Химия . (стр. 3 )

Если в молекуле метана один атом водорода заменить на группу СН3, то получится молекула этана СН3 – СН3.

Атом углерода, при котором находятся три атома водорода и один атом углерода, называют первичным.

В молекуле этана существует одинарная неполярная углерод - углерод связь длиной 0,154 нм.

В молекуле пропана СН3 – СН2 – СН3 при центральном атоме углерода находятся два атома водорода и два атома углерода. Такой атом называют вторичным.

Если атом углерода связан с тремя углеродными атомами, то говорят о третичном атоме:

СН3 – СН – СН3

  СН3

Углерод, при котором находятся четыре атома углерода, называется четвертичным:

  СН3

СН3 – С – СН3

  СН3

Образование двойной связи

В молекуле С2Н4 этилена, между атомами углерода двойная связь, которая отражается в структурной формуле двумя одинаковыми черточками:

СН2  СН2

Связи, отраженные этими формулами, хотя и ковалентные, но разные по способу перекрывания – одна из них у, другая – р - связь.

В молекуле этилена каждый атом углерода соединен с тремя другими атомами (одним атомом углерода и двумя атомами водорода), поэтому в гибридизацию вступают только три электронные орбитали: одна S и две Р, т. е. происходит Sp2 – гибридизация.

Эти три орбитали располагаются в одной плоскости под углом 1200 по отношению друг к другу. Орбитали каждого атома углерода перекрываются с S-орбиталями двух атомов водорода и с одной такой же Sp2 – гибридной орбиталью соседнего атома углерода и образуют три связи под углом 1200.

Следовательно, молекула этилена будет иметь плоское строение.

Две Р-орбитали атомов углерода, которые участвуют в гибридизации, будут перекрываться в двух областях, перпендикулярно плоскости молекулы и образуют р-связь

Однако, «боковое» перекрывание p-орбиталей происходит в меньшей степени, чем p-орбиталей по линии связи, кроме этого, оно образуется на большем удалении от ядер связывающихся атомов. Поэтому р-связь будет менее прочной, чем у-связь. И тем не менее под воздействием  р-связи атомы углерода еще более сближаются друг с другом: в молекулах метана СН4 и этана С2Н6 расстояние между ядрами атомов составляет 0,154 нм, а в молекуле этилена С2Н4 – 0,134 нм.

5.3 Образование тройной связи        

В молекуле ацетилена С2Н2 имеется тройная связь: одна у-связь и две р-связи. Молекула ацетилена имеет линейное строение, т. к. в ней каждый атом углерода соединен у-связями только с двумя другими атомами – атомом углерода и атомом водорода, при этом происходит Sp-гибридизация, в которой участвуют лишь две орбитали – одна S и одна Р.

Две гибридные орбитали ориентируются друг относительно друга под углом 1800 и образуют две у-связи с S-орбиталью атома водорода и еще одну у-связь с Sp-гибридной орбиталью соседнего атома углерода.

Не вступившие в гибридизацию две p-орбитали при боковом перекрывании с подобными орбиталями образуют еще две р-связи, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Появление третьей связи обуславливает дальнейшее сближение атомов углерода – расстояние между ними (длина С = С связи) в молекуле ацетилена 0,120 нм.

6 Алканы

6.1 Основные понятия

Углеводороды – это органические соединения, состоящие из двух элементов – углерода и водорода.

Углеводороды с общей формулой СnH2n + 2, которые не присоединяют водород и другие элементы, называются предельными углеводородами или алканами (парафинами).

Алканы – название предельных углеводородов по международной номенклатуре.

Парафины – исторически сохранившееся название предельных углеводородов (лат. parrum affinis – малоактивный).

В общей формуле буква n – целое число, показывающее, сколько атомов углерода содержится в молекуле данного углеводорода.

6.2 Строение молекулы метана

Простейшим представителем предельных углеводородов является метан. Строение молекулы метана можно выразить молекулярной, структурной и  электронной формулами:

  СН4 – молекулярная формула

       

  Н  Н

Н  С  Н  Н  С  Н 

  Н  Н

структурная формула  электронная формула 

Так как гибридные электронные облака атомов углерода направлены к вершинам тетраэдра, то при образовании молекул этана, пропана, направление химической связи между вторым и третьим атомами углерода не может совпадать с направлением связи между первым и вторым атомами углерода.

Образуется угол 109028 . Такие  же углы существуют между четвертым, пятым и другими атомами углерода. Углеродная цепь поэтому принимает зигзагообразную форму, но при изображении формул эти углы не показывают.

6.3 Гомологический ряд

Ряд соединений, в котором каждый последующий член отличается от предыдущего на одну и ту же группу СН2, называют гомологическим рядом, а отдельные члены этого ряда – гомологами.

