Atommolekylär lära

År 1856 började den skotske kemisten Archibald Cooper forskning om bromering av bensen i Charles Wurtz laboratorium i Paris . En månad efter publiceringen av Kekules andra artikel publicerades Coopers oberoende och i stort sett identiska teori om molekylär struktur. Han föreslog en mycket specifik idé om molekylär struktur, vilket antydde att atomer är anslutna till varandra som en designer i vissa tredimensionella strukturer. Cooper var den första som använde linjer mellan atomer, i kombination med den gamla metoden att använda parentes, för att representera bindningar, och postulerade även raka atomkedjor som strukturer av vissa molekyler, ringformade molekyler av andra, såsom vinsyra och cyanursyra . I nyare publikationer har Coopers bindningar representerats med raka prickade linjer (även om det inte är känt om detta är en kompositörs preferens), såsom alkohol eller oxalsyra:

År 1861 publicerade en okänd wiensk gymnasielärare vid namn Josef Johann Loschmidt på egen bekostnad en broschyr kallad "Chemische Studien I" innehållande banbrytande molekylära bilder som visade både "ring" och dubbelbindningsstrukturer, såsom:

Loschmidt föreslog också en möjlig formel för bensen, men lämnade denna fråga öppen. Det första förslaget för den moderna strukturen av bensen gjordes av August Kekule 1865. Bensenens cykliska natur bekräftades slutligen av kristallografen Kathleen Lonsdale . Bensen är ett särskilt problem eftersom det kräver alternerande koldubbelbindningar för att ta hänsyn till alla bindningar:

År 1865 var den tyske kemisten August Wilhelm von Hoffmann den förste att göra boll-och-stick-modeller av molekyler, som han använde i en föreläsning vid Royal Institution of Great Britain, såsom metan:

Denna modell baserades på det antagande som gjordes tidigare 1855 av hans kollega William Odling att kol är fyrvärt. Hoffmanns färgschema används än idag: kol är svart, kväve är blått, syre är rött, klor är grönt, svavel är gult, väte är vitt. Bristerna i Hoffmanns modell var mestadels geometriska: kolbindningar visades i ett enda plan snarare än tetraedriskt, och storleken på atomerna var oproportionerliga, till exempel var kol mindre än väte.

1864 började den skotske organiska kemisten Alexander Crum Brown rita bilder av molekyler, där han omsluter atomernas symboler i cirklar och använder streckade linjer för att koppla samman atomerna på ett sätt som tillfredsställer varje atoms valens. Året 1873 var enligt många recensioner en vändpunkt i historien för utvecklingen av begreppet "molekyl". I år publicerade den berömda skotske fysikern James Clerk Maxwell sin berömda artikel "Molecules" i septembernumret av tidskriften Nature. I det inledande avsnittet till denna artikel säger Maxwell tydligt:

En atom är en kropp som inte kan skäras på mitten; En molekyl är den minsta möjliga delen av ett visst ämne.

Efter att ha pratat om atomteorin om Demokrit, fortsätter Maxwell med att berätta att ordet "molekyl" är ett modernt ord.

År 1874 föreslog Jacob Hendrik van't Hoff och Joseph Achille Le Bel oberoende att fenomenet optisk aktivitet skulle kunna förklaras genom att anta att de kemiska bindningarna mellan en kolatom och dess grannar är riktade mot hörnen av en vanlig tetraeder . Detta har lett till en bättre förståelse av molekylers tredimensionella natur.

Emil Fischer utvecklade sin egen teknik för att projicera den tredimensionella strukturen av molekyler på ett plan:

1898 använde Ludwig Boltzmann i sina föreläsningar om gasteori valensteorin för att förklara fenomenet molekylär dissociation av gasfasen, och ritade därigenom en av de första primitiva men detaljerade ritningarna av överlappningen av atomära orbitaler. När vi först och främst noterar det välkända faktumet att molekylära jodångor dissocierar till atomer vid högre temperaturer, hävdar Boltzmann att vi måste förklara existensen av molekyler som består av två atomer, en "dubbelatom", som Boltzmann kallar det, med en attraktionskraft verkar mellan två atomer. Boltzmann säger att denna kemiska attraktion, på grund av vissa fakta om kemisk valens, måste vara associerad med ett relativt litet område på atomens yta, kallat det känsliga området.

Boltzmann säger att detta "känsliga område" kommer att ligga på atomens yta, eller kan vara delvis beläget inuti atomen och kommer att vara fast förbunden med den. Specifikt säger han: "Först när två atomer är arrangerade så att deras känsliga regioner berör eller delvis överlappar varandra, kommer det att finnas en kemisk attraktion mellan dem. Vi säger då att de är kemiskt bundna till varandra. Detta mönster beskrivs i detalj nedan och visar α-känslig region av atom A , överlappande med β-känslig region av atom B :

The Age of Classical Chemistry

I början av 1900-talet började den amerikanske kemisten Gilbert Newton Lewis , samtidigt som han lärde Harvard - studenter att representera elektroner runt atomer , att symbolisera dem med prickar. Hans elever föredrog dessa teckningar, vilket stimulerade honom i denna riktning. Från dessa föreläsningar noterade Lewis att element med ett visst antal elektroner verkade ha en speciell stabilitet. Detta fenomen noterades av den tyske kemisten Richard Abegg 1904, som Lewis kallade "Abeggs valenslag" (nu allmänt känd som Abeggs regel ). Det verkade för Lewis att så snart en kärna med åtta elektroner bildades runt kärnan, fylldes lagret upp och ett nytt lager började. Lewis noterade också att de olika åtta-elektronjonerna också verkade ha speciell stabilitet. Baserat på dessa synpunkter föreslog han "åttaregeln" eller "oktettens regel" : joner eller atomer med ett fyllt lager av åtta elektroner har en speciell stabilitet.

Dessutom, efter att ha märkt att kuben hade åtta hörn, föreställde Lewis sig att atomen hade åtta sidor tillgängliga för elektroner, som hörnet på en kub. Därefter, 1902, utvecklade han konceptet att kubiska atomer kunde förenas på sina sidor för att bilda kubiskt strukturerade molekyler.

Med andra ord bildas elektronparbindningar när två atomer delar en gräns, som i struktur C (nedan). Detta resulterar i separation av två elektroner. På liknande sätt bildas laddade jonbindningar när en elektron överförs från en kub till en annan utan att dela kanten A. ett mellantillstånd B , i vilket endast ett hörn är separerat, postulerades också av Lewis.

Därför bildas dubbelbindningar genom att dela en yta mellan två kubiska atomer. Detta resulterar i separation av fyra elektroner.

1913, medan han tjänstgjorde som ordförande för kemiavdelningen vid University of California, Berkeley , läste Lewis ett preliminärt utkast till ett papper av en engelsk doktorand , Alfred Lauck Parson som hade gått i Berkeley i ett år. I den här artikeln föreslog Parson att en elektron inte bara är en elektrisk laddning, utan också en liten magnet (eller "Magneton" som han kallade det), och dessutom att en kemisk bindning är ett resultat av att två elektroner delas mellan två atomer. Och redan detta innebar, enligt Lewis, att bindning uppstår när två elektroner bildar en gemensam kant mellan två kompletta kuber.

Baserat på dessa synpunkter introducerade Lewis i sin berömda uppsats "Atomen och molekylen" från 1916 "Lewis-strukturen" för att representera atomer och molekyler, där prickar representerar elektroner och linjer representerar kovalenta bindningar. I den här artikeln utvecklade han konceptet med en elektronparbindning, där två atomer kan dela från en till sex elektroner och på så sätt bilda en enkel elektronisk bindning, enkel-, dubbel- eller trippelbindning.

Med Lewis egna ord:

En elektron kan vara en del av skalet av två olika atomer, och man kan inte säga att den uteslutande tillhör en av dem.

Dessutom föreslog han att atomen tenderar att bilda en jon genom att vinna eller förlora några av de elektroner som behövs för att fullborda kuben. Sålunda visar Lewis-strukturer varje atom i strukturen av en molekyl med hjälp av dess kemiska symbol. Linjer dras mellan atomer som är kopplade till varandra; ibland används prickpar istället för linjer. Överskott av elektroner som bildar enstaka par representeras som par av prickar och placeras bredvid atomerna där de är belägna:

Som en sammanfattning av sina åsikter om den nya kommunikationsmodellen, säger Lewis:

Två atomer kan anpassa sig till "åttaregeln" eller "oktettens regel" inte bara genom att överföra elektroner från en atom till en annan, utan också genom att dela ett eller flera elektronpar... Två elektroner som alltså är sammankopplade mellan två atomcentra och hålls samman i skal av två atomer, betraktade jag som en kemisk bindning. Därmed har vi en konkret bild av denna fysiska varelse, den där "kroken och ögat" som är en del av den organiska kemistens tro.

Året därpå, 1917, studerade en då okänd amerikansk kemiingenjör vid namn Linus Pauling vid Oregon Agricultural College Daltons krok-och-öga-metod, som på den tiden var den aktuella beskrivningen av bindningarna mellan atomer. Varje atom hade ett visst antal "krokar" som gjorde att den kunde fästa till andra atomer, och ett visst antal "klackar" som gjorde att andra atomer kunde fästa sig vid den. Den kemiska bindningen skapades när "kroken" och "ögat" förenades. Men L. Pauling var inte nöjd med denna arkaiska metod och vände sig för en ny metod till ett nyligen framväxande kunskapsområde - kvantfysik .

År 1927 tillämpade de tyska fysikerna Fritz London och Walter Heitler kvantmekanikens metoder för att studera mättbara, icke-dynamiska attraktions- och repulsionskrafter, dvs. deras behandling av valensbindningen av detta problem i deras gemensamma arbete var ett landmärke i att det ledde kemin till kvantmekaniken . Deras arbete påverkade L. Pauling, som precis hade avslutat sin doktorsexamen och besökte W. Heitler och F. London i Zürich på ett Guggenheim-stipendium.

Därefter, 1931, med utgångspunkt i W. Heitlers och F. Londons arbete och på teorierna i den berömda artikeln av H. Lewis, publicerade Pauling sin banbrytande artikel, The Nature of the Chemical Bond, där han använde kvantmekanik att beräkna egenskaper och strukturer, molekyler, såsom vinklar mellan bindningar och rotation runt bindningar. Baserat på dessa koncept utvecklade L. Pauling en teori om hybridisering för att redogöra för bindningar i molekyler som CH 4 , i vilka fyra hybridiserade sp 3 -orbitaler överlappar med väte 1s-orbitaler och bildar fyra σ-bindningar. Dessa fyra bindningar är av samma längd och styrka, vilket ger en molekylstruktur som visas nedan:

Tack vare dessa unika teorier fick L. Pauling Nobelpriset i kemi 1954 . Anmärkningsvärt nog var han den enda personen som någonsin vunnit två odelade Nobelpriser och fick Nobels fredspris 1963.

1926 fick den franske fysikern Jean Perrin Nobelpriset i fysik för övertygande bevis på molekylers existens. Han gjorde detta genom att beräkna Avogadro-talet med hjälp av tre olika metoder, som alla involverade system i vätskefas. För det första använde han en tvålemulsion av gimmigut, för det andra genom att utföra experimentellt arbete med Brownsk rörelse, och för det tredje genom att bekräfta Einsteins teori om partiklars rotation i vätskefasen.

Grunderna

Atommolekylär teori bygger på följande lagar och påståenden:

• Alla ämnen är uppbyggda av atomer
• Atomer av ett kemiskt ämne ( kemiskt element ) har samma egenskaper men skiljer sig från atomer av ett annat ämne
• När atomer interagerar bildas molekyler (homonukleära - enkla ämnen , heteronukleära - komplexa ämnen )
• I fysikaliska fenomen förändras inte molekyler, i kemiska fenomen förändras deras sammansättning.
• Kemiska reaktioner består i att nya ämnen bildas från samma atomer som utgjorde de ursprungliga ämnena.

• Lagen om bevarande av massa  - massan av ämnen som går in i en kemisk reaktion är lika med massan av ämnen som bildas som ett resultat av reaktionen
• Lagen om sammansättningens beständighet ( lagen om multipla förhållanden ) - varje specifik kemiskt ren förening, oavsett metoden för dess framställning, består av samma kemiska element, och förhållandena mellan deras massor är konstanta, och de relativa talen för deras atomer uttrycks som heltal
• Allotropi  - förekomsten av samma kemiska element i form av flera enkla ämnen, olika i struktur och egenskaper.

Nya lagar och förordningar

Enligt moderna kvantmekaniska begrepp, för atomer i en molekyl, förblir bara kärnan mer eller mindre oförändrad , det vill säga kärnan och inre elektronskal, medan karaktären av rörelsen av externa (valens)elektroner förändras radikalt så att en ny (som om det vore separat) bildas ett molekylärt elektronskal som omsluter hela molekylen (se kemisk bindning ). I denna mening finns det inga oföränderliga atomer i molekyler.

• Avogadros lag ( lag om volymförhållanden )
• Relativ atommassa
• Mullvad (enhet)
• Ekvivalentlagen

Bevis på förekomsten av atomer och molekyler

Leucippus och Demokritos teorier om atomer bekräftades inte experimentellt, eftersom de gamla grekerna inte utförde experiment alls, de satte reflektion över observation.

Det första experimentet som bekräftade materiens atomära natur utfördes först efter 2000 år. År 1662 upptäckte den irländska kemisten Robert Boyle (1627-1691), när han komprimerade luft i ett U-format rör under trycket från en kvicksilverkolonn, att volymen luft i röret är omvänt proportionell mot trycket:

Den franske fysikern Edm Mariotte (1620-1684) bekräftade detta förhållande 14 år efter Boyle och noterade att det bara håller vid en konstant temperatur.

Resultaten som erhållits av Boyle Mariotte kan bara förklaras om man inser att luft består av atomer, mellan vilka det finns ett tomt utrymme. Kompression av luft beror på konvergensen av atomer och en minskning av volymen av tomt utrymme.

Se även

• Kemisk formel

Anteckningar

1. ↑ Daltons atomistiska teori Arkivexemplar av 17 juli 2012 på Wayback Machine / S. I. Levchenkov. Kort översikt över kemins utveckling.

Litteratur

• Början av kemi / N.E. Kuzmenko.: V.V. Eremin, V.A. Popkov. - M . : Laboratory of Knowledge, 2016. - 704 sid. - ISBN 978-5-906828-17-0 .