Szerves kémia - ez a szénhidrogének és származékaik kémiája.
Szénhidrogének (HC) - ezek a legegyszerűbb szerves anyagok, amelyek molekulái mindössze két elem atomjaiból állnak: C és H. Például: CH 4, C 2 H 6, C 6 H 6 stb.
HC származékok- ezek a szénhidrogénmolekulákban lévő "H" atomok más atomcsoportokra vagy atomcsoportokra történő helyettesítésének termékei. Például:
A „szerves kémia” elnevezés a 19. század elején jelent meg, amikor megállapították, hogy a széntartalmú anyagok képezik a növényi és állati szervezetek alapját.
A XIX. század 20-as évekig. sok tudós úgy gondolta, hogy szervetlen anyagokból laboratóriumban nem lehet szerves anyagokat előállítani, ezek csak az élő természetben keletkeznek egy speciális "életerő" közreműködésével. Az „életerő” tanának ún vitalizmus.
A.M. Butlerov Ez a doktrína nem tartott sokáig, mert már a XIX. század elején és közepén. sok szerves anyagot szintetizáltak:
1828 – Wehler karbamidot (CO (NH 2) 2) szintetizál, amely a szervezetben képződő termékek egyike;
1850-es évek – A Berthelot zsírokat szintetizál;
1861 – Butlerov szintetizálta az egyik szénhidrátot.
Jelenleg több mint 10 millió szerves anyag ismeretes; sok közülük nem létezik a természetben, hanem a laboratóriumban nyerik. A különféle szerves anyagok ipari szintézise a vegyipar egyik fő iránya.
A szerves és szervetlen anyagok között nincs alapvető különbség. A tipikus szerves anyagok azonban számos olyan tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek megkülönböztetik őket a tipikus szervetlen anyagoktól. Ennek oka a kémiai kötések természetének különbsége:
A szerves vegyületek kémiai szerkezetére vonatkozó elmélet főbb rendelkezései
Ezt az elméletet az orosz tudós, A.M. Butlerov (1858-1861).
én pozíció . A szerves anyagok molekuláiban lévő atomok vegyértéküknek megfelelően meghatározott sorrendben kapcsolódnak egymáshoz.
Azt a sorrendet, amelyben az atomok egy molekulában kapcsolódnak, ún kémiai szerkezete(szerkezet).
A szerves vegyületekben a szénatomok láncokat (szénvázat) képezhetnek egymással. Bizonyos szénatomok jelenlététől függően a láncok a következők:
A) egyenes (nem elágazó)- két primer atomot tartalmaznak (szélsőségesek a láncban), a többi atom másodlagos; Például:
b) elágazó– legalább egy tercier vagy legalább egy kvaterner szénatomot tartalmaznak; Például:
V) zárt (ciklusok)– nem tartalmaznak primer szénatomokat; Például:
II pozíció . Az anyagok tulajdonságai nemcsak összetételüktől, hanem molekuláik szerkezetétől is függenek.
Például két különböző anyag van, amelyek összetétele megegyezik a C 2 H 6 O tapasztalati képlettel kifejezve:
Izomerek- azonos összetételű, de eltérő molekulaszerkezetű és eltérő tulajdonságú anyagokról van szó.
izoméria az izomerek létezése.
Az izomerek tapasztalati képlete ugyanaz, de szerkezeti képlete eltérő. A molekulában lévő szénatomok számának növekedésével az izomerek száma meredeken növekszik; Például:
C4H10-2 izomerek,
C10H22-75 izomerek.
Az izoméria típusai
1. Strukturális izoméria
2. Téri izoméria(geometriai izoméria, cisz-transz izoméria)
Az atomok kapcsolódási sorrendje ezekben az izomerekben azonos, de az atomok térbeli elrendezése eltérő.
3. Osztályok közötti izoméria - különböző osztályokba tartozó anyagok izomériája szerves vegyületek:
III pozíció. A szerves anyagok molekuláiban az atomok és atomcsoportok hatnak egymásra. Ez kölcsönös befolyásolás meghatározza az anyagok tulajdonságait.
Tekintsük például az OH-csoport hatását a „H” atomok mobilitására a benzolciklusban:
A benzolmagban egy atom szubsztituált.
