Органическая химия 10 класс кратко

Обновлено: 05.07.2024

Вскоре витализм был опровергнут работами химиков, которые смогли в лабораторных условиях синтезировать природные соединения. Данные о первых синтезах приведены в таблице.

Успехи учёных в области синтеза веществ открыли новые возможности для развития науки. Химики получили много органических веществ, которых в природе никогда не было: красители, химические волокна, пластмассы, синтетические каучуки.

Современным химикам известны десятки миллионов органических веществ. Такое многообразие связано с некоторыми особенностями их строения.

В состав каждого из органических веществ обязательно входят атомы углерода. Примеры: ацетилен C 2 H 2 , уксусная кислота CH 3 COOH , глицерин C 3 H 8 O 3 , глюкоза C 6 H 12 O 6 . Из углеродсодержащих соединений не относят к органическим только угарный и углекислый газы, угольную кислоту, её соли и карбиды.

В молекулах органических веществ присутствуют также атомы водорода. В них могут содержаться и другие элементы: кислород, азот, фосфор, сера и др. Это, как правило, элементы-неметаллы, и между их атомами образуются ковалентные связи.

Органические вещества состоят из молекул, поэтому они легко плавятся и имеют низкие температуры кипения. При обычных условиях многие органические соединения — жидкие или газообразные.

Предмет органической химии

Ключевые слова конспекта: Органические вещества. Витализм. Органическая химия. Углеводороды. Общая формула углеводородов. Природные, искусственные и синтетические органические вещества.

Органические вещества

С глубокой древности человек использовал в своих целях вещества живой и неживой природы. Из осколков камней наши предки изготавливали наконечники стрел, из руд выплавляли металлы, глину и известняк использовали для строительства жилищ, из мрамора высекали скульптуры. Вещества природного происхождения служили источником пищи, применялись для изготовления одежды, приготовления лекарств, ядов, красителей.

В начале XIX в. число веществ, которые были выделены из объектов живой природы, стало стремительно расти. По предложению выдающегося шведского химика Йёнса Якоба Берцелиуса вещества живой природы стали называть органическими в противоположность минеральным, т. е. неорганическим, веществам.

Были замечены и другие общие особенности органических соединений. При горении все они в основном образуют углекислый газ, сажу, воду и некоторые другие соединения, а следовательно, обязательно содержат в своём составе углерод.

Однако ряд открытий, сделанных в середине XIX в., показал, что сторонники витализма глубоко заблуждались.

В 1828 г. немецкий химик Фридрих Вёлер впервые получил органическое вещество — мочевину из неорганической соли (цианата аммония). В 1854 г. французский учёный Марселей Бертло синтезировал аналоги природных жиров, затем в 1861 г. русский химик Александр Михайлович Бутлеров — аналог природного сахара. В конечном счёте под давлением экспериментальных фактов витализм потерпел крах.

Предмет органической химии

Постепенно изучение состава и свойств органических веществ выделилось в самостоятельный раздел химической науки — органическую химию.

Было обнаружено, что большое число органических веществ построено из атомов всего двух химических элементов — углерода и водорода. Такие соединения называют углеводородами. Состав углеводородов выражают общей формулой C_хH_у, где между индексами х и у существует строгое математическое соотношение.

Углеводороды занимают особое место в органической химии, поскольку соединения всех остальных классов органических веществ можно рассматривать как их производные. Например, если в молекуле метана СН₄ один атом водорода заместить карбоксильной группой —СООН, то получится молекула известной вам уксусной кислоты СН₃СООН. Замена одного атома водорода в этане C₂H₆ на гидроксильную группу – ОН даст в результате молекулу этилового спирта С₂Н₅ОН. Таким образом, и карбоновые кислоты, и спирты (важнейшие классы органических соединений) можно считать производными углеводородов.

Немецкий химик-органик Карл Шорлеммер более ста лет назад сформулировал классическое определение органической химии, не потерявшее своей актуальности до сих пор.

Природные, искусственные и синтетические органические вещества

Поняв, как построены органические соединения, учёные научились не только получать их в лаборатории, но и химически модифицировать, т. е. изменять их строение. Мало того, химики смогли синтезировать соединения углерода, никогда не существовавшие в природе. Таким образом, по происхождению органические вещества можно разделить на три группы: природные, искусственные и синтетические.

