В.В. Еремин, А.Я. Борщевский - Основы общей и физической химии (1113479), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Известно более 60 млн органических соединений. Главная причина многообразия органических молекул — высокая прочность химических связей «углерод- углерод», благодаря чему атомы углерода способны соединяться в цепочки. Основу любой органической молекулы составляет углеродный скелет. 4. С целью систематизации органические вещества разбивают на классы. Принадлежность вещества к определенному классу определяется функциональной группой. Функциональные группы — это активные центры органических молекул. 5. Гомологи — это соединения, принадлежащие одному классу и обладающие схожими химическими свойствами, но отличающиеся друг от друга по составу на целое число групп СНз. 6.
Основой органической химии является структурная теория в сочетании с кванто- вой химией, которая описывает электронное строение органических соединений. 7. Изомеры — вещества, которые описываются одинаковой молекулярной формулой, но имеют разное строение и отличаются по физическим и химическим свойствам. Различают структурную и пространственную изомерию. Структурная изомерия вызвана разным порядком соединения атомов в молекуле. В пространственных изомерах порядок соединения атомов один и тот же, однако атомы отличаются положением в пространстве относительно других атомов.
Э 8.5. Классификация и механизмы органических реакций 243 8. Химические свойства органических веществ определяются: а) зарядами на атомах в активных центрах молекулы; б) энергиями связей в молекуле; в) пространственными эффектами. 9. Положительный электронный эффект проявляют электронодонорные группы, отрицательный — электроноакцепторные. Индуктивным эффектом называют смещение электронной плотности по цепи сг-связей.
Этот эффект затухает при увеличении длины цепи. Мезомерный эффект передается по цепи я-связей без существенного затухания. 10. Реакции органических соединений во многом отличаются от неорганических. Как правило, они происходят достаточно медленно, при повышенной температуре и с участием катализаторов. Органические реакции редко протекают с высоким выходом продукта. Обычно основная реакция сопровождается несколькими побочными, многие реакции обратимы. В органической химии огромную роль играют условия проведения реакций. В зависимости от условий, из одних и тех же исходных веществ могут получаться совершенно разные продукты.
1!. По структурному признаку различают следующие типы органических реакций: присоединение, замещение, отщепление, изомеризация. Окисление и восстановление в органической химии связано с потерей или приобретением атомов кислорода и водорода. !2. В современной органической химии реакции классифицируют по их механизмам. В зависимости от типа активных промежуточных частиц !интермедиатов), механизмы подразделяют на радикальные, электрофильные и нуклеофильные. ХИМИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ глава Углеводороды — органические соединения, которые содержат только два элемента — углерод и водород.
Общая формула всех углеводородов — С„Ню Простейший углеводород — метан СН4 — содержит один атом углерода, остальные имеют в своем составе два или больше атомов, соединенных ковалентными связями в единую углеродную цепь. Для любого органического вещества имеется углеводород с таким же углеродным скелетом, поэтому углеводороды можно рассматривать как родоначальники всех органических соединений.
ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ вЂ” АЛКАНЫ И ЦИКЛОАЛКАНЫ 5 9.1. Простейший класс органических соединений — предельные углеводороды. Это название связано с тем, что нх молекулы содержат максимально возможное при данном углеродном скелете число атомов водорода. Молекулы предельных углеводородов содержат только одинарные связи С вЂ” С и С вЂ” Н. В зависимости от строения углеродного скелета, предельные углеводороды бывают двух типов: углеводороды с открытым скелетом называют алканами, а углеводороды с замкнутым (циклическим) скелетом — циклоалканами: С ! С вЂ” С вЂ” С вЂ” С циклический углеродный скелет открытый углеродный скелет СНз ! СНз — СН вЂ” СН2 — СНз алкан Все алканы можно описать общей формулой: С„Н2„42.
Общая формула циклоалканов — С„Н2„. Каждый циклоалкан содержит на два атома водорода меньше, чем алкан с тем же числом атомов углерода. Это связано с тем, что на замыкание цикла должны расходоваться две свободные валентности атомов углерода: Н2С-!Н Н+СН2 'г --5' Н2С вЂ” СН2 бутан С С вЂ” С ! С вЂ” С СНз ! НЗС вЂ” СН Н2С вЂ” СН2 циклоалкаи Н,С вЂ” СН, ! Н2С вЂ” СН2 циклобутаи В 9.! ПрМмьиыс вглеяои~ Лыах — алкины и Ивклоилкины 245 1вким образом, вместо двух связей С 11 в алкане, в никлоалквне появляется вополнительная с~хязь С вЂ” -С.
246 Г:1 9 Л'или~я ое.ааодородов «-ан» вентан, гексаи, гевтан и т.д. Ливаны с равветвасн1.ой цепью рассмаа1н1вак~т как нр~ извоаные нормаавнгно аакана, в котором овин или нескоеевко атомов гало Э9.1. Предельные углеводороды — алкины и циклоалканы 247 Физические свойства. В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов (С1-Сл) — газы. Нормальные алканы от пентана до гептадекана (Сз-С17) — жидкости, начиная с См и выше — твердые вещества. По мере увеличения числа атомов углерода в цепи монотонно возрастают температуры кипения и плавления алканов.
