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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
Théorie de la structure chimique. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes Au début du XIXe siècle, la théorie électrochimique de Davy-Berzelius régnait en maître parmi les chimistes occidentaux. Selon la théorie de Jens Berzelius (1779-1848), on distinguait deux parties de chaque composé chimique : une partie chargée électropositivement, l'autre chargée électronégativement. En conséquence, Berzelius a disposé tous les éléments dans une rangée, l'oxygène étant l'élément le plus électronégatif, le potassium le plus électropositif. Berzelius a appelé les éléments les plus électronégatifs les métalloïdes, les plus électropositifs - les métaux. Dans les années trente, avec ses travaux, le chimiste français J. B. Dumas a porté un coup à la théorie de Davy - Berzelius, en proposant sa soi-disant théorie des types pour les composés organiques. Dumas a fait valoir que ce n'est pas tant la nature d'un corps complexe que l'arrangement des atomes qu'il contient, du même type, qui déterminent les propriétés chimiques du composé. Cependant, ces vues de Dumas se heurtèrent bientôt à toute une série de difficultés et de contradictions. Par la suite, un énorme pas en avant dans le problème du développement des concepts chimiques de base a été le système dit unitaire, ou la théorie des chimistes français Ch. Gerard et O. Laurent. La caractéristique la plus essentielle de cette théorie était l'application cohérente de la nouvelle doctrine aux composés chimiques. On attribue à Laurent et Gérard la distinction entre les concepts de particule, d'atome et d'équivalent. Cependant, la question la plus fondamentale qui a provoqué des débats houleux parmi les principaux chimistes occidentaux était la question de la possibilité d'exprimer la structure des composés chimiques par des formules. Le grand réformateur de la chimie, comme on appelait parfois Charles Frédéric Gérard (1816-1856), s'est convaincu que les phénomènes chimiques ne commencent que lorsque la matière change, c'est-à-dire cesse d'exister en tant que telle. Par conséquent, nous ne pouvons connaître, comme l'a dit Gérard, que le passé et l'avenir d'une substance, et, par conséquent, les formules chimiques peuvent exprimer non pas l'arrangement des atomes, mais seulement des analogues connus de substances. Conformément à ce qui vient d'être dit, selon Gérard, pour chaque substance on peut écrire autant de formules rationnelles que la substance donnée peut subir divers types de transformations. En 1858, le célèbre chimiste Août Kekule (1829-1896) franchit une étape extrêmement importante et étend le concept de quatre atomes de carbone aux composés contenant plusieurs atomes de carbone, et arrive ainsi à la conclusion qu'il est possible de lier rapidement les atomes de carbone dans les composés polycarbonés. À l'avenir, Kekule étend cette règle de couplage aux cas de combinaison d'atomes de carbone avec d'autres éléments polyatomiques, tels que, par exemple, l'oxygène, l'azote et autres. Plus tard, Kekule s'est rapproché du problème de la structure des composés organiques, ayant pour point de départ l'atomicité ou la valence des éléments, mais n'a pas fait de pas décisif dans cette direction. Ainsi, à la fin de son article de 1858, Kekule écrit : « En conclusion, j'estime nécessaire de noter que je n'attache moi-même qu'une importance secondaire à un raisonnement de ce genre... » Il faut ajouter à ce qui précède que Kekulé est resté longtemps sous l'emprise des idées de Gérard et dans son célèbre manuel de chimie organique, publié en 1859-1861, il fait largement usage de formules "rationnelles" dans l'esprit de Gérard. Et bien que l'approche d'une nouvelle période dans le développement de la chimie se fasse sentir, le génie de Butlerov était nécessaire pour faire une percée. Alexandre Mikhaïlovitch Butlerov (1828–1886) est né à Butlerovka, un petit village près de Kazan, où se trouvait la propriété de son père. Sasha ne se souvenait pas de sa mère, elle est décédée onze jours après sa naissance. Élevé par son père, un homme instruit, Sasha voulait être comme lui en tout. Au début, il a étudié dans un internat, puis est entré au premier gymnase de Kazan. Après avoir obtenu son diplôme, Sasha est entré au département des sciences naturelles de l'Université de Kazan, cependant, jusqu'à présent seulement en tant qu'étudiant, il était encore mineur. Ce n'est que l'année suivante, 1845, lorsque le jeune homme eut 17 ans, que le nom de Butlerov figura sur la liste des personnes acceptées pour la première année. En 1846, le jeune homme tomba malade du typhus et survécut miraculeusement, mais son père, qui l'avait contracté, mourut. En automne, avec ma tante, ils ont déménagé à Kazan. Le jeune Butlerov a étudié avec une diligence exceptionnelle, mais, à sa grande surprise, il a remarqué que les conférences sur la chimie lui procuraient le plus grand plaisir. Il a commencé à assister régulièrement à des conférences. Nikolaï Nikolaïevitch Zininequi ont été lus pour les étudiants du Département de Physique et Mathématiques. Pour recevoir le diplôme d'un candidat, Butlerov devait soumettre une thèse après avoir obtenu son diplôme de l'université. À ce moment-là, Zinin a quitté Kazan pour Saint-Pétersbourg et il ne restait plus qu'à faire des sciences naturelles. Pour le travail du candidat, Butlerov a préparé un article "Papillons diurnes de la faune Volga-Oural". Cependant, les circonstances étaient telles qu'Alexandre devait encore revenir à la chimie. À l'automne 1850, Butlerov réussit les examens de maîtrise en chimie et commença immédiatement sa thèse de doctorat "Sur les huiles essentielles", qu'il défendit au début de l'année suivante. Le 4 juin 1854, Butlerov reçut la confirmation qu'il avait obtenu le diplôme de docteur en chimie et physique. Les événements se sont déroulés à une vitesse incroyable. Immédiatement après avoir obtenu son doctorat, Butlerov a été nommé professeur de chimie par intérim à l'Université de Kazan. Au début de 1857, il devint déjà professeur et, au cours de l'été de cette année-là, il reçut l'autorisation de voyager à l'étranger. Butlerov est arrivé à Berlin à la fin de l'été. Il a ensuite continué à tourner en Allemagne, en Suisse, en Italie et en France. Le but ultime de son voyage était Paris - le centre mondial de la science chimique de l'époque. Il a d'abord été attiré par une rencontre avec Adolf Würz. Butlerov a travaillé au laboratoire Wurtz pendant deux mois, c'est là qu'il a commencé ses études expérimentales, qui au cours des vingt années suivantes ont été couronnées par la découverte de dizaines de nouvelles substances et réactions. De nombreuses synthèses exemplaires de Butlerov - éthanol et éthylène, dinzobutylène, alcools tertiaires, urotropine, trioxyméthylène, polymérisation d'hydrocarbures éthyléniques - sont à l'origine d'un certain nombre d'industries et ont donc eu sur elle l'effet stimulant le plus direct. En étudiant les hydrocarbures, Butlerov s'est rendu compte qu'ils représentent une classe très spéciale de produits chimiques. En analysant leur structure et leurs propriétés, le scientifique a remarqué qu'il existait ici un schéma strict. Il a formé la base de la théorie de la structure chimique qu'il a créée. Le 17 février 1858, Butlerov a fait un rapport à la Société chimique de Paris, où il a d'abord exposé ses idées théoriques sur la structure de la matière. Son rapport a suscité un intérêt général et un débat animé : "La capacité des atomes à se combiner les uns avec les autres est différente. Le carbone est particulièrement intéressant à cet égard, qui, selon August Kekule, est tétravalent", a déclaré Butlerov dans son rapport sans remarquer que la méthode de connexion se reflète dans les propriétés. des composés correspondants. Personne n'a encore exprimé de telles pensées. "Peut-être le moment est-il venu", a poursuivi Butlerov, "où nos recherches devraient devenir la base d'une nouvelle théorie de la structure chimique des substances. Cette théorie se distinguera par l'exactitude des lois mathématiques et permettra de prédire les propriétés de composés organiques. Quelques années plus tard, lors d'un deuxième voyage à l'étranger, Butlerov a présenté la théorie qu'il avait créée pour discussion. Il a fait cette annonce lors du 36e Congrès des naturalistes et médecins allemands à Spire. La convention eut lieu en septembre 1861. Il a fait une présentation devant la section chimique. Le sujet avait un nom plus que modeste - "Quelque chose à propos de la structure chimique des corps". Dans le rapport, Butlerov exprime les principales dispositions de sa théorie de la structure des composés organiques. C'est, tout d'abord, la définition du concept de "structure chimique", que Butlerov formule comme suit : "Partant de l'idée que chaque atome chimique, qui fait partie du corps, participe à la formation de ce dernier et agit ici avec une certaine quantité de force chimique (affinité) qui lui est propre, j'appelle la structure chimique la distribution des l'action de cette force, grâce à laquelle les atomes chimiques, s'influençant médiatement ou directement les uns les autres, se combinent en une particule chimique. "Cette définition de Butlerov est si profonde", écrit l'académicien A.E. Arbuzov dans son livre, "si significative qu'elle ne diffère pas fondamentalement de ce que nous entendons actuellement par structure chimique à la lumière des dernières idées scientifiques sur la structure d'une particule chimique (molécules). Extrêmement important, surtout pour cette époque, est aussi l'endroit du rapport où Butlerov parle de la possibilité de juger de la structure des molécules d'une substance par des méthodes chimiques et, surtout, par des méthodes de synthèse de composés organiques. Sur cette question, Butlerov déclare dans son rapport: «Les conclusions sur la structure chimique des substances, selon toute vraisemblance, peuvent être mieux basées sur l'étude des méthodes de leur formation synthétique - et principalement sur de telles synthèses qui sont effectuées à une température qui est légèrement élevée et - en général - dans des conditions où l'on peut suivre le cours de la complication graduelle d'une particule chimique. Cependant, la place la plus importante dans le rapport de Butlerov est la question de la possibilité d'exprimer la structure d'une substance par des formules. Sur cette question fondamentale, la position scientifique de Butlerov différait fortement des vues et des convictions de tous ses prédécesseurs. C'était AM Butlerov, contrairement à Gérard, Kekula, Kolbe et d'autres chimistes, qui considéraient qu'il était possible et nécessaire d'exprimer la structure d'un certain composé avec une seule formule. que Butlerov est le véritable créateur de la théorie de la structure chimique". Ainsi, la théorie a déclaré son droit d'exister. Cela nécessitait un développement plus poussé et des preuves expérimentales. En 1863, Butlerov, agissant sur le chlorure d'acétyle avec du diméthylzinc, obtint pour la première fois dans l'histoire de la chimie l'alcool tertiaire le plus simple - l'alcool butylique tertiaire, ou triméthylcarbinol. Peu de temps après, des rapports sont apparus dans la littérature sur la synthèse réussie d'alcools butyliques primaires et secondaires. Désormais, il n'était plus question de contestation - il y avait quatre alcools butyliques différents. Et ce sont tous des isomères. Quel triomphe pour la théorie structurale ! Et comme son auteur était heureux. Le triomphe de la théorie de Butlerov sur la structure chimique des composés organiques était l'explication correcte basée sur cette théorie des phénomènes d'isomérie. Dans l'article "Sur diverses manières d'expliquer certains cas d'isomérie", publié en 1863 en allemand et en 1864 en français, Butlerov conclut : "Si, avec la même composition, les substances diffèrent par leurs propriétés, alors elles doivent également différer par leur composition chimique. structure." La meilleure confirmation de la théorie de l'isomérie de Butlerov était la synthèse des isomères théoriquement prédits - l'isobutane et l'isobutylène. En 1862–1865, Butlerov a exprimé la position principale de la théorie de l'isomérisation réversible - la tautomérie, dont le mécanisme, selon Butlerov, est la scission de molécules d'une structure et la combinaison de leurs résidus pour former des molécules d'une autre structure. Le succès a donné confiance au scientifique, mais lui a en même temps présenté une nouvelle tâche plus difficile. Il était nécessaire d'appliquer la théorie structurale à toutes les réactions et composés de la chimie organique, et surtout, d'écrire un nouveau manuel de chimie organique, où tous les phénomènes seraient considérés du point de vue d'une nouvelle théorie de la structure. Butlerov a travaillé sur le manuel pendant près de deux ans sans interruption. Le livre "Introduction à l'étude complète de la chimie organique" a été publié en trois éditions en 1864-1866. L'apparition de ce manuel était d'une grande importance pour la diffusion de la nouvelle doctrine parmi les chimistes. Le livre a provoqué une véritable révolution dans la science chimique. Déjà en 1867, les travaux ont commencé sur sa traduction et sa publication en allemand. La publication par Butlerov en russe et en allemand d'un manuel sur la chimie organique, où pour la première fois la théorie de la structure chimique était systématiquement appliquée à toutes les classes alors connues de composés organiques, ainsi que ses brillantes synthèses, ont contribué à la large reconnaissance et renforcement de sa théorie parmi les chimistes du monde entier. Peu de temps après, des éditions sont apparues dans presque toutes les principales langues européennes. Selon le chercheur allemand Victor Meyer, il est devenu "un phare dans la grande majorité des recherches en chimie organique". Dans ses recherches, Butlerov a continué à développer la théorie structurelle. Il a entrepris de prouver que tous les types de composés organiques peuvent avoir des chaînes carbonées ramifiées et droites. Cela découlait directement de la théorie, mais les propositions théoriques devaient être prouvées dans la pratique. N'est-il pas possible d'obtenir un hydrocarbure - par exemple le butane - dont les quatre atomes de carbone seraient reliés les uns aux autres non pas séquentiellement, mais de la manière dont ils sont reliés dans le triméthyl-carbinol ? Mais pour trouver la bonne méthode pour sa synthèse, de nombreuses expériences ont été nécessaires. Et enfin, les efforts de Butlerov ont été couronnés de succès. Dans un grand flacon se trouvait l'isobutylène tant attendu. L'existence d'une chaîne ramifiée d'hydrocarbures est prouvée ! Aujourd'hui, soit dit en passant, la production d'hydrocarbures et d'alcools, dans laquelle Butlerov était engagé, a atteint une échelle industrielle colossale, ils sont produits en millions de tonnes. Auteur : Samin D.K.
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