Atomově-molekulární doktrína

V roce 1856 zahájil skotský chemik Archibald Cooper výzkum bromace benzenu v laboratoři Charlese Wurtze v Paříži . Měsíc po zveřejnění Kekuleova druhého článku byla publikována Cooperova nezávislá a do značné míry identická teorie molekulární struktury. Navrhl velmi specifickou myšlenku molekulární struktury, což naznačuje, že atomy jsou navzájem spojeny jako designér v určitých trojrozměrných strukturách. Cooper byl první, kdo použil čáry mezi atomy v kombinaci se starou metodou používání závorek k reprezentaci vazeb, a také předpokládal přímé řetězce atomů jako struktury některých molekul, kruhové molekuly jiných, jako je kyselina vinná a kyselina kyanurová . . V novějších publikacích byly Cooperovy vazby znázorněny rovnými tečkovanými čarami (ačkoli není známo, zda se jedná o preferenci sazeče), jako je alkohol nebo kyselina šťavelová:

V roce 1861 neznámý vídeňský středoškolský učitel jménem Josef Johann Loschmidt vydal vlastním nákladem brožuru nazvanou „Chemische Studien I“, která obsahovala převratné molekulární obrázky, které ukazovaly jak struktury „kruhové“, tak dvojné vazby, jako například:

Loschmidt také navrhl možný vzorec pro benzen, ale tuto otázku ponechal otevřenou. První návrh na moderní strukturu benzenu učinil August Kekule v roce 1865. Cyklickou povahu benzenu nakonec potvrdila krystalografka Kathleen Lonsdale . Benzen je zvláštní problém v tom, že vyžaduje střídající se uhlíkové dvojné vazby, aby odpovídaly za všechny vazby:

V roce 1865 německý chemik August Wilhelm von Hoffmann jako první vyrobil kuličkové modely molekul, které použil na přednášce v Královské instituci Velké Británie, jako je metan:

Tento model byl založen na předpokladu, který již dříve v roce 1855 učinil jeho kolega William Odling, že uhlík je čtyřmocný. Hoffmannovo barevné schéma se používá dodnes: uhlík je černý, dusík je modrý, kyslík je červený, chlór je zelený, síra je žlutá, vodík je bílý. Chyby v Hoffmannově modelu byly většinou geometrické: uhlíkové vazby byly znázorněny spíše v jedné rovině než čtyřstěnné a velikosti atomů byly nepřiměřené, například uhlík byl menší než vodík.

V roce 1864 začal skotský organický chemik Alexander Crum Brown kreslit obrázky molekul, ve kterých symboly atomů uzavírá do kruhů a pomocí přerušovaných čar spojuje atomy dohromady způsobem, který splňuje valenci každého atomu. Rok 1873 byl podle mnoha recenzí zlomový v historii vývoje pojmu „molekula“. Slavný skotský fyzik James Clerk Maxwell letos v zářijovém čísle časopisu Nature publikoval svůj slavný článek „Molekuly“. V úvodní části tohoto dokumentu Maxwell jasně říká:

Atom je těleso, které nelze rozpůlit; Molekula je nejmenší možná část konkrétní látky.

Po promluvě o atomové teorii Demokrita nám Maxwell dále říká, že slovo „molekula“ je moderní slovo.

V roce 1874 Jacob Hendrik van't Hoff a Joseph Achille Le Bel nezávisle navrhli, že jev optické aktivity lze vysvětlit předpokladem, že chemické vazby mezi atomem uhlíku a jeho sousedy směřují do rohů pravidelného čtyřstěnu. . To vedlo k lepšímu pochopení trojrozměrné povahy molekul.

