Химическое строение как порядок соединения и взаимного влияния атомов в молекулах кратко

Обновлено: 07.07.2024

Навыки правильных рассуждений и логических построений в ответах учащихся необходимо вырабатывать, начиная с первых тем курса органической химии, а именно с изучения углеводородов.

Для каждого класса углеводородов мною разработаны лекции, которые отражают причинно-следственную связь между строением, свойствами и применением углеводородов.

Лекции можно использовать на обычных тематических уроках, а также на факультативных занятиях.

Единый стиль в структуре лекций по разным темам позволяет достичь хорошего уровня всей системы знаний по органической химии и привить навыки конспектирования.

С о д е р ж а н и е

Л е к ц и я 1. Основные положения теории химического строения органических веществ А.М.Бутлерова. Химическое строение как порядок соединения и как взаимное влияние атомов в молекулах. Основные направления развития этой теории.

Л е к ц и я 2. Предельные углеводороды, общая формула гомологов данного ряда, электронное и пространственное строение. Химические свойства метана.

Л е к ц и я 3. Непредельные углеводороды ряда этилена, общая формула состава, электронное и пространственное строение, химические свойства этилена.

Л е к ц и я 4. Ацетилен – представитель углеводородов с тройной связью в молекуле. Химические свойства, получение и применение ацетилена в органическом синтезе.

Л е к ц и я 5. Диеновые углеводороды, их строение, свойства, получение и практическое значение.

Л е к ц и я 6. Циклопарафины, их строение, свойства, нахождение в природе, практическое значение.

Л е к ц и я 7. Ароматические углеводороды. Бензол, структурная формула, свойства и получение. Применение бензола и его гомологов.

Крупнейшим событием в развитии органической химии было создание в 60-х гг. XIX столетия русским ученым А.М.Бутлеровым теории химического строения органических соединений.

Основные положения теории строения сводятся к следующему:

1. В молекулах атомы соединены друг с другом в определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов называется химическим строением.

2. Свойства вещества зависят не только от того, какие атомы и в каком количестве входят в состав его молекулы, но и от того, в каком порядке они соединены между собой, т.е. от химического строения молекулы.

3. Атомы или группы атомов, образовавшие молекулу, взаимно влияют друг на друга, от чего зависит реакционная способность молекулы.

Рассмотрим первое положение на примере простейших органических соединений – метана, этана, пропана и бутана – углеводородов, состоящих только из атомов углерода и водорода:


Химические формулы, в которых изображен порядок соединения атомов в молекулах, называют формулами строения, или структурными формулами. Химические связи в них обозначают черточками. Углерод всюду остается четырехвалентным.

Второе положение теории строения органических веществ объяснило явление изомерии.

Изомеры – это вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но различное химическое строение и обладающие поэтому разными свойствами.

Так, в бутане C4H10 возможно двоякое расположение атомов углерода – в виде прямой и разветвленной цепей:


Температуры кипения этих веществ различны. Строение молекулы определяет свойства вещества.

Теория химического строения объясняет многообразие органических соединений. Оно обусловлено способностью четырехвалентного углерода образовывать углеродные цепи и кольца, соединяться с атомами других элементов, а также наличием изомерии.

В теории химического строения большое внимание уделяется взаимному влиянию атомов и групп атомов в молекуле (третье положение). Так, например, в молекуле фенола бензольное ядро влияет на группу ОН, ослабляя в ней связь между атомами водорода и кислорода:


Поэтому фенол может проявлять свойства, отличающиеся от свойств спиртов, например, взаимодействовать со щелочами с образованием фенолятов:


Гидроксильная группа также влияет на бензольное кольцо, ослабляя связь между атомами водорода и углерода в положениях 2, 4 и 6. Это, например, наблюдается при образовании 2, 4, 6-трибромфенола:


Теория химического строения А.М.Бутлерова является важнейшей частью теоретического фундамента органической химии. По значимости ее можно сопоставить с периодической системой элементов Д.И.Менделеева. Подобно последней, она дала возможность систематизировать огромный практический материал, заранее предсказать существование новых веществ, а также указать пути их получения. А это обеспечило невиданные успехи органического синтеза.

