Предмет органической химии. Основные положения теории химического строения органических веществ

I. Предмет органической химии

К началу XXI века химики выделили в чистом виде миллионы веществ. При этом известно более 18 миллионов соединений углерода и меньше миллиона соединений всех остальных элементов.

Рост числа известных органических соединений

Соединения углерода в основном относят к органическим соединениям.

Вещества стали разделять на органические и неорганические с начала XIX века. Органическими называли тогда вещества, выделенные из животных и растений, а неорганическими – добытые из минералов. Именно через органический мир проходит основная часть круговорота углерода в природе.

Круговорот углерода в природе

Из соединений, содержащих углерод, к неорганическим традиционно относят графит, алмаз, оксиды углерода (CO и CO2), угольную кислоту (H2CO3), карбонаты (например, карбонат натрия – сода Na2CO3), карбиды (карбид кальция CaC2), цианиды (цианистый калий KCN), роданиды (роданистый натрий NaSCN).

Более точное современное определение: органические соединения – это углеводороды и их производные.

Простейший углеводород – это метан. Атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя цепи любой длины. Если в таких цепях углерод связан еще и с водородом – соединения называются углеводородами. Известны десятки тысяч углеводородов.

Модели молекул метана СН4, этана С2Н6, пентана С5Н12

Производные углеводородов – это углеводороды, в которых один или несколько атомов водорода замещены атомом или группой атомов других элементов. Например, один из атомов водорода в метане можно заместить на хлор, или на группу ОН, или на группу NH2.

Метан CH4, хлорметан CH3Cl, метиловый спирт CH3OH, метиламин CH3NH2

В состав органических соединений, кроме атомов углерода и водорода, могут входить атомы кислорода, азота, серы, фосфора, реже галогенов.

Чтобы оценить значение органических соединений, которые нас окружают, представим себе, что они вдруг исчезли. Нет деревянных предметов, книг и тетрадей, нет сумок для книг и шариковых ручек. Исчезли пластмассовые корпуса компьютеров, телевизоров и других бытовых приборов, нет телефонов и калькуляторов. Без бензина и дизельного топлива встал транспорт, нет большинства лекарств и просто нечего есть. Нет моющих средств, одежды, да и нас с вами…

Органических веществ так много из-за особенностей образования химических связей атомами углерода. Эти небольшие атомы способны образовывать прочные ковалентные связи друг с другом и с неметаллами-органогенами.

В молекуле этана С2Н6 друг с другом связаны 2 атома углерода, в молекуле пентана С5Н12 – 5 атомов, а в молекуле всем известного полиэтилена сотни тысяч атомов углерода.

Строение, свойства и реакции органических веществ изучает органическая химия.

II. Предпосылки создания теории химического строения органических веществ

Органическая химия изучает соединения, основу которых составляют атомы углерода, связанные между собой и многими элементами периодической системы простыми и кратными связями, способные образовывать линейные и разветвленные цепи, циклы, полициклы и др.

Историческая справка

Впервые понятия об органических веществах и об органической химии ввёл шведский учёныйБерцелиус. В своём учебнике химии Берцелиус (1827) высказывает убеждение, что "... в живой природе элементы повинуются иным законам, чем в безжизненной" и что органические вещества не могут образовываться под влиянием обычных физических и химических сил, но требуют для своего образования особой "жизненной силы". Органическую химию он и определил, как химию растительных и животных веществ. Последующее развитие органической химии доказало ошибочность этих взглядов.

В 1928 году Вёллер показал, что неорганическое вещество-циановокислый аммоний-при нагревании превращается в продукт жизнедеятельности животного организма-мочевину.

В 1845 г. Кольбе синтезировал органическое вещество-уксусную кислоту, в качествеисходных веществ он использовал древесный уголь, серу, хлор и воду. За сравнительно короткий период были синтезированы и другие органические кислоты, которые раньше выделялись только из растений.

В 1854 г. Бертло удалось синтезировать вещества, относящиеся к классу спиртов.

В 1861 г. А.М.Бутлеров действуя известковой водой на параформальдегид впервые осуществил синтез метиленитана, которое относится к сахарам, которые играют важную роль в процессах жизнедеятельности организмов. 
Развитиие органической химии требовали разрешения вопроса, являются ли молекулы беспорядочным нагромождением атомов, удерживаемых силами притяжения, или же они представляют собой частицы с определённым строением, которое можно установить, исследуя свойства вещества. В органической химии к тому моменту накопились факты и обобщения, которые могли служить основойсдля решения вопроса о строении молекул.
Решающую роль сыграло открытие валентности элементов. Её открытие непосредственно подводило к мысли, что молекулы имеют определённое строение. Оставался открытым вопросяяяяяя. как определять строение молекулы. Этот вопрос не мог быть решён без подлинно научной теории органической химии, которая и была создана А.М.Бутлеровым в 1861 году. Он писал:"Исходя из мысли, что каждый химический атом, входящий в состав тела, принимает участие в образовании этого последнего и действует здесь определённым количеством принадлежащей ему химической силы, я называю химическим строением распределение действия данной сил, вследствие которого химические атомы, посредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу."

Фильм: “Александр Бутлеров – великий русский химик”

Интерактив learningapps.org: “История развития органической химии (для ознакомления с основными этапами ХІХ ст)”

Вывод:

1. Органическая химия – изучает соединения углерода (кроме простейших - СО, СО2, угольной кислоты и её солей)

2. Органогены – химические элементы, входящие в состав органических соединений – С, H,N, O, P, S – основа жизни белков, жиров, углеводов, витаминов и др.

3. Органическая химия как наука зародилась к началу XIX века, когда были синтезированы первые органические вещества.

4. 1861 год А. М. Бутлеров создал теорию химического строения органических соединений

III. Видео-фильм: “А.М. Бутлеров и теория строения органических соединений”

Основные положения теории химического строения органических веществ

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определённом порядке, согласно их валентностям (C(IV), O(II), S(II), N(III)),

2. Порядок соединения атомов – химическое строение.

3. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от химического строения

4.Явление существования веществ с одинаковым качественным и количественным составом, но разным химическим строением, называется изомерией, а вещества изомерами.

5. Атомы и группы атомов в молекуле взаимно влияют друг на друга.

Значение теории – предсказание свойств по строению, возможность систематизации соединений, предсказание и синтез новых соединений.

6. Многообразие органических соединений объясняется:

• Углеродные атомы соединяются друг с другом одинарными и кратными связями, образуя прямые, разветвлённые, замкнутые цепи.
• Гомология.

• Существование явления изомерии.

Анимация: “Строение органических соединений. Структурные формулы”

IV. Тренажёры

Тренажер №1. “Причина огромного числа и многообразия органических веществ”

Тренажер №2. “Развитие органической химии в XIX веке”

Тренажер №3. “Элементы, атомы которых образуют органические вещества”

Тренажер №4. “Валентность атомов элементов, образующих органические соединения”

Тренажер №5. “Зависимость свойств органических веществ от качественного и количественного состава, а также от химического строения”

ЦОРы

Органическая химия. Органические вещества

Органические вещества, созданные человеком

Природные органические вещества

Природные органические вещества: белки

Природные органические вещества: глюкоза

Природные органические вещества: жиры

Природные органические вещества: крахмал

Природные органические вещества: целлюлоза

Великий русский ученый А. М. Бутлеров

Интерактив learningapps.org: “История развития органической химии (для ознакомления с основными этапами ХІХ ст)”

Анимация: “Строение органических соединений. Структурные формулы”

Фильм: “Александр Бутлеров – великий русский химик”

Видео-фильм: “А.М. Бутлеров и теория строения органических соединений”

 Документы (всего: 1)

1.

Формирование органической химии.ppt

Скачать

Hекоторые файлы и информация, находящиеся на данном сайте, были взяты из методической литературы, найдены в сети Интернет, как свободно распространяемые (авторство данных материалов сохранено). 
Если Вы являетесь правообладателем той или иной продукции или информации, и условия, на которых она представлена на данном ресурсе, не соответствуют действительности, просьба сообщить об этом с целью устранения правонарушения.

сайт создан в рамках проекта «Каждому учителю - профессиональный сайт»
www.teacher-site.ru

ЗАГРУЖАЕТСЯ...

Изомерия

I. Строение органических веществ. Явление изомерии

Изомеры – вещества с одинаковым строением молекулы, но разными химическим строением и свойствами.

Изомеры. Изомерия

II. Виды изомерии

1. Структурная – заключается в различной последовательности соединения атомов в цепи молекулы:

1) Изомерия углеродной цепи (углеродного скелета)

Следует отметить, что атомы углерода в разветвленной цепи различаются типом соединения с другими углеродными атомами. Так, атом углерода, связанный только с одном другим углеродным атомом, называется первичным, с двумя другими атомами углерода – вторичным, с тремя – третичным, с четырьмя – четвертичным.

Структурная изомерия: изомерия углеродного скелета

2) Изомерия положения

• положения кратных связей

Структурная изомерия: изомерия положения кратных связей (двойных и тройных)

• положения функциональных групп

Структурная изомерия: изомерия положения функциональных групп

3) Изомерия межклассовая

Структурная изомерия: изомерия различных классов органических соединений

4) Таутомерия

Таутомери́я (от греч. ταύτίς — тот же самый и μέρος — мера) — явление обратимой изомерии, при которой два или более изомера легко переходят друг в друга. При этом устанавливается таутомерное равновесие, и вещество одновременно содержит молекулы всех изомеров в определённом соотношении. Чаще всего при таутомеризации происходит перемещение атомов водорода от одного атома в молекуле к другому и обратно в одном и том же соединении.

Пример, таутомерные формы глюкозы:

1. Линейная форма глюкозы (альдегидоспирт)

2. Перегруппировка атомов и переход в циклические формы глюкозы (alha и beta)

2. Пространственная изомерия (стерео) – обусловлена различным положением атомов или групп относительно двойной связи или цикла, исключающих свободное вращение соединённых атомов углерода.

Пространственная изомерия

1. Геометрическая (цис -,  транс – изомерия)

2. Оптическая 

Если атом углерода в молекуле связан с четырьмя различными атомами или атомными группами, например: 

то возможно существование двух соединений с одинаковой структурной формулой, но отличающихся пространственным строением. Молекулы таких соединений относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение и являются пространственными изомерами.

Изомерия этого вида называется оптической, изомеры – оптическими изомерами или оптическими антиподами:

Молекулы оптических изомеров несовместимы в пространстве (как левая и правая руки), в них отсутствует плоскость симметрии. 
Таким образом, оптическими изомерами называются пространственные изомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.

Оптические изомеры аминокислоты

3. Конформационная изомерия 

Следует отметить, что атомы и группы атомов, связанные друг с другом σ -связью, постоянно вращаются относительно оси связи, занимая различное положение в пространстве друг относительно друга.

Молекулы, имеющие одинаковое строение и различающиеся пространственным расположением атомов в результате вращения вокруг С–С связей, называются конформерами.

Для изображения конформационных изомеров удобно пользоваться формулами – проекциями Ньюмена:

Явление конформационной изомерии можно рассмотреть и на примере циклоалканов. Так, для циклогексана характерны конформеры:

III. Тренажеры

Тренажер №1: “Изомерия положения кратных связей”

Тренажер №2: “Изомерия положения функциональных групп”

Тренажер №3: “Изомерия углеродного скелета”

Тренажер №4: “Изомеры”

ЦОРы

Видео: “Строение органических соединений” 

Учебный фильм: “Стереоизомерия”

Изображение 1 из 2

Классификация органических реакций. Классификация органических соединений

Данный урок познакомит вас с темой «Классификация органических реакций и соединений». Будут систематизированы знания учащихся об органических веществах, определены критерии классификации органических соединений и реакций. Вы узнаете о составлении схемы классификации органических веществ, что такое скелет молекул, как классифицируют вещества по классам и функциональным группам.

I. Классификация органических реакций

1. Классификация по механизму реакции

В зависимости от способа разрыва ковалентной связи в реагирующей молекуле органические реакции подразделяются на радикальные и ионные реакции.

1. Гомолитические (радикальные) реакции

Например, галогенирование алканов (реакция цепная)

CH4 + Cl2 hν → CH3Cl + HCl (1 стадия)              

CH3Cl + Cl2 hν → CH2Cl2 + HCl (2 стадия)

СH2Cl2 + Cl2 hν → CHCl3 + HCl (3 стадия)

CHCl3 + Cl2 hν → CCl4 + HCl (4 стадия)

Внимание! В реакциях замещения алканов легче всего замещаются атомы водорода у третичных атомов углерода, затем у вторичных и, в последнюю очередь, у первичных.

2. Гетеролитические (ионные)

Гетеролитический распад ковалентной полярной связи приводит к образованию нуклеофилов (анионов) и электрофилов (катионов):

а) 

б) H2O → H+ + OH-

Образовавшиеся ионы вступают в дальнейшие превращения, например:

CH3+     +       OH-        →     CH3OH

электрофил      нуклеофил

Ионные реакции  делятся по характеру реагента, действующего на молекулу, наэлектрофильные и нуклеофильные.

Электрофил E (любящий электроны) – это частица, которая атакует атом углерода органического соединения, отнимая у него электронную пару (является акцептором электронов). Примеры частиц – электрофилов: H3O+, H+, HCl, HNO3, NO2+, AlCl3 и др.

Нуклеофил N (любящий ядро) – это частица, которая атакует атом углерода, предоставляя ему электронную пару (является донором электронов). Такие частицы, как правило, обладают основными свойствами. К ним относятся: OH-, Cl-, S2-, NH3, H2O, R-OH, CH3O- и др.

Нуклеофильные реакции – это реакции органических веществ с нуклеофилами, т.е. анионами или молекулами, которые предоставляют электронную пару на образование новой связи:

СH3Br(субстрат)   +   NaOH(реагент-нуклеофил)   →   CH3OH + NaBr

Электрофильные реакции – реакции органических соединений с электрофильными реагентами, т.е. катионами или молекулами, которые имеют свободную орбиталь, готовые принять электронную пару для образования новой связи

C6H6 (субстрат) + HO:-  NO2+(реагент –электрофил) → C6H5–NO2 + H – OH 

2. Классификация по направлению и конечному результату химического превращения

Это реакции замещения, присоединения, отщепления (элиминирования), перегруппировки, окисления и восстановления.

Реакции замещения - замена атомов водорода или группы атомов на другой атом или группу атомов.

Реакции присоединения - введение атома или группы атомов в молекулу непредельного соединения, что сопровождается разрывом в этом соединении π – связей.

Реакции отщепления (элиминирование) - реакции, в ходе которых  происходит отщепление атомов или групп атомов от молекулы органического соединения с образование кратной связи.

Реакции изомеризации (перегруппировка) - реакции с изменением строения вещества, но с сохранением химического состава.

Реакции изомеризации

Типы химических реакций в органической химии

II. Классификация органических соединений

Углерод соединяется друг с другом одинарными и кратными связями (двойными и тройными), образуя прямые, разветвлённые и замкнутые цепи.

а) Прямая (неразветвлённая) цепь:

CH3 – CH2 – CH2 – CH3  

СH2 = CH – CH2 – CH3

CH ≡ C – CH2 – CH3

CH2 = CH – CH = CH2                                                                 

б) Разветвлённая цепь:

Классификация ациклических органических соединений

в) Замкнутая цепь:

К циклическим соединениям относятся карбоциклические

и гетероциклические соединения – содержащие в цикле кроме атомов углерода атомы других элементов – кислорода, азота и др.

Функциональные производные углеводородов

( -R  или   -СnH2n+1) - это углеводородный радикал, частица, образующаяся при отрыве атома водорода от молекулы предельного углеводорода (алкана)

Например,

-СН3 метил; -С2Н5 этил.

Классификация циклических органических соединений

Электронная природа химических связей в органических соединениях. Способы разрыва связей в молекулах органических веществ

Данный урок поможет вам получить представление о теме «Ковалентная связь в органических соединениях». Вы вспомните природу химических связей. Узнаете о том, за счет чего образуется ковалентная связь, что является основой этой связи. На этом уроке также рассматривается принцип построения формул Льюиса, рассказывается о характеристиках ковалентной связи (полярности, длине и прочности), объясняется теория А. Бутлерова

I. Электронная природа химических связей в органических соединениях

1. Все органические вещества содержат углерод. В молекулах органических веществ углерод переходит в возбуждённое состояние:

2. Органическим соединениям свойственны ковалентные связи. Ковалентная связь в молекулах характеризуется: энергией, длиной, насыщаемостью и пространственной направленностью.

а) Из курса химии 8 класса вы знаете, что ковалентная связь образуется за счёт перекрывания электронных облаков, при этом выделяется энергия, чем больше перекрывание, тем больше выделяется энергии и  тем прочнее связь.

Типы перекрываний электронных облаков в порядке возрастания их прочности и энергии выделяемой при образовании:

σ(s – s) < σ(s – p) < σ (p – p)

б) Длина связи определяется расстоянием между центрами ядер связывающихся атомов и измеряется в нанометрах (1 нм = 10-9 м). С повышением кратности связи (одинарная, двойная, тройная) длина становится меньше, а энергия выше:

(С – С)  <  (C = C)  <  (C ≡ C) 

в) Под насыщаемостью связи понимают способность образовывать строго определённое количество ковалентных связей.

г) Направленность ковалентной связи определяется взаимным расположением электронных облаков, участвующих в образовании химической связи. Ковалентная связь образуется в направлении максимального перекрывания электронных орбиталей взаимодействующих атомов. 

Вы уже знаете, что атом углерода содержит на внешнем уровне четыре валентных электрона:

1 электрон на s – орбитали сферической формы

3 электрона на трёх  p – орбиталях, орбитали имеют форму гантели и расположены под углом 90˚.

Рис.  Атом углерода в возбуждённом состоянии (s1px1py1pz1) 

Таким образом можно предположить, что в молекуле метана CH4 атом углерода не может образовать 4 одинаковых связи с четырьмя атомами водорода (1 атом водорода имеет 1 электрон на s – орбитали сферической формы).  Однако экспериментально доказано, что в молекуле метана все связи С – Н равноценны и направлены к вершинам правильного тетраэдра под углом 109˚28`.

В 1931 г. американский учёный Л. Полинг доказал, что в молекуле метана в момент образования молекулы электронные облака смешиваются и образуют гибридные электронные облака, происходит процесс гибридизации.

II. Гибридизация атомных орбиталей

Гибридизация – процесс смешения разных, но близких по энергии, орбиталей данного атома, с возникновением  того же числа новых гибридных орбиталей, одинаковых по форме и энергии.

В зависимости от числа вступивших в гибридизацию орбиталей атом углерода может находиться в одном их трёх состояний гибридизации: sp3, sp2, sp.

Явление гибридизации

1) sp3 – гибридизация

Происходит смешение одной s и трёх p орбиталей. Образуются четыре одинаковые гибридные орбитали, расположенные относительно друг друга под тетраэдрическим углом 109˚28`. Образуются 4 ковалентные σ – связи. 

Анимация: “Основные типы гибридизации атома углерода. SP3-гибридизация”

SP3-Гибридизация

Рис. Строение молекулы метана СН4 (тетраэдрическое)

2) sp2 – гибридизация:  

Происходит смешение одной s и двух p орбиталей. Образуются три одинаковые гибридные орбитали, они расположены относительно друг друга под углом 120˚,  лежат в одной плоскости и стремятся к вершинам треугольника. Образуются 3 ковалентные σ – связи.

Анимация: “SP2- гибридизация”

sp2-Гибридизация

Оставшаяся одна негибридизованная орбиталь расположена перпендикулярно  плоскости образования σ – связей и участвует в образовании  П - связи. 

Рис. Строение молекулы этилена С2Н4 (плоское тригональное) 

3) sp – гибридизация

Происходит смешение одной s и одной p орбитали. Образуются две одинаковые гибридные орбитали, они расположены относительно друг друга под углом 180˚,  лежат на одной линии. Образуются 2 ковалентные σ – связи. 

Анимация: “SP-гибридизация”

SP-Гибридизация

Оставшиеся две негибридизованные  орбитали расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях и образуют  две П - связи.

Рис. Строение молекулы ацетилена С2Н2 (линейное)

Направленность гибридных орбиталей в пространстве,  а следовательно, и геометрическое строение молекул зависят от типа гибридизации. На форму молекулы в пространстве влияет  направленность только σ – связей.

Типы гибридизации

III. Степень окисления атома углерода 

Для атома углерода  в органических соединениях характерны степени окисления от -4 до +4.

Пример №1

С-4H4

C-3H3 – C-3H3

C-2H2=C-2H2

C-1H ≡ C –1H

Пример №2  

Укажите степени окисления всех элементов в CH3CH2OH     

Решение. Нахождение степеней окисления в органических соединениях имеет свою специфику. В частности, необходимо отдельно находить степени окисления для каждого атома углерода. Рассуждать можно следующим образом. Рассмотрим, например, атом углерода в составе метильной группы (СН3 –) . Данный атом  С соединен с 3 атомами водорода и соседним атомом углерода. По связи С-Н происходит смещение электронной плотности в сторону атома углерода (т. к. электроотрицательность  углерода  превосходит ЭО водорода). Если бы это смещение было полным, атом углерода приобрел бы заряд -3.

Атом С в составе группы -СН2ОН связан с двумя атомами водорода (смещение электронной плотности в сторону С), одним атомом кислорода (смещение электронной плотности в сторону О) и одним атомом углерода (можно считать, что смещения эл. плотности в этом случае не происходит). Степень окисления углерода равна -2 +1 +0 = -1.  

Ответ: С-3H+13C-1H+12O-2H+1.

IV. Простая и кратная ковалентные связи

Способность атома углерода иметь разные степени окисления и лёгкость гибридизации позволяет атому углерода образовывать одинарные, и кратные (двойные и тройные связи) не только с другими атомами углерода, но и с атомами других элементов-органогенов:

СН3 – СН3 (1 σ – сигма связь С-С)

CH2=CH2 (1 σ – сигма связь С-С и 1 П – пи связь С-С)

CH ≡ CH (1 σ – сигма связь С-С и 2 П – пи связи С-С)

V. Способы разрыва связей в молекулах органических веществ и механизмы органических реакций

Разрыв ковалентной связи может происходить  двумя способами.

1. Разрыв связи, при котором каждый атом получает по одному электрону из общей пары, называется гомолитическим: 

Например,

CH4 свет→ CH3∙  +   ∙H

Cl2  свет→ Cl∙  +   ∙Cl

В результате гомолитического разрыва образуются сходные по электронному строению частицы, каждая из которых имеет неспаренный электрон. Такие частицы называются свободными радикалами.

Радикал – свободный атом или частица с неспаренными электронами, неустойчив и способный быстро вступать в химическую реакцию.

Гомолитический разрыв сопровождает процессы, осуществляемые при высоких температурах; на свету; при радиоактивном облучении в отсутствие растворителя (в газовой фазе) или неполярных растворителях. Гомолитическому разрыву подвергаются малополярные или неполярные связи C-C, C-H, Cl-Cl и др.

