Тема Органічні речовини. Теорія хімічної будови органічних сполук. Ковалентні зв’язки. Структурні формули



Скачати 168.47 Kb.
Дата конвертації07.01.2017
Розмір168.47 Kb.
Тема 1. Органічні речовини. Теорія хімічної будови органічних сполук. Ковалентні зв’язки. Структурні формули

Короткі відомості з історії становлення

і розвитку органічної хімії

 Історична довідка. Витоки органічної хімії сходять до глибокої старовини (вже тоді знали про спиртне і оцтовокисле бродіння, фарбування індиго і алізарин). Проте ще в середні століття (період алхімія ) були відомі лише небагато індивідуальних органічних речовин. Всі дослідження цього періоду зводилися головним чином до операцій, за допомогою яких, як тоді думали, одні прості речовини можна перетворювати на інших. Починаючи з 16 ст (період ятрохимії ) дослідження були направлені в основному на виділення і використання різних лікарських речовин: було виділено з рослин ряд ефірних масел, синтезований простий діетиловий ефір, сухою перегонкою деревини отримані деревний (метиловий) спирт і оцтова кислота, з винного каменя — винна кислота, перегонкою свинцевого цукру — оцтова кислота, перегонкою янтарю — янтарна кислота. Велика роль в становленні органічної хімії належить А. Лавуазье, який розробив основні кількісні методи визначення складу хімічних сполук, надалі послідовно покращувані Л. Тенаром, Й. Берцеліусом, Ю. Лібіхом, Же. Дюма . Принципи цих методів (спалювання речовини в атмосфері кисню, вловлювання і зважування продуктів згорання — CО 2 і H 2 O) лежать в основі сучасного елементного аналізу, у тому числі і мікроаналізу. В результаті аналізу великого числа різних речовин уявлення, що домінувало раніше, про принципову відмінність речовин рослинного і тваринного походження поступово втрачало позиції.

Вперше назва «органічні сполуки» зустрічається в кінці 18 ст. Термін «органічні сполуки» був введений Берцеліусом в 1827 (у написаному їм першому керівництві по органічної хімії). Явище ізомерії було відкрите Ф. Велером і Лібіхом в 1822—23 роках. Перший синтез органічної речовини здійснив Ф.Велер, що отримав в 1824 щавелеву кислоту з диціану і в 1828 році, сечовину нагріванням ціановокислого амонія. Починаючи з середини 19 ст число органічних речовин, що добували синтетично, швидко зростає. Так, в 1842 Н. Зінін відновленням нітробензолу отримав анілін, в 1845 А. Кольбе синтезував оцтову кислоту, в 1854 П.Бертло — речовини класу жирів. У 1861 А. М. Бутлеров отримав першу штучну цукристу речовину, названу їм метіленітаном, з якого згодом була виділена сахароза. Синтетичний напрям в органічній хімії набуває все більшого значення. В результаті успіхів синтезу пануюче ідеалістичне уявлення про необхідність «життєвої сили» для створення органічних речовин було знехтуване.

Теоретичні уявлення в органічній хімії почали розвиватися з 2-ої чверті 19 ст, коли була створена радикалів теорія (Лібіх, Велер, Е. Франкленд, Р. Бунзен і ін.). Основне її положення про перехід групи атомів — радикалів з однієї сполуки в іншу в незмінному вигляді залишається в великому числі випадків справедливим і в наш час. На цій підставі засновано багато фізичних і хімічних методів дослідження речовин невідомої структури. Згодом (1834—39 роки) Дюма показав можливість заміщення позитивно заряджених атомів в радикалі на електронегативні без серйозних змін електрохімічного характеру радикала, що до Дюма вважалося за неможливим.

На зміну теорії радикалів прийшла  теорія типів (1848—51, 1853), створена Дюма, Ш. Жераром і О. Лораном . Останнім удалося класифікувати органічні речовини. Так, спирти вважалися сполками типа води, аміни — типа аміаку, галогеналкили — типа хлористого водню. Пізніше Ф. А. Кекуле встановив сполуки четвертого типа — типа метану, з якого він добував всі вуглеводні. Теорія типів дозволила створити чітку класифікацію органічних сполук, яка лежить в основі сучасної класифікації органічних речовин. Проте ця теорія прагнула лише до пояснення реакційної здатності органічних речовин і заперечувала принципову можливість пізнання їх будови. У 1853 Франкленд, вивчаючи металоорганічні сполуки, ввів уявлення про валентність. У 1857 Кекуле висловлює думку про можливість сполучення атомів Карбону один з одним і доводить чотиривалентність Карбону. У 1858 А. Купер, використовуючи правило валентності і положення Кекуле про сполучення атомів Карбону, вперше відходить від теорії типів і пише формули органічних речовин, дуже близькі до сучасних. Проте ідеї теорії типів залишалися ще дуже сильними і створення теорії продовжувало відставати від розвитку експерименту.

