Углеводороды

10 класс

Навыки правильных рассуждений и логических построений в ответах учащихся необходимо вырабатывать, начиная с первых тем курса органической химии, а именно с изучения углеводородов.

Для каждого класса углеводородов мною разработаны лекции, которые отражают причинно-следственную связь между строением, свойствами и применением углеводородов.

Лекции можно использовать на обычных тематических уроках, а также на факультативных занятиях.

Единый стиль в структуре лекций по разным темам позволяет достичь хорошего уровня всей системы знаний по органической химии и привить навыки конспектирования.

Л е к ц и я 1.
Основные положения теории химического строения органических веществ А.М.Бутлерова.
Химическое строение как порядок соединения и как взаимное влияние атомов в молекулах. Основные направления развития этой теории

Крупнейшим событием в развитии органической химии было создание в 60-х гг. XIX столетия русским ученым А.М.Бутлеровым теории химического строения органических соединений.

Основные принципы своей теории Бутлеров изложил в докладе «О химическом строении вещества», прочитанном на Съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере 19 сентября 1861 г.

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, от чего зависит реакционная способность молекулы.

Рассмотрим первое положение на примере простейших органических соединений – метана, этана, пропана и бутана – углеводородов, состоящих только из атомов углерода и водорода:

Химические формулы, в которых изображен порядок соединения атомов в молекулах, называют формулами строения, или структурными формулами. Химические связи в них обозначают черточками. Углерод всюду остается четырехвалентным.

Второе положение теории строения органических веществ объяснило явление изомерии.

Изомеры – это вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но различное химическое строение и обладающие поэтому разными свойствами.

Так, в бутане C₄H₁₀ возможно двоякое расположение атомов углерода – в виде прямой и разветвленной цепей:

Температуры кипения этих веществ различны. Строение молекулы определяет свойства вещества.

Теория химического строения объясняет многообразие органических соединений. Оно обусловлено способностью четырехвалентного углерода образовывать углеродные цепи и кольца, соединяться с атомами других элементов, а также наличием изомерии.

В теории химического строения большое внимание уделяется взаимному влиянию атомов и групп атомов в молекуле (третье положение). Так, например, в молекуле фенола бензольное ядро влияет на группу ОН, ослабляя в ней связь между атомами водорода и кислорода:

Поэтому фенол может проявлять свойства, отличающиеся от свойств спиртов, например, взаимодействовать со щелочами с образованием фенолятов:

Гидроксильная группа также влияет на бензольное кольцо, ослабляя связь между атомами водорода и углерода в положениях 2, 4 и 6. Это, например, наблюдается при образовании 2, 4, 6-трибромфенола:

Теория химического строения А.М.Бутлерова является важнейшей частью теоретического фундамента органической химии. По значимости ее можно сопоставить с периодической системой элементов Д.И.Менделеева. Подобно последней, она дала возможность систематизировать огромный практический материал, заранее предсказать существование новых веществ, а также указать пути их получения. А это обеспечило невиданные успехи органического синтеза.

Теория химического строения, как и предвидел Бутлеров, не осталась неизменной. Дальнейшее ее развитие шло главным образом в двух взаимосвязанных направлениях.

Первое из них было предсказано самим ученым. Он считал, что наука в будущем сможет устанавливать не только последовательность соединения атомов в молекуле, но и их пространственное расположение. Учение о пространственном строении молекул, называемое стереохимией, вошло в науку в 70-х гг. XIX в. Оно позволило объяснять и предсказывать новые факты.

Второе направление связано с применением в органической химии учения об электронном строении атомов, развитого в физике в XX в.

Это учение позволило понять природу химической связи атомов, выяснить сущность их взаимного влияния, объяснить причину проявления веществом тех или иных химических свойств.

Таким образом, теория строения А.М.Бутлерова и сегодня остается научным фундаментом органической химии. С современных позиций это учение требует лишь небольшого дополнения: физические и химические свойства органических соединений определяются составом их молекул, а также химическим, пространственным и электронным строением.

Л е к ц и я 2.
Предельные углеводороды, общая формула гомологов данного ряда, электронное и пространственное строение.
Химические свойства метана

Предельные углеводороды, или алканы – это соединения, состав которых выражается общей формулой C_nH_2n+2, где n – число атомов углерода. В молекулах предельных углеводородов атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) связью, а все остальные валентности насыщены атомами водорода. Алканы также называют насыщенными углеводородами, или парафинами.

