Продолжение. Начало см. в № 45/2003

Практическая работа 1.
Составление шаростержневых моделей
молекул углеводородов
и их галогенопроизводных

Цели. Научиться составлять шаростержневые модели молекул алканов, цикланов и их галогенопроизводных по названиям веществ, развивать стереохимические представления.
Оборудование. Набор цветных шаров и стержней (пластмасса) для моделирования, таблицы «Метан», «Алкины», «Цикланы».

Основные положения теории строения
органических соединений А.М.Бутлерова (1861)

1. Атомы в молекулах органических соединений находятся не в беспорядке, а в определенной последовательности в соответствии с валентностью.
2. Свойства веществ зависят не только от качественного и количественного состава, но и от взаимного расположения атомов, т. е. химической структуры веществ.
3. Зная свойства вещества, можно предсказать структуру этого вещества.
4. Зная структуру вещества, можно предсказать свойства этого вещества.
5. Атомы и группы атомов в молекулах веществ оказывают друг на друга взаимное влияние.

Изомеры – вещества одинакового молекулярного состава (одинаковая молекулярная формула), но различной структуры. Изомеры обладают разными свойствами:

С ростом числа углеродных атомов в молекуле углеводорода число его структурных изомеров возрастает: у С₄Н₁₀ – 2, С₅Н₁₂ – 3, С₇Н₁₆ – 9, С₁₀Н₂₂ – 75, С₁₄Н₃₀ – 1858, С₂₀Н₄₂ (эйкозан) – 366 319 и т. д.

Геометрические формы, взаимопревращающиеся поворотом вокруг простых -связей, это – конформации (конформеры), или поворотные изомеры. Среди конформеров преобладают более выгодные, имеющие меньшую энергию («заторможенные»).
Например, два крайних конформера этана:

Формулы Ньюмена – один из способов изображения трехмерных структур молекул насыщенных соединений на плоскости. Молекулу рассматривают вдоль выбранной углерод-углеродной связи, проектируя ее на плоскость, перпендикулярную этой связи. Для наглядности изображения между двумя углеродными атомами мысленно помещают непрозрачный круг. При этом проекции трех связей ближнего к наблюдателю атома углерода изображают линиями, расходящимися под углом 120° из центра круга. Проекции трех связей дальнего атома углерода «выглядывают» из-за круга также под углом 120° друг к другу:

Особенности электронной структуры атомов углерода

В органических соединениях атомы углерода находятся в возбужденном состоянии (2s¹2p³). Валентность углерода равна IV, т. е. атом С способен образовать четыре ковалентные связи.
За счет взаимного выравнивания s- и р-электронных облаков в атоме углерода образуются одинаковые электронные облака гантелеобразной формы, оси которых располагаются под углом 109°28'.

Атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя цепи и циклы:

Условное изображение структуры углеродного скелета учитывает направленность осей ковалентных связей.

Ковалентные связи между атомами углерода образуются за счет перекрывания электронных облаков трех видов гибридизации – sp³, sp² и sp.

Для понимания свойств молекулы необходимо учитывать все атомы, соседствующие с каждым атомом С. Атом углерода, связанный с одним атомом углерода, называют первичным, атом, связанный с двумя атомами углерода, – вторичным, с тремя – третичным, а с четырьмя – четвертичным. Первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода можно различать также по степени насыщенности атомов углерода атомами водорода.

Взаимное влияние атомов и групп атомов в молекулах осуществляется за счет электронов химических связей, это электронные эффекты.
Взаимное влияние, передающееся по цепи -связей (сдвиг электронной плотности гибридного облака в сторону атома более электроотрицательного элемента), – индукционный эффект.
Передающееся по цепи -связей смещение электронов двойных или тройных связей, а также неподеленных электронных пар атомов азота, кислорода и серы, находящихся в цепи, – мезомерный эффект, или эффект сопряжения.
Отличие этих эффектов вызвано различием в свойствах - и -связей.

АЛКАНЫ (парафины, углеводороды жирного ряда, метановые, насыщенные, предельные) имеют общую формулу С_nH_2n+2.

Энергия образования и разрыва связи

в метане СН₄ – 436 кДж/моль,
С_перв–Н – 409 кДж/моль,
С_втор–Н – 395 кДж/моль,
С_трет–Н – 377 кДж/моль.

Начиная с этана С₂Н₆, алканы существуют в виде смесей взаимопревращающихся конформеров.
Начиная с С₄Н₁₀, алканы могут иметь структурные изомеры, число которых с увеличением числа атомов С в молекуле увеличивается.

Структурные и молекулярные формулы алканов
и алкильных радикалов

Название одновалентного радикала, происходящего от пентана С₅Н₁₂, – пентил (ранее он имел специфическое название «амилон»):

–СН₂–СН₂–СН₂–СН₂–СН₃, или –С₅Н₁₁.

