К вопросу о границах применимости пространственных химических формул (стр. 2 )

Как видим, от конкретных условий существования (и способов полу­чения) веществ зависят их строение и, следовательно, их физические свойства и реакционная способность, поэтому совсем не безразлично, какая формула применяется в каждом конкретном случае. Если же конкретные условия существования веществ не указаны - принято считать, что они существуют в своих стандартных состояниях (т. е. устойчивых, точно определенных состояниях при стандартных условиях). Так, для веществ, имеющих в своем стандартном состоянии молекулярное строе­ние, обычно применяют соответствующие молекулярные формулы, а для веществ, не имеющих молекулярного строения в своем стандартном сос­тоянии, - соответствующие их стехиометрическому составу простейшие формулы. В ряде случаев простейшие формулы (как общие для всех мо­дификаций какого-либо вещества) применяют при написании уравнений тех реакций, которые протекают по одной, общей для всех модификаций данного вещества, схеме. При этом, для формул состава соедине­ний различных типов приняты определенные правила написания, которые несколько повышают (конечно, в пределах состава) их информатив­ность. Например, для двухэлементных неорганических соединений в формуле состава принято писать слева символ электроположительного (или относительно более электроположительного) элемента, справа - электроотрицательного (или относительно более электроотрицательно­го). Это же правило применяют обычно и для немолекулярных соедине­ний более сложного состава (в том числе и комплексных), т. к. многие из них сохраняют черты бинарных соединений - их формульные единицы состоят из двух видов (по условному заряду) структурных единиц.

Таким образом, компактные, удобные в использовании формулы сос­тава широко применяются при изучении веществ, т. к. позволяют мно­гое сказать о них. Однако по написанной формуле состава не всегда можно точно определить, какое именно вещество (его агрегатное сос­тояние, модификация) имеется в виду. Так, одну и ту же простейшую формулу SiO2 применяют для всех известных модификаций оксида крем­ния (IV) (кварца, кристобалита, тридимита, стишовита, коэсита и др.), поскольку все они имеют одинаковый стехиометрический состав. Но зная это, невозможно объяснить, почему из всех модификаций именно стишовит в наибольшей степени отличается своими свойствами: име­ет значительно большую плотность и меньшую активность (например, в отличие от кварца устойчив даже к концентрированному раствору пла­виковой кислоты). Объясняется же своеобразие свойств стишовита от­личием его структуры (стишовит имеет октаэдро-треугольную коорди­нацию атомов в кристалле) от структуры других модификаций (все они имеют тетраэдро-линейную координацию), что можно показать, приме­няя изображения взаимной координации атомов (пространственные). Не­редко совершенно разные вещества имеют одинаковый состав. Например, глюкоза, галактоза, манноза, фруктоза и сорбоза имеют одну и ту же молекулярную формулу C6H12O6. Поэтому, чтобы показать различие глюкозы и фруктозы (отличающихся наличием альдегидной или кетонной группы), необходимо применить их структурные формулы. А чтобы пока­зать различие глюкозы, галактозы и маннозы или фруктозы и сорбозы (отличающихся друг от друга пространственным расположением атомов и атомных групп), приходится применять их проекционные формулы.

При изучении гомологических рядов различных органических веществ часто пользуются общими (для всех членов каждого гомологического ряда) молекулярными формулами. Например, общая молекулярная форму­ла алканов СnН2n+2. Эта формула выражает состав молекул всех алканов, независимо от их химического строения, т. е. она применима к предельным углеводородам и с нормальным, и с изостроением. Зная об­щую молекулярную формулу, легко, исходя из нее, вывести конкретную молекулярную формулу любого гомолога, если известно n - число ато­мов углерода в его молекуле.

Состав молекул представителей разных гомологических рядов иног­да может быть выражен одинаковой общей молекулярной формулой. На­пример, СnН2n - общая молекулярная формула алкенов и циклоалканов, что наглядно свидетельствует о том, что они (при одинаковом числе атомов углерода в молекулах) являются изомерами. Одинаковые общие молекулярные формулы могут быть и у производных углеводородов: СnН2n+2O - общая молекулярная формула предельных одноатомных спир­тов и простых эфиров, СnН2n+2О2 - общая молекулярная формула пре­дельных одноосновных кислот и сложных эфиров и. др. Например, для приведенных выше общих молекулярных формул при n=3 изомерами явля­ются пропилен и циклопропан (молекулярная формула С3Н6); первичный и вторичный пропиловый спирт и метилэтиловый эфир (молекулярная формула С3Н8О); пропионовая кислота, муравьиноэтиловый эфир и уксуснометиловый эфир (молекулярная формула С3Н6О2). Причем с уве­личением числа атомов углерода в молекулах органических веществ число изомеров резко возрастает, поэтому в органической химии час­то приходится пользоваться формулами, отражающими химическое или пространственное строение молекул.

Химическое строение веществ, т. е. определенную последователь­ность соединения атомов в молекуле и условную кратность их связей показывают формулы второго типа: электронные, структурные (развер­нутые, сокращенные, упрощенные), общие структурные. Электронные формулы - это формулы, в которых точками вокруг символов элементов обозначены электроны внешнего уровня соответствующих атомов, а между ними - связывающие электронные пары. Так, электронные формулы метана , аммиака , воды . Конечно, при таком изображении, отвечающем представлениям теории валентных связей (лока­лизованных электронных пар) о химической связи и строении молекул, искусственно вычленяются части из целой молекулы, и его условность очевидна. Тем не менее, с помощью электронных формул можно наглядно показать не только последовательность соединения атомов в молекуле и число связывающих электронных пар (ковалентных связей), но и число несвязывающих электронных пар. Это позволяет во многих слу­чаях судить о строении молекул и, следовательно, о химической активности веществ (т. к. основными свойствами ковалентной связи яв­ляются насыщаемость и направленность). Например, аммиак, в моле­куле которого одна из sp3-гибридных орбиталей занята несвязываю­щей электронной парой, в отличие от метана при обычных условиях легко отщепляет катион водорода даже от слабых его доноров:

Как видим, электронными формулами удобно пользоваться для объяснения поведения веществ, имеющих мо­лекулярное строение, в различных реакциях, а потому этими формула­ми часто пользуются при рассмотрении различных механизмов реакций. Так, с помощью электронных формул обычно показывают, как происхо­дит разрыв ковалентных связей в реагирующих молекулах, по какому механизму: гомолитическому (при протекании реакций по свободнорадикальному механизму) или гетеролитическому (при протекании реакций по электрофильному или нуклеофильному механизмам).

Однако не трудно представить, какими громоздкими должны быть электронные формулы веществ, молекулы которых имеют сложное строе­ние, как, например, молекулы многих органических веществ. Поэтому в органической химии, чтобы показать химическое строение веществ, применяют структурные формулы или, если есть необходимость показать в молекуле несвязывающие электронные пары, - структурные формулы с необходимым числом пар точек у соответствующих символов элементов.

Структурные формулы - это изображения химического строения моле­кул, где каждая связывающая электронная пара изображается штрихом (валентной чертой). Структурные формулы органических соединений со­держат информацию о наличии или отсутствии разветвлений в углерод­ном скелете молекулы, местах расположения этих разветвлений, нали­чии циклических группировок атомов в молекулах ароматических и дру­гих органических соединений с циклическим строением и т. п. В орга­нической химии применяют структурные формулы как в развернутом, так и в сокращенном и упрощенном видах. Причем значительно чаще при­меняют не развернутые структурные формулы, в которых штрихами от­мечены все связывающие электронные пары (ковалентные связи) в мо­лекулах, а сокращенные (краткие) структурные формулы, где показа­ны лишь связи между атомами, образующими цепь или цикл. Например, для циклобутана (I) и изопрена, или 2-метил-1,3-бутадиена (2):

развернутые структурные формулы:

сокращенные структурные формулы:

Иногда в сокращенных структурных формулах штрихи вообще опускают, например: CH3CH2CH2CH3 (н-бутан); C6H5CH(CH3)2 (изопропилбензол). Нередко в сокращенных структурных формулах циклических соединений опускаются символы элементов углерода и водорода, а штрихи, соеди­няясь друг с другом, образуют соответствующие циклы, например:

И развернутые, и сокращенные структурные формулы веществ одинако­вого состава могут быть написаны по-разному, но если последова­тельность соединения атомов в разных вариантах написания формул одинакова - это будут равнозначные формулы. Так, в приведенных ни­же примерах I и П из разных по форме написания структурных формул:

равнозначны формулы 1 и 2 (пример I) и 1 и 3 (пример П), т. к. от­ображают одинаковую последовательность соединения атомов в молеку­лах н-пентана и 1-бутина. Формулы же 1 и 3 (пример I), как и 1 и 2 (пример П) принадлежат структурным изомерам: н-пентану и 2-метил-бутану в первом случае (изомерия углеродного скелета) и 1-бутину и 2-бутину во втором случае (изомерия положения кратных связей).

Упрощенные структурные формулы - это формулы, показывающие в молекулах производных углеводородов наличие каких-либо функцио­нальных групп (-ОН,-СНО,-СООН и др.) и состав связанных с ними уг­леводородных радикалов, например: С17Н31СООН (линолевая кислота). В ряде пособии, чтобы подчеркнуть большую информативность этих формул по сравнению с молекулярными, их называют рациональными. Например, если у вещества, имеющего молекулярную формулу С4Н10О, обнаружены свойства спирта (обусловленные наличием гидроксильной группы), то его рациональная, или упрощенная структурная, формула - С4Н9ОН. Однако зная лишь это, нельзя определить конкретное веще­ство, т. е. какой это спирт: 1-бутанол СН3(СН2)3ОН; 2-метил-1-пропанол (СН3)2СНСН2ОН; 2-бутанол С2Н5СН(ОН)СН3 или 2-метил-2-пропанол (СН3)3СОН. (Обратим внимание: чтобы показать различие этих спиртов, являющихся структурными изомерами, пришлось воспользо­ваться их сокращенными структурными формулами.) Как видим, по сравнению с развернутыми и сокращенными структурными формулами упрощенные структурные, или рациональные, формулы значительно ме­нее информативны: не показывают полностью химического строения мо­лекул и не позволяют во многих случаях даже судить о нем. Тем не менее они оказываются достаточно удобными при изучении химических свойств веществ, обусловленных наличием той или иной функциональ­ной группы; при написании уравнений химических реакций, соответст­вующих этим свойствам; при решении химических задач.