2. Если при разрыве связи общая электронная пара остается у одного атома, то такой разрыв называется гетеролитическим: 

А+ - электрофильная частица,

:В- - нуклеофильная частица

Например,

CH3Сl → CH3+  +   :Cl-

В результате образуются разноименно заряженные ионы - катион и анион. Если заряд иона сосредоточен на атоме углерода, то катион называют карбокатионом, а анион - карбанионом.

Карбокатион

Карбоанион

Устойчивы более разветвлённые катионы!

Ионный тип разрыва связи характерен для  П- связей и полярных σ –  связей; при наличии полярного растворителя или катализатора.

Виды разрыва ковалентной связи в молекулах органических веществ

Механизмы образования ковалентной связи (повторение)

Свободные радикалы

Анимация: “SP-гибридизация”

Виртуальная образовательная лаборатория: “Изготовление молекул УВ”

Изображение 1 из 1

Алканы: физические и химические свойства, получение, применение

I. Физические свойства

В обычных условиях

С1- С4 – газы

С5- С15 – жидкие

С16 – твёрдые

Температуры плавления и кипения алканов, их плотности увеличиваются в гомологическом ряду с ростом молекулярной массы. Все алканы легче воды, в ней не растворимы, однако растворимы в неполярных растворителях (например, в бензоле) и сами являются хорошими растворителями. Физические свойства некоторых алканов представлены в таблице.

 Таблица 2. Физические свойства некоторых алканов

Плотности алканов

II. Химические свойства алканов

1. Реакции замещения

а) Галогенирование

При действии света - hν  или нагревании (стадийно – замещение атомов водорода на галоген носит последовательный цепной характер. Большой вклад в  разработку цепных реакций внёс физик, академик, лауреат Нобелевской премии Н. Н. Семёнов )

В реакции образуются вещества галогеналканы  RГ  или Сn H2n+1Г

  (Г - это галогены F, Cl, Br, I)                                                                                    

CH4 + Cl2  hν  → CH3Cl + HCl (1 стадия)                      

метан                 хлорметан                                                                                                       

CH3Cl + Cl2  hν  →  CH2Cl2 + HCl (2 стадия)

                               дихлорметан                      

СH2Cl2 + Cl2 hν  →  CHCl3 + HCl (3 стадия)

                              трихлорметан

CHCl3 + Cl2 hν  →  CCl4 + HCl (4 стадия)

                             тетрахлорметан

Скорость реакции замещения водорода на атом галогена у галогеналканов выше, чем у соответствующего алкана, это связано с взаимным влиянием атомов в молекуле:

Электронная плотность связи С – Cl смещена к более электроотрицательному хлору, в результате на нём скапливается частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода – частичный положительный заряд.

На атом углерода в метильной группе ( - СН3) создаётся дефицит электронной плотности, поэтому он компенсирует свой заряд за счёт соседних атомов водорода,  в результате связь С – Н становится менее прочной и атомы водорода легче замещаются на атомы хлора. При увеличении углеводородного радикала наиболее подвижными остаются атомы водорода у атома углерода ближайщего к заместителю:

CH3 – CH2 – Cl + Cl2 hν  →  CH3 – CHCl2 + HCl

хлорэтан                               1,1 -дихлорэтан

Со фтором реакция идёт со взрывом.

С хлором и бромом требуется инициатор.

Иодирование происходит обратимо, поэтому требуется окислитель для удаления HI из рекции. 

Внимание!

В реакциях замещения алканов легче всего замещаются атомы водорода у третичных атомов углерода, затем у вторичных и, в последнюю очередь, у первичных.  Для хлорирования эта закономерность не соблюдается при T>400˚C.

б) Нитрование (реакция М.И. Коновалова, он провёл её впервые в 1888 г)                               

CH4 + HNO3 (раствор) t˚С → CH3NO2 + H2O

                                                    нитрометан

RNO2 или Сn H2n+1 NO2 (нитроалкан)

2. Реакции отщепления (дегидрирование)

а)   CnH2n+2   t˚С, Ni или Pd →    CnH2n + H2

б) При нагревании до 1500 С происходит образование ацетилена и водорода:

2CH4   1500°С →   C2H2 + 3H2

3. Реакции перегруппировки (изомеризация)            

н-алкан  AlCl3, t°С →  изоалкан 

Анимация: “Реакция изомеризации”

4. Реакции горения (горят светлым не коптящим пламенем) 

CnH2n+2 + O2 t°С →   nCO2 + (n+1)H2O

Помните! Смесь метана с воздухом и кислородом взрывоопасна

V(CH4) : V(O2) = 1: 2

V(CH4) : V(воздуха) = 1 : 10

Видео: “Взрыв метана с кислородом”

Видео: “Горение парафина в условиях избытка и недостатка кислорода”

Видео: “Горение метана и изучение его физических свойств”

Видео: “Горение жидких углеводородов”

Видео: “Горение твердых углеводородов (на примере парафина)”

5. Реакции разложения 

а) Крекинг при температуре 700-1000°С разрываются (-С-С-) связи:                 

C10H22 t°С →  C5H12 + C5H10

                      алкан         алкен 

Анимация: “Термическое разложение алканов (крекинг)”

б) Пиролиз при температуре 1000°С разрываются все связи,

продукты – С и Н2:

СH4 1000°С → C + 2H2 

в) Конверсия метана с образованием  синтез – газа (СО + Н2)

CH4 + H2O 800˚C, Ni → СО + 3Н2 

III. Получение алканов

1. Получение в лаборатории

1. Гидролиз карбида алюминия (получение метана):

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4↑ 

2. Реакция Вюрца (взаимодействие натрия с галогенпроизводными алканов): 

R-Г + 2Na + Г-R1 → R-R1 + 2NaГ

(R- это радикал;  Г- это галоген) 

a) CH3-Cl + 2Na + Cl-CH3 → CH3-CH3 + 2NaCl

или

2CH3Cl + 2Na → C2H6 +  2NaCl

б) CH3-I + 2Na + I-C2H5 → CH3-C2H5 + 2NaI

или

CH3I + 2Na + C2H5I → C3H8 + 2NaI

3. Термическое  декарбоксилирование солей карбоновых кислот в присутствии щелочей:                     

Видео: “Получение метана”

R-COONa + NaOH -t ˚С→ R-H + Na2CO3                                        

a) CH3-COONa + NaOH -t ˚С→  CH4 + Na2CO3

(ацетат натрия+ едкий натр=(метан+карбонат натрия)

б) C2H5-COONa + NaOH -t ˚С→  C2H6 + Na2CO3

    этилат натрия                          этан

4. Каталитическое гидрирование алкенов и алкинов:             

a)  CnH2n + H2 -t,kat,p → CnH2n+2

      алкен            

C2H4 + H2  -300°C,Ni  → C2H6

б)  CnH2n-2 + 2H2 - t,kat→ CnH2n+2

     алкин              

C2H2 + 2H2 - t,kat→  C2H6

5. Электролиз растворов солей карбоновых кислот  - реакция КОЛЬБЕ

Пример. Электролиз водного раствора ацетата натрия

H2O, CH3COONa ↔ Na+ + CH3COO-

Катод (-): H2O, Na+  - Процесс восстановления: 2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH-

Анод (+): H2O, CH3COO-(анионы органических кислот активнее воды) – Процесс окисления:

CH3COO- -1e-→ CH3COO∙ (радикал)

CH3COO∙  →  CH3∙  + СО2↑

2СН3 ∙  → С2Н6

Итог:

2H2O + 2CH3COONa эл.ток= H2 + 2CO2 + 2NaOH + C2H6

2H2O + 2CH3COONa эл.ток= H2 + 2NaHCO3 + C2H6

2. Получение в промышленности

1. Из природного и попутного нефтяного газа

Важнейшим источником алканов в природе является природный газ, минеральное углеводородное сырье - нефть и сопутствующие ей нефтяные газы. Природный газ на 95 процентов состоит из метана. Такой же состав имеет болотный газ, образующийся в результате переработки бактериями (гниения) углеводов.

Метан называют ещё и болотным; рудничным газом.

Попутные нефтяные газы состоят в основном из этана, пропана, бутана и частично пентана. Их отделяют от нефти на специальных установках по подготовке нефти. При отсутствии газоконденсатных станций попутные нефтяные газы сжигают в факелах, что является крайне неразумной и разорительной практикой в нефтедобыче. Одновременно с газами нефть очищается от воды, грязи и песка, после чего поступает в трубу для транспортировки. Из нефти при ее разгонке (перегонке, дистилляции) отбирая последовательно все более и более высококипящие фракции получают:

бензины - т. кип. от 40 до 180 С, (содержит углеводороды С5-С10), состоит более, чем из 100 индивидуальных соединений, нормальных и разветвленных алканов, циклоалканов, алкенов и ароматических углеводородов; 

керосин 180-230 C, (С11-С12);

легкий газойль (дизельное топливо) 230-305 С (С13-С17);

тяжелый газойль и легкий дистиллят смазочного масла 305-405 С (С18-С25);

смазочные масла 405-515 С (С26-С38). 

Остаток после перегонки нефти называется асфальтом или битумом.

2. Синтезом из водяного газа:                              

nCO + (2n + 1) H2 - t,kat→  CnH2n+2 + n H2O                   

CO + 3H2 - t,kat→ CH4 + H2O

3. Синтезом из простых веществ:

nC + (n + 1) H2  -t,kat,p →  CnH2n+2       

C + 2 H2 - 500°C,Ni → CH4 

IV. Применение

1. Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.

2. Использование в качестве топлива – в котельных установках, бензин, дизельное топливо, авиационное топливо, баллоны с пропан-бутановой смесью для бытовых плит.

3. Вазелин используется в медицине, парфюмерии, косметике, высшие алканы входят в состав смазочных масел, соединения алканов применяются в качестве хладагентов в домашних холодильниках.

4. Смесь изомерных пентанов и гексанов называется петролейным эфиром и применяется в качестве растворителя. Циклогексан также широко применяется в качестве растворителя и для синтеза полимеров.

5. Метан используется для производства шин и краски.

6. Значение алканов в современном мире огромно. В нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ. Велико значение  в медицине, парфюмерии и косметике.

Использование алканов в качестве смазочных материалов

Использование алканов в качестве топлива

Использование парафина для получения водостойкой бумаги

Применение алканов в медицине (вазелин, парафин и др.)

Применение галогенопроизводных алканов

Применение сажи
 

ЦОРы

Анимация:“Реакция изомеризации”

Анимация:“Термическое разложение алканов (крекинг)”

Видео: “Горение парафина в условиях избытка и недостатка кислорода”

Видео:“Горение метана и изучение его физических свойств”

Видео:“Горение жидких углеводородов”

Видео: “Горение твердых углеводородов (на примере парафина)”

Видео: “Установление качественного состава предельных углеводородов”

Видео: “Определение содержания хлора в органических соединениях”

Видео: “Отношение метана к раствору перманганата калия и бромной воде”

Видео: “Взрыв метана с кислородом”

Видео: “Получение метана”

 Документы (всего: 1)

1.

Алканы.ppt

Циклоалканы

В ходе этого занятия вы узнаете, что представляют собой циклоалканы, как вид насыщенных (замкнутых) углеводородов. Узнаете формулу гомологического ряда циклоалканов. Сравните свойства циклоалканов разных циклов, узнаете об особенностях малых циклов.

I. Понятие об циклоалканах и их классификация

В отличие от предельных углеводородов, характеризующихся наличием открытых углеродных цепей, существуют углеводороды с замкнутыми цепями (циклами). По своим свойствам они напоминают обычные предельные углеводороды алканы (парафины), отсюда и произошло их название – циклоалканы (циклопарафины, нафтены). 