Emil Fischer vyvinul vlastní techniku ​​promítání trojrozměrné struktury molekul do roviny:

V roce 1898 Ludwig Boltzmann ve svých přednáškách o teorii plynů použil teorii valence k vysvětlení jevu molekulární disociace plynné fáze a nakreslil tak jeden z prvních primitivních, ale detailních nákresů překrývání atomových orbitalů. Boltzmann si nejprve uvědomuje dobře známou skutečnost, že páry molekulárního jódu se při vyšších teplotách disociují na atomy, a tvrdí, že existenci molekul sestávajících ze dvou atomů, „dvojatomu“, jak tomu Boltzmann říká, musíme vysvětlit přitažlivou silou. působící mezi dvěma atomy . Boltzmann uvádí, že tato chemická přitažlivost, kvůli jistým faktům chemické valence, musí být spojena s relativně malou oblastí na povrchu atomu, nazývanou citlivá oblast.

Boltzmann uvádí, že tato „citlivá oblast“ bude ležet na povrchu atomu, nebo se může částečně nacházet uvnitř atomu a bude s ním pevně spojena. Konkrétně uvádí: "Pouze když jsou dva atomy uspořádány tak, že se jejich citlivé oblasti dotýkají nebo se částečně překrývají, dojde mezi nimi k chemické přitažlivosti. Potom říkáme, že jsou k sobě chemicky vázány. Tento vzorec je podrobně popsán níže a ukazuje α-citlivá oblast atomu A , překrývající se s β-citlivou oblastí atomu B :

Věk klasické chemie

Na počátku 20. století americký chemik Gilbert Newton Lewis , zatímco učil studenty Harvardu reprezentovat elektrony kolem atomů , je začal symbolizovat tečkami. Jeho studenti preferovali tyto kresby, které ho v tomto směru stimulovaly. Z těchto přednášek Lewis poznamenal, že prvky s určitým počtem elektronů se zdály mít zvláštní stabilitu. Tento jev zaznamenal německý chemik Richard Abegg v roce 1904, který Lewis označil jako „Abeggův valenční zákon“ (nyní běžně známý jako Abeggovo pravidlo ). Lewisovi se zdálo, že jakmile se kolem jádra vytvořilo jádro osmi elektronů, vrstva se zaplnila a začala nová vrstva. Lewis také poznamenal, že různé osmielektronové ionty se také zdály mít zvláštní stabilitu. Na základě těchto názorů navrhl „pravidlo osmi“ nebo „pravidlo oktetu“ : ionty nebo atomy s naplněnou vrstvou osmi elektronů mají zvláštní stabilitu.

Navíc poté, co si Lewis všiml, že krychle má osm rohů, představil si atom jako s osmi stranami přístupnými pro elektrony, jako roh krychle. Následně v roce 1902 vyvinul koncept, že kubické atomy by se mohly spojit na svých stranách a vytvořit kubicky strukturované molekuly.

Jinými slovy, vazby elektronových párů se tvoří, když dva atomy sdílejí hranici, jako ve struktuře C (níže). To má za následek oddělení dvou elektronů. Podobně nabité iontové vazby se tvoří, když je elektron přenesen z jedné krychle do druhé, aniž by sdílel hranu A. přechodný stav B , ve kterém je oddělen pouze jeden roh, byl také postulován Lewisem.

Dvojné vazby proto vznikají sdílením plochy mezi dvěma kubickými atomy. To má za následek oddělení čtyř elektronů.

V roce 1913, když sloužil jako vedoucí katedry chemie na Kalifornské univerzitě v Berkeley , přečetl Lewis předběžný návrh článku anglického postgraduálního studenta Alfreda Laucka Parsona který rok navštěvoval Berkeley. V tomto článku Parson navrhl, že elektron není jen elektrický náboj, ale také malý magnet (nebo "Magneton", jak to nazval), a navíc, že ​​chemická vazba je výsledkem sdílení dvou elektronů mezi dvěma atomy. A už to podle Lewise znamenalo, že k vazbě dochází, když dva elektrony tvoří společnou hranu mezi dvěma úplnými krychli.

Na základě těchto názorů Lewis ve svém slavném článku z roku 1916 „The Atom and the Molecule“ zavedl „Lewisovu strukturu“ reprezentující atomy a molekuly, kde tečky představují elektrony a čáry představují kovalentní vazby. V tomto článku rozvinul koncept vazby elektronového páru, ve které mohou dva atomy sdílet jeden až šest elektronů, čímž tvoří jednoduchou elektronovou vazbu, jednoduchou, dvojnou nebo trojnou vazbu.

Lewisovými vlastními slovy:

Elektron může být součástí obalu dvou různých atomů a nelze říci, že by patřil výhradně jednomu z nich.

Navíc navrhl, že atom má tendenci tvořit iont tím, že získá nebo ztratí některé elektrony potřebné k dokončení krychle. Lewisovy struktury tedy ukazují každý atom ve struktuře molekuly pomocí jeho chemické značky. Čáry jsou nakresleny mezi atomy, které jsou navzájem spojeny; někdy se místo čar používají dvojice teček. Přebytečné elektrony, které tvoří jednotlivé páry, jsou reprezentovány jako páry teček a jsou umístěny vedle atomů, na kterých se nacházejí:

Lewis shrnuje své názory na nový komunikační model:

Dva atomy se mohou podřídit „pravidlu osmi“ nebo „pravidlu oktetu“ nejen přenosem elektronů z jednoho atomu na druhý, ale také sdílením jednoho nebo více párů elektronů... Dva elektrony takto spojené mezi dvěma atomovými centry a držené pohromadě v obalech dvou atomů, jsem považoval za chemickou vazbu. Máme tedy konkrétní obraz této fyzické entity, onoho „háčku a oka“, který je součástí přesvědčení organického chemika.

Následující rok, v roce 1917, studoval tehdy neznámý americký chemický inženýr Linus Pauling na Oregon Agricultural College Dalton's hook-and-eye metodu, což byl v té době současný popis vazeb mezi atomy. Každý atom měl určitý počet "háčků", které mu umožňovaly se připojit k jiným atomům, a určitý počet "oček", které umožňovaly připojení dalších atomů k němu. Chemická vazba vznikla spojením „háčku“ a „očka“. L. Pauling se však s touto archaickou metodou nespokojil a obrátil se pro novou metodu do nově vznikajícího oboru znalostí – kvantové fyziky .

V roce 1927 němečtí fyzici Fritz London a Walter Heitler aplikovali metody kvantové mechaniky na studium saturovatelných, nedynamických sil přitažlivosti a odpuzování, tj. jejich zpracování valenční vazby tohoto problému v jejich společné práci bylo mezníkem v že dovedla chemii ke kvantové mechanice . Jejich práce ovlivnila L. Paulinga, který právě dokončil doktorát a byl na návštěvě u W. Heitlera a F. Londýna v Curychu na Guggenheimově stipendiu.

Následně v roce 1931 Pauling, navazující na práci W. Heitlera a F. Londona a na teorie nalezené ve slavném článku H. Lewise, publikoval svůj průkopnický článek The Nature of the Chemical Bond, ve kterém použil kvantovou mechaniku. pro výpočet vlastností a struktur molekul, jako jsou úhly mezi vazbami a rotace kolem vazeb. Na základě těchto koncepcí vyvinul L. Pauling teorii hybridizace k vysvětlení vazeb v molekulách, jako je CH 4 , ve kterých se čtyři hybridizované orbitaly sp 3 překrývají s orbitaly vodíku 1 a tvoří čtyři vazby σ. Tyto čtyři vazby mají stejnou délku a sílu, což dává molekulární strukturu, jak je ukázáno níže:

Díky těmto unikátním teoriím obdržel L. Pauling v roce 1954 Nobelovu cenu za chemii . Je pozoruhodné, že byl jediným člověkem, který kdy vyhrál dvě nesdílené Nobelovy ceny, když v roce 1963 obdržel Nobelovu cenu za mír .

V roce 1926 obdržel francouzský fyzik Jean Perrin Nobelovu cenu za fyziku za přesvědčivý důkaz existence molekul. Udělal to výpočtem Avogadrova čísla pomocí tří různých metod, z nichž všechny zahrnovaly systémy v kapalné fázi. Za prvé použil mýdlovou emulzi gimmigutu, za druhé provedl experimentální práci na Brownově pohybu a za třetí potvrdil Einsteinovu teorii rotace částic v kapalné fázi.

Základy

Atomově-molekulární teorie je založena na následujících zákonech a tvrzeních:

• Všechny látky se skládají z atomů
• Atomy jedné chemické látky ( chemického prvku ) mají stejné vlastnosti, ale liší se od atomů jiné látky
• Při interakci atomů vznikají molekuly (homonukleární - jednoduché látky , heteronukleární - komplexní látky )
• Ve fyzikálních jevech se molekuly nemění, v chemických jevech se mění jejich složení.
• Chemické reakce spočívají ve vzniku nových látek ze stejných atomů, které tvořily původní látky.

• Zákon zachování hmotnosti  - hmotnost látek vstupujících do chemické reakce se rovná hmotnosti látek vzniklých v důsledku reakce
• Zákon stálosti složení ( zákon vícenásobných poměrů ) - jakákoli specifická chemicky čistá sloučenina, bez ohledu na způsob její přípravy, se skládá ze stejných chemických prvků a poměry jejich hmotností jsou konstantní a relativní počty jejich atomy jsou vyjádřeny jako celá čísla
• Alotropie  - existence stejného chemického prvku ve formě několika jednoduchých látek, které se liší strukturou a vlastnostmi.

Nově vznikající zákony a předpisy

Podle moderních kvantově mechanických koncepcí pro atomy v molekule zůstává víceméně nezměněno pouze jádro , tedy jádro a vnitřní elektronové obaly, zatímco povaha pohybu vnějších (valenčních) elektronů se radikálně mění tak, že vzniká nový (jakoby oddělený) vzniká molekulární elektronový obal, který obklopuje celou molekulu (viz chemická vazba ). V tomto smyslu neexistují v molekulách žádné neměnné atomy.

• Avogadrův zákon ( zákon objemových poměrů )
• Relativní atomová hmotnost
• Krtek (jednotka)
• Zákon ekvivalentů

Důkaz existence atomů a molekul

Teorie Leucippa a Demokrita o atomech nebyly experimentálně potvrzeny, protože staří Řekové experimenty vůbec neprováděli, upřednostňovali reflexi před pozorováním.

První experiment potvrzující atomovou povahu hmoty byl proveden až po 2000 letech. V roce 1662 irský chemik Robert Boyle (1627-1691) při stlačování vzduchu v trubici ve tvaru U pod tlakem rtuťového sloupce zjistil, že objem vzduchu v trubici je nepřímo úměrný tlaku:

Francouzský fyzik Edm Mariotte (1620-1684) potvrdil tento vztah 14 let po Boyleovi a poznamenal, že se drží pouze při konstantní teplotě.

Výsledky získané Boylem Mariottem lze vysvětlit pouze tehdy, když se uzná, že vzduch se skládá z atomů, mezi nimiž je prázdný prostor. Stlačování vzduchu je způsobeno konvergencí atomů a zmenšováním objemu prázdného prostoru.

Viz také

• Chemický vzorec

Poznámky

1. ↑ Daltonova atomistická teorie Archivní kopie ze 17. července 2012 na Wayback Machine / S. I. Levchenkov Stručný nástin vývoje chemie.

Literatura

• Počátky chemie / N.E. Kuzmenko.: V.V. Eremin, V.A. Popkov. - M . : Laboratoř znalostí, 2016. - 704 s. - ISBN 978-5-906828-17-0 .