Atommolekylær doktrin

I 1856 begyndte den skotske kemiker Archibald Cooper forskning i bromering af benzen i Charles Wurtz ' laboratorium i Paris . En måned efter udgivelsen af ​​Kekules andet papir blev Coopers uafhængige og stort set identiske teori om molekylær struktur offentliggjort. Han foreslog en meget specifik idé om molekylær struktur, hvilket tyder på, at atomer er forbundet med hinanden som en designer i visse tredimensionelle strukturer. Cooper var den første til at bruge linjer mellem atomer, kombineret med den gamle metode med at bruge parenteser, til at repræsentere bindinger, og postulerede også lige kæder af atomer som strukturer af nogle molekyler, ringformede molekyler af andre, såsom vinsyre og cyanursyre . I nyere publikationer er Coopers bindinger blevet repræsenteret med lige stiplede linjer (selvom det ikke vides, om dette er en kompositors præference), såsom alkohol eller oxalsyre:

I 1861 udgav en ukendt wiensk gymnasielærer ved navn Josef Johann Loschmidt for egen regning en pjece kaldet "Chemische Studien I" indeholdende banebrydende molekylære billeder, der viste både "ring"- og dobbeltbindingsstrukturer, såsom:

Loschmidt foreslog også en mulig formel for benzen, men lod dette spørgsmål stå åbent. Det første forslag til den moderne struktur af benzen blev lavet af August Kekule i 1865. Benzens cykliske natur blev endelig bekræftet af krystallograf Kathleen Lonsdale . Benzen er et særligt problem, fordi det kræver alternerende carbon-dobbeltbindinger for at tage højde for alle bindinger:

I 1865 var den tyske kemiker August Wilhelm von Hoffmann den første til at lave ball-and-stick-modeller af molekyler, som han brugte i et foredrag på Royal Institution of Great Britain, såsom metan:

Denne model var baseret på antagelsen tidligere i 1855 af hans kollega William Odling, at kulstof er tetravalent. Hoffmanns farveskema bruges stadig i dag: kulstof er sort, nitrogen er blåt, oxygen er rødt, klor er grønt, svovl er gult, brint er hvidt. Fejlene i Hoffmanns model var for det meste geometriske: carbonbindinger blev vist i et enkelt plan snarere end tetraedrisk, og atomernes størrelse var uforholdsmæssig, for eksempel var carbon mindre end hydrogen.

I 1864 begyndte den skotske organiske kemiker Alexander Crum Brown at tegne billeder af molekyler, hvori han omslutter atomernes symboler i cirkler og bruger stiplede linjer til at forbinde atomerne sammen på en måde, der tilfredsstiller hvert atoms valens. Året 1873 var ifølge mange anmeldelser et vendepunkt i historien om udviklingen af ​​begrebet "molekyle". I år offentliggjorde den berømte skotske fysiker James Clerk Maxwell sit berømte papir "Molecules" i septemberudgaven af ​​tidsskriftet Nature. I den indledende sektion til dette papir siger Maxwell klart:

Et atom er et legeme, der ikke kan skæres i to; Et molekyle er den mindst mulige del af et bestemt stof.

Efter at have talt om Demokrits atomteori, fortsætter Maxwell med at fortælle os, at ordet "molekyle" er et moderne ord.

I 1874 foreslog Jacob Hendrik van't Hoff og Joseph Achille Le Bel uafhængigt, at fænomenet optisk aktivitet kunne forklares ved at antage, at de kemiske bindinger mellem et kulstofatom og dets naboer er rettet mod hjørnerne af et regulært tetraeder . Dette har ført til en bedre forståelse af molekylers tredimensionelle natur.

Emil Fischer udviklede sin egen teknik til at projicere den tredimensionelle struktur af molekyler på et plan:

I 1898 brugte Ludwig Boltzmann i sine forelæsninger om gasteori valensteorien til at forklare fænomenet molekylær dissociation af gasfasen, og tegnede derved en af ​​de første primitive, men detaljerede tegninger af overlapningen af ​​atomare orbitaler. Med først og fremmest det velkendte faktum, at molekylære joddampe dissocierer til atomer ved højere temperaturer, argumenterer Boltzmann for, at vi må forklare eksistensen af ​​molekyler bestående af to atomer, et "dobbeltatom", som Boltzmann kalder det, med en tiltrækningskraft virker mellem to atomer. Boltzmann udtaler, at denne kemiske tiltrækning, på grund af visse fakta om kemisk valens, skal være forbundet med et relativt lille område på atomets overflade, kaldet det følsomme område.

Boltzmann siger, at dette "følsomme område" vil ligge på overfladen af ​​atomet, eller kan være delvist placeret inde i atomet og vil være fast forbundet med det. Specifikt udtaler han: "Kun når to atomer er arrangeret sådan, at deres følsomme områder rører ved eller delvist overlapper, vil der være en kemisk tiltrækning mellem dem. Vi siger så, at de er kemisk bundet til hinanden. Dette mønster er detaljeret nedenfor, som viser α-følsomt område af atom A , overlappende med β-følsomt område af atom B :

The Age of Classical Chemistry

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede begyndte den amerikanske kemiker Gilbert Newton Lewis , mens han lærte Harvard- studerende at repræsentere elektroner omkring atomer , at symbolisere dem med prikker. Hans elever foretrak disse tegninger, hvilket stimulerede ham i denne retning. Ud fra disse forelæsninger bemærkede Lewis, at grundstoffer med et vist antal elektroner syntes at have en særlig stabilitet. Dette fænomen blev bemærket af den tyske kemiker Richard Abegg i 1904, som Lewis omtalte som "Abeggs valenslov" (nu almindeligvis kendt som Abeggs regel ). Det forekom for Lewis, at så snart en kerne på otte elektroner dannede sig omkring kernen, blev laget fyldt op, og et nyt lag begyndte. Lewis bemærkede også, at de forskellige otte-elektronioner også syntes at have særlig stabilitet. Baseret på disse synspunkter foreslog han "otte-reglen" eller "oktettens regel" : ioner eller atomer med et fyldt lag på otte elektroner har en særlig stabilitet.

Efter at have bemærket, at terningen havde otte hjørner, forestillede Lewis sig desuden, at atomet havde otte sider, der var tilgængelige for elektroner, ligesom hjørnet af en terning. Efterfølgende, i 1902, udviklede han konceptet om, at kubiske atomer kunne samle sig på deres sider for at danne kubisk strukturerede molekyler.

Med andre ord dannes elektronparbindinger, når to atomer deler en grænse, som i struktur C (nedenfor). Dette resulterer i adskillelse af to elektroner. På samme måde dannes ladede ionbindinger, når en elektron overføres fra en terning til en anden uden at dele kanten A. en mellemtilstand B , hvor kun et hjørne er adskilt, blev også postuleret af Lewis.

Derfor dannes dobbeltbindinger ved at dele en flade mellem to kubiske atomer. Dette resulterer i adskillelse af fire elektroner.

I 1913, mens han tjente som formand for kemiafdelingen ved University of California, Berkeley , læste Lewis et foreløbigt udkast til et papir af en engelsk kandidatstuderende , Alfred Lauck Parson som havde gået i Berkeley i et år. I denne artikel foreslog Parson, at en elektron ikke bare er en elektrisk ladning, men også en lille magnet (eller "Magneton", som han kaldte det), og desuden at en kemisk binding er resultatet af deling af to elektroner mellem to atomer. Og allerede dette betød ifølge Lewis, at binding opstår, når to elektroner danner en fælles kant mellem to komplette terninger.

Baseret på disse synspunkter introducerede Lewis i sit berømte papir fra 1916 "Atomet og molekylet" "Lewis-strukturen" for at repræsentere atomer og molekyler, hvor prikker repræsenterer elektroner og linjer repræsenterer kovalente bindinger. I denne artikel udviklede han konceptet om en elektron-parbinding, hvor to atomer kan dele fra en til seks elektroner og dermed danne en enkelt elektronisk binding, enkelt-, dobbelt- eller tredobbeltbinding.

Med Lewis egne ord:

En elektron kan være en del af skallen af ​​to forskellige atomer, og man kan ikke sige, at den udelukkende tilhører et af dem.

Desuden foreslog han, at atomet har en tendens til at danne en ion ved at vinde eller miste nogle af de elektroner , der er nødvendige for at færdiggøre kuben. Lewis-strukturer viser således hvert atom i strukturen af ​​et molekyle ved hjælp af dets kemiske symbol. Der trækkes linjer mellem atomer, der er forbundet med hinanden; nogle gange bruges prikkerpar i stedet for linjer. Overskydende elektroner, der danner enkelte par, er repræsenteret som par af prikker og er placeret ved siden af ​​atomerne, hvorpå de er placeret:

Lewis opsummerer sit syn på den nye kommunikationsmodel:

To atomer kan tilpasse sig "ottes reglen" eller "oktettens reglen" ikke kun ved at overføre elektroner fra et atom til et andet, men også ved at dele et eller flere elektronpar... To elektroner er således forbundet mellem to atomcentre og holdt sammen i skaller af to atomer, betragtede jeg som en kemisk binding. Således har vi et konkret billede af denne fysiske enhed, det "krog og øje", der er en del af den organiske kemikers tro.

Året efter, i 1917, studerede en dengang ukendt amerikansk kemiingeniør ved navn Linus Pauling på Oregon Agricultural College Daltons krog-og-øje-metode, som på det tidspunkt var den aktuelle beskrivelse af bindingerne mellem atomer. Hvert atom havde et vist antal "kroge", der gjorde det muligt for det at binde sig til andre atomer, og et vist antal "knagger", der tillod andre atomer at binde sig til det. Den kemiske binding blev skabt, da "krogen" og "øjet" forenede sig. Men L. Pauling var ikke tilfreds med denne arkaiske metode og vendte sig efter en ny metode til et nyligt opstået vidensfelt - kvantefysik .

