Теория химического строения Бутлерова

В 1861 году Александр Михайлович Бутлеров выступил на съезде естествоиспытателей и врачей в Шпейере с докладом «О химическом строении вещества». Главная мысль доклада умещается в одну фразу: атомы в молекуле соединены в определённом порядке, и от этого порядка зависят свойства вещества. Состав химики уже находили анализом. Но почему составу C₂H₆O отвечают два непохожих вещества, по формуле состава понять было нельзя.

Термину «органическая химия» тогда было чуть больше полувека: его ввёл Йёнс Якоб Берцелиус в 1807 году. В 1828 году Фридрих Вёлер получил мочевину из неорганического цианата аммония, и учение о «жизненной силе», без которой органическое вещество будто бы не создать, пошатнулось. А в год доклада Бутлеров сам впервые синтезировал сахаристое вещество — метиленитан, исходным веществом был формальдегид.

Атомы соединяются по валентности, углерод в органике четырёхвалентен

Первое положение теории: атомы в молекуле связаны в строгой последовательности согласно валентности. У углерода валентность IV, у кислорода II, у водорода I. Поэтому в метане CH₄ вокруг атома углерода ровно четыре атома водорода, а в этане CH₃–CH₃ две группы CH₃ держатся друг за друга одной связью C–C.

Атомы углерода соединяются и между собой. Цепь бывает неразветвлённой, как в н-бутане CH₃–CH₂–CH₂–CH₃, разветвлённой, как в изобутане CH₃–CH(CH₃)–CH₃, или замкнутой в кольцо, как в циклогексане C₆H₁₂. Элементов в органике немного, прежде всего углерод и водород, часто ещё кислород и азот, но способов собрать из них цепи и кольца так много, что органических веществ известно гораздо больше, чем неорганических.

Структурная формула плоская, а молекула объёмная. Четыре связи атома углерода в метане направлены к вершинам тетраэдра, угол между ними 109°28′. Поэтому цепь из атомов углерода в реальной молекуле похожа на зигзаг, хотя в тетради её пишут ровной строкой.

Состав C₂H₆O отвечает двум разным веществам

Второе положение: свойства вещества определяются и составом, и химическим строением. Лучше всего это видно на формуле C₂H₆O. Ей отвечают этанол CH₃–CH₂–OH и диметиловый эфир CH₃–O–CH₃.

Этанол — жидкость, он кипит при 78 °C и реагирует с натрием с выделением водорода. Диметиловый эфир при комнатной температуре газ, и натрий на него не действует. Причина в строении. В этаноле один атом водорода связан с кислородом, а в эфире все шесть атомов водорода сидят на углероде.

Третье положение работает в обе стороны: по строению предсказывают свойства, по свойствам устанавливают строение. Если вещество состава C₂H₆O выделяет с натрием водород, в нём есть связь O–H, а такая связь при этом составе возможна только в одной молекуле из двух, в этаноле CH₃–CH₂–OH. Эфир отпадает.

Группа –OH в спирте и в кислоте ведёт себя по-разному

Четвёртое положение — о взаимном влиянии атомов. Группа –OH есть и в этаноле, и в уксусной кислоте CH₃COOH, но лакмус краснеет только в растворе кислоты. Соседняя группа C=O оттягивает на себя электроны, связь O–H становится более полярной, и ион H⁺ отщепляется легче. У этанола такого соседа нет, и в воде он на ионы практически не распадается.

Бутлеров предсказал изобутан раньше, чем его получили

Теория дала прогноз, который можно было проверить. Для состава C₄H₁₀ четырёхвалентный углерод допускает две цепи, неразветвлённую и разветвлённую, а значит, веществ с такой формулой должно быть два. Бутлеров описал разветвлённое строение заранее, а в 1866 году получил изобутан CH₃–CH(CH₃)–CH₃. Он оказался отдельным веществом и кипит при более низкой температуре, чем н-бутан, хотя состав у них одинаковый.

С ростом цепи вариантов становится больше. У пентана C₅H₁₂ три изомера, у гексана C₆H₁₄ пять, у декана C₁₀H₂₂ уже 75. Различает их только порядок соединения атомов.

Чаще всего ошибаются в валентности углерода и в подсчёте изомеров

На контрольной я проверяю структурную формулу за секунды: у каждого атома C должно быть четыре связи, считая связи с водородом. Если где-то пять или три, дальше можно не читать.

• ❌ CH₃–CH=CH₂–CH₃ → ✅ CH₃–CH=CH–CH₃: в первой записи у третьего атома углерода пять связей.

• ❌ н-бутан, записанный уголком, считают новым изомером → ✅ порядок соединения атомов тот же, это всё тот же CH₃–CH₂–CH₂–CH₃.

• ❌ «Одна молекулярная формула — одно вещество» → ✅ формуле C₂H₆O отвечают этанол и диметиловый эфир.

• ❌ «Изомеры отличаются только названием» → ✅ у изомеров разные свойства: этанол жидкость, диметиловый эфир газ.

По массовой доле изомеры не различить, по реакции с натрием можно

Задача 1. Вычисли массовую долю углерода в этаноле C₂H₅OH и в диметиловом эфире CH₃–O–CH₃. Объясни результат.

1. Оба вещества имеют состав C₂H₆O, молярная масса M = 2 · 12 + 6 · 1 + 16 = 46 г/моль.

2. w(C) = 2 · 12 / 46 = 0,522, то есть 52,2 %.

3. Состав у эфира тот же, значит, доля углерода не меняется. По массовым долям изомеры не различить, для этого нужны свойства.

Ответ: 52,2 % в обоих веществах.

Задача 2. Вычисли объём водорода (н. у.), который выделится при действии избытка натрия на 9,2 г этанола.

1. Уравнение реакции: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑. Натрий замещает только водород группы –OH, поэтому из двух молекул спирта выходит одна молекула H₂.

2. n(C₂H₅OH) = 9,2 / 46 = 0,2 моль.

3. n(H₂) = 0,2 / 2 = 0,1 моль.

4. V(H₂) = 0,1 · 22,4 = 2,24 л.

Ответ: 2,24 л.

Задача 3. Углеводород содержит 82,76 % углерода по массе, его плотность по воздуху равна 2. Выведи молекулярную формулу и составь структурные формулы всех изомеров.

1. Молярная масса: M = 2 · 29 = 58 г/моль.

2. Масса углерода в 1 моль: 58 · 0,8276 = 48 г, число атомов C = 48 / 12 = 4.

3. Масса водорода: 58 − 48 = 10 г, число атомов H = 10.

4. Формула C₄H₁₀. Изомеры: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ (н-бутан) и CH₃–CH(CH₃)–CH₃ (изобутан).

Ответ: C₄H₁₀, два изомера — н-бутан и изобутан.