В своята най-обща и систематична форма теорията химическа структура(съкратено TCS) е формулиран за първи път от руския химик А. М. Бутлеров през 1861 г. и впоследствие разработен и допълнен от него и неговите ученици и последователи (предимно В. В. Марковников, А. М. Зайцев и др.), а също и от много чуждестранни химици (Y. G. Van't Хоф, Ж. А. Льо Бел и др.).

Нека разгледаме основните положения на класическата TCS и да ги коментираме от гледна точка на съвременната структурна химия.

1. Всеки атом в молекула е способен да образува определен брой химически връзкис други атоми.

Още през първата половина на 19в. В химията се формират идеи за способността на атомите да се свързват помежду си в определени отношения. Според Бутлеров, всеки атом „е вроден с определено количество сила, която произвежда химически явления (афинитет). В химическа комбинация част от тази сила или цялата се изразходва. Това подчерта две характеристики на междуатомните химично взаимодействие: а) дискретност - предполага се, че целият афинитет, присъщ на атома, е съставен от отделни части или, според Бутлеров, „индивидуални единици на химическа сила“, което е ясно изразено чрез символиката на валентните удари (например H-O-H, H-C≡N и т.н.), където всяка черта характеризира една химична връзка; б) насищане - броят на химичните връзки, образувани от атом, е ограничен, поради което съществуват например такива неутрални молекулни системи с различна стабилност като СН, СН2, СН3, СН4, но няма молекули СН5, СН6, и т.н.

Количествена мярка за способността на атома да образува химични връзки е неговата валентност. Формиране през 1850 г концепциите за валентност и химическа връзка послужиха като най-важната предпоставка за създаването на TCS. Въпреки това до началото на 20в. физически смисълвалентност, и следователно естеството на химичната връзка и валентността остават неясни, което понякога води до парадокси. Така, докато изучава свойствата на ненаситените въглеводороди, Бутлеров приема през 1870 г. идеята на немския химик Е. Ерленмайер за съществуването на множествени връзки в тях. Междувременно остава неясно защо множествената връзка се оказва по-малко силна (склонна към реакции на добавяне) от единичната връзка (която не участва в тези реакции). Имаше и други доказателства, че някои или всички химични връзки в молекулата не са равни.

Със сътворението квантова химияСтана ясно, че всяка валентна линия съответства, като правило, на двуцентрова, двуелектронна връзка и че химичните връзки могат да се различават по енергия, дължина, полярност, поляризуемост, посока в пространството, множественост и т.н. (вижте Химическа връзка ).

Концепцията за химическа връзка включва разделянето на атомите на молекулата на химически свързани и химически несвързани (виж фигурата), от което следва втората позиция на TCS.

H/O\H Химически свързани атоми

Химически несвързани атоми

2. Атомите в една молекула са свързани помежду си в определен ред, според тяхната валентност. Това беше „редът на химичното взаимодействие“, или, с други думи, „методът на взаимно химично свързване“ на атомите в молекулата, който Бутлеров нарече химическа структура. В резултат на това химичната структура, ясно изразена чрез структурна формула (понякога наричана още графична, а в последните години- топологичен), показва кои двойки атоми са химически свързани помежду си и кои не са, т.е. химическата структура характеризира топологията на молекулата (вижте Молекула). В същото време Бутлеров специално подчертава, че всяко съединение има само една химична структура и следователно само една структурна (графична) формула.

Разгледаната позиция на TCS е общовалидна и днес. Въпреки това, първо, не винаги е така молекулярна структураможе да се предаде с една класическа структурна формула (вижте Бензен), второ, в нетвърдите молекули редът на свързване на атомите може спонтанно да се промени доста бързо (вижте Молекула), и трето, съвременната химия е открила широка гама от молекули с „необичайни ” структури (да речем, в някои карборани въглероден атом е свързан с пет съседни атома).

3. Физически и Химични свойствасъединенията се определят както от неговия качествен и количествен състав, така и от химичната структура, както и от характера на връзките между атомите.

Тази разпоредба е централна в TCS. Именно неговото утвърждаване в областта на химията представлява основната научна заслуга на Бутлеров. От тази позиция следват редица важни следствия: обяснението на изомерията чрез разликата в химичната структура на изомерите, идеята за взаимното влияние на атомите в молекулата, както и смисъла и значението на структурните формули на молекулите се разкрива.

През 1874 г. TCS е обогатен със стереохимични концепции (виж Стереохимия), в рамките на които е възможно да се обяснят явленията на оптична, геометрична и конформационна изомерия (виж Изомерия).

В съвременната химия терминът "молекулярна структура" се разбира по три начина: а) като химическа структура (т.е. топология на молекулата); б) като пространствена структура, характеризираща местоположението и движението на ядрата в пространството; ) като електронна структура (виж Молекула, Химическа връзка).

По този начин основната позиция на TCS от съвременна гледна точка може да бъде представена по следния начин: физичните и химичните свойства на съединенията се определят от техния количествен и качествен елементен състав, както и от химичния (топологичен), пространствен (ядрен) ) и електронна структура на техните молекули.

