Реферат: Теория Бутлерова
Реферат: Теория Бутлерова
I. Строение
молекулы метана.
Молекулярная
формула метана CH4.
Так
как атом углерода имеет большую электроотрицательность (2,5), чем водород
(2,1), то в молекуле метана происходит незначительное смещение общих
электронных пар в сторону атома углерода.
Однако такая формула
не отражает пространственного строения молекулы. Чтобы это показать, необходимо
вспомнить о формулах электронных облаков и размещении электронов по
энергетическим уровням и подуровням. Например, строение атома углерода
изображают следующей схемой:
|
|
|
|
2P |
|
|
) ) |
|
2S |
↑ |
↑ |
|
|
С +6 2 4 |
S |
↑↓ |
|
|
|
|
) ) |
↑↓ |
|
|
|
|
1S2 2S2
2P2
|
Так как на втором энергетическом уровне р-подуровне имеется свободная
орбиталь, то на нее может перейти один из 2S2 – электронов:
) ) |
|
|
|
|
|
|
С +6 2 4 |
|
|
↓ |
↓ |
↓ |
|
) ) |
|
↓ |
|
|
|
|
S Sp |
↑↓ |
|
|
|
|
|
В результате все четыре наружных электрона второго энергетического уровня
в атоме углерода окажутся неспаренными, и атом углерода в возбужденном состоянии
становится четырехвалентным.
Чтобы понять, как происходит образование химических связей в молекуле
метана перекрыванием электронных облаков и почему молекула метана имеет
тетраэдрическое строение, нужно знать то, что эти облака после гибридизации распространяется
в пространстве так, что их оси оказываются направленными к вершинам тетраэдры.
При образовании молекул метана вершины этих гибридных облаков перекрываются с
облаками электронов атомов водорода.
Так как в этом случае в гибридизации участвует один S-электрон
и три p-электрона, то такой ее вид называется SP3- гибридизацией.
Химическая
формула и строение молекул этилена.
Молекулярная формула этилена C2H4.
Если между двумя взаимно связанными атомами углерода разместить четыре
атома водорода, то структурную формулу этилена следовало бы изобразить так:
H
H
| |
H
– C – C – H
| |
Однако свободных связей в молекуле не должно быть. Поэтому в структурной
формуле этилена изображают двойную связь:
H
H
| |
H
– C = C – H
Следовательно, в отличие от предельных углеводородов, в молекулах которых
между атомами углерода имеется ординарная связь, в молекулах углеводородов ряда
этилена между атомами углерода имеется одна двойная связь.
В молекуле этилена подвергаются гибридизации одно S-
и два p – электронных облака атомов углерода. Таким
образом каждый атом углерода имеет по три (всего шесть) гибридных электронных
облака и по одному (всего два) негибридному p – облаку.
Два из гибридных электронных облаков атомов углерода взаимно перекрываются и
образуют между атомами углерода δ (сигма) – связь. Остальные четыре
гибридных электронных облака атомов углерода перекрываются в той же плоскости с
четыремя S – электронными облаками атомов водорода и
также образуют четыре δ – связи. Негибридные два p-облака
атомов углерода взаимно перекрываются в плоскости, которая расположена
перпендикулярно плоскости δ – связи, т.е. образуется одна П-связь.
Следовательно, в молекуле этилена между атомами имеется одна δ и одна П –
связь. В углеродных соединениях П – связь значительно слабее, чем δ –
связь. Под воздействием респектов П – связь легко разрывается.
Легко понять, что в молекулах предельных углеводов атомы углерода могут
свободно вращаться вокруг δ – связи. Если же между атомами углерода
существует не только δ – связь, но и П – связь, то такое вращение без
разрыва последней невозможно.
II.
1.Изомерия цепи атомов углерода в различных
органических соединениях
Впервые с этим видом изомерии мы встретились при
изучении предельных углеводородов. Например, молекулярной формуле C5H12
соответствуют три вещества:
CH3 –
CH2 -
CH2 -
CH2 -
CH3
Пентан
|
CH3
|
|
| |
CH3 – CH – CH2
– CH3
|
CH3 – C - CH3
|
| |
| |
CH3
|
CH3
|
2-метилбутан |
2,2 диметилпропан |
Этот вид изомерии встречается не
только у предельных углеводородов, но и у других классов органических соединений.
