ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Е.А.Менделеева. Введение в органическую химию.

Урок 3. Строение органических соединений.
Теория А.М.Бутлерова (2-3 часа)

В ходе изучения данной темы продолжаем краткий экскурс в историю развития науки, показывая развитие представлений о строении органических соединений. Важно, чтобы учащиеся четко осознали, что вплоть до конца XIX века, когда формировалась теория химического строения, не то что никаких понятий о строении атома и электронной природе химической связи еще не существовало, но и существование атомов и молекул было далеко не очевидно. Кроме того, в ходе урока вводятся понятия гомологические ряды и гомологическая разность, структурная формула, изомеры, изомерия, виды изомерии (структурной).

В середине XIX века ученые определили состав и изучили свойства большого числа органических соединений, обнаружив при этом много удивительного. Оказалось, что десятки совершенно различных веществ содержат в своем составе атомы одних и тех же элементов: различно лишь их соотношение. Можно привести примеры знакомых учащимся веществ, различных по своим свойствам, но состоящих из атомов одних и тех же элементов: винный спирт - С2H6O, уксусной кислоты - С2H4O2, глицерина - С3H8O3, сахар С12H22O11 и т.д. Более того, было установлено, что существуют разные по физическим и химическим свойствам соединения, у которых одинаков не только качественный, но и количественный состав! Например, одинаковый количественный состав имеют два разных вещества: глюкоза и фруктоза. Шведский химик Йенс Берцелиус   предложил такие соединения называть изомерами (от греческих изос - равный и мерос - часть, доля).

Теории, объясняющей, почему возможно существование разных веществ совершенно одинакового состава, тогда не было. Ф. Велер в 1835 г писал: " ... органическая химия в настоящее время может кого хочешь свести с ума. Она представляется мне дремучим лесом, полным чудесных вещей, огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть..."

Для того чтобы органическая химия могла развиваться дальше, необходимо было систематизировать все это множество соединений, навести порядок в знаниях о них. Было замечено, что органические вещества можно сгруппировать по классам соединений с похожими химическими свойствами. По способности вступать в химические реакции их относили к определенным типам. Причем «родоначальниками» этих типов были неорганические вещества. Так, химикам были известны классы спиртов, некоторые химические свойства которых были похожи на воду и, таким образом, спирты относились к типу воды, амины - типу аммиака, углеводороды - к типу водорода и т. д.

Формулы веществ, употреблявшиеся в теории типов , выражали не " внутреннее строение веществ" , а лишь их способы образования и способности вступать в реакции. В зависимости от того, в какую реакцию вступает вещество, формула его записывалась по-разному.

Как выяснилось, у соединений одного класса похожи не только свойства, но есть общее и в составе. Например, многие свойства соединений класса спиртов напоминают свойства воды. Более того, состав спиртов тоже напоминает состав воды. Спирты можно рассматривать как воду H2O, в молекуле которой один из атомов водорода заменен на группу, состоящую из нескольких атомов углерода и водорода - CH3 (CH3-ОH), C2H5(C2H5-ОН), C3H7(C3H7-ОH) и т.д. Такую группу атомов назвали органическим радикалом. Считалось, что радикал - это часть молекулы, которая в химических реакциях, как правило, остается неизменной.

Было обнаружено, что в состав радикалов не может входить произвольное число атомов углерода и водорода. Так, если в радикале содержится один атом углерода, то атомов водорода в его составе должно быть три. Поэтому, формула спирта с одним атомом углерода в молекуле может быть только: СН3ОН. А состав "соседних" представителей класса спиртов, да и всех других классов органических соединений отличается друг от друга на группу -CH2-, которую назвали гомологической разностью. Член класса спиртов с двумя атомами углерода должен иметь радикал состава (СН3 + СН2), т.е. С2Н5, и действительно, формула такого спирта - С2Н5OH. Следующий представитель класса спиртов имеет состав (С2Н55 + СН2)ОН, то есть C3H7OH. Такие вещества с похожими свойствами, состав которых отличается на одну или несколько групп -CH2-, назвали гомологическими рядами. Члены гомологических рядов по отношению друг к другу - это гомологи. Но каково строение органических радикалов, химикам оставалось неясно.

Возможность описать строение органических молекул появилась после того, как английский химик Э. Франкланд в 1852 г ввел понятие "валентность".

Франкланд считал, что каждый атом данного элемента обладает способностью соединяться с другими атомами за счет определенного числа связей, постоянного для этого атома. Это число связей было названо валентностью (от латинского valentia - сила). Так, атом водорода обычно образует одну связь, и по Франкланду он одновалентен, атом кислорода двухвалентен и т.д.

Для развития теории строения органических веществ очень плодотворным было предположение немецкого ученого Ф.Кекуле, что атомы углерода в органических соединениях всегда образуют четыре связи, т.е. четырехвалентны. Четырехвалентные атомы углерода могут соединяться друг с другом и образовывать цепочки.

Однако многие химики того времени считали, что с помощью химических формул нельзя отразить строение соединения, и тем более невозможно на основании формулы предсказать свойства вещества.

"Конституции тела они (формулы) не представляют, являясь лишь выражением для метаморфоз тела и для сравнения различных тел" (Кекуле). А по утверждению Жерара " нельзя судить о положении атомов внутри частиц... о механическом строении тел".
В 1860 году в Карлсбаде собрался конгресс, который был созван, чтобы выработать единую систему понятий и формул. В то время одни и те же вещества обозначались разными формулами. Более того, не было четкого понятия о том, что такое атом и частица (молекула), и как они относятся друг к другу. Кекуле считал, что необходимо четко отличить понятия атом и частица и, кроме того, различить частицу физическую и частицу химическую. Ему возражал Станислао Канниццаро : частица тела - одно и то же для физики и для химии. А для многих ученых того времени не очевидна была сама реальность существования атомов и молекул.

Для того чтобы разобраться в многообразии органических веществ, был необходим критический взгляд на господствовавшие в химии представления. Молодой российский ученый А.М.Бутлеров выступил на конгрессе с основными положения теории строения органических соединений. Сущность теории Бутлерова состоит в следующем: свойства молекулы определяются свойствами атомов, составляющих ее, их числом и расположением в молекуле.

Бутлеров ввел понятие "химическое строение молекулы", под которым он понимал порядок соединения атомов в молекуле.

Отметим, что в настоящее время обычно просто говорят "строение молекулы", не добавляя "химическое". Дело в том, что во времена Бутлерова порядок расположения атомов в молекуле можно было определить лишь химическим путем, изучая химические свойства вещества. Но позднее оказалось, что определить положение атомов в молекуле можно не только химическими, но и физическими методами. Поэтому сейчас используют термин "строение молекулы".

Формулы, отражающие последовательность атомов в молекуле, называют структурными. Каждую ковалентную связь в них изображают черточкой.

Тут полезно записать вместе с учащимися несколько структурных формул сначала неорганических (вода, аммиак, углекислый газ, серная кислота), а затем простейших органических веществ (метан, этан, хлорэтан, метанол, этилен, ацетилен),заодно вспомнив, сколько связей могут в соединениях образовать атомы водорода, кислорода, углерода, хлора, азота. Важно, чтобы школьники четко усвоили, что подобные формулы можно записать для всех ковалентно построенных соединений, неважно, органических или неорганических. Очень хорошо, если в ходе работы школьники сами напишут формулы с двойной и тройной связью, если не догадаются – необходимо подсказать. После того, как будут написаны структурные формулы, очень полезно продемонстрировать трехмерные модели соответствующих веществ
этан ] ,
пропан
] ,
хлорэтан
,
метанол
,
этилен
,
ацетилен
.
Хорошо, чтобы учащиеся сравнили, какую информацию о строении молекул несет формула, а какую – модель, и сами пришли к выводу, что структурные формулы не отражают всей информации о строении молекул. Они не передают пространственного расположения атомов в молекуле, так как не учитывают соотношение длин связей и реальные углы между ними.

На примере формул все тех же веществ можно показать, что coкращенные структурные формулы, в которых не указаны черточки-связи между атомами С и Н, несут ту же информацию о веществе, но при этом намного удобнее.

Пример, иллюстрирующий различные варианты написания структурной формулы бутана приведен здесь: .

Строение вещества устанавливают, изучая его химические свойства с помощью так называемых качественных реакций

качественные реакции - реакций, при которых происходят хорошо заметные изменения: выпадает осадок, выделяется газ, меняется цвет и т.д.

Попросите учащихся привести известные им из неорганической химии примеры качественных реакций. Существуют качественные реакции на разные классы органических соединений.

В настоящее время строение молекул изучают и с помощью различных физических методов.

Например, вещества разного строения ведут себя по-разному, если их поместить в магнитное поле или воздействовать на них различными излучениями. На этом основано изучение строения веществ методами ядерного магнитного резонанса, инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопии. А с помощью рентгеноструктурного анализа можно получить прямую информацию о том, как расположены друг относительно друга атомы в кристалле.

Имеет смысл после обсуждения суммировать основные положения теории строения органических соединений:

1. Атомы в молекуле расположены в определенном порядке друг относительно друга в соответствии с их валентностью. Последовательность расположения атомов в молекуле называют строением молекулы.

2. Свойства веществ зависят не только от их состава (вида и числа атомов, входящих в молекулу), но и от строения молекул. Атомы в молекуле оказывают друг на друга взаимное влияние, от которого зависят физические и химические свойства веществ.

3. Строение вещества можно установить экспериментально, изучая его химические и физические свойства, и выразить химической формулой.

На основании теории строения А.М.Бутлеров объяснил явление изомерии - существования различных по свойствам веществ, с одинаковым составом. Он предположил, что такие вещества - изомеры - различаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением своих молекул.

Например, известны два разных вещества одинакового состава С2H6O, различающихся по своим физическим и химическим свойствам: этиловый спирт и диметиловый эфир. Эти изомерные вещества имеют различное строение. Этиловому спирту соответствует структурная формула CH3-CH2-OH, а диметиловому эфиру - СH3-O-CH3.

Следует отметить, что теория строения получила признание научного мира далеко не сразу. Научная теория получает признание лишь тогда, когда с ее помощью можно не только объяснить известные факты, но и предсказать ранее не известные явления. А.М.Бутлеров доказал справедливость своей теории так. В то время было известно одно вещество состава С4H10 - бутан. Ученый предсказал существование двух изомеров с таким составом и синтезировал изобутан. Попросите учащихся нарисовать два возможных варианта структурных формул и покажите трехмерные модели
бутана
и изобутана
.
Если школьники затрудняются в написании структурных формул изомеров, можно сделать наоборот – показать модель и попросить по ней написать структурную формулу.

Бутлерову удалось синтезировать изобутан - вещество, изомерное бутану, существование которого было предсказано на основании теории строения.

Учащиеся не всегда четко представляют себе, что изомеры – это разные вещества, этому иногда способствуют нечеткие формулировки некоторых задач. Поэтому, следует особенно подчеркнуть, что изомеры - это разные вещества, обладающие одинаковым составом, но разным строением, и их физические и химические свойства могут сильно различаться. Например, у бутана и изобутана отличаются температуры плавления и кипения, (у бутана Т.кип. -0,5oС, а изобутан Т.кип. -11,7oC).

Число изомеров с увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода быстро возрастает. Например, для соединения состава С5H12 возможно существование трех изомеров, С6H14 - пяти, С10H22 - 75, а число возможных веществ состава С20Н42 огромно и составляет 366319.

Далее следует дать понятие о том, что бывают различные виды изомерии – изомерия углеродного скелета (показать пример бутана и изобутана), изомерия положения заместителя
(1-хлорпропан и
2-хлорпропан
,
межклассовая изомерия (этанол
и диметиловый эфир .
Необходимо сказать, что мы рассмотрели далеко не все возможные виды изомерии и будем их постепенно изучать в дальнейшем.

И конечно, в ходе занятия обязательно надо найти хоть немного времени для личностей А. М. Бутлерова и Ф.Кекуле .

В ходе семинарского занятия на ту же тему школьники составляют структурные формулы веществ, определяют число изомеров данного состава, продолжают решать задачи на определение состава веществ.

Очень важно, чтобы учащиеся уверенно отвечали на вопросы типа: сколько веществ изображено следующими формулами (можно записать в различном виде структурную формулу одного и того же вещества, например, хлорэтана, у которого атом хлора расположен слева или справа, сверху или сбоку). Если учащиеся затрудняются отвечать на подобные вопросы, следует как можно больше использовать компьютерные или пластмассовые трехмерные модели веществ.

Примеры заданий для семинара:

1. Напишите структурные формулы соединений: С2H5Cl, CH4O, CH5N, СН4S.
2. Напишите все возможные структурные формулы для изомеров состава С5Н12 и С6Н14.
3. Сколько может существовать изомеров состава C4H9Br и С3Н6Сl2? Напишите их структурные формулы.
4. Известно семь соединений состава С4Н10О. Напишите их структурные формулы.

Когда учащиеся достаточно уверенно будут составлять структурные формулы, можно попросить их обсудить, например, подобные вопросы:
Может ли существовать устойчивое соединение с молекулярной формулой С3H5?
Возможно ли существование углеводородов с нечетным числом атомов водорода в молекуле?
Можно попробовать вывести общую формулу насыщенных углеводородов (обычно, если класс сильный, формулу CnH2n+2 выводят довольно легко).

И, конечно, необходимо продолжать решать задачи на определение состава органических веществ, дополнив их заданием: по найденной молекулярной формуле написать возможные структурные формулы.

В ходе занятия, работая с формулами и моделями, очень важно кратко комментировать, что за вещества описывают данные формулы, зачем они применяются.

Например: пропан и бутан - газы, входят в состав пропан-бутановой смеси, которой наполнена зажигалка. 1,2-дихлорэтан - это бесцветная жидкость, которую используют как растворитель в химчистках, метиламин пахнет начинающей протухать селедкой, а метилмеркаптан добавляют в природный газ, чтобы по запаху опознавать утечку и т.д.

Это необходимо для того, чтобы учащиеся понимали, что за химической формулой всегда стоит конкретное вещество, чтобы химия из науки о веществе не превращалась в науку манипулирования формулами.




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору