Структура химических соединений

Характер любой системы, как известно, зависит не только от состава и строения элементов, но и от специфики их взаимодействия, то есть от структуры. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании веществ и их реакционной способности химикам приходится заниматься изучением их структуры. При этом соответственно уровню достигнутых знаний менялись представления о химической структуре вещества. И, хотя в этом разделе химии существовали разные концепции, в соответствии с которыми ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия между элементами химических систем, все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействия между элементами.

Сам термин «структурная химия» – понятие условное. Под ним прежде всего подразумевается такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Основы структурной химии были заложены еще Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем И. Берцелиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. Как позже показал химик Ш. Жерар, это утверждение было верным не всегда, поэтому еще в середине XIX в. структура молекул оставалась загадочной.

Структурная химия позволяет наглядно демонстрировать валентность химических элементов как число единиц сродства, присущих атому: =С=; -О-; Н-. Комбинируя атомы различных химических элементов с учетом их единиц сродства, можно создать структурные формулы любого химического соединения. А это означает, что химик в принципе может создавать план синтеза любого химического соединения, как уже известного, так и неоткрытого.

Важнейшим шагом в развитии структурной химии стало появление теории химического строения органических соединений русского химика A.M. Бутлерова. Бутлеров вслед за Кекуле признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других. Кроме того, она указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.

Теория химического строения Бутлерова смогла стать для химиков практическим руководством в синтезе органических веществ. Появление этой теории позволило превратить химию из науки аналитической, занимающейся изучением состава готовых веществ, в науку преимущественно синтетическую, способную создавать новые вещества и новые материалы.

В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие, В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры – устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом; и молекулярной, структуры – сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.

Кроме того, современная наука дает возможность определять не только состав, но и строение молекул. Изучить пространственное расположение атомов позволяет метод рентгеноструктур-ного анализа, основанный на явлении дифракции. Он позволяет изучить все соединения, которые удается получить в кристаллическом состоянии, причем для определения параметров кристаллической структуры требуется всего 10 мкг вещества. Также существует метод нейтронографии, основанный на дифракции нейтронов. Он позволяет с высокой точностью определить относительное расположение атомов.