Что приснилось химику кекуле. Планетарная модель атома

Пожалуй, самым известным из научных сновидений стала периодическая таблица элементов, приснившаяся химику Дмитрию Менделееву. Таблица эта, конечно, создавалась не один год и не одним ученым. В 1668 году первые 15 химических элементов назвал ирландец Роберт Бойль, еще спустя сто лет список довел до 35 француз Антуан Лавуазье, а затем уже над ним трудился Менделеев. Ему приписывают следующую фразу: «Я увидел во сне таблицу, в которой элементы были расположены по мере необходимости. Я проснулся, сразу же записал данные на листе бумаги и снова заснул». Сложно сказать, говорил ли Менделеев это в действительности. По свидетельству современников, химик корпел над таблицей сутками без отдыха и вполне мог в какой-то момент «прикорнуть». Впрочем, позже Менделеев обижался на историю со сном: ««Я над ней (таблицей), может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово».

Один из создателей современной физики, датский ученый Нильс Бор известен, прежде всего, квантовой теорией атома, в основу которой легли планетарная модель атома, квантовые представления и предложенные им постулаты. Некоторые исследователи жизни знаменитого физика-теоретика утверждают, что модель атома Нильс Бор увидел во сне. «Это было солнце из горящего газа, вокруг которого вращались связанные с ним тонкими нитями планеты. Внезапно газ затвердел, а солнце и планеты резко уменьшились в размерах», – приводят слова ученого авторы биографического исследования из Массачусетского технологического института.

Живший в XIX веке американец Элиас Хоу считается «отцом» современной швейной машинки. Хотя на самом деле он просто улучшил уже существующий дизайн агрегата и первым в США получил патент на швейную машинку с челночным механизмом (так называемый стежок типа «локстич»). В итоге швейная машина Хоу делала прямые швы со скоростью до 300 стежков в минуту, а журналисты назвали его устройство «экстраординарным». В ходе работы над машинкой Хоу был весьма озадачен, где именно в механизме должно быть игольное ушко. Судя по семейной истории, решение пришло к изобретателю во сне. «Он почти дошел до предела сил, когда обнаружил, где в машинке должно находиться игольное ушко. Он все время думал о классической игле, и ушко внизу иглы просто не приходило ему в голову, пока ему не приснился сон, что он создает швейную машину для короля дикарей в странной стране», – гласит семейный архив. Во сне король дикарей дал Хоу 24 часа на решение задачи. От кошмара изобретателя спасли копья аборигенов, почему-то имевшие дырки в наконечниках, у самого острия. В 4 часа утра Хоу проснулся и воплотил сон в реальность.

Немецкий химик-органик позапрошлого века Фридрих Август Кекуле вошел в историю благодаря тому, что применил теорию валентности к органическим веществам и выяснил правильную, циклическую формулу бензола. По одной из версий историков, Фридрих Кекуле представлял в своем воображении бензол в виде змеи из шести атомов углерода. Идея о цикличности соединения пришла к нему во сне, когда воображаемая змея укусила себя за хвост. По другой версии, связь атомов в молекуле он также увидел во сне, возвращаясь домой на автобусе.

Альберт Эйнштейн говорил, что вся его научная карьера является переосмыслением сна, который он увидел еще будучи подростком. В том сне Эйнштейн видел, как он едет на санях вниз по крутому заснеженному склону, набирая скорость, при которой все окружающие цвета сливаются в одно пятно. Этот сон вдохновил всю его карьеру: он думал о том, что же происходит при достижении скорости света, отмечают исследователи жизни ученого. Биографы уверены, что будущий автор теории относительности многие свои открытия сделал именно благодаря сну. В подтверждение можно вспомнить известное высказывание Эйнштейна: «Дар видеть сны значил для меня больше, чем мой талант усваивать осознанные знания …Я провел во сне треть моей жизни, и эта треть отнюдь не худшая». В 1992 году американский физик Алан Лайтман написал о снах Эйнштейна одноименный бестселлер, переведенный более чем на 30 языков мира. По версии писателя, именно во сне Эйнштейн видел парадоксы концепции пространства и времени.

Понятие ароматичности.

Название «ароматические соединения» возникло случайно, в связи с тем, что первые соединения этого ряда, выделенные из природных смол и бальзамов, обладали приятным ароматным запахом.

Так, например, еще в ХУ1 веке из бензойной смолы были выделены бензойная кислота и бензиловый спирт; из масла горького миндаля – бензойный альдегид; из толуанского бальзама – толуол; из сосновой смолы – цимол и т.д.

В дальнейшем было установлено, что такое же строение и химические свойства имеют и многие другие вещества, не обладающие приятным ароматным запахом. Поэтому название «ароматические вещества» потеряло свое первоначальное значение.

Немецкий химик Кекуле первым обратил внимание, что многие ароматические соединения в обычных химических превращениях сохраняют характерную циклическую группировку из шести атомов углерода и поэтому бензол, как простейший представитель с шестичленной группировкой был признан родоначальником ароматических соединений.

Бензол был открыт в 1825 году Фарадеем, который выделил его из конденсированных остатков светильного газа, получаемого из каменного угля. Фарадей определил и соотношение углерода и водорода в этом соединении, равное 1:1.

В 1834 году Э.Митчерли при нагревании солей бензойной кислоты (вещества, выделяемого из природных ароматических смол) получил это же соединение и дал ему название бензин. Однако позже Ю.Либих предложил назвать это вещество бензолом.

В 1845 году Гофман выделил бензол при перегонке каменноугольной смолы.

Бензол и ряд его гомологов, а затем и большая группа других соединений вскоре после их открытия были выделены в группу ароматических соединений, так как обладали особыми «ароматическими свойствами»:

бензол, несмотря на свою глубокую «ненасыщенность» (С 6 Н 6), легко вступал в своеобразные реакции замещения водородных атомов и трудно вступал в реакции присоединения, характерные для алкенов;

другая особенность, отличающая ароматические соединения от алкенов – это их высокая устойчивость, легкость образования в самых различных реакциях и сравнительная трудность протекания реакций окисления;

наконец, весьма характерными являются свойства некоторых производных ароматических углеводородов:

Ароматические амины менее основны, чем алифатические;

Ароматические гидроксильные производные – фенолы, обладают значительно более кислотным характером, чем спирты;

Ароматические галогенпроизводные значительно труднее вступают в реакции замещения, чем алифатические.

Совокупность перечисленных свойств и являлась тем «химическим критерием» с помощью которого определялась принадлежность того или иного вещества к ароматическим соединениям, его «ароматический характер».

2. Развитие представлений о строении бензола. Формула Кекуле.

Структурную формулу бензола как системы циклогексатриена впервые предложил в 1865 году немецкий химик А.Кекуле.

Согласно Кекуле, бензол – замкнутая система с тремя сопряженными двойными связями – циклогексатриен-1,3,5.

Формула Кекуле правильно отражает:

1) элементный состав, соотношение атомов углерода и водорода (1:1) в молекуле бензола;

2) равноценность всех атомов водорода в молекуле бензола (однозамещенные бензола не имеют изомеров – С 6 Н 5 СН 3 , С 6 Н 5 Сl).

Однако, эта формула не отвечает многим особенностям бензола:

1) являясь, согласно формуле Кекуле, формально ненасыщенной системой, бензол в то же время вступает преимущественно в реакции замещения, а не присоединения. Почему бензол не обесцвечивает бромную воду?

2) эта формула не может объяснить высокой устойчивости бензольного кольца;

3) если исходить из формулы Кекуле, у бензола должно быть два орто-изомера. Однако известен только один орто-изомер.

4) и, наконец, формула Кекуле не в состоянии объяснить равенства расстояний между углеродными атомами в реальной молекуле бензола.

Чтобы выйти из этого затруднения, Кекуле был вынужден допустить возможность постоянного изменения положения двойных связей в молекуле бензола и выдвинул теорию «осцилляции», согласно которой двойные связи не фиксированы на одном месте:

В связи с этим понятие «ароматические соединения», «ароматические свойства» приобрели другой смысл.

К ароматическим соединениям стали относит соединений, содержащие шестичленную циклическую группировку с тремя двойными связями (бензольное кольцо) и обладающие особыми физическими и химическими свойствами.

Противоречия между формальной «ненасыщенностью» и своеобразными физическими и химическими свойствами, объясняет только квантовая органическая химия.

В 1865 году выдающийся немецкий химик Август Кекуле после долгих и мучительных поисков установил первую структурную формулу бензола. Это открытие было исключительно важным: в первом приближении раскрылось строение молекулы бензола, а вместе с ним и всех его производных, играющих чрезвычайно существенную роль в органико-химическом производстве. Этот класс органических веществ (ароматических) долгое время упорно не поддавался теории химического строения. И только благодаря открытию Кекуле этот научный бастион был взят.

Много изменений претерпела формула Кекуле за прошедшее время, но основа, самый принцип ее построения - ее циклический характер - сохраняется неизменным. Варьировались и, вероятно, еще не раз будут варьироваться лишь ее детали.

Попытаемся теперь проанализировать механику открытия Кекуле и, сравнивав его с другими открытиями, сходными с ним в смысле логического построения, выяснить некоторые общие пути научного творчества.

В чем же состоит решающий этап научного открытия?

Суть открытия Кекуле

Еще в 50-х годах XIX века Кекуле установил три важных теоретических положения, касающихся строения органических (углеродистых) соединений:
1) четырехвалентность углерода (С).
2) способность атомов углерода соединяться между собою и образовывать открытые цепи.

На основе этих положении в 1861 году А. М. Бутлеров создал теорию химического строения. Ей подчинился весь ряд жирных соединений. Но вот ряд ароматических соединений, казалось бы, выпадал из круга новых представлений. Простейший и важнейший его представитель - бензол - обнаруживал странную особенность: его молекула состояла из шести атомов углерода и шести атомов водорода, причем все его монозамешенные не давали изомеров. Другими словами, какой бы водород в бензоле ни был замещен, скажем, на хлор (при хлорировании бензола) или на нитрогруппу (при его нитровании), в итоге всегда получался один и тот же хлорбензол или один и тот же нитробензол.

Это означало; что у бензола все шесть атомов водорода совершенно одинаковы между собой в отличие, например, от пентана, где при замещении одного водорода на хлор могут образоваться три разные изомеры.

Все попытки представить строение бензола, исходя из принятых уже теоретических положении, кончались безрезультатно. Если есть шесть атомов углерода, то, очевидно, 18 единиц валентности идут у них на взаимной их насыщение, а остальные 6 единиц - на соединении с шестью атомами водорода.

Однако легко заметить, что во всех этих случаях не выполняется условие равноценности всех шести атомов водорода в молекуле бензола, поскольку атомы водорода, стоящие у атомов углерода внутри цепи, всегда будут отличны от атомов водорода, стоящих у атомов углерода по ее краям. Тем не менее решение задачи химико-органики, в том числе и сам Кекуле, упорно искали в плоскости того или иного цепеобразного строения бензола.

Сила инерции мысли была настолько велика, что догадка о возможности в принципе иного строения соединений, кроме цепочного, даже не зарождалась. Однажды, находясь в Лондоне, Кекуле ехал в омнибусе и по обыкновению думал о строении бензола. Случайно его внимание было привлечено клеткой с , которых везли куда-то в цирк или зверинец. Обезьяны прыгали, сцеплялись друг с другом лапами, образуя как бы иные кольца. И тут же у Кекуле родилась ассоциация: обезьяны - атомы углерода, их лапы - валентности, которыми атомы сцепляются между собой, а их хвосты - те свободные валентности углерода, которые насыщаются водородом. Главной же была сама идея: атомы углерода могут образовывать замкнутые цепи! Именно этим и был прорван закрепившийся круг представлений о том, что соединение атомов углерода может быть лишь одним - цепеобразным. (А ведь Кекуле вполне мог увидеть этих обезьян приведших его к открытию и в каком-нибудь другом месте, например, на отдыхе в Хорватии, куда и сегодня можно отправится с помощью компании https://hottours.in.ua/catalog/horvatiya/).

Как только возникла новая идея об углеродном кольце, так немедленно пришло и самое решение задачи, столь долго мучившей умы химиков. В самом деле, надо сразу принять, что, по крайней мере, две единицы валентности у каждого атома углерода идут на образование связей с соседними атомами углерода в кольце бензола (это, как минимум, необходимо для того, чтобы могло образоваться кольцо); третья ее единица у каждого углерода, очевидно, должна идти на соединение с водородом.

Четвертая единица валентности остается пока еще не связанной. Однако, учитывая способность углерода образовывать двойные связи, легко допустить, что оставшиеся свободными 6 единиц валентности у углерода взаимно попарно насыщаются и образуют три двойных связи, чередующихся с тремя ординарными. Отсюда выводится окончательная формула. Получалась строгая шестиосная симметрия для всех шести атомов углерода, а значит, и полная равноценность всех шести атомов водорода.

Так было сделано одно из самых замечательных открытий в истории органической химии. Позднее были предложены варианты этой формулы, пытавшиеся устранить ее недостатки, но все они в основе своей имели формулу Кекуле.

Итак, сегодня у нас суббота, 22 июля 2017 года и мы традиционно предлагаем вам ответы на викторину в формате «Вопрос - ответ». Вопросы нам встречаются как самые простые, так и достаточно сложные. Викторина очень интересная и достаточно популярная, мы же просто помогаем вам проверить свои знания и убедиться, что вы выбрали правильный вариант ответа, из четырех предложенных. И у нас очередной вопрос в викторине - Что приснилось химику Кекуле и помогло открыть формулу бензола?

• A. потерянное обручальное кольцо
  B. надломанный соленый крендель
  C. свернувшаяся клубком кошка
  D. кусающая свой хвост змея

Правильный ответ D – Кусающая свой хвост змея.

Химику Ф. А. Кекуле, открывшему формулу бензола, приснился ее прообраз в виде змеи, кусающей себя за хвост – символа из древнеегипетской мифологии. После пробуждения ученый уже не сомневался, что молекула данного вещества имеет форму кольца.
Уроборос – главный символ алхимии

Бензол C6H6, PhH) - органическое химическое соединение, бесцветная, жидкость с приятным сладковатым запахом. Ароматический углеводород. Бензол входит в состав бензина, широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для производства лекарств, различных пластмасс, синтетической резины, красителей. Хотя бензол входит в состав сырой нефти, но в промышленных масштабах синтезируется из других её компонентов. Токсичен, канцероген.

Имеют циклическое строение. Первый представитель этого ряда - бензол (C 6 H 6). Формулу, отражающую впервые предложил химик Кекуле в 1865 году. По рассказам ученого, он долго размышлял над загадкой бензола. Однажды ночью ему приснился змей, укусивший себя за хвост. Утром бензола уже была составлена. Она представляла собой кольцо, состоящее из 6 углеродных атомов. Три из них были при двойной связи.

Строение бензола

Углерод в образует Иногда при записи уравнений реакций его изображают вытянутым в вертикальном направлении. Эта группа атомов получила специальное название - бензольное ядро. Подтверждением циклического строения бензола является его получение из трех молекул ацетилена - непредельного углеводорода с тройной связью. Ароматические углеводороды тоже являются непредельными и проявляют некоторые свойства, характерные для алкенов. По этой причине в бензольном кольце тремя черточками, идущими параллельно граням, отмечают наличие двойной связи. Такая формула бензола не в полной мере отражает состояние углеродных атомов в молекуле.

Бензол: формула, отражающая истинное строение

В реальности связи между углеродом в кольце равноценны между собой. Среди них не удалось выделить одинарные и двойные. Объясняется такая особенность бензола, при котором углерод в ядре находится в sp 2 -гибридизованном состоянии, соединен с соседями по кольцу и водородом тремя обычными одинарными связями. В этом случае возникает шестиугольник, в котором находятся в одной плоскости 6 атомов углерода и 6 - водорода. Только электронные облака четвертых p-электронов, не участвующих в гибридизации, расположены иначе. Их форма напоминает гантели, центр приходится на плоскость кольца. А утолщенные части находятся сверху и снизу. В таком случае над бензольным ядром и под ним расположены две электронные плотности, возникшие при перекрывании облаков p-электронов. Возникает общая химическая связь для углерода в кольце.

Свойства бензольного кольца

За счет общей электронной плотности сокращаются расстояния между углеродом в кольце. Они равны 0,14 нм. Если бы в ядре бензола существовали одинарные и двойные связи, то было бы два показателя: 0,134 и 0,154 нм. Истинная структурная формула бензола не должна содержать простых и двойных связей. Поэтому ароматические углероды причисляют к непредельным органическим соединениям лишь формально. По составу они напоминают алкены, но могут вступать в что характерно для предельных углеводородов. Ароматическое ядро бензола обладает значительной устойчивостью к окислителям. Все перечисленные особенности позволяют считать кольцо особым типом связи - не двойной и не одинарной.

Как изобразить формулу бензола?

Правильной является формула бензола не с тремя двойными связями, как у Кекуле, а в виде шестиугольника с кружком внутри. Он символизирует общую принадлежность 6 электронов.

Находит подтверждение симметрия строения и в свойствах вещества. Кольцо бензола является устойчивым, имеет значительную энергию сопряжения. Свойства первого представителя ароматических углеводородов проявляются у его гомологов. Каждый из них может быть представлен как производное, в котором происходит замещение водорода на различные углеводородные радикалы.