Строение и взаимодействие химических веществ

Характер любой системы, как известно, зависит не только от ее строения и состава ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходится заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ. Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия элементов химических систем, тем не менее, все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействий их элементов.

В качестве первичной химической системы рассматривалась при этом молекула, и поэтому когда речь заходила о структуре веществ, то имелась в виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались, уточнялись и конкретизировались, начиная от общих предположений отвлеченного характера и кончая гипотезами, обоснованными с помощью определенных химических экспериментов. По мнению известного шведского химика Й. Берцелиуса (1779 - 1848), структура молекулы имеет дуалистический характер, так как связана с взаимодействием разноименно заряженных атомов или атомных групп. Так, например, любая соль, образуемая основанием и кислотой, имеет положительный и отрицательный электрические заряды. Но дуалистическая гипотеза структуры молекулы подверглась серьезной критике. Она, например, не могла объяснить многочисленные примеры строения молекул, которые образуют прочные связи со своими атомами. Поэтому еще французский химик Ш. Жерар (1816 - 1856) справедливо указывал на весьма ограниченный характер представлений, развитых Берцелиусом. В противовес этому он подчеркивал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность, или, как мы сказали бы теперь, система. Однако эти общие и в целом правильные представления не содержали фактических указаний, как применить их на практике для синтеза новых химических соединений и получения веществ с заранее заданными свойствами.

Такую попытку раскрытия структуры молекул и синтеза новых веществ осуществил известный немецкий химик Ф. Кекуле (1829 - 1896). Он стал связывать структуру с понятием валентности элемента, или числа единиц его химического сродства. Известно, что некоторые элементы обладают определенной валентностью (от лат. valentia - сила, способность) образовывать соединения с другими элементами. Валентность как раз и определяет, с каким числом атомов способен соединяться атом данного элемента. Например, атом водорода способен соединяться с одним атомом другого элемента, атом кислорода - с двумя атомами, атом азота - с тремя атомами, а углерода - с четырьмя. Соответственно этому различают одновалентные, двух-, трех - и четырехвалентные элементы. Следовательно, валентность любого элемента может быть определена как число атомов одновалентного элемента, с которыми может взаимодействовать один атом данного элемента. Так, например, один атом кислорода, соединяясь с двумя атомами водорода, образует воду, Н2О, и поэтому является двухвалентным элементом, а азот в соединении NH3 (аммиак) - трехвалентен. Однако такое представление о валентности нуждается в дальнейшем уточнении, так как существуют химические соединения, содержащие в своем составе ионы. Некоторые атомы, из которых они возникли, обладают способностью отдавать электроны, а другие - присоединять электроны. В результате этого полученные из них соединения обладают ионной валентностью. Существует, однако, еще большее количество соединений, которые характеризуются тем, что двум атомам одновременно принадлежит пара электронов. Связь подобного рода называется ковалентной связью, а открывший ее электронную структуру американский химик Д.Н. Льюис считает ее чисто химической связью.

На основе представлений о химическом сродстве, или валентности, и возникли те структурные формулы, которыми с незначительными видоизменениями пользуются при изучении химии, особенно органической, в школе. В этих формулах элементы связываются друг с другом, как отмечено выше, по числу единиц их сродства, или валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это и составляет важнейшую задачу химической науки.

Крупный шаг в эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического строения А.М. Бутлерова (1828-1886), который хотя и признавал, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства, но обращал особое внимание на степень напряжения или энергии, с которой они связываются друг с другом. Именно поэтому новые идеи Бутлерова в свое время не только нашли широкое применение в практике химического синтеза, но и получили прочное обоснование в современной квантовой химии.

Этот краткий экскурс в историю химии показывает, что эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или элементов, а с другой - установления характера физико-химического их взаимодействия. Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие элементов системы, благодаря которым и возникают новые системные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов или ионов определяет свойства молекулы.