Az -OH csoport jelenlétében a benzolmagban három hidrogénatom helyettesítődik.
Másrészt a szénhidrogén gyök befolyásolja az OH-csoport hidrogénatomjának mobilitását:
Ha az -OH csoport a benzolgyűrűhöz kapcsolódik, akkor a benne lévő hidrogénatom mozgékony, és kölcsönhatás során atommal helyettesíthető.
Ha az -OH csoport alkilcsoporthoz kapcsolódik, a benne lévő hidrogénatom mobilitása kicsi, és lúg hatására nem helyettesíthető fémmel.
homológ sorozat. homológok
homológ sorozat- ez egy olyan szerves vegyületek sorozata, amelyben a sorozat minden következő tagja CH 2 csoporttal különbözik az előzőtől. A hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkező, homológ sorozatot alkotó vegyületeket ún homológok. A CH 2 csoport ún homológiai különbség.
Például: CH 4, C 2 H 6, C 3 H 8, C 4 H 10 ... CnH 2 n+ 2.
Az összes tag összetétele homológ sorozatáltalános képlettel fejezhető ki.
Szerves anyagok osztályozása
A legtöbb szerves vegyület a következő képlettel jellemezhető: R-X, ahol R jelentése szénhidrogéncsoport; X egy funkciós csoport.
Funkcionális csoportok olyan atomcsoportok, amelyek meghatározzák a legjellemzőbbet Kémiai tulajdonságok szerves vegyületek. Szénhidrogén gyökök funkciós csoportokhoz kapcsolódó szénhidrogén-maradékok.
1. A szerves anyagok osztályozása a szénhidrogén gyök szerkezete szerint (R)
2. Szerves anyagok osztályozása funkciós csoportok szerint (X)
A szerves reakciók fajtái
1. Addíciós reakciók
2. Szubsztitúciós reakciók
3. Eliminációs reakciók
4. Bomlási reakciók
5. Izomerizációs reakciók
6. Oxidációs reakciók
A szerves kémia a szerves vegyületek és átalakulásaik tudománya. A "szerves kémia" kifejezést J. Berzelius svéd tudós vezette be a 19. század elején. Ezt megelőzően az anyagokat előállításuk forrása szerint osztályozták. Ezért a XVIII. A kémiának három fajtája volt: „növényi”, „állati” és „ásványi”. A XVIII. század végén. A. Lavoisier francia kémikus kimutatta, hogy a növényi és állati szervezetekből nyert anyagok (innen a nevük "szerves vegyületek") az ásványi vegyületekkel ellentétben csak néhány elemet tartalmaznak: szenet, hidrogént, oxigént, nitrogént, és néha foszfort és ként is. Mivel a szén változatlanul minden szerves vegyületben jelen van, a szerves kémia a 19. század közepe óta foglalkozik. gyakran a szénvegyületek kémiájának nevezik.
A szénatomok azon képessége, hogy hosszú el nem ágazó és elágazó láncokat, valamint gyűrűket képeznek, és ezekhez más elemeket vagy csoportjaikat kapcsolják, az oka a szerves vegyületek sokféleségének és annak, hogy számuk nagymértékben meghaladja a szervetlen vegyületekét. Ma körülbelül 7 millió szerves vegyületet ismerünk, és körülbelül 200 ezer szervetlen vegyületet.
A. Lavoisier művei után és egészen a XIX. század közepéig. A vegyészek intenzív kutatást folytattak a természetes termékekben található új anyagok után, és új módszereket dolgoztak ki ezek átalakítására. Különös figyelmet fordítottak a vegyületek elemi összetételének meghatározására, következtetéseikre molekuláris képletek valamint a vegyületek tulajdonságainak összetételüktől való függésének megállapítása. Kiderült, hogy egyes, azonos összetételű vegyületek tulajdonságaikban különböznek. Az ilyen vegyületeket izomereknek nevezték (lásd Izomerizmus). Megfigyelték, hogy sok vegyület a kémiai reakciók változatlan elemcsoportok kicserélődnek. Ezeket a csoportokat gyököknek nevezték, és azt a tant, amely a szerves vegyületeket ilyen gyökökből állóként próbálta bemutatni, a gyökök elméletének nevezték. A 40-50-es években. 19. század kísérletek történtek a szerves vegyületek osztályozására a szervetlenek típusa szerint (például a C2H5-O-H etil-alkoholt és a C2H5-O-C2H5 dietil-étert víz H-O-H). Mindezek az elméletek, valamint a szerves vegyületek elemi összetételének és molekulatömegének meghatározása azonban még nem alapultak egy kellően fejlett atom- és molekulaelmélet szilárd alapján. Ezért be szerves kémia nézeteltérések voltak az anyagok összetételének megírásában, és még az olyan egyszerű vegyületet is, mint az ecetsav, különböző empirikus képletekkel ábrázolták: C4H404, C8H804, CrH402, amelyek közül csak az utolsó volt helyes.
Csak miután A. M. Butlerov orosz tudós megalkotta a kémiai szerkezet elméletét (1861), a szerves kémia szilárd tudományos alapon amely a jövőben biztosította gyors fejlődését. Létrehozásának előfeltételei az atom- és molekulaelmélet fejlesztésének sikerei, a vegyértékről és a kémiai kötésről alkotott elképzelések voltak az 50-es években. 19. század Ez az elmélet lehetővé tette új vegyületek létezésének és tulajdonságaik előrejelzését. A tudósok megkezdték a természetben nem előforduló szerves vegyületek szisztematikus kémiai szintézisét, amelyet a tudomány előre jelzett. Így a szerves kémia nagymértékben a mesterséges vegyületek kémiájává vált.
A XIX. század első felében. A szerves vegyészek főként alkoholok, aldehidek, savak és néhány más aliciklusos és benzoes vegyület szintézisével és tanulmányozásával foglalkoztak (lásd Alifás vegyületek; Aliciklusos vegyületek). A természetben nem található anyagokból klór-, jód- és bróm származékokat állítottak elő, valamint az első fémorganikus vegyületeket (lásd Szerveselem-vegyületek). A kőszénkátrány a szerves vegyületek új forrásává vált. Benzolt, naftalint, fenolt és más benzenoid vegyületeket, valamint heterociklusos vegyületeket - kinolint, piridint - izoláltak belőle.
A XIX. század második felében. szénhidrogéneket, alkoholokat, elágazó szénláncú savakat állítottak elő, megkezdődött a gyakorlati szempontból fontos vegyületek (indigó, izoprén, cukrok) szerkezetének, szintézisének vizsgálata. A cukrok (lásd Szénhidrátok) és sok más vegyület szintézise a sztereokémia megjelenése után vált lehetővé, amely tovább folytatta a kémiai szerkezet elméletének fejlődését. Először a szerves kémia fele XIX V. szorosan kapcsolódott a gyógyszerészethez – a gyógyászati anyagok tudományához.
A XIX. század második felében. erős szövetség alakult ki a szerves kémia és az ipar, elsősorban az anilinfesték között. A vegyészek feladata volt az ismert természetes színezékek (alizarin, indigó stb.) szerkezetének megfejtése, új színezékek létrehozása, valamint ezek szintézisének műszakilag elfogadható módszereinek kidolgozása. Igen, a 70-es, 80-as években. 19. század alkalmazott szerves kémia.
XIX vége - XX század eleje. a szerves kémia fejlődésében új irányok kialakítása jellemezte. Ipari méretekben a szerves vegyületek leggazdagabb forrását, az olajat kezdték használni, és ehhez kapcsolódott az aliciklusos vegyületek kémiájának és általában a szénhidrogénkémiának rohamos fejlődése (lásd Petrokémia). A szerves vegyületek átalakítására gyakorlatilag fontos katalitikus módszerek jelentek meg, amelyeket P. Sabatier Franciaországban, V. N. Ipatiev, majd Oroszországban N. D. Zelinsky hozott létre (lásd Katalízis). A kémiai szerkezet elmélete jelentősen elmélyült az elektron felfedezésének, valamint az atomok és molekulák szerkezetére vonatkozó elektronikus elképzelések megalkotásának köszönhetően. A molekulák fizikai-kémiai és fizikai vizsgálatának hatékony módszereit fedezték fel és fejlesztették ki, elsősorban a röntgendiffrakciós analízist. Ez lehetővé tette a szerkezet feltárását, és ezáltal a tulajdonságok megértését és nagyszámú szerv szintézisének megkönnyítését! ikai kapcsolatokat.
