Химическая структура молекулы представляет собой наиболее характерную и уникальную ее сторону, поскольку она определяет ее общие свойства (механические, физические, химические и биохимические). Любое изменение в химической структуре молекулы влечет за собой изменение ее свойств. В случае незначительных структурных изменений, внесенных в одну молекулу, следуют небольшие изменения ее свойств (обычно затрагивает физические свойства), если же молекула испытала глубокие структурные изменения, то и ее свойства (особенно химические) будут глубоко изменены.
Например, Альфа-аминопропионовая кислота (Альфа-аланин) имеет следующую структуру:
Альфа-аланин Что мы видим:
- Наличие определенных атомов (С, Н, О, N),
- определенное количество атомов, принадлежащих каждому классу, которые связаны в определенном порядке;
Все эти конструктивные особенности определяют целый ряд свойств Альфа-аланина, таких как: твердое агрегатное состояние, температура кипения 295° С, растворимость в воде, оптическая активность, химические свойства аминокислот и т. д.
При наличии связи аминогруппы с другим атомом углерода (т.е. произошло незначительное структурное изменение), что соответствует бета-аланину:
Бета-аланин Общие химические свойства по-прежнему остаются характерными для аминокислот, но температура кипения составляет уже 200° C и отсутствует оптическая активность.
Если же, например, два атомы в этой молекуле соединены атомом N в следующем порядке (глубокое структурное изменение):
тогда образованное вещество — 1-нитропропан по своим физическим и химическим свойствам совершенно не похож на аминокислоты: 1-нитро-пропан — это желтая жидкость, с температурой кипения 131°С, нерастворим в воде.
Таким образом, взаимосвязь «структура-свойства» позволяет описывать общие свойства вещества с известной структурой и, наоборот, позволяет найти химическую структуру вещества, зная его общие свойства.
Общие принципы теории строения органических соединений
В сущности определения структуры органического соединения, лежат следующие принципы, которые вытекают из связи между их структурой и свойствами:
а) органические вещества, в аналитически чистом состоянии, имеют один и тот же состав, независимо от способа их получения;
б) органические вещества, в аналитически чистом состоянии, обладает постоянными физико-химическими свойствами;
в) органические вещества с постоянным составом и свойствами, имеет только одну уникальную структуру.
В 1861 г. великий русский ученый А. М. Бутлеров в своей статье «О химическом строении вещества» раскрыл основную идею теории химического строения, заключающуюся во влиянии способа связи атомов в органическом веществе на его свойства. Он обобщил все имеющиеся к тому времени знания и представления о строении химических соединений в теории строения органических соединений.
Основные положения теории А. М. Бутлерова
кратко могут быть изложены следующим образом:
- В молекуле органического соединения атомы связаны в определенной последовательности, что и определяет его строение.
- Атом углерода в составе органических соединений имеет валентность равную четырем.
- При одинаковом составе молекулы возможно несколько вариантов соединения атомов этой молекулы между собой. Такие соединения, имеющие один состав, но различное строение были названы изомерами, а подобное явление – изомерией.
- Зная строение органического соединения можно предсказать его свойства; зная свойства органического соединения можно предсказать его строение.
- Атомы, образующие молекулу подвержены взаимному влиянию, что определяет их реакционную способность. Непосредственно связанные атомы оказывают большее влияние друг на друга, влияние не связанных непосредственно атомов значительно слабее.
Ученик А.М. Бутлерова — В. В. Марковников продолжил изучение вопроса взаимного влияния атомов, что нашло свое отражение в 1869 году в его диссертационной работе «Материалы по вопросу о взаимном влиянии атомов в химических соединениях».
Заслуга А.М. Бутлерова и значение теории химического строения исключительно велико ля химического синтеза. Открылась возможность предсказать основные свойства органических соединений, предвидеть пути их синтеза. Благодаря теории химического строения химики впервые оценили молекулу как упорядоченную систему со строгим порядком связи между атомами. И в настоящее время основные положения теории Бутлерова, несмотря на изменения и уточнения, лежат в основе современных теоретических представлений органической химии.
Категории ,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.
Основные положения теории химического строения органических веществ А. М. Бутлерова. Химическое строение как порядок соединения и взаимного влияния атомов в молекулах
Органическими веществами называют углеродсодержащие вещества (за исключением тех из них, которые по свойствам относят к неорганическим веществам - оксидов углерода, угольной кислоты и ее солей и ряда дру¬гих), независимо от того, образовались эти вещества в живых организмах или получены синтетически.
Число известных органических веществ составляет более 13 миллионов наименований, и очень быстро продолжает расти, в то время, как число известных неорганических веществ не достигло и миллиона.
Такое большое количество органических веществ, а также отличие их свойств от свойств неорганических веществ, тоже вынуждает рассматривать органическую химию как отдельный раздел химии.
Органическая химия - это химия соединений углерода и их превращениЙ. Подобное определение нельзя считать абсолютно точным, но оно указывает на наличие во составе всех органических соединений элемента углерода.
Б настоящее время синтезировано огромное число органических соеди¬нений, встречающихся в природе, а также веществ, которых в природе нет.
Объяснить огромное многообразие органических веществ, образованных небольшим числом элементов углеродом, водородом, кислородом, реже - азотом, серой и галогенами, в 1861 году смог А. М. Бутлеров, создавший теорию строения органических соединений. Он показал, что:
1. атомы углерода обладают свойством соединяться между собой, образуя цепи
2. атомы в молекулах соединены в определенной последовательности в соответствии с валентностью атомов (валентность углерода - IV, валент¬ность водорода - 1, валентность кислорода - II и т. д.)
3. свойства веществ зависят от последовательности соединения атомов в
Молекулах (химического строения)
4. существуют вещества одинакового молекулярного состава, но разного химического строения и с различными свойствами (изомеры).
Открытие такого явления, как изомерия, стало огромным шагом в раз¬витии органической химии; удалось объяснить те экспериментальные про¬тиворечия, которые химики наблюдали в то время. Например, оказалось, что химической формуле C4HIO соответствуют два вещества с разными тем¬пературами кипения - бутан и изобутан.
СНз - СН2 - СН2 - СНз
СНз - СН - СНз
I
СНз
Выяснилось, что изомерами могут быть вещества, относящиеся к разным классам органических соединений, например, изомерами являются диметиловый эфир и этиловый спирт.
СНз - О - СНз СНз - СН2 - ОН
А. М. Бутлеров показал, что между атомами и группами атомов в молекулах органических веществ существует взаимное влияние, причем это влияние могут оказывать друг на друга атомы, непосредственно не связанные между собой. Например, можно объяснить, почему уксусная кислота СНз - СООН является слабой кислотой, а если заместить один атом водорода на атом хлора, образуется сильная хлор уксусная кислота С! - СН2 - СООН.
Теория химического строения является важнейшей основой теоретического фундамента органической химии, она позволила систематизировать огромный практический материал, заранее предсказать свойства и сущест¬вование новых веществ, а также указать пути их получения.
Крупнейшим событием в развитии органической химии было создание в 1961 г. великим русским ученым А.М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений.
До А.М. Бутлерова считалось невозможным познать строение молекулы, т. е. порядок химической связи между атомами. Многие ученые даже отрицали реальность атомов и молекул.
А.М. Бутлеров опроверг это мнение. Он исходил из правильных материалистических и философских представлений о реальности существования атомов и молекул, о возможности познания химической связи атомов в молекуле. Он показал, что строение молекулы можно установить опытным путем, изучая химические превращения вещества. И наоборот, зная строение молекулы, можно вывести химические свойства соединения.
Теория химического строения объясняет многообразие органических соединений. Оно обусловлено способностью четырехвалентного углерода образовывать углеродные цепи и кольца, соединяться с атомами других элементов и наличием изомерии химического строения органических соединений. Эта теория заложила научные основы органической химии и объяснила ее важнейшие закономерности. Основные принципы своей теории А.М. Бутлеров изложил в докладе «О теории химического строения».
Основные положения теории строения сводятся к следующему:
1) в молекулах атомы соединены друг с другом в определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов называется химическим строением;
2) свойства вещества зависят не только от того, какие атомы и в каком количестве входят в состав его молекулы, но и от того, в каком порядке они соединены между собой, т. е. от химического строения молекулы;
3) атомы или группы атомов, образовавшие молекулу, взаимно влияют друг на друга.
В теории химического строения большое внимание уделяется взаимному влиянию атомов и групп атомов в молекуле.
Химические формулы, в которых изображен порядок соединения атомов в молекулах, называются структурными формулами или формулами строения.
Значение теории химического строения А.М. Бутлерова:
1) является важнейшей частью теоретического фундамента органической химии;
2) по значимости ее можно сопоставить с Периодической системой элементов Д.И. Менделеева;
3) она дала возможность систематизировать огромный практический материал;
4) дала возможность заранее предсказать существование новых веществ, а также указать пути их получения.
Теория химического строения служит руководящей основой во всех исследованиях по органической химии.
5. Изомерия. Электронное строение атомов элементов малых периодов.Химическая связь
Свойства органических веществ зависят не только от их состава, но и от порядка соединения атомов в молекуле.
Изомеры – это вещества, которые имеют одинаковый состав и одинаковую молярную массу, но различное строение молекул, а потому обладающие разными свойствами.
Научное значение теории химического строения:
1) углубляет представления о веществе;
2) указывает путь к познанию внутреннего строения молекул;
3) дает возможность понять накопленные в химии факты; предсказать существование новых веществ и найти пути их синтеза.
Всем этим теория в огромной степени способствовала дальнейшему развитию органической химии и химической промышленности.
Немецкий ученый А. Кекуле высказывал мысль о соединении атомов углерода друг с другом в цепи.
Учение об электронном строении атомов.
Особенности учения об электронном строении атомов: 1) позволило понять природу химической связи атомов; 2) выяснить сущность взаимного влияния атомов.
Состояние электронов в атомах и строение электронных оболочек.
Электронные облака – это области наибольшей вероятности пребывания электрона, которые различаются по своей форме, размерам, направленности в пространстве.
В атоме водорода единственный электрон при своем движении образует отрицательно заряженное облако сферической (шаровидной) формы.
S-электроны – это электроны, образующие сферическое облако.
В атоме водорода имеется один s-электрон.
В атоме гелия – два s-электрона.
Особенности атома гелия: 1) облака одинаковой сферической формы; 2) наибольшая плотность одинаково удалена от ядра; 3) электронные облака совмещаются; 4) образуют общее двухэлектронное облако.
Особенности атома лития: 1) имеет два электронных слоя; 2) имеет облако сферической формы, но по размерам значительно превосходит внутреннее двухэлектронное облако; 3) электрон второго слоя слабее притягивается к ядру, чем первые два; 4) легко захватывается другими атомами в окислительно-восстановительных реакциях; 5) имеет s-электрон.
Особенности атома бериллия: 1) четвертый электрон – s-электрон; 2) сферическое облако совмещается с облаком третьего электрона; 3) имеются два спаренных s-электрона во внутреннем слое и два спаренных s-электрона в наружном.
Чем больше перекрываются электронные облака при соединении атомов, тем больше выделяется энергии и тем прочнее химическая связь.
(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.
