Теория химического строения
|
 |
А.М.Бутлеров
|
Потребность в правильной теории как бы висела в воздухе. В сентябре 1861 г. в немецком городе Шпейере состоялся 36-й съезд естествоиспытателей и врачей, на котором выступил молодой русский профессор-химик Александр Михайлович Бутлеров. Приехал он не из Санкт-Петербурга или Москвы, а из провинциальной Казани и взялся учить горделивых западных химиков уму-разуму, предложив им свое видение проблем органической химии, позволяющее вывести химию из тупика.
Не удивляйтесь, если мое изложение будет отличаться от того, что написано в учебнике. Я буду опираться исключительно на труды Бутлерова, не цитируя его, а излагая его мысли, суммируя их из разных источников. Конечно же, было бы интересно и поучительно цитировать и цитировать, но на это нет времени.
Запишем первое положение из представленных на схеме (см. с. 14). Что здесь принадлежит Бутлерову, а что другим химикам – его предшественникам и современникам? Вопрос о конституции вещества, его строении обсуждался постоянно, и каждый химик считался исключительно со своим мнением. Одному и тому же веществу приписывали различные формулы – в зависимости от того, в какую реакцию оно вступает. Бутлеров твердо заявил, что химическое соединение имеет только одну химическую формулу, независимо от реакции, в которой оно участвует.
Более того, он утверждал, что вещество состоит из молекул, а молекулы из атомов, которые между собой химически связаны, т.е. он принял на вооружение решения Международного конгресса химиков, который состоялся в 1860 г. в немецком городе Карлсруэ. Россию там представляли Д.И.Менделеев, А.П.Бородин – химик и композитор, Н.Н.Зинин – наставник Бутлерова и др. (всего семь человек). На том конгрессе договорились, что необходимо различать атом и молекулу, что формулы выражают именно состав молекул,которые могут вступать в химические реакции и определяют физику тел, а атом – «наименьшее количество тела, заключающееся в частицах», «неделимое простое тело».
Бутлеров в этом вопросе пошел дальше, считая, что атомы делимы. Более того, он полагал, что атомы в молекулах «одарены движением». Гениальная интуиция – смотреть на молекулу как на динамическую систему, энергетически насыщенную частицу.
Второе положение (см. схему на с. 14) Бутлеров называл «принципом химического строения», а всю совокупность своих идей – теорией. Есть публикации, которые возводят названный принцип в ранг закона, но это обсуждать мы не будем. Это положение – чисто бутлеровская идея, сердцевина теории, ее сущность и дух. Всю свою жизнь он защищал и разрабатывал эту идею, отбиваясь от своих оппонентов, идейных противников (как зарубежных, так и отечественных). Историческая правда такова, что против «структуристов» выступал и Дмитрий Иванович Менделеев, но он же давал Бутлерову самые лестные эпитеты, высоко ценил его как ученого.
Что же дает нам это положение? Прежде всего из него вытекает простое и ясное обоснование (теоретическое!) явления изомерии: если два и более веществ имеют одинаковый состав молекул, но различные свойства (физические или химические), то эти молекулы имеют различное химическое строение. Более того, зная химическое строение вещества (строение его молекул), можно предсказать (прогнозировать) его свойства, а зная свойства – иметь суждение о его химическом строении.
Третье положение. Сама идея о взаимном влиянии атомов в молекуле как «унитарной» (единой) частице принадлежит Жерару, но Бутлеров придал ей ту глубину и содержательную наполненность (см. схему), которые позволили постичь истину первого порядка – зацепиться за главную причину химического и физического поведения тел, т. е. веществ. Другое дело, что Бутлеров не мог объяснить, и это естественно, каким образом это влияние передается по молекулярной цепочке – от атома к атому. Не прошло и десяти лет, как его ученик В.В.Марковников конкретизировал это положение теории, и вам уже известна закономерность замещения атома водорода на атом хлора у третичного атома углерода – правило Марковникова.
Ни одна теория не возникает на голом месте, даже если накоплен значительный экспериментальный материал. Настоящей научной теории предшествуют поиски, идеи, предположения обобщающей направленности и теоретические приобретения локального, узконаправленного характера. Выделим валентность (это слово вошло в обиход науки позже, а тогда использовали «атомность», «сродство»), о четырехвалентности атома углерода в составе органических веществ, вы уже знаете, как и о способности атомов С образовывать цепи, но в момент зарождения теории химики знали и признавали цепи только нормального строения.
Обратите внимание на год, когда были сформулированы основополагающие идеи структурной теории, и на выстроенные в ряд даты (имена есть в учебнике). Ведь сближение дат свидетельствует, что научное событие готовилось естественным ходом истории и состоялось, как только были созданы предпосылки. Бутлеров сам подчеркивал, что его теория не только не опровергает четырехвалентность углерода, но, напротив, подтверждает ее и непосредственно вытекает из этого факта.
Если определить валентность атома углерода, например, в метане, то мы получим число 4, в остальных случаях – меньше, чем 4, и даже дробные числа. Определите в этане, пропане, бензоле, который, как вы знаете, известен с 1825 г., валентности атомов углерода. А теперь запишите структурные формулы этих молекул. И что мы видим? Атом углерода везде четырехвалентен. С проблемой бензола, как вам известно, в 1865 г. разобрался А.Кекуле, один из оппонентов Бутлерова. И из этого тупика химию вывел Бутлеров.
