Текст книги "История науки"

Атомы и молекулы

Ещё в Древней Греции натурфилософ Демокрит предполагал, что все тела состоят из мельчайших, далее неделимых частичек – атомов. Эту точку зрения разделяли и некоторые другие древнегреческие философы, например, Эпикур. Однако эта идея оставалась его личным мнением, никак не повлиявшим на развитие науки.

В настоящей науке идея атомов возникла лишь на рубеже XVIII и XIX веков, хотя представления о том, что вещество состоит из отдельных, очень маленьких частичек, существовало и ранее. Вначале это было личным мнением отдельных исследователей.

Многие крупные исследователи не разделяли мнения о существовании атомов. Так А. Лавуазье считал, что существование атомов и молекул невозможно подтвердить экспериментально и решительно отказывался обсуждать вопрос об их существовании.

В 1801 году французский физик Жозеф Пруст (1754–1826) сформулирован ЗАКОН ПОСТОЯНСТВА СОСТАВА ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ. Согласно этому закону, при разложении определенного количества любого сложного вещества всегда образуется строго определенное количество простых веществ. Это количество не зависит от того, как было получено исследуемое сложное вещество и от того, какие воздействия на него ранее оказывались. Иными словами, при образовании сложных веществ простые вещества объединяются друг с другом в строго определенных соотношениях.

Другой французский химик Клод Бертолле (1748–1822) выступил с критикой Закона постоянства состава. По его данным, при разложении некоторых твердых химических соединений количество получающихся простых веществ может зависеть от предыстории исследуемого образца. Последующие исследования показали, что сложные вещества переменного состава действительно существуют. К числу таких веществ можно, например, отнести сплавы металлов. Однако для подавляющего большинства газообразных и жидких веществ закон постоянства состава выполняется.

В 1803 году выдающийся английский физик Джон Дальтон (1766–1844) сформулировал ЗАКОН КРАТНЫХ ОТНОШЕНИЙ, ставший поворотным пунктом в признании существования атомов.

Великий химик XVIII века Антуан Лавуазье (1743–1794) считал, что существование атомов и молекул невозможно подтвердить экспериментально и решительно отказывался обсуждать вопрос об их существовании. Однако работы Дальтона дали первое экспериментальное свидетельство существования атомов.

В начале XIX века химикам было известно несколько газообразных соединений кислорода с азотом, при разложении которых на одно и то же количество азота образуются разные количества кислорода. Так, при разложении закиси азота на 1 г азота образуется 0.57 г кислорода, при разложении окиси азота – 1.14 г, при разложении двуокиси азота – 2.28 г. Дальтон обнаружил, что эти величины относятся друг к другу, как простые целые числа: 1, 2, 4. Отсюда Дальтон сделал вывод, что эти вещества состоят из МОЛЕКУЛ, причем каждая молекула состоит из строго определенного числа разных атомов. Так, в молекуле закиси азота на определенное, неизвестное исследователю, число атомов азота приходится 1 атом кислорода, в молекуле окиси азота на то же число атомов азота приходится 2 атома кислорода, а в молекуле двуокиси азота – 4.

Дальтон сформулировал следующие идеи:

1. Многие вещества (по крайней мере все газы) состоят из отдельных молекул.

2. В каждой молекуле конкретного вещества имеется строго определенное число атомов разных элементов.

3. Атомы разных элементов отличаются друг от друга своим весом.

Эти идеи совершили революцию в химии.

Дальтон поставил задачу определения АТОМНЫХ ВЕСОВ атомов различных элементов. Разумеется, в те времена взвесить атомы было невозможно, но зато можно было сравнивать веса атомов разных элементов. Так, при разложении воды на 1 грамм водорода образовывалось 8 атомов кислорода. Поэтому можно было предположить, что атом кислорода в 8 раз тяжелее атома водорода. Но это справедливо лишь в том случае, если в молекулах воды на один атом кислорода приходится один атом водорода. А если два атома? Тогда получится, атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода.

Каково же на самом деле соотношение числа атомов водорода и кислорода в молекулах воды? Ключом к ответу на этот вопрос стали исследования, выполненные в 1805 году Жозефом Луи Гей-Люссаком (1778–1850) и Александром Гумбольдтом (1769–1859). Они сравнили не соотношение ВЕСОВ водорода и кислорода, нацело прореагировавших с образованием воды, а соотношение ОБЪЕМОВ этих газов при постоянных давлении и температуре.

