Химия – наука, изучающая вещества и процессы их превращения. Объекты изучения в химии - химические элементы и их соединения

1 Химия – наука, изучающая вещества и процессы их превращения. Объекты изучения в химии - химические элементы и их соединения.

Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядер. Атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Молекула – это наименьшая частица вещества, способная к самостоятельному существованию и обладающая его основными химическими свойствами. Если молекулы вещества состоят из одинаковых атомов, то образуемое ими вещество является простым. Молекулы, состоящие из разных атомов, образуют вещество сложное.

Химия нужна человечеству, чтобы получать из веществ природы по возможности все необходимое для жизни – металлы, стройматериалы (цемент, бетон, керамику, стекло), искусственные волокна, топливо, фармацевтические препараты.

Химию можно рассматривать в двух аспектах: описательном – открытие химических фактов и явлений и их описание, и теоретическом – разработка теорий. Так в основе объяснения многих фактов и явлений лежит одна из таких теорий – теория строения атома, которая неразрывно связана с периодическим законом и периодической системой.

Периодический закон и Периодическая система химических элементов

Расположив 63 известных в то время элемента в порядке возрастания их атомных масс, Д.И. Менделеев получил естественный (природный) ряд химических… У некоторых элементов Д.И. Менделеев не обнаружил химических аналогов… После открытия соответствующих элементов (аналога алюминия - галлия Ga, аналога кремния - германия Ge и др.)…

Квантовомеханическое описание состояния электрона в атоме

В связи с тем, что частицы микромира, в том числе и электрон, отличны по своим свойствам от макроскопических тел, то для описания микрочастиц нужны… Применение законов квантовой механики к описанию состояния электрона в атоме… Главное квантовое числоЭнергия электрона в атоме – величина квантованная; главное квантовое число (n) характеризует…

Атомные орбитали

Совокупность орбиталей с одним и тем же значением главного квантового числа n образует энергетический уровень. Орбитали некоторого энергетического… Очевидно, что число орбиталей на подуровне равно числу значений магнитного… Графическое изображение орбитали:

Классификация по числу и составу реагентов и конечных веществ

1. Реакции соединения

При реакциях соединения из нескольких реагирующих веществ относительно простого состава получается одно вещество более сложного состава: A + B + C = D

Как правило, эти реакции сопровождаются выделением тепла, т.е. приводят к образованию более устойчивых и менее богатых энергией соединений.

Реакции соединения простых веществ всегда носят окислительно-восстановительный характер. Реакции соединения, протекающие между сложными веществами, могут происходить как без изменения валентности:СаСО3 + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2,

так и относиться к числу окислительно-восстановительных: 2FеСl2 + Сl2 = 2FеСl3.

2. Реакции разложения

Реакции разложения приводят к образованию нескольких соединений из одного сложного вещества:А = В + С + D.

Продуктами разложения сложного вещества могут быть как простые, так и сложные вещества.

Из реакций разложения, протекающих без изменения валентных состояний, следует отметить разложение кристаллогидратов, оснований, кислот и солей кислородсодержащих кислот:

t◦

CuSO4 5H2O = CuSO4 + 5H2O

t◦

Cu(OH)2 = CuO + H2O

t◦

H2SiO3 = SiO2 + H2O.

К реакциям разложения окислительно-восстановительного характера относится разложение оксидов, кислот и солей, образованных элементами в высших степенях окисления:

t◦

2SO3 = 2SO2 + O2.

t◦

4HNO3 = 2H2O + 4NO2O + O2O.

2AgNO3 = 2Ag + 2NO2 + O2,

(NH4)2Cr2O7 = Cr2O3 + N2 + 4H2O.

Особенно характерны окислительно-восстановительные реакции разложения для солей азотной кислоты.

Реакции разложения в органической химии носят название крекинга:

С₁₈H₃₈ = С₉H₁₈ + С₉H₂₀,или дегидрированияC₄H₁₀ = C₄H₆ + 2H₂.

3. Реакции замещения

При реакциях замещения обычно простое вещество взаимодействует со сложным, образуя другое простое вещество и другое сложное:

А + ВС = АВ + С.

Эти реакции в подавляющем большинстве принадлежат к окислительно-восстановительным:

2Аl + Fe₂O₃ = 2Fе + Аl2О₃,Zn + 2НСl = ZnСl₂ + Н₂,

2КВr + Сl₂ = 2КСl + Вr₂, 2КСlO₃ + l₂ = 2KlO₃ + Сl₂.

Примеры реакций замещения, не сопровождающихся изменением валентных состояний атомов, крайне немногочисленны. Следует отметить реакцию двуокиси кремния с солями кислородсодержащих кислот, которым отвечают газообразные или летучие ангидриды:

СаСО₃+ SiO₂ = СаSiO₃ + СО₂, Са₃(РО4)₂ + ЗSiO₂ = ЗСаSiO₃ + Р₂О₅,

Иногда эти реакции рассматривают как реакции обмена: СН4 + Сl2 = СН3Сl + НСl.

4. Реакции обмена

Реакциями обмена называют реакции между двумя соединениями, которые обмениваются между собой своими составными частями:АВ + СD = АD + СВ.

Если при реакциях замещения протекают окислительно-восстановительные процессы, то реакции обмена всегда происходят без изменения валентного состояния атомов. Это наиболее распространенная группа реакций между сложными веществами - оксидами, основаниями, кислотами и солями:ZnO + Н2SО4 = ZnSО4 + Н2О,AgNО3 + КВr = АgВr + КNО3,

СrСl3 + ЗNаОН = Сr(ОН)3 + ЗNаСl.

Частный случай этих реакций обмена - реакции нейтрализации:

НСl + КОН = КСl + Н₂О.

Обычно эти реакции подчиняются законам химического равновесия и протекают в том направлении, где хотя бы одно из веществ удаляется из сферы реакции в виде газообразного, летучего вещества, осадка или малодиссоциирующего (для растворов) соединения:

NаНСО₃ + НСl = NаСl + Н₂О + СО₂↑, Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃↓ + 2Н₂О,

СН₃СООNа + Н₃РО₄ = СН₃СООН + NаН₂РО₄.

5. Реакции переноса.

При реакциях переноса атом или группа атомов переходит от одной структурной единицы к другой:АВ + ВС = А + В₂С, А₂В + 2СВ₂ = АСВ₂ +АСВ₃.

Например:

2AgCl + SnCl₂ = 2Ag + SnCl₄, H₂O + 2NO₂ = HNO₂ + HNO₃.

Классификация реакций по фазовым признакам

В зависимости от агрегатного состояния реагирующих веществ различают следующие реакции:

1. Газовые реакции to

H₂ + Cl₂ 2HCl.

2. Реакции в растворах NaОН(р-р) + НСl(p-p) = NaСl(p-p) + Н₂О(ж)

3. Реакции между твердыми веществами

t◦

СаО(тв) +SiO₂(тв) = СаSiO₃(тв)

Классификация реакций по числу фаз.

Под фазой понимают совокупность однородных частей системы с одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенных друг от друга поверхностью раздела.

Все многообразие реакций с этой точки зрения можно разделить на два класса:

1.Гомогенные (однофазные) реакции. К ним относят реакции, протекающие в газовой фазе, и целый ряд реакций, протекающих в растворах .

2.Гетерогенные (многофазные) реакции. К ним относят реакции, в которых реагенты и продукты реакции находятся в разных фазах. Например:

газожидкофазные реакцииCO₂(г) + NaOH(p-p) = NaHCO₃(p-p).

газотвердофазные реакцииСO₂(г) + СаО(тв) = СаС_O3(тв).

жидкотвердофазные реакцииNa2SO4(р-р) + ВаС_l3(р-р) = ВаSО₄(тв)↓ + 2NaСl(p-p).

жидкогазотвердофазные реакцииСа(НСО₃)₂(р-р) + Н₂SО₄(р-р) = СО₂(r)↑ +Н₂О(ж) + СаSО₄(тв)↓.

Классификация реакций по типу переносимых частиц

1. Протолитические реакции.

К протолитическим реакциям относят химические процессы, суть которых заключается в переносе протона от одних реагирующих веществ к другим.

В основе этой классификации лежит протолитическая теория кислот и оснований, в соответствии с которой кислотой считают любое вещество, отдающее протон, а основанием - вещество, способное присоединять протон, например:

CH₃COOH + H₂O = CH₃COO^- + H₃O⁺

кислотаI основаниеI основаниеI кислотаII

NH₃ ⁺ H₂O = NH₄⁺ + OH^-

основаниеI кислотаII кислотаII основаниеII

К протолитическим реакциям относят реакции нейтрализации и гидролиза.

2. Окислительно-восстановительные реакции.

К таковым относят реакции, в которых реагирующие вещества обмениваются электронами, изменяя при этом степени окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Например:Zn + 2H+ → Zn²⁺ + H2↑, FeS2 + 8HNO₃(конц) = Fe(NO₃)₃ + 5NO↑ + 2H2SO₄ + 2H₂O,

Подавляющее большинство химических реакций относятся к окислительно-восстановительным, они играют исключительно важную роль.

3. Лиганднообменные реакции.

