Природознавство. 11 клас. Ільченко
§ 2. Теорія хімічної будови органічних сполук
Засвоївши матеріал параграфа, ви познайомитесь з теоретичною основою органічної хімії — теорією хімічної будови органічних сполук О. М. Бутлерова, зможете сформулювати основні положення цієї теорії.
Багатоманітність органічних сполук. На відміну від неорганічних речовин, якісний склад органічних сполук обмежений. Проте кількість їх дуже велика.
Знайомлячись у 9-му класі із найважливішими органічними сполуками, ви переконались, що світ органічних речовин — вражаюче різноманітний. На сьогодні відомо понад 20 мільйонів органічних сполук, у той час як неорганічних — у багато разів менше. Із року в рік число сполук Карбону зростає за рахунок речовин, добутих у хімічних лабораторіях. Чому ж органічних сполук так багато?
• Пригадай будову атома Карбону, враховуючи його розміщення в періодичній системі, запиши його електронні формули для основного і збудженого стану. Зобрази графічну електронну формулу з використанням енергетичних комірок.
• Яку валентність виявляє Карбон в органічних сполуках? Які типи хімічного зв’язку він утворює?
Ви вже знаєте, що багатоманітність органічних речовин зумовлена унікальною властивістю атомів Карбону з’єднуватись один з одним, утворюючи при цьому довгі, часто розгалужені ланцюги, створювати цикли різних типів, встановлювати поряд із звичайними (одинарними) кратні (подвійні, потрійні) зв’язки. Для атомів інших елементів спроможність сполучатись між собою з утворенням довгих ланцюгів не характерна. Ця життєво важлива здатність Карбону обумовлена як ковалентним характером утворюваних ним зв’язків, так і досить високою їх міцністю — енергія С — С зв’язку становить близько 350 кДж/моль. Це помітно більше енергії зв’язку між атомами найближчого аналога Карбону — Силіцію (190 кДж/моль).
Структуру органічних сполук зображають структурними формулами. На відміну від молекулярних формул, які виражають лише якісний та кількісний склад речовини, структурні формули показують також послідовність сполучення атомів та зв’язки між ними у молекулі.
Властивості органічних сполук, як відомо, вивчаються органічною хімією. Теоретичною основою органічної хімії є теорія хімічної будови органічних сполук.
Основні положення теорії хімічної будови. Тривалий час загадковим явищем в органічній хімії було існування речовин, що мали однаковий якісний і кількісний склад, але різні властивості. Це явище пояснила теорія хімічної будови органічних сполук, розроблена російським хіміком О. М. Бутлеровим у другій половині XIX століття. За її допомогою вдалось з’ясувати взаємозв’язок між складом, будовою та властивостями органічних сполук. Основні положення цієї теорії такі:
1) атоми в молекулах сполучені один з одним не безладно, а у певному порядку згідно з їх валентністю; атоми Карбону мають унікальну здатність сполучатись між собою утворюючи ланцюги — лінійні, розгалужені та циклічні;
2) властивості речовин залежать не тільки від якісного і кількісного їх складу, але і від того, в якому порядку вони зв’язані між собою (послідовність сполучення атомів в молекулі, яка визначає властивості речовини, називають хімічною будовою);
3) атоми (або групи атомів) певної молекули взаємно впливають один на одного — від цього залежить реакційна здатність молекули.
Отже, згідно з теорією хімічної будови властивості речовин залежать не лише від їхнього складу, але і від хімічної будови молекул. Хімічна будова речовин може бути відображеною структурною формулою, яка є одною єдиною для цієї речовини.
Теорія як вища форма наукових знань. Теорія хімічної будови органічних сполук О. М. Бутлерова дістала назву класичної. Вона є одним із найважливіших узагальнень хімічної науки. Теорія — це вища форма наукових знань, яка дає цілісне уявлення про закономірності та суттєві зв’язки об’єктів і явищ, що вивчаються. Наукознавці вважають, що певна наукова дисципліна набуває статусу справжньої науки лише тоді, коли вона спирається на кількісні закони і створює власні теорії.
Створення теорії — завжди значний крок у розвитку науки. Лише за допомогою наукової теорії можливе достовірне пояснення експериментальних фактів. Вона не лише узагальнює, систематизує і пояснює накопичений експериментальний матеріал, визначає шляхи досліджень, а й дозволяє робити передбачення. Адже без передбачення неможлива цілеспрямована людська діяльність. Теорія хімічної будови органічних сполук О. М. Бутлерова, наприклад, не лише пояснила будову і властивості уже відомих речовин, а й передбачила будову і властивості нових (у тому числі практично важливих) сполук
Наукові теорії, як правило, існують спочатку у вигляді гіпотези — правдоподібної, свідомо спрощеної моделі того чи іншого явища. Потім гіпотезу детально і всебічно перевіряють на практиці. У хімії та фізиці надійним і ефективним засобом перевірки гіпотез є експеримент. І лише коли гіпотеза витримує всебічну перевірку, вона стає теорією..
Наукові теорії разом із науковими законами та принципами є найбільш достовірними формами знання і становлять основу будь-якої науки. Вони є важливими елементами наукової картини світу, складають її ядро.
Лабораторний дослід 1. Виготовлення моделей молекул парафінів
Для виготовлення моделей молекул зробіть із пластиліну темного кольору чотири кульки діаметром 2-3 см (вони будуть моделювати атоми Карбону) та десять кульок світлого кольору меншого розміру (1,5-2 см), які будуть відповідати атомам Гідрогену. На поверхні великих кульок намітьте по чотири крапки, рівновіддалених одна від одної, вони позначають місця можливого «утворення» хімічних зв’язків.
Модель молекули метану. За допомогою сірників або невеликих паличок приєднайте до темної кульки («атому» Карбону) в намічених раніше місцях чотири світлі кульки («атоми» Гідрогену). Пластилінові кульки злегка вдавіть одну в іншу, при цьому вони дещо сплющаться, що буде імітувати перекривання електронних хмар атомів.
Модель молекули пропану. Від виготовленої вами моделі метану відніміть одну світлу кульку і на її місце приєднайте, злегка вдавлюючи, темну кульку («атом» Карбону). До неї приєднайте дві маленькі кульки — «атоми» Гідрогену, а на вільне четверте місце — третій «атом» Карбону з трьома «атомами» Гідрогену. У створеній моделі карбоновий ланцюг починає приймати зигзагоподібну форму.
Модель молекули бутану. Продовжте ланцюг описаним вище способом ще на одну «групу» СН3. Перевірте можливість обертання атомів навколо осей С-С.
Порівняйте виготовлені вами моделі молекул вуглеводнів із моделями, наведеними на мал. 3.4.
Мал. 3.4. Масштабні моделі молекул вуглеводнів: метану (а), пропану (б), бутану (в)
Атоми в молекулах органічних речовин сполучені між собою в певному порядку, відповідно до їх валентності. Зв’язок між складом, будовою та властивостями органічних сполук пояснює теорія хімічної будови, розроблена О. М. Бутлеровим. Керуючись теорією хімічної будови, вчені синтезують сьогодні практично важливі сполуки.
Запиши до словника
Хімічна будова сполук — послідовність сполучення атомів у молекулі, яка визначає властивості речовин.
Теорія хімічної будови — теорія, згідно з якою властивості речовин залежать не лише від складу, але і від хімічної будови молекул; розроблена російським хіміком О. М. Бутлеровим у 1861 р.
Ізомери — речовини, що мають однаковий якісний і кількісний склад, але різну будову молекул і тому різні властивості.
Не можна не дивуватись, оглядаючись назад, який гігантський крок зробила органічна хімія за час свого існування. Незрівнянно більше, однак, чекає на неї попереду.
О. М. Бутлеров
Лише за участю теорії знання, складаючись у зв'язне ціле, стає науковим знанням; злагоджене сполучення фактичного знання створює науку
О. М. Бутлеров
Перевір себе
- 1. Що показують структурні формули? Які ще типи хімічних формул ти знаєш?
- 2. Чим пояснюється багатоманітність сполук Карбону?
- 3. Від чого залежать властивості органічних сполук?
- 4. Що називають хімічною будовою? Розкрий суть теорії хімічної будови О. М. Бутлерова.
- 5. Що називають науковою теорією? Які функції теорії у науковому пізнанні?
Поміркуй
- 1. Як слід розуміти послідовність сполучення атомів у молекулі?
- 2. Чому у переважній більшості сполук валентність Карбону становить чотири? Як це пов’язано із сучасними електронними уявленнями про хімічний зв’язок?
Подискутуйте
У творах письменників-фантастів описане життя на далеких планетах, що виникло на основі Силіцію та Сульфуру, оскільки, атоми цих елементів також здатні сполучатись між собою з утворенням ланцюгів. Враховуючи розміщення Si та S в періодичній системі, підтвердіть або спростуйте можливість життя на основі цих елементів. Спробуйте спрогнозувати, наскільки міцними будуть утворені ними сполуки.