Природные органические вещества — это продукты жизнедеятельности любых живых организмов. Название веществ этой группы говорит о том, что в окружающей среде такие соединения существуют независимо от человека, их можно выделить из природных объектов, будь то полезные ископаемые (нефть, газ, каменный уголь, горючие сланцы), растения или животные.

Искусственные органические вещества — это продукты химической модификации природных органических соединений, в результате которой происходит изменение состава и строения исходного вещества с целью придания ему требуемых свойств. Например, в результате химической обработки целлюлозы (основной составной части древесины) получают не существующие в природе волокна (ацетатное, медно-аммиачное, вискозное) и пластмассу (целлулоид).

Многообразие органических веществ

Органических веществ гораздо больше, чем неорганических: на сегодняшний день органических веществ насчитывают более 100 млн, а число неорганических не превышает 500 тысяч. Это во многом определяется особенностями строения органических соединений.

Выдающуюся роль в решении вопроса о строении органических соединений сыграл русский химик А. М. Бутлеров. Об этом пойдёт речь в следующем конспекте.

Основные выводы по теме конспекта:

Раздел химии, изучающий строение, свойства, превращения, способы получения и области применения органических веществ, называют органической химией.
Органическая химия представляет собой химию углеводородов и их производных, т. е. продуктов замещения атомов водорода в молекулах углеводородов на другие атомы или группы атомов.
Различают органические вещества природного, искусственного и синтетического происхождения.

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Основные понятия органической химии

Органическая химия – это область химии, изучающая соединения углерода. Углерод выделяется среди всех элементов тем, что его атомы могут связываться друг с другом в длинные цепи или циклы. Именно это свойство позволяет углероду образовывать миллионы соединений, изучением которых занимается органическая химия.

Теория химического строения А. М. Бутлерова.

Современная теория строения молекул объясняет и огромное число органических соединений, и зависимость свойств этих соединений от их химического строения. Она же полностью подтверждает основные принципы теории химического строения, разработанные выдающимся русским ученым А. М. Бутлеровым.

Основные положения этой теории (иногда ее называют структурной):

1) атомы в молекулах соединены между собой в определенном порядке химическими связями согласно их валентности;

2) свойства вещества определяются не только качественным составом, но и строением, и взаимным влиянием атомов.

3) по свойствам вещества можно определить его строение, а по строению – свойства.

Важным следствием теории строения был вывод о том, что каждое органическое соединение должно иметь одну химическую формулу, отражающую ее строение. Такой вывод теоретически обосновывал хорошо известное уже тогда явление изомерии,— существование веществ с одинаковым молекулярным составом, но обладающих различными свойствами.

Изомеры – вещества, одинаковые по составу, но разные по строению

Структурные формулы. Существование изомеров потребовало использования не только простых молекулярных формул, но и структурных формул, отражающих порядок связи атомов в молекуле каждого изомера. В структурных формулах ковалентная связь обозначается черточкой. Каждая черточка означает общую электронную пару, связывающую атомы в молекуле.

Структурная формула — условное изображение строения вещества с учетом химических связей.

Классификация органических соединений.

Для классификации органических соединений по типам и построения их названий в молекуле органического соединения принято выделять углеродный скелет и функциональные группы.

Углеродный скелет представляет собой последовательность химически связанных между собой атомов углерода.

Типы углеродных скелетов. Углеродные скелеты разделяют на ациклические (не содержащие циклов), циклические и гетероциклические.

В гетероциклическом скелете в углеродный цикл включается одни или несколько атомов, отличных от углерода. В самих углеродных скелетах нужно классифицировать отдельные атомы углерода по числу химически связанных с ними атомов углерода. Если данный атом углерода связан с одним атомом углерода, то его называют первичным, с двумя — вторичным, тремя — третичным и четырьмя — четвертичным.

Поскольку атомы углерода могут образовывать между собой не только одинарные, но и кратные (двойные и тройные) связи, то соединения, содержащие только одинарные связи С––С , называют насыщенными, соединения с кратными связями называют ненасыщенными.

Углеводороды – соединения, в которых атомы углерода связаны только с атомами водорода.

Углеводороды признаны в органической химии родоначальными. Разнообразные соединения рассматриваются как производные углеводородов, полученные введением в них функциональных групп.