Группа СН2 называется гомологической разностью.

Гомологический ряд алканов выглядит следующим образом:

СН4 – метан

С2Н6 – этан  газы

С3Н8 – пропан 

С4Н10 – бутан

С5Н12 – пентан

С6Н14 – гексан

С7Н16 – гептан  жидкости

С8 Н18 – октан

С9Н20 – нонан

С10Н22 – декан

С17Н36 и далее – твердые вещества

6.4 Номенклатура

Предельные углеводороды называют в основном по систематической и рациональной номенклатурам.

Общее (родовое) название предельных углеводородов – алканы.

Первые четыре члена гомологического ряда алканов называют: метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пятого гомолога названия строят при помощи греческого числительного (пента – пять, гекса - шесть, гепта – семь, окта – восемь, нона – девять,  дека – десять) и суффикса – ан: пентан, гексан и т. д.

По систематической номенклатуре название алканов, имеющих разветвленную цепь, составляют по схеме:

1)        в структурной формуле выбирают самую длинную углеродную цепочку;

  1  2  3  4  5  6

H3C – CH – CH2 – CH – CH2 – CH3

  CH3  CH2 –  CH3

2) цепочку нумеруют с того конца, к которому ближе расположено ответвление цепи;

3) название алкана производят в следующем порядке:

- перечисляют в углеродной цепи номера углеродных атомов (цифрами), при которых имеются ответвления;

- если при одном и том же углеродном атоме находятся два радикала, то одну и ту же цифру повторяют дважды;

называют радикалы в алфавитном порядке: метил, этил и т. д.; если одинаковых радикалов несколько, то их число указывают

греческими числительными;

называют главную цепь, учитывая число углеродных атомов, входящих в ее состав.

Таким образом, углеводород, формула которого приведена выше, называют 2-метил-4-этилгексан.

По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные метана, в молекуле которого один или несколько водородных атомов замещены на радикалы. Эти радикалы перечисляют в алфавитном порядке и добавляют слово «метан».

  CH3 

  1  2  3  4  5  1  2  3  4

H3C  CH  CH2  CH2  CH3  H3C  C  CH2  CH3 

  CH3  CH3

  2-метилпентан или  2,2-диметилбутан или 

  диметилпропилметан  триметилэтилметан 

Свою номенклатуру имеют и радикалы. Одновалентные радикалы называют алкинами и обозначают буквой R. Названия радикалов составляют из названий соответствующих углеводородов заменой суффикса –ан на суффикс –ил: метан-метил (CH4 – CH3), этан-этил (C2H6-C2H5), пропан-пропил (C3H8-C3H7).

Двухвалентные радикалы называют, заменяя суффикс –ан на –илиден, исключение: радикал метилен CH2; этан-этилен C2H6-C2H4. 

Трехвалентные радикалы имеют суффикс –илидин, исключение: радикал метин CH; этан-этилидин C2H6-C2H3.

6.5 Изомерия

Для алканов характерен один вид изомерии – структурная.

Такие изомеры отличаются друг от друга только порядком связей углеродных атомов между собой.

В молекулах метана, этана и пропана может быть только один единственный порядок соединения углеродных атомов.

  H  H  H  H  H  H

H  C  H  H  C  C  H  H  C  C  C  H

  H  H  H  H  H  H

  метан  этан  пропан

Если в молекуле алкана содержится более трех атомов углерода, то связь между ними может быть различной. Углеводороду C4H10 соответствует два изомера:

  H  H  H  H  H  H  H

H  C  C  C  C  H  H  C  C  C  H

  H  H  H  H  H  H  C  H  H

  H

  H-бутан  изобутан

Изомеры обладают сходными химическими и различными физическими свойствами.

6.6 Физические свойства

Низшие алканы – метан, этан, пропан и бутан – бесцветные газы без запаха или со слабым запахом бензина.

Алканы от  пентана до пентадекана C15H32 – жидкости, а алканы от гексадекана C16H34 при обычной температуре – твердые вещества.

Алканы – неполярные соединения. Они не растворяются в воде, но растворяются в различных органических растворителях. Жидкие алканы сами являются хорошими растворителями.

Алканы – горючие вещества. Метан горит бесцветным пламенем.

6.7 Химические свойства

Реакции замещения.

Наиболее характерными для алканов являются реакции свободнорадикального замещения, в ходе которых атом водорода замещается на атом галогена или какую-либо группу:

а) галогенирование

  CH4 + Cl2  CH3Cl + HCl

  хлорметан

В случае избытка галогена хлорирование может пойти дальше, вплоть до полного замещения всех атомов водорода на хлор:

CH3Cl + Cl2  HCl + CH2Cl2