Теория А.М. Бутлерова - основные положения и значение для науки

Процесс формирования и развития теории

Первые химические опыты Бутлеров проводил во время обучения в пансионе. Он изготавливал бенгальские огни и порох. Во время преподавания в Казанском и Московском университетах Александр Михайлович написал 2 диссертации: «Об окислении органических соединений» и «Об эфирных маслах». В середине 1850-х гг. он участвовал в заседаниях Парижского химического общества и первым синтезировал сахаристое вещество — метиленитана. Это событие стало предпосылкой создания теории Бутлерова.

Во середине XIX столетия Бутлеров занимался изучением явлений валентности и изомерии. В этот исторический период концепции химического строения сложных веществ основывались на исследованиях химика Йенса Берцелиуса. Ученый предполагал, что все химические соединения являются производными воды, аммиака, водорода и иных неорганических веществ. Учение Берцелиуса легло в основу теории радикалов. Александр Михайлович был несогласен с автором этой концепции и считал, что все формулы должны показывать строение химического вещества.

В феврале 1858 г. Бутлеров презентовал результаты своих исследований на заседании Парижского химического общества. Во время выступления он кратко озвучил главные положения будущей теории химического строения. Предметом исследования являлось строение органических веществ. Александр Михайлович ввел понятие структуры соединений и предложил классификацию сложных веществ, исходя из их химического строения. Он заявил, что для объяснения разных свойств химических соединений важно выделить особенности их главных элементов — атомов.

Вскоре стало понятно, что бутлеровская теория является временной. Она не могла полностью объяснить характеристики и реакционные способности молекул химических веществ. Существует 2 основных направления развития теории Бутлерова:

• Стереохимия. Она исследует пространственное строение молекул химических соединений.
• Дисциплины, посвященные электронному строению атомов. Они описывают причины проявления разных химических свойств.

Теория Бутлерова стала основой для современных исследований сущности взаимного влияния атомов. Она активно применяется не только в химии, но и в физических дисциплинах (при изучении электронного строения мельчайших частиц). Учения Александра Михайловича использовались при создании первой модели атома физиком Джозефом Томсоном.

Главные тезисы теории

Основные положения теории Бутлерова:

• органические вещества имеют одинаковый качественный и количественный состав, вне зависимости от способа их образования;
• валентность углерода, входящего в состав органических веществ, равняется 4;
• существует несколько вариантов соединения атомов в молекуле сложных химических элементов;
• атомы соединены друг с другом в строгой последовательности;
• узнать свойство органического соединения можно при помощи его строения (это правило работает и в обратном направлении);
• атомы, образующие молекулу вещества, взаимно влияют друг на друга (интенсивность влияния зависит от порядка и прочности соединения).

На основе этих тезисов было открыто явление изомерии. Вещества, имеющие идентичный состав и разное химическое строение, были названы изомерами. Примеры изомеров: бутан и изобутан. Они имеют идентичный атомный состав и одинаковую молекулярную массу, но обладают отличительными свойствами.

Методы изображения строения молекул

Для отображения порядка соединения атомов Бутлеров разработал структурную формулу. Связь между мельчайшими частицами изображается в виде черточек. Их количество определяет число общих электронных пар. Валентность углерода равна 4, поэтому он всегда образует 4 связи. С помощью этой формулы было подтверждено существование вторичных и третичных спиртов.

По числу углеродных атомов частицы подразделяются на следующие виды:

• первичные: соседствуют с 1 атомом углерода;
• вторичные: имеют 2 соседних углеродных атома;
• третичные: соседствуют с 3 атомами углерода;
• четвертичные: имеют 4 соседних углеродных атома.

Отображение молекул органических веществ осуществляется при помощи брутто-формул. Они представляют собой запись количественного и качественного состава вещества в сокращенном виде. Всем классам органических соединений соответствует общая формула гомологического ряда. Она показывает количественный состав гомологов, отличающихся на 1 группу CH2. Примеры гомологов: этан (С2H6) и пропан (C3H8).

Синтез веществ

На основе бутлеровской теории производится синтез органических соединений. Ученый доказал, что при помощи контролируемых реакций возможно создать новые вещества. Спустя несколько лет после публикации учения Бутлерова было проведено множество экспериментов. В их результате получилось синтезировать изобутилен, изомеры пентана и соединения, относящие к спиртам.

Современные технологии позволяют производить синтез веществ из нескольких сложных элементов, что позволяет улучшить их химические свойства. Для синтезирования применяются металлоорганические соединения, богатые электронами. Они используются при массовом производстве насыщенных углеводородов и сверхтонких волокон.

Систематизация знаний о химии

Бутлеровская теория позволила систематизировать знания о веществах и объяснить основные химические явления с точки зрения математической логики. Ученый первым в истории доказал наличие упорядоченной структуры атомов. При помощи использования элементов геометрии и комбинаторики создатель теории химического строения смог разработать классификацию атомных соединений, что позволило ученым выявлять свойства и характер сложных веществ без проведения комплексных исследований.

Влияние на науку

Теория имеет огромное значение для развития химического моделирования и представления общенаучной картины мира. Она позволила:

• классифицировать органические соединения по свойствам и строению атомов;
• использовать формулы для отражения строения молекул и химической связи между атомами сложных веществ;
• предсказывать свойства неоткрытых элементов и разрабатывать способы их синтеза в лабораторных условиях;
• изучить явление изомерии и выявить отличия в качественном и количественном составе органических соединений.

На основе бутлеровской теории была создана классификация углеводородов, являющихся объектом изучения органической химии. Она включает в себя 8 основных подклассов:

1. Галогенопроизводные: образованы от галогенов (химических элементов, находящихся в 17 группе периодической системы Д. И. Менделеева).
2. Спирты: включают в себя несколько гидроксильных групп.
3. Простые и сложные эфиры: имеют 2 углеводородных радикала. Являются производными карбоновых кислот.
4. Карбонильные соединения (альдегиды и кетоны): их молекулы содержат карбонильную группу.
5. Карбоновые кислоты: в молекулах содержатся карбоксильные группы.
6. Амины: являются производными аммиака. В их молекулах атомы водорода замещаются углеводородными радикалами.
7. Нитросоединения: в молекулах содержится несколько нитрогрупп, состоящих из азота и кислорода.
8. Сульфокислоты: содержат в себе сульфогруппы, состоящие из серы, кислорода и водорода. Выделяются ароматические, гетероциклические сульфокислоты и алкансульфокислоты.

Основные наименования представителей этих групп содержатся в общей номенклатуре ИЮПАК, созданной Международным союзом теоретической и прикладной химии. Переход между классами осуществляется посредством ряда последовательных химических реакций, при этом углеродная основа соединений не изменяется.

Это явление называется органическим синтезом и используется во время производства лекарственных препаратов, косметических средств, растительных удобрений, бытовых товаров и топливных жидкостей для транспортных средств.