Так, например, в зависимости от строения углеродной цепи одной и той же
молекулярной формуле С4Н90Н соответствуют два спирта:
|
CH3
|
4 3 2 1 |
3 2| 1 |
CH3 -
CH2 - CH2 - CH2 - ОH
|
CH3 -
CH – CH2 - ОH
|
1-бутанол |
2-метил-1-пропанол |
Другой пример. Одной и той же молекулярной формуле C4H9O2в зависимости
от строения углеродной цепи соответствуют две аминокислоты:
O |
CH3 O
|
4 3 2 1// |
3 2| 1// |
CH3 – CH2
– CH – C
|
CH3 – C – C
|
| |
| \ |
NH2
|
NH2 OH
|
2-аминобутановая кислота |
2-амино-2-метил-пропановая
кислота |
2. Изомерия положения двойной или тройной связи в
молекуле
С этим видом изомерии мы встретились при изучении
непредельных углеводородов. Так, например, молекулярной формуле C4H6 в зависимости
от места расположения тройной связи соответствуют два вещества:
CH3
– CH2 – C ≡ CH CH3 – C ≡ С - CH3
1- бутин 2-бутин
Другой пример. Одной и той
же молекулярной формуле С4Н602 в зависимости
от места двойной связи соответствуют две непредельные карбоновые кислоты:
O |
O |
// |
// |
CH2 = CH – CH2
- C
|
CH3 - CH = CH - C
|
\ |
\ |
ОН |
ОН |
Винилуксусная
кислота |
Кротоновая кислота |
3. Изомерия
положения функциональной группы или отдельных атомов в молекуле.
С этим видом изомерии мы
ознакомились при изучении спиртов, аминокислот, а также галогенопроизводных
углеводородов. Рассмотрим несколько примеров.
Молекулярной
формуле С3Н7ОН в зависимости от положения гид роке
ильной группы в молекуле соответствуют два вещества:
|
CH3
- CH – CH3
|
CH3
- CH2 - CH2 - ОH
|
| |
|
ОH |
1-пропанол |
2-пропанол |
Молекулярной формуле С3Н7О2N в зависимости от положения
аминогруппы —NH2 в молекуле
соответствуют два вещества:
O |
O |
3 2 // |
// |
NH2 - CH2
– CH2 - C
|
CH3 - CH – C
|
\ |
\ |
ОН |
ОН |
3-аминопропановая
кислота |
2-аминопропановая кислота |
Молекулярной
формуле С3Н7Сl в
зависимости от положения атома хлора в молекуле тоже соответствуют два
вещества:
CH3
– CH2 – CH2 - Cl CH3 – CНCl - CH3
1-хлорпропан
2-хлорпропан
4. Пространственная, или
стереоизомерия. Этот вид изомерии встречается у непредельных углеводородов, в
составе которых имеются разные атомы или группы атомов, способные занимать
различные положения в пространстве. Например, олеиновая кислота С17Н33СООН
существует в двух изомерных формах:
Н Н |
CH3 – (CH2)7 Н
|
\ / |
\ / |
С = С |
С = С |
/ \ |
/ \ |
CH3 – (CH2)7 (CH2)7
- СООН
|
Н (CH2)7 -
СООН
|
Цис-изомер
|
транс-изомер
|
Этим же видом изометрии обусловлена стереорегулярность
и стереонерегулярность различных полимеров. Характерным примером регулярного
строения является дивиниловый каучук
|
H H |
|
|
|
\ / |
|
|
|
C = C |
|
|
|
/ \ |
|
|
|
-CH2 CH2-
|
|
n
|
А примером нерегулярного
строения-бутадиеновый каучук
|
H CH2-
|
|
|
|
\ / |
|
|
|
C = C |
|
|
|
/ \ |
|
|
|
-CH2 H
|
|
n
|
которые существенно отличаются по свойствам.
