Обзор
Химическая формула идентифицирует каждый составной элемент по его химическому символу и указывает пропорциональное количество атомов каждого элемента. В эмпирических формулах эти пропорции начинаются с ключевого элемента, а затем присваиваются номера атомов других элементов в соединении по соотношениям с ключевым элементом. Для молекулярных соединений все эти числа отношения могут быть выражены целыми числами. Например, эмпирическая формула этанола может быть записана как C 2 H 6 O, потому что все молекулы этанола содержат два атома углерода, шесть атомов водорода и один атом кислорода. Однако некоторые типы ионных соединений нельзя записать полностью целочисленными эмпирическими формулами. Примером является карбид бора , формула CB n которого представляет собой переменное нецелочисленное отношение с n в диапазоне от более 4 до более 6,5.
Когда химическое соединение формулы состоит из простых молекул , химические формулы часто используют способы предположить структуру молекулы. Эти типы формул известны как молекулярные формулы и сокращенные формулы . Молекулярная формула подсчитывает количество атомов, отражающих атомы в молекуле, так что молекулярная формула глюкозы — C 6 H 12 O 6, а не эмпирическая формула глюкозы, которая представляет собой CH 2 O. Однако, за исключением очень простых веществ, В молекулярных химических формулах отсутствует необходимая структурная информация, и они неоднозначны.
Для простых молекул сжатая (или полуструктурная) формула — это тип химической формулы, которая может полностью подразумевать правильную структурную формулу. Например, этанол может быть представлен конденсированной химической формулой CH 3 CH 2 OH, а диметиловый эфир — конденсированной формулой CH 3 OCH 3 . Эти две молекулы имеют одинаковые эмпирические и молекулярные формулы (C 2 H 6 O), но их можно различить по показанным сокращенным формулам, которых достаточно для представления полной структуры этих простых органических соединений .
Конденсированные химические формулы также могут использоваться для представления ионных соединений, которые не существуют в виде дискретных молекул, но, тем не менее, содержат в себе ковалентно связанные кластеры. Эти многоатомные ионы представляют собой группы атомов, которые ковалентно связаны вместе и имеют общий ионный заряд, такие как сульфат [SO4]2−ион. Каждый многоатомный ион в соединении записан индивидуально, чтобы проиллюстрировать отдельные группы. Например, соединение гексоксида дихлора имеет эмпирическую формулу ClO3, и молекулярная формула Cl2О6, но в жидкой или твердой форме это соединение более правильно показать ионной конденсированной формулой [ClO2]+[ClO4]-, который показывает, что это соединение состоит из [ClO2]+ионы и [ClO4]-ионы. В таких случаях сжатая формула должна быть достаточно сложной, чтобы показать, по крайней мере, одну из каждой ионной разновидности.
Химические формулы, описанные здесь, отличаются от гораздо более сложных химических систематических названий, которые используются в различных системах химической номенклатуры . Например, одно систематическое название глюкозы — (2 R , 3 S , 4 R , 5 R ) -2,3,4,5,6-пентагидроксигексанал. Это имя, интерпретируемое в соответствии с лежащими в его основе правилами, полностью определяет структурную формулу глюкозы, но это имя не является химической формулой, как обычно понимается, и использует термины и слова, не используемые в химических формулах. Такие имена, в отличие от базовых формул, могут представлять полные структурные формулы без графиков.
Реакции замещения
| Реакции замещения у ароматических углеводородов протекают по ионному механизму (электрофильное замещение). При этом атом водорода замещается на другую группу (галоген, нитро, алкил и др.). |
2.1. Галогенирование
Бензол и его гомологи вступают в реакции замещения с галогенами (хлор, бром) в присутствии катализаторов (AlCl3, FeBr3).
При взаимодействии с хлором на катализаторе AlCl3 образуется хлорбензол:
Ароматические углеводороды взаимодействуют с бромом при нагревании и в присутствии катализатора – FeBr3 . Также в качестве катализатора можно использовать металлическое железо.