Теория химического строения, как и предвидел Бутлеров, не осталась неизменной. Дальнейшее ее развитие шло главным образом в двух взаимосвязанных направлениях.

Первое из них было предсказано самим ученым. Он считал, что наука в будущем сможет устанавливать не только последовательность соединения атомов в молекуле, но и их пространственное расположение. Учение о пространственном строении молекул, называемое стереохимией, вошло в науку в 70-х гг. XIX в. Оно позволило объяснять и предсказывать новые факты.

Второе направление связано с применением в органической химии учения об электронном строении атомов, развитого в физике в XX в.

Это учение позволило понять природу химической связи атомов, выяснить сущность их взаимного влияния, объяснить причину проявления веществом тех или иных химических свойств.

Таким образом, теория строения А.М.Бутлерова и сегодня остается научным фундаментом органической химии. С современных позиций это учение требует лишь небольшого дополнения: физические и химические свойства органических соединений определяются составом их молекул, а также химическим, пространственным и электронным строением.

Предельные углеводороды, или алканы – это соединения, состав которых выражается общей формулой CnH2n+2, где n – число атомов углерода. В молекулах предельных углеводородов атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) связью, а все остальные валентности насыщены атомами водорода. Алканы также называют насыщенными углеводородами, или парафинами.

Первым членом гомологического ряда алканов является метан CH4. Окончание -ан является характерным для названий предельных углеводородов. Далее следуют этан C2H6, пропан С3H8, бутан С4H10. Начиная с пятого углеводорода, название образуется из греческого числительного, указывающего число углеродных атомов в молекуле, и окончания -ан. Это пентан C5H12, гексан C6H14, гептан C7H16, октан C8H18, нонан C9H20, декан C10H22 и т.д.

В предельных углеводородах атом углерода находится в состоянии sp 3 -гибридизации. Это означает, что у него имеются четыре одинаковые sp 3 -гибридные орбитали, способные образовывать четыре -связи:


Но молекула метана в действительности имеет тетраэдрическую форму, а не плоскую.

Модели молекулы метана:
а – шаростержневая; б – модель Стюарта

Атом углерода в основном состоянии имеет два неспаренных электрона (двухвалентен), в возбужденном состоянии – четыре (четырехвалентен):

С – 1s 2 2s 2 2p 2 , С * – 1s 2 2s 1 2p 3 .

Следовательно, в возбужденном состоянии атом углерода может присоединять четыре атома водорода:


В молекуле метана у атома углерода подвергаются гибридизации (т.е. взаимному выравниванию) одна s- и три p-орбитали. Эти орбитали после гибридизации располагаются в пространстве так, что их оси оказываются направленными к вершинам тетраэдра. Валентный угол между осями гибридных орбиталей составляет 109 о 28'. Поскольку в гибридизации участвуют 1 s-электрон и 3 p-электрона, то такой ее вид называется sp 3 -гибридизацией. В результате перекрывания четырех гибридных sp 3 -орбиталей атома углерода и s-орбиталей четырех атомов водорода образуется прочная молекула метана с четырьмя одинаковыми связями.

Схемы образования четырех гибридных орбиталей
при sp3-гибридизации (а) и молекулы метана (б)

Электронное и пространственное строение других представителей предельных углеводородов сходно со строением молекулы метана.

В молекуле этана C2H6 химическая связь образуется между С-атомами перекрыванием двух гибридных электронных облаков.

В связи с тем, что гибридные электронные облака С направлены к вершинам тетраэдра, при образовании молекулы пропана C3H8 углеродная цепь принимает зигзагообразную форму. Расстояние между центрами атомов С составляет 0,154 нм (1,5 ).

Зигзагообразная форма
углеродной цепи молекулы бутана

В гомологическом ряду каждый последующий углеводород отличается от предыдущего группой атомов CH2 (гомологической разностью).

С ростом молекулярной массы возрастает плотность алканов. Низшие алканы – метан, этан, пропан, бутан – газы, с C5H12 до C16H34 – жидкости, а с C17H36 – твердые вещества. С ростом молекулярной массы алканов возрастают температуры их кипения и плавления. При одинаковом числе атомов углерода в молекуле алканы с разветвленным строением имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные алканы.

Алканы практически нерастворимы в воде, т.к. их молекулы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом. Они хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких, как бензол, тетрахлорметан и др.

При обычных условиях предельные углеводороды химически малоактивны. На них не действуют (при обычной температуре) даже концентрированные растворы щелочей, а также кислоты и окислители. Алканы не вступают в реакции присоединения. Все реакции с их участием можно подразделить на два типа: реакции с разрывом связей C–H (реакции замещения) и реакции с разрывом связей C–C, при которых происходит расщепление молекул на отдельные осколки (крекинг).

Свойства алканов рассмотрим на примере метана.

Метан – газ без цвета и запаха, почти в два раза легче воздуха, малорастворим в воде.

Химические свойства метана

1. Метан горит бледным синеватым пламенем, образуя оксид углерода(IV) и воду:

2. При сильном нагревании без доступа воздуха метан разлагается:


В печах специальной конструкции распад метана может быть осуществлен до промежуточного продукта – ацетилена:


3. Для метана характерны реакции замещения. Например, на свету он реагирует с хлором (по стадиям):



Образование галогенопроизводных метана протекает по цепному свободнорадикальному механизму.

4. Метан при обычной температуре обладает большой стойкостью к кислотам, щелочам и многим окислителям. Однако он вступает в реакцию с разбавленной азотной кислотой при температуре 140 о Си небольшом давлении (радикальная реакция, реакция Коновалова):


5. При мягком окислении метана кислородом воздуха в присутствии различных катализаторов могут быть получены метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота:

1. Атомы в молекулах располагаются не беспорядочно, они соединены друг с другом в определённой последовательности согласно их валентности (С (IV)).

а) Структурные формулы

Н─ С ─Н Н─ С ─ С ─ Н

2. Свойства веществ, завися не только от того, атомы каких элементов и в каком количестве входят в состав молекулы, но и от последовательности соединения атомов в молекулах

Бутан (tкип--0,5ºС) Изобутан (tкип—11,7ºС)

Изомерия – это такое явление, при котором могут существовать несколько веществ, имеющих один и тот же состав и одну и ту же молекулярную массу, но различающихся строением молекул.

Изомеры – это вещества схожие по составу, молекулярной массе, но разные по строению молекул.

3. По свойствам данного вещества можно определить его строение, а по строению молекулы предвидеть свойства.

Например, для веществ имеющих в составе молекул прочные сигма-связи, характерны реакции замещения и не характерны реакции присоединения.

4. Атомы и группы атомов в молекуле взаимно влияют друг на друга. Например: в молекуле хлорметана электронная плотность сильно смещена в сторону более электроотрицательного атома хлора, вследствие этого оставшиеся три атома водорода удерживаются слабее, чем атомы водорода в начальной молекуле метана. Поэтому вторая стадия замещения протекает более активно, чем первая.

Таким образом, создание структурной теории позволило объяснить многообразие органических соединений как следствие способности атомов углерода образовывать прочные химические связи, как между собой, так и с другими атомами. Структурная теория дала ключ к систематизации химических свойств органических соединений, в основу которой положено их строение.

Изомерия органических соединений и её виды.

  1. Определение изомерии.
  2. Виды изомерии:
    1. Структурная изомерия.
    2. Изомерия положения кратных связей.
    3. Изомерия положения функциональных групп.
    4. Пространственная изомерия.

    Изомерия – это такое явление, при котором могут существовать несколько веществ, имеющих один и тот же состав и одну и ту же молекулярную массу, но различающихся строением молекул.

    Изомеры – это вещества схожие по составу, молекулярной массе, но разные по строению молекул.

    Структурная - изомерия углеродной цепи. Встречается у всех классов органических соединений.

    Изомерия положения кратных связей. Встречается в молекулах непредельных углеводородов, непредельных одноосновных карбоновых кислот.

    Изомерия положения функциональных групп. Встречается в кислородсодержащих углеводородах (спиртах).




