Основой создания теории химического строения органических соединений А.М. Бутлеровым послужило атомно-молекулярное учение (работы А.Авагадро и С.Канниццаро). Будет неправильным предполагать, что до ее создания в мире ничего не было известно об органических веществах и не предпринимались попытки обоснования строения органических соединений. К 1861 году (год создания А.М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений) число известных органических соединений достигало сотен тысяч, а выделение органической химии как самостоятельной науки произошло еще в 1807 году (Й. Берцелиус).
Предпосылки теории строения органических соединений
Широкое изучение органических соединений началось в XVIII веке с работ А.Лавуазье, который показал, что вещества, получаемые из живых организмов, состоят из нескольких элементов – углерода, водорода, кислорода, азота, серы и фосфора. Огромное значение имело введение терминов «радикал» и «изомерия», а также формирование теории радикалов (Л. Гитон де Морво, А. Лавуазье, Ю. Либих, Ж. Дюма, Й. Берцелиус), успехи в синтезе органических соединений (мочевина, анилин, уксусная кислота, жиры, сахароподобные вещества и др.).
Термин «химическое строение», а также основы классической теории химического строения были впервые обнародованы А.М. Бутлеровым 19 сентября 1861 года в его докладе на Съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере.
Основные положения теории строения органических соединений А.М. Бутлерова
1. Атомы, образующие молекулу органического вещества связаны между собой в определенном порядке, причем на связь с друг другом затрачивается по одной или несколько валентностей от каждого атома. Свободных валентностей нет.
Последовательность соединения атомов Бутлеров назвал «химическим строением». Графически связи между атомами обозначаются чертой или точкой (рис. 1).
Рис. 1. Химическое строение молекулы метана: А – структурная формула, Б – электронная формула
2. Свойства органических соединений зависят от химического строения молекул, т.е. свойства органических соединений зависят от порядка соединения атомов в молекуле. Изучив свойства можно изобразить вещество.
Рассмотрим пример: вещество имеют брутто-формулу C 2 H 6 O. Известно, что при взаимодействии этого вещества с натрием выделяется водород, а при действии на него кислоты образуется вода.
C 2 H 6 O + Na = C 2 H 5 ONa + H 2
C 2 H 6 O + HCl = C 2 H 5 Cl + H 2 O
Данному веществу может соответствовать две структурные формулы:
CH 3 -O-CH 3 – ацетон (диметилкетон) и CH 3 -CH 2 -OH – этиловый спирт (этанол),
исходя из химических свойств, характерных для этого вещества делаем вывод, что это этанол.
Изомеры – это вещества, обладающие одинаковым качественным и количественным составом, но различным химическим строением. Выделяют несколько типов изомерии: структурная (линейная, разветвленная, углеродного скелета), геометрическая (цис- и транс- изомерия, характерная для соединений с кратной двойной связью (рис. 2)), оптическая (зеркальная), стерео (пространственная, характерна для веществ, способных по разному располагаться в пространстве (рис. 3)).
Рис. 2. Пример геометрической изомерии
3. На химические свойства органических соединений оказывают влияние и другие атомы, присутствующие в молекуле. Такие группы атомов получили название функциональных групп, за счет того, что их наличие в молекуле вещества придает ему особые химические свойства. Например: -OH (гидроксо-группа), -SH (тио-группа), -CO (карбонильная группа), -COOH (карбоксильная группа). Причем химические свойства органического вещества в меньшей степени зависят от углеводородного скелета, чем от функциональной группы. Именно функциональные группы обеспечивают многообразие органических соединений, за счет чего их классифицируют (спирты, альдегиды, карбоновые кислоты и т.д. К числу функциональных групп иногда относят и углерод-углеродные связи (кратные двойные и тройные). Если в молекуле органического вещества несколько одинаковых функциональных групп, то его называют гомополифунцкиональным (CH 2 (OH)-CH(OH)-CH 2 (OH) – глицерин), если несколько, но разных – гетерополифункциональным (NH 2 -CH(R)-COOH – аминокислоты).
Рис.3. Пример стерео изомерии: а – циклогексан, форма «кресла», б – циклогексан, форма «ванна»
4. Валентность углерода в органических соединениях всегда равна четырем.
Еще со времени открытия огня человек разделил вещества на горючие и негорючие. К первой группе относились в основном продукты растительного и животного происхождения, а ко второй – преимущественно минерального происхождения. Таким образом, между способностью вещества к горению и принадлежностью его к живому и неживому миру существовала определенная связь.
В 1867 г. Й. Берцелиус предложил называть соединения первой группы органическими, а вещества, подобные воде и солям, которые характерны для неживой природы, определил, как неорганические.
Некоторые органические вещества в более или менее чистом виде известны человеку с незапамятных времен (уксус, многие органические красители). Ряд органических соединений, как, например, мочевина, этиловый спирт, «серный эфир» были получены еще алхимиками. Очень многие вещества, особенно органические кислоты (щавелевая, лимонная, молочная и др.) и органические основания (алкалоиды), были выделены из растений и животных во второй половине XVIII века и первых годах XIX века. Это время и следует считать началом научной органической химии.
v Теория витализма . В XVIII веке и первой четверти XIX века господствовало убеждение, что химия живой природы принципиально отлична от химии мертвой природы (минеральной химии), и что организмы строят свои вещества с участием особой жизненной силы, без которой искусственно, в колбе, их создать нельзя. То время было временем господства витализма – учения, рассматривающего жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам мироздания, а влиянию особых жизненных сил.
Защитником витализма веком раньше был Г. Шталь, основатель теории флогистона. По его мнению, химики, имевшие дело с самыми обычными веществами, осуществить их превращения, требовавшие участия жизненных сил, естественно, не могли.
Первые сомнения в состоятельности виталистической теории заронил ученик Й. Берцелиуса немецкий химик Ф. Велер, который синтезировал из цианата аммония, безоговорочно причисленного к неорганическим веществам, мочевину:
Не надо переоценивать значения этой работы, т.к. мочевина фактически является перестроенной молекулой цианата аммония, но, тем не менее, нельзя и отрицать значение открытия Ф. Велера, т.к. оно способствовало низвержению витализма и вдохновило химиков на синтез органических веществ.
В 1845 г. А. Кольбе, ученик Ф. Велера, осуществил синтез из элементов, т.е. полный синтез, уксусной кислоты. Французский химик П. Бертло получил метиловый и этиловый спирты, метан. Тем не менее, существовало мнение, что синтез столь сложного вещества, как сахар, никогда не будет осуществлен. Однако уже в 1861 г. А. Бутлеров синтезировал сахароподобное вещество – метиленитан.
Одновременно с этими этапными для органической химии синтезами быстро росло общее число синтезированных углеродосодержащих соединений, не встречающихся в природе. Так, в 1825 г. М. Фарадей получил бензол, еще ранее стали известны этилен, бромистый этилен и ряд производных бензола. В 1842 г. Н. Зинин из нитробензола получил анилин, а в 50-х годах того же столетия из анилина были синтезированы первые «анилиновые красители» – мовеин У. Перкина и фуксин. К середине 50-х годов ХIХ в. виталистическая теория потерпела крах окончательно.
v Дуалистическая теория Й. Берцелиуса . Основы структурной химии органических веществ заложил Й. Берцелиус, который вслед за А. Лавуазье распространил на органические объекты количественный анализ и создал для объяснения их природы дуалистическую (электрохимическую ) теорию – первую научную теорию в химии. По Й. Берцелиусу, атом элемента соединяется с кислородом вследствие того, что он электроположителен, а кислород электроотрицателен; при соединении заряды нейтрализуются. Й. Берцелиус считал, что его теория применима и к органической химии, с той разницей, что в органических соединениях радикалы в оксидах более сложные, например, углеводородные. Иначе эту теорию еще называют «теорией сложных радикалов ».
По А. Лавуазье радикалы органических соединений состоят из углерода, водорода и кислорода, к которым в случае веществ животного происхождения добавляется еще азот и фосфор.
v Теория радикалов . Развитием теории Берцелиуса стала теория радикалов. В 1810 г. Ж. Гей-Люссак заметил, что группа СN (цианидная группа) может переходить из соединения в соединение, не разделяясь на отдельные атомы углерода и азота. Такие группы стали называть радикалами .
Постепенно радикалы стали рассматривать, как неизменные составные части органических веществ (подобные элементам в неорганических соединениях), которые переходят в реакциях из одного соединения в другое. Некоторые исследователи, особенно немецкой школы (Ф. Велер, Ю. Либих), вдохновленные открытием серии новых элементов, руководствовались идеей поиска новых радикалов. В частности, они нашли радикалы бензоил С 6 Н 5 СО и ацетил СН 3 СО. К этому времени стало известно также, что вещества, называющиеся сейчас этиловым спиртом, диэтиловым эфиром, хлористым этилом и этилнитритом, содержат радикал этил –С 2 Н 5 . Подобным же способом были идентифицированы и другие радикалы , т.е. группы атомов, остающиеся неизменными при различных химических превращениях.
Множественные попытки выделить радикалы в свободном состоянии оказались неудачными или проводили к ошибочным результатам. Так, до установления закона Авогадро этан, выделенный по реакции Вюрца:
считался сначала радикалом метилом –СН 3 , и лишь последующее определение молекулярной массы показало ее удвоенную величину.
Общее признание принципа неизменности радикалов, было поколеблено, когда французский химик Ж. Дюма и его ученик О. Лоран открыли реакцию металепсии . При действии хлора на органические соединения хлор вступает в вещество так, что на каждый вступивший эквивалент хлора из вещества удаляется один эквивалент водорода в виде хлороводорода. При этом химический характер соединения не меняется. Противоречие с теорией Й. Берцелиуса было разительным: хлор, «отрицательно заряженный элемент», входил на место «положительного заряженного водорода», и молекула не только сохранялась, но и не изменялся ее химический характер. Оказалось возможным заменять водород на другие электроотрицательные элементы – галогены, кислород, серу и т. д., и электрохимическая дуалистическая теория Й. Берцелиуса рухнула. Все очевиднее становилось, что неизменных радикалов не существует, и что в одних реакциях радикалы переходят во вновь образующиеся молекулы целиком, а в других подвергаются изменениям.
v Теория типов . Попытки найти что-то общее в природе органических молекул заставили отказаться от безуспешных поисков неизменяемой части молекулы и перейти к наблюдениям за ее наиболее изменяемой частью, которую мы теперь называем функциональной группой . Эти наблюдения привели к теории типов Ш. Жерара.
В спиртах и кислотах Ш. Жерар увидел аналоги воды, в хлорпроизводных углеводородов – аналоги хлористого водорода, в алканах – водорода, во вновь открытых аминах – аммиака.
Большинство сторонников теории типов (Ш. Жерар, А. Кольбе, А. Кекуле) исходили из того, что невозможно определить строение веществ экспериментальным путем. Их можно только классифицировать. В зависимости от того, в какие реакции вещество вступает, одно и то же органическое соединение можно относить к разным типам. Теория с большой натяжкой классифицировала огромный опытный материал, а о возможности целенаправленного синтеза не могло быть и речи. Органическая химия в те годы представлялась, по словам Ф. Велера, «…дремучим лесом, полным чудесных вещей, огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть». Дальнейшее развитие химии требовало создания новой, более прогрессивной теории.
Одним из недостатков теории типов является стремление уложить все органические соединения в более или менее формальные схемы. Заслуга этой теории состоит в уточнении понятий о гомологических рядах и химических функциях, окончательно освоенных органической химией. Ее роль в развитии науки несомненна, т.к. она привела к понятию валентности и открыла путь к теории строения органических соединений.
v Теория строения органических соединений . Ряд исследований предшествовал появлению основополагающей теории строения органических соединений. Так, А. Вильямсон в 1851 г. ввел понятие о так называемых многоатомных радикалах, т. е. о радикалах, способных заместить два и более атомов водорода. Тем самым стало возможным относить вещества сразу к двум и более типам, например, аминоуксусная кислота может быть отнесена к типам воды и аммиака:
Такие вещества мы сейчас называем гетерофункциональными соединениями.
Чтобы соблюсти постоянство валентности углерода и кислорода, оказалось необходимым также принять существование двойной связи в этилене (С=С), в альдегидах и кетонах (С=О).