Функциональные группы. В большинстве органических соединений, кроме атомов углерода и водорода, содержатся атомы других элементов (не входящие в скелет). Эти атомы или их группировки, во многом определяющие химические и физические свойства органических соединений, называют функциональными группами.

Функциональная группа оказывается окончательным признаком, по которому соединения относятся к тому или иному классу.

Важнейшие функциональные группы

Гомологический ряд. Для описания органических соединений полезным является понятие гомологического ряда. Гомологический ряд образуют соединения, отличающиеся друг от друга на группу —СН₂— и обладающие сходными химическими свойствами. Группы СН₂ называются гомологической разностью.

Примером гомологического ряда может служить ряд предельных углеводородов (алканов). Простейший его представитель — метан СН₄. Гомологами метана являются: этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀, пентан С₅Н₁₂, гексан С₆Н₁₄, гептан С₇Н₁₆ и т. д. Формула любого последующего гомолога может быть получена прибавлением к формуле предыдущего углеводорода гомологической разности.

Состав молекул всех членов гомологического ряда может быть выражен одной общей формулой. Для рассмотренного гомологического ряда предельных углеводородов такой формулой будет С_nН_2n+2, где n — число атомов углерода.

Номенклатура органических соединений. В настоящее время признана систематическая номенклатура ИЮПАК (IUРАС — Международный союз теоретической и прикладной химии).

По правилам ИЮПАК название органического соединения строится из названия главной цепи, образующего корень слова, и названий функций, используемых в качестве приставок или суффиксов.

Для правильного построения названия необходимо провести выбор главной цепи и нумерацию атомов углерода в ней.

Нумерацию атомов углерода в главной цепи начинают с того конца цепи, ближе к которому расположена старшая группа. Если таких возможностей оказывается несколько, то нумерацию проводят таким образом, чтобы либо кратная связь, либо другой заместитель, имеющийся в молекуле, получили наименьший номер.

В карбоциклических соединениях нумерацию начинают от того атома углерода, при котором находится старшая характеристическая группа. Если при этом невозможно выбрать однозначную нумерацию, то цикл нумеруют так, чтобы заместители имели наименьшие номера.

В группе циклических углеводородов особо выделяются ароматические углеводороды, для которых характерно наличие в молекуле бензольного кольца. Некоторые широко известные представители ароматических углеводородов и их производных имеют тривиальные названия, использование которых разрешено правилами ИЮПАК: бензол, толуол, фенол, бензойная кислота.

Радикал С₆Н₅—, образованный из бензола, называется фенил, а не бензил. Бензилом называют радикал С₆Н₅СН₂—, образованный из толуола.

Составление названия органического соединения. Основу названия соединения составляет корень слова, обозначающий предельный углеводород с тем же числом атомов, что и главная цепь (мет-, эт-, проп-, бут-, пент: гекс- и т. д.). Затем следует суффикс, характеризующий степень насыщенности, -ан, если в молекуле нет кратных связей, -ен при наличии двойных связей и -ин для тройных связей, (например пентан, пентен, пентин). Если кратных связей в молекуле несколько, то в суффиксе указывается число таких связей: -диен, -триен, а после суффикса обязательно арабскими цифрами указывается положение кратной связи (например, бутен-1, бутен-2, бутадиен-1,3):

Далее в суффикс выносится название самой старшей характеристической группы в молекуле с указанием ее положения цифрой. Прочие заместители обозначаются с помощью приставок. При этом они перечисляются не в порядке старшинства, а по алфавиту. Положение заместителя указывается цифрой перед приставкой, например: 3-метил; 2-хлор и т. п. Если в молекуле имеется несколько одинаковых заместителей, то перед названием соответствующей группы словом указывается их количество (например, диметил-, трихлор- и т. д.). Все цифры в названиях молекул отделяются от слов дефисом, а друг от друга запятыми. Углеводородные радикалы имеют свои названия.

Предельные углеводородные радикалы:

Непредельные углеводородные радикалы:

Ароматические углеводородные радикалы:

В качестве примера назовем следующее соединение:

1) Выбор цепи однозначен, следовательно, корень слова — пент; далее следует суффикс −ен, указывающий на наличие кратной связи;

2) порядок нумерации обеспечивает старшей группе (—ОН) наименьший номер;

3) полное название соединения заканчивается суффиксом, обозначающим старшую группу (в данном случае суффикс -ол указывает на наличие гидроксильной группы); положение двойной связи и гидроксильной группы указывается цифрами.

Следовательно, приведенное соединение называется пентен-4-ол-2.

Тривиальная номенклатура представляет собой совокупность несистематических исторически сложившихся названий органических соединений (пример: ацетон, уксусная кислота, формальдегид и т. д.).

Выше было показано, что способность атомов углерода к образованию четырех ковалентных связей, в том числе и с другими атомами углерода, открывает возможность существования нескольких соединений одного элементного состава — изомеров. Все изомеры делят на два больших класса — структурные изомеры и пространственные изомеры.

Структурными называют изомеры с разным порядком соединения атомов.

Пространственные изомеры имеют одинаковые заместители у каждого атома углерода и отличаются лишь их взаимным расположением в пространстве.

Структурные изомеры. В соответствии с приведенной выше классификацией органических соединений по типам среди структурных изомеров выделяют три группы:

1 ) соединения, отличающиеся углеродными скелетами:

2) соединения, отличающиеся положением заместителя или кратной связи в молекуле:

3) соединения, содержащие различные функциональные группы и относящиеся к различным классам органических соединений:

Пространственные изомеры (стереоизомеры). Стереоизомеры можно разделить на два типа: геометрические изомеры и оптические изомеры.

Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойную связь или цикл. В таких молекулах часто возможно провести условную плоскость таким образом, что заместители у различных атомов углерода могут оказаться по одну сторону (цис-) или по разные стороны (транс-) от этой плоскости. Если изменение ориентации этих заместителей относительно плоскости возможно только за счет разрыва одной из химических связей, то говорят о наличии геометрических изомеров. Геометрические изомеры отличаются своими физическими и химическими свойствами.

Взаимное влияние атомов в молекуле.

Все составляющие молекулу атомы находятся во взаимосвязи и испытывают взаимное влияние. Это влияние передается в основном через систему ковалентных связей с помощью так называемых электронных эффектов.

Электронными эффектами называют смещение электронной плотности в молекуле под влиянием заместителей.

Атомы, связанные полярной связью, несут частичные заряды, обозначаемые греческой буквой “дельта” (δ ). Атом, “оттягивающий” электронную плотность δ -связи в свою сторону, приобретает отрицательный заряд δ − . При рассмотрении пары атомов, связанных ковалентной связью, более электроотрицательный атом называют электроноакцептором. Его партнер по δ -связи соответственно будет иметь равный по величине дефицит электронной плотности, т. е. частичный положительный заряд δ +, и будет называтьсяэлектронодонором.

Смещение электронной плотности по цепи σ -связей называется индуктивным эффектом и обозначается I.

Индуктивный эффект передается по цепи с затуханием. Направление смещения электронной плотности всех σ -связей обозначается прямыми стрелками.

В зависимости от того, удаляется ли электронная плотность от рассматриваемого атома углерода или приближается к нему, индуктивный эффект называют отрицательным (-I) илиположительным (+I). Знак и величина индуктивного эффекта определяются различиями в электроотрицательности между рассматриваемым атомом углерода и группой, его вызывающей.

Электроноакцепторные заместители, т.е. атом или группа атомов, смещающие электронную плотность σ -связи от атома углерода, проявляют отрицательный индуктивный эффект (−I-эффект).

Электронодонорные заместители, т. е. атом или группа атомов, смещающие электронную плотность к атому углерода, проявляют положительный индуктивный эффект(+I-эффект).

+I-эффект проявляют алифатические углеводородные радикалы, т. е. алкильные радикалы (метил, этил и т. д.).

Большинство функциональных групп проявляют -I-эффект: галогены, аминогруппа, гидроксильная, карбонильная, карбоксильная группы.

Индуктивный эффект проявляется и в случае, когда связанные атомы углерода различны по состоянию гибридизации. Так, в молекуле пропена метильная группа проявляет +I-эффект, поскольку атом углерода в ней находится в sp3-гибридном состоянии, а sp2-гибридизованный атом (при двойной связи) выступает в роли электроноакцептора, так как имеет более высокую электроотрицательность :

При передаче индуктивного эффекта метильной группы на двойную связь в первую очередь ее влияние испытывает подвижная π -связь.

Влияние заместителя на распределение электронной плотности, передаваемое по π -связям, называют мезомерным эффектом (М). Мезомерный эффект также может быть отрицательным и положительным. В структурных формулах его изображают изогнутой стрелкой, начинающейся у центра электронной плотности и завершающейся в том месте, куда смещается электронная плотность.

Наличие электронных эффектов ведет к перераспределению электронной плотности в молекуле и появлению частичных зарядов на отдельных атомах. Это определяет реакционную способность молекулы.

Классификация органических реакций

− Классификация по типу разрыва химических связей в реагирующих частицах. Из их числа можно выделить две большие группы реакций — радикальные и ионные.

Радикальные реакции — это процессы, идущие с гомолитическим разрывом ковалентной связи. При гомолитическом разрыве пара электронов, образующая связь, делится таким образом, что каждая из образующихся частиц получает по одному электрону. В результате гомолитического разрыва образуются свободные радикалы:

Нейтральный атом или частица с неспаренным электроном называется свободным радикалом.

Ионные реакции — это процессы, идущие с гетеролитическим разрывом ковалентных связей, когда оба электрона связи остаются с одной из ранее связанных частиц:

В результате гетеролитического разрыва связи получаются заряженные частицы: нуклеофильная и электрофильная.

Нуклеофильная частица (нуклеофил) — это частица, имеющая пару электронов на внешнем электронном уровне. За счет пары электронов нуклеофил способен образовывать новую ковалентную связь.

Электрофильная частица (электрофил) — это частица, имеющая незаполненный внешний электронный уровень. Электрофил представляет незаполненные, вакантные орбитали для образования ковалентной связи за счет электронов той частицы, с которой он взаимодействует .

−Классификация по составу и строению исходных веществ и продуктов реакции. В органической химии все структурные изменения рассматриваются относительно атома (или атомов) углерода, участвующего в реакции. Наиболее часто встречаются следующие типы превращений:

присоединение

отщепление (элиминирование)

полимеризация

В соответствии с вышеизложенным хлорирование метана под действием света классифицируют как радикальное замещение, присоединение галогенов к алкенам — как электрофильное присоединение, а гидролиз алкилгалогенидов — как нуклеофильное замещение.

Еще на рубеже IX—X вв. арабский алхимик Абу Бакр ар-Рази (865—925) впервые разделил все химические вещества по их происхождению на три царства: минеральные, растительные и животные вещества. Эта уникальная классификация просуществовала почти тысячу лет.

Тем не менее в начале XIX в. возникла необходимость объединить химию веществ растительного и животного происхождения в единую науку. Такой подход покажется вам логичным, если вы имеете хотя бы элементарные представления о составе живых организмов.

Из курса естествознания и начальных курсов биологии вы знаете, что в состав любой живой клетки, как растительной, так и животной, обязательно входят белки, жиры, углеводы и другие вещества, которые принято называть органическими. По предложению шведского химика Й. Я. Берцелиуса с 1808 г. науку, изучающую органические вещества, стали называть органической химией.

Виталисты резонно утверждали, что важнейший основополагающий синтез на нашей планете — фотосинтез (рис. 1) невозможен вне зеленых растений.

Рис. 1.
Фотосинтез

Упрощенно процесс фотосинтеза описывают уравнением

Невозможны, по утверждению виталистов, и любые другие синтезы органических соединений вне живых организмов. Однако дальнейшее развитие химии и накопление новых научных фактов доказало, что виталисты глубоко заблуждались.

В 1828 г. немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое соединение мочевину из неорганического вещества цианата аммония. Французский ученый М. Берт-ло в 1854 г. получил в пробирке жир. В 1861 г. русский химик А. М. Бутлеров синтезировал сахаристое вещество. Витализм потерпел крах.

Сейчас органическая химия представляет собой бурно развивающуюся отрасль химической науки и производства. В настоящее время насчитывается более 25 миллионов органических соединений, среди которых есть и такие вещества, которые до сегодняшнего дня не были обнаружены в живой природе. Получение этих веществ стало возможным благодаря результатам научной деятельности химиков-органиков.

Все органические соединения по происхождению можно условно разделить на три типа: природные, искусственные и синтетические.

Природные органические соединения — это продукты жизнедеятельности живых организмов (бактерий, грибов, растений, животных). Это хорошо известные вам белки, жиры, углеводы, витамины, гормоны, ферменты, натуральный каучук и др. (рис. 2).

Рис. 2.
Природные органические соединения:
1—4 — в волокнах и тканях (шерстяных 1, шелковых 2, льняных 3, хлопчатобумажных 4); 5—10 — в продуктах питания (молоке 5, мясе 6, рыбе 7, растительном и сливочном масле 8, овощах и фруктах 9, крупах и хлебе 10); 11, 12 — в топливе и сырье для химической промышленности (природном газе 11, нефти 12); 13 — в древесине

Искусственные органические соединения — это продукты химически преобразованных природных веществ в соединения, которые в живой природе не встречаются. Так, на основе природного органического соединения целлюлозы получают искусственные волокна (ацетатное, вискозное, медно-аммиачное), негорючие кино- и фотопленки, пластмассы (целлулоид), бездымный порох и др. (рис. 3).

Рис. 3. Изделия и материалы, изготовленные на основе искусственных органических соединений: 1,2 — искусственные волокна и ткани; 3 — пластмасса (целлулоид); 4 — фотопленка; 5 — бездымный порох

Синтетические органические соединения получают синтетическим путем, т. е. соединением более простых молекул в более сложные. К ним относятся, например, синтетические каучуки, пластмассы, лекарственные препараты, синтетические витамины, стимуляторы роста, средства защиты растений и др. (рис. 4).

Рис. 4.
Изделия и материалы, полученные на основе синтетических органических соединений:
1 — пластмассы; 2 — лекарственные средства; 3 — моющие средства; 4 — синтетические волокна и ткани; 5 — краски, эмали и клеи; 6 — средства для борьбы с насекомыми; 7 — удобрения; 8 — синтетические каучуки

Несмотря на огромное многообразие, все органические соединения имеют в своем составе атомы углерода. Поэтому органическую химию можно назвать химией соединений углерода.

Наряду с углеродом, в состав большинства органических соединений входят атомы водорода. Эти два элемента образуют ряд классов органических соединений, которые так и называют — углеводороды. Все остальные классы органических соединений можно рассматривать как производные углеводородов. Это позволило немецкому химику К. Шорлеммеру дать классическое определение органической химии, которое не потеряло своего значения и более 120 лет спустя.

Органическая химия есть химия углеводородов и их производных, т. е. продуктов, образующихся при замене водорода в молекулах этих веществ другими атомами или группами атомов.

Например, при замене одного атома водорода в молекуле этана С₂Н₆ на гидроксильную группу —ОН образуется хорошо знакомый вам этиловый спирт С₂Н₅ОН, а при замене атома водорода в молекуле метана СН₄ на карбоксильную группу —СООН образуется уксусная кислота СН₃СООН.

Химические связи атомов углерода между собой и с атомами других элементов (водорода, кислорода, азота, серы, фосфора), входящих в состав органических соединений, могут разрушаться под влиянием природных факторов. Поэтому углерод совершает непрерывный круговорот в природе: из атмосферы (углекислый газ) — в растения (фотосинтез), из растений — в животные организмы, из живого — в неживое, из неживого — в живое (рис. 5).

Рис. 5.
Круговорот углерода в природе

И в заключение отметим ряд особенностей, характеризующих органические соединения.

Так как молекулы всех органических соединений содержат атомы углерода, а практически все — и атомы водорода, то большинство из них горючи и в результате горения образуют оксид углерода (IV) (углекислый газ) и воду.

В отличие от неорганических веществ, которых насчитывается около 500 тысяч, органические соединения более многообразны, поэтому их число насчитывает сейчас более 25 миллионов.

Многие органические соединения построены более сложно, чем неорганические вещества, и многие из них имеют огромную молекулярную массу, например белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, т. е. вещества, благодаря которым происходят жизненные процессы.

Органические соединения образованы, как правило, за счет ковалентных связей и потому имеют молекулярное строение, а следовательно, обладают невысокими температурами плавления и кипения, термически неустойчивы.

Читайте также: