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 2SС 6 2 4 Sv v1S2 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 vvv v S Spv 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 д 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 д связи.

Негибридные два p-облака атомов углерода взаимно перекрываются в плоскости, которая расположена перпендикулярно плоскости д связи, т.е. образуется одна П-связь. Следовательно, в молекуле этилена между атомами имеется одна д и одна П связь. В углеродных соединениях П связь значительно слабее, чем д связь. Под воздействием респектов П связь легко разрывается.Легко понять, что в молекулах предельных углеводов атомы углерода могут свободно вращаться вокруг д связи.

Если же между атомами углерода существует не только д связь, но и П связь, то такое вращение без разрыва последней невозможно. 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 CH32-метилбутан2,2 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 - ОH1-бутанол2-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 OH2-аминобутановая кислота2-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 ОНВинилуксусная кислотаКротоновая 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 CH3CH3 - CH2 - CH2 - ОH ОH1-пропанол2-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 ОН3-аминопропановая кислота2-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 CH27 Н С СС С CH3 CH27 CH27 - СООН Н CH27 - СООНЦис-изомертранс-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 Hn 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-OHо-крезолм-крезолn-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 OH2-амино-2метилпропановая кислота3-амино-2-метилпропановая кислота CH3 CH2 CH CООН NH22-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-CH3Cl2 CH3-CH2-ClHCl 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 д и д- H H д д- vH- C Cl илиH 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 - C OH O C6H5-CH33O 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.