A 30-as évek elejétől. 20. század megjelenésével kapcsolatban kvantummechanika megjelentek azok a számítási módszerek, amelyek lehetővé tették a szerves vegyületek szerkezetére és tulajdonságaira vonatkozó következtetések levonását számítással (lásd Kvantumkémia).
A kémiai tudomány új területei közé tartozik a fluor szerves származékainak kémiája, amelyek nagy gyakorlati jelentőségre tettek szert. Az 50-es években. 20. század megjelent az árvegyületek kémiája (ferrocén stb.), amely összekötő kapocs a szerves és szervetlen kémia között. Az izotópok használata szilárdan beépült a szerves vegyészek gyakorlatába. Már a 20. század elején. szabadon létező szerves gyököket fedeztek fel (lásd Szabad gyökök), majd ezt követően létrehozták a nem többértékű szerves vegyületek kémiáját - karbóniumionok, karbanionok, gyökös ionok, molekulaionok (lásd Ionok). A 60-as években. teljesen új típusú szerves vegyületeket szintetizáltak, például a katenánokat, amelyekben az egyes ciklikus molekulák kapcsolódnak egymáshoz, hasonlóan az öt egymásba fonódó olimpiai gyűrűhöz.
Szerves kémia a XX. nagy gyakorlati jelentőségre tett szert, különösen az olajfinomítás, a polimer szintézis, a szintézis és a fiziológiai tanulmányozás terén. hatóanyagok. Ennek eredményeként a petrolkémia, a polimerkémia és a bioorganikus kémia a szerves kémiából önálló tudományágakká váltak.
A modern szerves kémia összetett szerkezettel rendelkezik. Magja a preparatív szerves kémia, amely a természetes termékektől való elkülönítéssel és az egyes szerves vegyületek mesterséges előállításával, valamint ezek előállítására szolgáló új módszerek megalkotásával foglalkozik. Ezeket a problémákat nem lehet megoldani analitikai kémia nélkül, amely lehetővé teszi a szerves vegyületek tisztasági fokának, homogenitásának (homogenitásának) és egyediségének megítélését, adatokat szolgáltatva izolált állapotban összetételükről és szerkezetükről, valamint arról, hogy mikor. kiindulási anyagként, a reakció közbenső és végtermékeként működnek. Erre a célra analitikai kémia különféle kémiai, fizikai-kémiai és fizikai módszerek kutatás. A preparatív és analitikus szerves kémia előtt álló problémák tudatos megoldását az elméleti szerves kémiára való támaszkodás biztosítja. Ennek a tudománynak a tárgya a szerkezetelmélet továbbfejlesztése, valamint a szerves vegyületek összetétele és szerkezete, valamint tulajdonságaik, a szerves reakciók lefolyásának feltételei és sebessége és megvalósulása közötti összefüggések megfogalmazása. Kémiai egyensúly. Az elméleti szerves kémia tárgyai lehetnek nem reagáló vegyületek és azok átalakulása során keletkező vegyületek, valamint a reakciók során fellépő köztes, instabil képződmények.
A szerves kémia ilyen szerkezete különböző tényezők hatására alakult ki, amelyek közül a legfontosabbak a gyakorlat követelményei voltak és maradnak. Ez magyarázza például azt a tényt, hogy a modern szerves kémia rohamosan fejleszti a heterociklusos vegyületek kémiáját, amely szorosan kapcsolódik egy olyan alkalmazási területhez, mint a szintetikus és természetes drogok kémiája.
Tanulmányozza a szerves vegyületek összetételét, szerkezetét, tulajdonságait és alkalmazását.
Minden szerves vegyületnek van egy köztulajdon: Feltétlenül tartalmaznak szénatomokat. A szerves vegyületek molekulái a szénen kívül hidrogént, oxigént, nitrogént, ritkábban ként, foszfort és halogéneket tartalmaznak.
Jelenleg több mint húszmillió szerves vegyület ismeretes. Ez a sokféleség a szén egyedi tulajdonságainak köszönhető, amelynek atomjai egymással és más atomokkal egyaránt erős kémiai kötéseket képesek kialakítani.
A szervetlen és szerves vegyületek között nincs éles határ. Bizonyos szénvegyületek, például szén-oxidok, sók szénsav, tulajdonságaik jellege szerint szervetlennek minősülnek.
A legegyszerűbb szerves vegyületek a csak szén- és hidrogénatomot tartalmazó szénhidrogének. Más szerves vegyületek a szénhidrogének származékainak tekinthetők.
Ez az a tudomány, amely a szénhidrogéneket és származékaikat vizsgálja.
Vannak természetes eredetű szerves vegyületek (keményítő, cellulóz, földgáz, olaj stb.) és szintetikus (a laboratóriumokban és gyárakban végzett szintézisek eredményeként).
A természetes eredetű szerves vegyületek közé tartoznak az élő szervezetekben képződött anyagok is. Ez pl. nukleinsavak, fehérjék, zsírok, szénhidrátok, enzimek, vitaminok, hormonok. Ezen anyagok szerkezetét, tulajdonságait, biológiai funkcióit biokémia vizsgálja, molekuláris biológiaÉs bioszerves kémia.
Túlnyomó többség gyógyszerek szerves vegyületek. A gyógyászati anyagok kémiája gyógyszerek létrehozásával és a szervezetre gyakorolt hatásuk tanulmányozásával foglalkozik.
Az olaj (az alábbi ábra), a földgáz, a szén és a fa feldolgozásából nagyszámú szintetikus szerves vegyület keletkezik.
1 - vegyipari alapanyagok; 2 - aszfalt; 3 - olajok; 4 - üzemanyag repülőgépekhez; 5 - kenőanyagok; 6 - dízel üzemanyag; 7 - benzin
A szerves kémia vívmányait használják fel a termelésben építőanyagok, a gépészetben és mezőgazdaság, orvostudomány, elektromos és félvezető ipar. Szintetikus üzemanyagok, szintetikus mosószerek, polimerek és műanyagok, színezékek stb. nélkül lehetetlen elképzelni a modern életet.
Az ember által nyert szerves anyagok élő szervezetekre és a természet egyéb tárgyaira gyakorolt hatása eltérő. Egyes szerves vegyületek használata bizonyos esetekben súlyos következményekkel jár környezetvédelmi kérdések. Például a klórtartalmú DDT rovarölő szer, amelyet korábban a káros rovarok elleni védekezésre használtak az élő szervezetekben való felhalmozódása és a szervezetben történő lassú bomlás miatt. természeti viszonyok jelenleg használatban van tiltva.
Feltételezzük, hogy a fluor-klór-szénhidrogének (freonok) (például difluor-diklór-metán CF 2 Cl 2) hozzájárulnak a légkör ózonrétegének pusztításához, amely megvédi bolygónkat a Nap kemény ultraibolya sugárzásától. Emiatt a freonokat kevésbé veszélyes telített szénhidrogénekkel helyettesítik.
A szavazáshoz engedélyezni kell a JavaScriptetA szerves kémia az a tudomány, amely az úgynevezett szénvegyületeket vizsgáljaszerves anyagok. Ebben a vonatkozásban szerves kémiának is nevezik szénvegyületek kémiája.
A szerves kémia külön tudománygá válásának legfontosabb okai a következők.
1. Számos szerves vegyület a szervetlenekhez képest.
Az ismert szerves vegyületek száma (kb. 6 millió) jelentősen meghaladja az összes többi elem vegyületeinek számát periodikus rendszer Mengyelejev. Jelenleg körülbelül 700 000 szervetlen vegyület ismeretes, és egy év alatt körülbelül 150 000 új szerves vegyületet állítanak elő. Ezt nemcsak az magyarázza, hogy a vegyészek különösen intenzíven foglalkoznak szerves vegyületek szintézisével és tanulmányozásával, hanem azzal is, hogy a szén elem különleges képessége, hogy szinte korlátlan számú szénatomot tartalmazó vegyületeket adjon láncokban és ciklusokban összekapcsolva.
2. A szerves anyagok rendkívül sokrétű gyakorlati alkalmazásuk és az élőlények életfolyamataiban döntő szerepük miatt rendkívüli jelentőséggel bírnak.
3. Jelentős különbségek vannak a szerves vegyületek és a szervetlen vegyületek tulajdonságaiban és reakciókészségében, ennek következtében felmerült az igény a szerves vegyületek vizsgálatára szolgáló számos specifikus módszer kidolgozására.
A szerves kémia tárgya a legfontosabb szerves vegyületek osztályok előállításának, összetételének, szerkezetének és alkalmazási módszereinek tanulmányozása.
2. A szerves kémia fejlődésének rövid történeti áttekintése
A szerves kémia, mint tudomány a 19. század elején öltött formát, de az ember szerves anyagokkal való megismerkedése és gyakorlati felhasználása már az ókorban elkezdődött. Az első ismert sav az ecet, ill vizes oldat ecetsav. Az ókori népek ismerték a szőlőlé erjesztését, ismerték a primitív lepárlási módszert, és abból terpentint nyertek; A gallok és a németek tudták a szappant főzni; Egyiptomban, Galliában és Németországban tudták, hogyan kell sört főzni.
Indiában, Föníciában és Egyiptomban igen fejlett volt a szerves anyagok segítségével történő festés művészete. Ezenkívül az ókori népek olyan szerves anyagokat használtak, mint az olajok, zsírok, cukor, keményítő, gumi, gyanták, indigó stb.
A kémiai ismeretek fejlődésének időszakát a középkorban (kb. a 16. századig) az alkímia időszakának nevezték. A szervetlen anyagok vizsgálata azonban sokkal sikeresebb volt, mint a szerves anyagok vizsgálata. Ez utóbbival kapcsolatos információk csaknem olyan korlátozottak maradtak, mint a régebbi korokban. Némi előrelépés történt a desztillációs módszerek fejlesztése révén. Ily módon különösen számos illóolajat izoláltak, és erős boralkoholt kaptak, amelyet az egyik olyan anyagnak tekintettek, amellyel a bölcsek kövét el lehet készíteni.
18. század vége figyelemre méltó sikerek jellemezték a szerves anyagok tanulmányozásában, és a szerves anyagokat pusztán tudományos szempontból kezdték vizsgálni. Ebben az időszakban számos legfontosabb szerves savat (oxálsav, citromsav, almasav, gallusz) izoláltak és leírtak növényekből, és kiderült, hogy az olajok és zsírok közös komponensként tartalmazzák az „olajok édes kezdetét”. (glicerin) stb.
Fokozatosan elkezdték tanulmányozni a szerves anyagokat - az állati szervezetek létfontosságú tevékenységének termékeit. Például a karbamidot és a húgysavat emberi vizeletből, a hippursavat pedig tehén- és lóvizeletből izolálták.
A jelentős tényanyag felhalmozása erős lökést adott a szerves anyagok mélyebb tanulmányozásának.
Először a koncepció szerves anyag a szerves kémiát pedig Berzelius svéd tudós vezette be (1827). Berzelius egy számos kiadást átélt kémia tankönyvben kifejezi meggyőződését, hogy „az élő természetben az elemek más törvényeknek engedelmeskednek, mint az élettelen természetben”, és hogy szerves anyagok nem képződhetnek közönséges fizikai és kémiai erők hatására, hanem szükségesek. különleges „életerő” a kialakulásához. A szerves kémiát úgy határozta meg, mint "növényi és állati anyagok, vagy az életerő hatására keletkező anyagok kémiáját". A szerves kémia későbbi fejlődése bebizonyította e nézetek tévességét.
1828-ban Wöhler kimutatta, hogy egy szervetlen anyag - az ammónium-cianát - hevítéskor az állati szervezet hulladéktermékévé, karbamiddá alakul.
1845-ben Kolbe egy tipikus szerves anyagot - ecetsavat - szintetizált, kiindulási anyagként szenet, ként, klórt és vizet használva. Viszonylag rövid idő alatt számos más szerves savat is szintetizáltak, amelyeket korábban csak növényekből izoláltak.
