Химия Для студентов I курса специальностей: экология, товароведение и экспертиза товаров, технология, конструирование изделий и материалы легкой промышленности ИИИБС, кафедра ЭПП к.х.н., доцент А. Н. Саверченко
Студент должен: Знать: основы теории строения органических соединений Уметь: описывать свойства органических соединений на основе теории их строения, взаимного влияния атомов
ВЕЩЕСТВА МИНЕРАЛЬНЫЕРАСТИТЕЛЬНЫЕЖИВОТНЫЕ
Й. БЕРЦЕЛИУС: ВЕЩЕСТВА, ПОЛУЧАЕМЫЕ ИЗ ОРГАНИЗМОВ (РАСТИТЕЛЬНОГО И ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ) - ОРГАНИЧЕСКИЕ, НАУКА, ИХ ИЗУЧАЮЩАЯ - ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. ОШИБКА БЕРЦЕЛИУСА: ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА НЕЛЬЗЯ ПОЛУЧАТЬ В ЛАБОРАТОРИИ, КАК НЕОРГАНИЧЕСКИЕ. ОНИ СОЗДАЮТСЯ ОРГАНИЗМАМИ ПОД ВЛИЯНИЕМ «ЖИЗНЕНОЙ СИЛЫ» ВИТАЛИСТИЧЕСКОЕ УЧЕНИЕ О «ЖИЗНЕННОЙ СИЛЕ» ОШИБОЧНО (от лат. VITA – ЖИЗНЬ)
В 1824 г. НЕМЕЦКИЙ ХИМИК Ф. ВЕЛЕР (УЧЕНИК БЕРЦЕЛИУСА) СИНТЕЗИРОВАЛ ИЗ НЕОГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ЩАВЕЛЕВУЮ КИСЛОТУ г.- МОЧЕВИНУ (Ф. ВЕЛЕР) 1845 г.- УКСУСНУЮ КИСЛОТУ (А. КОЛЬБЕ) 1854 г.- ЖИРЫ (М. БЕРТЛО) 1861 г.- САХАРИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА (А. БУТЛЕРОВ)
Вещества органические и не органические. Состав и некоторые свойства органических веществ.
ВЕЩЕСТВА ОРГАНИЧЕСКИЕНЕОРГАНИЧЕСКИЕ НАРЯДУ С ДРУГИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ВСЕГДА СОДЕРЖИТ УГЛЕРОД* Разнообразного состава, нет такого хим. Элемента, который присутствовал бы во Всех веществах * И ее соли содержат углерод, но не относятся к органическим веществам.
Большинство органических веществ горючи, легко разлагаются (t= С), легко взаимопревращаются. Углерод в органических веществах обнаруживают по образованию оксида углерода (IV) -, по выделению копоти при горении, по обугливанию.
Органическая химия – это химия соединений углерода; химия углеводородов и их производных.
ДОСТРУКТИВНЫЕ ТЕОРИИ Теория радикалов (30 гг. XIXв. Й. Берцелиус, Ю. Либих, Ж. Дюма) А) в состав органических веществ входят радикалы; Б) радикалы всегда постоянны, не подвергаются изменениям, переходят из одной молекулы в другую; В) радикалы могут существовать в свободном виде. Понятие «радикал» прочно вошло в химию. Теория впоследствии отвергнута.
Теория типов (30 гг. XIXв. Ш. Жерар, А. Кекуле и др.) А) все органические вещества – производные простейших неорганических – типа водорода, воды, аммиака и др. тип водорода тип воды Б) формулы выражают не внутреннее строение молекулы, а способы образования, свойства определяют все атомы молекулы. Метан Этан Спирт Простой эфир
Б) формулы выражают не внутреннее строение молекулы, а способы образования, свойства определяют все атомы молекулы. В) невозможно познать строение вещества, у каждого вещества столько формул, сколько его превращений существует. Теория позволила классифицировать органические вещества, предсказать и открыть некоторые, особое внимание – химическим превращениям, но не могла прогнозировать, указывать пути синтеза новых веществ.
Связь понятий теории химического строения Качественный и количественный состав Свойства Химическое строение Взаимное влияние атомов Структурная изомерия
Предпосылки возникновения теории химического строения органических веществ «Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она представляется мне дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть» (Из письма Ф.Велера к Й.Берцелиусу 1835 г.)
Основные «противоречия» органической химии: 1. Многообразие веществ – образовано небольшим числом элементов; 2. Кажущееся несоответствие валентности в органических веществах - ; 3. Различные физические и химические свойства соединений, имеющих одинаковую молекулярную формулу. - глюкоза, фруктоза; - бутиловый спирт, диэтиловый эфир.
Предпосылки возникновения теории: 1. Развитие и утверждение атомистических представлений (съезд в Карлсруэ, 1860); 2. Установление понятия валентности (Э. Франкланд, 1853); 3. Понятие четырех валентности углерода (А.Кекуле, 1858); 4. Идеи о соединении атомов углерода в цепи (А.Кекуле, А.Купер, 1857). Целостной теории, подтвержденной экспериментом, не существовало.
Теория химического строения органических соединений. Основные положения (А.М. Бутлеров 1861 – 1864 гг.)
1. Атомы и молекулы реально существуют. Атомы в молекулах располагаются не беспорядочно, они соединены друг с другом в определенной последовательности.
2. Атомы в молекулах соединяются в соответствии с их валентностью. Углерод в органических соединениях четырех валентен; его атомы обладают свойством соединяться друг с другом в цепи.
А) Б) Структурная формула показывает порядок соединения атомов в молекуле, их взаимосвязь друг с другом. (а – развернутая; б – сокращенная)
3. Свойства веществ зависят не только от того, атомы каких элементов и в каком количестве входят в состав молекул, но и от последовательности соединения атомов в молекулах, от взаимного влияния их друг на друга.
4. Различное строение при одном и том же составе и относительной молекулярной массе вещества обуславливает явление изомерии. Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав молекул (одну и ту же молекулярную формулу), но различное химическое строение и обладающие по этому различными свойствами.
СоставMr СтроениеТ кип С С 5 Н 12 72СН 3 -СН 3 -СН 3 -СН 3 -СН 3 +36,07 С 5 Н ,5
5. Химическое строение молекул познаваемо. Оно может быть установлено путем синтеза из веществ известного состава и продуктов его превращений.
Дальнейшее развитие теории: Изучение пространственного расположения атомов – стерео химия; Изучение органических веществ с применением электронного учения строения атома. «Вряд ли можно называть другую отрасль науки, в которой единственная теория занимала бы такое доминирующее и определяющее курс положение, как теория строения А.М.Бутлерова в органической химии. Более ста дет она служит стержнем развития и расцвета этой науки» (акад. А.Н.Несмеянов)
Алгоритм поиска возможных изомеров алканов (изомерия углеродного скелета).
Алгоритм поиска Пример 1. Расположить все шесть атомов углерода линейно друг за другом и пронумеровать их; 2. Укоротить углеродную цепь на один атом и присоединить «оторванный» атом ко второму атому углерода; 3. Передвинуть «оторванный» атом к третьему; Изомер 2 Изомер 1 Изомер 3
4. ПЕРЕДВИНУТЬ «ОТОРВАННЫЙ» АТОМ К ЧЕТВЕРТОМУ МОЖНО, НО НУЖНО ЛИ? (СРАВНИТЬ С ПУНКТОМ 2); 5. «ОТОРВАТЬ» ЕЩЕ ОДИН АТОМ УГЛЕРОДА И ПРИСОЕДЕНИТЬ ОБА КО ВТОРОМУ; Изомер 2 При нумерации цепи справа налево Изомер 4
6. ОБА «ОТОРВАННЫХ» АТОМА ПРИСОЕДЕНИТЬ К ТРЕТЬЕМУ АТОМУ УГЛЕРОДА В ЦЕПИ (СРАВНИТЬ С ПУНКТОМ 5); 7. «ОТОРВАННЫЕ» АТОМЫ ПРИСОЕДЕНИТЬ КО ВТОРОМУ И ТРЕТЬЕМУ АТОМАМ УГЛЕРОДА. Изомер 5 Изомер 4
Классификация химических реакций, типичных для органических соединений
По типу химического превращения реакции замещения сопровождаются образованием новых ковалентных связей при замещении одного атома (или группы атомом) на другие атомы или группы.
реакции присоединения (синтеза) сопровождаются образованием новых б (сигма) - связей за счет разрыва (пи) - связей.
реакции разложения сопровождаются образованием новых более простых по составу молекул.
По способу разрыва связи реакции с образованием радикалов сопровождаются симметричным разрывом связи (гомолитический разрыв). Общая электронная пара делится между атомами, образуя радикалы. метан Радикал метил Радикал водород
реакции с образованием ионов сопровождаются несимметричным разрывом связи (гетеролитический разрыв). Общая электронная пара остается у одного атома, образуя ионы. МЕТИЛХЛОРИД МЕТИЛ- КАТИОН ХЛОРИД- АНИОН
УГЛЕВОДОРОДЫ АЦИКЛИЧЕСКИЕ (алифатические) ЦИКЛИЧЕСКИЕ Молекулы содержат незамкнутые (открытые) цепи атомов углерода. Цепи могут быть прямыми и разветвленными. Цепи из атомов углерода замкнуты в кольца (циклы). ПРЕДЕЛЬНЫЕ (АЛКАНЫ) НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ (АРЕНЫ) АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ МНОГОЯДЕРНЫЕ (НАФТАЛИН) ОДНОЯДЕРНЫЕ ЦИКЛОПАРАФИНЫ (ЦИКЛОАЛКАНЫ) ЦИКЛООЛЕФИНЫ (ЦИКЛОАЛКЕНЫ) ЭТИЛЕНОВЫЕ (АЛКЕНЫ, ОЛЕФИНЫ) ДИЕНОВЫЕ (АЛКАДИЕНЫ) АЦЕТИЛЕНОВЫЕ (АЛКИНЫ)
МЕТАН. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ. МЕТАН БОЛОТНЫЙ ГАЗ Легче воздуха Взрывоопасен!!!
Два «противоречия» в строении метана: 1. Валентность углерода равна четырем – в наличии только 2 валентных электрона Выход – возбужденное состояние углерода n=2 SP P S
2. В молекуле все четыре связи одинаковые – по теории – одна ss связь и три sp связи. Выход – Гибридизация – изменение формы и энергии различных орбиталей одного атома, приводящее к образованию одинаковых (гибридных) орбиталей.
Четыре орбитали max удаления заряженных электронных облаков составляет 0,154 нм
тетраэдр (плотность электронного облака max вдоль оси, соединяющей ядра атомов)
(Предельные или насыщенные углеводороды, парафины, жирные или алифатические соединения) Соединения углерода с водородом, в молекулах которых атомы углерода соединены между собой одинарной ( - сигма) связью, а все остальные валентности насыщены атомами водорода.
Соединения, сходные по строению и химическим свойствам и отличающиеся друг от друга на одну или несколько групп, называют гомологами. ГРУППА - ГОМОЛОГИЧЕСКАЯ РАЗНОСТЬ.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА - ГАЗЫ, - ЖИДКОСТИ, - ТВЕРДЫЕ ВЕЩЕСТВА, В ВОДЕ НЕРАСТВОРИМЫ, МОГУТ РАСТВОРЯТСЯ В ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЯХ. НЕРАЗВЕТВЛЕННЫХ ВЫШЕ, РАЗВЕТВЛЕННЫХ НИЖЕ. ТЕМ ВЫШЕ, ЧЕМ МАССА МОЛЕКУЛЫ. Зигзагообразная цепь может принимать различные пространственные формы. Атомы в молекуле свободно вращаются вокруг химических связей. гибридизация
Понятие Качественны й состав Количест венный состав Химич еское строен ие Химичес кие свойства Изомеры Одинаковый Различ ное Различны е Гомологи Одинаковый Различн ый Сход ное Сходные
Алканы (неразветвленного строения) и алкины Молекулярная формула Название Радикал Название радикала - ан- ан - ил МЕТАНМЕТИЛ ЭТАНЭТИЛ ПРОПАНПРОПИЛ БУТАНБУТИЛ ПЕНТАНПЕНТИЛ ГЕКСАНГЕКСИЛ
Номенклатура Химическая номенклатура – это система формул и названий химических веществ. Она включает правила составления формул и названий.
Рациональная номенклатура Углеводороды рассматриваются как производные метана, у которого один или несколько атомов водорода замещены на радикалы. Метантриметилметан Триметил- этил метан
54 Рекомендуемая литература Коровин Николай Васильевич. Общая химия: Учебник. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., с.: ил. Павлов Н.Н. Общая и неорганическая химия: Учеб. для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, – 448 с.: ил. Ахметов Наиль Сибгатович. Общая и неорганическая химия: Учебник для студ. химико-технологических спец. вузов / Н.С.Ахметов. - 4-е изд., исп. - М.:Высш. шк.: Академия, с.: ил. Глинка Николай Леонидович. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Н.Л.Глинка; Ермаков Л.И (ред.) – 29–е изд.; исп. – М.: Интеграл Пресс, 2002 – 727 с.: ил. Глинка Николай Леонидович. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Н.Л.Глинка; Ермаков Л.И (ред.) – 29–е изд.; исп. – М.: Интеграл Пресс, 2002 – 727 с.: ил. Писаренко А.П., Хавин З.Я. Курс органической химии – М.: Высшая школа,1975,1985. Альбицкая В.М., Серкова В.И. Задачи и упражнения по органической химии. – М.: Высш. шк., органической химии. – М.: Высш. шк., Грандберг И.И. Органическая химия – М.: Дрофа, Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия М.: Высш. Шк., 1981 Иванов В.Г., Гева О.Н., Гаверова Ю.Г. Практикум по органической химии – М.: Академия., органической химии – М.: Академия., 2000.