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化学结构学说创立前有机化学研究上所存在的问题上我们研究过甲烷、乙烷、丙烷的分子结构,现在看来,烷属烃分子中碳原子之间,以及碳原子跟氢原子之间的结合情况,已是很清楚了.但是,这些问题的得到解决,并不是那么顺利的,而是经过了不少的研究和论争,才取得目前这样的结论。
①空气的平均分子量约为29。
十九世纪初期,由于生产发展的推动,发现了许多新的有机物和有机化学反应.有很多事实,不能运用当时已有的化学理论来加以解释.象元素的化合价的概念,在十九世纪五十年代就被科学家们所确定了,知道每种元素都有一定的化合价,元素的化合价有的只有一种,有的可能有几种,但无论如何化合价总应当是整数.从二氧化碳、碳酸、碳酸盐等无机化合物来看,很明显碳是一个4价元素,可是根据第一册S2·15里所讨论过的化合价规则(甲元素的化合价×甲元素的原子数=乙元素的化合价×乙元素的原子数)似乎不适用于有机物.侧如在甲烷里碳是4价,而在在乙烷里,碳就好象是3价(6/2)了;至于在丙烷(C3H)、丁烷(CH)里,碳的化合价甚至成了分数(8/3和10/4)了,要是把甲烷的同系物的分子式,逐个来检査,就党得各种烷烃分子里碳原子的价数各不相同.为什么碳元素在各种化合物里的化合价会有这么多的变化呢?这是当时一个难以解释的问题,除了化合价之外,象有机物为什么这样多?同系物之间为什么总是相差一个或几个CH2原子团?一种物质是不是只应有一种式子,还是同时可以有多种式子来表示①等等一连串的问题,一时都得不到解决.因此,研究有机化学遇到了很大的困难。
有机化合物
上画所谈的这许多问题题,显然是和有机物复杂的分子结构有关.但是当时有很多化学家认为化学工作者只应该研究
①当时有些化学家认为:一种物质在不同的化学反应里,应该用不同的式子来表示。
物质的化学反应过程,不应该去探索分子本身构造上的秘密这种观点严重地妨碍了有机化学的发展,而把有机化学引到死胡同里去.直到十九世纪六十年代,俄国的化学家布特列洛夫系统地研究了当时所积累的科学资料,认为要解决这些问题,只有到分子结构的领域里去找寻,终于在1861年创立了化学结构学说,澄清了当时的混乱状态.布特列洛夫认为有机物的分子具有一定的结构,而且分子的结构是可以通过实验的方法来确定的,一种种物质只能有一种结构,因此只能用一个式子来表示.布特列洛夫的化学结构学说,不仅解释了当时有机化学上的一系列问题,而且成为发展有机化学的重要理论.后来学说本身又被新的理论所充实和补充,使旧有的原理,更加深深刻并日趋完善,成为为一个完整的理论。
化学结构学说的基本内容 布特列洛夫认为,在任何个化合物的分子中,原子并不是散乱的堆积,分子是有一定的
化学结构的,结构决定着化合物的性质。
什么叫做化学结构呢?在任何一种化合物的分子中,每一个原子都有一定的化合价(当时称为化学力或亲和力的数量),原子是按照这种化合价相互结合着的,原子相互结合成分子的方式,称为物质分子的化学结构。
物质的分子不仅具有一定的化学结构,而且它的性质就决定于它的结构.一种化合物的性质不仅取决于含有几种原子和几个原子,而且决定于这些原子如何有顺序地结合成为分子,因此,可以根据物质的性质来推知它的化学结构,反过来,也可以根据物质的化学结构,来推知这种物质的性质。
在学说中还有很重要的一点,就是,在一个分子中,原子之间相互产生着影响.一个分子的性质,并不等于分子中各种原子性质的总和,而是在原子之间有着相互影响、相互制约的关系。
总之,化学结构学说是关于物质分子里原子的相互结合、排列和相互影响的学说,我们可以把它归纳为下列四点：
(1)在物质的分子里,所有的原子都按照一定的顺序相互结合,并不是杂乱的堆积
(2)分子里所有的原子都按照它们的化合价相互结合,。而且每一个原子的化合价都一定得到满足,没有剩余的化合价。
(3)一种分子只可能有一种化学结构.物质的性质不但决定于它的分子组成,而且决定于它的化学结构。
(4)在一个分子里,原子之间是相互影响着的。
运用化学结构学说解释存在的问题根据化学结构学说的原理,我们可以用学过的烷属烃作为例子,来推知它们的性质和化学结构之间的相互关系,从而解释在结构学说创立以前所存在的一些问题。
1.有机物分子里碳的化合价问题我们们已经讲过乙烷和丙烷的分子结构,知道在它们分子里的碳原子之间,以单键相互联结成链状.不仅乙烷和丙烷如此,就是所有烷属烃里碳原子之间也都如此.因为化学结构学说肯定了在物质的分子里所有原子都是按照一定顺序彼此结合的,所以只要把甲烷同系物分子里的碳原子按照顺序排成链状结构,就可以看出碳原子都是4价,仍旧符合于化合价规则,而就不会产生碳原子化合价多变的错觉了。
2.为什么同系物之间总是相差一个或几个CH2原子团把甲烷到丁烷的结构式排列起来;
原子团把甲烷到丁烷的结构式排列起来
可以看出,在碳链上每增加一个碳原子,必然要增加二个氢原子,否则各个原子的化合价就得不到满足.所以同系物之间,都是相差一个或几个CH2原子团.由此亦可以看到,烷属烃的通式只可能是CnH2n+2,而它们同系物之间具有相似的结构,因此具有相似的化学性质。
3.一种物质是不是只应有一种式子来表示由于物质的化学结构与物质的性质间有着一定的关系,已如上述.因此,亦就是肯定了分子化学结构的单一性.化学结构学说指出:每一个分子只能有一种化学结构,在相同分子中不可能有几个不同的化学结构同时并存.所以,一种物质只能用一个既反映结构、又在一定程度上反映性质的固定式子来表示.例如,丙烷的结构式只能是
一种,它既反映丙烷分子中碳原子是单键链状结构,又表示它不能再加入任何原子而只能起取代反应的性质.有时我们把它写成 CHCH2-CH2模样,情况仍然一样,这个式子叫微结构简式,“-”表示碳原子间的价键,至于碳原子和氢原子间的价键则已略去.。
丁烷的结构式
4.怎样体现“分子里原子之间是相互影响着的”关于分子中原子之间相互影响的意义,目前我们可以用几种常见的简单化合物为彻来加以说明.在HC1、H2O、NH3、CH:四种分子中,氢原子是分别跟四种不同的原子氯、氧、氮、碳相结合的,它们的性质不一样.我们们知道,金属钠很容易从水里置换出氢来,但很难使甲烷中的氢被取代、为什么有这种差别呢?主要原因就在于和氢相连结的原子不同,以及氢原子的个数不同,从而所起的影响也不同.这种直接相连的原子间的影响,在有机化合物中将会时常碰到。 5,为什么有机化合物的种数这样多前面讲过,有机物种数已超过百万种.为什么这样多?从烷属烃的同系物来看,我们很容易理解,这就是由于碳原子能彼此结合成为碳链的缘故.碳原子之间,彼此共有一对电子,形成牢固的共价键,使这种碳链可以结合得很长,如在七士烷里,就有七十个碳原子结合成的长链,这就是有机物为数众多的主要原因之一.
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