1854-ben Berthelot-nak sikerült szintetizálnia a zsírok osztályába tartozó anyagokat.
1861-ben A. M. Butlerov mészvíz paraformaldehid hatására először hajtotta végre a metilénenitán szintézisét, a cukrok osztályába tartozó anyagot, amely, mint ismeretes, fontos szerepet játszik a cukrok létfontosságú folyamataiban. szervezetek.
Mindezek a tudományos felfedezések a vitalizmus – az „életerő” idealista tanának – összeomlásához vezettek.
S. I. LEVCSENKOV
A KÉMIA TÖRTÉNETÉNEK RÖVID VÁZLATA
oktatóanyag az Orosz Állami Egyetem Kémiai Karának hallgatói számára
5.2. SZERKEZETI KÉMIA
A szerkezeti kémia megjelenése
A 19. század első felében egy alapvetően új kémiafogalom született - szerkezeti kémia, abból kiindulva, hogy egy anyag tulajdonságait nemcsak az összetétele határozza meg, hanem a szerkezete is, pl. az atomok kapcsolódási sorrendje és térbeli elrendezése. A legelső szerkezeti reprezentációk szükségszerűen Dalton atomizmusával együtt keletkeznek. Az „egyszerű atomok” „összetett atomokká” való egyesítésére vonatkozó ötletek kidolgozása során Dalton egyetlen célt tűzött ki célul – olyan elmélet létrehozását, amely megmagyarázza az empirikusan felfedezett sztöchiometrikus törvényeket. Azonban a Dalton által választott szimbólumok kémiai elemekösszetett atomok ábrázolásakor az atomok egymáshoz kapcsolásának bizonyos sorrendjének megválasztását feltételezték. Az atomok kapcsolódási sorrendjének kérdése azonban meglehetősen hosszú ideig elhalasztották, mivel a kémikusoknak nem voltak olyan tényei, amelyek az atomok kapcsolódási módszerének az anyag tulajdonságaira gyakorolt hatását mutatták volna. Berzelius kémiai szimbolikája lehetővé tette ennek a kérdésnek a megkerülését, bár Berzelius elektrokémiai elmélete még mindig figyelembe vesz néhány olyan problémát ("adhéziós erők", "együttállás" stb.), amelyek később a szerkezetkémia alapvető kérdéseivé váltak.
A szerkezeti kémia megjelenése láthatóan az izoméria jelenségének felfedezésével hozható összefüggésbe. 1825-ben Johann Justus von Liebig felfedezte, hogy a fulminsav elemi összetétele pontosan megfelel a ciánsav összetételének, amelyet Friedrich Wöhler egy évvel korábban szerzett. A Wöhler és Liebig által végzett ismételt elemzések egyértelműen megállapították, hogy léteznek azonos összetételű, de tulajdonságaikban eltérő anyagok. A ciánsavval folytatott munka folytatása, Wöhler ammónium-izocianát oldatának bepárlásával, amely 1828-ban egy izomer szerves anyagot, a karbamidot nyert. 1830-ban J. Ya. Berzelius megállapította, hogy a szőlő- és a borkősav is azonos összetételű, de tulajdonságaikban különböznek. Berzelius javasolta a kifejezést a felfedezett jelenségre "izoméria"(a görög ισοζ μερον - egyenlő mérték). Hamar kiderült, hogy ez a jelenség rendkívül gyakori a szerves kémiában. A szerves anyagok összetétele viszonylag kis számú elemet - szenet, hidrogént, nitrogént, oxigént, ként és foszfort (az úgynevezett organogén elemeket) - tartalmaz, rendkívül sokféle tulajdonsággal. Éppen ezért szinte az egész 19. században keresettek voltak a szerkezeti koncepciók, elsősorban a szerves kémiában. Hangsúlyozni kell azonban, hogy a „szerkezeti kémia” és a „szerves kémia” fogalmak között nem szabad kategorikusan egyenlőségjelet tenni.
A szerves anyagok szerkezeti problémájának megoldása Berzelius kb radikálisok- poláris (oxigént nem tartalmazó) atomcsoportok, amelyek változás nélkül átjuthatnak egyik anyagból a másikba. Még 1810-1811-ben. Joseph Louis Gay-Lussac és Louis Jacques Tenard megmutatta ezt cianid gyök A CN egyetlen atomként viselkedik (sőt, nagyon hasonlít a klór- vagy brómatomhoz). A gyökök fogalma, amely jól illeszkedik Berzelius elektrokémiai elméletéhez, lehetővé tette ennek az elméletnek a szerves anyagokra való kiterjesztését.
Szerkezetkémiai elméletek megalkotása
A komplex gyökök elmélete Liebig és Wöhler "A benzoesav gyökéről" című, 1832-ben megjelent munkája után sok vegyész keletkezett és kezdett aktívan fejleszteni. Liebig és Wöhler kimutatta, hogy az atomok csoportosítása C 14 H 10 O 2 (a helyes bruttó képlet a C 7 H 5 O) a benzoesav átalakulási láncában (benzaldehid - benzoesav - benzoil-klorid - benzoil-cianid) egészében úgy viselkedik, mint egyfajta "szerves atom". Az összetett gyökök elmélete gyorsan szinte egyetemes elfogadottságot kapott. 1837-ben a "A szerves kémia jelenlegi helyzetéről" című általánosító cikkben, amelynek egyik szerzője Liebig volt, azzal érveltek, hogy a komplex gyökök tanulmányozása a szerves kémia fő feladata, mivel a "cián, amid, benzoil" , az ammóniagyökök, zsírok, alkohol és származékai a szerves természet valódi elemeit alkotják, míg a legegyszerűbb alkotóelemek - szén, hidrogén, oxigén és nitrogén - csak a szerves anyagok elpusztulásakor találhatók meg. A leírt gyökök száma gyorsan növekedett. Az összetett gyökök elmélete abból a feltevésből indult ki, hogy a gyökök képesek önálló létezésre, bár a kémikusok nem tudták elkülöníteni őket. Berzelius ezt írta erről: "Az ok, amiért nem tudjuk elkülöníteni a gyököket... nem az, hogy nem léteznek, hanem az, hogy túl gyorsan egyesülnek."
koordinációs kémia
A vegyértékelméletet meglehetősen hosszú ideig főleg szerves vegyületekre alkalmazták. Hamarosan azonban a kémiában is igény mutatkozott a szerkezeti ábrázolások iránt. összetett vegyületek. Ennek a szakasznak az elméleti ábrázolásai szervetlen kémiaátmenetifém-sók ammóniával való kölcsönhatásából nyert komplexek tulajdonságainak tanulmányozása alapján jöttek létre. Az első lépés a koordinációs kémia felé az volt ammónium hipotézis Thomas Graham (1840), aki analógiát látott az ammónia savakkal és fémsókkal való kölcsönhatása között; e hipotézis szerint a fém az ammóniumionban az egyik hidrogénatom helyét vette át. Graham hipotézisét 1851-ben Hoffmann dolgozta ki, aki azt javasolta, hogy az ammóniumgyökben lévő hidrogénatom helyettesíthető egy másik ammóniumgyökkel.
A következő lépés az volt láncelmélet 1869-ben Christian Wilhelm Blomstrand javasolta és Sophus Mads Jørgensen fejlesztette tovább. A Blomstrand-Jørgensen elméletben egyes elemek esetében megengedett a szokásosnál magasabb vegyérték, valamint a nitrogén-, oxigén- és más elemek atomjai által láncok kialakulásának lehetősége. A komplexet alkotó savmaradékok közötti, kísérletileg megállapított különbséget a fémhez vagy a lánc végéhez való közvetlen kötődésük eltérő módja magyarázta. Például a CoCl 3 6NH 3, CoCl 3 5NH 3 és CoCl 3 4NH 3 összetételű ammóniakomplexek esetében, amelyekből három, kettő, illetve egy ekvivalens klór van leválasztva ezüst-nitráttal, Jörgensen a következő szerkezetet feltételezte:
A Blomstrand-Jörgensen elmélet azonban nem tudta megmagyarázni például a CoCl 3 ·4NH 3 összetételű két izomer komplex létezését - prazeosókat (zöld) és violeosókat (ibolya).