4. Химическата структура може да бъде изследвана химични методи, т.е. анализ и синтез.

Развивайки тази позиция, Бутлеров формулира редица правила за „разпознаване на химическата структура“ и ги прилага широко в експерименталната си работа.

В момента структурата на молекулите се изучава както химически, така и чрез физични методи(виж Спектрален анализ).

5. Атомите, включени в молекулата, както химически свързани, така и несвързани, имат определено влияние един върху друг, което се проявява в реактивността на отделните атоми и връзки на молекулата, както и в другите й свойства.

TCS, като всеки друг научна теория, се основава на определени моделни концепции, които имат определена област на приложение и отразяват само определени аспекти на реалността. И така, говорейки за TCS, не бива да забравяме, че в действителност една молекула е единна цялостна система от ядра и електрони и идентифицирането на отделни атоми, функционални групи, химични връзки, несподелени електронни двойки и т.н. в нея е приблизително. Но веднага след като това приближение се оказа ефективно при решаването на различни химически проблеми, то стана широко разпространено. В същото време теоретичната, умствена дисекция, структурирането на обект (молекула), който е интегрален по природа, ни принуждава да въведем допълнителни идеи в теорията, като вземем предвид факта, че избраните молекулни фрагменти (атоми, връзки и др.) всъщност са свързани и взаимодействат помежду си. За тази цел е създадена концепцията за взаимно влияние на атомите (MIA).

Свойствата и състоянието на всеки атом или функционална група от молекула се определят не само от тяхната природа, но и от тяхната среда. Например, въвеждането на ОН група в молекула може да доведе до различни резултати:

Следователно, когато се изучава естеството и интензивността на влиянието на различни заместители върху свойствата на молекулата, се процедира по следния начин: разгледайте реакционни серии, т.е. редица подобни съединения, които се различават едно от друго или в присъствието на заместител, или в подреждането на множество връзки, например: CH2=CH-CH=CH-CH3, H2C=CH-CH2-CH=CH2 и т.н., или според някои други структурни детайли. В същото време те изучават способността на веществата от тази серия да участват в подобни реакции, например изучават бромирането на фенол и бензен. Наблюдаваните разлики се дължат на ефекта на различни заместители върху останалата част от молекулата.

Що се отнася до органичните съединения, едно от тях характерни особеностие способността на заместителя да прехвърля влиянието си върху вериги от ковалентно свързани атоми (виж Химическа връзка). Разбира се, заместителите също се влияят от останалата част от молекулата. Прехвърлянето на влиянието на заместителя върху a- и l-връзките води до промяна в тези връзки. Ако влиянието на заместителите се предава с участието на a-връзки, тогава се казва, че заместителят проявява индуктивен или I-ефект. Ако във веригата има π връзки, те също са поляризирани (π ефект). Освен това, ако веригата има система от спрегнати множествени връзки (-C=C-C=C-) или заместител с несподелена електронна двойка при множествена връзка (CH3-O-CH=CH2) или при ароматен пръстен, тогава прехвърлянето на влияние се извършва по системата от π връзки (ефект на конюгиране или C-ефект), при който електронният облак е частично изместен в областта на съседната σ връзка. Например, заместители като -Br, -Cl, -OH, -NH2, които имат несподелени електронни двойки, са донори на π-електрони. Затова се казва, че имат +C ефект. В същото време те изместват електронната плътност към себе си по σ връзките, т.е. имат -I ефект. За -Br, -Cl, I-ефектът преобладава; за -OH и -NH2-, напротив, преобладава +C-ефектът. Следователно, да речем, във фенола π-електронната плътност на бензеновия пръстен е по-голяма, отколкото в бензена, което улеснява възникването на реакции на електрофилно заместване във фенола (в сравнение с бензена).

Теорията за химическата структура също се използва широко в Не органична химия, особено след създаването на теорията на координацията от А. Вернер през 1893 г. (вижте Координационни съединения).

Слайд 1>

Цели на лекцията:

• Образователни:
  • да формират концепции за същността на теорията за химическата структура на органичните вещества, разчитайки на знанията на учениците за електронната структура на атомите на елементите, тяхното положение в Периодичната таблица DI. Менделеев за степента на окисление, природата на химичната връзка и други основни теоретични принципи:
    • последователността на подреждането на въглеродните атоми във веригата,
    • взаимно влияние на атомите в една молекула,
    • зависимост на свойствата на органичните вещества от структурата на молекулите;
  • формират представа за напредъка на развитието на теориите в органичната химия;
  • усвояват понятията: изомери и изомерия;
  • обясняват значението на структурните формули на органичните вещества и техните предимства пред молекулните;
  • показват необходимостта и предпоставките за създаване на теория за химичния строеж;
  • Продължете да развивате умения за водене на бележки.
• Развитие:
  • развиват мисленето техники за анализ, сравнения, обобщения;
  • развиват абстрактното мислене;
  • тренирайте вниманието на учениците при възприемане на големи количества материал;
  • развийте способността да анализирате информация и да подчертавате най-важния материал.
• Образователни:
  • за целите на патриотичното и интернационалното образование, предоставя на учениците историческа информация за живота и работата на учените.