В 1861 Бутлеров створив теорію хімчної будови органічних речовин. Він ввів в органічну хімію ряд нових понять: про хімічний зв'язок, порядок зв'язків атомів в молекулі, про взаємний вплив атомів, безпосередньо зв'язаних або не зв'язаних один з одним, і ін. Теорія будови Бутлерова блискуче пояснила ті питання, що залишалися незрозумілими. У 1864 Бутлеров передбачив можливість ізомерії вуглеводнів і незабаром (1867) підтвердив це синтезом ізобутана. Створене Бутлеровим струнке учення лежить в основі сучасних уявлень про хімічну будові органічних речовин. Одне з найважливіших положень теорії будови — про взаємний вплив атомів — згодом було розвинено В.В.  Марковниковим . Детальне вивчення цього впливу сприяло подальшому розвитку теорії будови і уявлень про розподіл електронної густини,і про реакційну здатність органічних сполук.

В 1869 І. Вісліценус показав, що явище ізомерії спостерігається і при абсолютно однаковій послідовності сполучення атомів в молекулі. Він довів ідентичність будови звичайною молочної кислоти і м'ясо-молочною і прийшов до висновку, що тонкі відмінності у властивостях молекул з однаковою структурою слід шукати в різному розташуванні їх атомів в просторі. У 1874 Я. Вант-Гофф і французький хімік Ж. Ле Бель створили теорію просторового розташування атомів в молекулі — стереохімію . У основі цієї теорії, по Вант-Гоффу, лежить уявлення про модель тетраедра чотиривалентного атома Карбону і про те, що оптична ізомерія є наслідком просторової асиметрії молекули, в якій атом Карбону сполучений з чотирма різними замісниками. Вант-Гофф висловив також припущення про можливість інші види просторової ізомерії за відсутності в молекулі асиметричного атома Карбону. Незабаром Вісліценус довів, що фумарова кислота, яку раніше вважали полімером малеїнової кислоти, є її геометричним ізомером (геометрична, або цис-транс -ізомерія). Стереохимічне учення могло бути створене лише на основі уявлень про структурну будову молекули в бутлеровському розумінні.

До кінці 19 ст накопичився великий фактичний матеріал, у тому числі і по будові ароматичних сполук; зокрема, широко була вивчена хімія бензолу, відкритого М. Фарадєєм в 1825 році. Перша теорія будови ароматичних сполук була створена в 1865 Кекуле. У ній висловлюється думка про те що атоми Карбону в органічних сполуках можуть утворювати кільця. Згідно цієї теорії, бензол володіє симетричною структурою унаслідок кільцеподібної будови сполучених почергово простими і подвійними зв'язками шести метінових СН-груп. Стійкість бензолу до сильних окислювачів і деякі інші ароматичні властивості бензолу і його похідних також суперечили запропонованій формулі. Тому Кекуле ввів (1872) уявлення про осциляцію (швидкому переміщенні) подвійних зв'язків і усунув формальні відмінності між двома орто-положеннями. Не дивлячись на те, що будова бензолу по Кекуле знаходилася в протиріччі з даними про його фізичні і хімічні властивості, вона довгий час без всяких змін приймалась переважним числом хіміків.

Таким чином, залишилася низка запитань, не вирішених з точки зору «класичної» теорії будови. До цих питань відноситься і своєрідність властивостей багатьох інших сполук. Будова бензолу і інших ароматичних систем могла бути встановлене лише з появою фізичних методів дослідження і з розвитком квантово-хімічних уявлень про будову органічних речовин.

Хімія сполук вуглецю називається органічною хімією. Так визначив предмет органічної хімії великий російський хімік О.М. Бутлеров. Проте не всі сполуки вуглецю належать до органічних. Такі найпростіші речовини, як оксид вуглецю (II) СО, оксид вуглецю (IV) СО2, вугільна кислота Н2СО3 та її солі, наприклад СаСО3, К2СО3 належать до неорганічних речовин.

До складу органічних речовин крім вуглецю можуть входити і інші елементи найчастіше - це водень, галогени, кисень, азот, сірка та фосфор. Існують також органічні сполуки, що містять інші елементи, в тому числі метали.