Шотландский химик Л. Купер предложил современное изображение формул, в которых знак элемента снабжался числом черточек, равным его валентности:
Однако и А. Кекуле и Л. Куперу еще чужда была идея неразрывной связи химических и физических свойств молекул с ее строением, выраженным формулой, идея единственности этого строения. А. Кекуле допускал описание одного и того же соединения посредством нескольких разных формул, в зависимости от того, какую совокупность реакций данного вещества хотели выразить формулой. По существу, это были так называемые реакционные формулы.
Основные положения теории строения органических соединений были обнародованы А. Бутлеровым в 1861 г. Ему же принадлежит и сам термин строение или структура . Теория Бутлерова базировалась на материалистических представлениях, основанных на атомистическом учении М. Ломоносова и Д. Дальтона. Сущность этой теории сводится к следующим основным положениям:
1. Химическая природа каждой сложной молекулы определяется природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением.
2. Химическое строение – это определенный порядок чередования атомов в молекуле, взаимное влияние атомов друг на друга.
3. Химическое строение веществ определяет их физические и химические свойства.
4. Изучение свойств веществ позволяет определить их химическое строение.
Химическим строением А. Бутлеров назвал последовательность атомов в молекуле. Он указал, каким путем на основании изучения химических реакций данного вещества можно установить его структуру, которая для каждого химического индивидуума является адекватной. В соответствии с этой формулой можно и синтезировать данные соединения. Свойства определенного атома в соединении, прежде всего, зависят от того, с каким атомом связан интересующий нас атом. Пример – поведение различных атомов водорода в спиртах.
Теория строения включила и растворила в себе теорию радикалов, поскольку любая часть молекулы, переходящая в реакции из одной молекулы в другую является радикалом, но уже не обладает прерогативой неизменности. Она вобрала в себя и теорию типов, ибо присутствующие в молекуле неорганические или содержащие углерод группы, ведущие свое начало от воды (гидроксил –ОН), аммиака (аминогруппа –NH 2), угольной кислоты (карбоксил –COOH), в первую очередь определяли химическое поведение (функцию) молекулы и делали его сходным с поведением прототипа.
Структурная теория строения органических соединений позволила классифицировать огромный экспериментальный материал и указала пути целенаправленного синтеза органических веществ.
Следует отметить, что установление структуры вещества химическим путем осуществляют каждый раз индивидуально. Нужна уверенность в индивидуальности веществ и знание количественного элементного состава и молекулярной массы. Если известны состав соединения и его молекулярная масса, можно вывести молекулярную формулу. Приведем пример выведения структурных формул для веществ с составом С 2 Н 6 О.
Первое вещество реагирует с натрием по типу воды, выделяя один атом водорода на один атом натрия, причем натрий входит в состав молекулы продукта реакции вместо ушедшего водорода.
2C 2 H 6 O + 2Na → H 2 + 2C 2 H 5 ONa
В полученное соединение уже не удается ввести второй атом натрия. То есть, можно предположить, что вещество содержало гидроксильную группу и, выделяя ее в формуле соединения, последнее можно записать так: С 2 Н 5 ОН. Подтверждением этого вывода служит то, что при действии на исходное вещество бромида фосфора(III) гидроксильная группа уходит из молекулы как целое, переходя к атому фосфора и заменяясь на атом брома.
2C 2 H 5 OH + PBr 3 → 3C 2 H 5 Br + H 3 PO 3
Изомерное ему вещество, т.е. имеющее такую же брутто-формулу, не реагирует с металлическим натрием, а при взаимодействии с иодоводородом разлагается по уравнению:
C 2 H 6 O + HI → CH 3 I + CH 4 O .
Из этого можно сделать вывод, что в исходном веществе два атома углерода не связаны друг с другом, т. к. иодоводород не способен разрывать С–С-связь. В нем нет и особого водорода, способного замещаться на натрий. После разрыва молекулы этого вещества при действии иодоводорода образуются СН 4 О и СН 3 I. Последнему нельзя приписать иную структуру, чем указанную ниже, поскольку и водород, и иод одновалентны.
Второе из образовавшихся веществ, СН 4 О, ведет себя в реакции не только с натрием, но и с бромидом фосфора(III), подобно этиловому спирту.
2CH 4 O + 2Na → 2CH 3 ONa + H 2
3CH 4 O + PBr 3 → CH 3 Br + P(OH) 3
Естественно предположить, что иодоводород разорвал связь двух метильных групп, осуществляющуюся атомом кислорода.
Действительно, при действии одного из продуктов этой реакции на натриевое производное другого удается осуществить синтез исходного вещества, изомерного этиловому спирту, и подтвердить принятую для него структуру диметилового эфира.
Первым пробным камнем проверки теории строения органических соединений явился синтез предсказанных, но неизвестных в то время трет -бутилового спирта и изобутилена, осуществленный автором созданной теории и его учеником А. Зайцевым. Другой ученик А. Бутлерова – В. Марковников синтезировал теоретически предсказанную изомасляную кислоту и на ее основе изучил взаимное влияние атомов в молекуле.
Следующий этап в развитии теоретических вопросов связывают с возникновением стереохимических представлений, развитых в работах Я. Вант-Гоффа и Ж. Ле Беля.
В начале ХХ в. закладываются представления об электронном строении атомов и молекул. На электронном уровне трактуется природа химической связи и реакционной способности органических молекул.
Создание теории органических веществ послужило основой синтетических методов не только в лаборатории, но и в промышленности. Возникают производства синтетических красителей, взрывчатых веществ и медикаментов. В органический синтез широко внедряются катализаторы и высокие давления.
В области органического синтеза осуществлено получение многих природных веществ (хлорофилл, витамины, антибиотики, гормоны). Выявлена роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственности.
Решение многих вопросов в строении сложных органических молекул стало эффективным благодаря привлечению современных спектральных методов.
Шталь Г. (1659-1734) – немецкий химик и врач. Создатель теории флогистона – первой химической теории, позволившей покончить с теоретическими возрениями алхимии.
Кольбе А. (1818 – 1884) – немецкий химик-органик, создатель теории радикалов. Синтезировал ряд органических кислот. Разработал электрохимический метод получения алканов – метод Кольбе.
Бертло П. (1827-1907) – французский химик. Один из основоположников органической химии. Фундаментальные работы в области термохимии.
Фарадей М. (1791-1867) – английский физик и химик. Один из основателей учения об электромагнетизме. Открыл количественные законы электролиза. Исследования в области сжиженных газов, стекла, органической химии.
Перкин У. ст. (1838-1907) –английский химик. Разработал промышленное производство красителей мовеина, ализарина. Открыл реакцию конденсации ароматических альдегидов с ангидридами карбоновых кислот (реакция Перкина ).
Вюрц Ш. (1817-1884) – французский химик Учился у Ю. Либиха, ассистент Ж. Дюма. Синтезировал амины, фенолы, этиленгликоль, молочную кислоту, провел альдольную и кротоновую конденсацию.
Дюма Ж. (1800-1884) – французский химик. Создал теорию радикалов. Открыл реакцию хлорирования, установил существование гомологического ряда – ряда муравьиной кислоты. Предложил способ количественного определения азота.
Лоран О. (1807-1853) – французский химик. Изучал продукты каменноугольной смолы. Открыл фталевую кислоту, индиго и нафталин.
Кекуле Ф. (1829 - 1896) – немецкий химик. Основные труды в области теоретической органической химии. Синтезировал антрахинон, трифенилметан.
Купер Л. (1834 - 1891) – шотландский химик, основные работы посвящены теоретическим проблемам химии.
Поведение частиц в соединениях зависит от множества факторов. Теория строений органических соединений как раз изучает поведение молекулы в соединениях, природу атомов, валентность, порядок и характер химических связей. В данной статье сформулированы кратко основные положения этой теории.
Строение органических соединений
Многообразие органических соединений объясняются особенностью их химического строения. Атомы в молекуле расположены в определенном порядке в соответствии с их валентностью. Эта последовательность и является химическим строением.
Вещества, имеющие один и тот же качественный и количественный состав (молекулярную формулу), но разное строение, называются изомерами, а само их существование – изомерией. Известный русский химик А. М. Бутлеров доказал, что с помощью управляемых реакций можно получить новые вещества.
Рис. 1. Изомерия определение.
Также важным является положение о том, что атомы и группы атомов в молекуле взаимно влияют друг на друга.
Теория строений органических веществ
Теория строения органических соединений была сформулирована русским химиком А. М. Бутлеровым в 1861 году. Главным выводом этой научной работы стало утверждение, что каждом веществу соответствует только одна формула. Этот труд показывает поведение атомов внутри молекул.