ПО ВРЕМЕ НА ЗАНЯТИЯТА

1. Организационна част

- Поздравления
– Подготовка на учениците за урока
– Получаване на информация за отсъстващи.

2. Научаване на нови неща

Конспект на лекцията:<Приложение 1 . Слайд 2>

I. Предструктурни теории:
– витализъм;
– теория на радикалите;
– теория на типовете.
II. Кратка информацияотносно държавата химическа наукадо 60-те години на XIX век. Условия за създаване на теория за химичната структура на веществата:
– необходимостта от създаване на теория;
– предпоставки към теорията на химичния строеж.
III. Същността на теорията за химическата структура на органичните вещества A.M. Бутлеров. Концепцията за изомерия и изомери.
IV. Значението на теорията за химическата структура на органичните вещества A.M. Бутлеров и неговото развитие.

3. Домашна работа:резюме, параграф 2.

4. Лекция

I. Познанията за органичните вещества се натрупват постепенно от древни времена, но органичната химия възниква като самостоятелна наука едва в началото на 19 век. Установяването на независимостта на организационната химия се свързва с името на шведския учен Й. Берцелиус<Приложение 1 . Слайд 3>. През 1808-1812г той публикува своето голямо ръководство по химия, в което първоначално възнамерява да разгледа наред с минералите и вещества от животински и растителен произход. Но частта от учебника, посветена на органичните вещества, се появява едва през 1827 г.
J. Berzelius видя най-съществената разлика между неорганичните и органичните вещества във факта, че първите могат да бъдат получени в лаборатории синтетично, докато последните се предполага, че се образуват само в живи организми под въздействието на определена „жизнена сила“ - химичен синоним за “душа”, “дух”, “божествен произход” на живите организми и съставните им органични вещества.
Теорията, която обяснява образуването на органични съединения чрез намесата на „жизнена сила“, се нарича витализъм.Тя беше популярна известно време. В лабораторията беше възможно да се синтезират само най-простите вещества, съдържащи въглерод, като въглероден диоксид - CO 2, калциев карбид - CaC 2, калиев цианид - KCN.
Едва през 1828 г. немският учен Вьолер<Приложение 1 . Слайд 4> успя да получи органичното вещество урея от неорганична сол - амониев цианат - NH 4 CNO.
NH 4 CNO –– t –> CO(NH 2) 2
През 1854 г. френският учен Бертло<Приложение 1 . Слайд 5> получен триглицерид. Това наложи промяна в дефиницията на органичната химия.
Учените се опитаха, въз основа на състава и свойствата, да разгадаят природата на молекулите на органичните вещества, те се опитаха да създадат система, която да направи възможно свързването заедно натрупаните разнородни факти началото на XIXвек.
Първият опит за създаване на теория, която се стреми да обобщи наличните данни за органичните вещества, се свързва с името на френския химик Ж. Дюма<Приложение 1 . Слайд 6>. Това беше опит да се разгледа от единна гледна точка доста голяма група органични съединения, които днес бихме нарекли етиленови производни. Органичните съединения се оказаха производни на някакъв радикал C 2 H 4 - етерин:
C 2 H 4 * HCl – етил хлорид (етерин хидрохлорид)
Идеята, съдържаща се в тази теория - подходът към органичното вещество като състоящо се от 2 части - впоследствие формира основата на по-широка теория за радикалите (J. Berzelius, J. Liebig, F. Wöhler). Тази теория се основава на идеята за "дуалистичната структура" на веществата. Й. Берцелиус пише: „всяко органично вещество се състои от 2 компоненти, носещ противоположен електрически заряд." J. Berzelius смята, че кислородът е един от тези компоненти, а именно електроотрицателната част, докато останалата част, всъщност органична, трябва да бъде електроположителен радикал.

Основни положения на теорията на радикалите:<Приложение 1 . Слайд 7>

– в състава на органичните вещества влизат радикали, които носят положителен заряд;
– радикалите са винаги постоянни, не претърпяват промени, преминават от една молекула в друга без промени;
– радикалите могат да съществуват в свободна форма.

Постепенно науката натрупа факти, които противоречат на теорията на радикалите. Ето как Ж. Дюма заменя водорода с хлор във въглеводородните радикали. На учените, привърженици на радикалната теория, изглеждаше невероятно, че хлорът, зареден отрицателно, може да играе ролята на водород, зареден положително, в съединения. През 1834 г. Ж. Дюма получава задачата да разследва неприятен инцидент по време на бал в двореца на френския крал: свещите изпускат задушлив дим, когато горят. J. Dumas установява, че восъкът, от който са направени свещите, е бил обработен с хлор от производителя за избелване. В този случай хлорът влезе в молекулата на восъка, заменяйки част от съдържащия се в нея водород. Задушливите изпарения, които изплашиха кралските гости, се оказаха хлороводород (HCl). Впоследствие J. Dumas получава трихлороцетна киселина от оцетна киселина.
Така електроположителният водород е заменен с изключително електроотрицателния елемент хлор и свойствата на съединението остават почти непроменени. Тогава Ж. Дюма заключава, че дуалистичният подход трябва да бъде заменен от подход към организационната връзка като единно цяло.

Радикалната теория постепенно беше отхвърлена, но остави дълбока следа в органичната химия:<Приложение 1 . Слайд 8>
– понятието „радикал“ е твърдо установено в химията;
– твърдението за възможността за съществуване на радикали в свободна форма, за прехода в огромен брой реакции на определени групи атоми от едно съединение в друго се оказа вярно.

През 40-те години XIX век Беше поставено началото на изучаването на хомологията, което позволи да се изяснят някои от връзките между състава и свойствата на съединенията. Бяха идентифицирани хомоложни серии и хомоложни разлики, което направи възможно класифицирането на органичните вещества. Класификацията на органичните вещества въз основа на хомологията доведе до появата на теорията за типовете (40-50-те години на 19 век, К. Джерард, А. Кекуле и др.)<Приложение 1 . Слайд 9>

Същността на теорията на типовете<Приложение 1 . Слайд 10>

– теорията се основава на аналогия в реакциите между органични и някои неорганични вещества, приети като видове (видове: водород, вода, амоняк, хлороводород и др.). Чрез заместването на водородните атоми във вида на веществото с други групи атоми учените предсказаха различни производни. Например, заместването на водороден атом във водна молекула с метилов радикал води до образуването на алкохолна молекула. Заместването на два водородни атома води до появата на етерна молекула<Приложение 1 . Слайд 11>

C. Gerard директно каза в това отношение, че формулата на дадено вещество е само съкратен запис на неговите реакции.

Всички орг. вещества се считат за производни на протозои неорганични вещества– водород, хлороводород, вода, амоняк<Приложение 1 . Слайд 12>

<Приложение 1 . Слайд 13>

– молекулите на органичните вещества са система, състояща се от атоми, чийто ред на свързване е неизвестен; свойствата на съединенията се влияят от съвкупността от всички атоми на молекулата;
– невъзможно е да се знае структурата на дадено вещество, тъй като молекулите се променят по време на реакцията. Формулата на веществото не отразява структурата, а реакциите, в които веществото претърпява. За всяко вещество можете да напишете толкова рационални формули, колкото различни видове трансформации може да претърпи веществото. Теорията на типовете допускаше множество „рационални формули“ за веществата в зависимост от това какви реакции искат да изразят с тези формули.

Теорията на типовете играе важна роля в развитието на органичната химия <Приложение 1 . Слайд 14>

– направи възможно прогнозирането и откриването на редица вещества;
– оказа положително влияние върху развитието на учението за валентността;
– обърна внимание на изучаването на химичните трансформации на органичните съединения, което позволи по-задълбочено изследване на свойствата на веществата, както и свойствата на предвидените съединения;
- създаде перфектна за онова време систематизация на органичните съединения.

Не бива да забравяме, че в действителност теориите възникваха и се сменяха не последователно, а съществуваха едновременно. Химиците често не се разбираха добре. Ф. Вьолер каза през 1835 г., че „органичната химия днес може да подлуди всеки. Прилича ми на гъста гора, пълна с прекрасни неща, огромен гъстал без изход, без край, където не смееш да проникнеш...”

Нито една от тези теории не се превърна в теория на органичната химия в във всеки смисълдуми. Основната причина за провала на тези идеи беше тяхната идеалистична същност: вътрешната структура на молекулите се смяташе за фундаментално непознаваема и всяка спекулация за нея се смяташе за шарлатанство.

беше необходимо нова теория, които биха застанали на материалистични позиции. Тази теория беше теория на химическата структура A.M. Бутлеров <Приложение 1 . Слайдове 15, 16>, която е създадена през 1861 г. Всичко рационално и ценно, което беше в теориите за радикалите и типовете, по-късно беше асимилирано от теорията за химическата структура.

Необходимостта от теория е продиктувана от:<Приложение 1 . Слайд 17>

– повишени индустриални изисквания към органичната химия. Беше необходимо да се осигури текстилната промишленост с багрила. За да се развие хранително-вкусовата промишленост, беше необходимо да се подобрят методите за преработка на селскостопански продукти.
Във връзка с тези проблеми започнаха да се разработват нови методи за синтез на органични вещества. Учените обаче са се сблъскали със сериозни трудности при научна обосновкатези синтези. Например, беше невъзможно да се обясни валентността на въглерода в съединенията с помощта на старата теория.
Въглеродът ни е известен като 4-валентен елемент (Това е доказано експериментално). Но тук изглежда запазва тази валентност само в CH4 метан. В етан C 2 H 6, ако следваме нашите идеи, трябва да има въглерод. 3-валентна, а в пропан C 3 H 8 - фракционна валентност. (И знаем, че валентността трябва да се изразява само в цели числа).
Каква е валентността на въглерода в органичните съединения?

Не беше ясно защо има вещества с еднакъв състав, но различни свойства: C 6 H 12 O 6 - молекулярна формулаглюкоза, но същата формула и фруктоза (захарно вещество - съставна част на меда).

Предструктурните теории не могат да обяснят разнообразието от органични вещества. (Защо въглеродът и водородът, два елемента, могат да образуват такива голямо числоразлични съединения?).

Беше необходимо да се систематизират съществуващите знания от една гледна точка и да се разработи единна химическа символика.

Научно обоснован отговор на тези въпроси дава теорията за химическата структура на органичните съединения, създадена от руския учен А.М. Бутлеров.

Основни предпоставки, които подготвиха почвата за появата на теорията за химичната структура бяха<Приложение 1 . Слайд 18>

– учението за валентността. През 1853 г. Е. Франкланд въвежда понятието валентност и установява валентността за редица метали чрез изучаване на органометални съединения. Постепенно понятието валентност беше разширено до много елементи.

Важно откритие за органичната химия е хипотезата за способността на въглеродните атоми да образуват вериги (А. Кекуле, А. Купър).

Една от предпоставките беше развитието на правилното разбиране на атомите и молекулите. До втората половина на 50-те години. XIX век Нямаше общоприети критерии за дефиниране на понятията: „атом“, „молекула“, „ атомна маса“, „молекулна маса“. Едва на международния конгрес на химиците в Карлсруе (1860 г.) тези понятия са ясно дефинирани, което предопределя развитието на теорията за валентността и появата на теорията за химическата структура.

Основни принципи на теорията на химическата структура на A.M. Бутлеров(1861)

А.М. Бутлеров формулира най-важните идеи на теорията за структурата на органичните съединения под формата на основни принципи, които могат да бъдат разделени на 4 групи.<Приложение 1 . Слайд 19>

1. Всички атоми, които образуват молекули на органични вещества, са свързани в определена последователност според тяхната валентност (т.е. молекулата има структура).

<Приложение 1 . Слайдове 19, 20>

В съответствие с тези идеи валентността на елементите е конвенционално изобразена с тирета, например в метан CH 4.<Приложение 1 . Слайд 20> >

Такова схематично представяне на структурата на молекулите се нарича структурни формули и формули. Въз основа на разпоредбите за 4-валентността на въглерода и способността на неговите атоми да образуват вериги и цикли, структурните формули на органичните вещества могат да бъдат изобразени, както следва:<Приложение 1 . Слайд 20>

В тези съединения въглеродът е четиривалентен. (Тирето символизира ковалентна връзка, няколко електрона).

2. Свойствата на веществото зависят не само от това какви атоми и колко от тях са включени в молекулите, но и от реда на свързване на атомите в молекулите (т.е. свойствата зависят от структурата) <Приложение 1 . Слайд 19>

Тази позиция на теорията за структурата на органичните вещества обяснява по-специално явлението изомерия. Има съединения, които съдържат еднакъв брой атоми от същите елементи, но свързани в различен ред. Такива съединения имат различни свойства и се наричат ​​изомери.
Явлението на съществуването на вещества с еднакъв състав, но различен строеж и свойства се нарича изомерия.<Приложение 1 . Слайд 21>

Съществуването на изомери на органичните вещества обяснява тяхното разнообразие. Явлението изомерия е предсказано и доказано (експериментално) от А. М. Бутлеров на примера на бутан

Така например съставът C 4 H 10 съответства на две структурни формули:<Приложение 1 . Слайд 22>

Разни взаимно споразумениевъглеродните атоми във въглеводородните молекули се появяват само с бутан. Броят на изомерите се увеличава с броя на въглеродните атоми на съответния въглеводород, например пентанът има три изомера, а деканът има седемдесет и пет.

3. По свойствата на дадено вещество може да се определи структурата на неговата молекула, а по структурата на молекулата могат да се предвидят свойства. <Приложение 1 . Слайд 19>

От курса на неорганичната химия е известно, че свойствата на неорганичните вещества зависят от структурата кристални решетки. Отличителните свойства на атомите от йоните се обясняват с тяхната структура. В бъдеще ще видим, че органичните вещества с еднакви молекулни формули, но различни структури, се различават не само по физични, но и по химични свойства.

4. Атомите и групите от атоми в молекулите на веществата си влияят взаимно.

<Приложение 1 . Слайд 19>

Както вече знаем, свойствата на неорганичните съединения, съдържащи хидроксо групи, зависят от това с кои атоми са свързани - метални или неметални атоми. Например и основите, и киселините съдържат хидроксо група:<Приложение 1 . Слайд 23>

Свойствата на тези вещества обаче са напълно различни. Причината за различния химичен характер на ОН групата (във воден разтвор) се дължи на влиянието на свързаните с нея атоми и групи от атоми. С увеличаване на неметалните свойства на централния атом, дисоциацията според основния тип отслабва и дисоциацията според киселинния тип се увеличава.

Органичните съединения също могат да имат различни свойства, които зависят от това към кои атоми или групи от атоми са свързани хидроксилните групи.

Въпросът за взаимното вливане на атоми A.M. Бутлеров го обсъжда подробно на 17 април 1879 г. на заседание на Руското физикохимическо общество. Той каза, че ако два различни елемента са свързани с въглерода, например Cl и H, тогава „те не зависят един от друг в същата степен, както от въглерода: няма зависимост между тях, връзката, която съществува в една частица на солна киселина... Но следва ли от това, че в съединението CH 2 Cl 2 няма връзка между водород и хлор? Отговарям на това с категоричен отказ."

Като конкретен примерОсвен това той цитира увеличаването на подвижността на хлора по време на трансформацията на групата CH 2 Cl в COCl и казва в това отношение: „Очевидно е, че естеството на хлора, присъстващ в частицата, се е променило под въздействието на кислорода, въпреки че последният не се е комбинирал директно с хлора.<Приложение 1 . Слайд 23>

Въпросът за взаимното влияние на директно несвързаните атоми беше основното теоретично ядро ​​на трудовете на V.V. Морковникова.

В историята на човечеството има сравнително малко учени, чиито открития са със световно значение. В областта на органичната химия такива заслуги принадлежат на A.M. Бутлеров. Според значението на теорията на A.M. Бутлеров се сравнява с Периодичния закон.

Теория на химическата структура A.M. Бутлерова:<Приложение 1 . Слайд 24>

– направи възможно систематизирането на органичните вещества;
– отговори на всички въпроси, възникнали дотогава в органичната химия (виж по-горе);
– направи възможно теоретично да се предвиди съществуването на неизвестни вещества и да се намерят начини за техния синтез.

Изминаха почти 140 години от създаването на TCS на органични съединения от A.M. Бутлеров, но дори и сега химици от всички страни го използват в работата си. Последни постижениянауките допълват тази теория, изясняват я и намират нови потвърждения за правилността на нейните основни идеи.

Теорията за химическата структура остава основата на органичната химия днес.

TCS на органични съединения A.M. Бутлерова направи значителен принос за създаването на обща научна картина на света, допринесе за диалектико-материалистичното разбиране на природата:<Приложение 1 . Слайд 25>

– закон за преминаване на количествените промени в качествени може да се види на примера на алкани:<Приложение 1 . Слайд 25>.

Променя се само броят на въглеродните атоми.

– законът за единството и борбата на противоположностите може да се проследи до явлението изомерия<Приложение 1 . Слайд 26>

Единство – по композиция (еднакво), разположение в пространството.
Обратното е в структурата и свойствата (различна последователност на подреждане на атомите).
Тези две вещества съществуват заедно.

– закон за отрицание на отрицанието – върху изомерията.<Приложение 1 . Слайд 27>

Съжителстващите изомери се отричат ​​един друг чрез своето съществуване.

Разработвайки теорията, A.M. Бутлеров не го смяташе за абсолютно и непроменимо. Той твърди, че трябва да се развива. TCS на органичните съединения не е останал непроменен. По-нататъшното му развитие протича главно в две взаимосвързани посоки:<Приложение 1 . Слайд 28>

Стереохимията е изследване на пространствената структура на молекулите.

Учението за електронна структураатоми (позволи ни да разберем естеството на химическата връзка на атомите, същността на взаимното влияние на атомите и да обясним причината за проявлението на определени химични свойства от вещество).

Химическа структура на молекулапредставлява най-характерния и уникален аспект от нея, тъй като я определя общи свойства(механични, физични, химични и биохимични). Всяка промяна в химическата структура на една молекула води до промяна в нейните свойства. В случай на незначителни структурни промени, въведени в една молекула, следват малки промени в нейните свойства (обикновено засягащи физически свойства), ако молекулата е претърпяла дълбоки структурни промени, тогава нейните свойства (особено химични) ще бъдат дълбоко променени.

Например алфа-аминопропионовата киселина (алфа-аланин) има следната структура:

Алфа аланин

Какво виждаме:

1. Наличието на определени атоми (C, H, O, N),
2. определен брой атоми, принадлежащи към всеки клас, които са свързани в определен ред;

Всички тези конструктивни характеристики определят редица свойства на алфа-аланина, като: твърд агрегатно състояние, точка на кипене 295° C, разтворимост във вода, оптична активност, химични свойства на аминокиселините и др.

Когато аминогрупата е свързана с друг въглероден атом (т.е. настъпила е малка структурна промяна), което съответства на бета-аланин:

Бета-аланин

Общите химични свойства все още остават характерни за аминокиселините, но точката на кипене вече е 200 ° C и няма оптична активност.

Ако, например, два атома в тази молекула са свързани с N атом в следния ред (дълбока структурна промяна):

Тогава образувано вещество— 1-нитропропанът по своите физични и химични свойства е напълно различен от аминокиселините: 1-нитропропанът е жълта течност с точка на кипене 131°C, неразтворима във вода.

По този начин, връзка структура-собственостви позволява да опишете общите свойства на вещество с известна структура и, обратно, ви позволява да намерите химичната структура на веществото, познавайки неговите общи свойства.

Общи принципи на теорията за структурата на органичните съединения

Същността на определянето на структурата на органичното съединение е в следните принципи, които произтичат от връзката между тяхната структура и свойства:

а) органичните вещества в аналитично чисто състояние имат еднакъв състав, независимо от метода на тяхното получаване;

б) органичните вещества в аналитично чисто състояние имат постоянни физични и химични свойства;

в) органични вещества с постоянен състав и свойства, имат само една уникална структура.