Спочатку об'єктом вивчання органічної хімії були лише речовини, виділені з рослинних або тваринних організмів. У 1828 р. німецький хімік Ф.Велер вперше добув штучно (синтезував) органічну сполуку - сечовину. З цього часу почався бурхливий розвиток органічного синтезу: добуто велику кількість сполук, які не зустрічаються у природі. Предметом вивчення сучасної органічної хімії є всі органічні речовини - як природні, так і синтетичні.

Органічна хімія має велике наукове і практичне значення. Вона сприяє розвитку суміжних галузей науки - біології, медицини, біохімії, агрохімії тощо.

Сучасна хімічна промисловість виробляє важливі для народного господарства продукти - органічні речовини: пластмаси, волокна, каучук, гуму, смоли, бензин, мастила, спирти, розчинники, клеї, фарби тощо. Органічну сировину використовують численні галузі промисловості: нафтохімічна і нафтопереробна, фармацевтична, лісохімічна, харчова.

Велике значення має органічна хімія для сільського господарства. Органічні добрива, засоби боротьби з шкідниками рослин, засоби, що прискорюють або сповільнюють ріст рослин і розвиток плодів, - все це органічні речовини.

Велику роль у розвитку органічної хімії відіграла теорія хімічної будови органічних сполук, засновником якої був великий російський хімік - органік О.М. Бутлеров. Розглянемо основні положення цієї теорії.

До робіт О.М.Бутлерова не приділялося достатньо уваги уявленням про розміщення атомів у молекулах, хоча атомно-молекулярне вчення вже утвердилося в хімії. О.М. Бутлеров ввів поняття про хімічну будову - чітко визначений порядок розміщення атомів у молекулі. В основу теорії будови було покладено валентність елементів - важливу властивість атомів, яка характеризує їхню здатність до утворення хімічних зв'язків. Згідно з теорією Бутлерова в молекулах речовин атоми сполучені один з одним у певній послідовності відповідно до їхньої валентності, тобто молекули мають точну хімічну будову.

О.М. Бутлеров припускав, що вуглець в органічних сполуках чотирьохвалентний, тобто може бути сполучений з чотирма іншими одновалентними атомами. При цьому атоми вуглецю можуть сполучатися один з одним і з атомами різних елементів. Дослідження будови атомів і природи хімічного зв'язку підтвердили ці припущення. Згідно з сучасними електронними уявленнями хімічний ковалентний зв'язок виникає за рахунок неспарених електронів атома. Так, атом вуглецю при утворенні органічної сполуки переходить з основного електронного стану в збуджений.

Чотири орбіталі атома вуглецю, що містять неспарені електрони, дають змогу атому утворити чотири ковалентних зв'язки, тобто бути чотирьохвалентними у сполуках.

Хімічну будову молекул органічних речовин записують за допомогою структурних формул, у яких зазначають усі їх хімічні зв'язки між атомами, зв'язок зображають рискою. Згідно з електронною теорією одна риска в структурних формулах означає електронну пару, що сполучає атоми.

Так, структурні формули органічних сполук етану С2Н6, етилену С2Н4 і пропану С3Н8 мають такий вигляд:

snag-001
Структурні формули сполук можна зображувати у спрощеній формі, вказуючи тільки зв'язки між атомами вуглецю. Наприклад, формули етану, етилену і пропану можна записати так:

СН3 - СН3 ; СН2 = СН2 ; СН3 - СН2 - СН3 .

Такий запис широко використовується в органічній хімії.

До створення теорії хімічної будови вважалося, що властивості сполук визначаються тільки їх складом. Це багато в чому правильне положення не могло пояснити явища ізомерії - прояву різних властивостей речовинами, що мають однаковий склад. Такі речовини дістали назву ізомерів. Наприклад, складу С2Н6О відповідають дві органічні сполуки - етиловий спирт (етанол) і диметиловий ефір, які відрізняються за хімічними і фізичними властивостями. Наприклад, етанол реагує з натрієм (при цьому виділяється водень), має температуру кипіння 78С; диметиловий ефір з натрієм не реагує, кипить при температурі - 24С.

О.М. Бутлеров показав, що властивості речовин залежать від хімічної будови молекул. Отже, теорія О.М. Бутлерова пояснює явище ізомерії різним розміщенням атомів у молекулах. У прикладі з речовинами складу С2Н6О відмінність у їхніх властивостях зумовлено тим, що етиловий спирт і диметиловий ефір мають різну хімічну будову:

snag-002

На підставі своєї теорії О.М. Бутлеров висловив припущення про існування деяких речовин. Так, він передбачив, що складу С4Н10 мусять відповідати дві речовини: нормальний бутан і ізобутан. Дійсно, ним був синтезований ізобутан, що підтвердило правильність теоретичних припущень.

Атоми в молекулах впливають один на одного, при цьому найбільш сильний взаємний вплив виявляється у сполучених безпосередньо атомів. Наприклад, до складу молекули етилового спирту входять шість атомів водню, проте лише один з них має досить високу рухливість і може бути заміщений на метал:

2C2Н5ОН+ 2Nа 2С2Н5ОNа + Н2

Рухливість одного атома водню пояснюється впливом сполученого з ним атома кисню. Цей атом кисню впливає і на найближчі атоми вуглецю. Наприклад, якщо окислювати дану речовину, то зміни відбуваються лише з атомом вуглецю, який сполучений з киснем:

С2Н5ОН + О  СН3СОН+ Н2О

Основні положення теорії хімічної будови полягають ось у чому:

1) атоми в молекулах сполучені у певній послідовності, тобто молекули мають певну хімічну будову;

2) будова молекул зумовлена електронною будовою атомів, що входять до складу молекул;

3) властивості речовини визначаються хімічною будовою молекул та їхнім складом;

4) атоми в молекулах чинять взаємний вплив один на одного, тобто реакційна здатність атомів залежить від того, з якими атомами вони сполучені в молекулі.

Вуглеводні - це сполуки, які складаються із вуглецю і водню. Загальна формула .

snag-003

Хімічні з зв'язки діляться на типи по принципу їх електронної будови. Гетерополярний (електровалентний, іонний) зв'язок. При утворенні гетерополярного зв'язку відбувається передача електрону від одного атому до другого, перший перетворюється у позитивно заряджений іон (катіон), другий - в негативно заряджений іон (аніон). Схематично це можна відобразити таким чином:


Іонний зв'язок володіє рядом особливостей: значною полярністю, немає визначеного напрямку у просторі, а молекули сполук с таким зв'язком відрізняються здібністю до дисоціації на іони і сольватацією останніх високополярних розчинниках; високою швидкістю проходження реакцій з їх участю; розчинність у полярних розчинниках; електропровідністю розчинам; високими температурами плавлення та кипіння.



Ковалентний (гомеополярний) зв'язок. Більшість молекул органічних сполук, збудовані за допомогою ковалентного зв'язку, які виникають за утворенням одної чи декілька електронних пар, які стають загальними для взаємодіючих атомів:

Ковалентний зв'язок утворюють атоми володіючи рівною електронегативністю. З'являється єдина електронна хмарка, густина якої між ядрами особливо велика, що забезпечує стійкість молекули.

Ковалентний зв'язок може бути охарактеризований довжиною зв'язку, направленістю у просторі, енергією утворення, полярністю, поляризуємостю. Одною з особливістю ковалентного зв'язку є її визначений просторовий напрямок, який може бути охарактерезований за допомогою валентного кута. Валентний кут між зв'язками атома вуглецю залежить від типа гібридизації, від атома, з яким він пов'язаний. Визначення валентних кутів виробляють рентгенографічним, електронографічним та спектральними методами.

Водневий зв'язок. Зв'язок виникаючий між електронегативними атомами, який містить одну вільну електронну пару (О, N, S) та ковалентну зв'язаним атомам водню, який володіє підвищеною рухомістю називається водневий зв'язок.

Гібридизація орбіталей. Не в збудженому атомі вуглецю () на першому електронному рівні знаходяться два спарених електрони (), а на другому електронному рівні - два спарених електрона на 2s - орбіталі (2s2) і по одному неспареному електронах на двох р-орбіталях (і ), а одна р-орбіталь залишається вільною (). У такому стані вуглець повинен бути двух- валентним. Однак добре відомо, що у подавленій більшості сполук вуглець чотирьохвалентний і що усі чотири зв'язки у такого роду симетричних структурах (СХ4) однакові.

Суть цього поняття заключається у тому, що близькі по енергії ті маючі загальний елемент симетрії молекулярні оробіталі можуть взаємодіяти між собою, утворюючи так називаємі гібридні орбіталі з більш низькою енергією.

Так, при взаємодії s-орбіталі з орбіталью утворюються sp-гібридизовані орбіталі, наприклад, у атомів вуглецю ацетилену та ориєнтировані по осі . Такий тип гібридизації називається sp-гібридизація.

Електронегативність атому вуглецю, дорівнює 2,5; характеризує атоми вуглецю у степені гібридизації sp3.



Фізична природа ковалентного зв'язку. Атомні орбіталі. Зоммерфільд ввів друге квантове число  - азимутальне квантове число та предполагає, що електрони можуть знаходитись не тільки на кругових, но і на еліпсових орбіталях. При головному квантовому числі n друге квантове число  могло прийняти значення від 0 до n-1. Кожному значенню  відповідала якась форма електронної орбіталі, яка позначалась як s (при  = 0), р (при  = 1), d (при  = 2) і т. п.

Хвильове рівняння Шредингера. Якщо позначити рішення хвильового рівняння Шредингера через   y, z) та назвати його хвильову функцією, то 2  y, z) виходить пропорціональним р  y, z). Підібрав відповідний постійний числовий множник, можна получити

2  y, z) = р  y, z),

при цьому хвильова функція залишиться визначенням рівняння Шредингера.

При рішенні хвильового рівняння Шредингера  є у де яких областях позитивна, а у де яких негативна. Оскільки імовірність має суть лише у межах позитивного значення від 0 до 1, то у загалі використовують величину 2 , а не просто , коли хочуть пов'язати хвильову функцію з поняттям густини можливості.


Класифікація органічних сполук залежно від будови карбонового скелета 

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image001.jpg

Ациклічні сполуки — це сполуки з відкритим (незамкнутим) карбоновим ланцюгом. Ці сполуки називаються також аліфатичними.

Серед ациклічних сполук розрізняють насичені, що містять у скелеті лише одинарні зв’язки C-C, і ненасичені, які включають кратні зв’язки C = C і C http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image002.png C.image3

 Ациклічні сполуки : насичені 

 

ненасичені:

 image5

Циклічні сполуки — це сполуки із замкнутим карбоновим ланцюгом.

Залежно від природи атомів, що становлять цикл, розрізняють карбоциклічні й гетероциклічні сполуки.

Карбоциклічні сполуки містять у циклі лише атоми Карбону. Вони поділяються на дві групи, що істотно відрізняються за своїми хімічними властивостями: аліфатичні циклічні (скорочено — аліциклічні) й ароматичні сполуки.

Карбоциклічні сполуки : аліциклічніhttp://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image005.jpg

 

 



Ароматичні:http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image006.jpg

 

 



Гетероциклічні сполуки містять у циклі, крім атомів Карбону, один або кілька атомів інших елементів — гетеро-атомів (від грецьк. heteros — «інший») — Оксиген, Нітроген, Сульфур та ін.

Гетероциклічні сполуки:http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image007.jpg

 

 



 

Класи органічних сполук 

Функціональна група

Назва групи

Класи сполук

Загальна формула

Приклад

-OH

Гідроксил

Спирти

R - OH

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image008.jpg

Феноли

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image009.jpg

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image010.jpg

Карбоніл

Альдегіди

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image011.jpg

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image012.jpg

Кетони

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image013.jpg

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image014.jpg

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image015.jpg

Карбоксил

Карбонові кислоти

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image016.jpg

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image017.jpg

-NO2

Нітро-група

Нітро-сполуки

R-NO2

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image018.jpg

-NH2

Аміногрупа

Аміни

R-NH2

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image019.jpg

-F, -Cl, -Br, -I (Hal)

Флуор, Хлор, Бром, Йод (галоген)

Галогено-похідні

R-Hal

http://subject.com.ua/lesson/chemistry/11klas/11klas.files/image020.jpg

 

 Список літератури для підготовки:



  1. Бобрівник Л.Д., Руденко В.М., Лезенко Г.О. Органічна хімія. Підруч. для студ. вищ. навч. закл. – К.: Ірпінь: ВТФ “Перун”, 2005. – 544 с

  2. Домбровський А.В., Найдан В.М. Органічна хімія. К.: Вища школа, 1992. – 280 с

  3. Ластухін Ю.О., Воронов С.А. Органічна хімія (Підручник), Львів: «Центр Європи» вид. 2-ге вид., перероб. і доп., 2001. — С. 864.

  4. Попель П.П., Крикля Л.С. : підручник для 9 кл. загальноосвітніх навч. закладів – К.: ВЦ «Академія», 2009. - 232 с.:іл.

  5. Попель П.П., Крикля Л.С. : підручник для 10 кл. загальноосвітніх навч. закладів – К.: ВЦ «Академія», 2010. - 208 с.:іл.

  6. Попель П.П., Крикля Л.С. : підручник для 11 кл. загальноосвітніх навч. закладів (академічний рівень)– К.: ВЦ «Академія», 2011. - 352 с.:іл.


Поділіться з Вашими друзьями:


База даних захищена авторським правом ©divovo.in.ua 2017
звернутися до адміністрації

войти | регистрация
    Головна сторінка


загрузить материал