Бром реагирует с железом с образованием бромида железа (III), который катализирует процесс бромирования бензола:
|
Гомологи бензола содержат алкильные заместители, которые обладают электронодонорным эффектом: из-за того, что электроотрицательность водорода меньше, чем углерода, электронная плотность связи С-Н смещена к углероду.
На нём возникает избыток электронной плотности, который далее передается на бензольное кольцо. |
| Поэтому гомологи бензола легче вступают в реакции замещения в бензольном кольце. При этом гомологи бензола вступают в реакции замещения преимущественно в орто— и пара-положения |
| Например, при взаимодействии толуола с хлором образуется смесь продуктов, которая преимущественно состоит из орто-хлортолуола и пара-хлортолуола |
Мета-хлортолуол образуется в незначительном количестве.
При взаимодействии гомологов бензола с галогенами на свету или при высокой температуре (300оС) происходит замещение водорода не в бензольном кольце, а в боковом углеводородном радикале.
| Если у гомолога бензола боковая цепь содержит несколько атомов углерода – замещение происходит у атома, ближайшему к бензольному кольцу («альфа-положение»). |
Например, при хлорировании этилбензола:
2.2. Нитрование
Бензол реагирует с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты (нитрующая смесь).
При этом образуется нитробензол:
| Серная кислота способствует образованию электрофила NO2+: |
Толуол реагирует с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты.
В продуктах реакции мы указываем либо о-нитротолуол:
либо п-нитротолуол:
Нитрование толуола может протекать и с замещением трех атомов водорода. При этом образуется 2,4,6-тринитротолуол (тротил, тол):
2.3. Алкилирование ароматических углеводородов
Арены взаимодействуют с галогеналканами в присутствии катализаторов (AlCl3, FeBr3 и др.) с образованием гомологов бензола.
| Например, бензол реагирует с хлорэтаном с образованием этилбензола |
Ароматические углеводороды взаимодействуют с алкенами в присутствии хлорида алюминия, бромида железа (III), фосфорной кислоты и др.
| Например, бензол реагирует с этиленом с образованием этилбензола |
| Например, бензол реагирует с пропиленом с образованием изопропилбензола (кумола) |
Алкилирование спиртами протекает в присутствии концентрированной серной кислоты.
| Например, бензол реагирует с этанолом с образованием этилбензола и воды |
2.4. Сульфирование ароматических углеводородов
Бензол реагирует при нагревании с концентрированной серной кислотой или раствором SO3 в серной кислоте (олеум) с образованием бензолсульфокислоты:
См. также
Пример составления структур изомеров
Изомерами называют в органической химии вещества, которые имеют одинаковый качественный и количественный состав, но отличаются по расположению атомов в молекуле (структуре), химической активности.
Вопросы, касающиеся составления графического строения органических веществ, включены в вопросы единого государственного экзамена, проводимого в 11 классе. Например, нужно составить, а также дать название структурных формул изомеров состава С6Н12. Как справиться с подобной задачей?
Для начала нужно понять, к какому классу органических веществ, могут принадлежать вещества с таким составом. Учитывая, что общую формулу CnH2n имеют сразу два класса углеводородов: алкены и циклоалканы, нужно составить структуры всех возможных веществ для каждого класса.
Для начала можно рассмотреть формулы всех углеводородов, принадлежащих к классу алкенов. Они характеризуются наличием одной кратной (двойной) связи, что должно быть отражено при составлении структурной формулы.
Учитывая, что в молекуле шесть атомов углерода, составляем главную цепь. После первого углерода ставим двойную связь. Пользуясь первым положением теории Бутлерова, для каждого атома углерода (валентность четыре) ставим необходимое количество водородов. Называя полученное вещество, используем систематическую номенклатуру, получаем гексен-1.
Оставляем в главной цепи шесть углеродных атомов, перемещаем положение двойной связи после второго углерода, получаем гексен-2. Продолжая передвигать по структуре кратную связь, составляем формулу гексена-3.
Далее приступаем к составлению изомеров углеродного скелета. Для этого один из углеродов в качестве алкильного радикала (СН3) передвигаем по цепи, которая стала короче на один углерод.
Пользуясь правилами систематической номенклатуры, получаем 2 метилпентен-1; 3 метилпентен-1; 4 метилпентен-1. Затем перемещаем кратную связь после второго углерода в главной цепи, а алкильный радикал располагаем у второго, затем у третьего углеродного атома, получая 2 метилпентен-2, 3 метилпентен-2.
Аналогичным образом продолжаем составлять и называть изомеры. Рассмотренные структуры представляют собой два вида изомерии: углеродного скелета, положения кратной связи. Необязательно указывать по отдельности все водородные атомы, можно использовать варианты сокращенных структурных формул, суммируя каждого атома углерода число водорода, указывая их соответствующими индексами.
Учитывая, что у алкенов и циклоалканов сходна общая формула, при составлении структур изомеров необходимо учитывать этот факт. Сначала можно составить структуру замкнутого циклогексана, затем посмотреть возможные изомеры боковой цепи, получив метилциклопентан, диметилциклобутан, и т. д.
Углеводороды
| Вещество | Развёрнутая структурная формула | Упрощенная структурная формула | Брутто-формула |
|---|---|---|---|
| Этан |
Здесь представлены органические вещества, называемые углеводородами.
Название означает, что они состоят только из углерода и водорода.
Эти вещества в различной мере входят в состав нефти. И это далеко не полный список.
Но сначала смотрим ту колонку, которая называется Развёрнутая структурная формула.
Мы видим уже знакомые буквы C и H, соединённые химическими связями — палочками.
Главное правило по-прежнему в силе: у каждой буквы C четыре палочки, а у каждой H — одна.
Что здесь нового? Появились химические связи между атомами углерода.
И в результате оказалось, что молекулы органических веществ могут строиться при помощи таких цепочек,
где звеньями являются атомы углерода с прилипшими к ними водородами.
Теперь посмотрим на колонку, где представлены упрощённые структурные формулы.
Несложно догадаться, что они призваны экономить время людей, которые постоянно пишут формулы.
Особенно, если эти формулы достаточно большие.
Правила здесь довольно простые — убираем палочки между углеродом и водородом и пишем число атомов водорода в виде числа.
Таким образом, звенья цепочки становятся видны гораздо более отчётливо. По-научному они называются функциональные группы.
Можно даже довольно быстро понять некоторые более хитрые закономерности.
Например, группа на конце цепочки записывается ,
а в середине цепочки — .
А для ещё большей экономии повторяющиеся группы можно объединить в скобочках, подписав количество повторов.
Это показано в последней строке таблицы для формулы гексана: .
Некоторые функциональные группы получают собственные названия и даже специальные обозначения.
Например, группа называется метильная группа (от названия метана)
и имеет собственное обозначение: Me. Если Вам попадётся, к примеру, такая формула: ,
то ничего страшного тут нет. Это то же самое, что , то есть — пропан.
Двойные и тройные связи
Итак, за короткое время мы уже разобрались, что такое структурные формулы и выяснили, что они бывают развёрнутые и упрощённые.
Но пока что мы познакомились только с одинарными химическими связями.
Но на самом деле существуют двойные и даже тройные связи. Посмотрим на следующую таблицу.
| Вещество | Развёрнутая формула | Упрощённая формула | Брутто-фломула |
|---|---|---|---|
| Этен (Этилен) | |||
| Пропен (Пропилен) | |||
| Бутен (Бутилен) | |||
| Этин (Ацетилен) | |||
| Пропин(Метилацетилен) | |||
| Бутин(Этилацетилен) |
Представленные здесь вещества тоже относятся к углеводородам.
Если хорошенько присмотреться, то можно увидеть определённое сходство с веществами из первой таблицы.
Названия формируются заменой буквы в конце названия: этан — этен — этин или
пропан — пропен — пропин. Сходство не ограничивается названиями.
Главное — одинаковое количество атомов углерода. А значит — одинаковое количество звеньев в цепи.
Различие кроется в наличии двойных и тройных связей.
Углеводороды в первой таблице называются предельными.
Это означает, что к ним больше ничего нельзя добавить.
А во второй таблице представлены непредельные углеводороды.
То есть, при определённых условиях к ним можно добавить по парочке атомов водорода.
Кроме того, появились дополнительные названия. Тут тоже нет ничего страшного.
Верхние названия, которые без скобок — это научные названия.
А в скобках даны традиционные названия, которые тоже довольно часто употребляются как в научной литературе, так и в быту.
Химические формулы простых веществ
Химическими формулами большинства простых веществ (всех металлов и многих неметаллов) являются знаки соответствующих химических элементов.
Так вещество железо и химический элемент железо обозначаются одинаково – Fe.
Если простое вещество имеет молекулярную структуру (существует в виде молекул, то его формулой является химический знак элемента с индексом внизу справа, указывающим число атомов в молекуле: H2, O2, O3, N2, F2, Cl2, Br2, P4, S8.
Таблица 3: Информация, которую дает химический знак
|
Сведения |
На примере C |
| Название вещества | Углерод (алмаз, графит, графен, карбин) |
| Принадлежность элемента к данному классу химических элементов | Неметалл |
| Один атом элемента | 1 атом углерода |
| Относительная атомная масса (Ar) элемента, образующего вещество | Ar(C) = 12 |
| Абсолютная атомная масса | M(C) = 12 · 1,66 · 10-24 = 19,93 · 10-24г |
| Один моль вещества | 1 моль углерода, т.е. 6,02 · 1023 атомов углерода |
| Молярная масса вещества | M(C) = Ar(C) = 12 г/моль |
Радикалы
Радикалы — это ещё одно понятие, которое оказало влияние на химические формулы.
Само слово наверняка всем известно, но в химии радикалы не имеют ничего общего с политиками, бунтовщиками и прочими гражданами с активной позицией.
Здесь это всего лишь фрагменты молекул. И сейчас мы разберёмся, в чём их особенность и познакомимся с новым способом записи химических формул.
Выше по тексту уже несколько раз упоминались обобщённые формулы: спирты — и
карбоновые кислоты — . Напомню, что -OH и -COOH — это функциональные группы.
А вот R — это и есть радикал. Не зря он изображается в виде буквы R.
Если выражаться более определённо, то одновалентным радикалом называется часть молекулы, лишённая одного атома водорода.
Ну а если отнять два атома водорода, то получится двухвалентный радикал.
Радикалы в химии получили собственные названия.
Некоторые из них получили даже латинские обозначения, похожие на обозначения элементов.
И кроме того, иногда в формулах радикалы могут быть указаны в сокращённом виде, больше напоминающем брутто-формулы.
Всё это демонстрируется в следующей таблице.
| Название | Структурная формула | Обозначение | Краткая формула | Пример спирта |
|---|---|---|---|---|
| Метил | Me | |||
| Этил | Et | |||
| Пропил | Pr | |||
| Изопропил | i-Pr | |||
| Фенил | Ph |
Думаю, что здесь всё понятно
Хочу только обратить внимание на колонку, где приводятся примеры спиртов.
Некоторые радикалы записываются в виде, напоминающем брутто-формулу, но функциональная группа записывается отдельно.
Например, превращается в .
А для разветвлённых цепочек вроде изопропила применяются конструкции со скобочками.. Существует ещё такое явление, как свободные радикалы
Это радикалы, которые по каким-то причинам отделились от функциональных групп.
При этом нарушается одно из тех правил, с которых мы начали изучение формул:
число химических связей уже не соответствует валентности одного из атомов. Ну или можно сказать, что одна из связей становится незакрытой с одного конца.
Обычно свободные радикалы живут короткое время, ведь молекулы стремятся вернуться в стабильное состояние.
Существует ещё такое явление, как свободные радикалы.
Это радикалы, которые по каким-то причинам отделились от функциональных групп.
При этом нарушается одно из тех правил, с которых мы начали изучение формул:
число химических связей уже не соответствует валентности одного из атомов.
Ну или можно сказать, что одна из связей становится незакрытой с одного конца.
Обычно свободные радикалы живут короткое время, ведь молекулы стремятся вернуться в стабильное состояние.
Сводная формула
Структурная формула изобутана Молекулярная формула: C 4 H 10 Конденсированная или полуструктурная химическая формула: (CH 3 ) 3 CH
ЧАС-C|ЧАСЧАС|-C|ЧАСЧАС|-C|ЧАСЧАС|-C|ЧАСЧАС|-ЧАС{\ displaystyle {\ ce {H — {\ overset {\ displaystyle H \ atop |} {\ underset {| \ atop \ displaystyle H} {C}}} — {\ overset {\ displaystyle H \ atop |} {\ underset {| \ atop \ displaystyle H} {C}}} — {\ overset {\ displaystyle H \ atop |} {\ underset {| \ atop \ displaystyle H} {C}}} — {\ overset {\ displaystyle H \ atop |} {\ underset {| \ atop \ displaystyle H} {C}}} — H}}}n — Структурная формула бутана Молекулярная формула: C 4 H 10 Конденсированная или полуструктурная формула: CH 3 CH 2 CH 2 CH 3
Соединение молекулы часто оказывает сильное влияние на его физические и химические свойства и поведение. Две молекулы, состоящие из одинакового количества атомов одного и того же типа (т.е. пара изомеров ), могут иметь совершенно разные химические и / или физические свойства, если атомы соединены по-разному или находятся в разных положениях. В таких случаях полезна структурная формула , поскольку она показывает, какие атомы связаны с какими другими. По связности часто можно определить приблизительную форму молекулы .
Концентрированная химическая формула может представлять типы и пространственное расположение связей в простом химическом веществе, хотя она не обязательно определяет изомеры или сложные структуры. Например, этан состоит из двух атомов углерода, связанных одинарной связью друг с другом, причем каждый атом углерода имеет три связанных с ним атома водорода. Его химическая формула может быть представлена как CH 3 CH 3 . В этилене существует двойная связь между атомами углерода (и, таким образом, каждый углерод имеет только два атома водорода), поэтому химическая формула может быть записана: CH 2 CH 2 , и факт наличия двойной связи между атомами углерода подразумевается, потому что углерод имеет валентность четыре. Однако более явным методом является запись H 2 C = CH 2 или, реже, H 2 C :: CH 2 . Две линии (или две пары точек) указывают на то, что двойная связь соединяет атомы по обе стороны от них.
Тройная связь может быть выражена с тремя линиями (HC≡CH) или трех пар точек (HC ::: CH), и если может быть двусмысленности, одна строка или пара точек может быть использован для указания одинарную связь.
Молекулы с множеством одинаковых функциональных групп можно выразить, заключив повторяющуюся группу в круглые скобки . Например, изобутан может быть записан (CH 3 ) 3 CH. Эта сжатая структурная формула подразумевает отличную от других молекул связность, которая может быть образована с использованием тех же атомов в тех же пропорциях (изомеры). Формула (CH 3 ) 3 CH подразумевает центральный атом углерода, связанный с одним атомом водорода и тремя группами CH 3 . Же число атомов каждого элемента (10 водородов и 4 атома углерода, или С 4 Н 10 ) могут быть использованы , чтобы сделать молекулу с прямой цепью, н — бутан : СН 3 СН 2 СН 2 СН 3 .
Простые и сложные вещества. Валентность
Вещества бывают простые и сложные. Если молекула состоит из атомов одного химического элемента, — это простое вещество:
Если в состав вещества входят атомы только одного химического элемента — это простое вещество. Причём некоторые химические элементы образуют несколько простых веществ. Так, химический элемент кислород образует простое вещество «кислород» О2 и простое вещество «озон» О3*.
А химический элемент углерод образует четыре простых вещества, причём ни одно из них не называется «углерод». Эти вещества отличаются пространственным расположением атомов:
Алмаз — атомы углерода находятся в вершинах воображаемых тетраэдров;
Графит — атомы углерода находятся в одной плоскости;
Карбин — атомы углерода образуют «нити».
В четвертой модификации «углерода» — фуллерене — атомы углерода образуют сферу, т. е. молекулы фуллерена напоминают мячик.
Существование элемента в виде нескольких простых веществ называется аллотропией. Алмаз, графит, карбин, фуллерен — аллотропные модификации элемента «углерод», а кислород и озон — аллотропные модификации элемента «кислород».
Таким образом, не следует путать эти понятия: «химический элемент» и «простое вещество», а также «молекула» и «атом».
Очень часто в письменных записях слова «молекула» или «атом» заменяют соответствующими символами, но не всегда правильно. Так, нельзя писать: «В состав воды входит Н2», так как речь здесь идёт о химическом элементе водороде — Н. Нужно писать: «В состав воды входит (Н)». Аналогично, правильной будет запись: «При действии металла на раствор кислоты выделится Н2», т. е. вещество водород, молекула которого двухатомна.
Молекулы сложных веществ состоят из атомов разных химических элементов:
Как известно, в состав сложных веществ входят атомы разных химических элементов. Эти атомы соединяются между собой химическими связями: ковалентными, ионными, металлическими.
Способность атома образовывать определённое число ковалентных химических связей называется валентностью. (Подробнее см. урок 4 «Химическая связь».) Правильнее всего определять валентность по графическим или структурным формулам:
В таких формулах одна чёрточка обозначает одну ковалентную связь, т. е. «одну валентность». На практике чаще всего валентность определяют по молекулярной формуле, хотя здесь правильнее говорить о степени окисления элемента (см. урок 7). Иногда результат определения степени окисления соответствует реальному значению валентности, но бывают и неодинаковые результаты.
Задание 1.1. Определите «валентность» (степени окисления) атомов кальция и углерода по формуле СаС2. Совпадает ли полученный результат с реальным значением валентности?
В устойчивой молекуле не может быть «свободных», «лишних» валентностей! Поэтому для двухэлементной молекулы число химических связей (валентностей) атомов одного элемента равно общему числу химических связей атомов другого элемента.
Валентность атомов некоторых химических элементов постоянна (табл. 2).
Для других атомов валентность можно определить (вычислить) из химической формулы вещества.
При этом следует учитывать изложенное выше правило о химической связи.
Сделаем практические выводы.
1. Если один из атомов в молекуле одновалентен, то валентность второго атома равна числу атомов первого элемента (см. на индекс!):
2. Если число атомов в молекуле одинаково, то валентность первого атома равна валентности второго атома:
3. Если у одного из атомов индекс отсутствует, то его валентность равна произведению валентности второго атома на его индекс:
4. В остальных случаях ставьте валентности «крест-накрест», т. е. валентность первого атома равна числу атомов второго элемента и наоборот:
Задание 1.2. Определите валентности элементов в соединениях:
Вначале укажите валентности атомов, у которых она постоянна! Аналогично определяется валентность атомных групп (ОН), (РО4), (SО4) и так далее.
Задание 1.3. Определите валентности атомных групп (в формулах выделены курсивом):
Обратите внимание! Одинаковые группы атомов (OH), (РО4), (SO4) имеют одинаковые валентности во всех соединениях. Зная валентности атома или группы атомов можно составить формулу соединения
Для этого пользуются правилами:
Зная валентности атома или группы атомов можно составить формулу соединения. Для этого пользуются правилами:
Если валентности одинаковы, то и число атомов одинаково, т. е. индексы не ставим:
Если валентности кратны (одно число делится на другое), то число атомов элемента с меньшей валентностью определяем делением:
В остальных случаях индексы определяют «крест-накрест»:
Задание 1.4. Составьте химические формулы соединений:
Особенности написания структурной формулы
Для составления потребуется бумага, ручка, периодическая система элементов Менделеева.
Если нужно нарисовать графическую формулу аммиака, нужно учитывать, что водород способен образовывать только одну связь, поскольку его валентность равна единице. Азот находится в пятой группе (главной подгруппе), имеет на внешнем энергетическом уровне пять валентных электронов.
Три из них он использует для образования простых связей с атомами водорода. В итоге структурная формула будет представлять собой следующий вид: в центре находится азот, вокруг него располагаются атомы водорода.