    СН3-СН2-СН-СН3 бутанол-2

    ОН

    Пространственная изомерия – изомерия обусловлена различным положением заместителей относительно плоскости двойной связи.

    Если заместители располагаются по одну сторону от плоскости двойной связи (цис-изомер), если по-разные (транс-изомер).

    Н3С СН3 Н3С Н

    Н Н Н СН3

    1. Первое положение теории, примеры.
    2. Второе положение теории, примеры.
    3. Третье положение теории, примеры.
    4. Четвёртое положение теории, примеры.
    5. Значение теории для науки.

    1. Атомы в молекулах располагаются не беспорядочно, они соединены друг с другом в определённой последовательности согласно их валентности (С (IV)).

    а) Структурные формулы

    Н─ С ─Н Н─ С ─ С ─ Н

    2. Свойства веществ, завися не только от того, атомы каких элементов и в каком количестве входят в состав молекулы, но и от последовательности соединения атомов в молекулах

    Бутан (tкип--0,5ºС) Изобутан (tкип—11,7ºС)

    Изомерия – это такое явление, при котором могут существовать несколько веществ, имеющих один и тот же состав и одну и ту же молекулярную массу, но различающихся строением молекул.

    Изомеры – это вещества схожие по составу, молекулярной массе, но разные по строению молекул.

    3. По свойствам данного вещества можно определить его строение, а по строению молекулы предвидеть свойства.

    Например, для веществ имеющих в составе молекул прочные сигма-связи, характерны реакции замещения и не характерны реакции присоединения.

    4. Атомы и группы атомов в молекуле взаимно влияют друг на друга. Например: в молекуле хлорметана электронная плотность сильно смещена в сторону более электроотрицательного атома хлора, вследствие этого оставшиеся три атома водорода удерживаются слабее, чем атомы водорода в начальной молекуле метана. Поэтому вторая стадия замещения протекает более активно, чем первая.

    Таким образом, создание структурной теории позволило объяснить многообразие органических соединений как следствие способности атомов углерода образовывать прочные химические связи, как между собой, так и с другими атомами. Структурная теория дала ключ к систематизации химических свойств органических соединений, в основу которой положено их строение.

    Изомерия органических соединений и её виды.

    1. Определение изомерии.
    2. Виды изомерии:
      1. Структурная изомерия.
      2. Изомерия положения кратных связей.
      3. Изомерия положения функциональных групп.
      4. Пространственная изомерия.

      Изомерия – это такое явление, при котором могут существовать несколько веществ, имеющих один и тот же состав и одну и ту же молекулярную массу, но различающихся строением молекул.

      Изомеры – это вещества схожие по составу, молекулярной массе, но разные по строению молекул.

      Структурная - изомерия углеродной цепи. Встречается у всех классов органических соединений.

      Изомерия положения кратных связей. Встречается в молекулах непредельных углеводородов, непредельных одноосновных карбоновых кислот.

      Изомерия положения функциональных групп. Встречается в кислородсодержащих углеводородах (спиртах).

      СН3-СН2-СН-СН3 бутанол-2

      ОН

      Пространственная изомерия – изомерия обусловлена различным положением заместителей относительно плоскости двойной связи.

      Если заместители располагаются по одну сторону от плоскости двойной связи (цис-изомер), если по-разные (транс-изомер).

      Н3С СН3 Н3С Н

      Подобно тому, как для неорганической химии основой развития являются Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, для органической химии основополагающей стала теория строения органических соединений А. М. Бутлерова.

      Основным постулатом теории Бутлерова является положение о химическом строении вещества, под которым понимается порядок, последовательность взаимного соединения атомов в молекулы, т.е. химическая связь.

      Под химическим строением понимают порядок соединения атомов химических элементов в молекуле согласно их валентности.

