Ученым установившим что углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен является
Ученым установившим что углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен является
В ходе изучения данной темы продолжаем краткий экскурс в историю развития науки, показывая развитие представлений о строении органических соединений. Важно, чтобы учащиеся четко осознали, что вплоть до конца XIX века, когда формировалась теория химического строения, не то что никаких понятий о строении атома и электронной природе химической связи еще не существовало, но и существование атомов и молекул было далеко не очевидно. Кроме того, в ходе урока вводятся понятия гомологические ряды и гомологическая разность, структурная формула, изомеры, изомерия, виды изомерии (структурной).
Возможность описать строение органических молекул появилась после того, как английский химик Э. Франкланд 
в 1852 г ввел понятие «валентность».
Для развития теории строения органических веществ очень плодотворным было предположение немецкого ученого Ф.Кекуле, что атомы углерода в органических соединениях всегда образуют четыре связи, т.е. четырехвалентны. Четырехвалентные атомы углерода могут соединяться друг с другом и образовывать цепочки.
Однако многие химики того времени считали, что с помощью химических формул нельзя отразить строение соединения, и тем более невозможно на основании формулы предсказать свойства вещества.
Для того чтобы разобраться в многообразии органических веществ, был необходим критический взгляд на господствовавшие в химии представления. Молодой российский ученый А.М.Бутлеров выступил на конгрессе с основными положения теории строения органических соединений. Сущность теории Бутлерова состоит в следующем: свойства молекулы определяются свойствами атомов, составляющих ее, их числом и расположением в молекуле.
Бутлеров ввел понятие «химическое строение молекулы», под которым он понимал порядок соединения атомов в молекуле.
| Отметим, что в настоящее время обычно просто говорят «строение молекулы», не добавляя «химическое». Дело в том, что во времена Бутлерова порядок расположения атомов в молекуле можно было определить лишь химическим путем, изучая химические свойства вещества. Но позднее оказалось, что определить положение атомов в молекуле можно не только химическими, но и физическими методами. Поэтому сейчас используют термин «строение молекулы». |
Формулы, отражающие последовательность атомов в молекуле, называют структурными. Каждую ковалентную связь в них изображают черточкой.
На примере формул все тех же веществ можно показать, что coкращенные структурные формулы, в которых не указаны черточки-связи между атомами С и Н, несут ту же информацию о веществе, но при этом намного удобнее.
Строение вещества устанавливают, изучая его химические свойства с помощью так называемых качественных реакций
Попросите учащихся привести известные им из неорганической химии примеры качественных реакций. Существуют качественные реакции на разные классы органических соединений.
В настоящее время строение молекул изучают и с помощью различных физических методов.
| Например, вещества разного строения ведут себя по-разному, если их поместить в магнитное поле или воздействовать на них различными излучениями. На этом основано изучение строения веществ методами ядерного магнитного резонанса, инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопии. А с помощью рентгеноструктурного анализа можно получить прямую информацию о том, как расположены друг относительно друга атомы в кристалле. |
Имеет смысл после обсуждения суммировать основные положения теории строения органических соединений:
| 1. Атомы в молекуле расположены в определенном порядке друг относительно друга в соответствии с их валентностью. Последовательность расположения атомов в молекуле называют строением молекулы. |
2. Свойства веществ зависят не только от их состава (вида и числа атомов, входящих в молекулу), но и от строения молекул. Атомы в молекуле оказывают друг на друга взаимное влияние, от которого зависят физические и химические свойства веществ.
3. Строение вещества можно установить экспериментально, изучая его химические и физические свойства, и выразить химической формулой.
Число изомеров с увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода быстро возрастает. Например, для соединения состава С5H12 возможно существование трех изомеров, С6H14 — пяти, С10H22 — 75, а число возможных веществ состава С20Н42 огромно и составляет 366319.
В ходе семинарского занятия на ту же тему школьники составляют структурные формулы веществ, определяют число изомеров данного состава, продолжают решать задачи на определение состава веществ.
Очень важно, чтобы учащиеся уверенно отвечали на вопросы типа: сколько веществ изображено следующими формулами (можно записать в различном виде структурную формулу одного и того же вещества, например, хлорэтана, у которого атом хлора расположен слева или справа, сверху или сбоку). Если учащиеся затрудняются отвечать на подобные вопросы, следует как можно больше использовать компьютерные или пластмассовые трехмерные модели веществ.
Примеры заданий для семинара:
1. Напишите структурные формулы соединений: С2H5Cl, CH4O, CH5N, СН4S.
2. Напишите все возможные структурные формулы для изомеров состава С5Н12 и С6Н14.
3. Сколько может существовать изомеров состава C4H9Br и С3Н6Сl2? Напишите их структурные формулы.
4. Известно семь соединений состава С4Н10О. Напишите их структурные формулы.
Когда учащиеся достаточно уверенно будут составлять структурные формулы, можно попросить их обсудить, например, подобные вопросы:
Может ли существовать устойчивое соединение с молекулярной формулой С3H5?
Возможно ли существование углеводородов с нечетным числом атомов водорода в молекуле?
Можно попробовать вывести общую формулу насыщенных углеводородов (обычно, если класс сильный, формулу CnH2n+2 выводят довольно легко).
И, конечно, необходимо продолжать решать задачи на определение состава органических веществ, дополнив их заданием: по найденной молекулярной формуле написать возможные структурные формулы.
В ходе занятия, работая с формулами и моделями, очень важно кратко комментировать, что за вещества описывают данные формулы, зачем они применяются.
Это необходимо для того, чтобы учащиеся понимали, что за химической формулой всегда стоит конкретное вещество, чтобы химия из науки о веществе не превращалась в науку манипулирования формулами.
Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору
§ 2. Теория строения органических соединений
Подобно тому как в неорганической химии основополагающей теоретической базой являются Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, так в органической химии ведущей научной основой служит теория строения органических соединений Бутлерова—Кекуле—Купера.
Как и любая другая научная теория, теория строения органических соединений явилась результатом обобщения богатейшего фактологического материала, который накопила органическая химия, оформившаяся как наука в начале XIX в. Открывались все новые и новые соединения углерода, количество которых лавинообразно возрастало (табл. 1).
Объяснить это многообразие органических соединений ученые начала XIX в. не могли. Еще больше вопросов вызывало явление изомерии.
Например, этиловый спирт и диметиловый эфир — изомеры: эти вещества имеют одинаковый состав С2Н6O, но разное строение, т. е. различный порядок соединения атомов в молекулах, а потому и разные свойства.
Уже известный вам Ф. Вёлер в одном из писем к Й. Я. Берцелиусу так описывал органическую химию: «Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она кажется мне дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть. »
Большое влияние на развитие химии оказали работы английского ученого Э. Франкланда, который, опираясь на идеи атомистики, ввел понятие валентность (1853).
В молекуле водорода Н2 образуется одна ковалентная химическая связь Н—Н, т. е. водород одновалентен. Валентность химического элемента можно выразить числом атомов водорода, которые присоединяет к себе или замещает один атом химического элемента. Например, сера в сероводороде и кислород в воде двухвалентны:
а азот в аммиаке трехвалентен:
В органической химии понятие «валентность» является аналогом понятия «степень окисления», с которым вы привыкли работать в курсе неорганической химии в основной школе. Однако это не одно и то же. Например, в молекуле азота N2 степень окисления азота равна нулю, а валентность — трем:
Обычно по отношению к ионным соединениям (хлорид натрия NaCl и многие другие неорганические вещества с ионной связью) не используют термин «валентность» атомов, а рассматривают их степень окисления. Поэтому в неорганической химии, где большинство веществ имеют немолекулярное строение, предпочтительнее применять понятие «степень окисления», а в органической химии, где большинство соединений имеют молекулярное строение, как правило, используют понятие «валентность».
Теория химического строения — результат обобщения идей выдающихся ученых-органиков из трех европейских стран: немца Ф. Кекуле, англичанина А. Купера и русского А. Бутлерова.
В 1857 г. Ф. Кекуле отнес углерод к четырехвалентным элементам, а в 1858 г. он одновременно с А. Купером отметил, что атомы углерода способны соединяться друг с другом в различные цепи: линейные, разветвленные и замкнутые (циклические).
Работы Ф. Кекуле и А. Купера послужили основой для разработки научной теории, объясняющей явление изомерии, взаимосвязь состава, строения и свойств молекул органических соединений. Такую теорию создал русский ученый А. М. Бутлеров. Именно его пытливый ум «осмелился проникнуть» в «дремучий лес» органической химии и начать преобразование этой «безграничной чащи» в залитый солнечным светом регулярный парк с системой дорожек и аллей. Основные идеи этой теории впервые были высказаны А. М. Бутлеровым в 1861 г. на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в г. Шпейере.
Кратко сформулировать основные положения и следствия теории строения органических соединений Бутлерова—Кекуле—Купера можно следующим образом.
1. Атомы в молекулах веществ соединены в определенной последовательности согласно их валентности. Углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен, а его атомы способны соединяться друг с другом, образуя различные цепи (линейные, разветвленные и циклические).
Органические соединения можно расположить в ряды сходных по составу, строению и свойствам веществ — гомологические ряды.
Нетрудно заметить, что для гомологических рядов можно вывести общую формулу ряда. Так, для алканов эта общая формула СnН2n + 2.
2. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения их молекул.
Это положение теории строения органических соединений объясняет явление изомерии. Очевидно, что для бутана С4Н10, помимо молекулы линейного строения СН3—СН2—СН2—СН3, возможно также и разветвленное строение:
Это уже совершенно новое вещество со своими индивидуальными свойствами, отличными от свойств бутана линейного строения.
Бутан, в молекуле которого атомы расположены в виде линейной цепочки, называют нормальным бутаном (н-бутаном), а бутан, цепь атомов углерода которого разветвлена, называют изобутаном.
Существует два основных типа изомерии — структурная и пространственная.
В соответствии с принятой классификацией различают три вида структурной изомерии.
Изомерия углеродного скелета. Соединения отличаются порядком расположения углерод-углеродных связей, например рассмотренные н-бутан и изобутан. Именно этот вид изомерии характерен для алканов.
Изомерия положения кратной связи (С=С, С=С) или функциональной группы (т. е. группы атомов, определяющих принадлежность соединения к тому или иному классу органических соединений), например:
Межклассовая изомерия. Изомеры этого вида изомерии относятся к разным классам органических соединений, например рассмотренные выше этиловый спирт (класс предельных одноатомных спиртов) и диметиловый эфир (класс простых эфиров).
Различают два вида пространственной изомерии: геометрическую и оптическую.
Геометрическая изомерия характерна, прежде всего, для соединений с двойной углерод-углеродной связью, так как по месту такой связи молекула имеет плоскостное строение (рис. 6). Например, для бутена-2, если одинаковые группы атомов у атомов углерода при двойной связи находятся по одну сторону от плоскости С=С-связи, то молекула является цисизомером, если по разные стороны — трансизомером.
Оптической изомерией обладают, например, вещества, молекулы которых имеют асимметрический, или хиральный, атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями. Оптические изомеры являются зеркальным изображением друг друга, подобно двум ладоням, и не совместимы. (Теперь вам, очевидно, стало понятным второе название этого вида изомерии: греч. хирос — рука — образец несимметричной фигуры.) Например, в виде двух оптических изомеров существует 2-оксипропановая (молочная) кислота, содержащая один асимметрический атом углерода.
У хиральных молекул возникают изомерные пары, в которых молекулы изомеров относятся по своей пространственной организации одна к другой так же, как соотносятся между собой предмет и его зеркальное отображение. Пара таких изомеров всегда обладает одинаковыми химическими и физическими свойствами, за исключением оптической активности: если один изомер вращает плоскость поляризованного света по часовой стрелке, то другой — обязательно против. Первый изомер называют правовращающим, а второй — левовращающим.
Значение оптической изомерии в организации жизни на нашей планете очень велико, так как оптические изомеры могут существенно отличаться как по своей биологической активности, так и по совместимости с другими природными соединениями.
3. Атомы в молекулах веществ влияют друг на друга. Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений вы рассмотрите при дальнейшем изучении курса.
Современная теория строения органических соединений основывается не только на химическом, но и на электронном и на пространственном строении веществ, которое подробно рассматривается на профильном уровне изучения химии.
В органической химии широко используют несколько видов химических формул.
Молекулярная формула отражает качественный состав соединения, т. е. показывает число атомов каждого из химических элементов, образующих молекулу вещества. Например, молекулярная формула пропана: С3Н8.
Структурная формула отражает порядок соединения атомов в молекуле согласно валентности. Структурная формула пропана такова:
Часто нет необходимости детально изображать химические связи между атомами углерода и водорода, поэтому в большинстве случаев используют сокращенные структурные формулы. Для пропана такую формулу записывают так: СН3—СН2—СН3.
Строение молекул органических соединений отражают с помощью различных моделей. Наиболее известны объемные (масштабные) и шаростержневые модели (рис. 7).
1. Что такое валентность? Чем она отличается от степени окисления? Приведите примеры веществ, в которых значения степени окисления и валентности атомов численно одинаковы и различны.
2. Определите валентность и степень окисления атомов в веществах, формулы которых Сl2, СO2, С2Н6, С2Н4.
3. Что такое изомерия; изомеры?
4. Что такое гомология; гомологи?
5. Как, используя знания об изомерии и гомологии, объяснить многообразие соединений углерода?
6. Что понимают под химическим строением молекул органических соединений? Сформулируйте положение теории строения, которое объясняет различие в свойствах изомеров. Сформулируйте положения теории строения, которые объясняют многообразие органических соединений.
7. Какой вклад внес каждый из ученых — основоположников теории химического строения — в эту теорию? Почему ведущую роль в становление этой теории сыграл вклад русского химика?
8. Возможно существование трех изомеров состава С5Н12. Запишите их полные и сокращенные структурные формулы.
9. По представленной в конце параграфа модели молекулы вещества (см. рис. 7) составьте его молекулярную и сокращенную структурную формулы.
Предпосылки появления теории химического строения органических соединений
Вопрос 1.
Предпосылкой появления теории химического строения органических соединений явилось то, что ученым становилось известно все больше и больше органических веществ, которые необходимо было каким-либо образом классифицировать, а стройной теории, позволяющей это сделать, на тот момент не существовало. Без следующих открытий создание теории было бы также невозможно:
1853г — английский ученый Франклинд ввел понятие валентность.
1858г — немецкий ученый Кекуле предположил, что углерод в органических соединениях четырехвалентен и его атомы могут образовывать цепи, соединяясь друг с другом.
1860г — закреплены понятия «атом» и «молекула».
Вопрос 2.
Предпосылками к созданию теории Бутлерова и теории Менделеева был ряд открытий, тем более они были примерно в одно и тоже время:
1. Введение понятия «валентность».
2. Закреплены понятия «атом» и «молекула».
Основное положение теории Менделеева:
«Свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомных весов».
Основные положения теории Бутлерова:
1. Атомы в молекулах располагаются в определенной последовательности в соответствии с их валентностью, причем они целиком должны быть затрачены на соединение друг с другом.
2. Свойства органических веществ зависят не только от того, какие атомы и в каком количестве входят в состав молекулы, но и от того, в каком порядке они соединены друг с другом.
3. Атомы, или группы атомов, образовавшие молекулу, взаимно влияют друг на друга, от чего зависят активность и реакционная способность молекулы.
Обе эти теории никогда не прекратят свое существование, а будут только развиваться, обе они позволили систематизировать известные вещества или элементы, понять их свойства и предсказывать свойства еще неизвестных веществ.
Вопрос 3.
Во всех органических соединениях атом углерода находится в возбужденном состоянии и имеет следующее электронное строение:
В возбуждённом состоянии атом углерода содержит 4 неспаренных электрона, и в соединениях будет образовывать 4 связи, т.е. являться четырехвалентным.
Вопрос 4.
Атом углерода является основным элементом органического мира, т.к. именно он дает все многообразие органических веществ (за счет различных комбинаций, возможности образования цепей и гибридизации).
Вопрос 5.
Примером взаимного влияния атомов в органических веществах могут служить бензол и фенол:
Примером взаимного влияния атомов в неорганических веществах могут служить серная и сернистая кислоты:
Вопрос 6.
После открытия периодичности Менделеев предсказал свойства ещё не открытых элементов. Позже эти элементы были открыты, что блестяще подтвердило правильность теории Менделеева. До 1828г. в органической химии считалось, что органические вещества образуются только в живых организмах, но затем Вёлер синтезировал щавелевую кислоту и мочевину из неорганических веществ, что полностью разрушило виталистическую теорию и создало дополнительные предпосылки для созданий теории строения органических веществ.
Вопрос 7.
Теория строения органических веществ обеспечила возможность понимания свойств известных веществ и прогнозирования свойств еще неизвестных соединений, также их возможный синтез и применение в промышленности или в быту.