5. Изомерия, характерная для
органических соединений, в молекулах которых имеется бензольное кольцо.
Этот вид изомерии возможен при
наличии двух заместителей в бензольном кольце. В зависимости от расположения
заместителей в бензольном кольце различают орто-, мета- и пара-изомерию.
Так, например, если в бензольном кольце имеется два заместителя — радикал метил
и гидроксильная группа, то такое вещество называется крезолом. И в зависимости
от расположения этих групп в бензольном кольце существует три различных
вещества:
C-CH3
HC C-OH
HC CH
CH
|
C-CH3
HC CH
HC C-OH
CH
|
C-CH3
HC CH
HC CH
C-OH
|
о-крезол |
м-крезол |
n-крезол |
Следует учесть, что многие
соединения, имеющие одну и ту же молекулярную формулу, могут отличаться между
собой различными видами изомерии, например:
CH3 O
|
O |
| // |
// |
CH3 – C – C
|
NH2 – CH2
– CН – C
|
| \ |
| \ |
NH2 OH
|
CH3 OH
|
2-амино-2метилпропановая кислота |
3-амино-2-метилпропановая
кислота |
CH3
– CH2 – CH – CООН
|
| |
NH2
|
2-аминобутановая кислота |
Эти изомерные вещества отличаются одновременно
изометрией углеродной цепи и изометрией положения функциональной группы – NH2.
III.
Например, из молекулы этанола натрий вытесняет только один атом водорода.
Следовательно, этот атом водорода более подвижен.
Отсюда можно вывести структурную формулу этанола:
H H
| |
H – C – C – H
| |
H
H
Наоборот, зная структурную формулу этанола, можно предвидеть, что натрий
будет вытеснять только один атом водорода, который связан с атомом кислорода.
Изучая свойства глюкозы, мы убедились, что в ее молекуле пять групп – он
и одна альдегидная группа. Наоборот, зная структурную формулу глюкозы, можно
предвидеть, что глюкоза будет проявлять свойства альдегидов и спиртов.
IV. Химические свойства фенола обусловлены
наличием в его молекуле гидроксильной группы и бензального ядра, которые
взаимно влияют друг на друга. Наличие гидроксильной группы предопределяет
сходство фенола со спиртами:
1.
Сходство, сходное со свойствами спиртов:
2C6H5OH + 2 Na → 2C6H5ONa
+ H2 ↑
2.
Свойство, отличающееся от свойств спиртов:
C6H5OH + NaOH → C6H5ONa
+ H2O
3.
Реакция бромирования
4.
Реакция нитрования
Влияние бензольного ядра на гидроксильную группу обуславливает большую
подвижность ее водородного атома. Поэтому фенол, в отличие от спиртов,
реагирует со щелочами, т.е. обладает свойствами слабых кислот. Его иногда
называют карболовой кислотой. Это объясняется тем, что бензольное ядро
оттягивает к себе электроны кислородного атома гидроксильной группы. Чтобы
компенсировать это, атом кислорода сильнее притягивает к себе электронную
плотность от атома водорода. Вследствие этого кавалентная связь между атомами
кислорода и водорода становится более полярной, а атом водорода – более
подвижным. Гидроксильная группа в свою очередь придает атомам водорода большую
подвижность в положении 2, 4, 6. Это один из многих примеров, подтверждающих
тезис теории А.М. Бутлерова о взаимном влиянии атомов в молекулах.
Химические свойства анилина обусловлены наличием в его молекуле
аминогруппы - NH2 и бензольного ядра. Анилин
более слабое основание. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить о
взаимном влиянии атомов и атомных групп в молекулах. Как и в молекулах фенола
(об этом говорилось раньше) бензольное ядро несколько оттягивает свободную
электронную пару от атома азота аминогруппы. Вследствие этого электронная
плотность на атоме азота в молекуле анилина уменьшается и он слабее притягивает
к себе протоны, т.е. основные свойства анилина ослабляются. Важнейшие свойства
анилина:
1.
Реагирует с кислотами с образованием солей:
C6H5 – NH2 + HCl →
C6H5 NH3 Cl
2.
Образовавшиеся соли реагируют со щелочами и снова выделяются анилин:
C6H5 – NH3 Cl+ NaOH →
C6H5 NH2 + Na Cl + H2O
3.
Энергично участвует в реакциях замещения, например реагирует с бромной
водой с образованием 2, 4, 6 – триброманилина:
Взаимное
влияние атомов в молекулах галогенопроизводных углеводород.
Самое характерное химическое
свойство предельных углеводородов – реакции замещения. Примером такой реакции
является взаимодействие предельных углеводородов с галогенами. Аналогично с галогенами
реагируют и другие предельные углеводороды:
CH3-CH3+Cl2 → CH3-CH2-Cl+HCl
Галогенопроизводные углеводороды
обладают некоторыми особенностями. Согласно теории А.М. Бутлерова, это
объясняется взаимным влиянием атомов и атомных групп в химических соединениях.
С точки зрения современных представлений об электронных облаках и их взаимном
перекрывании, с учетом электроотрицательности химических элементов взаимное
влияние атомов и атомных групп, например в метилхиориде, объясняется так. У
атомов хлора электроотрицательность больше, чем у атомов углерода. Поэтому
электронная плотность связи смещена от атома углерода в сторону атома хлора.
Вследствие этого атом хлора приобретает частичный отрицательный заряд, а атом
углерода – частичный положительный заряд. Приобретаемые частичные заряды
обозначаются δ+ и δ- :
H |
H |
\ δ+ δ- |
↓ |
H- C → Cl
или |
H → C → Cl |
/ |
↑ |
H |
H |
Влияние атома хлора
распространяется не только на атом углерода, но и на атомы водорода. Из-за
этого электронная плотность атомов водорода смещается в сторону атома углерода
и химические связи между атомами водорода и углерода становится более
полярными. В результате атомы водорода в молекуле метилхлорида оказываются
менее прочно связанными с атомом углерода и легче замещаются на хлор, чем
первый атом водорода в молекуле метана. Из-за смещения электронных плотностей
от атома водорода к атому углерода значение положительного заряда последнего
уменьшается. Поэтому ковалентная связь между атомами углерода и хлора
становится менее полярной и более прочной.
С точки зрения ионного механизма
сущность правила В.В. Марковникова при взаимодействии пропилена с
бромоводородом объясняется следующим образом: в молекуле пропилена в результате
сдвига электронной плотности второй атом углерода, который связан с
метилрадикалом заряжен более положительно, чем первый.
Значение электроотрицательности
у атомов углерода больше, чем у атомов водорода. Поэтому третий атом углерода
метильной группы в результате сдвига электронной плотности от трех атомов
водорода приобретает относительно больший отрицательный заряд, чем другие атомы
углерода. Этот избыточный отрицательный заряд в свою очередь смещает подвижные
П-электронные облака от второго к первому атому углерода. В результате такого
сдвига первый атом углерода приобретает больший отрицательный заряд, а второй
становится более положительным. В результате атом водорода (+) присоединяется к
атому углерода (-), а галоген (-) – к атому углерода (+).
Бензол очень стоек к окислению.
В отличие от него ароматические углеводороды с боковыми цепями окисляются
относительно легко.
1. При действии энергичных
окислителей (K Mn O4)
на гомолоне бензола окислению подвергаются только боковые цепи. Если, например,
в пробирку налить 2-3 мл толуола, затем добавить к нему раствор перманганата
калия и нагреть, то можно заметить, что фиолетовая окраска раствора постепенно
обесцвечивается. Это происходит потому, что по действием перманганата калия
метильная группа толуола окисляется и превращается в группу
O |
// |
C6H5-CH3+3O
→ C6H5-C + H2O
|
\ |
OH |
Известно, что метан и другие
предельные углеводороды весьма устойчивы к действию окислителей. Однако
метильная группа в молекуле толуола окисляется сравнительно легко. Это
объясняется влиянием бензольного кольца. Из приведенных примеров реакций
замещения и окисления следует, что не только метильная группа влияет на
бензольное кольцо, но и бензольное кольцо влияет на метильную группу, т.е. их
влияние зависимо.
|