К таковым относят реакции, в ходе которых происходит перенос электронной пары с образованием ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму. Например:

Cu(NO3)2 + 4NH3 = [Cu(NH3)4](NO3)2,Fe + 5CO = [Fe(CO)5],

Al(OH)3 + NaOH = [NaAl(OH)4].

Характерной особенностью лиганднообменных реакций является то, что образование новых соединений, называемых комплексными, происходит без изменения степени окисления.

4. Реакции атомно-молекулярного обмена.

К данному типу реакций относятся многие из изучаемых в органической химии реакций замещения, протекающие по радикальному, электрофильному или нуклеофильному механизму.

Обратимые и необратимые химические реакции

Обратимыми называют такие химические процессы, продукты которых способны реагировать друг с другом в тех же условиях, в которых они получены, с образованием исходных веществ.

Для обратимых реакций уравнение принято записывать следующим образом:А + В АВ.

Две противоположно направленные стрелки указывают на то, что при одних и тех же условиях одновременно протекает как прямая, так и обратная реакция, например:

СН3СООН + С2Н5ОН СН3СООС2Н5 + Н2О.

Необратимыми называют такие химические процессы, продукты которых не способны реагировать друг с другом с образованием исходных веществ. Примерами необратимых реакций может служить разложение бертолетовой соли при нагревании:2КСlО3 → 2КСl + ЗО2↑,

или окисление глюкозы кислородом воздуха:С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О.

 

9 Раствором называется твёрдая или жидкая гомогенная физико-химическая система, состоящая из двух или более компонентов, количества которых могут изменяться в широких пределах. Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы (например, только жидкой, только твёрдой, или только газообразной фазы). Фаза – это часть системы, отделённая от других частей этой же системы поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком. Гетерогенная система состоит из нескольких фаз, отделённых друг от друга поверхностью раздела.

Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Количественной мерой растворимости вещества при данных условиях служит концентрация его насыщенного раствора.

Поэтому растворимость может быть выражена в виде процентной, молярной концентрации растворённого вещества в насыщенном растворе. Очень часто растворимость выражают также числом граммов растворённого вещества, насыщающих 100 граммов растворителя (например, воды).

Растворимость разных веществ в воде может очень сильно различаться. Если в 100 граммах воды растворяется более 10 граммов вещества, то такое вещество считается хорошо растворимым; если растворяется менее 1 грамма вещества – малорастворимым, если менее 0,01 грамма вещества – практически нерастворимым. Следует, отметить, что абсолютно нерастворимых веществ не существует.

Принципы, позволяющие количественно предсказать растворимость вещества, в настоящее время неизвестны. Однако ещё со времён алхимиков известно правило «подобное растворяется в подобном», которое отражает тот факт, что вещества, состоящие из полярных молекул, и вещества с ионным типом связи (HCl, NaCl, H₂SO₄, K₂SO₄) лучше растворяются в полярных растворителях (вода, спирты, жидкий аммиак), а неполярные вещества (например, галогены) – в неполярных растворителях (бензол, сероуглерод и т.п.).

Растворение большинства твёрдых тел сопровождается тепловым эффектом:

кристалл + растворитель ⇆ раствор ± Q .

Всякий раствор состоит из растворённых веществ и растворителя, т.е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов. Растворителем обычно считают тот компонент, который в чистом виде существует в том же агрегатном состоянии, что и полученный раствор (например, в случае водного раствора соли растворителем является вода). Если оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии (например, спирт и вода), то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве.

Однородность растворов делает их сходными с химическими соединениями. Выделение теплоты при растворении некоторых веществ также указывает на химическое взаимодействие между растворителем и растворяемым веществом. Отличие растворов от химических соединений состоит в том, что состав раствора может изменяться в широких пределах. Кроме того, в свойствах раствора можно обнаружить многие свойства его отдельных компонентов, чего не наблюдается в случае химического соединения. Непостоянство состава растворов сближает их с механическими смесями, но от смесей они отличаются своей гомогенностью.

Таким образом, растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями. Наиболее важный вид растворов – жидкие растворы, которые рассматриваются далее более подробно.

Растворение кристалла твёрдого вещества в жидкости протекает следующим образом. Когда кристалл вносят в жидкость, в которой он может растворяться, от его поверхности отрываются отдельные молекулы или ионы, которые вследствие диффузии равномерно распределяются по всему объёму растворителя. Отделение молекул или ионов от твёрдого тела вызвано, с одной стороны, их собственным колебательным движением, а с другой – притяжением к молекулам растворителя. Этот процесс должен был бы продолжаться до полного растворения любого количества кристаллов, если бы одновременно не происходил обратный процесс – кристаллизация. Перешедшие в раствор молекулы или ионы, сталкиваясь с поверхностью ещё нерастворившегося вещества, снова притягиваются к нему и входят в состав его кристаллов. Выделение молекул или ионов из раствора будет происходить тем быстрее, чем больше их концентрация в растворе. Так как концентрация по мере растворения увеличивается, то наступит момент химического равновесия, когда скорость растворения равна скорости кристаллизации.

Раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом, называется насыщенным раствором.

Рис. 6.1 – Схема ион-дипольного взаимодействия В настоящее время установлено, что при растворении многих веществ, их молекулы…   Пример образования гидратированного катиона показан на рис. 6.1.

Способы выражения концентрации растворов

Существует много различных способов выражения концентрации растворов. Один из наиболее употребительных в химии и технике способов – это выражение… Массовая доля (процентная концентрация) показывает, сколько массовых частей…  

Нормальная концентрация раствора.

Эквивалентом (Э) вещества называется такое его количество, которое в химических реакциях соединяется с 1 моль атомов водорода или замещает его в соединениях.

Размерность эквивалента такая же, как и количества вещества – моль.

Например, в реакции:

2 Н₂ + О₂ = Н₂О

1 моль атомов Н эквивалентен Ѕ моль атомов О, следовательно, Э(О)=1/2 моль.

Масса одного эквивалента вещества называется эквива­лентной массой(М_экв); размерность эквивалентной массы та­кая же, как молярной массы: кг/моль или г/моль. Например, М_ЭКВ(Н) = 1 г/моль; М_ЭКВ(О) = 8 г/моль.

Количество вещества эквивалента (n_экв) равно отношению массы вещества (т) к эквивалентной массе:

n_экв(Х) = т(Х)/М_зкв.

На­пример, если имеется 32 г кислорода, то n_экв = 32/8 = 4 моль.

Состав раствора, выражен­ный через количество эквивалентов растворенного вещества в од­ном литре раствора, называется нормальной концентрацией (с_Н).

Таким образом, нормальная концентрация равна отношению количества эквивалентов растворенного вещества (n_экв(Х)) в растворе к объему раствора (V):

(6)

Единица измерения нормальной концентрации - моль/м³; для практического использования обычно служит кратная единица моль/дм³ или моль/л. В литературе встречаются разные обозначения нормальной концентрации, например для раствора серной кислоты с нормальной концентрацией 0,2 моль/л:

 

C_Н(Н₂SO₄) = 0,2 моль/л C_Н(Н₂SO₄) = 0,2 н

или

0,2 н. раствор Н₂SO₄ C(1/2 Н₂SO₄) = 0,2 моль/л

 

Последнее обозначение — рекомендованное; оно показывает, чему равен эквивалент растворенного вещества (в данном случае 1/2 моль) и сколько эквивалентов содержится в 1 л раствора.

 

Молярная масса и эквивалентная масса связаны соотноше­нием:

М_экв = f_экв∙ М

где f_экв - так называемый фактор эквивалентности,который для эле­мента равен 1/В, где В - стехиометрическая валентность* элемента в данном соединении (формальная валентность, следующая из формулы соединения); f_экв - величина безразмерная.

Так, для серы в Н₂S f_экв = ¹/₂, откуда Э(S) = ¹/₂ моль и М_экв(S) = 32/2 = 16 г/моль.

Для различных классов неорганических соединений фактор эквивалентности равен:

Для оксида:

 

Для основания:

 

,

 

Для кислоты:

 

,

 

Для соли:

,

 

Зная нормальную концентрацию, легко рассчитать объем раствора того или иного реагента, требующийся для реакции. Пусть два вещества введены в реакцию в виде растворов, нор­мальные концентрации которых равны соответственно с_н и с^/_н, и для реакции потребовались объемы растворов этих веществ соответственно V и V^/. По определению нормальной концентра­ции с_н показывает количество эквивалентов вещества в 1 л раствора. Тогда количество эквивалентов первого реагента со­ставит с_н V, а количество эквивалентов второго с^/_н V^/. По за­кону эквивалентов вещества реагируют в количествах, пропор­циональных их эквивалентам, т. е. количества эквивалентов реагирующих веществ равны, следовательно:

или

(7)

 

т. е. объемы реагирующих растворов обратно пропорциональ­ны их нормальным концентрациям.

Если известны нормальная концентрация раствора и экви­валентная масса растворенного вещества, можно легко вычис­лить массу вещества, содержащегося в 1 мл раствора.

Масса растворенного вещества, содержащаяся в 1 мл рас­твора, выраженная в граммах, называется титром раствора. Титр раствора, обозначаемый Т, определяется по формуле:

,

(8)

 

Например, титр децинормального раствора серной кислоты равен:

,

 

Раствор с известной нормальной концентрацией (или титром) называется титрованным раствором.Титрованными раствора­ми пользуются в лабораторной практике для определения нор­мальной концентрации других растворов. Например, к раствору кислоты, нормальную концентрацию которой необходимо опре­делить, постепенно прибавляют титрованный раствор щелочи. Момент окончания реакции - нейтрализации кислоты щелочью - определяют по изменению окраски индикатора, добавленного до начала титрования в раствор кислоты. Определив с помощью титрования объем щелочи, необходимый для нейтрализации за­данного объема кислоты, можно затем рассчитать нормальную концентрацию кислоты, исходя из соотношения:

Þ

(9)

 

Для перехода от одного способа выражения состава к дру­гому служат формулы:

(10)

 

 

(11)

 

 

,

(12)

 

 

,

(13)

Где r_р – плотность раствора, г/мл.

 

11 ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ, термодинамич. равновесие в системе, между компонентами которой происходят хим. реакции. Для данной реакции где Аi - исходные реагенты; Вj - продукты; vi и vj - их стехиометрич. коэффициенты соотв., X. р. достигается при условии:

где и - хим. потенциалы соотв. исходных реагентов и продуктов.

Условие X. р. может быть выведено из любого условия термодинамического равновесия. в частности из условия минимума энергии Гиббса системы dGT,p = 0 при постоянных абс. т-ре Т и давлении р.

К условию X. р. (1) добавляется требование постоянства температуры и давления по всему объему системы (в случае гетерогенных р-ций для X. р. необходимо, чтобы температура и давление были одинаковы во всех фазах системы).

В состоянии X. р. система характеризуется константой равновесия Ка , выражающей для реакций в растворах соотношение между активностями аАi исходных реагентов и активностями аBj продуктов:

 

(П - знак произведения). В случае идеальных р-ров вместо активностей компонентов используют их молярные доли xi. Для реакций в газах активности веществ заменяют летучестями (константа равновесия Kf); если реагирующую систему можно считать идеальной газовой смесью, вместо летучестей возможно применение парциальных давлений компонентов (константа равновесия Кр). Для идеальных систем соотношение (2) наз. действующих масс законом.

Помимо термодинамич. определения X. р., которое выражается соотношением (1), существует и кинетич. определение: X. р. устанавливается при условиях, когда скорость прямой реакции (исходные реагенты продукты) v становится равной скорости обратного превращения (продукты исходные реагенты) v-1. Константа равновесия

 

где k1 и k-1 - константы скорости прямой и обратной реакций соотв. Кинетич. определение подчеркивает динамич. характер X. р.: при его достижении реакции в системе не прекращаются. Если в системе происходят несколько связанных между собой хим. реакций, кинетич. определение X. р. (3) выполняется, когда справедлив детального равновесия принцип, т. е. для каждой из реакций достигается равенство скоростей в прямом и обратном направлениях. Напр., если в системе протекает циклич. превращение

 

и (термодинамич. условие X. р.), то обязательно (кинетич. определение).

Отклонение от химическое равновесие сопровождается изменением состава системы и м. б. выражено химическим сродством р-ции А. Устойчивость X. р. определяется условием:

 

где - степень полноты реакции, равная отношению изменения числа молей nj, любого из участвующих в реакции веществ к его стехиометрич. коэф. vj.

 

Для некоторых неравновесных систем м. б. использовано понятие локального химическое равновесие, которое устанавливается в малом объеме системы и соответствует локальным значениям температуры, давления, хим. потенциалов компонентов.

Важной практич. задачей является термодинамич. расчет X. р., т. е. определение равновесных составов системы. В совр. компьютерных программах такой расчет, как правило, выполняется путем прямой минимизации энергии Гиббса системы без использования констант равновесия. Для идеальных систем результатом расчетов являются концентрации хим. веществ в состоянии равновесия, для реальных систем мат. определение концентрации требует дополнительно знания коэф. активности (или летучести).

Скорость химической реакции — изменение количества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства. Является ключевым понятием химической кинетики. Скорость химической реакции — величина всегда положительная, поэтому, если она определяется по исходному веществу (концентрация которого убывает в процессе реакции), то полученное значение умножается на −1.

Например для реакции:

выражение для скорости будет выглядеть так:

В 1865 году Н. Н. Бекетовым и в 1867 году Гульдбергом и Вааге был сформулирован закон действующих масс:

Скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов, возведенным степени, равные их стехиометрическим коэффициентам.

 

Для элементарных реакций показатель степени при значении концентрации каждого вещества часто равен его стехиометрическому коэффициенту, для сложных реакций это правило не соблюдается. Кроме концентрации на скорость химической реакции оказывают влияние следующие факторы:

природа реагирующих веществ,

наличие катализатора,

температура (правило Вант-Гоффа),

давление,

площадь поверхности реагирующих веществ.

Если мы рассмотрим самую простую химическую реакцию A + B → C, то мы заметим, что мгновенная скорость химической реакции величина непостоянная.

Константа химического равновесия

bB + dD = lL + mM   или

Принцип Ле Шателье

Положение равновесия зависит: 1) от значения константы равновесия (то есть от природы реагирующих веществ и… 2) от концентрации веществ, участвующих в реакции и

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

V = ± ((С2 – С1) / (t2 - t1)) = ± (DС / Dt) где С1 и С2 - молярные концентрации веществ в моменты времени t1 и t2… Реакции происходят при столкновении молекул реагирующих веществ. Ее скорость определяется количеством столкновений и…

Основные положения теории электролитической диссоциации

2. Под действием электрического тока ионы приобретают направленное движение: положительно заряженные частицы движутся к катоду, отрицательно… 3. Направленное движение происходит в результате притяжения их противоположно… 4. Ионизация – обратимый процесс: параллельно с распадом молекул на ионы (диссоциация) протекает процесс соединения…

Истинные и потенциальные электролиты

Истинные электролиты находятся в виде ионов уже в твердом (индивидуальном) состоянии, т.е. при растворении или расплаве происходит разрушение ионной… Потенциальные электролиты в индивидуальном состоянии ионов не содержат. В этом…  

Константа диссоциации. Степень диссоциации.

Степень диссоциации — это отношение числа молекул, распавшихся на ионы (n), к общему числу растворившихся молекул (N). a=n/N, где n — число молекул, распавшихся на ионы, а N —общее число растворенных молекул.

Ионные реакции

Правила составления ионных уравнений реакций 1.Нерастворимые в воде соединения (простые вещества, оксиды, некоторые… 2.В реакциях используют растворы веществ, поэтому даже малорастворимые вещества находятся в растворах в виде ионов. …

Ионные произведения воды. водородный показатель. буферные растворы.

Водородный показатель численно равен отрицательному десятичному логарифму активности или концентрации ионов водорода, выраженной в молях на литр: … pH=-lg[ H+ ] В воде концентрация ионов водорода определяется электролитической диссоциацией воды по уравнению

Гидролиз солей. Константа, степень и ph гидролиза.

В результате реакции, как правило, наблюдается изменение кислотности исходного раствора. Вместо органического растворителя (воды) может… Важно знать, что в гидролиз вовлекаются лишь те соли, которые являются… Первый случай гидролиза:

Окислительно восстановительные реакции. Понятие окисления, восстановление, окислитель, восстановитель

В технике с помощью реакций этого типа получают такие важные вещества как аммиак (NH3), серную (H2SO4)и соляную (HCl) кислоты и многие другие… Реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав… Окислителями называются вещества, присоединяющие электроны. Во время реакции они восстанавливаются.

Типы окисл-вост реакций. Типичные окислители и восстановители.

Окислением называется процесс отдачи электронов. Вещество, в состав которого входит элемент, отдающий электроны и, вследствие этого, повышающий свою степень окисления, называется восстановителем.

Восстановлением называется процесс присоединения электронов. Вещество, в состав которого входит элемент, принимающий электроны и, вследствие этого, понижающий свою степень окисления, называется окислителем.

1 Межмолекулярные – изменяются С.О. атомов элементов, входящих в состав разных веществ:

_{0 0 +4 -2 0 0 -3 +1}

С+O₂ =CO₂; N₂+3H₂=2NH₃

2. Внутримолекулярные – окислитель и восстановитель - атомы одной молекулы:

tº

_{-1 -2 0 +1 -2 0 0}

2H₂O₂=2H₂O+O₂ ; 2H₂O₂=2H₂+O₂

3. Самоокисления – самовосстановления (диспропорционирования) – один и тот же элемент повышает и понижает С.О.

_{0 + -2 + - + + -2}

CL₂+H₂O=HCL+HCLO

Cl₂ - является окислителем и восстановителем.

Типичные окислители и восстановители

Вещества, являющиеся окислителями во многих реакциях, представляют собой типичные(сильные) окислители. К ним относятся F₂, Cl₂, O₂, KClO₃, H₂SO₄, HNO₃, KMnO₄, MnO₂, K₂Cr₂O₇, PbO₂ и др.

Типичными (сильными) восстановителями являются H₂, C (графит), Zn, Al, Ca, KI, HCl (конц.), H2S, CO и др.

Многие вещества могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. К таким веществам принадлежат KNO₂, H₂O₂, SO₂, Nа₂SO₃ и др.

Окислительно-восстановительные свойства веществ связаны с положением элементов в Периодической системе Д.И. Менделеева. Простые вещества - неметаллы обладают большими окислительными свойствами, а металлы - большими восстановительными свойствами (O₂, Cl₂ - окислители, Na, Ba, Al, Zn - восстановители).

В каждой группе Периодической системы элемент с более высоким порядковым номером обладает более ярко выраженными восстановительными свойствами в своей группе, а элемент с меньшим порядковым номером - более сильными окислительными свойствами. Так, кальций Ca - более сильный восстановитель, чем магний Mg, а молекулярный хлор Cl2 - более сильный окислитель, чем иод I₂.

Соединения, содержащие атомы элементов в низшей степени окисления, будут восстановителями за счет этих атомов (например, NH3 - восстановитель за счет атома N−III, H₂S - за счет атома S−II, KI за счет атома I−I). Соединения, включающие атомы элементов в высшей степени окисления, будут окислителями (например, HNO3 за счет атома N+V, K₂Cr₂O₇ - за счет атома Cr+VI, KMnO4 - за счет атома Mn+VII).

 

Составление ур-ний окис-вост реакций (метод электронного баланса, метод полуреакций)

Рассмотрим этот метод на примере восстановления перманганата калия концентрированной соляной кислотой. Эта реакция используется в качестве… Метод электронного баланса складывается из следующих этапов: а) записывают схему реакции (формулы реагентов и продуктов), а затем находят элементы, которые повышают и понижают…

Предмет органической химии. Исторический обзор развития органической химии. Первые теорритические воззрения. Теория строения А. М. Бутлерова.

Химики разделяли все вещества в зависимости от источника их получения на минеральные (неорганические), животные и растительные (органические). "Органическая химия есть химия углеводородов и их производных, т.е.… 1.Неорганических веществ насчитывается немногим более 100 тыс., тогда как органических – почти 18млн (табл. 1).

Основы номенклатуры в органической химии. Классификация органических соединений.

В основу научной классификации и номенклатуры органических соединений положены принципы теории химического строения А. М. Бутлерова.

Все органические соединения подразделяют на следующие основные ряды:

I. Ациклические соединения — с открытой цепью углеродных атомов (их называют также алифатическими соединениями, или соединениями жирного ряда):

1. Предельные (насыщенные).

2. Непредельные (ненасыщенные).

II. Циклические соединения — с замкнутой в кольцо цепью атомов.

1. Карбоциклические (изоциклические),— в кольцевую систему которых входят только углеродные атомы:

.

2. Гетероциклические соединения — в их кольцевую систему, кроме углеродных атомов, входят атомы других элементов — гетероатомы (кислород, азот, сера и т. д.).

В рядах ациклических и карбоциклических соединений основными классами являются углеводороды.

В основе гетероциклических соединений лежат гетероциклы, в которых атомы, образующие кольцо, соединены только с атомами водорода.

В предельных (насыщенных) углеводородах атомы углерода соединены друг с другом простыми (ординарными) связями С—С. В непредельных (ненасыщенных) углеводородах имеются одна или несколько пар углеродных атомов, соединенных кратными — двойными С = С или тройными С ≡ С связями.

Углеводороды с двойными или тройными связями могут быть образованы путем отнятия 2, 4, 6 и более атомов водорода от пар смежных углеродных атомов в предельных углеводородах; при этом получаются непредельные углеводороды, содержащие соответственно двойную, тройную, две двойные и т. д. связи. При отнятии же двух и более атомов водорода от несмежных углеродных атомов из предельных ациклических углеводородов могут быть получены циклические углеводороды.

Таким образом, все другие углеводороды можно рассматривать как производные предельных ациклических углеводородов.

Несколько кратных связей могут иметь различное взаимное расположение в углеродной цепи. Например, различают кумулированные С = С = С, сопряженные (или конъюгированные) С = С—С = С и изолированные (или уединенные) С = С—(СН₂)_п—С = С двойные связи.

Углеводороды различных классов образуют так называемые гомологические ряды, в которых каждый последующий углеводород отличается от предыдущего члена ряда на гомологическую разность СН2. Состав любого члена гомологического ряда выражается общей для данного ряда эмпирической формулой. Например, состав ациклических предельных углеводородов может быть представлен формулой СnН2n₊₂, непредельных — с одной двойной связью CnH₂n, — с одной тройной или с двумя двойными связями СnН₂n _{– 2} и т. д. Например:

 

Целый ряд названий: двойная связь- ен; тройная-ин; гидроксильная группа- ол; альдегидная – ал; кетонная- он; и т д.

 

24 Углеводы алифатического ряда (алканы). Общая характеристика: строение, изомерия, номенклатура. Понятие о гомологическом ряде.

Алканы (парафины) – алифатические (нециклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями в неразветвленные или разветвленные цепи.

Алканы имеют общую формулу CnH2n+2, где n – число атомов углерода.

Строение Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sр3-гибридизации, угол между связями С-C составляет 109°28', поэтому молекулы нормальных алканов с большим числом атомов углерода имеют зигзагообразное строение (зигзаг). Длина связи С-С в предельных углеводородах равна 0,154 нм (1нм=1*10-9м).

Номенклатура Для названия предельных углеводородов применяют в основном систематическую и рациональную номенклатуры.

Названия первых четырех членов гомологического ряда метана тривиальные: метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пятого названия образованы от греческих числительных с добавлением суффикса –ан (этим подчеркивается сходство всех предельных углеводородов с родоначальником этого ряда — метаном).

метан - СH₄

этан - CH₃-CH₃

пропан - CH₃-CH₂-CH₃

бутан - CH₃-(CH₂)₂-CH₃

пентан - CH₃-(CH₂)₃-CH₃

гексан - CH₃-(CH₂)₄-CH₃

гептан - CH₃-(CH₂)₅-CH₃

октан - CH₃-(CH₂)₆-CH₃

нонан - CH₃-(CH₂)₇-CH₃

декан - CH₃-(CH₂)₈-CH₃

Их общая формула CnH_{2n+ 1} .

Названия радикалов составляют из названий соответствующих углеводородов заменой суффикса -ан на суффикс -ил (метан — метил, этан — этил, пропан — пропил и т.д.).

Двухвалентные радикалы называют, заменяя суффикс -ан на -илиден (исключение - радикал метилен ==СН₂).

Изомерия

Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый состав и одну и ту же молекулярную формулу и массу, но различное химическое строение, а потому обладающие различными физическими и химическими свойствами.

Структурная изомерия

Причиной проявления структурной изомерии в ряду алканов является способность атомов углерода образовывать цепи различного строения. Этот вид структурной изомерии называется изомерией углеродного скелета.

Структурные изомеры имеют одинаковый состав, но различаются химическим строением, при этом химические свойства изомеров - сходны, а физические - различны. Алканы с разветвленным строением из-за менее плотной упаковки молекул и, соответственно, меньших межмолекулярных взаимодействий, кипят при более низкой температуре, чем их неразветвленные изомеры.

В молекулах метана СН₄, этана С₂Н₆ и пропана С₃Н₈ может быть только один порядок соединения атомов, то есть первые три члена гомологического ряда алканов изомеров не имеют. Для бутана С₄Н₁₀ возможны две структуры:

 

ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД, последовательность орг. соед. с одинаковыми функц. группами и однотипным строением, каждый член к-рой отличается от соседнего на постоянную структурную единицу (гомологич. разность), чаще всего метиленовую группу —СН₂—. Члены гомологического ряда наз. гомологами. Примеры гомологического ряда: ряд алканов (общая ф-ла СnН2n+2)-метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈ и т.д.; алкенов (СnН_2n)-этилен С₂Н₄, пропилен С₃Н₈ и т.д.; одноосновных насыщ. спиртов (СnН_2n+1ОН)-метанол СН₃ОН, этанол С₂Н₅ОН, пропанол С₃Н₇ОН и т.д.

 

Физические и химические св-ва алканов. Метод получения и идентификации алканов. Отдельные представители.

Для алканов характерны реакции замещения с галогенами, причем с фтором реакция идет со взрывом. Хлор реагирует только при нагревании или на свету.… CH4 + Cl2 ® CH3Cl + HCl CH3Cl + Cl2 ® CH2Cl2 + HCl и т.д.

Физические и химические св-ва алкенов. Методы получения и идентификации алкенов. Отдельные представители.

Алкены плохо растворимы в воде (однако лучше, чем соответствующие алканы), но хорошо — в органических растворителях. Этилен и пропилен горят… Этилен (этен) С2Н4 Пропилен (пропен) С3Н6

Эффект сопряжения. Физические и химические св-ва диенов. Методы получения и идентификации диенов. Отдельные представители.

Из диеновых углеводородов особое значение имеют дивинил (бута-диен-1,3) и изопрен (2-метилбутадиен-1,3). Рассмотрим основные способы получения этих… Основным промышленным способом получения дивинила и изопрена является… Исходные вещества (сырье) выделяют из продуктов нефтепереработки или попутных газов.

Физ и хим св-ва аренов. Методы получения и идентификации. Отдельные представители.

Способы получения. 1. Получение из алифатических углеводородов. При пропускании алканов с…  

Гидроксирование (спирты и фенолы). Общая характеристика. Физ и хим св-ва. Методы получ и идентиф. Отдел предст.

Номенклатура спиртов

По радикально-функциональной номенклатуре алифатические спирты с прямой углеродной цепью называют по наименованию радикала, например С2Н5ОН этиловый… СН3 –СН2 – ОН – этиловый спирт, СН3 – СН2 –СН2 – ОН – пропиловый спирт

Изомерия

  СН3 – СН 2 – СН 2 – СН 2 –ОН 1-бутанол, (н-бутанол)   СН3 – СН – СН2 – СН3 | 2-бутанол, ОН (втор-бутиловый…

Физические свойства спиртов

Одноатомные предельные спирты.

Методы получения и химические свойства

А. Гидратация алкенов: СН3–CH=CH2+HOН---------------------® СН3–CH–CH3 [H3PO4], T=3000C, P|

В. Гидролиз галогенпроизводных

CH₃– CH₂–Cl + HOH® CH₃– CH₂–OH + HCl

Этилхлорид Этанол

Г. Восстановление альдегидов, кетонов, эфиров

– из альдегидов

CH₃– CОН + Н₂ -------® CH₃– CH₂–OH

Уксусный альдегид (Pt, Ni)Этанол

– из кетонов (получаются вторичные спирты)

СН₃ – С –СН₃ + Н₂ -------® СН₃ – СН –СН₃

|| (Pt)|пропанол-2

О ОН

Пропанон-2

3.2 Химические свойства предельных спиртов

Строение гидроксильной группы

  Предельные одноатомные спирты – практически нейтральные вещества. Они не… Однако в определенных реакциях спирты все же проявляют свойства очень слабых кислот и оснований, т.е. являются…

А) Кислотные свойства спиртов

Взаимодействие со щелочными металломи:

2CH₃– СH₂–OH + 2 Na ® 2CH₃– СH₂–ONa + H₂

Этанол Этаноат Na

Б) Основные свойства спиртов

B) Образование сложных эфиров. Реакции этерификации

CH₃– СH₂–OH + CH₃– СOOH® CH₃– СH₂–O–C–CH₃ + Н₂О

_{Этанол уксусная к-та} || этиловый эфир

O уксусной кислоты

Г) Дегидратация спиртов.

При образовании молекулы воды водород, в соответствии с правилом Зайцева, всегда отнимается от наименее гидрогенизированного атома углерода, находящегося по соседству с углеродом, связанным с гидроксильной группой

CH₃– СH₂– СH₂–OH –––––® CH₃– CH=СH₂ + H₂O

Кат.: (Н⁺) пропен-1

 

2CH₃– СH₂–OH ––® C₂H₅ –O–С₂H₅ + H₂O

диэтиловый эфир

 

Д) Окисление спиртов:

При горении :CH₃– СH₂–OH + 4О₂––––®2СО₂ + 4Н₂О

При действии обычных окислителей – хромовой смеси, перманганата калияокислению подвергается в первую очередь атом углерода, при котором стоит гидроксильная группа.

Первичные

[ О] [ О]

CH₃– СH₂–OH––––® CH₃– СOH––––® CH₃– СOOH

Этанол этаналь этановая кислота

 

Двухатомные и трехатомные спирты. Методы получения и химические свойства.

Двухатомные спирты обычно называют гликолями:

 

 

Получение гликолей

Гликоли могут быть получены способами аналогичными способам получения одноатомных спиртов.

Наиболее важным из гликолей является этиленгликоль. Его получают в промышленности из этилена разными способами.

 

Т

 

 

Физические свойства гликолей

Гликоли хорошо растворимы в воде, плохо растворимы в органических растворителях. Имеют высокие температуры кипения.

Химические свойства гликолей

Гликоли лучше, чем соответствующие одноатомные спирты, растворимы в воде и имеют несколько более кислый характер, хотя и не изменяют окраски… Повышенная кислотность гликолей – это способность гликолей образовывать…  

Способность к образованию эфиров

 

Дегидратация гликолей

При образовании молекулы воды водород, в соответствии с правилом Зайцева, всегда отнимается от наименее гидрогенизированного атома углерода, находящегося по соседству с углеродом, связанным с гидроксильной группой

 

 

 

Трехатомные спирты. Глицерин.

Среди трехатомных спиртов наибольшее значение имеет глицерин:

 

Физические свойства глицерина

Глицерин – вязкая гигроскопическая жидкость с температурой кипения 290⁰С. Смешивается с водой во всех соотношениях.

Способы получения глицерина

Наиболее старый промышленный способ получения глицерина – это гидролиз жиров, так как жиры являются сложными эфирами глицерина и высших карбоновых кислот. При гидролизе жиров в щелочной среде образуются глицерин и соли высших карбоновых кислот (мыла).

 

В настоящее время глицерин получают в промышленности, используя продукты нефтепереработки – пропилен.

 

Химические свойства глицерина

Глицерин по своим свойствам напоминает этиленгликоль. Взаимодействует с гидроокисями тяжелых металлов, образуя глицераты. Гидроксильные группы могут заменены на галоген. Глицерин образует эфиры простые и сложные.

Полный эфир глицерина и азотной кислоты – тринитрат глицерина неточно называют нитроглицерином. Нитроглицерин – сильно взрывчатая жидкость с температурой плавления 13⁰С.

 

Дегидратация глицерина

Нагревание глицерина с водоотнимающими веществами (с гидросульфатом калия) приводит к дегидратации глицерина. При дегидратации образуется простейший непредельный альдегид – акролеин, который имеет острый неприятный запах.

 

Акролеин образуется при прогоркании жиров и жиросодержащих продуктов.

Глицерин применяют в пищевой, кожевенной, формацевцевтической промышленностях.

Фенолы. Общая характеристика. Методы получения и химические свойства.

– для фенолов – СnHn-1 – OH или (Ar–OH)    

Способы получения фенолов

А) Выделение из каменноугольной смолы. Замещение галогена на гидроксил.

 

Б) Окисление изопропилбензола (кумола) кислородом воздуха

 

 

Химические свойства фенолов

Химические свойства фенола обясняются взаимным влиянием гидроксогруппы и бензольного ядра, т.е. его хранением.

Строение гидроксильной группы фенола

А) Реакция со щелочными металлами и щелочами

Сходство со спиртами

2 С₆Н₅–ОН + 2 Na ® 2 С₆Н₅–ОNa + Н₂­

Фенол фенолят натрия

В отличие от предельных спиртов

С₆Н₅–ОН + NaОН ® С₆Н₅–ОNa + Н₂О

Галогенирование

Нитрование.Под действием 20%-ной азотной кислоты фенол легко превращается в смесь орто-, пара-нитрофенолов.

Под действием концентрированной азотной кислоты образуется пикриновая кислота.

 

 

Эфиры

Простые эфиры (этеры).

Простые эфиры - это продукты замещения атома водорода в гидроксиле спирта на

углеводородный радикал. Простые эфиры состоят из двух углеводородных радикалов, соединенных атомом кислорода. Их общая формула - R-O-R'.

СH3-O-CH3 - диметиловый (метоксиметан)

CH3-O-C2H5 - метилэтиловый (этоксиметанэтан)

C2H5-O-C2H5 - диэтиловый (этоксиэтан) - эфир для наркоза.

С6H5-O-CH3 - метилфениловый (метоксифенол)

К простым эфирам относятся диэтилцеллозольв, диоксан (см. спирты) Диметиловый и метилэтиловый эфиры - газы, начиная с диэтилового эфира - жидкости. Между молекулами простых эфиров водородные связи не образуются.

Химические свойства простых эфиров.

Простые эфиры малоактивны и практически не гидролизуются водой и щелочами, и лишь сильные кислоты - йодистоводородная, серная - разлагают их. Легко горят.

C2H5-O-C2H5 + HI C2H5I + C2H5OH; CH3-O-CH3 + 2О2 2CО2 + 3Н2О

C2H5-O-C2H5 + H2SO4 C2H5-O-SO3H + C2H5OH

Этилсульфат

При хранении простые эфиры образуют взрывчатые гидропероксиды, которые способны окислять иодиды, соли железа(II). Это качественные реакции на пероксиды.

C2H5-O-CН2CH3 + O2 стрелка C2H5-O-CН-CH3

ООН

CH3-CH(OOH)-C2H5 + 2KI + H2SO4 стрелка CH3-CHOH-O-C2H5 + I2 + K2SO4 + H2O

Получение простых эфиров

1. Отщепление молекулы воды от двух молекул спирта (одинаковых или различных) в присутствии концентрированной серной кислоты.

H2SO4

2C2H50H стрелка C2H5-O-C2H5

2. Взаимодействием алкоголята металла с галогенпроизводными углеводородов.

C2H5I + C2H5ONa стрелка C2H5-O-C2H5 + NaI

Сложные эфиры (Эстеры).

группа замещена на остаток спирта. Общая формула сложных эфиров - R-CO-O-R' Номенклатура. Изомерия. Названия сложных эфиров производят от названий углеводородного радикала и названия кислоты, в котором используют…

Номенклатура, изомерия аминов

2. По номенклатуре ИЮПАК аминогруппу рассматривают как функциональную группу и ее название амино- ставят перед на­званием основной цепи:    

Способы получения аминов

А) Действием на аммиак галогеналкилами 2NH3 + CH3I ––® CH3– NH2 + NH4I Б) Каталитическое гидрирование нитробензола молекулярным водородом:

Физические свойства аминов

Химические свойства аминов

Наличие свободной электронной пары у атома азота дает ему возможность присоединять протон, поэтому амины подобны аммиаку, проявляют основные… Солеобразование.Амины с кислотами дают соли, кото­рые под действием сильного…  

Диамины

Этилендиамин(1,2-этандиамин) H2NCH2СН2NН2. Он является простейшим диамином; может быть получен дейст­вием аммиака на этиленбромид:  

Аминоспирты

Аминоэтанол(этаноламин) НО—СН2СН2—NH2, или коламин. Этаноламин — густая маслянистая жидкость, смешивает­ся с водой во всех…  

КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ

Общая характеристика: – классификация, номенклатура, изомерия.

Карбоновыми кислотами называются соединения, в которых функциональной группой является карбоксильная группа .

Название группы «карбоксильная» происходит от названия составляющих ее групп – карбонильной и гидроксильной –ОН.

Общая формула карбоновых кислот для:

одноосновных

ароматических

 

Номенклатура.

Для наименования карбоновых кислот широко применяются тривиальные названия, которые часто связаны с первыми источниками их получения: муравьиная, уксусная, стеариновая. По номенклатуре ИЮПАК в основе наименования кислот положено название углеводорода с тем же числом атомов углерода, к которому прибавляется суффикс с окончанием «овая», нумерация начинается с атома углерода карбоксильной группы:

 

Изомерия.

Изомерия определяется строением углеводородного радикала. Для ароматических кислот строением радикала и положением карбоксильной группы.

 

ПРОИЗВОДНЫЕ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

Галогеноангидриды

В этих производных группа OH в карбоновой кислоте замещена на атом галогена (F, Cl, Br, I).

Сложные эфиры

Сложные эфиры представляют собой соединения, содержащие сложноэфирную или алкоксикарбонильную группу:

CO OR

Сложные эфиры можно рассматривать как продукты замещения атома водорода в спиртах на кислотный остаток (ацильный остаток):

O

 

H- О- C2H5 CH3- C-O- C2H5

этиловый спирт этилацетат

 

Физические и хим свойства карбоновых кислот

Обычная для карбонила поляризация двойной связи С=0 сильно возрастает за счет дополнительного стягивания свобод­ной электронной пары с соседнего…   Следствием этого является значительное ослабление связи О—Н в гидроксиле и легкость отщепления атома водорода от него…

Химические свойства

Образование солей.Карбоновые кислоты легко образуют соли при взаимодействии с взаимодействии с металлами, их оксидами, со щелочами или основаниями,…    

Важнейшие представители

Уксусная кислота — бесцветная жидкость с резким запахом. Водный раствор (70 — 80 %) уксусной кислоты называется уксусной эссенцией, а 3 —5%-ный… Уксусная кислота широко встречается в природе. Она содер­жится в моче, поте,… Широко используется в химической промышленности для производства ацетатного шелка, красителей, сложных эфиров,…

АМИНОКИСЛОТЫ Общая характеристика (строение, классификация, номенклатура, изомерия).

Основной структурной единицей белков являются a-аминокислоты. В природе встречается примерно 300 аминокислот. В составе белков найдено 20 различных a-аминокислот (одна из них – пролин, является не амино-, а иминокислотой). Все другие аминокислоты существуют в свободном состоянии или в составе коротких пептидов, или комплексов с другими органическими веществами.

a-Аминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот, у которых один водородный атом, у a-углеродного атома замещен на аминогруппу (–NН₂), например:

 

Различаются аминокислоты по строению и свойствам радикала R. Радикал может представлять остатки жирных кислот, ароматические кольца, гетероциклы. Благодаря этому каждая аминокислота наделена специфическими свойствами, определяющими химические, физические свойства и физиологические функции белков в организме.

Именно благодаря радикалам аминокислот, белки обладают рядом уникальных функций, не свойственных другим биополимером, и обладают химической индивидуальностью.

Значительно реже в живых организмах встречаются аминокислоты с b- или g-положением аминогруппы, например:

Изомерия

В качестве стандарта при определении L и D-конфигураций аминокислот используется конфигурация стереоизомеров глицеринового альдегида. Расположение в проекционной формуле Фишера NH2-группы слева соответствуют…  

Белки

Белки – сложные органические соединения, биополимеры (нерегулярные полимеры), мономерами которых являются аминокислоты.

В состав белков входят 20 аминокислот

В каждый белок входят аминокислоты свойственные этому белку, таким образом, свойства различных белков обусловлены последовательностью аминокислот в молекуле.

Классификация белков

1. По химическому составу – простые и сложные

Простые белки (протеины) – молекулы состоят только из аминокислот.

Подразделяются по растворимости в воде на группы:

протамины гистоны альбумины глобулины проламины глютелины

Сложные белки (протеиды) – помимо полипептидной цепи имеются небелковые компоненты, представленные углеводами (гликопротеиды), липидами (липопротеиды), нуклеиновыми кислоты (нуклеопротеиды), ионами металла (металлопротеиды), фосфатной группой (фосфопротеиды), пигментами (хромопротеиды) и т. д.

Виды сложных белков: липопротеиды гликопротеиды фосфопротеиды металлопротеиды нуклеопротеиды хромопротеиды

2. Подразделяются в зависимости от выполняемых функций по классам:

ферменты

транспортные структурные регуляторные защитные запасные (резервные, пищевые) сократительные

Функции белков:

Каталитическая функция К настоящему времени учеными идентифицировано более 3000 ферментов, почти все они по своей природе являются белками. Основная функция ферментов – управлять скоростью химических реакций в биологических системах.

Транспортная функция. Белок крови гемоглобин осуществляет перенос кислорода к органам и тканям. Альбумины участвуют в переносе липидов. Ряд других белков могут образовывать комплексы с железом, медью, жирами , витаминами и доставлять их к нужным органам.

Защитная функция. Защитная функция реализуется белками-антителами, которые вырабатываются иммунной системой организма при попадании в него чужеродных веществ, называемых антигенами (бактерий, вирусов и др.). Защитная функция также реализуется в способности белков крови, в частности фибриногена, образовывать сгусток (сворачиваться). Это защищает организм от потери крови при ранениях.

Сократительная функция. Сокращение мышц осуществляется с участием миофибриляных белков актина и миозина.

Структурная функция. Белки соединительной ткани, креатин, коллаген, эластин, ретикулин выполняют структурную функцию. Из них состоят покровы тела (кожи, волосы, ногти), сосуды. Белковые комплексы с липидами участвуют в образовании биомембран клеток.

Гормональная функция. Для регулирования обмена веществ организмом используются различные методы, но одну из главных ролей в этом процессе играют гормоны. Множество гормонов представлены белками или полипептидами.

Питательная функция. Питательная функция реализуется белками, ответственными за питание плода. Белки грудного молока (казеин), также выполняет эту функцию.

Таким образом, из этого не полного списка функций белков, можно сделать вывод, что этим веществам принадлежит важная роль в живом организме.

Существует два вида белков: белки животные и растительные. Животные белки содержатся в таких продуктах как яйца, постное мясо, молоко и сыр. Источником растительных белков являются пшеница, рожь и свежие овощи.

 

Пространственное строение белков. Физ и хим св-ва Б

Участок цепи, на котором находится концевая Н2N-группа, называют N-концевым, а противоположный ему — С-концевым. Огромное разнообразие белков… Физ и хим св-ва Б Индивидуальные белки различаются по своим физико-химическим свойствам: форме молекул, молекулярной массе, суммарному…

Классификация углеводов, роль в живых организмах, распространение в природе.

Углеводы — многочисленный класс органических соединений, состоящих из углерода и воды. Углеводы являются основным источником энергии в нашем организме и занимают значительное место в нашем рационе, являясь макронутриентами, наравне с белками и жирами. Что бы нормально функционировать, наш организм нуждается в углеводах.

общей формуле CmH2nOn.

Большинство углеводов содержится в растительных продуктах. В виде сахара, крахмала и пищевых волокон углеводы содержатся в бобовых, зерновых, овощах, фруктах, молоке, хлебобулочных изделиях и многих других продуктах. Производители продуктов питания добавляют в обработанные продукты такие очищенные углеводы как сахар и крахмал, что значительно снижает качество продукта.

Классификация углеводов:

Структурно углеводы подразделяются на следующие группы:

Простые углеводы.

Моносахариды и олигосахариды — простые углеводы. Олигосахариды: глюкоза, фруктоза, галактоза, манноза. Дисахариды: сахароза (собственно, сахар), лактоза (молочный сахар), мальтоза, лактулоза, изомальтоза.

К ним относят глюкозу, галактозу и фруктозу (моносахариды), а также сахарозу, лактозу и мальтозу (дисахариды).

Глюкоза – главный поставщик энергии для мозга. Она содержится в плодах и ягодах и необходима для снабжения энергией и образования в печени гликогена.

Фруктоза почти не требует для своего усвоения гормона инсулина, что позволяет использовать ее при сахарном диабете, но в умеренных количествах.

Галактоза в продуктах в свободном виде не встречается. Получается при расщеплении лактозы.

Сахароза содержится в сахаре и сладостях. При попадании в организм расщепляется на более составляющие: глюкозу и фруктозу.

Лактоза – углевод, содержащийся в молочных продуктах. При врожденном или приобретенном дефиците фермента лактазы в кишечнике нарушается расщепление лактозы на глюкозу и галактозу, что известно как непереносимость молочных продуктов. В кисломолочных продуктах лактозы меньше, чем в молоке, так как при сквашивании молока из лактозы образуется молочная кислота.

Мальтоза – промежуточный продукт расщепления крахмала пищеварительными ферментами. В дальнейшем мальтоза расщепляется до глюкозы. В свободном виде она содержится в меде, солоде (отсюда второе название – солодовый сахар) и пиве.

Сложные углеводы.

Полисахариды — углеводы, состоящие из нескольких молекул глюкозы, соединённых вместе. Вызывают меньший скачок уровня сахара крови. К ним относятся: декстрин, целлюлоза, крахмал (это полисахарид, содержащийся в овощах, зерновых, в бобовых), гликоген (животный полисахарид) и др. Полисахариды ещё называют — сложные углеводы.

Клетчатка — так же является группой полисахаридов. Продукты, богатые клетчаткой: овощи, фрукты, цельные зёрна, бобовые. Употребление клетчатки 25-30 гр. в сутки является необходимым условием полноценного рационального питания.

К ним относят крахмал и гликоген (перевариваемы углеводы), а также клетчатку, пектины и гемицеллюлозу.

Крахмал – в питании составляет до 80% всех углеводов. Его основные источники: хлеб и хлебобулочные изделия, крупы, бобовые, рис и картофель. Крахмал, относительно медленно переваривается, расщепляясь до глюкозы.

Гликоген, его еще называют «животный крахмал», - полисахарид, который состоит из сильно разветвленных цепочек молекул глюкозы. Он в небольших количествах содержится в животных продуктах ( в печени 2-10% и в мышечной ткани – 0,3-1% ).

Клетчатка – это сложный углевод, входящий в состав оболочек растительных клеток. В организме клетчатка практически не переваривается, лишь незначительная часть может подвергнуться под влиянием находящихся в кишечнике микроорганизмов.

Клетчатку, вместе с пектинами, лигнинами и гемицеллюлозой, называют или балластными веществами. Они улучшают работу пищеварительной системы, являясь профилактикой многих заболеваний. Пектины и гемицеллюлоза обладают гигроскопичными свойствами, что позволяет им сорбировать и увлекать с собой избыток холестерина, аммиак, желчные пигменты и другие вредные вещества. Еще одним важным достоинством пищевых волокон является их помощь в профилактике ожирения. Не обладая высокой энергетической ценностью, овощи из-за большого количества пищевых волокон способствуют раннему чувству насыщения.

В большом количестве пищевые волокна содержится в хлебе грубого помола, отрубях, овощах и фруктах.

У. составляют большую (часто основную) часть пищевого рациона человека.

Биологическая роль углеводов. Роль У. в живых организмах чрезвычайно многообразна. В растениях моносахариды являются первичными продуктами фотосинтеза и служат исходными соединениями для биосинтеза разнообразных гликозидов, полисахаридов, а также веществ др. классов (аминокислот, жирных кислот, полифенолов и т.д.). Эти превращения осуществляются соответствующими ферментными системами, субстратами для которых служат, как правило, богатые энергией фосфорилированные производные сахаров, главным образом нуклеозиддифосфатсахара. У. запасаются в виде крахмала в высших растениях, в виде гликогена в животных, бактериях и грибах и служат энергетическим резервом для жизнедеятельности организма (см. Брожение, Гликолиз, Окисление биологическое). В виде гликозидов в растениях и животных осуществляется транспорт различных продуктов обмена веществ. Многочисленные полисахариды или более сложные углеводсодержащие полимеры выполняют в живых организмах опорные функции. Жёсткая клеточная стенка у высших растений построена из целлюлозы и гемицеллюлоз, у бактерий - из пептидогликана; в построении клеточной стенки грибов и наружного скелета членистоногих принимает участие хитин. В организме животных и человека опорные функции выполняют сульфатированные мукополисахариды соединительной ткани, свойства которых позволяют обеспечить одновременно сохранение формы тела и подвижность отдельных его частей; эти полисахариды также способствуют поддержанию водного баланса и избирательной катионной проницаемости клеток. Аналогичные функции в морских многоклеточных водорослях выполняют сульфатированные галактаны (красные водоросли) или более сложные сульфатированные гетерополи-сахариды (бурые и зелёные водоросли); в растущих и сочных тканях высших растений аналогичную функцию выполняют пектиновые вещества. Особенно важную и до конца ещё не изученную роль играют сложные У. в образовании специфических клеточных поверхностей и мембран. Так, гликолипиды - важнейшие компоненты мембран нервных клеток, липополисахариды образуют наружную оболочку грамотрицательных бактерий. У. клеточных поверхностей часто определяют явление иммунологической специфичности, что строго доказано для групповых веществ кров и и ряда бактериальных антигенов. Имеются данные, что углеводные структуры принимают участие также в таких высокоспецифичных явлениях клеточного взаимодействия, как оплодотворение, "узнавание" клеток при тканевой дифференциации и отторжении чужеродной ткани и т.д.

 

Физические-химические свойства моносахаридов строение, классиф, номенклатура, изомерия.

Строение Моносахариды содержат несколько центров хиральности (асимметрических атомов углерода). Поэтому одной и той же структуре соответствует несколько стереоизомеров, число которых можно найти, используя формулу Фишера:

N=2ⁿ, где n – число асимметрических атомов углерода.

 

D-глицериновый альдегид L-глицериновый альдегид (R-конфигурация)

(S- конфигурация)

В природе встречаются преимущественно альдозы и кетозы, у которых конфигурация у асимметрического атома углерода, связанного с гидроксиметильной группой, т. е. наиболее удаленного от карбонильного фрагмента, такая же, как у правовращающего, т. е. D-глицеринового альдегида. В соответствии с этим такие альдозы и кетозы стали относить к так называемому D-ряду. Другими словами, к D-ряду относятся все альдозы, которые могут быть получены из D-глицеринового альдегида путем последовательного удлинения его цепи со стороны альдегидной группы.

Аналогично отнесение альдоз и кетоз к L-ряду производится сопоставлением их строения со строением L-глицеринового альдегида.

КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА МОНОСАХАРИДОВ

Моносахариды относятся к гетерофункциональным соединениям, в состав которых входят оксогруппа и несколько гидроксильных групп. Среди них наиболее распространены полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны. Однако встречаются также соединения, содержащие и другие функциональные группы и отличающиеся другими особенностями строения.

Если моносахариды содержат альдегидную группу, то они называются альдозами (I), если кетонную группу то – кетозами (II). Для названий моносахаридов используется суффикс –оза, например, глюкоза. Типы моносахаридов:

 

В зависимости от длины углеродной цепи альдозы делятся на тетрозы, пентозы и т. д., а кетозы – на тетрулозы, пентулозы и т. д.

Моносахариды, углеродный скелет которых состоит из семи и более атомов углерода, называют высшими сахарами.

Название полиолов(III) также зависит от числа углеродных атомов в молекуле – тетриты, пентиты, гекситы. Название конкретного полиола зависит от того, восстановлением какой альдозы он может быть получен. Например, рибоза может быть восстановлена до рибита, манноза – до маннита, ксилоза – до ксилита. Исключением является сорбит и дульцит, соответствующие восстановленным глюкозе и галактозе.

Уроновые кислоты(IV) формально получаются окислением концевой гидроксиметильной группы альдоз. В зависимости от названия последних они именуются ксилуроновая, галактуроновая, глюкуроновая кислоты и т. д. Соответсвенно, альдоновые кислоты (V) являются продуктами окисления альдегидной группы в альдозах и называются рибоновой, манноновой, глюконовой и др. кислотами.

Сахарные, или аровые, кислоты(VI) относятся к двухосновным кислотам, которые получаются окислением обеих концевых групп альдоз, например, маннаровая, глюкаровая кислоты.

К дезоксисахарам(VII) относятся альдозы и кетозы, у которых одна или несколько гидроксильных группа заменены на атом водорода. Например, 2-дезоксирибоза, 6-дезоксигулоза; 2,3-дидезоксиманноза и т. д.

Аминосахара(VIII) представляют собой продукты формального замещения гидроксильной группы на аминную или замещенную аминную. Их названия составляются в зависимости от исходного моносахарида: например: 3-амиио-3-дезоксиглюкоза (m = 1; n = 2; R = Н в приведенной выше формуле). При наименовании 2-амино-2-дезоксисахаров по тривиальной номенклатуре исходят из названия соответствующего моносахарида, к которому добавляют второй корень «амин»: глюкозамин.

Физические свойства моносахаридов:

Моносахариды – твердые кристаллические вещества, обычно бесцветные, некоторые обладают сладким вкусом. Гигроскопичны, хорошо растворяются в воде, образуя растворы и сиропы. Альдозы и кетозы также хорошо растворимы в диметилформамиде, диметилсульфоксиде и в некоторых других полярных апротонных растворителях, хуже – в спирте, не-растворимы в неполярных растворителях (эфир, гексан, четыреххлористый углерод и т.д.). Водные растворы моносахаридов имеют нейтральную реакцию на лакмус.

Природные моносахариды с углеродной цепью, содержащей более девяти атомов углерода, не обнаружены.

D-Глюкоза образует кристаллы с t_пл = 146 °С у α-глюкопиранозы и 148–150 °С – у β-глюкопиранозы. При нагревании в пиридине α-форма (удельное вращение +112,2°) превращается в β-форму (удельное вращение +17,5°). Поэтому из водных и спиртоводных растворов кристаллизуется α-D-глюкопираноза, а из растворов в пиридине – β-D-глюкопираноза.

D-Галактоза кристаллизуется в виде моногидрата. Безводные кристаллы плавятся при 164 °С; удельное вращение (конечное значение) +81°.

D-Манноза. Маннопираноза плавится при 132 °С, а ее α- и β-формы имеют разное значение угла вращения (+30 и –17° соответственно); конечный угол вращения, устанавливающийся в результате мутаротации, равен +14,5°.

D-Фруктоза в 2,5 раза слаще глюкозы и в 1,7 раза – тростникового сахара. Безводная фруктоза плавится при 102–104 °С. Значение удельного угла вращения в равновесном (после достижения постоянного значения при мутаротации) состоянии равно –92°, благодаря чему фруктозу называют левулозой.

Химические свойства моносахаридов

Альдозы и кетозы – полифункциональные соединения, их химические свойства обусловлены наличием и взаимным расположением гидроксильных и карбонильных групп.

В моносахаридах прочность углерод–углеродной связи уменьшается в связи с большим содержанием электроотрицательных групп, и они оказываются неустойчивыми к действию щелочей и окислителей.

Гидроксильные группы в молекулах моносахаридов обладают более сильными кислотными свойствами, чем в спиртах. Это связано с влиянием заместителей (гидроксильные и карбонильные группы), обладающих отрицательным индуктивным эффектом, а также способностью гидроксилов стабилизировать соответствующие анионы за счет образования внутримолекулярных водородных связей. Этим объясняется способность моносахаридов образовывать алкоголяты не только со щелочными металлами, но и с гидроксидами щелочных и щелочноземельных металлов.

Качественные реакции альдоз и кетоз:

1. Обработка реактивом Фелинга. Реактив представляет собой смесь сульфата меди и тартрата калия-натрия в щелочном растворе. При обработке этим раствором альдоз и кетоз, способных к эпимеризации, осаждается оксид или гидроксид меди (I); цвет осадка от желтого до красного.

2. Реакция серебряного зеркала. Альдозы и кетозы при обработке реактивом Толленса осаждают металлическое серебро. В случае кетоз это объясняется тем, что они в присутствии оснований способны к изомеризации (эпимеризации), в результате которой генерируется альдегидная форма. Реактив Толленса готовят, смешивая растворы едкого натра и нитрата серебра, в результате чего выпадает осадок оксида серебра. При осторожном добавлении водного раствора аммиака осадок растворяется и образуется ион [Ag(NH₃)₂]⁺ (в осадок не выпадает).

Окисление альдоз и кетоз:

1. Окисление до сахарных (гликаровых) кислот. Азотная кислота окисляет альдозы и кетозы до двухосновных кислот. При этом окисляются первичные гидроксильные группы и альдегидные. Эти реакции рассматривались при описании методов установления конфигурации.

2. Окисление до гликоновых (альдоновых) кислот. Использование более мягких окислителей, например, разбавленной азотной кислотой или бромной воды, позволяет проводить окисление более избирательно. В таких условиях окисляются только альдегидные группы.

3. Окисление до гликуроновых (уроновых) кислот. Это соединения, в которых концевая первичная гидроксильная группа моносахарида окислена до карбоксильной, в то время как карбонильная группа остается без изменений. Их довольно трудно синтезировать в лаборатории, хотя они распространены в природных условиях, особенно D-глюкуроновая кислота, возникающая in vivo при ферментативном окислении. Важная биологическая роль D-глюкуроновой кислоты состоит в том, что многие токсические вещества выделяются с мочой в виде ее производных – глюкуронидов

Восстановление альдоз и кетоз

При восстановлении карбонильной группы моносахаридов получаются полиолы. Альдозы образуют лишь один полиол, кетозы дают смесь двух стереоизомеров. Восстановление обычно проводится борогидридом натрия в воде или спирте, реже амальгамой натрия.

Изомерия моносахаридов

Многообразие моносахаридов обусловлено проявлением различных видов изомерии. Так, формуле С6Н12О6 только в открытой форме (без учета циклических структур) соответствуют 24 изомера (структурных и пространственных).

Все моносахариды (кроме дигидроксиацетона) содержат хиральные атомы углерода и имеют стереоизомеры. Простейшая альдоза, глицериновый альдегид, содержит один хиральный атом С и существует в виде двух оптических изомеров – D и L:

 

Альдогексозы содержат четыре асимметричных атома углерода и могут существовать в виде 16 стереоизомеров (24), представителем которых является, например, глюкоза. Для альдопентоз и альдотетроз число сте-реоизомеров равно соответственно 23 = 8 и 22 = 4.

Все изомеры моносахаридов подразделяются на D- и L-формы (D-и L-конфигурация) по сходству расположения групп атомов у последнего центра асимметрии с расположением групп у D- и L-глицеральдегида. Природные гексозы: глюкоза, фруктоза, манноза и галактоза – принадлежат, как правило, по стереохимической конфигурации к соединениям D-ряда (схема 5.1).

Известно, что природные моносахариды обладают оптической активностью. Способность вращать плоскость поляризованного луча света – одна из важнейших особенностей веществ (в том числе моносахаридов), молекулы которых имеют асимметричный атом углерода или асимметричны в целом. Свойство вращать плоскость поляризованного луча вправо обозначают знаком плюс (+), а в противоположную сторону – знаком минус (–). Так, D-глицеральдегид вращает плоскость поляризованного луча вправо, т. е. D-глицеральдегид является D(+)-альдотриозой, а L-гли-церальдегид – L(–)-альдотриозой. Однако направление угла вращения поляризованного луча, которое определяется асимметрией молекулы в целом, заранее непредсказуемо. Моносахариды, относящиеся по стереохимической конфигурации к D-ряду, могут быть левовращающими. Так, обычная форма глюкозы, встречающаяся в природе, является правовращающей, а обычная форма фруктозы – левовращающей.

 

Дисахариды. физико-химические свойства, строение.

Дисахариды имеют формулу С12Н22О11 К дисахаридам относятся: -Сахароза (глюкоза + фруктоза) , -лактоза (глюкоза +… Физические свойства. Дисахариды — бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде (исключение…

Полисахариды. Строение, хим св-ва отдельных представителей.

Крахмал является основным компонентом картофеля (20—24%), кукурузы (50—70%), пшеницы (» 70%), риса (» 80%). Целлюлоза является главной составной частью древесины (» 50%), льна (» 80% ),… Крахмал — белый порошок, нерастворимый в холодной воде, в горячей воде набухает, образуя крахмальный клейстер. Крахмал…

Липицы.

Классификация липидов: При этом чаще всего используют классификацию, группирующую липиды по… Простые: сюда входят сложные эфиры жирных кислот и спирты.

Строение простых липидов. Воски

Среди веществ растительного и животного происхождения очень распространены соединения, относящиеся к классу сложных эфиров, т. е. вещества,… R' — (CO) — O — R'' где R' и R" - углеводородные радикалы, которые могут иметь самое разное строение и длину.

Сложные липиды

Фосфолипиды — триглицериды, у которых один остаток жирной кислоты замещен на остаток фосфорной кислоты. Принимают участие в формировании клеточных… Гликолипиды — см. выше. Липопротеины — комплексные вещества, образующиеся в результате соединения липидов и белков.

Прогоркание (порча) жиров. Аналитическая характеристика жиров.

Различают два вида прогоркания — биохимическое и химическое. Биохимическое прогоркание характерно для жиров, содержащих значительное… Химическое прогоркание — результат окисления жиров под действием О2 воздуха (автоокисление). Первая стадия —…

Мыла и детергенты.

Один из вариантов химического состава твёрдого мыла — C17H35COONa (жидкого — C17H35COOK). Детергенты (detergere — очищать) — вещества, обладающие выраженной… Кроме того, благодаря поверхностно-активным свойствам детергенты изменяют проницаемость клеточных мембран и поэтому…