Теперь легко ответить еще на один вопрос – о причине многообразия органических веществ. Она кроется в способности атомов углерода образовывать цепи практически любой длины. Далее – изомерия, т. е. при одном составе молекул возможно существование не одного, а многих веществ.
Объяснив и разрешив хронические проблемы органической химии первой половины XIX в., Бутлеров, заботясь об укреплении своей теории, стал призывать химиков искать факты, которые как бы опровергали теорию. Таких фактов не было. Напротив, каждое новое достижение экспериментальной химии вписывалось в бутлеровские представления и только укрепляло теорию.
Следствия – это важнейшая структурная составляющая любой теории и любого закона. Посмотрите на планшеты «Закон постоянства состава веществ» и «Закон Авогадро». В первом случае – 6 следствий, во втором – 10. Следствиями являются и прогнозы. Любая теория должна уметь прогнозировать и ставить проблемы, в том числе прогнозировать существование новых фактов.
Из бутлеровской теории вытекало, что должен существовать третичный бутиловый спирт. Известный немецкий химик А.В.Г.Кольбе предсказал существование вторичных и третичных спиртов. Бутлеров же конкретно указал на триметилкарбинол и в 1864 г. осуществил его синтез, а экспериментатором Бутлеров был замечательным. Это был триумф структурной теории. Далее он предположил, что кроме бутана нормального строения должен существовать изобутан, и в 1866 г. доказал это, вопреки авторитету Карла Шорлеммера, который подобное отрицал, особенно для олефинов.
В 1867 г. Бутлеров осуществил синтез изобутилена. Свое сообщение об этом ученый воспринимал как победу его убеждений над неверием и недоверием к идеям структурной теории.
Но уровень знаний о природе вещей был скорее интуитивным, гипотетическим, на что неоднократно ссылался Бутлеров. Поэтому у его теории был предел возможностей (и на это указывал сам Бутлеров, как и на то, что она, теория, не способна объяснить все, она относится только к органическим веществам и веществам, построенным из частиц).
Следовательно, перед наукой (ее теориями) ставятся вопросы, которые для своего разрешения нуждаются во времени. Действительно, что такое валентность, какова ее природа? Вы это знаете, а Бутлеров не знал.
А что такое химическая связь в первопричине, в сущности? Это вы знаете, изучив химию в 9-м и 10-м классах. Природа химической связи – электронная. Даже в конце жизни Бутлерова электрон еще не был открыт.
Атомы влияют друг на друга. Но как? Почему? Вчера весь урок мы занимались вопросами механизма взаимного влияния атомов в молекуле на электронной основе. Вспомните этот материал.
Бутлеров никогда не считал, что созданная им теория – истина в последней инстанции, как делали до него многие химики-органики. Он даже однажды заявил, что его теория падет, как многие прежние теории, но она «умрет» не для того, чтобы исчезнуть, а войдет в круг новых представлений.
Есть такое выражение: «Практика?– критерий истины». Теория открывает путь практике. Практика подтверждает право теории на существование. Не такими словами, но эти идеи высказывал Бутлеров. Ему принадлежит такая короткая, но наполненная смыслом фраза: «История науки является историей развития идей». Начиная с Бутлерова в химии возникло так называемое синтетическое направление. Причем синтез приобрел черты направленности, осмысленности.
Выдающийся химик-синтетик М.Бертло (книга о нем тоже выставлена) не признавал ни атомов, ни теорий, считая их вредными понятиями, и, находясь в плену своих заблуждений, больше занимался количественной стороной химических реакций, их энергетикой. Он ввел понятия «экзотермическая реакция», «эндотермическая реакция», а Бутлеров на основе теоретических суждений сумел обосновать энергетические изменения при химических реакциях органических веществ.
Вам необходимо поработать самостоятельно, познакомиться с литературой.
Л и т е р а т у р а
Бутлеров А.М. Избранные работы по органической химии. М.: Изд-во АН СССР, 1951; Бутлеров А.М. Сочинения (в 3 т). Т. 3. М.: Изд-во АН СССР, 1958; Волков В.А. и др. Выдающиеся химики мира. М.: Высшая школа, 1991; Быков Г.В. История классической теории химического строения. М.: Изд-во АН СССР, 1960; Арбузов А.Е. Избранные работы по истории химии. М.: Наука, 1975; Арбузов А.Е. А.М.Бутлеров – великий русский химик. М.: Изд-во АН СССР, 1961; Быков Г.В. А.М.Бутлеров. М.: Просвещение, 1978; Быков Г.В. Август Кекуле. М.: Наука, 1964; Мусабеков Ю.С. Марселен Бертло. М.: Наука, 1965; Фаерштейн М.Г. Шарль Жерар. М.: Наука, 1968; Хейниг К. Карл Шорлеммер. М.: Мир, 1978; Соловьев Ю.И., Куринной В.И. Якоб Берцелиус. М.: Наука, 1980; Андрусев М.М., Андрусева Е.М. Н.Н.Зинин, В.В.Марковников. М.: Просвещение, 1977; Быков Г.В., Крицман В.А. Станиcлао Канниццаро. М.: Наука, 1972; Ушакова Н.Н. Карл Карлович Клаус. М.: Наука, 1972; Андрусев М.М., Андрусева Е.М. Н.Н.Бекетов, Н.А.Меншуткин. М.: Просвещение, 1977; Красногоров В. Юстус Либих. М.: Знание, 1980; Зорина Л.Я. Системность – качество знаний. Сер. Педагогика и психология, 1976, № 1.