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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
Teoria della struttura chimica. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti All'inizio del diciannovesimo secolo, la teoria elettrochimica di Davy-Berzelius regnava sovrana tra i chimici occidentali. Secondo la teoria di Jens Berzelius (1779-1848), si distinguevano due parti di ciascun composto chimico: una parte caricata elettropositivamente, l'altra caricata elettronegativamente. Di conseguenza, Berzelius ha disposto tutti gli elementi in fila, con l'ossigeno che è l'elemento più elettronegativo, il potassio il più elettropositivo. Berzelius chiamò gli elementi più elettronegativi metalloidi, i più elettropositivi - metalli. Negli anni Trenta, con il suo lavoro, il chimico francese J. B. Dumas assestò un duro colpo alla teoria di Davy-Berzelius, proponendo la sua cosiddetta teoria dei tipi per i composti organici. Dumas sosteneva che non tanto la natura di un corpo complesso quanto la disposizione degli atomi in esso, dello stesso tipo, determinano le proprietà chimiche del composto. Tuttavia, queste opinioni di Dumas presto, a loro volta, incontrarono una serie di difficoltà e contraddizioni. Successivamente, un enorme passo avanti nel problema dello sviluppo dei concetti chimici di base fu il cosiddetto sistema unitario, ovvero la teoria dei chimici francesi Ch. Gerard e O. Laurent. La caratteristica più essenziale di questa teoria era l'applicazione coerente della nuova dottrina ai composti chimici. Laurent e Gerard hanno il merito di distinguere tra i concetti di particella, atomo ed equivalente. Tuttavia, la questione più fondamentale che ha suscitato un acceso dibattito tra i principali chimici occidentali è stata la questione della possibilità di esprimere la struttura dei composti chimici mediante formule. Il grande riformatore della chimica, come veniva talvolta chiamato Charles Frédéric Gérard (1816–1856), si convinse che i fenomeni chimici iniziano solo quando la materia cambia, cioè cessa di esistere come tale. Pertanto, possiamo conoscere, come disse Gerard, solo il passato e il futuro di una sostanza e, di conseguenza, le formule chimiche possono esprimere non la disposizione degli atomi, ma solo gli analoghi noti delle sostanze. Secondo quanto appena detto, secondo Gerard, per ogni sostanza si possono scrivere tante formule razionali quante la sostanza data può subire vari tipi di trasformazioni. Nel 1858 il famoso chimico Agosto Kekule (1829–1896) compie un passo estremamente importante ed estende il concetto di quattro atomi di carbonio ai composti contenenti più atomi di carbonio, giungendo così alla conclusione che è possibile collegare opportunamente atomi di carbonio nei composti di policarbonato. In futuro, Kekule estende questa regola di accoppiamento ai casi di combinazione di atomi di carbonio con altri elementi poliatomici, come ad esempio ossigeno, azoto e altri. Successivamente Kekule si avvicinò al problema della struttura dei composti organici, avendo come punto di partenza l'atomicità o valenza degli elementi, ma non fece un passo decisivo in questa direzione. Quindi, alla fine del suo articolo nel 1858, Kekule scrive: "In conclusione, ritengo necessario notare che io stesso attribuisco solo un'importanza secondaria ad argomenti di questo tipo ..." Va aggiunto a quanto sopra che Kekulé rimase a lungo dominato dalle idee di Gerard e nel suo noto libro di testo di chimica organica, pubblicato nel 1859-1861, fa ampio uso di formule "razionali" nello spirito di Gerard. E sebbene l'avvicinarsi di un nuovo periodo nello sviluppo della chimica fosse sentito, il genio di Butlerov era necessario per fare una svolta. Aleksandr Mikhailovich Butlerov (1828–1886) nacque a Butlerovka, un piccolo villaggio vicino a Kazan, dove si trovava la tenuta di suo padre. Sasha non ricordava sua madre, morì undici giorni dopo la sua nascita. Cresciuto da suo padre, un uomo istruito, Sasha voleva essere come lui in tutto. All'inizio ha studiato in un collegio, quindi è entrato nel Primo Ginnasio di Kazan. Dopo la laurea, Sasha è entrata nel dipartimento di scienze naturali dell'Università di Kazan, tuttavia, solo da studente, era ancora minorenne. Solo l'anno successivo, il 1845, quando il giovane aveva 17 anni, il nome di Butlerov apparve nell'elenco di quelli accettati per il primo anno. Nel 1846 il giovane si ammalò di tifo e sopravvisse miracolosamente, ma suo padre, che lo aveva contratto, morì. In autunno, insieme a mia zia, si sono trasferiti a Kazan. Il giovane Butlerov studiò con zelo eccezionale, ma, con sua sorpresa, notò che le lezioni di chimica gli davano il più grande piacere. Iniziò a frequentare regolarmente le lezioni. Nikolai Nikolaevich Zininche sono stati letti per gli studenti del Dipartimento di Fisica e Matematica. Per ricevere la laurea di un candidato, Butlerov ha dovuto presentare una tesi dopo la laurea all'università. A questo punto, Zinin lasciò Kazan per San Pietroburgo e non rimase altro che fare scienze naturali. Per il lavoro del candidato, Butlerov ha preparato un articolo "Farfalle diurne della fauna del Volga-Ural". Tuttavia, le circostanze erano tali che Alexander doveva ancora tornare alla chimica. Nell'autunno del 1850, Butlerov superò gli esami per un master in chimica e iniziò immediatamente la sua tesi di dottorato "On Essential Oils", che difese all'inizio dell'anno successivo. Il 4 giugno 1854 Butlerov ricevette la conferma di aver ricevuto il titolo di dottore in chimica e fisica. Gli eventi si sono svolti a una velocità incredibile. Immediatamente dopo aver conseguito il dottorato, Butlerov è stato nominato professore ad interim di chimica all'Università di Kazan. All'inizio del 1857 divenne già professore e nell'estate dello stesso anno ricevette il permesso di viaggiare all'estero. Butlerov è arrivato a Berlino alla fine dell'estate. Ha poi continuato a girare Germania, Svizzera, Italia e Francia. L'obiettivo finale del suo viaggio era Parigi, il centro mondiale della scienza chimica di quel tempo. Fu attratto, prima di tutto, da un incontro con Adolf Würz. Butlerov ha lavorato per due mesi nel laboratorio Wurtz, è qui che ha iniziato i suoi studi sperimentali, che nei vent'anni successivi sono stati coronati dalla scoperta di dozzine di nuove sostanze e reazioni. Numerose sintesi esemplari di Butlerov - etanolo ed etilene, dinzobutilene, alcoli terziari, urotropina, triossimetilene, polimerizzazione di idrocarburi di etilene - sono all'origine di numerose industrie e, quindi, hanno avuto l'effetto stimolante più diretto su di essa. Durante lo studio degli idrocarburi, Butlerov si è reso conto che rappresentano una classe molto speciale di sostanze chimiche. Analizzando la loro struttura e proprietà, lo scienziato ha notato che qui c'è uno schema rigoroso. Ha costituito la base della teoria della struttura chimica da lui creata. Il 17 febbraio 1858 Butlerov fece un rapporto alla Paris Chemical Society, dove espose per la prima volta le sue idee teoriche sulla struttura della materia. La sua relazione ha suscitato interesse generale e vivace dibattito: "La capacità degli atomi di combinarsi tra loro è diversa. Particolarmente interessante a questo riguardo è il carbonio, che, secondo August Kekule, è tetravalente", ha detto Butlerov nel suo rapporto. Non si nota che il metodo di connessione si riflette nelle proprietà dei composti corrispondenti. Nessuno ha ancora espresso tali pensieri. "Forse è giunto il momento", ha continuato Butlerov, "in cui la nostra ricerca dovrebbe diventare la base di una nuova teoria della struttura chimica delle sostanze. Questa teoria si distinguerà per l'accuratezza delle leggi matematiche e consentirà di prevedere le proprietà di composti organici”. Alcuni anni dopo, durante un secondo viaggio all'estero, Butlerov presentò alla discussione la teoria che aveva creato. Ha fatto l'annuncio al 36° Congresso dei naturalisti e dei medici tedeschi a Speyer. La convenzione ebbe luogo nel settembre 1861. Ha fatto una presentazione prima della sezione chimica. L'argomento aveva un nome più che modesto: "Qualcosa sulla struttura chimica dei corpi". Nella relazione Butlerov esprime le principali disposizioni della sua teoria sulla struttura dei composti organici. Questa è, prima di tutto, la definizione del concetto di "struttura chimica", che Butlerov formula come segue: “Partendo dall'idea che ogni atomo chimico che fa parte del corpo prende parte alla formazione di quest'ultimo e agisce qui con una certa quantità di forza chimica (affinità) che gli appartiene, chiamo struttura chimica la distribuzione dell'azione di questa forza, a causa della quale gli atomi chimici, mediamente o direttamente influenzandosi a vicenda, si combinano in una particella chimica. "Questa definizione di Butlerov è così profonda", scrive l'accademico A.E. Arbuzov nel suo libro, "così significativa che sostanzialmente non diverge da ciò che attualmente intendiamo per struttura chimica alla luce delle ultime idee scientifiche sulla struttura di una particella chimica (molecole). Estremamente importante, soprattutto per l'epoca, è anche il luogo della relazione in cui Butlerov parla della possibilità di giudicare la struttura delle molecole di una sostanza con metodi chimici e, soprattutto, con metodi per la sintesi di composti organici. Su questo tema, Butlerov afferma nel suo rapporto: “Le conclusioni sulla struttura chimica delle sostanze, con ogni probabilità, possono essere meglio basate sullo studio dei metodi della loro formazione sintetica - e principalmente su tali sintesi che vengono eseguite a una temperatura che è leggermente elevato e - in generale - in condizioni in cui si può seguire il corso della graduale complicazione di una particella chimica. Tuttavia, il posto più importante nella relazione di Butlerov è la questione della possibilità di esprimere la struttura di una sostanza mediante formule. Su questa questione fondamentale, la posizione scientifica di Butlerov differiva nettamente dalle opinioni e dalle convinzioni di tutti i suoi predecessori. È stato AM Butlerov, contrariamente a Gerard, Kekula, Kolbe e altri chimici, a ritenere possibile e necessario esprimere la struttura di un determinato composto con una sola formula, che Butlerov è il vero creatore della teoria della struttura chimica". Quindi, la teoria ha dichiarato il suo diritto di esistere. Richiedeva ulteriore sviluppo e prove sperimentali. Nel 1863 Butlerov, agendo sul cloruro di acetile con dimetilzinco, ottenne per la prima volta nella storia della chimica l'alcool terziario più semplice: alcol butilico terziario o trimetilcarbinolo. Poco dopo, in letteratura sono apparsi rapporti sulla riuscita sintesi di alcoli butilici primari e secondari. Ora non c'erano dubbi su alcuna controversia: c'erano quattro diversi alcoli butilici. E sono tutti isomeri. Che trionfo per la teoria strutturale! E com'era felice il suo autore. Il trionfo della teoria di Butlerov sulla struttura chimica dei composti organici è stata la corretta spiegazione basata su questa teoria dei fenomeni di isomeria. Nell'articolo "Sui vari modi di spiegare alcuni casi di isomeria", pubblicato nel 1863 in tedesco e nel 1864 in francese, Butlerov concludeva: "Se, a parità di composizione, le sostanze differiscono nelle proprietà, allora devono differire anche nella loro composizione chimica struttura." La migliore conferma della teoria dell'isomerismo di Butlerov fu la sintesi di isomeri teoricamente previsti: isobutano e isobutilene. Nel 1862-1865 Butlerov espresse la posizione principale della teoria dell'isomerizzazione reversibile: il tautomerismo, il cui meccanismo, secondo Butlerov, è la scissione delle molecole di una struttura e la combinazione dei loro residui per formare molecole di un'altra struttura. Il successo ha portato fiducia allo scienziato, ma allo stesso tempo gli ha presentato un nuovo compito più difficile. Era necessario applicare la teoria strutturale a tutte le reazioni e i composti della chimica organica e, soprattutto, scrivere un nuovo libro di testo sulla chimica organica, in cui tutti i fenomeni sarebbero stati considerati dal punto di vista di una nuova teoria della struttura. Butlerov ha lavorato al libro di testo per quasi due anni senza interruzioni. Il libro "Introduzione allo studio completo della chimica organica" fu pubblicato in tre edizioni nel 1864-1866. La comparsa di questo libro di testo fu di grande importanza per la diffusione della nuova dottrina tra i chimici. Il libro ha causato una vera rivoluzione nella scienza chimica. Già nel 1867 iniziarono i lavori per la sua traduzione e pubblicazione in tedesco. La pubblicazione da parte di Butlerov in russo e tedesco di un manuale di chimica organica, dove per la prima volta la teoria della struttura chimica è stata costantemente portata attraverso tutte le classi allora conosciute di composti organici, insieme alle sue brillanti sintesi, ha contribuito all'ampio riconoscimento e rafforzamento della sua teoria tra i chimici di tutto il mondo. Poco dopo, sono apparse edizioni in quasi tutte le principali lingue europee. Secondo il ricercatore tedesco Victor Meyer, è diventata "una luce guida nella stragrande maggioranza della ricerca in chimica organica". Nella sua ricerca, Butlerov ha continuato a sviluppare la teoria strutturale. Ha deciso di dimostrare che tutti i tipi di composti organici possono avere catene di carbonio ramificate e diritte. Ciò derivava direttamente dalla teoria, ma le proposizioni teoriche dovevano essere provate nella pratica. Non è possibile ottenere un idrocarburo, ad esempio il butano, i cui quattro atomi di carbonio sarebbero collegati tra loro non in sequenza, ma nel modo in cui sono collegati nel trimetil-carbinolo? Ma per trovare il metodo giusto per la sua sintesi, sono stati necessari molti esperimenti. E infine, gli sforzi di Butlerov furono coronati da successo. In una grande fiaschetta c'era l'isobutilene tanto atteso. L'esistenza di una catena ramificata di idrocarburi è stata dimostrata! Oggi, a proposito, la produzione di idrocarburi e alcoli, in cui era impegnato Butlerov, ha raggiunto una scala industriale colossale, sono prodotti in milioni di tonnellate. Autore: Samin D.K.
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