Органическая химия. Сборник задач. Учебное пособие

Мольное соотношение атомов

Следовательно, простейшая формула соединения – С3Н6О2 .

5. Определим молярную массу данного вещества, используя условие задачи, по формуле

PV Mm RT,

n m PV 101.3 0.97 0.025, M RT 9.31 473

M 0.0251.85 74.

6. Сравним массу простейшей формулы с молярной массой соединения. Они совпадают. Таким образом, молекулярная формула вещества будет C3H6O2.

2.2. Расчет числа структурных изомеров

Пример. Рассчитайте процентный состав смеси монобромидов, образующихся при бромировании изобутана, если известно, что отношение реакционной способности С–Н связей у первичного, вторичного и третичного атомов углерода составляет 1:82:1600.

Решение

В ходе монобромирования изобутана может образоваться два изомера:

11

В молекуле изобутана содержится девять водородных атомов при первичном атоме углерода и один атом водорода при третичном атоме углерода. Следовательно, соотношение изомеров будет следующим:

2.3. Расчет тепловых эффектов реакций

Химические реакции, сопровождающиеся выделением теплоты,

называются экзотермическими реакциями ( Н0 0).

Химические реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты,

называются эндотермическими реакциями ( Н0 > 0).

Закон Гесса

Тепловой эффект реакции не зависит от промежуточных стадий, а зависит от начального и конечного состояния реакции. Он равен разности теплот образования продуктов и реагентов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов реакции

H nк H nн H ,

где nк и nн – число молей каждого из начальных и конечных продук-

тов реакции.

Теплоты образования простых веществ (Сu,H2 , Ar, O2 и др.) равны нулю.

Пример

Рассчитайте тепловой эффект реакции сгорания графита, если теплота образования оксида углерода(II) равна –110.5 кДж/моль, а тепловой эффект окисления оксида углерода(II) в оксид углерода(IV) равен – 283.0 кДж/моль.

12

Решение

3. Общие сведения о строении органических молекул, механизмы органических реакций

3.1. Строение органических соединений, теория А.М. Бутлерова

1.Атомы в органических молекулах связаны друг с другом в определенном порядке химическими связями.

2.Химические свойства вещества зависят не только от их химического состава, но и от химического строения, т. е. от порядка соединения атомов друг с другом и характера их влияния друг на друга.

3.Атом, образуя химические связи, стремится принять или отдать валентные электроны, так чтобы иметь электронную оболочку, близкую к электронной оболочке ближайшего инертного газа.

4.Соединение атомов друг с другом происходит в соответствии с их валентностью.

Общие закономерности определения валентности элементов

13

Дляопределенных элементов характерна постояннаявалентность.

Водород (Н)

IЩелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)

Фтор (F)

Кислород (О)

IIМеталлы II группы, главной подгруппы

(Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)

IIIАлюминий (Al)

Для большинства элементов характерна переменная валентность:для элементов-неметаллов низшую валентность можно опреде-

лить по формуле

Валентность элемента = 8 – А,

где А – номер группы в периодической системе, в которой элемент находится. Высшая валентность элемента (если она возможна) определяется по номеру группы;

для элементов побочных подгрупп максимально возможная валентность такая же, как номер их группы в периодической таблице.

Пример. Определить валентность элементов в соединении N2O5 .

Для расчета валентностей элементов воспользуемся правилом, со-

гласно которому число валентностей у одного химического элемента равно числу валентностей у другого.

1.В соответствии с этим правилом определим суммарную величину валентностей для атома кислорода. Для этого необходимо умножить валентность атома кислорода на количество атомов в молекуле: 2 5 = 10.

2.Определим валентность азота. Для этого разделим полученную величину на количество атомов азота в молекуле: 10 : 2 = 5. Следовательно, валентность азота равна V.

Правила определения степени окисления

1.Степень окисления в простом веществе равна (0): Н2, Сu, S8 , Ar.

2.Некоторые элементы имеют постоянную степень окисления в большинстве соединений (см. таблицу).

14

Исключения:

–атом водорода в гидридах металлов имеет степень окисления –1;

–атом кислорода в соединениях с пероксогруппой имеет степень окисления –1;

–атом кислорода в OF2 имеет степень окисления +2.

3. Алгебраическая сумма степеней окисления в молекуле всегда равна (0), а в ионе – его заряду:

СН4, СО2,Na ,SO24 .

4. Степень окисления может быть положительной, отрицательной, целочисленной, а также иметь дробное значение.

Пример. Определите степень окисления в СН4.

Степень окисления атома водорода в большинстве соединениях равна (+1). Алгебраическая сумма степеней окисления всех входящих атомов равна нулю. Следовательно, х + 4∙(+1) = 0, х = –4.

Степень окисления атома углерода равна (–4).

Способы изображения химических соединений

15

3.2. Изомерия органических соединений

Гомологами (фр. homologos – общий) называют группы веществ, принадлежащих к одному классу и имеющих близкое химическое строение, но различающихся на одну или несколько структурных единиц (гомологическая разность). Например, алканы X-(CH2)n -Y , спир-

ты H-(CH2)n -CH2-OH, карбоновые кислоты H-(CH2)n -COOH.Гомо-

логи, расположенные в порядке возрастания их относительной молекулярной массы, образуют гомологический ряд.

Изомерами (др.-греч. ἴσος – равный + μέρος – доля, часть) называют группы органических веществ, имеющих одинаковый химический состав и молекулярную массу, но различное химическое строение.

Виды изомерии

–межклассовая изомерия

3.3.Типы связей в органических соединениях

Ворганических соединениях преобладающим типом связи является ковалентная связь, образующаяся между атомами, имеющими неспаренные электроны. В возбужденном состоянии атом углерода способен образовывать четыре ковалентные связи за счет четырех собственных неспаренных электронов и четырех электронов других атомов

(2s12p3 ). В таком состоянии все четыре электрона эквиваленты в ре-

зультате смешивания s и p атомных орбиталей. Это явление называется гибридизацией, а смешанные орбитали – гибридными. Для атома угле-

рода характерно три типа гибридизации: sp3, sp2 и sp (см. таблицу).

16

Расчет количества σ- и π-связей в молекуле

17

4. Электронные эффекты атомов и групп

Атомы и атомные группы в молекулах органических соединений влияют друг на друга. Природа этого явления различна. Она зависит от свойств атома (галоген, азот, сера, кислород и т. д.), замещающего атом водорода в молекуле (его электроотрицательности), и от типа связей, по которым это влияние распространяется. Смещение электронной плотности в молекуле, ионе или радикале под влиянием заместителей называется электронным эффектом. Существует два вида электронных эффектов: индуктивный и мезомерный.

-NO2, -CN, -COOH,

-CR3, -CHR2, -F, -Cl, -I, -COOR, -NH2, -OH, -F, -NO2, -CN, -COOH, -CH2R, -CH3 -COR, -OR, -OH, -Cl, -Br -COOR, -CONH2

-NH2, -C6H5

18

Индуктивный эффект

–Индуктивный эффект наблюдается всегда в молекуле, содержащей атомы с разной электроотрицательностью.

–Индуктивный эффект распространяется только в одном направ-

лении по -связям.

– Индуктивный эффект затухает через 2–4 -связи.

Индуктивный эффект называется отрицательным (–I), если заместитель уменьшает заряд на атоме углерода, с которым он связан. При

этом заместитель приобретает частично отрицательный заряд ( – ), а атом углерода – частично положительный заряд ( ).

Мезомерный эффект

Мезомерный эффект наблюдается в сопряженных системах, т. е. системах, в которых идет чередование простых и кратных связей. В сопряжение может также вступать атом с неподеленной парой p-электро- нов (например, атом кислорода или азота) или атом с вакантной p-ор- биталью (например, атом бора).

5.Типы химических реакций

Вхимическую реакцию вступают молекулы, которые называются субстратом и реагентом. Как правило, субстратом считают ту молекулу, которая предоставляет атом углерода для новой связи. Например, в реакции присоединения HBr к этилену субстратом является этилен, а реагентом – HBr:

СН2= СН2 + HBr CH3CH2Br.

субстрат реагент

Вещество, которое атакует субстрат, называется реагентом. Органические реакции классифицируют в соответствии с различ-

ными признаками, например, по конечному результату реакции, механизму протекания реакции, типу активных частиц, типу разрыва связей и т. д.

Классификация по конечному результату делит органические реакции на четыре типа: реакции замещения, присоединения, отщепления и перегруппировки. Стоит отметить, что эта классификация ос-

19

нована на формальных признаках, поскольку стехиометрическое уравнение, как правило, не отражает механизм реакции.

Реакции замещения – реакции, в которых атом или группа атомов в исходной молекуле замещается на другие атомы или группы атомов. Например, в реакции хлорирования этана под действием света атом хлора замещает атом водорода:

Сl2

СН3СН3 СН3СН2Сl+ HСl. h

Реакции присоединения – реакции, в результате которых две молекулы или более соединятся в одну. В реакции присоединения вступают ненасыщенные соединения, например алкены или алкины. В зависимости от того, какая молекула выступает в качестве реагента, различают:

Реакции отщепления (элиминирования) – реакции, в результате которых из одной молекулы исходного вещества образуется несколько. К таким реакциям относятся:

20