Циклоалканы – это насыщенные углеводороды, атомы углерода которых замкнуты в цикл. Если молекула содержит только один цикл, то общая формула таких веществ – СnH2n.

Представителями этого ряда соединений являются циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан.

Очень часто в органической химии структурные формулы перечисленных  циклоалканов изображают без символов C и H простыми геометрическими фигурами:

Классификация циклоалканов

• малые циклы (3–4 атома углерода),
• средние циклы (5–7 атомов углерода),
• макроциклы (8 атомов углерода и более).

II. Номенклатура циклоалканов

Названия циклоалканов образуются с помощью добавления приставки цикло- к названию алкана с соответствующим числом атомов углерода.

В качестве основной цепи выбирают цикл, нумерацию проводят таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера. Если заместитель один, то его номер не указывается.

метилциклопропан             1,3-диметилциклопентан

Описывая циклические соединения, часто пользуются сокращенными формулами, в которых не показывают атомы Н:

1,3-диметилциклопентан

III. Изомерия циклоалканов

1. Изомерия углеродного скелета

метилциклопентан          циклогексан

а) кольца

б) боковых цепей

2. Межклассовая изомерия

 (гексен -1)

Рис. 1. циклогексан

3. Геометрическая изомерия

1. Цис-транс-изомерия

Обусловленна различным взаимным расположением в пространстве заместителей относительно плоскости цикла. В цис-изомерах заместители находятся по одну сторону от плоскости кольца, в транс-изомерах – по разные анимация:

2. Оптическая изомерия

Некоторых ди- (и более) замещенных циклов. Например, транс-1,2-диметилциклопропан может существовать в виде двух оптических изомеров, относящихся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение анимация:

3. Конформационная изомерия циклоалканов

Все циклы, кроме циклопропана, имеют неплоское строение, что обусловлено стремлением атомов углерода к образованию нормальных (тетраэдрических) углов между связями. Это достигается поворотами по σ-связям С–С, входящим в цикл. При этом возникают различные конформации (поворотные изомеры) с разной энергией и чаще реализуются те из них, которые обладают наименьшей энергией, т.е. более устойчивые. Например, в циклогексане наиболее устойчивой является конформация "кресла".

Конформации циклогексана

Flash 3D модель

IV. Строение циклоалканов

Атомы углерода находятся в состоянии sp3-гибридизации. Углы между связями в средних циклах и макроциклах близки к тетраэдрическому 109,5о, молекула имеет неплоское строение. Рис. 2, 3.

Рис. 2. циклогексан С6Н12

Рис. 3. циклопентан С5Н10

Четырехчленный цикл тоженеплоский. Но угол между атомами углерода в нем значительно меньше тетраэдрического. Рис. 4.

Рис. 4 циклобутан

Еще больше отклонение от тетраэдрического угла в случае трехчленного цикла: три атома лежат в одной плоскости, а угол в равностороннем треугольнике равен 60°. Рис. 5.

Рис. 5. циклопропан

Эти связи напряжены, их образование энергетически невыгодно. Поэтому малые циклы более реакционноспособны, многие реакции связаны с раскрытием цикла.

Состав и строение циклоалканов

V. Физические свойства

Циклоалканы имеют более высокие температуры плавления, кипения и большую плотность, чем соответствующие алканы. При одинаковом составе температура кипения циклопарафина тем выше, чем больше размер цикла. Циклоалканы в воде практически не растворимы, однако растворимы в органических растворителях. Физические свойства некоторых циклоалканов представлены в таблице.

Таблица. Физические свойства некоторых циклоалканов

VI. Химические свойства

Химические свойства циклопарафинов зависят от числа атомов углерода, составляющих цикл. Низшие циклоалканы (циклопропан и циклобутан) ведут себя как ненасыщенные углеводороды, они способны вступать в реакции присоединения. Циклоалканы с большим количеством углеродных атомов в цикле ведут себя как алканы, для них характерны реакции замещения. 

1. Реакции горения                                                                          

CnH2n + 3n/2O2 - t → nCO2 + nH2O +Q 

I. Малые циклы (n=3,4)

2. Реакции присоединения – сходство с алкенами

1) Галогенирование:

C3H6 + Br2 → C3H6Br2 (1,3-дибромпропан)         

циклопропан    

2) Гидрирование:            

C4H8 + H2    - t,Ni или Pt → C4H10 (бутан)

циклобутан                         

3) Гидрогалогенирование (по правилу Марковникова): 

C3H6 + HI → CH3-CH2-CH2I (1- йодпропан)

II. Обычные циклы (n=5-7)

3. Реакции замещения – сходство с алканами. 

1) Галогенирование:                   

C6H12 + Br2   - t → C6H11Br + HBr

                           бромциклогексан 

4. Реакции отщепления – дегидрирования циклогексана (р. Зелинского-Казанского):

 C6H12    - t=300˚С ,Pt,Pd→ C6H6 + 3H2

                                               бензол

VII. Получение циклоалканов

1. В промышленности

1) Из нефти (пяти- и шестичленных)

Циклоалканы содержатся в значительных количествах в нефтях некоторых месторождений (отсюда произошло одно из их названий - нафтены). При переработке нефти выделяют главным образом циклоалканы С5 - С7.

2) Из ароматических углеводородов – каталитическое гидрирование:

C6H6 + H2 -t,p,Ni→ C6H12

2. В лаборатории

Из дигалогенпроизводных алканов (внутримолекулярная реакция Вюрца): 

Br-CH2-CH2-CH2-Br + Mg  - t → MgBr2 + C3H6

или

Cl-CH2-CH2-CH2-CH2-Cl + 2Na → 2NaCl + C4H8

Получение циклоалканов

VIII. Применение

Наибольшее практическое значение имеют циклогексан, этилциклогексан. Циклогексан используется для получения циклогексанола, циклогексанона, адипиновой кислоты, капролактама, а также в качестве растворителя. Циклопропан используется в медицинской практике в качестве ингаляционного анестезирующего средства.

Решение задач на нахождение молекулярной формулы газообразного углеводорода. Определение формулы по продуктам сгорания

I. Нахождение формулы органического вещества по массовой доле химических элементов и относительной плотности газов

 1. Выпишите в тетрадь основные формулы

D2 = Mr(1)/Mr(2) 

D - относительная плотность первого газа по второму (безразмерная величина).

Например:

D(O2) = Mr(газа)/Mr(O2)=Mr(газа)/32;

D(H2) = Mr(газа)/Mr(H2)=Mr(газа)/2;

D(воздуха)=Mr(газа)/Mr(воздуха)=Mr(газа)/29

Wэлемента =  (n * Ar (элемента) * 100%) / Mr (вещества),

где n – индекс, число атомов;

W – массовая доля элемента (%).

2. Разберите образец решения задачи

Этиловый спирт содержит 52,18% углерода:13,04% водорода: 34,78% кислорода. Плотность паров спирта по водороду 23. Определите формулу этилового спирта.

Решение:

1. Определим молекулярную массу искомого вещества:

Mr(CxHyOz) = D(H2) · Mr(H2)=23· 2 =46

2.По формуле  n = (Wэлемента * Mr(вещества)) / Ar элемента * 100% вычислим число атомов C, H, O

n(C)=(52,18% · 46) / 12· 100% = 2

n(H)=( 13,04% · 46) /1· 100% =6

n(O)=( 34,78% · 46) / 16· 100% =1

Получаем x:y:z =2:6:1, следовательно, вещество C2H6O

Проверка, Mr(C2H6O)= 46

II. Нахождение формулы органического вещества по массовой доле химических элементов и плотности вещества при нормальных условиях

1. Выпишите в тетрадь основные формулы

M = ρ * Vm

где Vm =22,4 л/моль (при н.у.); 

M – молярная масса вещества (г/моль);

ρ = m/V (плотность)

Wэлемента =  (n * Ar (элемента) * 100%) / Mr (вещества),

где n – индекс, число атомов;

W – массовая доля элемента (%)

2. Разберите образец решения задачи

Углеводород содержит 81,82% углерода. Масса 1 л этого углеводорода (н.у.) составляет 1,964 г. Найдите молекулярную формулу этого углеводорода.

Решение:

1. Определим молярную массу искомого вещества:

ρ = m/V, следовательно М(СхНу) = ρ· Vm = 1,964 г/л · 22,4 л/моль = 44

2. По формуле: n = (Wэлемента * Mr(вещества)) / Ar элемента * 100%

вычислим число атомов C, H.

Здесь Мr=M

n(C)=(81,82% · 44) / (12 · 100%) = 3

n(H)=(18,18% · 44) / (1· 100%) = 8

Получаем x:y =3 : 8, следовательно, вещество C3H8    

Проверка, Mr(C3H8)= 44

III. Определение формулы по продуктам сгорания

Разберите образец решения задачи

При сгорании 10,5 г органического вещества получили 16,8 л углекислого газа (н.у.)  и 13,5 г воды. Плотность этого вещества при н.у. равна 1,875 г/л. Определите молекулярную формулу вещества.

Решение:

1. Находим молярную массу вещества и его количество вещества:

Если в условии задачи дана относительная плотность органического вещества, то его молекулярную массу определяем согласно формулам:

D(O2) = Mr(газа)/Mr(O2)=Mr(газа)/32;

D(H2) = Mr(газа)/Mr(H2)=Mr(газа)/2;

D(воздуха)=Mr(газа)/Mr(воздуха)=Mr(газа)/29.

M(вещества)  = ρ· Vm = 1.875 г/л · 22,4 л/моль = 42 г/моль

υ(вещества ) = m / M = 10,5 г / 42 г/моль = 0,25 моль

2. Найдём количества вещества C, H по формулам:

υ =  V/Vm или  υ = m/M

υ(C) = υ(CO2)= V/Vm =16,8 л/22,4 л/моль=0,75 моль

υ(H) = 2 · υ(H2O) = 2 · m/M = (2 · 13,5 г)/18 г/моль = 1,5 моль

3. Определим наличие кислорода в формуле вещества:

m(C) = υ(C) · M(C) = 0,75 моль · 12 г/моль = 9 г

m(H) = υ(H) · M(H) = 1,5 моль · 1 г/моль = 1,5 г

m(O) = m(вещества) – (m(C) + m(H)) = 10.5 г – (9 г + 1,5 г) = 0 г, следовательно кислород отсутствует и это углеводород - CxHy

4. Находим формулу

υ(CxHy) : υ(С) : υ(Н) = 0,25 : 0,75 : 1,5 = 1 : 3 : 6    

(здесь к целым числам пришли путём деления всех чисел на меньшее из них, т.е. на 0,25)

Следовательно, 1 моль вещества содержит 3 моль углерода и 6 моль водорода, таким образом, искомая формула С3Н6.

IV. Решите задачи

Задача №1. В углеводороде массовая доля углерода равна 84%. Относительная плотность паров углеводорода по воздуху равна 3,45. Определите формулу углеводорода. 

Задача №2. Массовая доля углерода в углеводороде составляет 83,33%. Плотность паров углеводорода по водороду равна 36. Определите формулу.

Задача №3. Массовая доля углерода в углеводороде составляет 85,7%. Плотность паров углеводорода по воздуху равна 1,931. Определите формулу. 

Задача №4. Углеводород содержит  16,28% водорода. Плотность этого вещества при нормальных условиях 3,839 г/л. Найдите молекулярную формулу этого углеводорода. 

Задача №5. Углеводород содержит 82,76% углерода. Масса 1 л этого углеводорода (н.у.) составляет 2.589 г. Найдите молекулярную формулу этого углеводорода. 

Задача №6. При сгорании вещества массой 4,25 г образовались оксид углерода (IV)  массой 13,2 г и вода массой 5,85 г. Относительная плотность паров этого вещества по воздуху равна 5,862. Определите формулу вещества

Алкены: электронное и пространственное строение, гомологи и изомеры, номенклатура

I. Понятие об алкенах

Алкены, или олефины (от лат. olefiant - масло — старое название, но широко используемое в химической литературе. Поводом к такому названию послужил хлористый этилен, полученный в XVIII столетии, — жидкое маслянист вещество) — алифатические непредельные углеводороды, в молекулах которых между углеродными атомами имеется одна двойная связь.

Алкены содержат в своей молекуле меньшее число водородных атомов, чем соответствующие им алканы (с тем же числом углеродных атомов), поэтому такие углеводороды называют непредельными или ненасыщенными.

Алкены образуют гомологический ряд с общей формулой CnH2n

II. Гомологический ряд алкенов

Гомологи:

СH2=CH2   этен

СH2=CH-CH3  пропен

СH2=CH-CH2-CH3  бутен-1

СH2=CH-CH2-CH2-СН3  пентен-1  

IV. Строение алкенов

Простейшим алкеном является этилен -  C2H4

Структурная и электронная формулы этилена имеют вид: 

Анимация: “Образование молекулы этилена”

В молекуле этилена подвергаются гибридизации одна s- и две p-орбитали атомов C (sp2-гибридизация). 

Таким образом, каждый атом C имеет по три гибридных орбитали и по одной негибриднойp-орбитали. Две из гибридных орбиталей атомов C взаимно перекрываются и образуют между атомами C σ - связь. Остальные четыре гибридных орбитали атомов C перекрываются в той же плоскости с четырьмя s-орбиталями атомов H и также образуют четыре σ - связь. Две негибридные p-орбитали атомов C взаимно перекрываются в плоскости, которая расположена перпендикулярно плоскости σ - связь, т.е. образуется одна П - связь.

По своей природе П - связь резко отличается от σ - связь; П - связь менее прочная вследствие перекрывания электронных облаков вне плоскости молекулы. Под действием реагентов П - связь легко разрывается.

Молекула этилена симметрична; ядра всех атомов расположены в одной плоскости и валентные углы близки к 120°; расстояние между центрами атомов C равно 0,134 нм.

Запомните!

• SP2 –гибридизация:

1) Плоское тригональное строение

2) Угол – HCH - 120°

3) Длина (- С = С -) связи – 0,134 нм

4) Связи  - σ, П

5) Невозможно вращение относительно (- С = С -) связи

V. Изомерия алкенов

Если атомы соединены двойной связью, то их вращение невозможно без того, чтобы электронные облака П - связь не разомкнулись.

Наряду со структурной изомерией углеродного скелета для алкенов характерны, во-первых, другие разновидности структурной изомерии - изомерия положения кратной связи и межклассовая изомерия.

Во-вторых, в ряду алкенов проявляется пространственная изомерия, связанная с различным положением заместителей относительно двойной связи, вокруг которой невозможно внутримолекулярное вращение.

1. Структурная изомерия алкенов

1. Изомерия углеродного скелета (начиная с С4Н8):

2. Изомерия положения двойной связи (начиная с С4Н8):

3. Межклассовая изомерия с циклоалканами (начиная с С3Н6):

2. Пространственная изомерия алкенов

Вращение атомов вокруг двойной связи невозможно без ее разрыва. Это обусловлено особенностями строения p-связи (p-электронное облако сосредоточено над и под плоскостью молекулы). Вследствие жесткой закрепленности атомов поворотная изомерия относительно двойной связи не проявляется. Но становится возможной цис-транс-изомерия.

Алкены, имеющие у каждого из двух атомов углерода при двойной связи различные заместители, могут существовать в виде двух пространственных изомеров, отличающихся расположением заместителей относительно плоскости p-связи. Так, в молекуле бутена-2 СН3–СН=СН–СН3 группы СН3 могут находиться либо по одну сторону от двойной связи вцис -изомере, либо по разные стороны в транс-изомере.

Внимание!

Цис-транс- изомерия не проявляется, если хотя бы один из атомов С при двойной связи имеет 2 одинаковых заместителя.

Например,

бутен-1 СН2=СН–СН2–СН3 не имеет цис- и транс-изомеров, т.к. 1-й атом С связан с двумя одинаковыми атомами Н.

Изомеры цис- и транс- отличаются не только физическими, но и химическими свойствами, т.к. сближение или удаление частей молекулы друг от друга в пространстве способствует или препятствует химическому взаимодействию.

Иногда цис-транс-изомерию не совсем точно называют геометрической изомерией. Неточность состоит в том, что все пространственные изомеры различаются своей геометрией, а не только цис- и транс-.

Рис. бутен-2

VI. Номенклатура

Образование названий алкенов по номенклатуре ИЮПАК 

Алкены простого строения часто называют, заменяя суффикс -ан в алканах на -илен: этан — этилен, пропан — пропилен и т.д.

По систематической номенклатуре названия этиленовых углеводородов производят заменой суффикса -ан в соответствующих алканах на суффикс -ен (алкан — алкен, этан — этен, пропан — пропен и т.д.). Выбор главной цепи и порядок названия тот же, что и для алканов. Однако в состав цепи должна обязательно входить двойная связь. Нумерацию цепи начинают с того конца, к которому ближе расположена эта связь. Например:

Непредельные (алкеновые) радикалы называют тривиальными названиями или по систематической номенклатуре:

(Н2С=СН— ) винил или этенил

(Н2С=CН—СН2 ) аллил 

VII. Тренажеры

Тренажер №1: “Гомологический ряд этилена”

ЦОРы

Анимация: “Образование молекулы этилена”

Алкены: физические и химические свойства

Данный урок поможет вам получить представление о теме «Алкены. Химические свойства. Электрофильное присоединение». На этом занятии вы узнаете чем они отличаются от изученных ранее алканов и каковы особенности их реакций.

I. Физические свойства 

Первые три представителя гомологического ряда алкенов (этилен, пропилен и бутилен) — газы, начиная с C5H10(амилен, или пентен-1) — жидкости, а с С18Н36 — твердые вещества. С увеличением молекулярной массы повышаются температуры плавления и кипения. Алкены нормального строения кипят при более высокой температуре, чем их изомеры, имеющие изостроение. Температуры кипения цис-изомеров выше, чем транс-изомеров, а температуры плавления — наоборот.

Алкены плохо растворимы в воде (однако лучше, чем соответствующие алканы), но хорошо — в органических растворителях. Этилен и пропилен горят коптящим пламенем.

Таблица 1. Физические свойства некоторых алкенов

II. Химические свойства алкенов 

Для алкенов наиболее типичными являются реакции присоединения. В реакциях присоединения двойная связь выступает как донор электронов, поэтому для алкенов характерны реакции электрофильного присоединения.

1. Реакции присоединения

1. Гидрирование (гидрогенизация – взаимодействие с водородом):                   

CnH2n + H2 t, Ni → CnH2n+2

2. Галогенирование (взаимодействие с галогенами):

CnH2n + Г2 → СnH2nГ2

Это качественная реакция алкенов – бромная вода Br2 (бурая жидкость) обесцвечивается.

Опыт: “Взаимодействие этилена с бромной водой” 

3. Гидрогалогенирование* (взаимодействие с галогенводородами):

4. Гидратация* (присоединение молекул воды):

CH2=CH2 + H2O t,H3PO4→ CH3-CH2-OH (этанол – этиловый спирт)

* Присоединение галогенводородов и воды к несимметричным алкенам происходит поправилу Марковникова В.В.

Присоединение водорода происходит к наиболее гидрированному атому углерода при двойной углерод-углеродной связи.

Исключения!!!

1) Если в алкене присутствует электроноакцепторный заместитель, т.е. группа, способная оттягивать на себя электронную плотность:

F3C ← CH=CH2 + H-Br   → F3C - CH2 - CH2(Br)   1,1,1- трифтор-3-бромпропан

2) Присоединение в присутствии Н2О2 (эффект Хараша)  или органической перекиси (R-O-O-R ):                                   

  СH3-CH=CH2 + H-Br  Н2О2 →   H3C - CH2 - CH2(Br)  

5. Реакции полимеризации: 

nCH2=CH2     t, p, kat-TiCl4, Al(C2H5)3 →      (-CH2-CH2-)n

мономер - этилен                                   полимер – полиэтилен

2. Реакции окисления

1. Горение:                   

CnH2n + 3n/2O2 t, p, kat →  nCO2 + nH2O + Q   (пламя ярко светящее)

Опыт: “Горение этилена”

Частичное окисление этилена

2. Окисление перманганатом калия (р. Вагнера) в нейтральной среде – это качественная реакция алкенов, розовый раствор марганцовки обесцвечивается. 

Влияние среды на характер продуктов реакций окисления

1) Окисление в кислой среде при нагревании идёт до а) карбоновых кислот; б) кетонов (если атом углерода при двойной связи содержит два заместителя); в) углекислого газа (если двойная связь на конце молекулы, то образуется муравьиная кислота, которая легко окисляется до CO2):

а) 5CH3-CH=CH-CH3 + 8KMnO4 + 12H2SO4 → 10CH3COOH + 8MnSO4 +4K2SO4 + 12H2O

в) CH3 – CH2 – CH = CH2  + 2KMnO4 + 3H2SO4 → CH3CH2COOH + CO2 + 2MnSO4 + K2SO4 + 4H2O

2) Окисление в нейтральной или слабощелочной среде на холоде (см. выше)

Опыт: “Взаимодействие этилена с раствором перманганата калия”

III. Тренажеры

Тренажер №1: “Уравнения реакций, характеризующие химические свойства этилена и пропилена”

Тренажер №2: “Химические свойства алкенов”

Тренажер №3: “Химические свойства алкенов (расчетные задачи)”

ЦОРы

Опыт: “Горение этилена”

Опыт:“Взаимодействие этилена с бромной водой” 

Опыт: “Взаимодействие этилена с раствором перманганата калия”

 Документы (всего: 1)

1.

Алкены.ppt

Алкены: получение, применение

I. Получение в промышленности

1. Крекинг алканов 

Основным промышленным источником получения первых четырех членов ряда алкенов (этилена, пропилена, бутиленов и пентиленов) являются газы крекинга и пиролиза нефтепродуктов, а также газы коксования угля (этилен, пропилен). Газы крекинга и пиролиза нефтепродуктов содержат от 15 до 30% олефинов. Так, крекинг бутана при 600°С приводит к смеси водорода, метана, этана и олефинов – этилена, пропилена, псевдобутилена (бутена-2) с соотношением олефинов ≈ 3,5 : 5 : 1,5  соответственно.

       CnH2n+2  t, (400-700)  → CnH2n+2 + CnH2n

                                                                 алкан           алкен

2. Дегидрирование алканов  

CnH2n+2  t, kat-Ni или (Cr2O3)→ CnH2n +H2

3. Гидрирование алкинов                 

CnH2n-2 + H2    t, kat-(Pt  или Pd, Ni) →   CnH2n 

II. Получение в лаборатории

1. Дегидратация* спиртов

R-CH2-CH2-OH    t>140°C, H2SO4(конц.)→   R-CH=CH2 + H2O 

*Правило А. М. Зайцева:

Отрыв атома водорода происходит от наименее гидрогенизированного атома углерода.   

Опыт: “Получение этилена из этилового спирта”

2. Дегидрогенирование* моногалогеналканов (по правилу Зайцева):                    

R-CH2-CH2-Г +NaOH спиртовой раствор, t→R-CH=CH2+NaГ+H2O 

3. Дегалогенирование дигалогеналканов

Опыт: “Получение этилена, опыты с ним”

III. Применение

Алкены широко используются в промышленности в качестве исходных веществ для получения растворителей (спирты, дихлорэтан, эфиры гликолей и пр.), полимеров (полиэтилен, поливинилхлорид, полиизобутилен и др.), а также многих других важнейших продуктов. 

