Хімія - Золота колекція рефератів - 2018
ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ УЯВЛЕНЬ ПРО ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК
ВСТУП
Розуміння природи хімічного зв’язку для хіміків завжди було завданням надзвичайно важливим. Адже знаючи, за якими принципами атоми й групи атомів з’єднуються між собою, можна одержувати речовини того складу, який потрібний дослідникові.
Питання про те, які сили утримують атоми зв’язаними між собою, поставало перед ученими дуже давно. Приблизно з кінця XVIII ст. дослідники намагалися пролити світло на цю проблему, але існуючий запас знань не дозволяв їм висунути достовірну теорію, яка могла б витримати перевірку часом. Однак у міру того, як збагачувався обсяг знань учених, ними висувалися дедалі більш життєздатні теорії, деякі постулати яких залишаються неспростованими дотепер, і тільки сьогодні вдається теоретично обгрунтувати й підтвердити їх експериментом.
Хоча більша частина теорій про хімічний зв’язок була відкинута, усі вони є найцікавішим матеріалом для вивчення. Розглядаючи їх, укотре переконуєшся, що за кожною крупицею знання, яка відкривається нам, стоїть колосальна робота вчених-дослідників.
ГРАВІТАЦІЙНА ТЕОРІЯ ХІМІЧНОГО ЗВ’ЯЗКУ
Ця теорія була першою спробою пояснити, яка сила змушує атоми об’єднуватися в сполуки. Її основоположниками стали Бергман (Швеція) і Бертолле (Франція) (перша половина XIX ст.) Основна ідея гравітаційної теорії полягає в тому, що частинки прагнуть до взаємодії винятково під дією сил всесвітнього тяжіння, які виникають між ними.
На перший погляд, теорія здається прийнятною. Справді, якщо сили тяжіння діють на всі тіла, то чому б їм не проявляти себе при взаємодії частинок. Таким чином, теорія Бергмана—Бертолле відкидала можливість того, що хімічний зв’язок породжений якимись специфічними силами, і намагалася пояснити його, спираючись на вже відомі й підтверджені фізичні закони. Такий підхід виявився неправильним, що незабаром було підтверджено експериментально. Розглянемо докладніше всі невідповідності гравітаційної теорії.
Згідно з законом всесвітнього тяжіння 
два тіла взаємодіють із силою, обернено пропорційною відстані між ними. Цей закон не виконується для взаємодіючих атомів. Розглянемо взаємодію двох атомів Гідрогену, спини яких антипаралельні. Графік залежності сил взаємодії від відстані між атомами має такий вигляд:
Як бачимо, графік цієї залежності набагато складніший, ніж графік зворотної квадратичної залежності. Отже, залежність хімічних сил від відстані складніша від зворотної квадратичної.
З формули закону тяжіння видно, що сила взаємодії пропорційна масам взаємодіючих атомів. Однак експериментально було доведено, що міцність сполук не пропорційна масам взаємодіючих атомів. Наприклад, маси атомів Гідрогену і Карбону відрізняються в 12 разів, а енергії зв’язків С—С і С—Н сумірні за величиною (ЕС-С = 330 кДж/моль, ЕС-Н = 420 кДж/моль). Отже, атоми рівної маси й мас, що відрізняються в 12 разів, взаємодіють із енергіями, близькими за величиною, що суперечить закону тяжіння.
Силам хімічної взаємодії властива насичуваність — атом може приєднати тільки чітко визначену кількість інших атомів, причому їхня кількість залежатиме від їхньої природи. На відміну від цього гравітаційні сили характеризуються ненасичуваністю: речовина може утворювати під дією цих сил необмежено великі скупчення атомів (планети, зірки тощо).
Крім наведених невідповідностей між гравітаційними й хімічними силами, з розвитком хімії були виявлені також інші, які стали причиною остаточної відмови від гравітаційної теорії. Так, дія гравітаційних сил не залежить від відстані між тілами, а сили хімічної взаємодії проявляють себе на відстанях, які не перевищують ЗА; природа об’єктів взаємодії ніяк не відбивається на силах тяжіння, тоді як хімічна взаємодія обумовлена нею значною мірою. Додамо до цього той факт, що зовнішні умови (температура, тиск і т. д.) впливають на міцність хімічного зв’язку, а гравітаційні сили ніяк від них не залежать.
ЕЛЕКТРОХІМІЧНА ТЕОРІЯ
Після виявлення недоліків теорії Бергмана—Бертолле виникла необхідність розробки більш досконалої й обгрунтованої теорії. Нею стала електрохімічна теорія Берцеліуса.
Уперше ідею, кардинально протилежну гравітаційній теорії, висловив англійський фізик Г. Деві 1807 р. Ним було висунуте припущення, що молекули утворюються в результаті притягання різнойменно заряджених атомів, згідно з законом Кулона. Тобто, за ствердженням вченого, хімічний зв’язок має електричну природу. Берцеліус розвинув цю ідею, розробивши електрохімічну теорію хімічного зв’язку (1812-1818).
Відповідно до теорії Бсрцеліуса, атоми полярні, тобто кожний з них має позитивний і негативний полюси. Утворення молекул з атомів відбувається в результаті притягання протилежно заряджених полюсів атомів. Те, що атоми утворювали різні за стійкістю сполуки, пояснювалося перевагою в них того або іншого полюса.
Берцеліус у своїй теорії наблизився до визначення електронегативності елементів, хоча й пояснював цю властивість, посилаючись на наявність у молекулі полюсів. Так, елементи, які згодом були зараховані до електронегативних, у теорії Берцеліуса вважалися елементами з переважним негативним полюсом. Вони активно взаємодіяли з елементами, в яких переважав позитивний полюс (тобто електропозитивними). Здатність атомів об’єднуватися в складні молекули пояснювалася тим, що заряд одного атома не завжди повністю компенсується зарядом іншого атома.
Істотним підтвердженням теорії Берцеліуса стало явище електролізу, закони якого емпірично були встановлені 1833 р. З погляду електрохімічної теорії, у ході електролізу атоми, що втратили полярність при утворенні хімічної сполуки, знову стають полярними.
Теорія Берцеліуса, хоча й мала деяке обгрунтування, не змогла пояснити таких явищ, як зміна середовища й кольору розчинів у процесі реакції, існування двохатомних молекул (тобто молекул, отриманих у результаті з’єднання атомів, у яких переважають однойменно заряджені полюси). Крім того, 1834 р. Дюма вдалося здійснити процес, у ході якого в сполуках один з елементів замінявся на протилежний йому за полярністю (відповідно до теорії Берцеліуса). Наявність істотних протиріч стала причиною того, що від електрохімічної теорії Берцеліуса відмовилися.
ТЕОРІЯ ТИПІВ
Коли вчені довели, що атоми однієї полярності можуть з'єднуватися між собою, теорію Берцеліуса було спростовано, і дослідники надовго облишили спроби пізнати природу хімічної взаємодії. При цьому дані, отримані експериментально, приймалися без доказів. На базі такого підходу виникла теорія типів, представлена в 40-х рр. XIX ст. французькими хіміками Дюма й Жераром.
Відповідно до цієї теорії, теоретично взаємодіяти можуть будь-які атоми, але практично існує ряд атомів, які з незрозумілих причин не утворюють зв’язків з деякими іншими атомами. Хімічні властивості речовин ніяк не залежать від природи атомів, що їх утворюють, і обумовлюються тільки подібністю складу молекул речовини.
Теорія типів стала основою для класифікації відомих речовин. Так, органічні речовини складу NH2R, NHR2, NR3, де R — вуглеводневий радикал, уважалися речовинами типу NН3; речовини, що містять групи —ОН- і OR (спирти, феноли, ефіри), зараховувалися до типу Н2O і т. д. З одного боку, це дозволило навести відносний порядок серед безлічі відомих сполук, розділивши їх на чіткі групи відповідно до будови. Але з іншого боку, чимало з уперше виявлених сполук не підходили під жоден з відомих типів, і їх доводилося штучно зараховувати до вже відомих класів речовин. Іноді з метою пояснити хімічну активність нової сполуки вже вивченим речовинам з відомими формулами приписувалися інші, часто досить безглузді формули. Намагаючись захистити свою теорію, Жерар пояснював це тим, що одна формула не може дати повного уявлення про різноманіття хімічних властивостей речовини, тобто кожній властивості відповідає певна формула.
Що ж до будови речовини, тобто порядку з’єднання атомів у молекулі й сил, які їх утримуюють, то прихильники теорії типів навідріз відмовлялися вірити, що настільки високе знання доступне людському розуму. З їхнього погляду, хімічний процес не дає дослідникові можливості довідатися що-небудь про природу речовини, тобто про її «сучасне», оскільки є або її «минулим» (реакція одержання цієї речовини), або «майбутнім» (реакція, у якій ця речовина є реагентом). Розглянемо як приклад ланцюжок перетворень:
У цьому випадку реакція (1) є «минулим» метилового спирту, а реакція (2) — «майбутнім» метанолу.
Теорія типів була прийнята більшістю вчених. Вона стала єдиною теорією, на підставі якої трактувалися результати експериментів. Однак незабаром (до початку 50-х рр.) експериментальні дані дали дослідникам можливість розширити межі, установлені теорією типів. Так, 1852 р. англійський учений Франкланд висловив припущення, що кількість атомів, яку може приєднати один атом певного елемента, — чітко визначене число. Ця властивість була названа валентністю.
Можна сказати, що робота Франкланда стала першим кроком до збагнення будови молекул. Вона дала можливість виділити елементи з постійною та змінною валентністю. Як еталон був прийнятий Гідроген, валентність якого дорівнює одиниці. Виходячи з цього, валентність усіх інших елементів визначалася як кількість атомів Гідрогену, які може приєднати атом цього елемента.
Отже, за Франкландом валентність — це величина, що залежить як від природи реагуючих елементів, так і від умов взаємодії. Таке припущення для хіміків-дослідників означало, що природу речовини пізнати можна, і реальність цього завдання більше не ставилася під сумнів.
ТЕОРІЯ ХІМІЧНОЇ БУДОВИ О. М. БУТЛЕРОВА
Кількість прихильників і супротивників теорії типів постійно змінювалася: дехто був готовий відректися від неї, але більш відомих і обгрунтованих теорій не було. Одночасно накопичилося багато розрізнених фактів, для об’єднання яких у струнку систему був необхідний принципово новий погляд. Це стосувалося насамперед органічних сполук: їх відкривали дедалі більше й більше, і теорія типів тріщала по швах, намагаючись трактувати ці сполуки зі своїх позицій.
Важливе відкриття було зроблене 1861 р., коли О. М. Бутлеров, аналізуючи органічні сполуки, висуває теорію, яка дозволяє пролити світло на їхню будову. Основні положення теорії такі:
1) молекули утворюються в результаті того, що атоми елементів з’єднуються в певному порядку, обумовленому валентністю елементів; з’єднуючись у молекули, атоми втрачають всі валентності;
2) властивості сполуки залежать від її якісного й кількісного складу, а також від того, в якому порядку атоми з’єднані між собою;
3) усі атоми, що входять до складу молекули, впливають один на одного; вплив безпосередньо зв’язаних атомів набагато сильніший, ніж атомів, зв'язаних за допомогою інших атомів.
Революційний зміст теорії Бутлерова полягає в тому, що вона не просто підтвердила принципову можливість розуміння природи речовини, але й дозволила на практиці здійснити дослідження будови речовини. Фактично теорія Бутлерова заклала основу хімічних методів дослідження будови речовини.
Відповідно до теорії Бутлерова й положення в періодичній системі відносно Карбону були зроблені такі висновки:
1) Карбон має постійну валентність, що дорівнює чотирьом;
2) Карбон амфотерний, тобто з’єднується як з металами, так і з неметалами;
3) атоми Карбону з’єднуються між собою, утворюючи карбонові ланцюги; при цьому на такий зв’язок витрачається по одній, дві або по три одиниці валентності.
Ці твердження дозволили вченим досить швидко встановити структурні формули відомих органічних сполук.
Бутлеров висловлював припущення про взаємний вплив атомів у молекулах. Цей підхід допоміг пояснити багато властивостей сполук. Великим плюсом теорії Бутлерова стало те, що вона змогла пояснити явище ізомерії (молекули однакового якісного й кількісного складу проявляють різні властивості). Відповідно до неї ізомерія обумовлена різною будовою молекул однакового складу, а різний порядок з’єднання атомів у молекулі є чинником, що обумовлює розходження властивостей молекул.
У XX ст. було розроблено безліч фізичних методів дослідження будови речовини. Усі вони стали істотним підтвердженням теорії Бутлерова. На сьогодні ця теорія є основою сучасного вчення про будову молекул.