През 1861 г. великият руски учен А. М. Бутлеровв статията си „За химическата структура на материята“ той разкрива основната идея на теорията за химическата структура, която се състои във влиянието на начина, по който атомите в органичното вещество са свързани върху неговите свойства. Той обобщава всички налични по онова време знания и идеи за структурата на химичните съединения в теорията за структурата на органичните съединения.

Основните положения на теорията на А. М. Бутлеров

може да се обобщи, както следва:

1. В една молекула на органично съединение атомите са свързани в определена последователност, която определя нейната структура.
2. Въглеродният атом в органичните съединения има валентност четири.
3. При същия съставмолекули, има няколко възможни начина за свързване на атомите на тази молекула един с друг. Такива съединения с еднакъв състав, но различни структури се наричат ​​изомери, а подобно явление - изомерия.
4. Познавайки структурата на дадено органично съединение, човек може да предвиди неговите свойства; Познавайки свойствата на дадено органично съединение, човек може да предвиди неговата структура.
5. Атомите, които образуват една молекула, са обект на взаимно влияние, което определя тяхната реактивност. Директно свързаните атоми имат по-голямо влияние един върху друг, докато влиянието на атомите, които не са директно свързани, е много по-слабо.

Ученикът А.М. Бутлерова — В. В. Марковниковпродължи да изучава въпроса за взаимното влияние на атомите, което беше отразено през 1869 г. в неговата дисертация „Материали по въпроса за взаимното влияние на атомите в химичните съединения“.

Кредит към A.M. Бутлеров и значението на теорията за химическата структура е изключително голямо за химическия синтез. Откри се възможността да се предвидят основните свойства на органичните съединения и да се предвидят пътищата на техния синтез. Благодарение на теорията за химическата структура, химиците първо оцениха молекулата като подредена система със строг ред на връзките между атомите. И в момента основните положения на теорията на Бутлеров, въпреки промените и уточненията, са в основата на съвременните теоретични идеиорганична химия.

Категории ,

Създаден от A.M. Бутлеров през 60-те години на 19 век, теорията за химическата структура на органичните съединения внесе необходимата яснота на причините за разнообразието на органичните съединения, разкри връзката между структурата и свойствата на тези вещества, даде възможност да се обясни свойства на вече известни и предсказват свойствата на все още неоткрити органични съединения.

Откритията в областта на органичната химия (четиривалентност на въглерода, способността да образува дълги вериги) позволиха на Бутлеров през 1861 г. да формулира основните поколения на теорията:

1) Атомите в молекулите са свързани според тяхната валентност (въглерод-IV, кислород-II, водород-I), последователността на атомните връзки се отразява чрез структурни формули.

2) Свойствата на веществата зависят не само от химичен състав, но и от реда на свързване на атомите в молекулата (химическа структура). Съществуват изомери, тоест вещества, които имат еднакви количествени и висококачествен състав, но различна структура и, следователно, различни свойства.

C 2 H 6 O: CH 3 CH 2 OH – етаноли CH 3 OCH 3 – диметилов етер

C 3 H 6 – пропен и циклопропан - CH 2 =CH−CH 3

3) Атомите си влияят взаимно, това е следствие от различната електроотрицателност на атомите, образуващи молекули (O>N>C>H), и тези елементи имат различно влияниедо изместването на общите електронни двойки.

4) Според структурата на молекулата органична материячовек може да предвиди свойствата му и от свойствата му може да определи структурата му.

По-нататъчно развитие TSOS получен след установяване на структурата на атома, приемане на концепцията за видове химични връзки, видове хибридизация, откриване на явлението пространствена изомерия(стереохимия).

Билет № 7 (2)

Електролизата като редокс процес. Електролиза на стопилки и разтвори с използване на натриев хлорид като пример. Практическа употребаелектролиза.

Електролиза- това е окислително-редукционен процес, който се случва на електродите по време на преминаването на константа електрически токчрез стопилка или електролитен разтвор

Същността на електролизата е осъществяването на химични реакции с помощта на електрическа енергия. Реакции-възстановяванияпри катода и окисление при анода.

Катодът (-) дава електрони на катионите, а анодът (+) приема електрони от анионите.

Електролиза на стопилка на NaCl

NaCl-―>Na + +Cl -

K(-): Na + +1e-―>Na 0 | 2 процента възстановяване

A(+) :2Cl-2e-―>Cl 2 0 | 1 процент окисляване

2Na + +2Cl - -―>2Na+Cl 2

Електролиза воден разтвор NaCl

При електролизата на NaC| Във водата участват Na + и Cl - йони, както и водни молекули. При преминаване на ток Na + катионите се придвижват към катода, а Cl - анионите се придвижват към анода. Но на катодаВместо Na йони, водните молекули се редуцират:

2H 2 O + 2e-―> H 2 +2OH -

и хлоридните йони се окисляват на анода:

2Cl - -2e-―>Cl 2

В резултат на това има водород на катода, хлор на анода и NaOH се натрупва в разтвора

В йонна форма: 2H 2 O+2e-―>H 2 +2OH-

2Cl - -2e-―>Cl 2

електролиза

2H 2 O+2Cl - -―>H 2 +Cl 2 +2OH -

електролиза

В молекулна форма: 2H 2 O+2NaCl-―> 2NaOH+H 2 +Cl 2

Приложение на електролизата:

1) Защита на металите от корозия

2) Получаване на активни метали (натрий, калий, алкалоземни и др.)

