Какие противоречия существуют между структурной формулой кекуле и свойствами бензола

Структурная теория и формула бензола Кекуле

Представления о “соединительной силе”, или валентности, атомов, объяснение понятий “атом”, “молекула”, “атомный вес” и “эквивалентный вес”, а также идея о возможности образования связей между атомами углерода – вот те основные предпосылки, которые имелись к началу 1860-х годов для объяснения структуры одного из важнейших углеводородов – бензола.

Решению этой проблемы способствовали и другие исследования. Например, Э. Эрленмейер своими работами о связи атомов в молекулах содействовал развитию теории валентности. Начало этому было положено выходом в свет его Учебника органической химии (1864г.), основу которого составило учение о валентности и о связи атомов. Эрленмейер установил также структурную формулу глицерина.

Важный вклад в развитие структурной химии внесли работы А. М. Бутлерова* и Карла Шорлеммера**.

* ()

** ()

Бутлеров (1828-1886) первым четко сформулировал определение понятия химического строения как способа связи атомов в молекуле. Он считал, что химический характер веществ зависит от природы и количества его элементарных составных частей и химического строения соединения [169]. Написанный Бутлеровым в 1864 г. учебник органической химии (переведен на немецкий язык в 1868 г.) в немалой степени способствовал распространению среди химиков представлений о строении соединений.*

* ()

Шорлеммер определял органическую химию как химию углеводородов и их производных.

Карл Шорлеммер (родился в 1834 г. в Дармштадте) в 1874 г. стал профессором органической химии в Манчестере. Там он сблизился с Фридрихом Энгельсом и Карлом Марксом и примкнул к рабочему движению. Его разнообразные экспериментальные работы были в значительной мере посвящены изучению свойств и строения углеводородов метанового ряда. В 1864 г. Шорлеммер экспериментально подтвердил высказанную ранее (см. разд. “Атом – молекула – валентность”) идею о равноценности четырех валентностей углерода. Это оказалось очень важным для установления строения бензола. В 1874 г. вышла книга Шорлеммера “Краткий учебник химии углеродистых соединений”*, составившая впоследствии первый том написанного им совместно с Г. Э. Роско учебника химии. (Учебник был опубликован в 1877 г. на немецком языке, а год спустя переведен на английский.)

* ()

По сравнению со всеми выдвигавшимися ранее в органической химии теориями структурная теория в значительно большей степени способствовала систематизации органических соединений. С ее помощью стало возможным объяснение изомерии и предсказание неизвестных еще соединений. Структурные формулы довольно наглядно отражали связь между формулой и свойствами вещества. Наибольшего успеха структурная теория достигла в установлении строения бензола С6Н6 – основного соединения ароматического ряда. В 1861 г. И. Лошмидт – физик из Вены – опубликовал статью “Химические исследования”, в которой ввел понятие о двойной связи атома углерода и рассмотрел расположение атомов в пространстве. Для изображения бензола ученый использовал окружность, на которой пометил шесть точек для размещения атомов водорода (ср. [154]).

Через три года Рудольф Фиттиг и Бернхард Толленс опубликовали разработанный ими способ синтеза ароматических углеводородов (толуола, этилбензола) [38, с. 303 и сл.]. Это натолкнуло А. Кекуле на новые идеи, которые и привели его к установлению строения бензола. Чередуя одинарные и двойные связи, Кекуле соединил шесть атомов углерода в ячейки, подобные пчелиным сотам, при этом у атомов углерода оставалось еще по одной свободной валентности для каждого из шести атомов водорода. Брутто-формула С6Н6 превратилась в структурную формулу. Многие другие химики пытались ранее установить строение бензола, но не достигли в этом успеха.

Шутливое изображение бензольного кольца

“Бензольное кольцо”, как назвали тогда и называют до сих пор структурную формулу Кекуле, наглядно отражает четырехвалентность атома углерода. Каждый атом углерода в нем связан тремя валентностями с двумя другими атомами углерода, а четвертая валентность используется для связи с водородом. Атом водорода может быть заменен при реакции и на какой-либо другой атом.

Принцип построения бензольного кольца сделал возможным объяснение структур многих соединений углерода и обусловил дальнейшие направления препаративных работ. Благодаря этому в химической промышленности был осуществлен синтез многих ценных продуктов, в том числе анилина (см. разд. “Промышленная химия”).

Кекуле объяснял свой успех в установлении формулы бензола лишь “игрой воображения”. Картина бензольного кольца возникла у него перед глазами во время размышлений перед камином. Однако из его записей об учебе у Либиха видно, что воображению Кекуле предшествовала серьезная работа [39]*.

* ()

Август Кекуле фон Страдониц (1829-1896)

Фридрих Август Кекуле фон Страдониц родился в 1829 г. в Дармштадте, умер в 1896 г.в Бонне. По мнению родителей, ему следовало “получить специальность”, и поэтому он начал изучать архитектуру. Но еще раньше, познакомившись с Либихом, юноша заинтересовался химией. (Знакомство с Либихом произошло при не совсем обычных обстоятельствах в суде, куда Либих был приглашен как эксперт. Дело оказалось весьма непростым. После пожара в одном из особняков г. Дармштадта был обнаружен полуобгоревший труп. Суду предстояло выяснить: был ли поджог предумышленным. Юный Кекуле выступал свидетелем по делу. Он дал показания с поразительной точностью; эти показания убедили присяжных заседателей в правильности заключения эксперта, что пожар в доме не был случайностью. В свою очередь Либих убедился в способностях Кекуле, в его наблюдательности, которая позволяла ему стать хорошим химиком.) Кекуле обучался химии у Либиха в Гиссене, стажировался в Париже под руководством Дюма, Вюрца и Жерара. После этого Кекуле некоторое время работал в Англии. В 1856 г. он стал приват-доцентом в Университете г. Гейдельберга. Через два года занял должность профессора в Университете г. Гента, а в 1865 г.- в Боннском университете. Там он опубликовал работу о пространственном расположении атомов в молекуле: атомы располагаются в направлении “гексаэдрических осей” объема атома и лежат в вершинах тетраэдра [40, с. 218]*.

* ()

И на “Празднике бензола” в 1890 г., еще при жизни Кекуле, и на торжествах 1929 г., посвященных столетию со дня рождения Кекуле, отмечалось не только важное научное, но и промышленное значение установления строения бензола. Без этого невозможно было бы понять строение сложных углеводородов (нафталина, антрацена, фенантрена), гетероциклических соединений (пиридина, хинолина, тиофена и т. д.) и их производных. Получение синтетических красителей, а также синтез многочисленных лекарственных и взрывчатых веществ были бы невозможны без точного установления их строения (см. разд. “Промышленная химия”).

Источник

ППБ на пути к формуле бензола. Нашя задача теперь состоит в том, чтобы выяснить
скрытый механизм преодоления познавательно-психологического барьера как препятствия,
стоящего на пути научно-технического прогресса. Начнем с науки.

В начале второй половины XIX века в органическую химию было введено понятие валентности,
или атомности. Одноатомными были признаны гакие элементы, как водород, хлор; двухатомными
— кислород, сера; трехатом-нымп — азот, фосфор и, наконец, четырехатомными — углерод,
кремний. По величине атомности к символу элемента приставлялось соответствующее
число черточек. Соединение писалось таким образом, что валентные черточки элементов
как бы насыщали друг друга. Например, формула уксусной кислоты писалась:

Какие противоречия существуют между структурной формулой кекуле и свойствами бензола

Как видим, соединение изображалось формулой в виде открытой цепочки, и свойства
агома внутри молекулы характеризовались его положением между другими атомами и различными
связями с ними.

Были установлены еще два важных обстоятельства: во-первых, между двумя атомами
углерода могла быть не простая связь, изображаемая одной черточкой, а двойная (как
в этилене) или даже тройная (как в ацетилене); во-вторых, цепочка могла разветвляться,
оставаясь в то же время открытой и давая различные изомеры. Так объяснялось строение
соединений жирного (алифатического) ряда.

Но уже начиная с 40-х годов XIX века в химии и химической промышленности все
большую роль стали играть ароматические соединения, которые участвуют -в анилино-красочном,
парфюмерном и фармацевтическом производстве. Эти соединения являются производными
простейшего исходного вещества бензола СбНб. Такова его эмпирическая формула. Строение
же его долго не было установлено.

