화학 구조 이론. 과학적 발견의 역사와 본질

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화학 구조 이론. 과학적 발견의 역사와 본질

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1779세기 초에 Davy-Berzelius 전기화학 이론은 서구 화학자들 사이에서 최고로 군림했습니다. Jens Berzelius(1848–XNUMX)의 이론에 따르면, 각 화합물의 두 부분이 구분됩니다. 한 부분은 전기 양성으로 대전되고 다른 부분은 전기 음성으로 대전됩니다. 따라서 베르셀리우스는 모든 원소를 일렬로 배열했는데, 산소가 전기음성도가 가장 큰 원소, 칼륨이 전기음성도가 가장 큰 원소였습니다. 베르셀리우스는 가장 전기음성적인 원소를 준금속, 가장 전기양성적인 금속이라고 불렀습니다.

XNUMX 년대에 프랑스 화학자 J. B. Dumas는 그의 연구를 통해 Davy-Berzelius의 이론에 타격을 가하여 소위 유기 화합물 유형 이론을 제시했습니다. Dumas는 복잡한 몸체의 성질이 아니라 동일한 유형의 원자 배열이 화합물의 화학적 특성을 결정한다고 주장했습니다. 그러나 Dumas의 이러한 견해는 곧 여러 가지 어려움과 모순에 부딪 혔습니다.

결과적으로 기본 화학 개념의 개발 문제에서 큰 진전은 소위 단일 시스템 또는 프랑스 화학자 Ch. Gerard와 O. Laurent의 이론이었습니다. 이 이론의 가장 본질적인 특징은 화합물에 대한 새로운 교리의 일관된 적용이었습니다. Laurent와 Gerard는 입자, 원자 및 등가의 개념을 구별하는 데 기여했습니다. 그러나 서양의 주요 화학자들 사이에서 열띤 논쟁을 일으킨 가장 근본적인 문제는 화합물의 구조를 화학식으로 표현할 수 있는가 하는 문제였다.

화학의 위대한 개혁가인 Charles Frédéric Gérard(1816-1856)는 때때로 물질이 변할 때, 즉 물질 자체가 존재하지 않을 때만 화학 현상이 시작된다고 확신하게 되었습니다. 그러므로 우리는 Gerard가 말했듯이 물질의 과거와 미래만을 알 수 있으며, 따라서 화학식은 원자의 배열이 아니라 알려진 물질의 유사체만을 표현할 수 있습니다. 방금 말한 것에 따라 Gerard에 따르면 각 물질에 대해 주어진 물질이 다양한 유형의 변형을 겪을 수 있는 만큼 많은 합리적인 공식을 쓸 수 있습니다.

1858년 유명한 화학자 아우구스트 케쿨레 (1829-1896)은 매우 중요한 단계를 밟아 탄소 XNUMX원자의 개념을 여러 탄소 원자를 포함하는 화합물로 확장하여 폴리카본 화합물에서 탄소 원자를 편리하게 연결할 수 있다는 결론에 도달합니다. 미래에 Kekule은 탄소 원자와 산소, 질소 등과 같은 다른 다원자 요소를 결합하는 경우로 이 결합 규칙을 확장합니다.

나중에 Kekule은 원소의 원자성이나 원자가를 기점으로 하는 유기화합물 구조의 문제에 접근했지만 이 방향으로 결정적인 조치를 취하지는 않았습니다. 따라서 1858년 기사 말미에서 Kekule은 다음과 같이 씁니다.

Kekulé는 오랫동안 Gerard의 생각에 사로잡혀 있었고 1859-1861년에 출판된 유기 화학에 관한 잘 알려진 교과서에서 그는 정신의 "합리적" 공식을 광범위하게 사용했습니다. 제라드의.

그리고 화학 발전의 새로운 시대가 다가오고 있음을 느꼈지만 돌파구를 만들기 위해서는 Butlerov의 천재성이 필요했습니다.

알렉산더 미하일로비치 버틀레로프 (1828-1886)은 아버지의 재산이 있던 카잔 근처의 작은 마을인 Butlerovka에서 태어났습니다. 사샤는 그의 어머니를 기억하지 못했고 태어난 지 XNUMX일 만에 사망했습니다. 교육을 받은 아버지 밑에서 자란 사샤는 모든 면에서 그처럼 되고 싶었습니다.

처음에 그는 기숙 학교에서 공부 한 다음 첫 번째 Kazan 체육관에 들어갔다. 졸업 후 사샤는 카잔 대학의 자연과학부에 입학했지만 아직 학생일 뿐이었다. 이듬해인 1845년, 청년이 17세가 되었을 때, Butlerov의 이름은 첫해에 합격한 사람 목록에 나타났습니다.