НОМЕНКЛАТУРА. В настоящее время для точного обозначения состава и строения органических соединений используют рациональную и систематическую номенклатуры.
Рациональная номенклатура рассматривает предельные углеводороды как производные метана, в котором один или несколько атомов Н замещены на углеводородные радикалы. В структурной формуле выбирают тот углеродный атом, у которого больше заместителей (радикалов). Радикалы перечисляют в порядке усложнения (если имеется несколько одинаковых радикалов, перед их названием ставятся греческие числительные: «ди-» – два, «три-» – три, «тетра-» – четыре, «пента-» – пять, «гекса-» – шесть и т. д.). Например:

Чем сложнее формула вещества, тем труднее (а иногда и невозможно) его назвать по рациональной номенклатуре. Поэтому в 1892 г. в Женеве была принята женевская номенклатура, а с 1947 г. выработана систематическая международная номенклатура «ИЮПАК» (IUPAC – краткое название Международного союза теоретической и прикладной химии). Современная систематическая номенклатура в основном соответствует женевской, но с упрощениями.
При названии по систематической номенклатуре выбирают наиболее длинную углеродную цепь и нумеруют атомы С, начиная с того конца, к которому ближе расположен радикал (заместитель). Затем называют номер атома С, с которым связан заместитель, и через дефис – сам заместитель. В конце пишут название углеводорода, которому соответствует длинная цепь. Если в боковой цепи одинаковый радикал встречается неоднократно, перед его названием ставят «ди-», «три-», «тетра-» и т. д. (число радикалов), а положение каждого обозначают цифрами. Радикалы называют в алфавитном порядке. Например:

ЦИКЛАНЫ (циклопарафины, нафтены (от греч. – нефть)) – углеводороды с общей формулой С_nH_2n или (СН₂)_n, где n – от 3 до .
Примеры полиметиленовых соединений.

Начиная с циклобутана возможна структурная изомерия. Цикланы изомерны алкенам (углеводородам с одной -связью).
Согласно угловой теории напряжения А.Байера у всех циклов плоское строение. Это ошибочное представление. Например, в циклогексане четыре атома углерода расположены в одной плоскости, а два атома – в другой. Поэтому для циклогексана возможны формы «кресло» и «ванна», в которых сохраняются тетраэдрическое расположение атомов углерода и отсутствует напряжение:

Практическая работа 2.
Качественное определение углерода, водорода
и хлора в органических соединениях

Цели. Научиться экспериментально доказывать качественный состав углеводородов и их галогенопроизводных, обосновывать данные эксперимента.
Оборудование и реактивы. Шпатели (2 шт.), кусочек ваты, U- и Г-образные газоотводные трубки, газоотводная трубка-капилляр, спиртовка, спички, штатив железный с лотком, широкогорлая пробирка, пипетка, промывочная склянка, штатив с пробирками, щипцы тигельные, фильтровальная бумага, фарфоровая чашка, синее стекло (Со), санитарная склянка, стакан на 50 мл; лакмусовая бумага (фиолет.), С₂Н₅ОН (3–4 мл), известковая вода Са(ОН)₂ или баритовая вода Ba(OH)₂, парафин (измельченный), сахароза С₁₂Н₂₂О₁₁, CuO (порошок), CuSO₄ (безвод.), HNO₃ (конц.), хлороформ СНСl₃ или четыреххлористый углерод CCl₄, Na металлический (2–3 горошины, свежеочищенный), AgNO₃ (р-р, = 1%), Cu (тонкая проволока, на конце скрученная в спираль).

Качественный анализ органического вещества сводится к определению содержания в нем тех или иных элементов. После разрушения молекулы ее атомы образуют характерные минеральные соединения, открываемые обычными качественными реакциями.
О наличии углерода можно судить по обугливанию органических веществ при нагревании. Более общим методом определения С и Н является окисление органического вещества оксидом меди(II) (сжигание с СuO). При этом углерод окисляется до СО₂ (обнаружение известковой Са(ОН)₂ или баритовой Ba(OH)₂ водой по помутнению, а водород образует воду, которая с безводным сульфатом меди(II) дает кристаллогидрат CuSO₄•5H₂O голубого цвета).

Определение галогенов производят по Бейльштейну и по Степанову.
Проба Бейльштейна. При нагревании с СuO галогенсодержащие вещества сгорают с образованием летучих соединений меди с галогеном, окрашивающих пламя в сине-зеленый цвет.
Реакция Степанова. Наличие галогена определяют путем восстановления соединения галогена водородом (атомарным, в момент выделения). Галоген отщепляется в виде галогеноводорода, обнаруживаемого реакцией с нитратом серебра(I) по белому творожистому осадку AgCl, нерастворимому в кислотах. Водород получают действием металлического Na на спирт.