Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
превращения веществ в результате химических реакций. Таким образом, главная идея теории А.М. Бутлерова: химиче-
ское строение молекул определяет свойства веществ, а изучение химических свойств даёт возможность установить строение.
А.М. Бутлеров считал, что теория химического строения
не имеет абсолютного характера, что с развитием химии будут накапливаться факты, которые не укладываются в рамки
теории. Только путём разрешения противоречий между теорией и новыми фактами возможно дальнейшее развитие органической химии.
А.М. Бутлеров писал, что теория химического строения не
исчезнет, а войдёт в изменённом виде в круг «более широких
воззрений». Действительно, теория химического строения не
осталась без изменений. Она развивалась на основе электронных и пространственных представлений.
В настоящее время помимо химических методов используются и физические методы изучения строения вещества (например, рентгенография).
Сформулированная первоначально как учение о строении
органических веществ, эта теория стала теорией общей химии.
Значение этой теории заключается в том, что она дала возможность познать внутреннее строение веществ в результате
изучения химических реакций, в которые эти вещества вступают, объяснила явление изомерии и гомологии (см. далее),
указала на возможность существования новых веществ и пути
их получения — тем самым сыграла большую роль в развитии химической промышленности.
Вопросы и задания к § 1–3:
1. Что такое органические вещества и почему они так называют-
ся?
2. В чём заключаются причины многообразия органических ве-
ществ?
3. В чём заключаются особенности органических веществ?
4. Что такое функциональная группа атомов?
5. Что такое углеродный скелет?
6. Как образуются органические вещества в природе?
7. Какова валентность углерода в органических веществах?
8. Каково значение органических веществ?
9. Какова главная идея теории химического строения А.М. Бут-
лерова?
271
10. Что такое «химическое строение» по Бутлерову и почему строение называется химическим?
11. Какие методы используются для определения строения веществ?
§ 4. Углеводороды. Строение углеводородов
(краткая сравнительная характеристика).
Понятие «Гомологический ряд»
При изучении данной темы используйте табл. 24 «Углеводо-
роды».
Как уже отмечалось ранее, органических веществ очень
много. Среди органических веществ особо выделяют углево-
дороды, которые считают основными веществами, из которых можно получить-произвести и остальные органические
вещества — производные углеводородов. Иногда органиче-
скую химию называют химией углеводородов и их производных, а поэтому пониманию материала об углеводородах не-
обходимо уделить большое внимание, так как от этого зависит понимание и усвоение последующего материала в курсе
органической химии.
Расшифровывая название данной группы веществ и помня о том, что органические вещества имеют молекулярное
строение, даём определение на основе родового понятия и видового отличия.
Углеводороды — это органические вещества, молекулы
которых состоят из атомов углерода и атомов водорода.
Отличительной особенностью этих веществ является то,
что они состоят из атомов всего лишь двух элементов. Но углеводородов очень много. Большое многообразие углеводородов, а также всех органических веществ, объясняется тем, что
атомы углерода могут соединяться друг с другом, образуя
очень длинные цепи (иногда замкнутые, а иногда незамкнутые цепи, иногда разветвлённые, а иногда неразветвлённые),
а также возможностью образования разных видов ковалентной связи (
ду атомами углерода.
-связь — это ковалентная связь, которая образуется при
перекрывании электронных облаков на воображаемой прямой, соединяющей ядра атомов.
-связь — сигма-связь и -связь — пи-связь) меж-
272
-связь — это ковалентная связь, которая образуется при
перекрывании электронных облаков вне прямой, соединяющей ядра атомов.
Обращаем внимание на то, что атомы углерода, соединён-
ные
-связями, могут вращаться вокруг -связей, не вызывая
разрушение этих связей, а атомы углерода, связанные двойной или тройной связью, в которых имеется
гут вращаться без разрушения
-связи.
-связь, не мо-
Существуют разные виды углеводородов
(классификация углеводородов на основании строения углеродного скелета): циклические углеводороды с замкнутой цепью атомов углерода и ациклические — углеводороды с незамкнутой цепью атомов углерода; приставка а соответствует
отрицанию не и определение «ациклические» углеводороды
показывает, что атомы углерода не образуют замкнутой цепи;
циклические углеводороды включают две группы углеводородов, изучаемых в школе: циклопарафины и аромати-
ческие углеводороды; ациклические угеводороды включают: предельные углеводороды и непредельные углеводороды
(этиленового ряда, ацетиленового ряда, диеновые углеводороды).
Если за основание классификации принять наличие определённых видов химической связи, то углеводороды можно
классифицировать так: предельные углеводороды (наличие
только
-связей), к ним относят ациклические предельные
углеводороды и циклопарафины; непредельные углеводороды
(наличие в молекулах
-связей), к ним относят этиленовые,
ацетиленовые и диеновые углеводороды; ароматические угле-
водороды (наличие в молекулах бензольного кольца, имеющего как
-связи, так и систему -связей).
В органической химии используется понятие «гомологи-
ческий ряд». Говорят, например, о гомологическом ряде метана (предельные углеводороды) и о других рядах углеводородов или рядах других классов органических веществ, а поэтому нам необходимо рассмотреть это понятие в общем виде.
Гомологический ряд — это ряд органических веществ,
сходных по своему химическому строению, обладающих
сходными химическими и закономерно изменяющимися физическими свойствами, имеющих общие методы получения;
состав всех членов гомологического ряда может быть выражен общей формулой, причём состав двух соседних членов
ряда отличается на постоянную гомологическую разность —
двухвалентную группу атомов (–СН
2
–).
273
Рассмотрим это понятие на примере гомологических рядов, данных в табл. 24 «Углеводороды», в которой приведены
первые 10 членов каждого из указанных в таблице рядов.
Рассмотрим указанные в таблице гомологические ряды
углеводородов, сравнивая их между собой, т. е. так, чтобы выяснить, что позволяет объединить углеводороды в один ряд и
отделить один ряд от другого. Как мы отметили в определении гомологического ряда, углеводороды должны иметь сходство в строении. В большой степени строение углеводородов
определяется типом гибридизации электронных облаков в
атомах углерода.
Гибридизация электронных облаков — это выравнивание электронных облаков по форме и энергии.
Поскольку углерод является главным элементом в органических веществах, повторим строение атома углерода.
С n
= 1 n = 2
+6 ) ) II
2 4
2
1s
2s22p2 I
На внешнем слое атома углерода имеются два спаренных
s-электрона и два неспаренных р-электрона. s- и р-электроны
имеют разную форму орбиталей и обладают разным запасом
энергии. При определённых условиях, например, при получении энергии извне, происходит распаривание s-электронов
(разрушение пары электронов) внешнего слоя, и один s-электрон
переходит на р-подуровень. Наряду с распариванием электронов происходит процесс гибридизации электронных облаков,
который приводит к образованию четырёх гибридных обла-
ков, имеющих одинаковую форму и равный запас энергии.
В приведённом выше примере в процессе гибридизации
участвовали четыре электрона: один s-электрон и три
р-электрона, в результате которого образовались четыре гибридных электрона. Такой тип гибридизации называется sp
3
гибридизацией (число р-электронов, принимающих участие
в гибридизации, показывают цифрой, записанной в виде степени), которая имеет место в атомах углерода, входящих в состав молекул предельных углеводородов.
Гибридные облака располагаются в пространстве так, что
их оси оказываются направленными к вершинам тетраэдра
(тетраэдр — это пирамида, в основании которой лежит правильный треугольник).
274
Гибридные орбитали
при sp3- гибридизации
Ковалентные
химические связи
в молекуле метана
Тетраэдрическая модель
молекулы метана
Валентный угол — угол, образованный осями гибрид-
ных облаков.
При sp
3
-гибридизации валентный угол равен 109028’. Так
как оси гибридных электронных облаков атомов углерода
направлены к вершинам тетраэдра, то при образовании молекулы с содержанием большего, чем два, числа атомов
углерода образуется углеродная цепь, имеющая зигзагообразную форму.
Электронное строение
молекулы этана Модель молекулы пентана
При написании формул не показывают валентные углы и
зигзагообразную форму молекулы. Атомы углерода при данном типе гибридизации соединены друг с другом одной (простой, одинарной)
-связью, длина связи (расстояние между
центрами атомов углерода) которой равна 0,154 нм. Гибридные облака, не участвующие в образовании С–С (
связей, образуют
-связи (С–Н связи) с атомами водорода. Та-
-связей)
ким образом, в молекулах предельных углеводородов между
всеми атомами существуют только
-связи, которые в записи
показываются в виде чёрточек.
275
–C–C–
Запомним: говоря о строении углеводородов того или иного гомологического ряда, необходимо указать тип гидридизации электронных облаков, валентный угол, вид связи, длину
связи и форму молекулы.
Посмотрим, чем же характеризуется строение молекул
углеводородов этиленового ряда (по названию первого члена
данного гомологического ряда). В атомах углерода происходит sp
2
-гибридизация. При данном типе гибридизации в ее
процессе участвуют один s-электрон и два р-электрона, и
образуются три гибридных облака. Валентный угол при sp
2
гибридизации равен 120°. Но на внешнем слое атома углерода есть ещё один р-электрон, который не участвовал в
процессе гибридизации и сохранил свою форму (объёмной
восьмёрки) и запас энергии. Гибридные электронные облака двух соседних атомов углерода, перекрывая друг друга
на прямой, соединяющей ядра атомов углерода, образуют
-связь, а не подвергавшиеся гибридизации р-электроны
(их оси перпендикулярны плоскости, в которой лежат ядра
атомов углерода) этих же атомов углерода, перекрывая друг
друга над и под плоскостью, образуют
-связь. Таким образом, в молекулах углеводородов этиленового ряда есть два
атома углерода, между которыми существует двойная связь,
состоящия из одной
-связи и одной -связи, и эта часть
молекулы имеет плоское строение. Длина двойной связи
равна 0,134 нм. В записи оба вида связи показывают в виде
двух одинаковых чёрточек между двумя атомами углерода
С
=С, а остальные связи по гибридным облакам атомов угле-
рода показывают чёрточками, образующими угол приблизительно равный 120°: С
=С. Во всех остальных атомах угле-
рода, не участвующих в образовании двойной связи, происходит sp
собой обычными
3
-гибридизация; атомы углерода соединены между
-связями, и эта часть молекулы имеет
зигзагообразную форму.
276
Атом углерода в состоянии
sp2-гибридизации
Электронное строение молекулы
этена (этилена)
Далее посмотрим, что общего находят в строении молекул
углеводородов ацетиленового (по названию первого члена
данного гомологического ряда) ряда и что отличает их от углеводородов двух уже рассмотренных рядов. В двух соседних
атомах углерода в молекулах этих углеводородов происходит
sp-гибридизация, следовательно, в ней участвует один
s-электрон и один р-электрон, и образуются два гибридных
облака; валентный угол при sp-гибридизации равен 180°. Другие два, не участвующие в гибридизации р-электроны, перекрываются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях,
образуя две
существует тройная связь, состоящая из одной
-связи. Это значит, что между атомами углерода
-связи и двух
-связей, и эта часть молекулы имеет линейное строение.
Длина тройной связи равна 120 нм. Тройную связь показывают тремя одинаковыми чёрточками между двумя атомами
углерода –С
=С–. Все остальные атомы углерода, не участвую-
щие в образовании тройной связи, соединены между собой
обычными
-связями, и эта часть молекулы имеет зигзаго-
образную форму.
Атом углерода в состоянии
sp-гибридизации
Электронное строение
молекулы этина (ацетилена)
Из вышесказанного можно понять, что углеводороды каж-
дого из трёх гомологических рядов имеют нечто общее в строении молекул — определённые тип гибридизации, валентный
277
угол, вид связи, длина связи — т. е. то, что их объединяет в
один гомологический ряд и что отличает углеводороды одного
гомологического ряда от углеводородов другого ряда.
Поскольку каждый вид связи определяет химические
свойства, то из-за сходства в строении молекул углеводородов одного гомологического ряда все вещества, составляющие гомологический ряд, имеют и сходные химические свой-
ства. Так,
-связь, являясь довольно прочной, характеризует
предельные углеводороды тем, что они вступают в реакции
замещения и не вступают в реакции присоединения. Напро-
тив, наличие в двойной и тройной связях
-связи, определяет
то, что углеводороды этиленового и ацетиленового рядов
вступают в реакции присоединения, так как
-связь сравни-
тельно легко разрывается.
Та часть молекулы, которая содержит двойную или тройную связь, является активным центром при химических реакциях.
Остановимся на словах из определения гомологического
ряда «закономерно изменяющимися физическими свойства-
ми». О чём здесь идёт речь? Дело всё в том, что, если расположить члены гомологического ряда в порядке возрастания числа атомов углерода в молекулах органических веществ,
в частности углеводородов, то можно отметить, что в гомологических рядах прослеживается общая закономерность зависимости плотности вещества от молекулярной массы: чем
больше молекулярная масса вещества, тем больше плотность
вещества. В соответствии с этой закономерностью первые члены указанных трёх гомологических рядов с содержанием до
четырёх атомов углерода — газы, углеводороды с содержанием атомов углерода в молекулах от 5 до 15 — жидкие вещества, а, имеющие более 15 атомов углерода в молекуле —
твёрдые вещества. Подобная закономерность наблюдается в
гомологических рядах и других классов веществ.
Состав всех членов гомологического ряда может быть выражен общей формулой:
С
nН2n+2
Так, состав предельных углеводородов выражают формулой С
. Используя эту формулу, можно подсчитать число
nН2n+2
атомов водорода, если известно число атомов углерода в молекуле. Например, если n
= 15 (С
15Н2 15 + 2
), то формула предельного углеводорода будет выглядеть следующим образом:
С
. Аналогично можно определить формулы углеводоро-
15Н32
дов и других рядов.
278
Наличие углеводородов, из которых можно составить гомологические ряды веществ, говорит о том, что существует
в природе такое явление как гомология. Вещества, составляющие гомологические ряды, называют гомологами. Чтобы
дать определение гомологии и гомологов, будем использовать
определение гомологического ряда.
Гомология — это явление существования веществ, сходных по своему химическому строению, обладающих сходными химическими и (если их расположить в порядке возрастания числа атомов углерода в молекуле, т. е. составить гомологический ряд) закономерно изменяющимися физическими
свойствами, имеющих общие методы получения; состав всех
членов гомологического ряда может быть выражен общей
формулой, причём состав двух соседних членов ряда отличается на постоянную гомологическую разность — двухвалентную группу атомов (–СН
2
–).
Гомологи — это органические вещества, сходные по своему химическому строению, обладающие сходными химическими и (если их расположить в порядке возрастания числа атомов
углерода в молекуле, т. е. составить гомологический ряд) закономерно изменяющимися физическими свойствами, имеющих
общие методы получения; состав всех членов гомологического
ряда может быть выражен общей формулой, причём состав двух
соседних членов ряда отличается на постоянную гомологическую разность — двухвалентную группу атомов (–СН
2
–).
Важность понятия гомологии при изучении органической химии заключается в том, что вместо ознакомления
со множеством отдельных веществ можно сосредоточить
внимание на изучении отдельных членов гомологического
ряда, так как свойства отдельных членов ряда сходны изза сходства в строении.
Вопросы и задания:
1.Что такое углеводороды?
2. Что такое
3. Что такое
4. Какие бывают углеводороды (классификация углеводородов)?
5. Что такое гомологический ряд?
6. Что такое гибридизация электронных облаков?
7. Что такое валентный угол?
8. Дайте характеристику строения предельных углеводородов
(укажите тип гибридизации электронных облаков, валентный
угол, вид связи, длину связи и форму молекулы).
-связь?
-связь?
279
9. Дайте характеристику строения углеводородов этиленового
ряда (укажите тип гибридизации электронных облаков, валентный угол, вид связи, длину связи и форму молекулы).
10. Дайте характеристику строения углеводородов ацетиленового
ряда (укажите тип гибридизации электронных облаков, валентный угол, вид связи, длину связи и форму молекулы).
11. Что такое гомология?
12. Что такое гомологи?
13. В чём заключается важность понятия гомологии?
14. Как объяснить причину того, что в гомологическом ряду закономерно изменяются физические свойства?
§ 5. Номенклатура
Номенклатура (в химии) — система названий органиче-
ских веществ. В настоящее время используют международ-
ную систематическую номенклатуру, принятую междуна-
родным союзом теоретической и прикладной химии.
Если внимательно посмотреть на названия веществ первых трёх
гомологических рядов (см. табл. 24 «Углеводороды»), то можно отметить, что вещества, принадлежащие к разным гомологическим рядам, но имеющие одинаковое число атомов углерода в молекуле, имеют одинаковый корень (от греческих слов) в названии вещества, но
суффиксы разные. Как раз суффиксы и указывают на принадлежность углеводородов к тому или иному гомологическому ряду. Суффикс –ан используют для образования названий предельных углеводородов — алканов, суффикс –ен — для образования названий угле-
водородов, имеющих в молекуле одну двойную связь, — алкенов,
а суффикс –ин — для образования названий углеводородов, имеющих в молекуле одну тройную связь, — алкинов. Так, например, названия углеводородов, принадлежащих к разным гомологическим
рядам, но имеющих пять атомов углерода в молекулах, соответственно будут следующими: пентан, пентен, пентин.
Необходимо выучить наизусть названия первых десяти
членов гомологического ряда предельных углеводородов
с целью запоминания соответствия корня слова в названии
углеводорода с числом атомов углерода в молекуле, т. е., что-
бы при наличии в названии вещества, например, буквосочетания пент установилась ассоциация с цифрой 5, а наличие
в названии вещества буквосочетания бут ассоциировалось
с цифрой 4 и т. д. Выучить названия первых десяти членов
280
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]