При одинаковом числе атомов углерода в молекуле алканы с разветвленным строением имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные алканы. Алканы — малополярные соединения, они практически нерастворимы в воде, хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких как бензол, тетрахлорметан и др. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом. Получение алканов. Основные природные источники алканов — нефть и природный газ. Различные фракции нефти содержат алканы от СзНм до СзоНвз. Природный газ состоит в основном из метана. Его содержание в зависимости от месторождения составляет от 80 до 99ьы Кроме того, в состав природного газа входят этан, пропан, бутан и изобутан.
Газообразные алканы (С~-Сл) встречаются в местах нефтяных отложений (попутный газ). Содержание метана в попутном газе достигает 807ы Метан, выделяющийся в угольных шахтах, называется рудничным газом. В результате гниения остатков растительных организмов и животных без доступа воздуха на дне водоемов образуется метан (болотный газ). Известно много синтетических методов получения предельных углеводородов. Метан образуется при действии воды на карбид алюминия: А!4Сз + 12НзО = ЗСН4) + 4А1(ОН)з.
Эта реакция может быть использована для получения метана в лаборатории. С сохранением углеродного скелета протекает гидрирование (присоединение водорода) непредельных углеводородов в присутствии катализаторов на основе платины, палладия, никеля. Присоединение водорода к кратной связи алкенов и алкинов в присутствии таких катализаторов может протекать даже при комнатной температуре: Х~ СНз — СН=СНз + Нз — ~ СНз — СНз — СНз, Р! НС— = СН+2Нз — ~ СНз — СНз. Удвоение углеродного скелета происходит при действии металлического натрия на галогенпроизводные алканов (реакция Вюрца): 2С„НзнннВг + 2На — Сз„Н4„эз + 2)к(аВг. Эта реакция пригодна только для получения симметричных алканов, молекулы которых состоят из двух одинаковых частей, и только из первичных галогенидов ГсСНзНа1. При электролизе водных растворов солей карбоновых кислот (синтез Кольбе) на аноде выделяется углеводород.
Таким способом из ацетата натрия может быть получен этан: 2СНзСОО)к)а+ 2НзΠ— СНзСНз1+ 2СОз1+ 2ХаОН+ Нз1. Сплавление ацетата натрия с избытком щелочи — удобный лабораторный способ получения метана: СНзСОО)')а(тв.) + ХаОН(тв.) — СН41+ ХазСОз. 248 Ги У. Химия углеводородов При сплавлении солей карбоновых кислот со шелочью образуются углеводороды, содержащие на один атом углерода меньше, чем исходная соль, — этот атом переходит в состав карбоната натрия. Метан может быть получен прямым синтезом из элементов. Он образуется в вольтовой дуге между угольными электродами в присутствии водорода; С + 2Нз — ~ СН4.
При пропускании смеси оксида углерода (П) с водородом при температуре 200- 400'С и атмосферном давлении над катализаторами на основе железа, кобальта или никеля (синтез Фишера-Тропша) образуется смесь алканов, состояшая главным образом из нормальных углеводородов: % пСО + (2п + 1)Нз — ~ СлНзл-~-з + пНзО. Таким способом можно получать синтетический бензин. Химические свойства.
Алканы — достаточно инертные соединения, что объясняется высокой прочностью связей С вЂ” С и С вЂ” Н. Связи С вЂ” С расшепляются только при значительном нагревании, а связи С вЂ” Н вЂ” под действием активных свободных радикалов. Поэтому для алканов характерны радикальные реакции, в которых атомы водорода замешаются на другие атомы или группы атомов. В этих реакциях легче всего замешаются атомы водорода у третичных, затем у вторичных и первичных атомов углерода. Это объясняется тем, что легче всего гомолитически разрывается связь третичного атома углерода с водородом (энергия связи 376 кДж/моль), затем — вторичного (390 кДж/моль) и только потом — первичного (4!5 кДж/моль).
При взаимодействии алканов с галогенами (хлором и бромом) под действием УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамешенных алканов. Обшая схема этой реакции показана на примере метана: сй а, а, с!2 СН4 — — ~. СНзС! — — ~. СНзС12 — — ~. СНС!3 — — ~- СС14. -нс~ -нс~ -нс~ -нс~ Реакция образования хлорметана протекает по цепному механизму, который характеризуется следующими стадиями.
а) Образование цепи: С!з — ~ 2С1. б) Рост цепи. Радикал хлора отнимает у молекулы алкана атом водорода: С1+ СН4 НС! + СНз. При этом образуется алкильный радикал, который отнимает атом хлора у молекулы хлора: СНз + С!з — > СНзС1+ С1. Эти реакции повторяются до тех пор, пока не произойдет обрыв цепи по одной из реакций: С!+ С! — С!э, СНз+ СНз — ~ СзНз, СНз + С! — СНзС!. Суммарное уравнение реакции: СН4 + С1з СНзС! + НС1. 29.1. Предельные углеводороды — алканы и циклоолконы 249 Реакция алканов с фтором идет с полным разрушением углеродного скелета и образованием СР4, а с иодом реакция замещения термодинамически невыгодна.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
