В.В. Еремин, А.Я. Борщевский - Основы общей и физической химии, страница 5

ЕТСС СВЕЕбО/ИЕВЕЕ' ЗТОМЫ ТГТеЕЕЕЧЕеВЫ В Е ЕВОЕ Ы ОС1ЛОВНОИ СЕЕЕ1ТЕЕВЕЕНЕИ,ЕЕННВЕЕНЫИ ЕЕЕКЕ '.Ф Е:Е ! ОГНОГЕГЕЕаЕ ПГ и и ии и ЗГЕКОГЕЕЕ Тиа ии д и 1 ВГеле'ЕТОЕиистд1 — З1О мзьсимзльие е-' числ1 Одние1злинЕннд зтимиь !нзн$1ичз11, еии ЗО!ЕОЕГЯ), ЕГГ ЕО!еьЕО ЕООГут ГГ сдиняться с ДЕОмсм даннОГО злсмснтз или нз ЯО1111111' Э ЛЗ. язббк химии 2! может обозначать и простое вещество Нз, состоящее из двухатомных молекул, и вид атомов Н, входящих в состав химических соединений: НзО, НзВОб и т.д. Сложные вещества, или химические соединения состоят из атомов разных элементов. Вещества молекулярного строения имеют один и тот же состав, т. е. количественное соотношение элементов, независимо от способа их получения. Это— закон аостоянсглва сосабава, установленный эмпирически. Примеры веществ постоянного состава — углекислый газ СОз, вода НзО, серная кислота НзВ04, глюкоза СбНюзОб.

У немолекулярных кристаллических соединений часто имеет место отклонение от этого закона. Это — соединения переменного состава. Приведем два примера. Идеальный состав оксида двухвалентного титана описывается формулой Т!О. Однако реалънъбй оксид титана в зависимости от условий получения может иметь состав а бб Сго от Т10оаз до Т!0~ зз. В этом диапазоне составов кристалл способен сохранять свойственную ему структуру, хотя свойства его плавно изменяются. Интервал составов, в котором может существовать данное химическое соединение, называют областью гомогенности. У большинства веществ эта область очень мала, поэтому их состав можно практически считать постоянным, но для Рис. !.5. Фуллерены (а) и углеродные ТКО оказывается довольно широкой. В рас- нанотрубки 16) — молекулярные формы смотренном случае состав 11: 1) принадле- углерода жит области гомогенности.

Такие вещества называют дальтонидами. Известны соединения переменного состава, у которых состав, соответствующий валентности элементов, находится вне области гомогенности. Пример — оксид двухвалентного железа, идеальная формула которого ГеО, а реальный состав находится в пределах от Геоа90 до ГеоззО. Такие вещества называют бертоллидами. 51.3. ЯЗЫК ХИМИИ Язык химии предназначен для быстрого и точного обмена химической информацией. Его главные составляющие — химические формулы, названия веществ, уравнения и схемы химических реакций. Химические формулы описывают состав и строение ве- элемента ществ. Различные типы формул несут разную информацию. Самая распространенная — молекулярная формула, она указывает число атомов каждого элемента в люлекуле. Молеку- Н (~( ) лярная формула состоит из символов элементов и подстрочных индексов, указывающих число атомов данного элемента в молекуле (рис.

!.б). Единичный индекс не указывается Как число атомов в молекуле следует из названия, молекулярная формула характеризует только вещества молекулярного строения !газы, жидкости и Рис 1 ~ Пр"мер мо некоторые твердые вещества). 22 Гл. Л Основные оонятия и законы химии Для веществ немолекулярного строения используют эмпирические (простейшие, или брутто-) формулы, которые описывают состав наименьшего повторяющегося фрагмента — его называют формульной единицей. Фактически брутто-формула указывает соотношение между числом атомов разных элементов в веществе. Например, брутто-формула сульфата натрия Каз304 показывает, что в этом веществе на один атом серы приходится 2 атома натрия и 4 атома кислорода.

Брутто- формулу вегцества можно найти по массовым долям элементов. Структурная формула указывает порядок соединения атомов в молекуле, число связей между ними и иногда расположение атомов в пространстве. Структурные формулы пригодны только для описания веществ молекулярного строения или ионов, состоящих из нескольких атомов. Сравним различные типы формул на примере бензола. Это — органическое вещество молекулярного строения, его молекулярная формула — СзНз.

Эмпирическая формула бензола СН показывает, что число атомов водорода и углерода в нем одинаково. Структурная формула Н ! Сс ! Н~ С' ~Н С С ! Н говорит о том, что атомы углерода образуют шестичленный цикл, и с каждым атомом углерода связан один атом водорода. Структурная формула бензола в том виде, в каком мы ее изобразили, практически не используется в химии.

Дело в том, что химический язык должен быть достаточно компактен, поэтому в структурных (иногда и в молекулярных) формулах используют многочисленные сокращения. Так, например, у одновалентных атомов и групп атомов, например Н или СНз не указывают химическую связь: Н Н ! ! СНзСНз вместо Н вЂ” С вЂ” С вЂ” Н ! Н Н Такие структурные формулы называют сокращенными. В химической литературе пользуются только ими, а подробные формулы изображают в книгах для начинающих.

Часто применяют еще большее сокращение и вообще не указывают атомы углерода и связанные с ними атомы водорода. В таком представлении молекула простейшего углеводорода метана СН4 выглядит точкой, а бензол — правильным шестиугольником: 0 Другие примеры приведены в табл.!.3. ~1.3. Язык химии 23 Таблица 1.3.

Формулы некоторых органических веществ Многие, широко распространенные группы атомов получили в органической химии устойчивые сокращения (табл. 1.4). Так, например, Е1зО обозначает диэтиловый эфир СзНз — Π— СзНз, а АсОН вЂ” уксусную кислоту СНзСООН. Таблица 1.4. Сокращения для групп В структурных формулах есть возможность указывать трехмерное пространственное расположение атомов, или, как говорят химики, «показывать стереохимию». Для этого используют так называемые клиновидные проекции: сплошной клин указывает на группу атомов, которая находится ближе к нам от плоскости рисунка, а пунктирный — дальше от нас. В качестве примера рассмотрим молекулу метана.

Атомы водорода в ней расположены в вершинах правильного тетраэдра, а атом углерода — в его центре. Пронумеруем атомы водорода и поместим атомы Н', Н и С в плоскость рисунка, атом Н вЂ” ближе к нам, а Н вЂ” дальше от нас (рис. 1.7, а). Тогда клиновидная проекция метана будет содержать два клина, опи- сывающие химические связи С вЂ” Нз и С вЂ” Н4 к' Н' (рис. 1.7, б). Любая клиновидная проекция означает неплоскую структуру молекулы. ,кх '), "". з Неотъемлемую часть языка химии со- Н Ъ ставляют названия химических соединений. Н з Н з Их число огромно и быстро растет с каждым а б годом. Каждое соединение должно иметь Рис. 1.7.

Пространственное нзображе- свое собственное наименование, по котороние молекулы метана (а) и клиновидная му его можно отличать от других. Правила проекция метана (б) составления названий химических соедине- ний называют номенклатурой. Мы кратко рассмотрим их на примере органических соединений. В настоящее время используют международную (систематическую) номенклатуру, правила которой утверждены Международным союзом чистой и прикладной химии (1()РАС, по-русски 24 Гя.!.

Основные понятия и законы химии ИЮПАК) — международной организацией, которая следит за стандартами в различных областях химии. Этих правил очень много, и ни один химик не знает их все, для этого существуют специальные справочники и компьютерные программы. Мы с вами рассмотрим только основные принципы этой номенклатуры. Главный принцип состоит в том, что название органического соединения должно отражать его химическое строение, т. е. структурную формулу. Например, прочитав <2-гидроксипропан-!,2,3-трикарбоновая кислота» химик сразу поймет, что речь идет о соединении со структурной формулой (функциональные группы выделены темным фоном); О О С вЂ” ОН О й 1 11 НΠ— С вЂ” СНд — С вЂ” СНз — С вЂ” ОН ОН 2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая кислота (лимонная кислота) Разумеется, чем сложнее молекула, тем длиннее ее название. Большинство систематических наименований в органической химии — многоэтажные, поэтому наряду с ними допускаются и более простые, тривиальные названия.