      Этот порядок может быть отображен при помощи структурных формул, в которых валентности атомов обозначаются черточками: одна черточка соответствует единице валентности атома химического элемента. Например, для органического вещества метана, имеющего молекулярную формулу $СН_4$, структурная формула выглядит так:


      Основные положения теории А. М. Бутлерова

      1. Атомы в молекулах органических веществ связаны друг с другом согласно их валентности. Углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен, а его атомы способны соединяться друг с другом, образуя различные цепи.
      2. Свойства веществ определяются не только их качественным и количественным составом, но и порядком соединения атомов в молекуле, т. е. химическим строением вещества.
      3. Свойства органических соединений зависят не только от состава вещества и порядка соединения атомов в его молекуле, но и от взаимного влияния атомов и групп атомов друг на друга.

      Теория строения органических соединений является динамичным и развивающимся учением. По мере развития знаний о природе химической связи, о влиянии электронного строения молекул органических веществ стали пользоваться, кроме эмпирических и структурных, электронными формулами. В таких формулах указывают направление смещения электронных пар в молекуле.

      Квантовая химия и химия строения органических соединений подтвердили учение о пространственном направлении химических связей (цис- и трансизомерия), изучили энергетические характеристики взаимных переходов у изомеров, позволили судить о взаимном влиянии атомов в молекулах различных веществ, создали предпосылки для прогнозирования видов изомерии и направления и механизма протекания химических реакций.

      Органические вещества имеют ряд особенностей:

      1. В состав всех органических веществ входят углерод и водород, поэтому при горении они образуют углекислый газ и воду.
      2. Органические вещества построены сложно и могут иметь огромную молекулярную массу (белки, жиры, углеводы).
      3. Органические вещества можно расположить в ряды сходных по составу, строению и свойствам гомологов.
      4. Для органических веществ характерной является изомерия.

      Изомерия и гомология органических веществ

      Свойства органических веществ зависят не только от их состава, но и от порядка соединения атомов в молекуле.


      Изомерия — это явление существования разных веществ — изомеров с одинаковым качественным и количественным составом, т.е. с одинаковой молекулярной формулой.

      Различают два вида изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию). Структурные изомеры отличаются друг от друга порядком связи атомов в молекуле; стереоизомеры — расположением атомов в пространстве при одинаковом порядке связей между ними.

      Выделяют следующие разновидности структурной изомерии: изомерию углеродного скелета, изомерию положения, изомерию различных классов органических соединений (межклассовую изомерию).

      Структурная изомерия

      Изомерия углеродного скелета обусловлена различным порядком связи между атомами углерода, образующими скелет молекулы. Как уже было показано, молекулярной формуле $С_4Н_$ соответствуют два углеводорода: н-бутан и изобутан. Для углеводорода $С_5Н_$ возможны три изомера: пентан, изопентан и неопентан:


      С увеличением числа атомов углерода в молекуле число изомеров быстро растет. Для углеводорода $С_Н_$ их уже $75$, а для углеводорода $С_Н_$ — $366 319$.

      Изомерия положения обусловлена различным положением кратной связи, заместителя, функциональной группы при одинаковом углеродном скелете молекулы:


      Изомерия различных классов органических соединений (межклассовая изомерия) обусловлена различным положением и сочетанием атомов в молекулах веществ, имеющих одинаковую молекулярную формулу, но принадлежащих к разным классам. Так, молекулярной формуле $С_6Н_$ соответствует ненасыщенный углеводород гексен-1 и циклический углеводород циклогексан:


      Изомерами являются углеводород, относящийся к алкинам, — бутин-1 и углеводород с двумя двойными связями в цепи бутадиен-1,3:

      Диэтиловый эфир и бутиловый спирт имеют одинаковую молекулярную формулу $С_4Н_О$:

      Структурными изомерами являются аминоуксусная кислота и нитроэтан, отвечающие молекулярной формуле $С_2Н_5NO_2$:


      Изомеры этого типа содержат различные функциональные группы и относятся к разным классам веществ. Поэтому они отличаются по физическим и химическим свойствам значительно больше, чем изомеры углеродного скелета или изомеры положения.

      Пространственная изомерия

      Пространственная изомерия подразделяется на два вида: геометрическую и оптическую. Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойные связи, и циклических соединений. Так как свободное вращение атомов вокруг двойной связи или в цикле невозможно, заместители могут располагаться либо по одну сторону плоскости двойной связи или цикла (цис-положение), либо по разные стороны (транс-положение). Обозначения цис- и транс- обычно относят к паре одинаковых заместителей:


      Геометрические изомеры различаются по физическим и химическим свойствам.