I 1927 anvendte de tyske fysikere Fritz London og Walter Heitler kvantemekanikkens metoder til studiet af mættede, ikke-dynamiske tiltræknings- og frastødningskræfter, dvs. deres behandling af dette problems valensbinding i deres fælles arbejde var en milepæl i at det førte kemi til kvantemekanik . Deres arbejde påvirkede L. Pauling, som netop havde afsluttet sin ph.d. og var på besøg hos W. Heitler og F. London i Zürich på et Guggenheim-stipendium.

Efterfølgende udgav Pauling i 1931, baseret på W. Heitler og F. Londons arbejde og på teorierne fundet i det berømte papir af H. Lewis, sit banebrydende papir, The Nature of the Chemical Bond, hvori han brugte kvantemekanik at beregne egenskaber og strukturer molekyler, såsom vinkler mellem bindinger og rotation omkring bindinger. Baseret på disse koncepter udviklede L. Pauling en teori om hybridisering for at redegøre for bindinger i molekyler såsom CH 4 , hvor fire hybridiserede sp 3 -orbitaler overlapper med hydrogen 1s-orbitaler og danner fire σ-bindinger. Disse fire bindinger har samme længde og styrke, hvilket giver en molekylær struktur som vist nedenfor:

Takket være disse unikke teorier modtog L. Pauling Nobelprisen i kemi i 1954 . Bemærkelsesværdigt nok var han den eneste person, der nogensinde vandt to ikke-delte Nobelpriser, idet han modtog Nobels Fredspris i 1963.

I 1926 modtog den franske fysiker Jean Perrin Nobelprisen i fysik for et overbevisende bevis for eksistensen af ​​molekyler. Han gjorde dette ved at beregne Avogadro-tallet ved hjælp af tre forskellige metoder, som alle involverede væskefasesystemer. For det første brugte han en sæbeemulsion af gimmigut, for det andet ved at udføre eksperimentelt arbejde med Brownsk bevægelse og for det tredje ved at bekræfte Einsteins teori om rotation af partikler i væskefasen.

Grundlæggende

Atommolekylær teori er baseret på følgende love og udsagn:

• Alle stoffer er opbygget af atomer
• Atomer af et kemisk stof ( kemisk grundstof ) har de samme egenskaber, men adskiller sig fra atomer af et andet stof
• Når atomer interagerer, dannes molekyler (homonukleære - simple stoffer , heteronukleære - komplekse stoffer )
• I fysiske fænomener ændrer molekyler sig ikke, i kemiske fænomener ændres deres sammensætning.
• Kemiske reaktioner består i dannelsen af ​​nye stoffer fra de samme atomer, som udgjorde de oprindelige stoffer.

• Loven om bevarelse af masse  - massen af ​​stoffer, der indgår i en kemisk reaktion, er lig med massen af ​​stoffer dannet som et resultat af reaktionen
• Loven om sammensætningens konstanthed ( loven om multiple forhold ) - enhver specifik kemisk ren forbindelse, uanset fremstillingsmetoden, består af de samme kemiske grundstoffer, og forholdene mellem deres masser er konstante, og de relative tal af deres atomer er udtrykt som heltal
• Allotropi  - eksistensen af ​​det samme kemiske element i form af flere simple stoffer, forskellige i struktur og egenskaber.

Nye love og regler

Ifølge moderne kvantemekaniske begreber er det for atomer i et molekyle, at kun kernen forbliver mere eller mindre uændret , det vil sige kernen og de indre elektronskaller, mens karakteren af ​​bevægelsen af ​​eksterne (valens)elektroner ændres radikalt, så en ny (som om adskilt) dannes en molekylær elektronskal, der omslutter hele molekylet (se kemisk binding ). I denne forstand er der ingen uforanderlige atomer i molekyler.

• Avogadros lov ( loven om volumetriske forhold )
• Relativ atommasse
• Muldvarp (enhed)
• Lov om ækvivalenter

Bevis for eksistensen af ​​atomer og molekyler

Leucippus og Demokritos teorier om atomer blev ikke bekræftet eksperimentelt, fordi de gamle grækere slet ikke udførte eksperimenter, de satte refleksion over observation.

Det første eksperiment, der bekræftede stoffets atomare natur, blev først udført efter 2000 år. I 1662 opdagede den irske kemiker Robert Boyle (1627-1691), da han komprimerede luft i et U-formet rør under trykket fra en kviksølvsøjle, at volumenet af luft i røret er omvendt proportional med trykket:

Den franske fysiker Edm Mariotte (1620-1684) bekræftede dette forhold 14 år efter Boyle og bemærkede, at det kun holder ved en konstant temperatur.

Resultaterne opnået af Boyle Mariotte kan kun forklares, hvis det erkendes, at luft består af atomer, mellem hvilke der er et tomt rum. Kompression af luft skyldes konvergens af atomer og et fald i volumen af ​​tomt rum.

Se også

• Kemisk formel

Noter

1. ↑ Daltons atomistiske teori Arkivkopi af 17. juli 2012 på Wayback Machine / S. I. Levchenkov Kort oversigt over udviklingen af ​​kemi.

Litteratur

• Begyndelsen af ​​kemi / N.E. Kuzmenko.: V.V. Eremin, V.A. Popkov. - M . : Laboratory of Knowledge, 2016. - 704 s. - ISBN 978-5-906828-17-0 .