Они обычно указывают на свойства или на источник выделения вещества. Так, приведенную выше кислоту называют «лимонной». Очевидно, что последнее название никак не связано с ее строением. Другой базовый принцип заключается в том, что все соединения рассматриваются как производные углеводородов, у которых отдельные атомы водорода заменены на функциональные группы. Международная номенклатура имеет замести- тельный характер.

В названии любого соединения корень образуется от названия соответствующего углеводорода. Так, в приведенном выше примере лимонная кислота рассматривается как производное пропана: СООН Н Н Н 1~ 1з 1з НООС вЂ” Н вЂ” С вЂ” С вЂ” С вЂ” Н вЂ” СООН 1 1 Н Н Н ОН Названия функциональных групп отражены в приставках и суффиксах, а номера их расположения в углеродной цепи показаны цифрами.

У каждой группы атомов, а также двойной и тройной связи есть свои названия — приставки и/или суффиксы, на которых мы сейчас останавливаться не будем. Отметим, что правила международной номенклатуры довольно гибкие — для одного и того же вещества допускается несколько названий. Главное, чтобы по названию можно было однозначно восстановить структурную формулу.

э!.й. Язык химии 25 По мере роста числа органических соединений расширяется и набор правил номенклатуры 1ПРАС. Запомнить их все невозможно, поэтому при составлении названий сложных соединений приходится пользоваться помощью компьютера, Сушествуют специальные программы, которые по структурной формуле вещества составляют его название, строго соответствуюшее всем правилам. Конечно, короткие названия эта программа выдает достаточно редко. Например, витамин В2, молекула которого имеет вид ОН НгС СНз по правилам ИЮПАК называется 2-[3-1(4-амино-2-метил-пиримидин-5-ил)метил]- 4-метил-1-тиа-З-азониациклопента-2,4-диен-5-ил]этанол.

Еше одна неотъемлемая часть химического языка связана с химическими реакциями. Их описывают с помошью уравнений и схем. В уравнении реакции в левой части записаны формулы всех вступаюших в реакцию веществ (реагентов) А, умноженные на некоторые коэффициенты у (их называют стехиометрическими), в правой части — формулы всех продуктов А', также с коэффициентами ъ': У1А1 + УзАз + . ° + УпАл =- У1А1 + УзАз +... + У~~А~~. (1.2) Разумеется, число реагентов и продуктов может не совпадать (и не обязательно равно и).

Единичный коэффициент не указывается. Левую и правую часть разделяют знаком равенства или стрелкой « — », указываюшей направление реакции. Если реакция обратима, т.е. может протекать как в прямом, так и в обратном направлении, то в уравнении используют две стрелки, направленные в противоположные стороны: « ~-- ». Стехиометрические коэффициенты подбирают так, чтобы число атомов каждого вида в левой и правой частях уравнения было одинаково— тем самым уравнение реакции отражает тот факт, что атомы в химических реакциях не изменяются. Все коэффициенты у и у' определены с точностью до постоянного сомножителя.

Отношение количеств вступающих в реакцию веществ и образующихся продуктов не изменится, если все коэффициенты умножить на одно и то же число, отличное от О, при этом дробные коэффициенты допускаются. Например, уравнения 2Н»+Оз = 2НзО Нз+ зОз = НзО 26 Гл. Д Основные нонятия и законы химии )к1~(г.) = (Ч~ (г.) + е(г.). В органической химии уравнения реакций используют достаточно редко, вместо них приводят схемы реакций, в которых нет коэффициентов, указаны не все, а только важнейшие реагенты и продукты, и подробно описан способ проведения реакции. Так, схема СНз Снз СНЗ НОз 40'с )ЧО, показывает, что нитрование толуола проводится смесью азотной и серной кислот при температуре 40'С и что при этом образуются как орта-, так и пара-произ- водное.