Долгое время ученые пытались вывести единую теорию, которая бы объясняла строение молекул, описывала их свойства по отношению к другим веществам. Для этого им пришлось описать природу и строение атома, ввести понятия "валентность", "электронная плотность" и многие другие.
Предыстория создания теории
Химическое строение веществ первым заинтересовало итальянца Амадея Авогадро. Он начал изучать вес молекул разнообразных газов и на основе своих наблюдений выдвинул гипотезу об их строении. Но докладывать о ней первым не стал, а дождался, пока его коллеги получат аналогичные результаты. После этого способ получать молекулярный вес газов стал известен как закон Авогадро.
Новая теория натолкнула других ученых на исследования. Среди них были Ломоносов, Дальтон, Лавуазье, Пруст, Менделеев и Бутлеров.
Теория Бутлерова
Формулировка «теория химического строения» впервые появилась в докладе о строении веществ, который в 1861 году в Германии представлял Бутлеров. Она без изменений вошла в последующие публикации и закрепилась в анналах истории науки. Это стало предвестником нескольких новых теорий. В своем документе ученый изложил собственный взгляд на химическое строение веществ. Вот некоторые из его тезисов:
- атомы в молекулах соединяются друг с другом исходя из количества электронов на их внешних орбиталях;
- изменение последовательности соединения атомов приводит к изменению свойств молекулы и появлению нового вещества;
- химические и физические свойства веществ зависят не только от того, какие атомы входят в его состав, но и от порядка их соединения между собой, а также взаимного влияния;
- для того чтобы определить молекулярный и атомарный состав вещества, необходимо провести цепь последовательных превращений.
Геометрическое строение молекул
Химическое строение атомов и молекул было дополнено три года спустя самим Бутлеровым. Он вводит в науку явление изомерии, постулируя, что, даже имея одинаковый качественный состав, но разное строение, вещества будут отличаться друг от друга по ряду показателей.
Через десять лет появляется учение о трехмерном строении молекул. Все начинается с опубликования Вант-Гоффом своей теории о четвертичной системе валентностей в атоме углерода. Современные ученые различают два направления стереохимии: структурную и пространственную.
В свою очередь, структурная часть тоже делится на изомерию скелета и положения. Это важно учитывать при изучении органических веществ, когда качественный состав их статичен, а динамике подвергается только количество атомов водорода и углерода и последовательность их соединений в молекуле.
Пространственная изомерия необходима в тех случаях, когда имеются соединения, атомы которых расположены в одинаковом порядке, но в пространстве молекула расположена иначе. Выделяют оптическую изомерию (когда стереоизомеры зеркально отражают друг друга), диастериомерию, геометрическую изомерию и другие.
Атомы в молекулах
Классическое химическое строение молекулы подразумевает наличие в ней атома. Гипотетически понятно, что сам атом в молекуле может меняться, а также могут изменяться и его свойства. Это зависит от того, какие еще атомы его окружают, расстояния между ними и связей, которые обеспечивают прочность молекулы.
Современные ученые, желая примирить общую теорию относительности и квантовую теорию, принимают как изначальное положение тот факт, что при образовании молекулы атом оставляет ей только ядро и электроны, а сам перестает существовать. Конечно, к такой формулировке пришли не сразу. Было предпринято несколько попыток сохранить атом как единицу молекулы, но все они не смогли удовлетворить взыскательные умы.
Строение, химический состав клетки
Понятие «состав» подразумевает под собой объединение всех веществ, которые участвуют в образовании и жизнедеятельности клетки. В этот перечень входит практически вся таблица периодических элементов:
- восемьдесят шесть элементов присутствуют постоянно;
- двадцать пять из них являются детерминированными для нормальной жизни;
- еще около двадцати абсолютно необходимы.
Пятерку призеров открывает кислород, содержание которого в клетке доходит до семидесяти пяти процентов в каждой клетке. Он образуется при разложении воды, необходим для реакций клеточного дыхания и обеспечивает энергией другие химические взаимодействия. Следующий по значимости – углерод. Он является основой всех органических веществ, а также является субстратом для фотосинтеза. Бронзу получает водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Он также входит в состав органических соединений на одном уровне с углеродом. Является важной составляющей воды. Почетное четвертое место занимает азот, необходимый для образования аминокислот и, как следствие, белков, ферментов и даже витаминов.
В химическое строение клетки входят и менее популярные элементы, такие как кальций, фосфор, калий, сера, хлор, натрий и магний. Все вместе они занимают около одного процента от общего количества вещества в клетке. Выделяют также микроэлементы и ультрамикроэлементы, которые содержатся в живых организмах в следовых количествах.
