Работ 17 Органические соединения.

Органическими называются соединения углерода. Простейшими по составу органическими соединениями являются углеводороды, соединения, в состав которых входят углерод и водород.

В молекулах органических соединений атомы углерода связаны друг с другом и атомами других элементов (водород, кислород, азот, сера, галогены, металлы и др.) ковалентными, преимущественно малополярными связями.

Органические соединения отличаются большой летучестью, низкой температурой плавления и кипения. Многие из них при комнатной температуре являются газообразными веществами или низкомолекулярными жидкостями.

Научные основы органической химии заложены теорией химического строения органических соединений (А.Н.Бутлеров, 1961). Основные положения теории:

1. Свойства вещества определяются составом и химическим строением.

2. Молекулы органического вещества имеют совершенно определенное, свойственное только этому веществу строение, определяемое структурной формулой.

3. Атомы элементов, образующих молекулу, соединяются в соответствии с их валентностями. Углерод в органических соединениях четырехвалентен.

4. Атомы и группы атомов, входящие в состав молекулы, взаимно влияют друг на друга. Наибольшее влияние оказывают атомы, непосредственно связанные друг с другом. Влияние атомов или групп атомов не связанных непосредственно, ослабевает по мере их удаления друг от друга.

5. Свойства веществ зависят не только от того, какие атомы и в самом количестве входят в состав молекулы, но и от порядка соединения атомов в молекуле (изомеры C2H₅OH и СН₃-0-СН₃).

Классификация органических соединений.

В зависимости от числа химических связей между углеродными атомами соединения подразделяются на следующие:

а) предельные соединения, в которых имеются только ординарные связи между атомами углерода.

Например этан:

б) непредельные соединения, в которых имеются двойные или тройные химические связи.

Например:

в) ароматические углеводороды - углеводороды, содержащие бензольное кольцо.

Производные углеводородов.

Органические соединения различных классов производных углеводородов представляются в виде общей формулы R - Ф, где R - органический радикал, Ф - функциональная группа.

В зависимости от вида функциональной группы, замещающей атом водорода в углеводороде, органические соединения образуют различные классы. Например, класс галогенопроизводных включает все органические соединения, в которых атом водорода (один или несколько) замещен на галоид (F, C1, Вг, I).

Химические соединения, относящиеся к одному классу и отличающиеся по составу на группу -СН₂-, называются гомологами и группируются в гомологический ряд.

Например, гомологический ряд предельных спиртов.

Химические свойства органических соединений.

Важнейшие реакции: реакции замещения, реакции присоединения и реакции окисления протекают различно в зависимости от типа углеводорода.

Сравнение химических свойств предельных, непредельных и ароматических углеводородов.

Тип углерода	Реакция замещения	Реакция присоединения	Отношение к окислителям
предельные	Происходит с трудом (при нагревании или освещенности)	--	Окисляются с трудом
непредельные	--	Идут легко	Окисляются очень легко
Ароматические	Протекают легко (при комнатной температуре, в присутствии катализатора)	Проходят с трудом	Окисляются с трудом

Большим разнообразием в химических свойствах отличаются производные углеводородов различных классов. Например, в спиртах О-Н один из атомов водорода соединен с атомом кислорода. Полярная связь О-Н обуславливает высокую реакционную способность спиртов:

1. Реакция с металлическим натрием

2. Взаимодействие с органическими кислотам- реакция этерификации:

3.Получение простых эфиров путем отнятия воды от молекул спирта:

4. Реакция, дегидратации

5. Окисление спиртов

Взаимное влияние атомов в молекуле.

Взаимное влияние атомов можно проследить, сравнивая реакционную способность спиртов, фенолов и органических кислот.

Эти соединения вступают в реакции замещения атома водорода ОН - группы на атом металла о различной легкостью, в зависимости от вида остальной части молекул - радикала.

В спиртах реакция проходит при действии активных щелочных и щелочноземельных металлов, щелочей с образованием фенолятов.

2C₆H₅OH + 2Na  2C₆H₅ONa + H₂О

фенолят натрия

2C₆H₅OH + NaОН  2C₆H₅ONa + H₂О

Гидроксильная группа О-Н влияет в свою очередь на свойства связанных с ней радикалов. Например, фенол в отличие от бензола легко вступает в реакции замещения водорода в ароматическом ядре в орто- и пара- положениях в гидроксильной группе:

Полимеры.

Полимеры - это высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа однородных или разнородных мономерных молекул, которые соединяются между собой ковалентными химическими связями.

Несмотря на разнообразие полимеров, для них характерен ряд общих свойств:

1) полимеры в большинстве своем имеют большую молекулярный массу, достигающую порядка 10⁴-10⁵ у. е. Поэтому их молекулы часто называют микромолекулами.

2) Большинство полимеров нелетучи или мало летучи.

3) Полимеры в основном нерастворимы или мало растворимы.

4) Полимеры получаются при помощи реакции полимеризации и поликонденсации.

При реакции полимеризации происходит процесс перестройки связей внутри молекул мономеров без выделения побочных продуктов, без изменения элементарного состава реагирующих веществ, т. е. полимеры, имеют состав, идентичный составу исходного мономера

где n - степень полимеризации, показывает число связанных между собой молекул мономера.

Полимеризация протекает под действием инициаторов, катализаторов, света, тепла и др. факторов.

При получении полимеров методом поликонденсации реакция протекает с выделением побочных низкомолекулярных веществ: воды, хлористого водорода, аммиака и др. Химический состав полимеров отличается от состава исходных мономеров. Только на концах цепей сохраняются функциональные группы из исходных мономеров.

Например, образование поликонденсационной новолачной смолы протекает в присутствии соляной кислоты по следующей схеме:

1) Взаимодействие фенола с формальдегидом в процессе реакции образуется фенолоспирт.

2) Реакция фенолоспирта с фенолом, фенолоспирт содержит метиловую группу CH₂ - ОН, которая, реагируя со следующей молекулой фенола, выделяет воду.

Далее продукт конденсации взаимодействует с формальдегидом (согласно пункту 1), образуя фенолоспирт, но уже более сложного строения. Затем идет реакция с фенолом (согласно пункту 2) и т.д. В результате образуется полимер следующего строения:

В полученном таким образом полимере макромолекулы имеют линейное строение.

Линейные полимеры являются термопластичными, т.е. при повышении температуры становятся пластичными. При охлаждении полимер переходит в твердое состояние. Такая термообработка может проводится несколько раз.

Если процесс поликонденсации фенола с формальдегидом проводят в присутствии аммиака и формальдегид взят в избытке, то получится термореактивная - резольная смола.

Образовавшиеся вдоль цепей макромолекулы спиртовые группы (в параположении фенола) способны к химическому взаимодействию.

К резольным смолам относятся некоторые линейные и разветвленные полимеры, молекулы которых при нагревании переходят в неплавкое, нерастворимое состояние. При нагревании термореактивный полимер приобретает трехмерное строение, т.е. образуются пространственные сетчатые структуры за счет прочных химических связей. Трехмерные, т.е. сшитые полимеры, не могут переходить в вязко-текучее состояние.

Экспериментальная часть.

ОПЫТ 1. Химические свойства углеводородов.

а) Получение этилена и его свойства.

В пробирку налить 1 - 1,5 мл этилового спирта и 5 мл концентриро­ванной серной кислоты (d=l,84).

Укрепить пробирку в зажиме штатива, закрыть ее пробкой с газоотводной трубкой, конец которой помещают в пробирку с разбавленной бромной водой, и нагреть пробирку через асбестовую сетку горелкой. Через некоторое время наблюдается обесцвечивание бромной воды.

Напишите уравнение реакции.

б) Реакция на двойную связь. Обесцвечивание бромной воды стиролом (C₆H₅ - СН = CH₂).

В цилиндр налить бромную воду и стирол. Перемешать смесь стеклянной палочкой. Наблюдается обесцвечивание бромной воды. Написать yравнение реакции.

в) Ацетилен и его свойства.

Приготовить пробирку с бромной водой (4-5 мл). В коническую колбу или микроколбочку положить 1-2 кусочка карбида кальция и добавить 3-мл воды, быстро закрыть пробкой с изогнутой газоотводной трубкой. Конец газоотводной трубки опустить в пробирку с бромной водой, через которую пропустить ацетилен до обесцвечивания раствора.

Написать уравнение реакций:

1. Получение ацетилена взаимодействием карбида кальция с водой.

2. Присоединение брома к ацетилену, считая, что в данном случае получается C₂Н₂Br₂. Возможна ли такая реакция для этана?

ОПЫТ 2. Химические свойства производных углеводородов.

а) Получение альдегидов путем окисления спиртов. Налить в пробирку 1-3 мл раствора K₂Сr₂O₇. 2 мл разбавленной серной кислоты и прибавить примерно 1 мл этилового спирта. Осторожно нагреть пробирку. Заметить слабый запах уксусного альдегида и изменение окраски раствора. Дихромат калия выполняет роль окислителя.

Реакция может быть представлена так:

Прибавить 1 мл фуксинсерной кислоты. Появляется характерное окрашивание фиолетового цвета (цветная реакция на альдегид).

б) Восстановительные свойства альдегидов. Получение серебряного зеркала.

В химический стакан налить воду (до половины его объема) и нагреть .до кипячения. Пробирку прокипятить со щелочью, промыть и влить 1 2мл 2% раствора нитрата серебра. Добавить по каплям 1Н раствор аммиака до тех пор, пока выпавший сначала осадок Ag₂O полностью не растворится. При этом образуется комплексный ион.

В раствор комплексной соли серебра прилить при помощи пипетки (осторожно по стенке) 2-3 капли раствора формальдегида (формалина) и поместить пробирку в стакан с кипящей водой. Через некоторое время стенки пробирки покроются блестящим налетом металлического серебра. Реакция идет по схеме:

в) Получение уксусноэтилового эфира.

Налить в пробирку 1-2 мл этилового спирта и затем осторожно такой же объем концентрированной серной кислоты. Прибавить немного сухого ацетата натрия, слегка нагрейте пробирку и понюхайте образовавшееся вещество, обладающее запахом прелых яблок.

Написать уравнение реакции. Объяснить роль серной кислоты.

ОПЫТ 3. Полимеры. Синтез фенолоформальдегидных смол.

а) Получение новолачной смолы. В пробирку поместить 2,5 г кристаллического фенола и 5 мл раствора формальдегида (40г формальдегида в 100г. раствора). Нагрейте смесь на водяной бане до растворения фенола.

Через 3 мин. внесите в пробирку 7-8 капель концентрированной соляной кислоты (р = 1,19 г/см³) и продолжайте нагревание до расслоения смеси. Пробирку поместите в стакан с холодной водой. После образования четкой границы между верхним слоем Н₂О и нижним слоем смолы слейте воду и.быстро вылейте смолу на стекло.

Наблюдайте образование твердого продукта.

Испытайте образовавшуюся наволочную смолу на растворимость: а) в воде; 6) в ацетоне.

При оформлении результатов опыта ответьте на вопросы:

Какой процесс лежит в основе получения фенолформальдегидных смол - полимеризации или поликонденсации?

В чем разница между этими процессами?

ОПЫТ 4. Синтез мочевино формальдегидных (карбомидных) смол.

Насыпать в пробирку 2 г мочевины и прилить туда же 3 мл 40% раствора формалина. Смесь слабо нагреть на пламени горелки. Через 1-й мин наблюдается помутнение жидкости, а затем образование белого порошка. Рассмотреть механизм реакции.

Контрольные вопросы.

1. Изложите основные положения теории химического строения, созданной А.Н.Бутлеровым.

2. Напишите и назовите функциональные группы, характерные для различных классов органических соединений.

3. Какие вещества называются изомерами? Напишите структурные формулы углеводородов, в молекулах которых содержится: а) 5 атомов С и 12 атомов Н; б) 4 атома С и 8 атомов Н.

4. Составьте формулы уксусного и пропионового альдегида, бутилового спирта, бутилата натрия.

5. Почему при пропускании метана – СН₄ через бромную воду не происходит ее обесцвечивание? Какой газ (органической природы) нужно пропустить, чтобы обесцвечивание произошло?

6. Назовите основные методы получения полимеров.

7. Приведите примеры реакции полимеризации.

8. В каком случае процесс называется сополимеризацией?

9. Что такое термопластичные и термореактивные смолы?

10. Что такое линейные и пространственные полимеры. Приведите примеры тех и других.