Рис. 2. А. М. Бутлеров.
Основные положения и следствия теории строения Бутлерова могут быть сформулированы следующим образом:
- В молекулах атомы расположены не хаотично, а имеют определенную структуру.
Схематическое изображение строения молекулы называется структурной формулой
Рис. 3. Структурная формула молекулы.
Основываясь на положении о валентности атома углерода, равной четырем, и его способности образовывать цепи и циклы, строят структурные формулы органических веществ.
- Химические свойства вещества зависят от состава и порядка расположения атомов и молекул.
- Различное строение при одном и том же составе и молекулярной массе вещества обуславливает явление изомерии. Абсолютные разные химические элементы могут иметь одинаковый состав и молекулярную массу, все зависит от расположения мельчайших частиц и связей между ними.
- По свойствам вещества можно определить строение молекулы, а по ее строению можно предсказать свойства
- Так как при отдельных реакциях изменяются не все, а только некоторые части молекул, то, изучая продукты химических превращений соединения, можно установить его строение.
- Реакционная способность атомов, входящих в молекулу, меняется в зависимости от того, с какими атомами они связаны в данной молекуле. Связанные между собой атомы влияют друг на друга с большей силой, чем несвязанные.
Что мы узнали?
Значение теории химических строений органических соединений Бутлерова велико. Его теория не только объясняет строение молекул всех известных органических веществ и их свойства, но и дает возможность теоретически предвидеть существование неизвестных и новых веществ, а также найти способ их получения и синтеза.
К середине XIX столетия химики накопили немалый экспериментальный материал и уже располагали значительным количеством органических соединений. Однако синтез этих соединений осуществлялся случайно, неосознанно. Химики занимались, главным образом, изучением состава и свойств природных веществ. На большее они пока не решались. Но бурное развитие промышленности уже требовало получения многих веществ, которых не могла, к сожалению, дать человеку природа. Людям нужны были разнообразные красители, медикаменты, ткани, взрывчатые вещества, порох. Так возникла необходимость в целенаправленном синтезе многих веществ. Однако этому мешало отсутствие общей теории органической химии. Работа химиков того времени напоминала работу в темноте, на ощупь, по интуиции. Даже установление строения молекул считалось принципиально невозможным, а любые попытки сделать это - несерьезным делом. О положении, в котором оказались химики в первой половине прошлого столетия, говорит письмо Ф.Велера к Й.Берцелиусу, написанное в 1835 г. В нем есть такие слова: "Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она представляется мне дремучим лесом, полных удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть".
Однако для рождения единой теории уже были сделаны некоторые, но довольно существенные предпосылки. Благодаря исследованиям немецких химиков А.Кекуле и Г.Кольбе (1857), а также шотландского химика А.Купера (1858) стало известно, что углерод имеет валентность, равную четырем, и способен соединяться с другими атомами углерода, образуя цепи. Углеродный атом уже изображали современным символом "С" с четырьмя черточками, под которыми подразумевали его валентность:
Однако эти ученые так и не смогли вплотную подойти к созданию общей теории строения органических веществ.
Автором такой теории стал выдающийся русский химик - профессор Казанского университета Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886). Он твердо стоял на материалистических позициях и был убежден в том, что установление строения молекул возможно.
Сущность основных положений теории А.М.Бутлерова, которые были опубликованы в 1861 г., сводится к следующему:
- 1. Атомы, входящие в состав молекулы органического вещества, не находятся в беспорядочном состоянии, а соединены между собой в определенной последовательности химическими связями (согласно валентности этих атомов). Определенный порядок и последовательность соединения атомов в молекуле А.М.Бутлеров назвал химическим строением.
- 2. Свойства вещества зависят не только от того, какие атомы и сколько их входит в состав молекулы, но и от того, в какой последовательности они соединены между собой в молекуле (т.е. от химического строения).
- 3. Атомы и группы, входящие в молекулу, оказывают влияние на химическое поведение друг друга. Особенно заметно проявляется такое влияние в том случае, если эти атомы или группы связаны друг с другом непосредственно.
- 4. Зная свойства вещества, можно установить его строение. И наоборот, химическое строение органического соединения многое говорит о его свойствах.
- 5. Строение молекулы можно выразить при помощи структурной формулы, которая для данного вещества является единственной.
Значение теории химического строения А.М.Бутлерова трудно переоценить. Она впервые позволила химикам-органикам посмотреть на молекулу как на систему, в которой существует строгий порядок связи между атомами. Она показала возможность познания этой связи, опровергла ошибочность идеалистического учения о непознаваемости структуры молекул, научно объяснила многие факты в органической химии, например явление изомерии.
В процессе создания теории строения AM. Бут леров пришел к мысли, что органические соединения должны иметь пространственное строение. Это было вызвано прежде всего тем, что некоторые случаи изомерии (геометрическая и оптическая) было трудно объяснить с точки зрения плоскостного строения молекул. Смелая догадка гениального химика вскоре была подтверждена в 1874 г. голландским ученым Я 1 . Ванг-Гоффом и французским химиком Ле Белей. Независимо друг от друга они выдвинули идею, согласно которой четыре валентности атома углерода направлены в пространстве к четырем углам тетраэдра (если представить, что сам углерод находится в его центре). Эта идея открыла одну из тайн природы: в качестве основного геометрического элемента для органической химии она избрала тетраэдр. Таким образом, теория строения А.М.Бутлерова дополнилась теорией о пространственном расположении атомов в молекуле, которая впоследствии легла в основу новой науки - стереохимии.
Теория А.М.Бутлерова позволила предсказать существование неизвестных органических соединений и осуществить их целенаправленный синтез. Сохраняя свою научную основу, учение А.М.Бутлерова стало фундаментом современных теоретических представлений в органической химии.
(слайд 1)
Цель: Обобщить сведения о строении органических веществ, показать универсальность теории химического строения, обобщить и расширить представления учащихся: об изомерии на примерах органических и неорганических соединений; о взаимном влиянии атомов в молекулах, взаимообусловленности строения и свойств веществ.
А.М. Бутлеров – один из величайших русских ученых, он русский и по ученому образованию, и по оригинальности трудов.
(Д.И.Менделеев) “… я люблю свою страну, как мать, а свою науку – как дух, который благословляет, освещает и объединяет все народы для блага и мирного развития духовных и материальных богатств”.
Оборудование: компьютер, слайд презентация, интерактивная доска.
Ход урока
Разбор положений теории химического строения
1) атомы в молекулах соединены не беспорядочно, а в строгой последовательности согласно их валентности. (слайд 3)
Какова валентность углерода в органических веществах?
(ответ- четыре).
Вопрос классу . Как соединяются атомы углерода в молекулах органических соединений?
Ответ. Атомы углерода, соединяясь друг с другом образуют неразветвленные, разветвленные цепи, циклы, простые, двойные, тройные связи.
Задание классу (слайд 4)
Построить структурные формулы пропена, бутина-1, изопентана, циклобутана.
Вопрос классу. Применимо ли данное положение для неорганических веществ?
Постройте структурные формулы для серной кислоты, оксида кальция, сульфата натрия, гидроксида кальция.
Второе положение теории А.М. Бутлерова.
2) Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения молекул.
Вопрос классу. Что понимают под строением молекул?
Ответ. А) порядок соединения атомов в молекуле
Б) взаимное расположение атомов и групп атомов в пространстве
Вопрос классу. Какое явление объясняет данное положение?
Ответ. Это положение объясняет явление – изомерии. (следует обсуждение всех видов изомерии)
Вопрос классу. Какие виды изомерии вам известны?
Ответ.Структурная, пространственная. (слайд 5)
Структурная изомерия:
1. Углеводородного скелета
2. Положения: заместителей, функциональных групп, кратных связей, радикалов (для аренов) (слайд 6)
3. Межклассовая (слайд 7)
4. Таутомерия
Пространственная
1. Геометрическая (слайд 8)
Заполнить таблицу(самостоятельная работа)
Виды изомерии органических веществ
Изомерия неорганических веществ. (слайд 10)
Перечисленные пары кислот –таутомерны, в растворах существуют одновременно, переходя друг в друга.
Межклассовые изомеры у неорганических веществ
Пространственная изомерия неорганических веществ (слайд 12,13,14)
1. Геометрическая (комплексные соединения)
цис- изомер(оранжевого цвета транс- изомер (желтого цвета)
Третье положение теории А.М. Бутлерова.
3. Свойства веществ зависят от взаимного влияния атомов в молекуле.
1. Сравните кислотные свойства этанола и фенола? Объясните причину увеличения кислотных свойств у фенола.
2. Спирты вступают в реакцию с галогеноводородами, а фенолы нет. Почему?
3. Сравните способность вступать в реакцию электрофильного замещения по бензольному кольцу у бензола и фенола. Объясните причину более высокой реакционной способности у фенола.
Вопрос классу. От чего зависят свойства неорганических веществ?
Объяснить с позиции периодического закона М.И. Менделеева, и строении атомов элементов в группах и периодах.
Задания классу с последующим обсуждением.
1. Сравните основные свойства аммиака и фосфина. Объясните уменьшение основных свойств у фосфина
2. Сравните кислотные свойства сероводорода и хлороводорода.
3. Сравните кислотные свойства хлороводородной и иодоводородной кислот.
Ответ. В главных подгруппах сверху вниз увеличиваются радиусы атомов элементов, атомы неметаллов слабее притягивают атомы водорода, уменьшается прочность соединений, они легко диссоциируют, и поэтому их кислотные свойства усиливаются.
Как и почему изменяются свойства гидроокисей в периоде и группе?
Ответ. Основные свойства гидроксидов убывают, а кислотные усиливаются в периоде слева направо, так как увеличивается степень окисления центрального атома, следовательно, растет энергия связи его с атомом кислорода и отталкивание им атома водорода.
Важнейшими причинами изменения химических свойств являются разница электроотрицательности элементов, наличие неподеленных электронных пар,
Смещение электронной плотности.
Можно ли по строению предположить свойства вещества?
Ответ. Да, можно.
Задание классу с последующим обсуждением. Предположите свойства следующих веществ. (подтвердите уравнениями химических реакций)
- Наличие полярной связи, способность отщеплять катион водорода – объясняет кислотные свойства.
- Способность вещества присоединять катион водорода и неподелнная электронная пара – основные свойства.
- Наличие простых связей- реакции замещения (обмена)
- Наличие кратных связей – реакции присоенинния
- Наличие элемента в высшей степени окисления- окислительные свойства, в низшей степени окисления- восстановительные, в промежуточной- окислительно- восстановительные.
Современными направлениями развития теории химического строения являются:
- стереохимия – учение о пространственном строении молекул
- электронное строение вещества (типы гибридизаций, смещение электронной плотности)
Смещение электронной плотности или электронные эффекты.(слайд 15)
Вопрос классу. Дайте определение индуктивному эффекту.
Ответ. Индуктивный – смещение электронной плотности по длине сигма связи
Рассмотреть реакцию взаимодействия бромоводорода с пропеном -1и реакцию взаимодействия бромоводорода с 3,3,3- трифторпропен-1
Вопрос классу. Дайте определение мезомерному эффекту.
Ответ. Мезомерный эффект- Смещение электронов -связи или неподеленных электронных пар при чередующихся простых и кратких связях.
Мезомерный эффект сильнее индуктивного.
Вопрос классу. На что влияют эффекты?
Ответ. 1. На реакционную способность вещества
CH 4 – менее реакционноспособен т.к все связи малополярные
CH 3 CI – более реакционноспособно т.к связи более полярны.
На направления протекания процессов.
Задание классу с последующим обсуждением. Рассмотреть направления течения химических реакций.(рассмотреть влияние соответствующих эффектов на направление химической реакции)
Реакция по правилу Марковникова.
Взаимодействие пропена-1 с бромоводородом.
Реакция против правила Марковникова.
Взаимодействие пропеновой (акриловой) кислоты с бромоводородом.
Вывод по окончанию урока (слайд 16)
Теория строения создала предпосылки для объяснения и прогнозирования различных видов изомерии молекул органических соединений, а также направлений и механизмов протекания химических реакций.
Сравнивая две величайшие теории химии – теорию строения А.М. Бутлерова и теорию периодичности Д.И. Менделеева, можно заметить, что в обеих теориях много общего.
Домашнее задание: параграф 8, упр. 4,5. учебник О.С. Габриеляна.
Loading...