Химия Инфо

Теория химического строения Бутлерова

Две молекулы могут содержать одинаковое число атомов каждого элемента и всё же принадлежать разным веществам. Следовательно, одной молекулярной формулы недостаточно для объяснения свойств. Теория химического строения А. М. Бутлерова связала свойства вещества с тем, как именно соединены его атомы, и сделала строение предметом экспериментального исследования.

Зачем понадобилась теория строения

В XIX веке химики уже определяли состав многих органических веществ, но одинаковый состав не всегда означал одинаковое поведение. Изомерия требовала объяснения: нужно было понять, чем различаются вещества, если их молекулярные формулы совпадают.

В 1861 году Бутлеров изложил представления о химическом строении. Теория не сводилась к способу рисовать формулы. Она предлагала устанавливать связь между порядком соединения атомов, свойствами и химическими превращениями, а затем проверять выводы опытом и синтезом.

Химическое строение в исходном смысле теории — порядок соединения атомов в молекуле в соответствии с их валентностью. Оно показывает, какие атомы связаны друг с другом и какими связями.

Основные положения

  1. Атомы соединяются в определённом порядке. Для рассматриваемых обычных нейтральных молекул углерод образует четыре связи, водород — одну, кислород — две. Двойная связь учитывается как две единицы валентности, тройная — как три.
  2. Свойства зависят от состава и строения. Перестановка связей при неизменном числе атомов может дать другое вещество, а не новый рисунок прежнего.
  3. Связанные атомы и группы влияют друг на друга. Свойства связи или группы зависят от её окружения в молекуле.
  4. Строение можно исследовать по превращениям. Разные способы анализа и синтеза должны приводить к согласованной модели.

Например, наличие двух атомов углерода, шести водородов и одного кислорода допускает две разные последовательности соединения:

CH3–CH2–OH и CH3–O–CH3.

Первая запись относится к этанолу, вторая — к диметиловому эфиру. В спирте есть связь O–H; в эфире кислород соединён с двумя углеродными группами. Поэтому одинаковая формула C2H6O не делает эти вещества химически тождественными.

Как читать структурную формулу

Структурная формула сообщает больше, чем молекулярная. В сокращённой записи CH3–CH2–OH группа CH3 связана с CH2, та — с кислородом, а кислород — с водородом. Индекс показывает число атомов, а линия — связь.

Скобки обозначают группы, присоединённые к указанному атому. В записи CH3–CH(CH3)–CH3 центральный CH связан с тремя группами CH3. Это разветвлённый углеродный скелет, хотя все атомы можно перечислить в одной строке.

При проверке формулы полезно для каждого углерода отдельно сосчитать связи. У центрального CH три одинарные связи C–C и одна C–H. Если при тех же трёх углеродных соседях написать CH2, получится пять связей — ошибка для рассматриваемой молекулы.

Индекс и коэффициент имеют разный смысл. Индекс входит в состав одной частицы; коэффициент перед формулой задаёт число частиц или их количественное соотношение в реакции.

Изомерия и одинаковые рисунки

Бутан CH3–CH2–CH2–CH3 и 2-метилпропан CH3–CH(CH3)–CH3 имеют формулу C4H10, но разные скелеты. Это структурные изомеры.

Напротив, CH3–CH2–OH и HO–CH2–CH3 изображают одно вещество. Направление записи на бумаге изменилось, а соединённость атомов — нет. Поворот рисунка или молекулы не следует автоматически считать появлением нового изомера.

Современное понятие строения включает также электронное и пространственное описание. Тетраэдрическое расположение связей углерода, стереоизомерия и электронные эффекты развивали исходную теорию. Плоская структурная запись полезна, но не сообщает всех деталей трёхмерного расположения молекулы.

Как проверяют вывод о строении

Логика исследования состоит в сопоставлении нескольких независимых признаков. Состав ограничивает число возможных моделей; характерные превращения помогают выяснить наличие групп; синтез проверяет, получается ли вещество с ожидаемыми свойствами. Сейчас к этому добавляются физические методы исследования структуры.

Одна реакция или один цвет сами по себе обычно не определяют всю молекулу. Например, полное сгорание позволяет связать состав органического вещества с количеством CO2 и H2O, но структурные изомеры одинакового состава дают одинаковые стехиометрические соотношения этих продуктов.

Три разобранных примера

1. Совпадает ли молекулярная формула?

Сравним CH3–CH2–OH и CH3–O–CH3. В первой записи шесть водородов распределены как 3 + 2 + 1, во второй — как 3 + 3. В обеих по два C и одному O:

C2H6O — общая молекулярная формула.

Соединённость различается, поэтому это два вещества, а не две равнозначные сокращённые записи.

2. Сколько водородов нужно в пропене?

В CH2=CH–CH3 первый C имеет двойную связь с соседним C и две связи с H. Средний C имеет двойную и одинарную связи с C и одну с H. Последний C связан с одним C и тремя H:

N(H) = 2 + 1 + 3 = 6; формула C3H6.

У каждого C сумма порядков связей равна четырём.

3. Можно ли отличить изомеры сгоранием?

Для обоих изомеров C4H10 полное сгорание выражается одной стехиометрией:

2C4H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2O.

Один моль каждого изомера даёт четыре моля CO2. Чтобы различить строение, нужны дополнительные данные.

Частые ошибки

  • Считать молекулярную формулу полным изображением строения.
  • Путать изменение порядка связей с изменением направления рисунка.
  • Считать прямую линию на бумаге доказательством прямолинейной формы молекулы.
  • Приписывать Бутлерову все позднейшие квантовые и пространственные модели без исторического различения.

Пять заданий

  1. Что дополнительно сообщает CH3–CH2–OH по сравнению с C2H6O?
  2. Найдите молекулярную формулу CH3–CH(CH3)–CH2–CH3.
  3. Являются ли CH3–CH2–CH3 и CH3–CH2–CH2–CH3 изомерами?
  4. Объясните ошибку в записи CH3–CH2=CH2.
  5. Какое количество CO2 соответствует полному сгоранию 0,20 моль любого изомера C4H10?

Ответы с объяснениями

  1. Порядок соединения атомов, в том числе наличие связи O–H. Молекулярная формула сообщает только состав.
  2. Пять атомов C и двенадцать H:

    N(H) = 3 + 1 + 3 + 2 + 3 = 12; C5H12.

  3. Нет: формулы C3H8 и C4H10 различаются составом. Это разные члены ряда алканов.
  4. Средний углерод получил бы одну одинарную, одну двойную и две связи с H, всего пять. Правильная запись пропена — CH3–CH=CH2.
  5. На один моль углеводорода приходятся четыре моля CO2:

    n(CO2) = 0,20 · 4 = 0,80 моль.

Связанные темы и источники

Продолжите темами формул и номенклатуры, гомологии и изомерии, затем сравните алканы и алкены.

Для проверки понятий: МГУ: теория строения Бутлерова; IUPAC: структурная изомерия.