Первым членом гомологического ряда алканов является метан CH₄. Окончание -ан является характерным для названий предельных углеводородов. Далее следуют этан C₂H₆, пропан С₃H₈, бутан С₄H₁₀. Начиная с пятого углеводорода, название образуется из греческого числительного, указывающего число углеродных атомов в молекуле, и окончания -ан. Это пентан C₅H₁₂, гексан C₆H₁₄, гептан C₇H₁₆, октан C₈H₁₈, нонан C₉H₂₀, декан C₁₀H₂₂ и т.д.

В предельных углеводородах атом углерода находится в состоянии sp³-гибридизации. Это означает, что у него имеются четыре одинаковые sp³-гибридные орбитали, способные образовывать четыре -связи:

Но молекула метана в действительности имеет тетраэдрическую форму, а не плоскую.

Атом углерода в основном состоянии имеет два неспаренных электрона (двухвалентен), в возбужденном состоянии – четыре (четырехвалентен):

С – 1s²2s²2p², С^* – 1s²2s¹2p³.

Следовательно, в возбужденном состоянии атом углерода может присоединять четыре атома водорода:

В молекуле метана у атома углерода подвергаются гибридизации (т.е. взаимному выравниванию) одна s- и три p-орбитали. Эти орбитали после гибридизации располагаются в пространстве так, что их оси оказываются направленными к вершинам тетраэдра. Валентный угол между осями гибридных орбиталей составляет 109^о28'. Поскольку в гибридизации участвуют 1 s-электрон и 3 p-электрона, то такой ее вид называется sp³-гибридизацией. В результате перекрывания четырех гибридных sp³-орбиталей атома углерода и s-орбиталей четырех атомов водорода образуется прочная молекула метана с четырьмя одинаковыми связями.

Электронное и пространственное строение других представителей предельных углеводородов сходно со строением молекулы метана.

В молекуле этана C₂H₆ химическая связь образуется между С-атомами перекрыванием двух гибридных электронных облаков.

В связи с тем, что гибридные электронные облака С направлены к вершинам тетраэдра, при образовании молекулы пропана C₃H₈ углеродная цепь принимает зигзагообразную форму. Расстояние между центрами атомов С составляет 0,154 нм (1,5 ).

В гомологическом ряду каждый последующий углеводород отличается от предыдущего группой атомов CH₂ (гомологической разностью).

С ростом молекулярной массы возрастает плотность алканов. Низшие алканы – метан, этан, пропан, бутан – газы, с C₅H₁₂ до C₁₆H₃₄ – жидкости, а с C₁₇H₃₆ – твердые вещества. С ростом молекулярной массы алканов возрастают температуры их кипения и плавления. При одинаковом числе атомов углерода в молекуле алканы с разветвленным строением имеют более низкие температуры кипения, чем нормальные алканы.

Алканы практически нерастворимы в воде, т.к. их молекулы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды. Жидкие алканы легко смешиваются друг с другом. Они хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, таких, как бензол, тетрахлорметан и др.

При обычных условиях предельные углеводороды химически малоактивны. На них не действуют (при обычной температуре) даже концентрированные растворы щелочей, а также кислоты и окислители. Алканы не вступают в реакции присоединения. Все реакции с их участием можно подразделить на два типа: реакции с разрывом связей C–H (реакции замещения) и реакции с разрывом связей C–C, при которых происходит расщепление молекул на отдельные осколки (крекинг).

Свойства алканов рассмотрим на примере метана.

Метан – газ без цвета и запаха, почти в два раза легче воздуха, малорастворим в воде.

Химические свойства метана

1. Метан горит бледным синеватым пламенем, образуя оксид углерода(IV) и воду:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O.

2. При сильном нагревании без доступа воздуха метан разлагается:

В печах специальной конструкции распад метана может быть осуществлен до промежуточного продукта – ацетилена:

3. Для метана характерны реакции замещения. Например, на свету он реагирует с хлором (по стадиям):

Образование галогенопроизводных метана протекает по цепному свободнорадикальному механизму.

4. Метан при обычной температуре обладает большой стойкостью к кислотам, щелочам и многим окислителям. Однако он вступает в реакцию с разбавленной азотной кислотой при температуре 140 ^оСи небольшом давлении (радикальная реакция, реакция Коновалова):

5. При мягком окислении метана кислородом воздуха в присутствии различных катализаторов могут быть получены метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота:

Печатается с продолжением

 

Л.И.ПОПОВА,
учитель химии
(г. Новоуральск, Свердловская обл.)