      Оптическая изомерия возникает, если молекула несовместима со своим изображением в зеркале. Это возможно, когда у атома углерода в молекуле четыре различных заместителя. Этот атом называют асимметрическим. Примером такой молекулы является молекула $α$-аминопропионовой кислоты ($α$-аланина) $СН_3СН(NH_2)COOH$.

      Молекула $α$-аланина ни при каком перемещении не может совпасть со своим зеркальным отражением. Такие пространственные изомеры называются зеркальными, оптическими антиподами, или энантиомерами. Все физические и практически все химические свойства таких изомеров идентичны.

      Изучение оптической изомерии необходимо при рассмотрении многих реакций, протекающих в организме. Большинство этих реакций идет под действием ферментов — биологических катализаторов. Молекулы этих веществ должны подходить к молекулам соединений, на которые они действуют, как ключ к замку, следовательно, пространственное строение, взаимное расположение участков молекул и другие пространственные факторы имеют для течения этих реакций большое значение. Такие реакции называются стереоселективными.

      Большинство природных соединений являются индивидуальными энантиомерами, и их биологическое действие резко отличается от свойств их оптических антиподов, полученных в лаборатории. Подобное различие в биологической активности имеет огромное значение, так как лежит в основе важнейшего свойства всех живых организмов — обмена веществ.

      Гомологическим рядом называется ряд веществ, расположенных в порядке возрастания их относительных молекулярных масс, сходных по строению и химическим свойствам, где каждый член отличается от предыдущего на гомологическую разность $CH_2$. Например: $CH_4$ — метан, $C_2H_6$ — этан, $C_3H_8$ — пропан, $C_4H_$ — бутан и т. д.

      Типы связей в молекулах органических веществ. Гибридизация атомных орбиталей углерода. Радикал. Функциональная группа.

      Типы связей в молекулах органических веществ.

      В органических соединениях углерод всегда четырехвалентен. В возбужденном состоянии в его атоме происходит разрыв пары $2s^3$-электронов и переход одного из них на р-орбиталь:


      Такой атом имеет четыре неспаренных электрона и может принимать участие в образовании четырех ковалентных связей.

      На основании приведенной электронной формулы валентного уровня атома углерода можно было бы ожидать, что на нем находится один $s$-электрон (сферическая симметричная орбиталь) и три $р$-электрона, имеющих взаимно перпендикулярные орбитали ($2р_х, 2р_у, 2p_z$-орбиталь). В действительности же все четыре валентных электрона атома углерода полностью эквивалентны и углы между их орбиталями равны $109°28'$. Кроме того, расчеты показывают, что каждая из четырех химических связей углерода в молекуле метана ($СН_4$) на $25%$ является $s-$ и на $75%$ — $p$-связью, т.е. происходит смешивание $s-$ и $р-$состояний электронов. Это явление называют гибридизацией, а смешанные орбитали — гибридными.

      Атом углерода в $sp^3$-валентном состоянии имеет четыре орбитали, на каждой из которых находится по одному электрону. В соответствии с теорией ковалентной связи он имеет возможность образовывать четыре ковалентные связи с атомами любых одновалентных элементов ($СН_4, CHCl_3, CCl_4$) или с другими атомами углерода. Такие связи называются $σ$-связями. Если атом углерода имеет одну $С—С$ связь, то он называется первичным ($Н_3С—СН_3$), если две — вторичным ($Н_3С—СН_2—СН_3$), если три — третичным (), а если четыре — четвертичным ().

      Одной из характерных особенностей атомов углерода является их способность образовывать химические связи за счет обобщения только $р$-электронов. Такие связи называются $π$-связями. $π$-связи в молекулах органических соединений образуются только в присутствии $σ$-связей между атомами. Так, в молекуле этилена $Н_2С=СН_2$ атомы углерода связаны $σ-$ и одной $π$-связью, в молекуле ацетилена $НС=СН$ — одной $σ-$ и двумя $π$-связями. Химические связи, образовавшиеся с участием $π$-связей, называются кратными (в молекуле этилена — двойная, в молекуле ацетилена — тройная), а соединения с кратными связями — ненасыщенными.

      Явление $sp^3$-, $sp^2$- и $sp$ - гибридизации атома углерода.

      При образовании $π$-связей изменяется гибридное состояние атомных орбиталей атома углерода. Так как образование $π$-связей происходит за счет р-электронов, то в молекулах с двойной связью электроны будут иметь $sp^2$-гибридизацию (была $sp^3$, но один р-электрон отходит на $π$-орбиталь), а с тройной — $sp$-гибридизацию (два р-электрона отошли на $π$-орбиталь). Характер гибридизации изменяет направленность $σ$-связей. Если при $sp^3$-гибридизации они образовывают пространственно разветвленные структуры ($а$), то при $sp^2$-гибридизации все атомы лежат в одной плоскости и углы между $σ$-связями равны $120°$(б), а при $sp$-гибридизации молекула линейна (в):


      При этом оси $π$-орбиталей перпендикулярны оси $σ$-связи.


      Как $σ$-, так и $π$-связи являются ковалентными, значит, должны характеризоваться длиной, энергией, пространственной направленностью и полярностью.

      Характеристики одинарных и кратных связей между атомами С.

      Молекула Тип гибридизации Валентный угол Длина связи, нм Энергия связи, кДж/моль
      $CH_3-CH_3$ $sp^3$ $109°5'$ $0.154$ $369$
      $CH_2=CH_2$ $sp^2$ $120°$ $0.134$ $712$
      $CH≡CH$ $sp^3$ $180°$ $0.120$ $962$

      Радикал. Функциональная группа.


      Одной из особенностей органических соединений является то, что в химических реакциях их молекулы обмениваются не отдельными атомами, а группами атомов. Если эта группа атомов состоит только из атомов углерода и водорода, то она называется углеводородным радикалом, если же она имеет атомы других элементов, то она называется функциональной группой. Так, например, метил ($СН_3$—) и этил ($С_2Н_5$—) являются углеводородными радикалами, а оксигруппа (—$ОН$), альдегидная группа (), нитрогруппа (—$NO_2$) и т. д. являются функциональными группами спиртов, альдегидов и азотсодержащих соединений соответственно.

      Как правило, функциональная группа определяет химические свойства органического соединения и поэтому является основой их классификации.


      Основные положения
      теории химического строения

      Ключевые слова конспекта: Теория химического строения органических соединений. Валентность. Структурная формула. Простые (одинарные) связи. Кратные (двойные и тройные) связи. Изомеры. Изомерия. Взаимное влияние атомов в молекуле.

      Предпосылки создания теории химического строения

      По мере накопления химических знаний учёные овладели умением не только выделять органические вещества из природных объектов, но и проводить реакции с участием таких соединений. Так накапливались знания о свойствах органических веществ, расширялись области их практического применения.

      К середине XIX в. возникла необходимость осмысления, объяснения и обобщения накопившихся данных в области органической химии, т. е. создания научной теории, которая позволила бы систематизировать и объяснять строение и свойства органических веществ.

      В первой половине XIX в. учёными разных стран были предприняты попытки создания подобной теории. Одни основывались на сходстве качественного и количественного состава родственных органических веществ, другие — на общности химических свойств. Однако подобно тому, как первые попытки классификации химических элементов не превратились в научную теорию, а стали лишь предтечей открытия Д. И. Менделеевым периодического закона, так и ранние попытки систематизации знаний об органических веществах явились предпосылками создания теории химического строения органических соединений.

      Первое положение теории химического строения.
      Структурные формулы

      Основой теории Бутлерова является положение о химическом строении как определённой последовательности химических связей между атомами в молекулах в строгом соответствии с их валентностью. Рассмотрим основные положения теории химического строения.

      Напомним, что валентность — это способность атомов химических элементов образовывать определённое число связей с другими атомами. Для соединений с ковалентными связями валентность равна числу общих электронных пар данного атома с соседними атомами.

      Наглядно продемонстрировать валентность атомов в молекуле можно с помощью структурных формул. Структурная формула — это такое изображение молекулы, в котором каждая ковалентная химическая связь показана чёрточкой — валентным штрихом.


      В органических соединениях углерод проявляет постоянную валентность, равную четырём. Например, структурная формула простейшего углеводорода метана СН4 имеет вид


      Атомы углерода обладают уникальной способностью образовывать связи не только с атомами других элементов, но и друг с другом; при этом возникают различные цепи — линейные, разветвлённые, замкнутые:

      Атомы углерода во всех приведённых примерах четырёхвалентны и образуют между собой и с атомами водорода простые, или одинарные, связи.


      Но этим уникальные особенности атомов углерода как химического элемента не исчерпываются. Два атома могут быть связаны между собой и с другими атомами не только простыми, но и кратными, т. е. двойными или даже тройными, связями, например:

      Теперь вам становится понятна одна из причин многообразия органических соединений. Она заключается в том, что атомы углерода способны образовывать между собой ковалентные химические связи (простые и кратные), соединяясь в цепи (неразветвлённые, разветвлённые, циклические).

      Второе положение теории
      химического строения. Изомерия

      Первое вещество — этиловый спирт и второе — диметиловый эфир имеют одинаковый состав, но их физические и химические свойства различны. Вы впервые встретились с очень распространённым в органической химии явлением — изомерией.

      Вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный элементный состав, но различное химическое строение, а следовательно, и различные свойства, называют изомерами. Явление существования изомеров называют изомерией.

      А. М. Бутлеров не только впервые объяснил существование изомеров различием в химическом строении молекул, но и сумел предсказать существование изомеров для уже известных веществ, а затем и синтезировать их. В этом заключается выдающаяся предсказательная роль теории строения.

      Таким образом, молекулярная формула отражает только качественный и количественный состав вещества. Информацию о химическом строении соединения несёт структурная формула, указывающая на порядок связи атомов в молекулах. Помимо полной структурной формулы наподобие тех, которые изображены выше, на практике чаще используют сокращённые структурные формулы, сворачивая близлежащие группы атомов, не записывая ненужные при этом валентные штрихи. Например, особенности строения этилового спирта и диметилового эфира вполне однозначно передают формулы:


      Более детальную информацию о химическом строении вещества, в частности о взаимном расположении атомов в пространстве, дают объёмные модели молекул — модели Стюарта—Бриглеба.

      Явление изомерии — ещё одна причина многообразия органических соединений.

      Третье положение теории химического строения

      В молекуле диметилового эфира все атомы водорода связаны только с атомами углерода. Становится понятно, почему, в отличие от этилового спирта, диметиловый эфир не способен реагировать с металлическим натрием.

      Теория химического строения, предложенная А. М. Бутлеровым, сыграла в органической химии такую же огромную роль, как периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева в неорганической химии. Она позволила систематизировать все накопленные сведения об органических веществах и объяснить причины их многообразия. Но самое главное — теория строения сделала осмысленным и целенаправленным синтез новых органических веществ и изучение их химических свойств. Она настолько многогранна и динамична, что и сегодня является основополагающим учением не только органической, но и всей современной химии.

      Основные выводы по теме конспекта:

      1. Научной основой органической химии является современная теория химического строения органических соединений. Некоторые положения этой теории:
      • атомы в молекулах соединены друг с другом согласно их валентности, причём углерод в органических веществах всегда четырёхвалентен;
      • свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от их строения (химического, электронного и пространственного);
      • атомы в молекулах влияют друг на друга.
      1. Химическим строением называют порядок расположения атомов в молекуле согласно их валентности.
      2. Химическое строение отображают с помощью химических формул: молекулярных и структурных (полных или сокращённых).
      3. Материальные модели, отражающие состав и пространственное строение молекул органических соединений, бывают двух видов: шаростержневые и объёмные.
      4. Причины многообразия органических веществ — это: способность атомов углерода соединяться друг с другом, образуя различные цепи (линейные, разветвлённые, циклические); способность атомов углерода образовывать связи различной кратности (одинарные, двойные, тройные); явление изомерии.

      Читайте также: