6.2.2. Структурная химия

«Структурная химия» - термин условный. Речь идет об уровне развития химических знаний, при котором особую роль играет понятие «структура химического соединения», а также структура молекул.

Ф. Кекуле связал структуру молекул с понятием валентности элемента или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли структурные формулы органической химии и появился термин «органический синтез».

В это время были синтезированы на основе простейших углеводов анилиновые красители. Затем были поучены новые вещества (лекарственные препараты, взрывчатые вещества и т.д.).

Определяющей идеей понятия химической структуры была теория химического строения А.М.Бутлерова (1861). Характерной, неклассической концепцией стало представление об изомерии и её взаимосвязи со структурой веществ и типологии молекул. Бутлеров первым чётко сформулировал определение химического строения как способа химических связей в молекуле и в химических соединениях. Он же ввёл понятие энергоёмкости химических связей. Так с помощью структурной теории развивалась систематика органических соединений.

Важно было также введение Я. Вант-Гоффом (1874) стереоскопических структурных моделей.

Современная структурная химия использует кооперативное взаимодействие классических химических моделей вещества и типологии молекул (атомно-молекулярной, геометрической как в двумерном, так и в трехмерном виде, с неклассической электронной моделью) и опирается на взаимосодействие классической и квантовой химии. Особое значение приобретают квантовомеханические представления о типах химической связи в пересечении с угловой геометрией между ними и геометрией распределения электронной плотности. Особую роль в становлении и развитии структурной химии сыграли физические методы исследования структуры органических и неорганических соединений и прежде всего рентгеноструктурный анализ, оптическая, рентгеновская и электронная спектроскопия, нейтронография и др.

По современным представлениям, структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантовомеханической системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Органические соединения – структурные образования из органических молекул. Главная роль в структуре органических соединений принадлежит углероду, который строит сложные циклические, ветвистые, линейные цепи, вовлекая в них и другие химические элементы, прежде всего – водород.

Структура неорганических соединений взаимосвязана с химией твердых и жидкокристаллических тел, пересекающейся с квантовой физикой. Структура задается квантовомеханическим взаимодействием атомов в неорганических молекулах, атомов химических элементов и (или) неорганических молекул в неорганических соединениях.

6.2.3. Проблемы учения о химических процессах

Способность к взаимодействию различных реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К условиям протекания химических процессов относятся термодинамические (характеризующие зависимость реакции от температуры, давления, энтропии и т.п.) и кинетические факторы.

Для наглядности основные законы и принципы учения о химических процессах, учитывающие отмеченные выше термодинамические и концентрационно-кинетические факторы, представим в табличной форме (см. схему 45).

Схема 45. Основные законы и принципы учения о химических процессах.

Закон действующих масс. Скорость химических реакций при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ:

Правило Вант-Гоффа. при повышении температуры на 10º скорость гомогенной реакции возрастает в γ раз:

Принцип Ле-Шателье. Определяет подвижное равновесие. Химическим равновесием называется состояние, в котором скорость обратной реакции равна скорости прямой реакции.

Закон Аррениуса. Доля атомов (молекул), способных прореагировать:

Особое значение в учении о химических процессах приобрел закон С. Аррениуса. Закон сохранения энергии не позволяет всем реагентам (молекулам) соединиться друг с другом; существует некоторый энергетический барьер (определяемый количеством связей, порядком расположения атомов), только преодолев который, вещества вступят в реакцию. С. Аррениус доказал, что в реакцию могут вступать только те молекулы (реагенты), которые обладают избыточной энергией, т.е. активные молекулы. При обычной температуре их доля увеличивается в соответствии с правилом Вант-Гоффа.

В XX веке особую роль приобрела физическая химия цепных химических реакций: большинство реакций идет не прямо, а через промежуточные продукты, потому что при этом значительно понижается энергия активации. Она уменьшается особенно заметно, если атомы или соединения, входящие в промежуточные реакции, имеют свободные, ненасыщенные валентности. Такие атомы и соединения называются радикалами. Их обычно обозначают точкой над химическим символом. Академик Н.Н.Семенов открыл в 1926-1932гг класс цепных реакций, где взамен одной свободной валентности (радикала) получается несколько свободных валентностей (радикалов). В 1956г за эти работы ему была присуждена Нобелевская премия по химии. Особую роль в учении о химических процессах приобрел катализ, который позволил перебросить мостик от классической к неклассической (квантовой) химии и эволюционной химии. Оказалось, что условия протекания химических процессов в современной химии становятся зависимыми не только от термодинамических (температуры, давления и т.п.), но и структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов; их концентрации; наличия в реакторе катализаторов (или ингибиторов) и других добавок; способов смешивания реагентов, материалов и конструкции реактора и т.п. Влияние такого типа факторов, воздействие которых зачастую носит неконтролируемый характер, может быть сведено к катализу.

В рамках концепции неконтролируемого воздействия в химии основные понятия катализа представим в табличном виде (см. схему 46). При этом химия все более учитывает вероятностный подход квантовой физики, а также законы и принципы как равновесной, так и неравновесной необратимой термодинамики.

Катализ определяет положительное воздействие на химический процесс, а ингибирование определяет сдерживающий процесс.

Схема 46. Основные понятия (определения) катализа.

Катализ - ускорение химической реакции в присутствии веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечного продукта.

Гомогенный катализ - катализ, который происходит либо в газовой смеси, либо в растворе, в котором растворены как катализатор, так и реагенты.

Гетерогенный катализ - катализ, при котором химическая реакция совершается в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела, который обычно и выполняет роль катализатора, и газообразной или жидкой смеси реагентов.

Ферментный катализ - катализ, в котором в качестве катализаторов используются ферменты, как природные, так и искусственные сложнейшие молекулярные системы - биологические катализаторы.

Автокатализ - катализ, в котором в качестве катализатора выступают те или иные продукты химической реакции.

Катализ играет решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим.