> Опишите модификации углерода. Почему столь многообразны соединения углерода? Какие особенности строения атома углерода определили его роль в живой природе?

Углерод (лат. Carboneum), С - химический элемент IV группы периодической системы Менделеева. Известны два стабильных изотопа 12С (98,892%) и 13С (1,108%).

Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз - как драгоценный камень. Значительно позднее стали применяться графит для изготовления тиглей и карандашей.

Углерод имеет четыре основных аллотропных модификации: алмаз, графит, карбин и фуллерен.

Алмаз - кристаллическое вещество, прозрачное, сильно преломляет лучи света, очень твёрдое, не проводит электрический ток, плохо проводит тепло, с = 3,5 г/см3; Т°пл. = 3730 °C; Т°кип = 4830 °C. В структуре алмаза каждый атом углерода находится в состоянии sp3-гибридизации и имеет четырех соседей, которые расположены в вершинах правильного тетраэдра, весь кристалл представляет собой трехмерный каркас, с этим связана высокая твердость алмаза, самая высокая среди природных веществ. Кристаллизуется в виде двух полиморфных модификаций - кубической и гексагональной.

Графит - мягкое вещество серого цвета со слабым металлическим блеском, жирное на ощупь, проводит электрический ток; с = 2,5 г/см3. Атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации и связаны в плоские слои, состоящие из соединенных ребрами шестиугольников, наподобие пчелиных сот. Каждый атом в слое имеет трех соседей, для образования трех ковалентных связей атом предоставляет три электрона, а четвертый электрон образует p-связь и делокализован по всему кристаллу.

Этим объясняется способность графита расщепляться на тонкие чешуйки, которые очень прочны, его металлический блеск, тепло - и электропроводность. Графит - наиболее устойчивая при комнатной температуре аллотропная модификация углерода.

Углерод - важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры , а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества - витамины, гормоны, медиаторы и др.). Значительную часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Уникальная роль углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один другой элемент периодической системы. Между атомами углерода, а также между углеродом и другими элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с другими атомами. Углерод создает возможность для построения углеродных скелетов различных типов - линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента - С, О, Н - составляют 98% общей массы живых организмов. Этим достигается определенная экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет на много сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения атома углерода лежит в основе различных видов изомерии органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).

Согласно гипотезе А.И. Опарина , первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками углерода служили (СН 4) и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического углерода, за счет которого образуется всё органическое вещество биосферы, является углерода двуокись (СО 2), находящийся в атмосфере, а также растворенная в природных водах в виде НСО 3 . Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляция) углерода (в форме СО 2) - фотосинтез - осуществляется повсеместно зелеными растениями. На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения СО 2 путем хемосинтеза; в этом случае микроорганизмы - хемосинтетики используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Большинство животных потребляют углерод с пищей в виде уже готовых органических соединений. В зависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофные организмы и гетеротрофные организмы. Применение для биосинтеза белка и других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника углерода, углеводороды нефти, - одна из важных современных научно - технических проблем.

Помимо стабильных изотопов углерода, в природе распространен радиоактивный 14 С (в организме человека его содержится около 0,1мккюри ). С использованием изотопов углерода в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота углерода в природе.

Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н 14 СО 3 растениями и тканями животных, установлена последовательность реакции фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т.д. Применение 14 С способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации.

Определение удельной активности 14 С в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.

Примерно из ста химических элементов, встречаю­щихся в земной коре, для жизни необходимы только 16, причем четыре из них-водород (Н), углерод (С), кислород (0) и азот (N) наиболее распространены в живых орга­низмах и составляют 99% массы живого. Биологическое значение этих элементов связано с их валентностью (1,2, 3, 4) и способностью образовывать прочные ковалентные связи, которые оказываются прочнее, чем связи, образу­емые другими элементами той же валентности. Следую­щими по важности являются фосфор (Р), сера (S), ионы натрия, магния, хлора, калия и кальция (Na, Mg, С1, К, Са). В качестве микроэлементов в живых организмах присутст­вуют также железо (Fe), кобальт (Со), медь (Си), цинк (Zn), бор (В), алюминий (А1), кремний (Si), ванадий (V), молибден (Мо), йод (I), марганец (Мп).

С точки зрения химии жизнь - это всевозможные превращения разнообразных крупных и сложных молекул, главным элементом которых является углерод. Он важен не с точки зрения распространенности на Земле, в земной коре углерода всего 0,055%, в то время как кислорода 60,50%, кремния 20,45% и даже титана 0,27%. В атмосфере двуокиси углерода 0,03%, т.е. углерода всего 0,008%. Все биологически функциональные вещества, кроме нескольких солей и воды, содержат углерод. Это белки, жиры, углеводы, гормоны, витамины. Число соединений углерода огромно. Они называются органическими соединениями, поскольку когда-то считалось, что такие молекулы могут образовы­ваться только в живых организмах.

Соединениями углерода занимается органическая химия - одна из важнейших областей химии. Органика разлагается, горит при не очень высокой температуре, при сгорании в воздухе углерод окисляется до С0 2 . Громадное большинство органических соединений содержит водород, который тоже окисляется до воды. Чистый углерод встре­чается в природе в виде графита и алмаза. До 1829 г. сторонники витализма считали, что без участия живого нельзя получить органические соединения, только «жиз­ненная сила» способна изготовить уксусную кислоту или спирт. Немецкий химик Ф.Велер доказал ложность этого учения. Велер получил мочевину выпариванием раствора циановокислого аммония NH 4 NCO-соли, которую можно изготовить из простых веществ, не связанных с жизнедея­тельностью организмов. Этот синтез был первым примером искусственного получения органики.

Сегодня синтезированы сложнейшие вещества, которые не созданы и в природе. В технике углерод занимает все большее место: природные и синтетические волокна,природный и синтетический каучук, пластмассы, нефте­продукты, бумага, красители, чугун, медикаменты...

Идею о четырехатомности углерода высказал в1858 г. шотландский химик А.С.Купер, его поддержал Ф.Кекуле в статье «О строении и превращениях химических

соединений и химической природе углерода». Кекуле исходил из того, что атом углерода всегда связан с че­тырьмя атомами одновалентного элемента или двумя атомами двухвалентного, т.е. сумма единиц сродстваэлементов, связанных с углеродом, равна четырем. Ясное понимание четырехвалентное™ углерода определило создание теории строения органических соединений,развитой А.М.Бутлеровым. Он сформулировал определение понятия химического строения как способа связей в молекуле. Бутлеров считал, что химический характервеществ зависит от природы и количества его составных частей и химического строения соединения. С помощью структурной теории развивалась систематика органических соединений. Структурные формулы наглядно отражали связь формулы со свойствами вещества, объяснили изоме­рию и предсказали свойства неизвестных еще соединений.

Органическая химия посвящена изучению углерода и его соединений. Атомный номер углерода - 6, ядро содер­жит 6 протонов и 6 нейтронов, вокруг ядра вращаются 6 электронов, масса атома равна 12. При химическихреакциях углерод способен присоединить 4 электрона и образовать устойчивую оболочку из 8 электронов, т.е. имеет валентность, равную четырем, и способен к прочной кова-лентной (присоединением электронов) связи. Например, эмпирическая формула одного из таких прочных соеди­нений, метана, - СН 4 , а в структурном изображении - это тетраэдр (четыре симметричные связи углерода).

Зная валентность углерода, можно достаточно просто изобразить положение всех недостающих водородных атомов, что позволяет сосредоточить внимание на наиболее важных связях и химических группах. Такие прочные ковалентные связи углерод может образовывать и с ато­мами других элементов (Н, О, Р, N, S), и с углеродными (С - С связь). Внутреннее отличие органики от боль­шинства неорганических соединений выражается в том, что химические связи, как правило, в органических соеди­нениях валентные, а ионные связи - очень редки.

Способность углерода образовывать стабильные цепи и кольца, которые обеспечивают разнообразиеорганических соединений, и эти связи могут быть крат­ными, является уникальным его свойством (рис.14).

Октан - это восемь атомов углерода в окружении водородных, образующих цепочку, в которой атомы лежат не на прямой, а зигзагообразно, свободно вращаясь в местах сочленения. Октан и его изомеры, состоящие из того же числа атомов, но имеющие разветвленную структуру из-за боковых углеводородных групп, входят в состав бензина. Маленькая капелька этой жидкости имеет больше молекул, чем Галактика звезд. Некоторые молекулы свернуты в клубок, некоторые вытянуты в длину, большинство же находится в промежуточном состоянии. «Молекулы октана корчатся и извиваются, скручиваются и раскручиваются,

так что галлон бензина больше похож на вместилище молекулярных личинок, чем на коробку с короткимипалочками». Молекула тринитротолуола симметрична. Ее шесть атомов кислорода готовы к окислению: реакция внутримолекулярного высвобождения энергии происходит мгновенно и начинается от легкого толчка.

Понятие о двойной связи углерода ввел австрийский физик ЙЛошмидт при рассмотрении расположения атомов в пространстве (1861 г.). Для изображения бензола он использовал окружность, в которой наметил шесть точек для расположения атомов водорода. Чередуя одинарные и двойные связи, Кекуле соединил шесть атомов углерода в ячейки, подобные пчелиным сотам, и у каждого из атомов С осталось по одной свободной валентности для каждого из шести атомов водорода. Так, у Кекуле формула С 6 Н 6 превратилась в структурную формулу бензола, его знаме­нитое «бензольное кольцо», отражающее наглядно четырех-валентность углерода. Свой успех он называл «игрой воображения» и говорил, что картина «бензольного кольца» возникла у него перед глазами во время размышлений перед камином. И на «Празднике бензола» (1890 г.), еще при жизни Кекуле, и на торжествах, посвященных столетию Кекуле в 1929 г., отмечалось не только важное научное, но и промыш­ленное значение установления строения бензола. Без этого невозможно было понять и строение сложных углево­дородов, и их соединений, и производных. Правда, струк­турные формулы Кекуле были двухмерными и не могли отразить такое свойство молекул, как изомерию.

Разница в строении молекул крахмала (источника энергии) и целлюлозы (строительного материала клеток растений) заключается лишь в небольшом изменении конфигурации водородной связи между мономерными звеньями в цепи. Другой пример: отличие в окраске алых маков от синих васильков связано с отличием одного атома из тридцати, составляющих пигмент окраски. Фиолетовый краситель цианидин, которым особенно богата ежевика, входит в состав обоих цветов. Кислый сок васильков богат ионами водорода, способными в определенном местеприсоединяться к молекулам цианидина. Насыщенная водородом молекула активно поглощает красные лучи, отражая синие. У маков щелочная среда практически не содержит свободных катионов водорода, краситель оказы­вается ненасыщенным, поэтому они поглощают синие лучи, отражая красные. Отличие мужских половых гормонов (тестостеронов) от женских (экстрадиолов) состоит в замене атома кислорода молекулой гидроксильной группы (ОН) и убирании метильной группы (СН 3) в одном из нескольких колец, состоящих из десятков атомов молекулы холестерина.

Сравнивая оптические свойства винной и виноградной кислот, Пастер (1848 г.) заметил, что кристаллы двойных солей виноградной кислоты вращают плоскость поляри­ зации на одну и ту же величину, но одни - вправо, а

другие-влево. Отсюда он сделал вывод об асимметричном строении кристаллов и о различном пространственном > строении образующих их молекул. После установленш строения бензола и создания структурной теории на изо­ мерию обратили особое внимание.

Немецкий химик-органик Й.Вислиценус обнаружил существование двух форм молочной кислоты - оптически активной и неактивной. Он попытался объяснить это; явление на основе геометрической изомерии и писалi(1875 г.), что это связано, вероятно, с неодинаковымпространственным расположением атомов. Асимметрич­ное расположение атома углерода в это же время отметал и Вант-Гофф, расположив четыре валентности углерода в направлении вершин тетраэдра и поместив атом С в цент- \ ре. В1888 г. также немецкий химик-органик В.Мейер назвал \ такое построение «стереохимическим строением» и дал; тем самым название новой области химии.

В1890 г. А.Ганч и швейцарский химик-неорганик А.Вер- ■■ нер распространили такое изображение на азот, посчитав", атом азота находящимся в одной из вершин тетраэдра, а; его валентные связи направленными к трем другим вер­шинам. Впоследствии гипотеза Вернера о координаци­ онных соединениях металлов была подтверждена резуль­татами рентгеноструктурного анализа. В 1896 г. петер- > бургский академик П.Вальден открыл явление, названное I «обращением» знака оптической активности, - можно \ изменить направление вращения плоскости поляризации [ заменой одного из атомов (или радикалов) при тетра-эдрическом асимметричном атоме углерода. Так струк­турная химия перешла от изображения формул на плос­кости к их изображению в трехмерном пространстве.

Кратные связи, кроме углерода, могут образовывать фосфор и кислород. Размеры органических молекул опре­деляются углеродным скелетом, а химические свойства-присоединенными к нему элементами и химическими группами, насыщенностью скелета и формой молекул, которая зависит от углов связей. Среди «строительных блоков» - простых органических соединений - крупных молекул можно выделить аминокислоты, из которых синтезированы белки; моносахариды и азотистые осно­ вания, синтезирующие нуклеиновые кислоты; жирные кислоты, глицерол и холин, синтезирующие липиды. Таким образом, небольшое число органических молекул дает начало крупным молекулам и структурам живых клеток. Эти немногие виды молекул могли синтезироваться в «первичном бульоне» мирового океана еще до появления жизни на Земле из простых неорганических молекул -диоксида углерода, азота и воды.

Биохимия, или химия живых организмов, которая сначала развивалась как подспорье медицины, со временем выделилась в отдельную область знания. Она является не только фундаментом физиологии, объясняя работу био­систем, но и играет объединяющую роль для всей биологии.

1. Предмет органической химии

Органические вещества в своем составе наряду с другими элементами всегда содержат углерод. Изучение соединений углерода – их строения, химических превращений – и составляет предмет органической химии.
Вещества органические и неорганические.
Наряду с углеродом в состав органических веществ чаще всего входят водород, кислород и азот, сравнительно реже – сера, фосфор, галогены и другие элементы. Известно несколько миллионов органических соединений, неорганических же веществ значительно меньше. Из всех химических элементов только углерод образует такое большое число органических соединений.
С органическими веществами мы встречаемся на каждом шагу. Они содержатся во всех растительных и животных организмах, входят в состав нашей пищи, служат материалом для изготовления одежды, образуют различные виды топлива, используются нами в качестве лекарств, красителей, средств защиты урожая и т. д.
Резкой грани между органическими и неорганическими веществами не существует. Оксиды углерода, угольная кислота, ее соли и некоторые другие вещества по наличию в них углерода должны считаться органическими, но по свойствам они близки к неорганическим соединениям подобного типа и изучаются обычно в неорганической химии.
С органическими веществами человек знаком с давних времен. Наши далекие предки применяли природные красители для окраски тканей, использовали в качестве продуктов питания растительные масла, животные жиры, тростниковый сахар, получали уксус брожением спиртовых жидкостей.
В настоящее время синтезированы многие органические вещества, не только имеющиеся в природе, но и не встречающиеся в ней: многочисленные пластмассы, различные виды каучуков, всевозможные красители, взрывчатые вещества, лекарственные препараты.
Синтетически полученных веществ сейчас известно даже больше, чем найденных в природе, и число их быстро растет. Осуществляются синтезы самых сложных органических веществ – белков.
Название науки «органическая химия» , утратив первоначальный смысл, приобрело в связи с этим более широкое толкование.
Можно сказать, что такое название получило и новое подтверждение, так как ведущей познавательной задачей современной органической химии является глубокое изучение процессов, происходящих в клетках организмов на молекулярном уровне, выяснение тех тонких механизмов, которые составляют материальную основу явлений жизни.
Изучение химии органических веществ, таким образом, расширяет наши знания о природе.

2. Предпосылки теории строения

Подобно тому как в неорганической химии при изучении элементов и их соединений необходимо постоянно руководствоваться периодическим законом и Периодической системой химических элементов Д.И. Менделеева, в органической химии при изучении веществ необходимо опираться на теорию химического строения.
Основные особенности предпосылок химического строения:
1) теория химического строения в своей основе была создана в 60-е гг. XIX в.;
2) основная задача органической химии того времени состояла в изучении состава и свойств природных соединений;
3) также основная задача состояла в разработке способов рационального использования состава и свойств природных соединений для практических нужд;
4) в связи с развитием промышленности, торговли, ростом городов к органической химии стали предъявляться большие требования;
5) текстильная промышленность нуждалась в разнообразных красителях;
6) для развития пищевой промышленности требовались более совершенные методы переработки сельскохозяйственных продуктов;
7) необходимо было решить проблему освещения растущих городов на основе использования природных материалов;
8) нужно было также удовлетворить потребность населения в лекарственных веществах и т. д.
Дальнейшее развитие органической химии стало замедляться из-за отставания в ней теоретических представлений.
Новые теоретические воззрения:
1) открывшиеся в процессе исследования веществ новые явления требовали систематизации и объяснения их с единой точки зрения, но теория того времени оказывалась для этого недостаточной;
2) органическая химия должна была создавать новые вещества, но теоретические знания не могли указать пути их целенаправленного синтеза;
3) необходимость новых теоретических воззрений в органической химии становится более понятной, если знать некоторые известные факторы.
При изучении курса неорганической химии становится известно, что:
а) углерод образует с водородом большое число соединений, так называемых углеводородов;
б) в состав горючего природного газа, например, наряду с простейшим углеводородом метаном СН4, входят этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4H10 и др.;
в) при термическом разложении каменного угля образуется бензол С6Н6, толуол С7Н8 и т. д.;
г) много различных углеводородов содержится в нефти;
4) углерод, который содержится в природном газе, является четырехвалентным элементом, но только в метане он сохраняет эту валентность;
5) в этане С2Н6 углерод должен быть трехвалентным, а в пропане С3Н8 иметь даже дробную валентность.

3. Особенности органических соединений

В отличие от неорганических веществ органические вещества имеют ряд характерных особенностей:
1) атомы углерода способны соединяться друг с другом;
2) образуют цепи и кольца, что не так типично для неорганических соединений. Это одна из причин многообразия органических соединений;
3) одной из важных особенностей органических соединений, которая накладывает отпечаток на все их химические свойства, является характер связей между атомами в их молекулах.
Эти связи имеют ярко выраженный ковалентный характер. Органические вещества в большинстве неэлектролиты, не диссоциируют в растворах на ионы и сравнительно медленно взаимодействуют друг с другом.
Время, необходимое для завершения реакций между органическими веществами, измеряется часами, а иногда и днями.
Если ионные (неорганические) соединения легко диссоциируют в воде на ионы и реакции между ними протекают весьма быстро, то органические вещества, содержащие простые (одинарные) С – С и С – Н связи, взаимодействуют между собой с большим трудом.
При нагревании в пределах 400–600 °C органические соединения полностью разлагаются и обугливаются, а в присутствии кислорода сгорают. Это объясняется сравнительно небольшой прочностью связи между атомами углерода (355,6 кДж/моль);
4) важной особенностью органических соединений является и то, что среди них широко распространено явление изомерии;
5) имеется множество соединений углерода, которые обладают одинаковым качественным и количественным составом и одинаковой молекулярной массой, но совершенно различными физическими и даже химическими свойствами;
6) многие органические соединения являются непосредственными носителями, участниками или продуктами процессов, которые протекают в живых организмах, – ферменты, гормоны, витамины.
Особенности атома углерода объясняются его строением:
1) он имеет четыре валентных электрона;
2) атомы углерода образуют с другими атомами, а также друг с другом общие электронные пары. При этом на внешнем уровне каждого атома углерода будет восемь электронов (октет), четыре из которых одновременно принадлежат другим атомам.
В органической химии обычно пользуются структурными формулами, поскольку атомы имеют пространственное расположение в молекуле.
Структурные формулы – это язык органической химии.
В структурных формулах ковалентная связь обозначается черточкой. Как и в структурных формулах неорганических веществ, каждая черточка означает общую электронную пару, связывающую атомы в молекуле. Используются также эмпирические и электронные формулы.

4. Теория химического строения органических соединений А.М. Бутлерова

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.

6. Гомологические ряды органических соединений

Среди многообразия органических соединений можно выделить группы веществ, которые сходны по химическим свойствам и отличаются друг от друга на группу СН2.
Гомологи – это соединения, сходные по химическим свойствам, состав которых отличается друг от друга на одну или несколько групп СН2.
Гомологи, расположенные в порядке возрастания их относительной молекулярной массы, образуют гомологический ряд.
Гомологическая разность – это группы СН2.
Примером гомологического ряда может служить ряд предельных углеводородов (алканов).
Простейший его представитель – метан СН4.
Формула любого последующего гомолога может быть получена прибавлением к формуле предыдущего углеводорода гомологической разности.
Состав молекул всех членов гомологического ряда может быть выражен одной общей формулой: СnН2n + 2, где n – число атомов углерода.
Гомологические ряды могут быть построены для всех классов органических соединений. Зная свойства одного из членов гомологического ряда, можно сделать выводы о свойствах других представителей того же ряда. Это обусловливает важность понятия гомологии при изучении органической химии.
Классификация органических соединений.
Все органические соединения в зависимости от природы углеродного скелета можно разделить на ациклические и циклические.
Ациклические (нециклические, ценные) соединения называют также жирными или алифатическими.
Эти названия связаны с тем, что одними из первых хорошо изученных соединений такого типа были природные жиры.
Среди циклических соединений обычно выделяют: 1) карбоциклические – молекулы которых содержат кольца из углеродных атомов; 2) гетероциклические – кольца которых содержат, кроме углерода, атомы других элементов (кислорода, серы, азота и др.).
Карбоциклические соединения подразделяются: 1) на алициклические (предельные и непредельные), похожие по свойствам на алифатические; 2) ароматические – содержат бензольные кольца.
Функциональные группы – это группы атомов, которые определяют химические свойства данного класса соединений.
Наличие этих групп позволяет разделить типы органических соединений на классы и облегчить их изучение.
Классы соединений: а) спирты; б) фенолы; в) альдегиды; г) кетоны; д) карбоновые кислоты; е) нитросоединения; ж) первичные амины; з) амиды кислот.
Свойства свободных радикалов: 1) обычно очень неустойчивы; 2) химически весьма активны; 3) быстро превращаются в устойчивые молекулы.
Индуктивный эффект – это смещение электронной плотности от одного атома к другому в результате их разной электроотрицательности. Происходит поляризация связи.

7. Классификация органических соединений

В зависимости от строения углеродных цепей среди органических соединений выделяются следующие три ряда:
1) соединения с открытой цепью атомов углерода, которые также называются ациклическими, или соединения жирного ряда (это название возникло исторически: к первым соединениям с длинными незамкнутыми углеродными цепями принадлежали кислоты).
В зависимости от характера связей между атомами углерода эти соединения подразделяются на: а) предельные (или насыщенные), которые содержат в молекулах только простые (ординарные) связи; б) непредельные (или ненасыщенные), в молекулах которых имеются кратные (двойные или тройные) связи между атомами углерода;
2) соединения с замкнутой цепью атомов углерода, или карбоциклические. Эти соединения, в свою очередь, подразделяются:
а) на соединения ароматического ряда.
Они характеризуются наличием в молекулах особой циклической группировки из шести атомов углерода – бензольного ароматического ряда.
Эта группировка отличается характером связей между атомами углерода и придает содержащим ее соединениям особые химические свойства, которые называются ароматическими свойствами;
б) алициклические соединения – это все остальные карбоциклические соединения.
Они различаются по числу атомов углерода в цикле и в зависимости от характера связей между этими атомами могут быть предельными и непредельными;
3) гетероциклические соединения.
В молекулах этих соединений имеются циклы, которые включают, кроме атомов углерода, также гетероатомы .
В рядах ациклических (жирных) и карбоциклических соединений простейшими являются углеводороды. Все остальные соединения этих рядов рассматриваются как производные углеводородов, которые образованы замещением одного, двух или нескольких атомов водорода в углеводородной молекуле другими атомами или группами атомов.
Остатки углеводородов, которые образуются при отнятии от их молекул одного, двух или нескольких атомов водорода, называются углеводородными радикалами.
Атомы или группы атомов, которые замещают водород в углеводородной основе, образуют функциональные или характеристические (этот термин разработан Международным союзом теоретической и прикладной химии) группы, обусловливающие общие химические свойства веществ, которые принадлежат к одному и тому же классу производных углеводородов.
Виды органических соединений:
1) галогенопроизводные углеводороды: а) фторпроизводные; б) хлорпроизводные; в)бромопроизводные, г) йодопроизводные;
2) кислородосодержащие соединения: а) спирты и фенолы; б) простые эфиры; в) альдегиды; г) кетоны.

8. Типы органических соединений

Органические реакции, как и неорганические, подразделяются на 3 основных типа:
1) реакция замещения: СН4 + CI2 ? СН3CI + НCI;
2) реакция отщепления: СН3СН2Br ? СН2 = СН2 + НBr;
3) реакция присоединения: СН2 = СН2 + НBr ? CН3СН2Br.
К реакциям присоединения относятся реакции полимеризации. Особым типом органических реакций являются реакции поликонденсации. Органические реакции можно классифицировать и по механизму разрыва ковалентных связей в реагирующих молекулах.
В зависимости от двух способов разрыва ковалентных связей и строится данная классификация.
1. Если общая электронная пара делится между атомами, то образуются радикалы. Радикалы – это частицы, имеющие неспаренные электроны. Такой разрыв связи называется радикальным (гомолитическим). Особенность данной связи заключается в том, что радикалы, которые образуются, взаимодействуют с имеющимися в реакционной системе молекулами или друг с другом.
Образующиеся радикалы взаимодействуют с имеющимися в реакционной системе молекулами или друг с другом: CН?3 + CI2 ? СН3CI + CI.
По радикальному механизму протекают реакции, в которых разрыву подвергаются связи малой полярности (С-С, С-Н, N-N) при высокой температуре, под действием света или радиоактивного излучения.
2. Если при разрыве связи общая электронная пара остается у одного атома, то образуются ионы – катион и анион. Такой механизм называется ионным или гетеролитическим. Он приводит к образованию органических катионов или анионов: 1) хлористый метил образует метил-катион и хлорид-анион; 2) метил-литий образует литий-катион и метил-анион.
Органические ионы вступают в дальнейшие превращения. При этом катионы взаимодействуют с нуклеофильными («любящими ядра») частицами, а органические анионы – с электрофильными («любящими электроны») частицами (катионы металлов, галогены и др.).
Ионный механизм наблюдается при разрыве полярной ковалентной связи (углерод – галоген, углерод – кислород и др.).
Органические ионные частицы подобны ионам в неорганической химии – имеют соответствующие заряды. Однако они и резко отличаются: ионы неорганических соединений присутствуют в водных растворах постоянно, а органические ионные частицы возникают только в момент реакции.
Поэтому во многих случаях необходимо говорить не о свободных органических ионах, а о сильно поляризованных молекулах.
Радикальный механизм наблюдается при разрыве неполярной или малополярной ковалентной связи (углерод – углерод, углерод – водород и т. д.).
Органические ионные частицы подобны ионам в неорганической химии – они имеют соответствующие заряды.

9. Предельные углеводороды (алканы). Номенклатура алканов и их производных

Углеводороды – это простейшие органические соединения, которые состоят из двух элементов – углерода, водорода.
Предельные углеводороды, или алканы.
(международное название), – это соединения, состав которых выражается общей формулой СnН2n+2, где n – число атомов углерода.
Особенности предельных углеводородов (алканов):
1) в молекулах предельных углеводородов атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) связью;
2) остальные валентности насыщены атомами водорода;
3) алканы также называются насыщенными углеводородами, или парафинами;
4) первым членом гомологического ряда алканов является метан (С Н4 );
5) начиная с пятого углеводорода название образуется от греческого числительного, которое указывает число углеродных атомов в молекуле;
6) в гомологическом ряду наблюдается изменение физических свойств углеводородов: а) повышаются температуры кипения и плавления; б) возрастает плотность;
7) алканы начиная с четвертого члена ряда (бутана) имеют изомеры.
Номенклатура алканов и их производных.
При отрыве атома водорода от молекулы алкана образуются одновалентные частицы, которые называются углеводородными радикалами.
Радикалы образуются не только органическими, но и неорганическими соединениями.
Если отнять от молекулы углеводорода два атома водорода, получаются двухвалентные радикалы.
Для названия изомеров применяются две номенклатуры: 1) рациональная – старая; 2) заместительная (систематическая или международная) – современная. Предложена Международным союзом теоретической и прикладной химии ИЮПАК.
Особенности рациональной номенклатуры: 1) по рациональной номенклатуре углеводороды рассматриваются как производные метана, у которого один или несколько атомов водорода замещены на радикалы; 2) рациональная номенклатура удобна для не очень сложных соединений.
Особенности заместительной номенклатуры: 1) по заместительной номенклатуре основой для названия служит одна углеродная цепь, а все другие фрагменты молекулы рассматриваются как заместители; 2) если в формуле содержится несколько одинаковых радикалов, то перед их названием указывается число прописью, а номера радикалов разделяются запятыми.
Химия – это наука о качественных изменениях тел, происходящих под влиянием изменения количественного состава (Ф. Энгельс).
Явление изомерии в ряду углеводородов – это изомерия углеродного скелета молекул, который обусловливает возможность существования разных веществ одного и того же состава.

10. Химические свойства метана и его гомологов

Принадлежность веществ к группе предельных углеводородов определяется характером строения.
Основные свойства метана:
1) это газ без цвета и запаха (СН4);
2) в два раза легче воздуха;
3) образуется в природе в результате разложения без доступа воздуха остатков животных и растительных организмов;
4) может быть обнаружен в заболоченных водоемах, каменноугольных шахтах;
5) содержится в природном газе, который широко используется в качестве топлива в быту и на производстве;
6) в молекуле метана химические связи атомов водорода с атомом углерода имеют ковалентный характер.
Молекула метана имеет тетраэдрическую форму, а не плоскую.
Когда атом углерода вступает во взаимодействие с атомами водорода, s-электроны наружного слоя в нем распариваются, один из них занимает вакантное место третьего р-электрона и образует при своем движении облако в виде объемной восьмерки , перпендикулярное по отношению к облакам двух других р-электронов.
Атом при этом переходит в возбужденное состояние. Все четыре валентных электрона становятся неспаренными, они могут образовывать четыре химические связи.
Противоречия: 1) три р-электрона должны образовывать три химические связи с атомами водорода во взаимно перпендикулярных направлениях (под углом 90°); 2) четвертый атом водорода мог бы присоединяться в произвольном направлении.
Разрешение противоречий: 1) в процессе образования химических связей облака всех валентных электронов атома углерода (одного s– и трех р-электронов) выравниваются, становятся одинаковыми; 2) облака принимают форму несимметричных, вытянутых в направлении к вершинам тэтраэдра объемных восьмерок. Несимметричное распределение электронной плотности означает, что вероятность нахождения электрона по одну сторону от ядра больше, чем по другую; 3) угол между осями гибридных электронных облаков равен 109°, что позволяет им максимально удаляться друг от друга; 4) такие облака могут значительно перекрываться электронными облаками водородных атомов, что ведет к большому выделению энергии и образованию прочных, одинаковых по свойствам химических связей.
Гибридизация может распространяться на разное число электронных облаков.
Шаростержневая модель молекулы:
1) детали, изображающие атомы, соединяются на некотором расстоянии друг от друга посредством стерженьков, символизирующих валентные связи; 2) модель дает наглядное представление о том, какие атомы с какими соединены, но она не передает относительных размеров и внешней формы молекулы.

11. Строение и номенклатура углеводородов ряда метана

Строение углеводородов.
В природном газе и особенно в нефти содержится много углеводородов, сходных с метаном по строению и свойствам.
Предельные углеводороды (неразветвленного строения): 1) метан; 2) этан; 3) пропан; 4) бутан; 5) пентан; 6) гексан; 7) гептан; 8) октан; 9) нонан; 10) декан.
Для наименования всех предельных углеводородов принят суффикс – ан.
С увеличением молекулярной массы последовательно возрастают температуры плавления и кипения углеводородов.
Первые четыре вещества (С1 – С4) при обычных условиях – газы.
Все предельные углеводороды нерастворимы в воде , но могут растворяться в органических растворителях.
Общая формула углеводородов: СnH2n+2, где n – число атомов углерода в молекуле.
Пространственное и электронное строение молекул пропана и бутана.
Атомы углерода в них расположены не по прямой линии, а зигзагообразно.
Причина – в тетраэдрическом направлении валентных связей атомов углерода.
Если к одному атому углерода присоединился другой атом углерода, то у этого последнего остались три свободные валентности, все они направлены к вершинам тетраэдра. Следующий атом углерода может присоединиться только в одном из этих направлений.
Углеродная цепь неизменно принимает зигзагообразную форму.
Угол между ковалентными связями, соединяющими атомы углерода в такой цепи, как и в молекуле метана, 109° 28?.
Зигзагообразная цепь атомов углерода может принимать различные пространственные формы.
Это связано с тем, что атомы в молекуле могут относительно свободно вращаться вокруг простых сигма-связей.
Углеродная цепь получается сильно изогнутой. Если повернуть атом углерода, то молекула примет почти кольцеобразную форму.
Такое вращение существует в молекулах как проявление теплового движения (если нет препятствующих этому факторов).
Наиболее энергетически выгодной является форма с наибольшим удалением атомов друг от друга.
Все эти разновидности легко переходят одна в другую, при этом их химическое строение (последовательность связи атомов в молекулах) остается неизменным.
Свойство атомов углерода соединяться друг с другом в длинные цепи связано с положением элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева и строением его атомов.
При химической реакции у атома углерода трудно полностью оторвать четыре валентных электрона, а также присоединить к нему столько же элетронов от других атомов до образования полного октета.