§ 2. Теория строения органических соединений А. М. Бутлерова

Определения и обозначения

Химическое строение — порядок соединения атомов в молекуле и характер связей между ними. Оно показывает, как именно атомы образуют единое вещество. Молекулярной формулы недостаточно: она сообщает число атомов каждого элемента, но не показывает, как эти атомы соединены.

Структурная формула — условное изображение химического строения молекулы, показывающее последовательность соединения атомов и связи между ними. Например, формула CH₃–CH₂–OH позволяет увидеть, что группа OH соединена с углеродной цепью. Такие записи помогают различать вещества с одинаковым составом.

Изомерия — существование веществ с одинаковым составом, но различным химическим строением и свойствами. Она возникает потому, что атомы одной и той же молекулярной формулы могут соединяться по-разному. Понятие изомерии объясняет, почему формулы состава иногда соответствуют нескольким веществам.

Изомеры — вещества с одинаковой молекулярной формулой, но различным химическим строением. Например, два вещества состава C₄H₁₀ могут отличаться формой углеродного скелета. Сравнение их структурных формул помогает понять происхождение различий в свойствах.

Как это устроено

Чтобы представить возможную молекулу, учитывают валентность — способность атома образовывать определённое число химических связей. Углерод обычно четырёхвалентен, то есть образует четыре связи, а водород — одну. Поэтому формулу нельзя составлять простым перечислением атомов: связи должны быть распределены так, чтобы валентность каждого атома соблюдалась. Это ограничение помогает отсеять невозможные варианты строения.

Атомы углерода способны соединяться друг с другом, потому что могут образовывать связи между собой. Так возникают цепи, а при изменении порядка соединения — скелеты разной формы: неразветвлённые и разветвлённые. Например, в молекуле C₄H₁₀ четыре атома углерода можно расположить в одной цепи или построить скелет с ответвлением. В обоих случаях валентность атомов сохраняется, но строение получается разным.

Порядок связи атомов обозначают структурной формулой, поскольку одной записи состава для этого недостаточно. В молекулярной формуле C₂H₆O указаны два атома углерода, шесть водорода и один кислорода, но не сказано, к каким атомам присоединён кислород. Структурная формула дополняет эти сведения и показывает связи. По ней можно проверить, совместимы ли изображённое строение и валентность атомов.

Если атомы одного состава соединены по-разному, возникают изомеры. Например, C₄H₁₀ соответствует как прямой цепи из четырёх атомов углерода, так и разветвлённому скелету. Различие строения влияет на свойства и химическое поведение веществ, поэтому одинаковая молекулярная формула не означает, что перед нами одно и то же вещество. Так теория объясняет существование нескольких соединений с одинаковым составом.

Бутлеров связывал свойства вещества с его химическим строением и считал, что строение можно устанавливать по химическим превращениям. Причина в том, что определённые связи и группы атомов проявляют себя в характерных реакциях. Например, обесцвечивание бромной воды указывает на реакционную способность, связанную с кратной связью. По результату реакции можно выдвинуть предположение о строении, а затем проверить его другими данными.

Основные положения теории химического строения

Читайте таблицу от положения к его смыслу, а затем проверяйте себя по примеру или следствию. Так видно, как общие идеи теории применяются при составлении формул и объяснении свойств. Примеры — подсказки для рассуждения, но не замена проверке валентности.

Разбор задач

1. Формула C₂H₆O

Условие. Для молекулярной формулы C₂H₆O предложите возможные структурные формулы и укажите, чем различается строение полученных веществ. Сначала важно определить, какие связи допустимы при валентности углерода, кислорода и водорода. Нужно найти не новые составы, а разные способы соединить те же атомы.

1. Расположим два атома углерода рядом и присоединим к одному из них кислород с водородом: CH₃–CH₂–OH.
2. Расположим кислород между двумя атомами углерода: CH₃–O–CH₃.
3. Проверим состав и валентность: в каждой формуле два C, шесть H и один O; углерод имеет четыре связи, кислород — две.

Ответ. Возможные формулы — CH₃–CH₂–OH и CH₃–O–CH₃. В первой кислород входит в группу OH на конце углеродной цепи, а во второй соединяет два углеродных фрагмента. Значит, одинаковая молекулярная формула допускает разный порядок соединения атомов.

2. Изомеры состава C₄H₁₀

Условие. Запишите структурные формулы двух изомеров состава C₄H₁₀ и назовите различие в строении их углеродного скелета. Ищем варианты расположения четырёх атомов углерода, не меняя общего состава. Каждый найденный вариант проверяем по валентности.

1. Соединим четыре атома углерода в прямую цепь: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃.
2. Построим разветвлённый скелет из трёх атомов в основной цепи и ответвления: CH₃–CH(CH₃)–CH₃.
3. Проверим формулу: обе записи содержат четыре атома C и десять атомов H, а каждый атом углерода образует четыре связи.

Ответ. Приведены неразветвлённый и разветвлённый скелеты. Формулы одинаковы по составу, но порядок соединения углеродных атомов различается. Поэтому эти вещества являются изомерами.

3. Вещество состава C₃H₆ и бромная вода

Условие. Вещество C₃H₆ обесцвечивает бромную воду. Предложите возможную структурную формулу и объясните, как реакция помогает судить о строении. Сам по себе состав не указывает однозначно, какие связи есть в молекуле. Поэтому используем наблюдаемое химическое превращение как дополнительное свидетельство.

1. Обесцвечивание бромной воды связывают с реакцией присоединения брома к кратной связи.
2. Предположим, что в молекуле есть связь C=C, и запишем возможный вариант: CH₂=CH–CH₃.
3. Проверим состав: в формуле три атома углерода и шесть водорода; двойная связь указывает на возможное место присоединения брома.

Ответ. Возможная формула — пропен CH₂=CH–CH₃. Обесцвечивание бромной воды служит признаком кратной связи и позволяет предположить такое строение, хотя для полного установления структуры нужны дополнительные сведения.

Типичные ошибки

Одинаковая формула — значит одно вещество. Так считают, если смешивают состав и строение: молекулярная формула действительно совпадает у изомеров. Проверяйте, можно ли расположить атомы иначе, не нарушая валентности. Для C₄H₁₀ сразу находятся прямая и разветвлённая цепи.

Углерод изображён с неправильным числом связей. Ошибка возникает, когда при построении скелета забывают учитывать валентность каждого атома, особенно при добавлении ответвления. Пересчитайте связи у каждого углерода: их должно быть четыре. У водорода связь только одна.

Структурную формулу путают с молекулярной. Молекулярная формула показывает число атомов, а структурная — ещё и порядок связей. Их легко спутать, если ориентироваться только на буквенно-цифровую запись. Спросите себя, можно ли по записи восстановить, какие атомы соединены друг с другом: для структурной формулы это должно быть видно.

Свойства объясняют только составом. Такой вывод не учитывает, что разное строение может менять взаимодействие молекул и ход реакций. Чтобы проверить себя, сравните структурные формулы веществ с одинаковой молекулярной формулой. Если связи расположены по-разному, нельзя заранее считать их свойства одинаковыми.

Связь с другими темами

Для понимания теории нужны понятия атома, молекулы, химической связи и валентности. Без них нельзя корректно прочитать структурную формулу или проверить, возможна ли изображённая молекула. Особенно важно помнить о четырёхвалентности углерода.

Представления о строении становятся основой для изучения изомерии, номенклатуры и взаимного влияния атомов в органических веществах. Сначала устанавливают, как связаны атомы, а затем учатся называть соединения и объяснять, как одна часть молекулы влияет на другую. Поэтому структурная формула нужна для дальнейшего изучения органической химии.

Строение помогает объяснять свойства углеводородов и выбирать реакции для распознавания или получения органических веществ. По характеру превращения можно предположить, какие связи есть в молекуле, а знание строения подсказывает, какая реакция возможна. Так теория соединяет изображение молекулы с её химическим поведением.

Что запомнить

• Атомы в молекуле соединены в определённом порядке.
• Порядок соединения атомов соответствует их валентности.
• Атомы углерода способны образовывать цепи разного строения.
• Структурная формула показывает химическое строение молекулы.
• Вещества с одинаковым составом могут иметь разное строение и свойства.
• Свойства вещества зависят от его химического строения.
• Строение вещества можно устанавливать по его химическим превращениям.