Е.А.Менделеева. Введение в органическую химию.

Урок 3. Строение органических соединений.
Теория А.М.Бутлерова (2-3 часа)

В ходе изучения данной темы продолжаем краткий экскурс в историю развития науки, показывая развитие представлений о строении органических соединений. Важно, чтобы учащиеся четко осознали, что вплоть до конца XIX века, когда формировалась теория химического строения, не то что никаких понятий о строении атома и электронной природе химической связи еще не существовало, но и существование атомов и молекул было далеко не очевидно. Кроме того, в ходе урока вводятся понятия гомологические ряды и гомологическая разность, структурная формула, изомеры, изомерия, виды изомерии (структурной).

В середине XIX века ученые определили состав и изучили свойства большого числа органических соединений, обнаружив при этом много удивительного. Оказалось, что десятки совершенно различных веществ содержат в своем составе атомы одних и тех же элементов: различно лишь их соотношение. Можно привести примеры знакомых учащимся веществ, различных по своим свойствам, но состоящих из атомов одних и тех же элементов: винный спирт - С₂H₆O, уксусной кислоты - С₂H₄O₂, глицерина - С₃H₈O₃, сахар С₁₂H₂₂O₁₁ и т.д. Более того, было установлено, что существуют разные по физическим и химическим свойствам соединения, у которых одинаков не только качественный, но и количественный состав! Например, одинаковый количественный состав имеют два разных вещества: глюкоза и фруктоза. Шведский химик Йенс Берцелиус   предложил такие соединения называть изомерами (от греческих изос - равный и мерос - часть, доля).

Теории, объясняющей, почему возможно существование разных веществ совершенно одинакового состава, тогда не было. Ф. Велер в 1835 г писал: " ... органическая химия в настоящее время может кого хочешь свести с ума. Она представляется мне дремучим лесом, полным чудесных вещей, огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть..."

Для того чтобы органическая химия могла развиваться дальше, необходимо было систематизировать все это множество соединений, навести порядок в знаниях о них. Было замечено, что органические вещества можно сгруппировать по классам соединений с похожими химическими свойствами. По способности вступать в химические реакции их относили к определенным типам. Причем «родоначальниками» этих типов были неорганические вещества. Так, химикам были известны классы спиртов, некоторые химические свойства которых были похожи на воду и, таким образом, спирты относились к типу воды, амины - типу аммиака, углеводороды - к типу водорода и т. д.

Формулы веществ, употреблявшиеся в теории типов , выражали не " внутреннее строение веществ" , а лишь их способы образования и способности вступать в реакции. В зависимости от того, в какую реакцию вступает вещество, формула его записывалась по-разному.

Как выяснилось, у соединений одного класса похожи не только свойства, но есть общее и в составе. Например, многие свойства соединений класса спиртов напоминают свойства воды. Более того, состав спиртов тоже напоминает состав воды. Спирты можно рассматривать как воду H₂O, в молекуле которой один из атомов водорода заменен на группу, состоящую из нескольких атомов углерода и водорода - CH₃ (CH₃-ОH), C₂H₅(C₂H₅-ОН), C₃H₇(C₃H₇-ОH) и т.д. Такую группу атомов назвали органическим радикалом. Считалось, что радикал - это часть молекулы, которая в химических реакциях, как правило, остается неизменной.

Было обнаружено, что в состав радикалов не может входить произвольное число атомов углерода и водорода. Так, если в радикале содержится один атом углерода, то атомов водорода в его составе должно быть три. Поэтому, формула спирта с одним атомом углерода в молекуле может быть только: СН₃ОН. А состав "соседних" представителей класса спиртов, да и всех других классов органических соединений отличается друг от друга на группу -CH₂-, которую назвали гомологической разностью. Член класса спиртов с двумя атомами углерода должен иметь радикал состава (СН₃ + СН₂), т.е. С₂Н₅, и действительно, формула такого спирта - С₂Н₅OH. Следующий представитель класса спиртов имеет состав (С₂Н₅5 + СН₂)ОН, то есть C₃H₇OH. Такие вещества с похожими свойствами, состав которых отличается на одну или несколько групп -CH₂-, назвали гомологическими рядами. Члены гомологических рядов по отношению друг к другу - это гомологи. Но каково строение органических радикалов, химикам оставалось неясно.

Возможность описать строение органических молекул появилась после того, как английский химик Э. Франкланд в 1852 г ввел понятие "валентность".

Для развития теории строения органических веществ очень плодотворным было предположение немецкого ученого Ф.Кекуле, что атомы углерода в органических соединениях всегда образуют четыре связи, т.е. четырехвалентны. Четырехвалентные атомы углерода могут соединяться друг с другом и образовывать цепочки.

Однако многие химики того времени считали, что с помощью химических формул нельзя отразить строение соединения, и тем более невозможно на основании формулы предсказать свойства вещества.

"Конституции тела они (формулы) не представляют, являясь лишь выражением для метаморфоз тела и для сравнения различных тел" (Кекуле). А по утверждению Жерара " нельзя судить о положении атомов внутри частиц... о механическом строении тел". В 1860 году в Карлсбаде собрался конгресс, который был созван, чтобы выработать единую систему понятий и формул. В то время одни и те же вещества обозначались разными формулами. Более того, не было четкого понятия о том, что такое атом и частица (молекула), и как они относятся друг к другу. Кекуле считал, что необходимо четко отличить понятия атом и частица и, кроме того, различить частицу физическую и частицу химическую. Ему возражал Станислао Канниццаро : частица тела - одно и то же для физики и для химии. А для многих ученых того времени не очевидна была сама реальность существования атомов и молекул.

Для того чтобы разобраться в многообразии органических веществ, был необходим критический взгляд на господствовавшие в химии представления. Молодой российский ученый А.М.Бутлеров выступил на конгрессе с основными положения теории строения органических соединений. Сущность теории Бутлерова состоит в следующем: свойства молекулы определяются свойствами атомов, составляющих ее, их числом и расположением в молекуле.

Бутлеров ввел понятие "химическое строение молекулы", под которым он понимал порядок соединения атомов в молекуле.

Формулы, отражающие последовательность атомов в молекуле, называют структурными. Каждую ковалентную связь в них изображают черточкой.

Тут полезно записать вместе с учащимися несколько структурных формул сначала неорганических (вода, аммиак, углекислый газ, серная кислота), а затем простейших органических веществ (метан, этан, хлорэтан, метанол, этилен, ацетилен),заодно вспомнив, сколько связей могут в соединениях образовать атомы водорода, кислорода, углерода, хлора, азота. Важно, чтобы школьники четко усвоили, что подобные формулы можно записать для всех ковалентно построенных соединений, неважно, органических или неорганических. Очень хорошо, если в ходе работы школьники сами напишут формулы с двойной и тройной связью, если не догадаются – необходимо подсказать. После того, как будут написаны структурные формулы, очень полезно продемонстрировать трехмерные модели соответствующих веществ
этан ] ,
пропан ] ,
хлорэтан ,
метанол ,
этилен ,
ацетилен .
Хорошо, чтобы учащиеся сравнили, какую информацию о строении молекул несет формула, а какую – модель, и сами пришли к выводу, что структурные формулы не отражают всей информации о строении молекул. Они не передают пространственного расположения атомов в молекуле, так как не учитывают соотношение длин связей и реальные углы между ними.

На примере формул все тех же веществ можно показать, что coкращенные структурные формулы, в которых не указаны черточки-связи между атомами С и Н, несут ту же информацию о веществе, но при этом намного удобнее.

Пример, иллюстрирующий различные варианты написания структурной формулы бутана приведен здесь: .

Строение вещества устанавливают, изучая его химические свойства с помощью так называемых качественных реакций

Попросите учащихся привести известные им из неорганической химии примеры качественных реакций. Существуют качественные реакции на разные классы органических соединений.

В настоящее время строение молекул изучают и с помощью различных физических методов.

Имеет смысл после обсуждения суммировать основные положения теории строения органических соединений:

На основании теории строения А.М.Бутлеров объяснил явление изомерии - существования различных по свойствам веществ, с одинаковым составом. Он предположил, что такие вещества - изомеры - различаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением своих молекул.

Следует отметить, что теория строения получила признание научного мира далеко не сразу. Научная теория получает признание лишь тогда, когда с ее помощью можно не только объяснить известные факты, но и предсказать ранее не известные явления. А.М.Бутлеров доказал справедливость своей теории так. В то время было известно одно вещество состава С₄H₁₀ - бутан. Ученый предсказал существование двух изомеров с таким составом и синтезировал изобутан. Попросите учащихся нарисовать два возможных варианта структурных формул и покажите трехмерные модели
бутана
и изобутана .
Если школьники затрудняются в написании структурных формул изомеров, можно сделать наоборот – показать модель и попросить по ней написать структурную формулу.

Бутлерову удалось синтезировать изобутан - вещество, изомерное бутану, существование которого было предсказано на основании теории строения.

Учащиеся не всегда четко представляют себе, что изомеры – это разные вещества, этому иногда способствуют нечеткие формулировки некоторых задач. Поэтому, следует особенно подчеркнуть, что изомеры - это разные вещества, обладающие одинаковым составом, но разным строением, и их физические и химические свойства могут сильно различаться. Например, у бутана и изобутана отличаются температуры плавления и кипения, (у бутана Т.кип. -0,5oС, а изобутан Т.кип. -11,7oC).

Число изомеров с увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода быстро возрастает. Например, для соединения состава С₅H₁₂ возможно существование трех изомеров, С₆H₁₄ - пяти, С₁₀H₂₂ - 75, а число возможных веществ состава С₂₀Н₄₂ огромно и составляет 366319.

Далее следует дать понятие о том, что бывают различные виды изомерии – изомерия углеродного скелета (показать пример бутана и изобутана), изомерия положения заместителя
(1-хлорпропан и
2-хлорпропан ,
межклассовая изомерия (этанол
и диметиловый эфир .
Необходимо сказать, что мы рассмотрели далеко не все возможные виды изомерии и будем их постепенно изучать в дальнейшем.

И конечно, в ходе занятия обязательно надо найти хоть немного времени для личностей А. М. Бутлерова и Ф.Кекуле .

В ходе семинарского занятия на ту же тему школьники составляют структурные формулы веществ, определяют число изомеров данного состава, продолжают решать задачи на определение состава веществ.

Очень важно, чтобы учащиеся уверенно отвечали на вопросы типа: сколько веществ изображено следующими формулами (можно записать в различном виде структурную формулу одного и того же вещества, например, хлорэтана, у которого атом хлора расположен слева или справа, сверху или сбоку). Если учащиеся затрудняются отвечать на подобные вопросы, следует как можно больше использовать компьютерные или пластмассовые трехмерные модели веществ.

1. Напишите структурные формулы соединений: С₂H₅Cl, CH₄O, CH₅N, СН₄S.
2. Напишите все возможные структурные формулы для изомеров состава С₅Н₁₂ и С₆Н₁₄.
3. Сколько может существовать изомеров состава C₄H₉Br и С₃Н₆Сl₂? Напишите их структурные формулы.
4. Известно семь соединений состава С₄Н₁₀О. Напишите их структурные формулы.

Когда учащиеся достаточно уверенно будут составлять структурные формулы, можно попросить их обсудить, например, подобные вопросы:
Может ли существовать устойчивое соединение с молекулярной формулой С₃H₅?
Возможно ли существование углеводородов с нечетным числом атомов водорода в молекуле?
Можно попробовать вывести общую формулу насыщенных углеводородов (обычно, если класс сильный, формулу C_nH_2n+2 выводят довольно легко).

И, конечно, необходимо продолжать решать задачи на определение состава органических веществ, дополнив их заданием: по найденной молекулярной формуле написать возможные структурные формулы.

В ходе занятия, работая с формулами и моделями, очень важно кратко комментировать, что за вещества описывают данные формулы, зачем они применяются.

Это необходимо для того, чтобы учащиеся понимали, что за химической формулой всегда стоит конкретное вещество, чтобы химия из науки о веществе не превращалась в науку манипулирования формулами.