Дело в том, что все шесть атомов углерода, входящие в молекулу бензола, совершепно
одинаковы между собою.

Точно так же все его шесть атомов водорода тоже одинаковы. Между тем ставший
общепринятым способ написания формул в виде открытых цепей и оказавшийся барьером,
не мог выразить эту одинаковость всех углеродных атомов бензола, равно как и одинаковость
всех его водородных атомов. На самом же деле атомы, стоящие по краям цепи, всегда
и неизбежно будут отличаться от атомов, заключенных внутри цепи. Поэтому все попытки
изобразить формулу бензола в виде открытой цепи неизменно оказывались несостоятельными.

Мы можем с полным основанием сказать, что способ изображения формул органических
соединений в виде открытых цепей был особым способом, применимым лишь к особому
классу этих соединений — к их жирному ряду (особенное). Это особенное ошибочно было
универсализировано, возведено в ранг всеобщего, в результате чего превращено в ГШБ
на пути к познанию истинной структуры бензола и его производных — ароматического
ряда. Возникшую задачу нельзя было решить, оставаясь в плоскости особенности (открытых
цепей): химикам надлежало найти выход за рамки этой особенности и отыскать какой-то
иной, еще неизвестный принцип построения структурных формул, кроме принятых открытых
цепей.

Роль «подсказки» или «трамплина» при преодолении ППБ. Разбираемый нами историко-научный
эпизод интересен тем, что он позволяет выяснить не только наличие ППБ и его функционирование
в ходе работы научной мысли, но и внутренний механизм своеобразной подсказки, которая
независимо от самого ученого навела его мысль на искомое решение, то есть помогла
преодолеть существовавший, но неосознанный ППБ.

Как рассказывал впоследствии сам автор открытия А. Кекуле, он долгое время ломал
голову над тем, каким образом можно было бы выразить одинаковость всех атомов углерода
в бензоле и всех его водородов. Усталый, он сел у пылающего камина и задремал. Перед
его мыс-денным взором мелькали, как яркие змейки, цепочки из атомов углерода и водорода.
Они совершали различные движения, и вот одна из них замкнулась в кольцо.

Так у А. Кекуле родилась «подсказка» искомой формулы бензола: формула должна
быть кольцевой — только в этом случае все шесть атомов углерода, входящие в молекулу
бензола, могут быть между собой равноценны, так же как соединенные с ними шесть
атомов

водорода. А. Кекуле очнулся, сел и записал привидевшуюся ему кольцевую модель
молекулы бензола.

Так он рассказывал сам. Такого рода подсказку мы назовем познавательно-психологическим
трамплином (или. короче, трамплином). Она наводит мысль ученого на правильный путь
к истине, который до тех пор был закрыт для него неосознанным барьером, стоявшим
на этом пути. Она не разрушает этого барьера, но указывает, как его можно преодолеть
или обойти нашей мыслью.

Случайное и необходимое при преодолении IIП Б. К рассказанному случаю добавим
следующее. Еще в детстве А. Кекуле присутствовал на суде, где разбиралось дело человека,
служившего лакеем у старой графини. Он убил свою хозяйку и ограбил ее. Среди ее
драгоценностей был и браслет, который застегивался на руке, подобно змею, глотающему
свой хвост. Поэтому некоторые биографы А. Кекуле высказали предположение, что идея
кольцевой формулы бензола могла быть подсказана ему детским воспоминанием об этом
браслете.

Сам А. Кекуле отличался веселым характером, был шутником и выдумщиком. Он вознамерился
сочинить еще одну версию о том, как ему пришла мысль о замыкающейся в кольцо углеродной
цепи. Он рассказал, что будто бы ехал в Лондоне в омнибусе на крыше и увидел, что
по улице везут в цирк клетку с обезьянами, которые хватаются лапами друг за друга
и машут хвостами, и он будто бы подумал, что это атомы углерода (четырехатомные),
а их хвосты — это водороды. Вдруг сцепившиеся обезьяны образовали кольцо, и он догадался,
что формула бензола должна быть кольцевой.

Легко можно представить еще много других версий аналогичного характера, например:
плетение венка с замыканием цветочной полоски в кольцо: свертывание в колечко прутика;
смыкание большого пальца руки с одним из других и т. д.

Во всех этих случаях существенно и важно только одно: чтобы наблюдался процесс
замыкания в кольцо двух окончаний какого-либо достаточно прямолинейного предмета.
Наблюдение такого процесса, совершенно независимо от того, что представляет собой
сам предмет, концы которого замыкаются, и может послужить намеком пли имитацией
решения задачи.

Заметим, что необязательно ученому было видеть какой-либо из процессов в данный
момент, а достаточно его

вспомнить и воспоминание о таком образе могло бы послужить ему подсказкой, причем
такой, на которую он мог вообще не обратить никакого внимания и совершенно забыть
о ней в ходе последующей разработки своего открытия.

Все приведенные выше версии чисто случайные, внешние по отношению к самому творческому
процессу, ничем не связанные с его существом. Однако общим в них было то, что каждое
из этих случайных событий по-своему имитировало один и тот же необходимый процесс:
замыкание открытой цепи в кольцо.

Здесь мы видим, что отмеченная необходимость реализовалась через случайность,
которая подсказала ученому путь к решению стоявшей перед ним задачи. Дру-

гими словами, случайность здесь выступила как форма проявления необходимости,
как форма ее выявления и улавливания.

При этом для хода научного познания важна, собственно говоря, сама необходимость,
а не то, каким случайным образом ученый пришел к открытию этой необходимости.

По-видимому, в истории многих научных открытий подсказка могла в явной форме
не фиксироваться самим ученым и бесследно стереться из его памяти. Тем не менее
такие подсказки имели место в истории пауки в гораздо большем количестве, нежели
они зафиксированы самими учеными, а тем более, нежели о них было рассказано, как
в случае с А. Кекуле.

Другой аспект случайного и необходимого в научном открытии. Итак, первым условием
хорошей подсказки является наличие имитации сути готовящегося открытия. Поэтому
случайность в этих условиях и выступает как форма проявления необходимости и дополнение
к ней.

Но мы можем подойти к оперированию теми же категориями случайности и необходимости
и с другой стороны, как это сделали французский математик О. Курно и русский марксист
В. Плеханов. На вопрос «что такое случайность?» они отвечали: «Случайность возникает
в пункте пересечения двух независимых необходимых рядов».

Такой подход как нельзя лучше позволяет раскрыть и понять внутренний механизм
возникновения подсказки в ходе научного открытия. Это можно показать на примере
нахождения формулы бензола с помощью подсказки, согласно любой из приведенных выше
случайных версий. Здесь действительно происходит пересечение двух совершенно независимых
между собой необходимых рядов, и сама подсказка рождается точно в пункте их пересечения.

Один из зтих рядов связан с напряженными поисками ответа на поставленный самой
наукой вопрос о структурной формуле бензола. Эти поиски в рамках органической химии
совершаются в сознании А. Кекуле как необходимый логический процесс в течение достаточно
долгого времени и пока что безрезультатно. Подобный мыслительный процесс не только
не прерван в момент, когда происходит вклинившийся в жизнь ученого случайный процесс
внешнего характера, но, напротив, продолжает-

ся столь же настойчиво, как и раньше. Внешний же по отношению к нему пррцесс,
в свою очередь, столь же необходим сам по себе. Например, браслет сдедан только
для того, чтобы его застегивать (замыкать) на руке. Или, скажем, доставка обезьян
в лондонский цирк была необходима для работы этого цирка.

Когда же оба необходимых и совершенно не связанных между собою процесса случайным
образом пересеклись, то в точке их пересечения столь же случайно возникла подсказка:
открытую цепь надо замыкать в кольцо. Так раскрывается в данном случае еще одна
сторона механизма — образование своеобразного трамплина в хеде научного открытия.

Здесь мы имеем дело со вторым условием возникновения подсказки. Требуется соблюдение
условия, чтобы поисковая мысль, направленная на разгадывание не решенной еще задачи,
в этот момент не прерывалась, чтобы она настойчиво работала над разгадыванием нерешенной
задачи. Только в этом случае второй, то есть посторонний, внешний процесс может
послужить подсказкой (образовать трамплип) для преодоления существующего ППБ.

В самом деле, ведь несомненно А. Кекуле с детства запомнил образ браслета в виде
змеи, глотающей свой хвост. Но само по себе это воспоминание ничего ему не говорило
о структурных формулах органических соединений. Здесь важно только одно: что подобные
образы пришли ему на память в тот самый момент, когда он ломал голову над формулой
бензола, иначе говоря, что оба независимых процесса совпали один с другим, пересеклись
между собою и этим своим пересечением дали новое направление научно-исследовательской
мысли ученого. При этом, повторяем, совершенно неважно, наблюдал ли ученый какой-либо
вещественный процесс или только вспоминал его или даже просто примыслил его в своем
воображении.

Третьим существенно важным условием является то, чтобы сам ученый обладал в развитой
форме ассоциативным мышлением. Только в этом случае он смог бы уловить, почувствовать,
заметить какую-то совершенно случайную связь (ассоциацию) между мучившей его научной
задачей и совершенно не относящимся к ней ничтожно малым событием бытового характера.

•Только обладая ассоциативным мышлением в должной степени, ученый способен откликнуться
на пришедшую

ему на помощь подсказку и увидеть в ней нужный ему трамплин. В противном случае
он пройдет мимо нее, так и не поняв, что он мог ею воспользоваться.

Наконец, четвертое условие — для того, чтобы соответствующая подсказка (трамплин)
привела к положительному результату и реально указала правильный путь к грядущему
открытию, необходимо, чтобы мысль ученого достаточно продолжительное время билась
в поисках решения стоящей задачи, чтобы она перепробовала все возможные варианты
ее решения и один за другим1 проверила и отвергла все неудачные.

Благодаря этому познавательно-психологическая почва для принятия единственно
верного решения оказывается достаточно подготовленной для того, чтобы подхватить
нужную ей подсказку, падающую на вполне подготовленную уже почву. Иначе мысль ученого
может пройти мимо сделанной ей подсказки. Как это бывает в истории пауки, мы видели
у Л. Кекуле в его долгих поисках формулы бензола. То же самое произошло и у Д. Менделеева,
который почти полтора года (с осени 1867-го по весну 1869 года) пытался упорно держаться
жераровских представлений об атомности элементов и с этих позиций написал всю первую
часть «Основ химии».

Таковы четыре необходимых условия успешности функционирования трамплинов при
преодолении ППБ, выполнение которых завершается научным открытием. Последнее выступает
при зтом как выход из сферы бессознательного в сферу осознанного, подобный внезапному
попаданию из темноты в освещенное место, как своего рода озарение.

Анализируя действие подсказки (трамплина) в процессе преодоления неосознанного
до тех пор ППБ и связывая это действие с наличием и проявлением ассоциативности
мышления ученого, мы вплотную подошли к разбору собственно познавательно-психологических
проблем научного творчества. Пока мы рассматривали функции барьера и его действие,
мы оставались все время в сфере бессознательного, ибо до преодоления ППБ ученый
даже не догадывается о его существовании. Отыскивая решения вставшей перед ним задачи,
ученый, словно в потемках, ощупью идет к истине и наталкивается на какое-то странное
препятствие. Когда же непонятно откуда возникший трамплин вдруг выводит его на путь

к решению, то это оказывается подобно внезапно блес* нувшему лучу света, указавшему
выход ив темноты. Этот момент отмечает и сам ученый, сравнивая его с неожиданным
прозрением, просветлением или даже с наитием (иногда словно пришедшим свыше). Словами
«блеснула мысль», «сверкнула идея» и т. п. ученый фактически констатирует момент,
когда из темноты бессознательного его мысль сразу вышла на свет осознанного и увидела
способ для преодоления непонятной до тех пор преграды, стоящей на пути к истине.
Тем самым и ППБ, впервые воспринимаемый, из тьмы бессознательного переходит в область
сознательного.

Разделы:Скорочтение – как читать быстрее |
Онлайн тренинги по скорочтению. Пошаговый курс для освоения навыка быстрого чтения |

Источник