1846년, 청년은 발진티푸스에 걸려 기적적으로 살아났지만, 장티푸스에 걸린 그의 아버지는 사망했습니다. 가을에 이모와 함께 카잔으로 이사했습니다.

젊은 Butlerov는 매우 부지런히 공부했지만 놀랍게도 화학 강의가 그에게 가장 큰 즐거움을 주었다는 것을 알게되었습니다. 그는 정기적으로 강의에 참석하기 시작했습니다. 니콜라이 니콜라예비치 지닌물리 및 수학 학과 학생들을 위해 읽었습니다.

후보자 학위를 받기 위해 Butlerov는 대학 졸업과 동시에 논문을 제출해야 했습니다. 이때까지 지닌은 카잔을 떠나 상트페테르부르크로 향했고 자연과학을 할 일만 남았다. 후보자의 작업을 위해 Butlerov는 "Volga-Ural 동물군의 주간 나비"라는 기사를 준비했습니다. 그러나 상황은 Alexander가 여전히 화학으로 돌아가야 하는 상황이었습니다.

1850년 가을, Butlerov는 화학 석사 학위 시험에 합격하고 즉시 박사 학위 논문 "에센셜 오일에 관하여"를 시작했으며 이듬해 초에 이를 옹호했습니다.

4년 1854월 1857일 Butlerov는 화학 및 물리학 박사 학위를 받았다는 확인을 받았습니다. 놀라운 속도로 사건이 전개되었습니다. 박사 학위를 받은 직후 Butlerov는 Kazan University의 화학 교수 대행으로 임명되었습니다. XNUMX년 초에 그는 이미 교수가 되었고 그해 여름에 해외 여행 허가를 받았습니다.

Butlerov는 여름이 끝날 무렵 베를린에 도착했습니다. 그런 다음 독일, 스위스, 이탈리아 및 프랑스를 계속 여행했습니다. 그의 여정의 궁극적인 목표는 당시 화학의 세계적 중심지였던 파리였습니다. 그는 우선 Adolf Würz와의 만남에 매료되었습니다. Butlerov는 Wurtz 실험실에서 XNUMX개월 동안 일했으며 여기에서 실험 연구를 시작했으며 향후 XNUMX년 동안 수십 개의 새로운 물질과 반응을 발견했습니다. 에탄올 및 에틸렌, 딘조부틸렌, XNUMX차 알코올, 유로트로핀, 트리옥시메틸렌, 에틸렌 탄화수소의 중합과 같은 Butlerov의 수많은 예시적인 합성은 여러 산업의 기원에 놓여 있으므로 가장 직접적인 자극 효과를 가졌습니다.

탄화수소를 연구하는 동안 Butlerov는 이것이 매우 특별한 종류의 화학 물질이라는 것을 깨달았습니다. 그 구조와 특성을 분석한 결과, 과학자는 여기에 엄격한 패턴이 있음을 알아차렸습니다. 그것은 그가 만든 화학 구조 이론의 기초를 형성했습니다.

17년 1858월 XNUMX일, Butlerov는 파리 화학 학회에서 보고서를 작성하여 처음으로 물질의 구조에 대한 이론적 아이디어를 개괄했습니다.

그의 보고서는 일반적인 관심과 활발한 토론을 불러일으켰습니다.

Butlerov는 보고서에서 "원자가 서로 결합하는 능력은 다릅니다. 이 점에서 특히 흥미로운 것은 탄소이며, August Kekule에 따르면 XNUMX가입니다. 연결 방법이 속성에 반영된다는 점을 주목하지 마십시오. 해당 화합물의.

아직까지 그러한 생각을 표현한 사람은 없습니다. Butlerov는 "아마도 우리의 연구가 물질의 화학 구조에 대한 새로운 이론의 기초가 되어야 할 때가 왔습니다. 이 이론은 수학 법칙의 정확성으로 구별되고 특성을 예측하는 것을 가능하게 할 것입니다."라고 말했습니다. 유기 화합물의."

몇 년 후, 두 번째 해외 여행에서 Butlerov는 토론을 위해 만든 이론을 발표했습니다. 그는 슈파이어에서 열린 제36차 독일 박물학자 및 의사 회의에서 발표했습니다. 대회는 1861년 XNUMX월에 열렸습니다.

그는 화학 섹션 전에 프레젠테이션을 했습니다. 주제는 "신체의 화학적 구조에 관한 것"이라는 겸손한 이름 이상이었습니다.

보고서에서 Butlerov는 유기 화합물 구조 이론의 주요 조항을 표현합니다. 이것은 우선 Butlerov가 다음과 같이 공식화하는 "화학 구조"개념의 정의입니다.

"신체의 일부인 각 화학 원자는 이 후자의 형성에 참여하고 여기에 속하는 특정 양의 화학력(친화성)으로 여기에서 작용한다는 생각에서 출발하여 나는 화학 구조를 작용의 분포라고 부릅니다. 이 힘으로 인해 서로 매개 또는 직접 영향을 미치는 화학 원자가 화학 입자로 결합합니다.

A.E. Arbuzov 학자는 그의 책에서 "버틀레로프에 대한 이 정의는 너무 깊다"고 씁니다. (분자).

특히 그 당시에는 Butlerov가 화학적 방법, 무엇보다도 유기 화합물 합성 방법으로 물질 분자의 구조를 판단할 가능성에 대해 언급한 보고서의 위치가 매우 중요합니다.

이 문제에 대해 Butlerov는 자신의 보고서에서 다음과 같이 말했습니다. 약간 상승하고 - 일반적으로 - 화학 입자의 점진적인 합병증 과정을 따를 수 있는 조건에서.

그러나 Butlerov의 보고서에서 가장 중요한 위치는 물질의 구조를 공식으로 표현할 가능성에 대한 질문입니다.

이 근본적인 문제에서 Butlerov의 과학적 입장은 그의 모든 전임자들의 견해 및 신념과 크게 달랐습니다. 특정 화합물의 구조를 단 하나의 공식으로 표현하는 것이 가능하고 필요하다고 생각한 Gerard, Kekula, Kolbe 및 기타 화학자들과 달리 AM Butlerov는 Butlerov가 화학 구조 이론의 진정한 창시자입니다."

따라서 이론은 존재할 권리를 선언했습니다. 더 많은 개발과 실험적 증거가 필요했습니다.

1863 년 Butlerov는 디메틸 아연으로 아세틸 클로라이드에 작용하여 화학 역사상 처음으로 가장 간단한 XNUMX 차 알코올 인 XNUMX 차 부틸 알코올 또는 트리메틸 카르 비놀을 얻었습니다. 그 직후, XNUMX차 및 XNUMX차 부틸 알코올의 성공적인 합성에 대한 보고가 문헌에 나타났습니다. 이제 논쟁의 여지가 없었습니다. 네 가지 부틸 알코올이있었습니다. 그리고 그들은 모두 이성질체입니다.

구조 이론의 승리! 그리고 저자는 얼마나 행복했습니다. Butlerov의 유기 화합물의 화학 구조 이론의 승리는 이성체 현상 이론에 기초한 올바른 설명이었습니다. Butlerov는 1863년에 독일어로, 1864년에 프랑스어로 출판된 "이성체 현상의 일부 사례를 설명하는 다양한 방법"이라는 기사에서 다음과 같이 결론지었습니다. 구조." Butlerov의 이성질체 이론에 대한 가장 좋은 확인은 이론적으로 예측된 이성질체인 이소부탄과 이소부틸렌의 합성이었습니다.

1862 ~ 1865 년에 Butlerov는 가역적 이성질화 이론의 주요 입장을 표명했습니다. Butlerov에 따르면 그 메커니즘은 한 구조의 분자가 분열되고 그 잔기가 다른 구조의 분자를 형성하는 것입니다. 성공은 과학자에게 자신감을 주었지만 동시에 그에게 새롭고 더 어려운 작업을 제시했습니다. 유기화학의 모든 반응과 화합물에 구조이론을 적용할 필요가 있었고, 가장 중요한 것은 모든 현상을 새로운 구조이론의 관점에서 고찰하는 유기화학의 새로운 교과서를 집필하는 일이었다.

Butlerov는 거의 1864 년 동안 쉬지 않고 교과서에서 일했습니다. "유기 화학의 완전한 연구 소개"라는 책은 1866-XNUMX년에 세 판으로 출판되었습니다.

이 교과서의 출현은 화학자들 사이에 새로운 교리를 전파하는 데 매우 중요했습니다. 이 책은 화학 과학에 진정한 혁명을 일으켰습니다. 이미 1867년에 독일어 번역 및 출판 작업이 시작되었습니다.

Butlerov가 러시아어와 독일어로 발행한 유기 화학 매뉴얼은 처음으로 화학 구조 이론이 당시 알려진 모든 종류의 유기 화합물을 통해 일관되게 수행되었으며 그의 뛰어난 합성은 광범위한 인지도와 발전에 기여했습니다. 전 세계의 화학자들 사이에서 그의 이론을 강화했습니다.

그 후 얼마 지나지 않아 판은 거의 모든 주요 유럽 언어로 발행되었습니다. 독일의 연구원 Victor Meyer에 따르면, 그것은 "유기화학 연구의 대다수에서 안내하는 빛"이 되었습니다.

그의 연구에서 Butlerov는 구조 이론을 계속 개발했습니다. 그는 모든 유형의 유기 화합물이 분지형 및 직쇄형 탄소 사슬을 가질 수 있음을 증명하기 시작했습니다. 이것은 이론에서 직접 따랐지만 이론적 명제는 실제로 증명되어야 했습니다. XNUMX개의 탄소 원자가 순차적으로 연결되지 않고 트리메틸-카비놀로 연결되는 방식으로 연결된 탄화수소(예: 부탄)를 얻는 것이 가능하지 않습니까? 그러나 올바른 합성 방법을 찾기 위해서는 많은 실험이 필요했습니다.

그리고 마침내 Butlerov의 노력은 성공으로 장식되었습니다. 큰 플라스크에는 오랫동안 기다려온 이소부틸렌이 들어 있었습니다. 탄화수소의 분지 사슬의 존재가 입증되었습니다!

그런데 오늘날 Butlerov가 참여한 탄화수소와 알코올의 생산은 거대한 산업 규모에 도달했으며 수백만 톤으로 생산됩니다.

저자: Samin D.K.

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새로운 형태의 무정형 얼음을 얻었습니다. 07.02.2023

영국 화학자 팀이 77켈빈 온도의 볼 밀에서 일반 얼음을 분쇄하여 새로운 형태의 무정형 얼음을 얻었습니다. 이것은 얼음의 이름인데, 결정질 얼음과 달리 Ih는 정렬된 분자 구조를 가지고 있지 않습니다. 열린 형태는 최대 1,1기가파스칼의 대기압에서 안정적이었습니다. 과학자들은 중간 밀도의 무정형 얼음이라는 이름을 붙였습니다.

물의 상태도는 약 20가지의 결정 형태와 분자 배열의 순서가 없는 두 가지 무정형 상태를 나타냅니다. 후자는 고밀도 및 저밀도의 비정질 얼음의 두 가지 유형으로 나뉩니다. 대기압과 77켈빈의 온도에서 첫 번째 밀도는 입방 센티미터당 1,13g이고 두 번째 밀도는 입방 센티미터당 0,94g입니다. 동시에 그들은 지난 세기부터 알려졌고, 이 기간 동안 그들 사이의 밀도 간격에서 비정질 형태의 얼음이 발견되지 않았습니다.

그러나 우주에서 가장 흔하다고 여겨지는 무정형 얼음이기 때문에 과학자들의 호기심은 약해지지 않는다. 그리고 그들의 작업에서 University College London의 화학자들은 이전에 알려지지 않은 형태의 비정질 얼음을 발견할 수 있었습니다.

실험에서 과학자들은 비정질 형태의 물질을 연구하는 데 널리 사용되는 볼 밀 방법을 사용했습니다. 그것의 도움으로 압축 및 전단력으로 결정에 영향을 미치는 볼과의 상호 작용을 통해 비정질화가 발생하여 결함이 발생합니다. 얼음의 경우이 방법은 이전에 사용되지 않았기 때문에 작업에서 화학자들은 그러한 밀에서 일반 Ih 얼음을 분쇄하기로 결정한 첫 번째 사람이었습니다. 이를 위해 그들은 그것을 액체 헬륨의 온도인 77 켈빈으로 냉각시켰습니다. 얼음에 스테인리스 스틸 볼을 추가한 다음 함께 흔들었습니다. 이러한 분쇄의 80주기 동안 과학자들은 샘플을 받았으며 분석 결과 새로운 무정형 형태의 얼음을 얻을 수 있었음이 나타났습니다.

제분소에서 얻은 얼음의 일반적인 모습은 조밀하게 포장된 큰 조각의 분말로, 과학자들은 밀도가 입방 센티미터당 1,06g으로 추정했습니다. 이 값은 이미 알려진 저밀도 비정질 얼음과 고밀도 비정질 얼음 사이의 간격에 불과하므로 과학자들은 새로운 형태에 중밀도 비정질 얼음이라는 이름을 붙였습니다. 세 가지 형태 모두의 회절 특성을 비교하면 화학자들이 발견한 얼음이 독특한 구조를 가지고 있음을 알 수 있습니다. 압력이 증가하면(그리고 77켈빈의 일정한 온도에서) 1,1기가파스칼 표시가 지나면 얼음이 고밀도의 무정형 얼음으로 변하기 시작합니다.

같은 방식으로 얼음의 다른 단계(II, IX 및 V)를 갈아서 과학자들에게 새로운 형태를 가져오지 않았습니다.

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