3) Пречистване на определени метали от примеси (електрическо рафиниране)

Билет № 8 (1)

Свързана информация:

1. А) Теорията на познанието е наука, която изучава формите, методите и техниките за възникване и модели на развитие на знанието, връзката му с реалността, критериите за неговата истинност.

Основата за създаването на теорията за химическата структура на органичните съединения е A.M. Бутлеров е вдъхновен от атомно-молекулярната теория (работи на А. Авагадро и С. Канизаро). Би било погрешно да се предположи, че преди създаването му в света нищо не е било известно за органичните вещества и не са правени опити да се обоснове структурата на органичните съединения. До 1861 г. (годината, в която А. М. Бутлеров създава теорията за химическата структура на органичните съединения), броят на известните органични съединения достига стотици хиляди, а идентифицирането на органичната химия като независима наука се случва през 1807 г. (J. Berzelius).

Предпоставки към теорията за структурата на органичните съединения

Широкото изследване на органичните съединения започва през 18 век с работата на А. Лавоазие, който показва, че веществата, получени от живи организми, се състоят от няколко елемента - въглерод, водород, кислород, азот, сяра и фосфор. Страхотна ценаимаше въвеждането на термините „радикал“ и „изомерия“, както и формирането на теорията за радикалите (Л. Гитон дьо Морво, А. Лавоазие, Ж. Либих, Ж. Дюма, Ж. Берцелиус), успехи в синтез на органични съединения (урея, анилин, оцетна киселина, мазнини, захароподобни вещества и др.).

Терминът „химическа структура“, както и основите на класическата теория за химическата структура, са публикувани за първи път от A.M. Бутлеров на 19 септември 1861 г. в доклада си на конгреса на немските естествоизпитатели и лекари в Шпайер.

Основни принципи на теорията на структурата на органичните съединения A.M. Бутлеров

1. Атомите, които образуват молекула на органично вещество, са свързани помежду си в определен ред и една или повече валенции от всеки атом се изразходват за свързване помежду си. Няма свободни валенции.

Бутлеров нарече последователността от връзки на атомите „химическа структура“. Графично връзките между атомите се обозначават с линия или точка (фиг. 1).

Ориз. 1. Химическа структура на молекулата на метана: А – структурна формула, Б – електронна формула

2. Свойствата на органичните съединения зависят от химичната структура на молекулите, т.е. Свойствата на органичните съединения зависят от реда на свързване на атомите в молекулата. След като сте проучили свойствата, можете да изобразите веществото.

Нека разгледаме пример: едно вещество има брутна формула C 2 H 6 O. Известно е, че когато това вещество взаимодейства с натрий, се отделя водород, а когато киселина действа върху него, се образува вода.

C 2 H 6 O + Na = C 2 H 5 ONa + H 2

C2H6O + HCl = C2H5Cl + H2O

Това вещество може да има две структурни формули:

CH 3 -O-CH 3 - ацетон (диметил кетон) и CH 3 -CH 2 -OH - етилов алкохол (етанол),

Въз основа на химичните свойства, характерни за това вещество, заключаваме, че това е етанол.

Изомерите са вещества, които имат еднакъв качествен и количествен състав, но различна химична структура. Има няколко вида изомерия: структурна (линейна, разклонена, въглероден скелет), геометрична (цис- и транс-изомерия, характерна за съединения с множествена двойна връзка (фиг. 2)), оптична (огледална), стерео (пространствена, характерни за веществата, способни да се разполагат различно в пространството (фиг. 3)).

Ориз. 2. Пример за геометрична изомерия

3. Химичните свойства на органичните съединения също се влияят от други атоми, присъстващи в молекулата. Такива групи от атоми се наричат ​​функционални групи, поради факта, че тяхното присъствие в молекулата на веществото му придава специални химични свойства. Например: -OH (хидрокси група), -SH (тио група), -CO (карбонилна група), -COOH (карбоксилна група). Освен това химичните свойства на едно органично вещество зависят по-малко от въглеводородния скелет, отколкото от функционалната група. Именно функционалните групи осигуряват разнообразието от органични съединения, поради което те се класифицират (алкохоли, алдехиди, карбоксилни киселинии т.н. Въглерод-въглеродните връзки (множество двойни и тройни) понякога се включват като функционални групи. Ако има няколко идентични функционални групи в молекула на органично вещество, тогава тя се нарича хомополифункционална (CH 2 (OH) -CH (OH) -CH 2 (OH) - глицерол), ако има няколко, но различни, нарича се хетерополифункционална (NH 2 -CH(R) -COOH – аминокиселини).

Фиг.3. Пример за стереоизомерия: a – циклохексан, форма „стол“, b – циклохексан, форма „вана“

4. Валентност на въглерода в органични съединениявинаги е равно на четири.