IV. Тренажеры

Тренажер №1. “ Алкены: строение, номенклатура, получение и физические свойства”

Тренажер №2. “Алкены: строение, номенклатура, получение и физические свойства (расчетные задачи)”

Тренажер №3. “Обобщение и систематизация знаний по темам "Алканы" и "Алкены"

Тренажер №4. “ Реакции, иллюстрирующие генетическую связь между классами органических соединений”

ЦОРы

Опыт: “Получение этилена, опыты с ним”

Опыт: “Получение этилена из этилового спирта”

Алкины

В ходе урока вы узнаете о том, что представляют собой алкины – ациклические углеводороды, содержащие в молекуле одну тройную связь. Познакомитесь с физическими свойствами алкинов, особенностями их строения. Вы сможете узнать, что представляют собой алкины и какими химическими свойствами характеризуется этот класс соединений. Вы узнаете о том, как свойства алкинов влияют на их практическое применение.

I. Номенклатура алкинов

Алкины – это алифатические (ациклические), непредельные (ненасыщенные) углеводороды, с одной тройной углерод-углеродной связью С≡С в цепи и общей формулой СnH2n-2

Образование названий алкинов по номенклатуре ИЮПАК

Тройную связь обозначают суффиксом -ин.

     ацетилен (этин)

бутин-1

Главная цепь должна включать в себя тройные связи, а нумерация проводится так, чтобы они получили наименьшие номера.

3,6-диметилгептадиин-1,4

Рис. 1. Шаростержневая модель ацетилена

II. Строение 

Ацетилен – первый член гомологического ряда ацетиленовых углеводородов, или алкинов.

Молекулярная формула ацетилена            C2H2

Структурная формула ацетилена          H–C≡C–H

Электронная формула                         H : С : : : С : Н

Анимация: “Образование молекулы ацетилена”

Углеродные атомы ацетилена, связанные тройной связью, находятся в состоянии sp-гибридизации. При образовании молекулы ацетилена у каждого атома С гибридизуются по одной s- и p-орбитали. В результате этого каждый атом С приобретает по две гибридных орбитали, а две p-орбитали остаются негибридными. Две гибридных орбитали взаимно перекрываются, и между атомами С образуется σ-связь. Остальные две гибридных орбитали перекрываются с s-орбиталями атомов H, и между ними и атомами С тоже образуются σ -связи. Четыре негибридных p-орбитали размещены взаимно перпендикулярно и перпендикулярно направлениям σ-связей. В этих плоскостях p-орбитали взаимно перекрываются, и образуются две π -связи, которые относительно непрочные и в химических реакциях легко разрываются.

Таким образом, в молекуле ацетилена имеются три σ -связи (одна связь C–C и две связи C–H) и две π -связи между двумя С атомами. Тройная связь в алкинах – не утроенная простая, а комбинированная, состоящая из трех связей: одной σ - и двух π -связей.

Молекула ацетилена имеет линейное строение. Появление третьей связи вызывает дальнейшее сближение атомов С: расстояние между их центрами составляет 0,120 нм.

sp- Гибридные орбитали двух атомов углерода в состоянии, предшествующем образованию тройной связи и связей C–H

Схематическое изображение строения молекулы ацетилена (ядра атомов углерода и водорода на одной прямой, две p- связи между атомами углерода находятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях). 

Запомните!

• Длина связи 0,12 нм
• Угол 180
• Линейная молекула
• Связи – σ и 2π
• Sp- гибридизация 

III. Физические свойства

С2Н2 – Ацетилен – бесцветный газ, легче воздуха, мало растворим в воде, в чистом виде почти без запаха.III. 

Свойства гомологов изменяются аналогично алкенам. По физическим свойствам алкины напоминают алкены и алканы. Температуры их плавления и кипения увеличиваются с ростом молекулярной массы. В обычных условиях алкины С2–С3 – газы, С4–С16 – жидкости, высшие алкины – твердые вещества. Наличие тройной связи в цепи приводит к повышению температуры кипения, плотности и растворимости их в воде по сравнению с олефинами и парафинами.

Таблица. Физические свойства некоторых алкинов

IV. Изомерия 

1. Структурная изомерия

1. Изомерия положения тройной связи (начиная с С4Н6):

2. Изомерия углеродного скелета (начиная с С5Н8):

3. Межклассовая изомерия с алкадиенами и циклоалкенами (начиная с С4Н6):

2. Пространственная изомерия 

Относительно тройной связи в алкинах не проявляется, т.к. заместители могут располагаться только одним способом - вдоль линии связи.

V. Химические свойства алкинов 

I. Реакции присоединения

1) Галогенирование – стадийно, до производных алканов:

(как и алкены обесцвечивают бромную воду!) 

Опыт: “Взаимодействие ацетилена с бромной водой”

СH≡CH + Br2 → CHBr=CHBr (1,2-дибромэтен)

CHBr=CHBr + Br2 → CHBr2-CHBr2   (1,1,2,2-тетрабромэтан)

Опыт: "Взаимодействие ацетилена с хлором"

2) Гидрогалогенирование

 (труднее, чем у алкенов) – стадийно:                     

*   CH3-C≡CH + HBr   AlBr3→ CH3-CBr=CH2

                                                   2-бромпропен     

* - используется пр. Морковникова  

3) Гидратация – ( р. М.Г. Кучерова)

CH≡CH + H2O  Hg2+,H+→  [CH2=CH-OH] → CH3-CH=O (уксусный  альдегид )

                                               непредельный  спирт – енол        

протекает в присутствии солей ртути (II) – HgSO4, Hg(NO3)2 – с образованием уксусного альдегида:

Эта реакция носит имя русского ученого Михаила Григорьевича Кучерова (1881).

4) Полимеризация 

В определенных условиях ацетилен способен полимеризоваться в бензол и винилацетилен.

1. При пропускании ацетилена над активированным углем при 450–500 °С происходит тримеризация ацетилена с образованием бензола (Н.Д.Зелинский, 1927 г.):

2. Под действием водного раствора CuCl и NH4Cl ацетилен димеризуется, образуя винилацетилен:

Винилацетилен обладает большой реакционной способностью; присоединяя хлороводород, он образует хлоропрен, используемый для получения искусственного каучука:

II. Реакции окисления и восстановления 

1) Горение – пламя сильно коптящее

Опыт: "Горение ацетилена"                              

Опыт: "Взрыв смеси ацетилена с кислородом"

CnH2n-2 + (3n-1)/2O2 t → nCO2 + (n-1)H2O + Q

2) Окисление 

Протекание реакции и её продукты определяются средой!

а) в кислой среде при нагревании образуются карбоновые кислоты, при концевой кратной связи - CO2: 

5CH3 – CH2 – C ≡ C – CH3 + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 5CH3 – CH2COOH + 5CH3COOH + 6MnSO4 + 3K2SO4 + 4H2O 

5CH3 – C ≡ CH + 8KMnO4 + 12H2SO4 → 5CO2 + 5CH3COOH + 8MnSO4 + 4K2SO4+12H2O 

б) в нейтральной и слабощелочной средах на холоде образуются соли карбоновых кислот; ацетилен окисляется до оксалатов (солей щавелевой кислоты):

3CH ≡ CH + 8KMnO4 → 3KOOC – COOK + 8MnO2 + 2KOH + 2H2O 

Опыт: “Качественная реакция на ацетилен - обесцвечивание раствора перманганата калия” 

CH3 – C ≡ C – CH3 + 2KMnO4 → 2CH3 – COOK + 2MnO2 

3CH ≡ C – CH3 + 8KMnO4 → 3CH3 – COOK + 2K2CO3 + KHCO3 + 8MnO2 + H2O 

Рис. 1. Обесцвечивание КМnO4

3) Восстановление ( kat – Ni,Pd или Pt)

C2H2 + H2  t,kat→ C2H4                  

C2H2 + 2H2  t,kat→  C2H6

III. Реакции замещения 

1) Кислотные свойства

(в отличие от алкенов, образуют соли – ацетилениды) 

R-C≡C-H + NaH → R-C≡C-Na + H2↑ 

Качественные реакции на алкины с тройной связью в конце цепи:

Опыт: “Получение ацетиленида серебра”

R-C≡CH + [Ag(NH3)2]OH → R-C≡C-Ag↓ +2NH3 + H2O

                                                 серо-белый осадок

Опыт: “Получение ацетиленида меди"

R-C≡C-H + [Cu(NH3)2]Cl → R-C≡C-Cu↓ + NH4Cl +NH3

                                                красный осадок 

Ацетилениды серебра и меди (I)- разлагаются соляной кислотой:

R-C≡C-Cu↓ +HCl → R-C≡C-H + CuCl 

Ацетилениды металлов – взрывчатые вещества!

Опыт: "Непрочность ацетиленидов металлов"

VI. Получение

1. Термическое разложение алканов (электрокрекинг)          

2CH4    t=1500→   HC≡CH + 3H2 (пиролиз метана)        

C2H6 t,kat → C2H2 + 2H2      (t=1200)          

2C3H8 t,kat →  3C2H2 + 5H2    (t=1200) 

2. Гидролиз карбида кальция

Опыт: “Получение ацетилена и его горение”

В лаборатории и в промышленности ацетилен получают взаимодействием карбида кальция с водой (карбидный способ): CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2

Карбид кальция получают в электропечах при нагревании кокса с негашеной известью:

3. Дегидрогалогенирование дигалогеналканов:

4. Из ацетиленидов

HC≡CMe + R-Г → HC≡C-R + MeГ

HC≡CNa   +   CH3-Cl → HC≡C-CH3 + NaCl

моноацетиленид                пропин   

натрия

MeC≡CMe + 2R-Г → R-C≡C-R + 2MeГ 

AgC≡CAg  +   2CH3-I (йодметан)→ CH3-C≡C-CH3 (бутин-2)+ 2AgI↓

ацетиленид серебра                               

VII. Применение

Ацетилен широко применяют в органическом синтезе. Он является одним из исходных веществ при производстве синтетических каучуков, поливинилхлорида и других полимеров. Из ацетилена получают уксусную кислоту, растворители (1,1,2,2-тетрахлорэтан и 1,1,2-трихлорэтен). При сжигании ацетилена в кислороде температура пламени достигает 3150 °С, поэтому его используют при сварке и резке металлов.

Примеры промышленного использования ацетилена:

Благодаря яркому пламени в XIX веке широко распространились ацетиленовые фонари.

При горении смеси ацетилена с кислородом  температура пламени достигает 2800–3000оС – можно плавить многие металлы. На этом свойстве основана ацетиленовая сварка. Рис. 1, 2.

Рис. 1. Ацетиленовая горелка

Рис. 2. Сварка и резка металлов

VIII. Тренажеры

Тренажер №1: “Алкины: строение, номенклатура, получение и физические свойства”

Тренажер №2: “Алкины: строение, номенклатура, получение и физические свойства (расчетные задачи)”

Тренажер №3: “Гомологический ряд ацетилена”

Тренажер №4: “Типы химических реакций, характерные для алкинов”

Тренажер №5: “Уравнения реакций, характеризующие химические свойства ацетилена”

Тренажер №6: “Химические свойства алкинов”

Химические свойства алкинов (расчетные задачи)

ЦОРы:

Анимация: “Образование молекулы ацетилена”

Опыт: “Взаимодействие ацетилена с бромной водой”

Опыт: "Взаимодействие ацетилена с хлором"

Опыт: "Горение ацетилена"                              

Опыт: "Взрыв смеси ацетилена с кислородом"

Опыт: “Качественная реакция на ацетилен - обесцвечивание раствора перманганата калия”

Опыт: “Получение ацетиленида серебра”

Опыт: “Получение ацетиленида меди"

Опыт: "Непрочность ацетиленидов металлов"

Опыт: “Получение ацетилена и его горение”

Бензол: электронное и пространственное строение, изомерия и номенклатура

На данном уроке будет рассмотрена тема «История развития представлений о строении бензола, его строение, понятие об ароматичности». Вы узнаете, как с течением времени менялись представления о строении бензола. Вы познакомитесь с новым понятием – ароматичность.

I. Характеристика аренов

История представлений о строении бензола

C6H6 бензол

Ароматические углеводороды (aрены) – это органические соединения, в молекулах которых имеется одно или несколько бензольных колец. 

Бензольное кольцо, или ядро, – циклическая группа атомов углерода с особым характером связей.

Общая формула - CnH2n-6 

Ароматические углеводороды

1865 г. – Август Кекуле (Рис. 1) предположил, что атомы углерода могут замыкаться в цикл.

Рис. 1.

1872 г. – Кекуле предложил гипотезу, согласно которой в бензольном кольце происходит непрерывный обмен местами простых и двойных связей:

Структурные формулы, соответствующие составу С6Н6

Современные представления о строении бензола

Появление физических методов анализа веществ и квантовомеханических подходов к описанию молекул позволило установить, что атомы углерода в молекуле бензола составляют плоский правильный шестиугольник; связи между всеми атомами углерода имеют равную длину – 0,14 нм, которая больше, чем длина двойной связи (0,132 нм), но меньше, чем длина простой связи (0,154 нм). Рис. 2.

 или 

Рис. 2. Молекула бензола

II. Строение бензола

Видео: “Строение молекулы бензола”

Все атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации. Рис. 2. Шесть π-электронов образуют общее электронное облако, которое принадлежит всем шести атомам углерода:

Рис. 3. Образование связей в молекуле бензола

Запомните!

SP2 –гибридизация:

• Плоское тригональное строение
• Угол – HCH - 120°
• Связи σ, π
• В бензоле нет простых и двойных связей, под влиянием единой π – электронной системы расстояние между центрами атомов углерода становится одинаковым – 0,139 нм, все связи полуторные 

Формула Кукуле правильно отражает равноценность шести атомов С, однако не объясняет ряд особых свойств бензола. Например, несмотря на ненасыщенность, он не проявляет склонности к реакциям присоединения: не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия, т.е. ему не свойственны типичные для непредельных соединений качественные реакции.

В структурной формуле Кекуле – три одинарные и три двойные чередующиеся углерод-углеродные связи. Но такое изображение не передает истинного строения молекулы. В действительности углерод-углеродные связи в бензоле равноценны. Это объясняется электронным строением его молекулы.

Каждый атом С в молекуле бензола находится в состоянии sp2-гибридизации. Он связан с двумя соседними атомами С и атомом Н тремя σ -связями. В результате образуется плоский шестиугольник, где все шесть атомов С и все σ -связи С–С и С–Н лежат в одной плоскости (угол между связями С–С равен 120o).

Рис. Схема образования -связей в молекуле бензола

Третья p-орбиталь атома углерода не участвует в гибридизации. Она имеет форму гантели и ориентирована перпендикулярно плоскости бензольного кольца. Такие p-орбитали соседних атомов С перекрываются над и под плоскостью кольца.

Рис. Негибридные 2p-орбитали углерода в молекуле бензола

В результате шесть p-электронов (всех шести атомов С) образуют общее π -электронное облако и единую химическую связь для всех атомов С.

Рис. Молекула бензола. Расположение π -электронного облака

π -электронное облако обусловливает сокращение расстояния между атомами С.

В молекуле бензола они одинаковы и равны 0,139 нм. В случае простой и двойной связи эти расстояния составили бы соответственно 0,154 и 0,134 нм. Значит, в молекуле бензола нет чередования простых и двойных связей, а существует особая связь – “полуторная” – промежуточная между простой и двойной, так называемая ароматическая связь. Чтобы показать равномерное распределение p-электронного облака в молекуле бензола, корректнее изображать ее в виде правильного шестиугольника с окружностью внутри (окружность символизирует равноценность связей между атомами С):

Единая электронная система в молекуле бензола

Ароматичность

Прочность связи между атомами углерода в цикле должна быть промежуточной между прочностью двойной и одинарной связи. Но связь между атомами С в бензольном кольце оказывается значительно прочнее! Поэтому соединения ряда бензола не вступают во многие реакции, характерные для непредельных соединений.

Ароматичность – способность циклической молекулы с системой сопряженных двойных связей образовывать единое p-электронное облако с увеличением стабильности молекулы.

На основе квантовомеханических расчетов Э. Хюккель сформулировал критерии ароматичности:

1. Молекула (или ее часть) должна быть циклической и плоской.

2. Она должна содержать сопряженные p-электроны. Это могут быть электроны двойных связей или неподеленных электронных пар атомов.

3. Число p-электронов должно быть равным 4n + 2, где n = 0,1,2… (правило Хюккеля)

III. Классификация аренов 

1. Моноядерные

1. С6H6 – бензол, родоначальник гомологического ряда аренов (Бензол – плоская циклическая система, содержащая 6 p-электронов (n = 1).

2. С6H5 – CH3 – толуол (метилбензол)

3. С6H5 – CH=СH2 – стирол (винилбензол)

4. Ксилол (орто-, пара- , мета-ксилол)

2. Многоядерные (конденсированные)

1. Нафталин (n = 2) 

2. Антрацен (n = 3)

IV. Изомерия, номенклатура

Изомеров такого состава может быть очень много. Например:

• Все возможные структурные формулы включают в себя либо двойные и тройные связи, либо трехчленные циклы. Такие соединения легко вступают в реакции присоединения и окисления. Но бензол не проявляет таких свойств.
• У бензола нет различий между двойными и простыми связями (существует только один 1,2-диметилбензол).

Изомерия обусловлена изомерией углеродного скелета имеющихся радикалов и их взаимным положением в бензольном кольце. Положение двух заместителей указывают с помощью приставок: орто- (о-), если они находятся у соседних углеродных атомов (положение 1, 2-), мета- (м-) для разделенных одним атомом углерода (1, 3-) и пара-(п-) для находящихся напротив друг друга (1, 4-).

Например, для диметилбензола (ксилола):

орто-ксилол (1,2-диметилбензол) 

мета-ксилол (1,3-диметилбензол) 

пара-ксилол (1,4-диметилбензол)

Радикалы ароматических углеводородов называют арильными радикалами. Радикал С6Н5 — называется фенил.

V. Тренажеры

Тренажер №1: “Изомерия гомологов бензола”

Тренажер №2: “Номенклатура гомологов бензола”

ЦОРы

Видео:“Строение молекулы бензола”

Бензол: физические и химические свойства, получение и применение

I. Физические свойства 

Видео-опыт: “Изучение физических свойств бензола”

Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Ароматические углеводороды легче воды и в ней не растворяются, однако легко растворяются в органических растворителях – спирте, эфире, ацетоне.

Бензол и его гомологи сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ. Все арены горят коптящим пламенем ввиду высокого содержания углерода в их молекулах.

Таблица. Физические свойства некоторых аренов

Бензол – легкокипящая (tкип = 80,1°С), бесцветная жидкость, не растворяется в воде

Внимание! Бензол – яд, действует на почки, изменяет формулу крови (при длительном воздействии), может нарушать структуру хромосом.

Большинство ароматических углеводородов опасны для жизни, токсичны. 

II. Получение аренов (бензола и его гомологов) 

1. В лаборатории 

1. Сплавление солей бензойной кислоты с твёрдыми щелочами                    

C6H5-COONa + NaOH t →  C6H6 + Na2CO3

бензоат натрия 

2. Реакция Вюрца-Фиттинга: (здесь Г – галоген) 

С6H5-Г + 2Na + R-Г → C6H5-R + 2NaГ 

С6H5-Cl + 2Na + CH3-Cl → C6H5-CH3 + 2NaCl 

2. В промышленности

• выделяют из нефти и угля методом фракционной перегонки, риформингом;
• из каменноугольной смолы и коксового газа 

1. Дегидроциклизацией алканов с числом атомов углерода больше 6:        

C6H14  t, kat→   C6H6 + 4H2 

2. Тримеризация ацетилена (только для бензола) – реакция Зелинского       

3С2H2 600°C, акт. уголь →  C6H6

3. Дегидрированием циклогексана и его гомологов

Советский академик Николай Дмитриевич Зелинский установил, что бензол образуется из циклогексана (дегидрирование циклоалканов)     

C6H12 t, kat→ C6H6 + 3H2

C6H11-CH3    t, kat→   C6H5-CH3 + 3H2

метилциклогексан       толуол

4. Алкилирование бензола (получение гомологов бензола) – реакция Фриделя-Крафтса                             

C6H6 + C2H5-Cl t, AlCl3→ C6H5-C2H5 + HCl

              хлорэтан              этилбензол                                    

III. Химические свойства аренов 

I. Реакции окисления 

1. Горение (коптящее пламя):                       

Видео-опыт: “Горение бензола”

2C6H6 + 15O2 t →  12CO2 + 6H2O + Q

2. Бензол при обычных условиях не обесцвечивает бромную воду и водный раствор марганцовки 

Видео-опыт: “Изучение отношения бензола к бромной воде и раствору перманганата калия”

3. Гомологи бензола окисляются перманганатом калия (обесцвечивают марганцовку): 

а) в кислой среде до бензойной кислоты

При действии на гомологи бензола перманганата калия и других сильных окислителей боковые цепи окисляются. Какой бы сложной ни была цепь заместителя, она разрушается, за исключением a -атома углерода, который окисляется в карбоксильную группу.

Гомологи бензола с одной боковой цепью дают бензойную кислоту:

Гомологи, содержащие две боковые цепи, дают двухосновные кислоты:

5C6H5-C2H5 + 12KMnO4 + 18H2SO4 → 5C6H5COOH + 5CO2 + 6K2SO4 + 12MnSO4+28H2O

5C6H5-CH3 + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 5C6H5COOH + 3K2SO4 + 6MnSO4 +14H2O

Упрощённо:             

C6H5-CH3 + 3O  KMnO4   →    C6H5COOH + H2O

б) в нейтральной и слабощелочной до солей бензойной кислоты 

C6H5-CH3 + 2KMnO4 → C6H5COOК + KОН + 2MnO2 + H2O 

II. Реакции присоединения (труднее, чем у алкенов)

1. Галогенирование                   

C6H6 +3Cl2 hν → C6H6Cl6 (гексахлорциклогексан - гексахлоран)

Видео-опыт: “Хлорирование бензола (получение гексахлорана)”

2. Гидрирование               

C6H6 + 3H2      t,Pt или Ni →    C6H12 (циклогексан)

3. Полимеризация

III. Реакции замещения – ионный механизм  (легче, чем у алканов) 

1. Галогенирование  

a) бензола                

C6H6 + Cl2  AlCl3→ C6H5-Cl + HCl    (хлорбензол) 

C6H6 + 6Cl2  t ,AlCl3→  C6Cl6 + 6HCl   (гексахлорбензол)                 

C6H6 + Br2  t,FeCl3→ C6H5-Br + HBr   (бромбензол)

Видео-опыт: “Бромирование бензола”

б) гомологов бензола при облучении или нагревании

По химическим свойствам алкильные радикалы подобны алканам. Атомы водорода в них замещаются на галоген по свободно-радикальному механизму. Поэтому в отсутствие катализатора при нагревании или УФ-облучении идет радикальная реакция замещения в боковой цепи. Влияние бензольного кольца на алкильные заместители приводит к тому, что замещается всегда атом водорода у атома углерода, непосредственно связанного с бензольным кольцом (a -атома углерода).                         

1) C6H5-CH3 + Cl2 hν →  C6H5-CH2-Cl + HCl 

2)  

в) гомологов бензола в присутствии катализатора                         

C6H5-CH3 + Cl2   AlCl3→ (смесь орта, пара производных) +  HCl

2. Нитрование (с азотной кислотой)                        

C6H6 + HO-NO2   t, H2SO4→   C6H5-NO2 + H2O

                                    нитробензол - запах миндаля! 

Видео-опыт: “Нитрование бензола”

 C6H5-CH3 + 3HO-NO2   t, H2SO4→ СH3-C6H2(NO2)3 + 3H2O

                                                                 2,4,6-тринитротолуол (тол, тротил)

IV. Применение бензола и его гомологов

Бензол C6H6 – хороший растворитель. Бензол в качестве добавки улучшает качество моторного топлива. Служит сырьем для получения многих ароматических органических соединений – нитробензола C6H5NO2 (растворитель, из него получают анилин), хлорбензола C6H5Cl, фенола C6H5OH, стирола и т.д.

Толуол C6H5–CH3 – растворитель, используется при производстве красителей, лекарственных и взрывчатых веществ (тротил (тол), или 2,4,6-тринитротолуол ТНТ).

Ксилолы C6H4(CH3)2. Технический ксилол – смесь трех изомеров (орто-, мета- и пара-ксилолов) – применяется в качестве растворителя и исходного продукта для синтеза многих органических соединений.

Изопропилбензол C6H5–CH(CH3)2 служит для получения фенола и ацетона.

Хлорпроизводные бензола используют для защиты растений. Так, продукт замещения в бензоле атомов Н атомами хлора – гексахлорбензол С6Сl6 – фунгицид; его применяют для сухого протравливания семян пшеницы и ржи против твердой головни. Продукт присоединения хлора к бензолу – гексахлорциклогексан (гексахлоран) С6Н6Сl6 – инсектицид; его используют для борьбы с вредными насекомыми. Упомянутые вещества относятся к пестицидам – химическим средствам борьбы с микроорганизмами, растениями и животными.

Стирол C6H5 – CH = CH2 очень легко полимеризуется, образуя полистирол, а сополимеризуясь с бутадиеном – бутадиенстирольные каучуки.

Применение бензола

Применение бензола: анилин

Применение бензола: полистирол

Применение толуола: тол

V. Тренажеры

Тренажер №1: “Способы получения гомологов бензола”

Тренажер №2: “Уравнения реакций, иллюстрирующие химические свойства бензола”

Тренажер №3: “Физические свойства бензола”

Тренажер №4: “Химические свойства гомологов бензола”

ЦОРы

Видео-опыт: “Изучение физических свойств бензола”

Видео-опыт: “Горение бензола”

Видео-опыт: “Изучение отношения бензола к бромной воде и раствору перманганата калия”

Видео-опыт: “Бромирование бензола”

Видео-опыт: “Нитрование бензола”

Видео-опыт: “Хлорирование бензола (получение гексахлорана)”

 Документы (всего: 1)

1.

Бензол.pptx

Скачать

Hекоторые файлы и информация, находящиеся на данном сайте, были взяты из методической литературы, найдены в сети Интернет, как свободно распространяемые (авторство данных материалов сохранено). 
Если Вы являетесь правообладателем той или иной продукции или информации, и условия, на которых она представлена на данном ресурсе, не соответствуют действительности, просьба сообщить об этом с целью устранения правонарушения.

сайт создан в рамках проекта «Каждому учителю - профессиональный сайт»
www.teacher-site.ru

ЗАГРУЖАЕТСЯ...

Изображение 1 из 2

Гомологи бензола. Правила ориентации в бензольном кольце

 I. Электронные эффекты

Важнейшим фактором, определяющим химические свойства молекулы, является распределение в ней электронной плотности. Характер распределения зависит от взаимного влияния атомов.

В молекулах, имеющих только σ-связи, взаимное влияние атомов осуществляется через индуктивный эффект. 

В молекулах, представляющих собой сопряженные системы, проявляется действие мезомерного эффекта. 

Влияние заместителей, передающееся по сопряженной системе π -связей, называется мезомерным (М) эффектом. 

В молекуле бензола p -электронное облако распределено равномерно по всем атомам углерода за счет сопряжения. Если же в бензольное кольцо ввести какой-нибудь заместитель, это равномерное распределение нарушается и происходит перераспределение электронной плотности в кольце. Место вступления второго заместителя в бензольное кольцо определяется природой уже имеющегося заместителя. 

Заместители подразделяют на две группы в зависимости от проявляемого ими эффекта (мезомерного или индуктивного): электронодонорные и электроноакцепторные. 

1. Электронодонорные заместители 

Проявляют +М- и +I-эффект и повышают электронную плотность в сопряженной системе.

К ним относятся гидроксильная группа —ОН и аминогруппа —NН2. Неподеленная пара электронов в этих группах вступает в общее сопряжение с p -электронной системой бензольного кольца и увеличивает длину сопряженной системы. В результате электроннаяплотность сосредоточивается в орто- и пара-положениях: 

Алкильные группы  не могут участвовать в общем сопряжении, но они проявляют +I-эффект, под действием которого происходит аналогичное перераспределение p -электронной плотности.

2. Электроноакцепторные заместители 

Проявляют -М-эффект и снижают электронную плотность в сопряженной системе.

К ним относятся нитрогрупла —NO2, сульфогруппа —SO3Н, альдегидная —СНО и карбоксильная —СООН группы. Эти заместители образуют с бензольным кольцом общую сопряженную систему, но общее электронное облако смещается в сторону этих групп. Таким образом, общая электронная плотность в кольце уменьшается, причем меньше всего она уменьшается в мета-положениях:

Полностью галогенизированные алкильные радикалы (например, —ССl3) проявляют -I-эффект и также способствуют понижению электронной плотности кольца. 

Закономерности преимущественного направления замещения в бензольном кольце называют правилами ориентации. 

I. Заместители, обладающие +I-эффектом или +М-эффектом, способствуют электрофильному замещению в орто- и пара-положениях бензольного кольца и называются заместителями (ориентантами) первого рода:

II. Заместители, обладающие -I-эффектом или -М-эффектом, направляют электрофильное замещение в мета-положения бензольного кольца и называются заместителями (ориентантами) второго рода:

Так, толуол, содержащий заместитель первого рода, нитруется и бромируется в пара- иорто-положения:

Нитробензол, содержащий заместитель второго рода, нитруется и бромируется в мета-положение: 

Помимо ориентирующего действия заместители оказывают влияние и на реакционную способность бензольного кольца: ориентанты 1-го рода (кроме галогенов) облегчают вступление второго заместителя; ориентанты 2-го рода (и галогены) затрудняют его. 

Генетическая связь ароматических углеводородов с другими классами углеводородов

Осуществите превращения по схеме:

Контрольная работа №1 по теме: «Углеводороды»

(базовый уровень)

1 вариант

Задание №1

Для вещества, формула которого:

СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3,

Составьте структурные формулы двух гомологов и двух изомеров. Назовите все вещества.

Задание №2

Напишите структурные формулы:

1. Ацетилен
2. Бутен-2
3. Пропадиен
4. Пентан
5. Бензол

Укажите, к какому классу относится каждое вещество.

Задание №3

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

С              СН4              СН3Вr

Задание №4

Сравните химические свойства алканов и алкенов (на примере этана и этена).        

Задание №5 (дополнительно)

Какой объем углекислого газа (н.у.) выделится при сжигании 2 м3 природного газа, содержащего 96% метана?

2 вариант

Задание №1

Для вещества, формула которого:

СН2 = СН – СН2 – СН3,

Составьте структурные формулы двух гомологов и двух изомеров. Назовите все вещества.

Задание №2

Составьте уравнения химических реакций, схемы которых:

СН2 = СН2 + Cl2            

C2H4 + H2O              

CH4 + Cl2            

Укажите условия их осуществления.

Задание №3

Каковы физические и химические свойства природного каучука?

Задание №4

Сравните химические свойства алкенов и алкинов (на примере этена и этина).

Задание №5 (дополнительно)

Рассчитайте объем ацетилена (н.у.), который может быть получен из 128 г технического карбида кальция, содержащего 5% примесей.

Практическая работа № 1. Получение этилена и изучение его свойств

I. Цель работы

Получить этилен путём нагревания смеси этилового спирта с концентрированной серной кислотой и изучить его свойства.

II. Реактивы и оборудование

Реактивы:

• водный раствор перманганата калия,
• раствор брома в воде (бромная вода),
• реакционная смесь этилового спирта и серной концентрированной кислоты (1:3).

Оборудование:

• спиртовка,
• спички,
• прибор для получения газов.

III. Инструкция по выполнению практической работы 

1. Загрузите и внимательно просмотрите видео – опыты

 «Получение этилена, опыты с ним»

«Горение этилена»

«Взаимодействие этилена с бромной водой» 

«Взаимодействие этилена с раствором перманганата калия» 

2. Оформите отчёт на двойном листе в клетку

3. Сдайте отчёт на проверку учителю

IV. Ход работы

1. Получение этилена

Получите готовую реакционную смесь у учителя. Соберите прибор для получения газов.

Осторожно, равномерно нагрейте смесь. 

Внимание!!!

Соблюдайте осторожность. Вы работаете с концентрированной серной кислотой. 

2. Окисление этилена кислородом перманганата калия

Пропустите выделяющийся газ в пробирку с водным раствором перманганата калия, подкисленного серной кислотой. 

3. Взаимодействие этилена с бромной водой

Выделяющийся этилен пропустим через раствор брома в воде, который называют  бромной  водой. 

4. Окисление этилена кислородом воздуха (горение)

Поверните газоотводную трубку отверстием вверх и подожгите выделяющийся газ. 

5. Оформите работу в тетради в виде таблицы

5. Вывод: (из цели)

Спирты: химические свойства, получение, применение

I. Химические свойства спиртов 

В химических реакциях гидроксисоединений возможно разрушение одной из двух связей:

• С–ОН с отщеплением ОН-группы
• О–Н с отщеплением водорода

Это могут быть реакции замещения, в которых происходит замена ОН или Н, или реакцияотщепления (элиминирования), когда образуется двойная связь.

Полярный характер связей С–О и О–Н способствует гетеролитическому их разрыву и протеканию реакций по ионному механизму. При разрыве связи О–Н с отщеплением протона (Н+) проявляются кислотные свойства гидроксисоединения, а при разрыве связи С–О – свойства основания и нуклеофильного реагента.

С разрывом связи О–Н идут реакции окисления, а по связи С–О – восстановления.

Таким образом, гидроксисоединения могут вступать в многочисленные реакции, давая различные классы соединений. Вследствие доступности гидроксильных соединений, в особенности спиртов, каждая из этих реакций является одним из лучших способов получения определенных органических соединений. 

1. Кислотно-основные свойства

RO- + H+ ↔ ROH ↔ R+ + OH-

                                                                                                                             алкоголят-ион

Кислотные свойства уменьшаются в ряду, а основные возрастают:

HOH →    R-CH2-OH    →    R2CH-OH    →    R3C-OH

вода          первичный           вторичный          третичный

1. Кислотные свойства

Взаимодействие с активными щелочными металлами:

Видео-опыт: “Взаимодействие этилового спирта с металлическим натрием”

2C2H5OH + 2 Na → 2C2H5ONa + H2