Гей-Люссак и Гумбольдт обнаружили, что при образовании воды два объема водорода нацело реагируют с одним объемом кислорода. При этом образуются два объема водяного пара.

В дальнейшем Гей-Люссак провел эксперименты с образованием других сложных веществ и обнаружил, что объемы нацело реагирующих при образовании этих веществ газов относятся друг к другу как простые целые числа. На основании этих фактов в 1811 году итальянский физик Амадео Авогадро (1776–1856) сформулировал свою знаменитую гипотезу. ГИПОТЕЗА АВОГАДРО заключалась в том, что ПРИ ОДИНАКОВЫХ ТЕМПЕРАТУРЕ И ДАВЛЕНИИ В ОДНОМ И ТОМ ЖЕ ОБЪЕМЕ ЛЮБОГО ГАЗА СОДЕРЖИТСЯ ОДНО И ТО ЖЕ ЧИСЛО МОЛЕКУЛ. В дальнейшем эта гипотеза была теоретически доказана в рамках молекулярно-кинетической теории газов. Если предположить, что в молекулах газообразного кислорода и водорода содержится одно и то же число атомов, то из гипотезы Авогадро можно было сделать вывод о том, что число атомов водорода в молекуле воды в два раза больше, чем число атомов кислорода. Следовательно, атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода.

Авогадро заинтересовался вопросом о том, сколько же атомов водорода содержится в одной молекуле газообразного водорода. Информацию для ответа на этот вопрос ему дали экспериментальные данные о взаимодействии водорода с хлором. Согласно этим данным, один объем водорода нацело реагирует с одним объемом хлора; при этом образуются два объема хлористого водорода. А отсюда следует, что в одном молекуле газообразного водорода содержится в два раза больше атомов водорода, чем в одной молекуле хлористого водорода. То есть, число атомов водорода в одной молекуле газообразного водорода четно.

Проще всего предположить, что в одной молекуле газообразного водорода содержится два атома водорода, а в одном молекуле хлористого водорода – один. Последующие исследования подтвердили это предположение.

Рассуждая аналогичным образом, можно прийти к заключению о том, что в молекуле воды на два атома водорода содержится один атом кислорода, а в молекуле газообразного кислорода содержится два атома.

После исследований Дальтона, Гей-Люссака и Авогадро химики всего мира активно занялись определением атомных весов (точнее атомных масс) различных элементов. Разумеется определить абсолютный атомный вес в те времена было невозможно, поэтому исследователи определяли, во сколько раз атом того или иного элемента тяжелее атома водорода. Эти величины стали называть АТОМНЫМ ВЕСОМ, выраженным в ВОДОРОДНЫХ ЕДИНИЦАХ. Первые исследования показали, что атомные веса элементов были приблизительно равными целым числам. Иными словами, атомные веса всех химических элементов кратны атомным весам водорода.

В водородных единицах выражали и МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЕСА, то есть массы отдельных молекул.

Амедео Авогадро ввел понятие ЧИСЛА АВОГАДРО. Число Авогадро – это число молекул, содержащихся в одной грамм-молекуле (грамм-молекула – весовая единица, равная числу граммов, равному числу водородных единиц молекулярного веса). То есть величина, обратно пропорциональная массе одной водородной единицы, выраженной в граммах.

Экспериментальных возможностей определить число Авогадро в начале XIX века не было. Первую экспериментальную попытку определить эту величину предпринял в 1865 году австрийский физик Иоганн Лошмидт (1821–1895).

В 1815 году английский врач и естествоиспытатель Уильям Праут (1785–1850) обратил внимание на то, что атомные веса углерода, азота и кислорода кратны атомному весу водорода и выдвинул гипотезу о том, что эта закономерность является общим законом природы. Он предположил, что все атомы состоят из более простых одинаковых «кирпичиков». Атом водорода состоит из одного кирпичика, атомы других элементов – из большего их числа. При этом все атомы одного и того же элемента состоят из одинакового числа кирпичиков, а в атомах разных элементов число кирпичиков разное.

Однако в 1826 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) определил атомный вес хлора, который оказался равным 35.4 водородных единиц. Этот факт, казалось бы, опроверг гипотезу У. Праута, которая вскоре была забыта.

Но, тем не менее, эта гипотеза всплывала снова и снова.

В 1850 году её воскресил химик и основоположник научной гигиены Макс Петтенкофер (1818–1901), который обратил внимание на то, что разница атомных весов между химически сходными элементами равна 8. К этой идее очень сочувственно отнесся выдающийся французский химик Жан Батист Дюма (1800–1884).

В 1866 году гипотезу У. Праута попытался реанимировать английский физик Уильям Крукс (1832–1919). Он высказал предположение, что не все атомы одного и того же элемента одинаковы по массе и содержат одинаковое число частиц. Этим и объясняются дробные атомные веса.

В XX веке оказалось, что У. Праут был прав: атомы (точнее, их ядра, в которых сосредоточена основная часть массы атомов) действительно состоят из кирпичиков одинаковой массы. Было обнаружено, что существует два типа таких кирпичиков: несущие положительный электрический заряд протоны и электрически нейтральные нейтроны. Атомы разных элементов отличаются друг от друга числом протонов.

Прав оказался и Крукс: было обнаружено, что может существовать несколько сортов атомов одного и того же химического элемента. Атомы разных сортов одного и того же элемента имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. И, соответственно, разный атомный вес. Такие разные сорта атомов одного и того же элемента были названы ИЗОТОПАМИ.

Хлор – это смесь нескольких изотопов с разными атомными весами. Атомный вес каждого изотопа – это целое число, а средний атомный вес, который и определил Й. Я. Берцелиус, целым числом, естественно, не является.

В сентябре 1860 года на Международном химическом конгрессе в Карлсруе были приняты четкие определения атомов и молекул. Атомно-молекулярные представления окончательно и бесповоротно вошли в химию (но, пока ещё, не в физику).

В 1884 году 25-летний шведский физик Сванте Аррениус (1859–1927) выдвинул ТЕОРИЮ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ, согласно которой кислоты, щелочи и соли в водных растворах распадаются на положительно заряженные КАТИОНЫ и отрицательно заряженные АНИОНЫ.

И действительно, какую бы соль металла, например, свинца, мы бы не взяли, при добавлении сульфида натрия выпадет одинаковый черный осадок сульфида свинца. Это указывает, что свинец реагирует с сульфидом одинаково, в состав какой бы соли он не входил. А это позволяет заподозрить, что в растворе нет соли свинца, а есть катионы и анионы.

Свою теорию С. Аррениус изложил в своей диссертации, представленной на соискание ученой степени в уважаемом шведском университете. Однако члены Ученого Совета восприняли работу отрицательно. В конце концов, Аррениусу присудили ученую степень самого низкого уровня, без права заниматься преподавательской работой. Двадцать лет спустя за создание теории электролитической диссоциации С. Аррениусу была присуждена высшая международная научная награда – Нобелевская премия.

Теория электролитической диссоциации вызвало горячие споры. Её активным сторонником стал физико-химик Вильгельм Оствальд (1853–1932), который немало сделал для развития этой теории. Среди противников теории электролитической диссоциации был такой выдающийся ученый, как Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907).

Вопросы:

**. В чем сущность Закона постоянства состава?

**. В чем сущность Закона кратных отношений? Как можно объяснить Закон кратных отношений на основании представлений об атомах?

**. В чем заключается гипотеза Авогадро?

**. В чем сущности гипотезы Праута? Почему, будучи, по существу, верной, гипотеза Праута была опровергнута?

**. Как называются кирпичики, из которых состоят ядра атомов?

**. Что такое изотопы?

** В чем сущность теории электролитической диссоциации?

Вопросы для любителей подумать:

**. Поспорили Ваня с Петей из поселка «Новый завод». Ваня говорил, что сплавы металлов следует считать смесями, а Петя – что химическими соединениями. Какие доводы в пользу своей точки зрения мог привести каждый из мальчиков? Чья точка зрения кажется вам более правильной?

**. Выполняется и Закон кратных отношений для веществ, которые не образуют отдельных молекул, а образуют кристаллы?

**. Какие факты свидетельствуют о том, что в молекуле водяного пара присутствуют два атома водорода и один атом кислорода?

**. Почему катионы и анионы, образовавшиеся в результате диссоциации, не соединяются друг с другом за счет электростатического притяжения?

Валентность и теория строения органических соединений

А. Лавуазье не хотел обсуждать вопрос о существовании атомов, считая, что эта гипотеза не имеет под собой экспериментальной основы. Однако другие химики принимали эту гипотезу. В 1789 году один из них, ирландец Уильям Хиггинс (1763–1825) высказал гипотезу о том, что в сложных химических веществах атомы отдельных элементов связаны между собой ХИМИЧЕСКИМИ СВЯЗЯМИ. Но эта идея начала всерьез разрабатываться только в середине XIX века.

В 1852 году английский химик Эдуард Франкленд (1825–1899) ввел в науку понятие СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ СИЛА ЭЛЕМЕНТА. По Франкленду – соединительная сила – это число атомов водорода, которое может присоединять или замещать один атом элемента. Так, кислород может присоединить два атома водорода, поэтому его соединительная сила принималась равной двум. А один атом азота – 3 атома водорода. Поэтому его соединительная сила принималась равной трем. Соединительная сила водорода принималась равной единицы. В 1850-х-60-х годах химики предлагали разные синонимы для термина «соединительная сила». В 1867 году немецкий химик Фридрих Август Кекуле (1829–1896) предложил термин ВАЛЕНТНОСТЬ, который прижился.

В 1857 году Ф. А. Кекуле разделил все элементы на одно, двух, трех и четырехосновные (по современной терминологии одно, двух, трех и четырех валентные) и установил, что углерод четырехвалентен. В 1858 году Кекуле и независимо от него английский химик Арчибальд Купер (1831–1892) высказал предположение о том, что атомы углерода способны устанавливать химические с вязи друг с другом и образовывать длинные углеродные цепи. Эта идея легла в основу теории строения органических соединений, предложенную в 1861 году русским химиком, профессором Казанского университета Александром Михайловичем Бутлеровым (1828–1886).

Химия веществ, получаемых из живых организмов, начала развиваться в конце XVIII века. Эти вещества получили название ОРГАНИЧЕСКИХ. Для раздела химии, изучающего вещества, получаемые из живых организмов Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) предложил в 1806 году название ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ.

До определенного момента считалось, что вне живых организмов органические вещества образовываться в принципе не могут, однако в 1824 году немецкий химик Фридрих Велер (1800–1882) синтезировал из неорганических веществ мочевину, после чего в органических соединениях перестали видеть нечто исключительное. Тем более, что после 1851 года французский химик Марселен Бертло (1827–2007) сумел синтезировать из неорганических веществ большое число разных органических соединений (метан, этилен, ацетилен, бензол и т. д.).

В середине 1830-х годов французский химик Огюст Лоран (1807–1853), исследовавший реакции замещения в органических веществах водорода хлором, выдвинул гипотезу о том, что органические вещества состоят из «ядра» и атомов водорода, которые могут замещаться другими атомами или атомными группировками.

Большое число органических соединений, которое стало известно химикам к концу 1830-х годов поставило на повестку дня вопрос об их классификации. В 1835 году выдающийся химик Жан Батист Дюма (1800–1884), подробно исследовав метиловый спирт и сравнив его с этиловым, ввел представление о КЛАССЕ СПИРТОВ. В 1843 году он же ввел представление о классе ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ и получил несколько соединений, принадлежащих к этому классу.

В 1842 году немецкий химик Якоб Генрих Шиль (1813–1889) высказал предположение о том, что разные спирты отличаются друг от друга числом групп C₂H₂. Однако в 1844 году французский химик Шарль Жерар (1816–1856) пришел к выводу, что Шиль ошибся и разные спирты отличаются друг от друга числом групп CH₂. При этом Жерар предсказал существование и свойства ещё не открытого пропилового спирта.

В 1844 году Шарль Жерар вводит понятие о ГОМОЛОГИЧНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ. Гомологичные соединения обладают сходными химическими свойствами, но отличаются друг от друга по молекулярному весу. В качестве таких соединений можно рассматривать метиловый и этиловый спирты, муравьиную и уксусную кислоту и т. д. Жерар прозорливо заключил, что разные гомологичные соединения отличаются друг от друга одной или несколькими дополнительными группами CH₂. Эти представлении позволили построить классификацию органических соединений в виде Периодической таблицы, где в одной строке стояли соединения с одинаковым УГЛЕРОДНЫМ КОСТЯКОМ, а в одном столбце – с одинаковым ХИМИЧЕСКИМ ЗАМЕСТИТЕЛЕМ. Подобный подход позволил наполнить новым содержанием старое химическое понятие РАДИКАЛА.

В первой половине XIX века химия все больше и больше склонялась к мысли о том, что существуют атомы и молекулы (окончательно это было признано только в 1860 году на съезде химиков в Карлсруэ). Однако считалось, что между атомом и молекулой существует ещё одна промежуточная структура – РАДИКАЛ.

Понятие «радикал» ввел в химию в 1787 году Луи Бернар Гитон де Морво (1737–1816) химик и видный якобинец, перешедший в дальнейшем на сторону термидорианцев и Наполеона. Логика рассуждений Гитона де Морво заключалась в том, что в любой кислоте есть что-то, что делает её кислотой, и что-то, что делает её определенной кислотой (азотной, серной и т. д.). Эти два «что-то» и получили название радикалов.

Представления о радикалах развил А. Лавуазье, который писал о том, что радикалы могут быть химически простые (состоящие из одного элемента) и химически сложными (состоящими из нескольких разных элементов).

Из неорганической химии понятие «радикал» постепенно исчезло, но в органической химии оно оказалось плодотворным.

В 1832 году Фридрих Велер (1800–1882) и Юстус Либих (1803–1873) получили несколько разных производный бензойной кислоты: хлористый, бромистый, йодистый, сернистый и цианистый бензоилы. У всех этих соединений был общий радикал – бензоил. А заместители были разные.

Работы Велера и Либиха способствовали формированию представлениям о радикале, как об относительно устойчивой части химического соединения, способной при химических реакциях целиком переходить из одного вещества в другое.

Неоднократно принимались попытки выделить радикалы в чистом виде, но все они оказались безуспешными. Радикал мог существовать только в паре с другим радикалом.

Теория, разработанная А. М. Бутлеровым, позволила четко сформулировать представления об углеводородном костяке химических соединений, которые ранее были достаточно смутными.

Согласно представлениям Бутлерова в основе всех органических соединений лежат цепочки четырехвалентных атомов углерода, соединенных друг с другом химическими связями. При этом две валентности каждый атом углерода тратит на соединение с другими такими же атомами, а две – на присоединение других атомов (в простейшем случае – водорода) или радикалов.

В 1861 году немецкий химик Эмиль Эрленмейер (1825–1909) сформулировал представление о том, что в этилене атомы углерода связаны двойной связью, а в ацетилене – тройной.

В 1865 году немецкий химик Август Вильгельм Гофман (1818–1892) начал строить модели молекул органических соединений в форме шариков (атомов), соединенных друг с другом металлическими стерженьками. В 1866 году эти модели привел в своем учебнике химии А. Кекуле.

В 1874 году голландский химик Якоб Генрик Вант-Гофф (1852–1911) и, независимо от него, французский химик Жозеф Ле Бель (1847–1930) предложили ТЕТРАЭДРИЧЕСКУЮ модель связей атома углерода с другими атомами. Они мысленно поместили атом углерода в центр тетраэдра, а атомы, которые с ним связаны, в вершины.

Теория Бутлерова позволила объяснить явление ИЗОМЕРИИ органических веществ.

Явление мезомерии обнаружили в 1823 год молодые немецкие химии Фридрих Велер (1800–1882) и Юстус Либих (1803–1873). Велер исследовал циановую кислоту, а Либих – гремучую кислоту и её соли. Оказалось, что элементный состав обеих кислот одинаков, но, тем не менее, это были совершенно разные соединения.

В 1830 году, исследуя винную и виноградную кислоту, И. Я. Берцелиус обнаружил, что элементный состав этих кислот одинаков. Следовательно, одинаковы и их химические формулы. Но, вместе с тем, это два разных вещества с разными химическими свойствами. Берцелиус объяснил это тем, что атомы в этих кислотах соединены друг с другом в разном порядке. А отсюда следует вывод, что вещества могут отличаться друг от друга не только благодаря разному набору атомов, но и благодаря разному порядку их соединения. Это явление Берцелиус назвал изомерией.

Впрочем, для кристаллов аналогичный факт был установлен ещё в 1798 году, когда немецкий химик Мартин Генрих Клапрот (1743–1817) показал, что минералы кальцит и арагонит имеют одинаковый химический состав (CaCO₃).

Серьезное изучение явлений изомерии началось после создания теории строения органических соединений Кекуле-Бутлерова. И вскоре выяснилось, что существуют несколько форм изомерии.

Одна из форм изомерии связана с разницей в последовательности соединения атомов друг с другом. Ведь согласно теории Бутлерова, каждый атом в молекуле связан со строго определенными другими атомами. Этим, в частности, объясняется изомерия циановой и гремучей кислот. Такую изомерию принято называть СТРУКТУРНОЙ.

В органической химии выделяют несколько форм структурной изомерии. Одна из них связана с разным строением углеродного каркаса органических молекул. Так, четырехуглеродный углеводород бутан (его формула C₄H₁₀) может иметь две разные структуры: неразветвленную (С-С-С-С) и разветвленную, при которой четвертый углеродный атом присоединяется не третьему, а ко второму. Таким образом, существуют не один, а два бутана, несколько различающиеся по своим физическим и химическим свойствам.

Другая форма изомерии связана с присоединением химических заместителей к разным атомам углерода. Так, CH₂Cl – CH₂ – CH₃ и CH₃ – CHCl – CH₃ – это разные вещества, хотя их состав одинаков.

Ещё одна форма изомерии связана с разрывом углеродной цепочки. Так, этиловый спирт CH_{3 –} CH₂OH и диметиловый эфир CH₃ – O – CH3 при одинаковом элементном составе имеют совершенно разные физические и химические свойства.

Наряду со структурной изомерией выделяют изомерию ПРОСТРАНСТВЕННУЮ.

Пространственные изомеры открыл Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) в 1830 году, показав, что винная и виноградная кислота имеют одинаковый химический состав, но отличаются по своим свойствам. Он не объяснил причины этого явления. В 1850-х годах эти кислоты начал изучать великий французский химик и биолог Луи Пастер (1822–1895).

Винную кислоту (её формула CH₃ – CHOH – CHOH – CH₃) обычно получали из винного камня – осадка, образующегося при производстве вина из винограда. А виноградную кислоту получают путем окисления фумаровой кислоты. В некотором смысле можно считать, что винная кислота – это природный продукт, а виноградная – искусственный.

Пастер обнаружил, что между винной и виноградной кислотой существует важное физическое различие: винная кислота способна поворачивать плоскость поляризации света, а виноградная – нет. И тогда он сделал гениальное предположение о том, что виноградная кислота – это смесь двух очень похожих кислот, имеющих одинаковый элементный состав, но вращающих плоскость поляризации света в противоположных направлениях.

С помощью сложных химических операций Пастер сумел разделить кислоты, смесью которых была виноградная кислота. И действительно, оказалось, что обе кислоты вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях. Одна из этих кислот оказалась полностью идентичной винной кислоте.

Пастер не рассматривал причины существования двух изомеров винной кислоты. И не знал, что порядок связей между атомами у кислот одинаков.

В 1873 году немецкий химик Йоханнес Вислицениус (1835–1902) провел исследования природной и синтетической молочной кислоты, которые отличались по своим физическим свойствам. Природная молочная кислота вращала плоскость поляризации света, а синтетическая – нет. Углеродный каркас молекулы молочной кислоты составляют три связанных друг с другом одинарными связями атома углерода. К одному из них, крайнему, присоединены кислород и гидроксил (– ОН) (что превращает атом и присоединенные к нему заместители в карбоксильную группу). Кроме того, в молекуле есть ещё один гидроксил. К каком же атому углерода он присоединен – к среднем или к другому крайнему?

Немецкий химик Йоганнес Вислиценус (1835–1902) показал, что и в природной и синтетической молочной кислоте второй гидроксил присоединен к среднему атому углерода. То есть, последовательность соединения атомов у обеих кислот одинакова, а свойства – разные. Чудеса!

Размышляя над этим фактом, 22-летний голландский химик Якоб Вант-Гофф (1852–1911) и 27-летний французский химик Жозеф Ле Бель (1847–1930), сумели придумать остроумное объяснение.

Я. Вант-Гофф и Ж. Ле Бель попытались из общегеометрических соображений понять, как атомы, связанные с одним и тем же атомом углерода, расположены в пространстве. Они пришли к выводу, что наиболее разумное предположение заключается в том, что атом углерода находится в центре тетраэдра, а связанные с ним атомы – в его четырех углах. И из этого обстоятельства можно объяснить факт существования пространственных СТЕРЕОИЗОМЕРОВ.

Давайте представим себе одноуглеродное соединение, где к атому углерода присоединено 4 разных заместителя. Например CHFClBr. Как отмечал Вант-Гофф, такое соединение имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а на вершинах – атомы водорода, фтора, хлора и брома. Мысленно поставим этот тетраэдр на стол, так, чтобы он опирался на атомы фтора, хлора и брома, а атом водорода будет торчать вверх. Посмотрим теперь на тетраэдр сверху и начнем мысленно вращать его вокруг связи углерод-водород по часовой стрелке. С каким атомом совпадет атом фтора после мысленного поворота на 120 градусов: с атомом хлора или с атомом брома? Может быть и так, и так. Но это означает, что формуле CHFClBr удовлетворяют не один, а два разных соединения, имеющие одинаковых состав. Их молекулы являются ЗЕРКАЛЬНЫМ ОТРАЖЕНИЕМ друг друга.

Атомы углерода, к которым присоединены четыре разных заместителя, получили название СТЕРЕОЦЕНТРОВ. Наличие в молекуле стереоцентра порождает два стереоизомера.

Большинство физических и химических свойств у стереоизомеров почти одинаковы. Почти одинаковы температуры плавления и кипения, окраска и т. д. Но однако они вращают плоскость поляризации света в разные стороны. О том, что такое плоскость поляризация света, мы говорили немного раньше, в главе, по священной истории оптики.

Эта концепция легко объясняет странные свойства молочной кислоты. В ней есть атом углерода, связанный с четырьмя разными заместителями. Поэтому у неё существуют два стереоизомера. В живых организмах синтезируется только один стереоизомер, а в колбе химика – оба. Поэтому природная молочная кислота вращает плоскость поляризации света, а синтетическая – нет.

Есть и ещё одна форма пространственной изомерии – ЦИС-ТРАНС ИЗОМЕРИЯ. Она встречается в молекулах, где два атома углерода связаны друг с другом двойными связями. Такие молекулы плоские и если при каждом атоме углерода находится два разных заместителя, то возможны два варианта их взаимного расположения. Например

Если бы части молекулы могли вращаться друг относительно друга вокруг двойной связи, то это было бы одно вещество, а не два. Но вращаться вокруг двойной связи части молекулы не могут (а вокруг одинарной могут).

Представления о цис-транс изомерии (ранее называвшейся «геометрической изомерией») сформулировал в 1887 году немецкий химик Йоханнес Вислиценус (1835–1902).

Вопросы:

**. Кто и когда ввел понятия: химическая связь, соединительная сила элементов, валентность?

**. Кем и когда были сформулированы представления о гомологичных органических соединениях? Приведите примеры таких соединений.

**. Чем структурная изомерия отличается от пространственной?

**. Что такое цис-транс изомерия?

Вопросы для любителей подумать:

**. Как и почему изменились фундаментальные химические представления после синтеза мочевины Велером?

**. Обобщением каких понятий стали представления о гомологичных органических соединениях?

**. Сколько структурных изомеров имеет дихлоргексан?

**. Имеет ли стереоизомеры уксусный альдегид?

**. Как по-Вашему, какие изомеры больше похожи друг на друга по химическим свойствам: цис-транс или пространственные?

**. Могли ли Павел Иванович Чичиков обсуждать с помещиком Маниловым структурную изомерию? Пространственную изомерию?

**. Мог ли Иван Карамазов обсуждать с Павлом Смердяковым цис-транс изомерию и её причины?