и в целом всех углов треугольника. И поэтому осуществленное Дальтоном глубокое исследование отношений между составом и структурой при наличии богатой информации об отношениях между составом и свойствами послужили достаточным основанием для выхода полученных результатов в качестве своеобразного прогноза на уровень второй концептуальной системы, назначением которой является уже изучение отношений между структурой и свойствами.

2. Эволюция понятия структуры в химии

Понятие структуры является весьма общим; подобно понятию состава, оно характеризует закономерности образования и существования любой системы как множества взаимосвязанных элементов.

Более или менее общепринятым, а, главное, наиболее подходящим для химии является определение понятия структуры как устойчивой упорядоченности качественно неизменных систем, сформулированное советским философом В.С. Тюхтиным.

Основным структурным объектом химии является молекула, рассматриваемая в самом широком смысле этого слова как единая квантово - механическая система, в том числе, следовательно, и любая гигантская молекула, например, монокристалл.

3. Дуалистическая теория Берцелиуса

Вслед за Дальтоном, который обратился к понятию структуры для того, чтобы провести теоретический фундамент под эмпирические законы, регулирующие состав соединений, к тому же понятию прибегнул Берцелиус, впервые со всей определённостью указавший на недостаточность фактора состава для объяснения свойств и бесконечного качественного разнообразия химических соединений. Правда, предлагая такое принципиально новое объяснение, Берцелиус не только не назвал его структурным, но он даже не применил в нём термина «структура». И тем не менее на все вопросы, которые пришлось ему решать, относятся к фундаментальным вопросам структурной химии. Сюда прежде всего относятся суждения о природе сродства и химической связи и о порядке «соположения» атомов в частице.

Сущность учения Берцелиуса о химических соединениях сводится к следующим положениям: 1) все химические элементы можно расположить в ряд, где в направлении справа налево каждый последующий элемент будет являться более электроотрицательным, чем предыдущий, и, наоборот, в направлении слева направо каждый последующий элемент будет электроположительным; 2) атом каждого элемента несёт оба заряда, но в зависимости от места элемента в ряду один из зарядов больше; 3) образование химических соединений происходит за счёт частичной нейтрализации зарядов, так как полная их компенсация вследствие неравенства зарядов атома невозможна; 4) из предыдущего положения следует, что частица (молекула) каждого соединения также обладает каким-либо избыточным зарядом.

Берцелиус считал, что частица (молекула) химического соединения представляет собой не хаотическое нагромождение атомов, а определённую упорядоченность, заключающуюся в объединении двух разноимённо заряженных атомов или атомных группировок, способных к самостоятельному существованию.

Подтверждением дуалистической теории и одновременно мощным стимулом её развития явилось экспериментальное открытие сложных радикалов в составе органических молекул. В 1832 г. Либих и Велер установили, что при взаимном превращении кислородсодержащих соединений в ряду бензальдегид - бензойная кислота - бензоилхлорид - бензоилцианид одна и та же многоатомная группа С₇Н₅О, названная бензоилом, остаётся неизменной, переходя из соединения в соединение.

Поиски органических радикалов, направляемый дуалистической теорией, стал модой. Химики ставили перед собой цель выделения их в свободном виде и были уверены, что достигли этой цели.

Дуалистическая теория выглядела весьма стройной, логически непротиворечивой. Она опиралась на высшие достижения химии последней четверти ХVIII и первого десятилетия XIX в.

Положение о том, что молекула химического соединения построена из радикалов, способных к самостоятельному существованию, было главным в теории Берцелиуса.

4. Унитарная теория Ш. Жерара как диалектическое отрицание дуализма

Концепцией, положившей конец дуализму, оказалась унитарная теория Ш. Жерара, отчётливо сформулированная и экспериментально обоснованная им в ряде работ в 1840-х годах. Сущность этой теории можно свести к следующим положениям:

1. Вновь образованное химическое соединение следует рассматривать не только как качественно новое вещество, но и как утрату прежних свойств составивших его химических элементов.

2. Молекула химического соединения представляет собой не простую совокупность атомов и атомных групп, способных к самостоятельному существованию, а целостную «унитарную», т.к. единую систему

3. Отличие молекулы как унитарной системы от множества самостоятельно существующих элементов, из которых она образована, состоит в том, что в системе атомы вступают во взаимодействие, приводящее к существенным изменениям их свойств.

4. Для более точного описания качественного состояния вещества целесообразно ввести, помимо понятия свойств тела и свойств молекулы, новое понятие функции, посредством которого можно характеризовать химическую способность атомов и атомных групп в молекуле.

5. Функция любого данного атома в молекуле зависит не только от природы элемента, но и от его количества, равно и от природы и количества тех элементов, с которыми он соединён.

В химическом отношении высшим достижением унитарной теории является идея о взаимном влиянии атомов в молекуле, ставшая впоследствии одной из главных предпосылок бутлеровской теории химического строения.

5. Формульный схематизм Кекуле и Купера как отрицание отрицания

Структурная теория А. Кекуле позволила «из природы элементов выводить природу как радикалов, так и их соединений». Сущность этой теории сводилась к следующему.

1. Атом каждого элемента характеризуется определённой способностью вступать в химическое взаимодействие с другими элементами в строгом соответствии с его «атомностью» (т.е. валентностью), выражаемой числом единиц сродства

2. Все элементы подразделяются на одновалентные, двухвалентные, трёхвалентные и четырёхвалентные.

3. Исходя из этого, как радикалы, так и химические соединения можно рассматривать как объединение атомов путём такого их «соприлегания» друг к другу, при котором каждая из единиц сродства одного атома вступает в соединение с единицей сродства другого.

Теория Кекуле и Купера с необыкновенной лёгкостью и простотой объясняли строение и «сложных радикалов», и органических соединений в целом. Молекула любого химического соединения рассматривалась в этих теориях как такое целостное образование, которое складывается из атомов за счёт полного взаимного насыщения единиц сродства. Теории Кекуля и Купера обосновали таким образом истинность и действительность учения Берцелиуса о сложных радикалах, но они запретили то вольное обращение с понятием радикала, которое допускал Берцелиус, стирая грань между радикалом и молекулой. Такой синтез всех предшествующих структурных идей на основе теории валентности привёл к той ступени в развитии классической структурной химии, на которой оказалось возможным получение из элементов или простейших веществ самых разнообразных органических соединений. Это был канун того периода в истории органической химии, который обычно характеризуется как «триумфальное шествие органического синтеза». [2, c. 73]

6. Теория химического строения А.М. Бутлерова - первая теория реакционной способности органических веществ

А.М. Бутлеров в 1861 г. показал, что в основу структурных представлений должны быть положены не столько суммативные геометрические принципы, сколько системные химические представления, определяющие реакционную способность любого структурного фрагмента молекулы в зависимости от всей структуры в целом.

Бутлеров явился первым представителем классической химии, решительно вступившим на путь отказа от абсолютизации стехиометрических, или «основных», законов химии, согласно которым атомной дискретности якобы непременно должна соответствовать и дискретность химизма.

Отличительной чертой теории А.М. Бутлерова является именно положение о «распределении действия» химической силы, «вследствие которого химические атомы, посредственно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу» и образуют неравноценные межатомные связи. Он указывает на то, что от «количества сродства необходимо отличать его напряжение, - большую или меньшую энергию, с которой оно связывает вещества между собой», «напряжение это изменяется, смотря по натуре действующих веществ и по условиям, при которых действие происходит».

Это был переход от наглядных и привычных механических образов к явно привычным и в то время ещё немоделируемым принципам неравномерного, нецелочисленного распределения химических сил, переход от статических моделей пространственного расположения атомов к подлинно динамическим идеям взаимного влияния и взаимного преобразования элементов единой целостной системы. [3, c. 202]

7. Конец антиномии «структура - динамика»

Понятие структуры с XVII в. Применяется для обозначения взаимного расположения составных частей природных или искусственно полученных сложных тел - горных пород, почвы, минералов, металлов. В 1770-1780 понятие структуры прочно вошло в кристаллографию как синоним жесткого пространственного сорасположения атомов в твёрдых телах, обладающих формой многогранника. Именно из кристаллографии это понятие непосредственно перешло в химию, где ещё с работ Дальтона для обозначения порядка взаимного сорасположения атомов в частице химического соединения пользовались термином «конструкция». Под структурой или строением Меншуткин понимал лишь статику сооружения молекулы, а под динамикой - механическое перемещение атомов. Бутлеров же сущность внутренней динамики молекулы видел в «определенной взаимной зависимости между атомами», которая выражается в определённом порядке связей между ними, в неодинаковом распределении сил, или энергии, сродства по этим связям. [2, c. 93]

Вывод

За свою более чем полуторавековую историю структурная химия достигла поистине поразительных результатов. Установлено строение и открыты пути синтеза сложнейших природных соединений - терпенов, углеводов, пептидов и белков, нуклеиновых кислот, стероидов, антибтотиков, витаминов и коферментов, алкоидов. Созданы научные основы препаративного органического синтеза самых разнообразных соединений. И, конечно, все эти успехи вовсе не означают того, что структурная химия достигла потолка. Нет, дальнейшие перспективы её развития безграничны. Они состоят в поисках новых зависимостей между валентностью свободных атомов и структурной образуемых из них частиц, новых корреляций между различными видами химических связей в результате более эффективных методов количественного обсчёта многоэлектронных систем, в установлении новых форм химических соединений типа ферроцена, бульвалена, всевозможных элементоорганических соединений, в частности фторуглеродов и их производственных.

Но если перспективы развития структурной химии безграничны, то возможности её использования как средства решения основной производственной задачи химии - экономически рационального получения материалов с заданными свойствами - имеют определённые пределы.

Пределы использования структурной химии в производственной практике обусловлены собственно тем относительно невысоким уровнем развития химических знаний, на котором находится эта концептуальная система. Она ограничена рамками информации лишь о явлениях, происходящих в качественно неизменяющейся молекуле, т.е. в веществе, находящемся в дореакционном состоянии.

Список использованной литературы

1. Бацанов, С.С. Экспериментальные основы структурной химии / С.С. Бацанов. М., 1986. - 105 с.

2. Кузнецов, В.И. Общая химия. Тенденции развития / В.И. Кузнецов. М., 1989. - 73 с.

3. Соловьев, Ю.И. История химию. / Ю.И. Соловьев. М., 1983. - 202 с.

Размещено на Allbest.ru