материалы по КСЕ для заоч

4 Структурная химия

В основе структурной химии лежит химическая атомистика Дж. Дальтона, согласно которой любой химический индивид состоит из совокупности молекул, обладающих строго onpеделенным качественным и количественным составом. Более конкретные представления о структуре молекул содержатся в теории Берцелиуса, который пытался ответить на вопрос: существует какая-либо упорядоченность в объединении атомов в молекуле или они объединяются произвольно. И. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы химических эле обладают различной электроотрицательностью в зависимости от места, которое они занимают в ряду элементов с убывающей электроотрицательностью. Атом каждого элемента несет дна заряда: положительный и отрицательный, но в зависимости от места в ряду один из зарядов больше. Объединение атомов и молекулу приводит к частичной нейтрализации зарядов.

Полная нейтрализация невозможна из-за неравенства зарядов. Поэтому молекулы каждого соединения обладают также избыточным зарядом и склонны к образованию более сложный молекул в виде комплексов.

Таким образом, по Берцелиусу, молекула представляет собой объединение двух разноименно заряженных атомов или атомных групп-радикалов. В этом заключается содержание понятия "структура " по Берцелиусу.

Французский химик Ш. Жерар (1816—1856) показал, что структурные представления Берцелиуса соответствуют действительности только в ряде случаев. Молекула является единой неделимой и унитарной системой, в которой все атомы всех элементов взаимодействуют — взаимно преобразуются, в этом сущность "структуры" по Жерару. Хотя данная идея и получила дальнейшее развитие, но она не указывала конкретные пути для синтеза новых веществ. Такие пути наметились в работах немецкого химика Ф. Кекуле. Он сформулировал основные положения теории валентности, обосновав наличие для углерода четырех единиц сродства, а для азота, кислорода и водорода соответственно трех, двух и одной.

Число единиц сродства, присущее атому того или иного химического элемента, он назвал валентностью. Объединение атомов в молекулу происходит путем замыкания свободных единиц сродства

H- + - Н -> Н₂; 2Н
+ -О--> Н₂О.

Элемент углерода за счет замыкания единиц сродства его атомов способен образовать углерод углеродные цепи. Комбинируя атомы разных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения.

Таким образом можно создавать схему синтеза любого химического соединения, в том числе и неизвестного. Однако в некоторых случаях, хотя формульная схема составлена правильно, химическая реакция может не осуществиться. Поэтому нужно учитывать не только методику составления формул, но и химическую активность реагентов, которая лежит в основе теории химического строения Бутлерова. В 30-е годы нашего века теория Бутлерова нашла физическое квантовомеханическое обоснование. Согласно современным представлениям структура молекул -это пространственная и энергетическая упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов.

Теория Бутлерова способствовала активным действиям. Так, и 1860-е годы были синтезированы на основе простейших углеводородов из каменноугольной смолы и аммиака анилиновые красители — фуксин, анилиновая соль, ализарин. Кроме того, были получены новые вещества: индиго, флавоны, ксантоны; взрывчатые вещества: тринитротолуол, тринитрофенол, уротропин; лекарственные препараты: аспирин, феноцетин, антифебрин, салол, антипирин и т.п.

Синтез красителей и взрывчатых веществ типа тринитролуо-ла происходит с выходом продуктов до 80 — 90% и позволяет создавать крупнотоннажное производство.

Выход же лекарственных препаратов и душистых веществ составляет 15—50%. В некоторых случаях поставщиками фармацевтической продукции стали химические лаборатории, созданные при аптеках.

Однако органический синтез многих веществ, основанный только на принципах структурной химии, имеет настолько низкий выход продуктов и большие отходы, что не может быть использован в промышленных масштабах.

Относительно недавно открыт новый класс металлоорганических соединений с двухслойной структурой, названной структурой сэндвичевых соединений. К такому классу относится ферроцен. Хотя подобного рода соединения пока не нашли практического применения, они представляют теоретический интерес при анализе природы валентности и химической связи.

Обнаружены некоторые интересные особенности структуры молекулы, которая непрерывно перестраивается. Такова, в частности, молекула бульвалена С10Н10- Она имеет форму шара, по поверхности которого с огромной скоростью перемещаются 10 атомов углерода и 10 атомов водорода; при этом как бы имитируется симметрия молекулы, которая необходима для ее устойчивости.

Структурная химия охватывает и неорганические материалы. В структурной неорганической химии можно выделить два перспективных направления:

синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;
создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрически ми, магнитными, оптическими и другими свойствами.

Выращивание кристаллов требует специальных условий, при которых необходимо исключить воздействие внешних фактором, даже таких, как поле гравитации, поэтому некоторые эксперименты по выращиванию кристаллов проводятся в космосе на орбитальных станциях.

Не менее трудоемко и создание кристаллов с нужными дефектами, так как такой процесс сопровождается появлением незапрограммированных дефектов.

Исследования последнего времени направлены на разработку эффективных технологий синтеза не только органических, но и неорганических материалов.

Содержание