ВУЗ: Национальный исследовательский томский политехнический университет
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Химия
Добавлен: 09.02.2019
Просмотров: 9499
Скачиваний: 56
16
С
2
H
6
O
С
3
H
6
O
спирт
простой эфир
альдегид
кетон
CH
3
-CH
2
-OH
CH
3
-O-CH
3
CH
3
-CH
2
-C
O
H
CH
3
-C-CH
3
O
этанол
диметиловый
эфир
пропаналь
пропанон
С
6
Н
6
С
3
H
6
O
2
арен
непредельный
углеводород
кислота
сложный
эфир
СН
3
СН
2
СООН
СН
3
СООСН
3
бензол
1,5-
гексадиен-3-ин
пропионовая
кислота
метилацетат
Изомеры, которые отличаются друг от друга пространственным
расположением атомов в молекуле, называют пространственными
изомерами.
Пространственная изомерия (или стереоизомерия) включает типы:
оптическая (зеркальная) изомерия. Оптическая изомерия –
один из видов пространственной изомерии. Оптическая изомерия ха-
рактерна для органических соединений, в молекулах которых атом уг-
лерода соединен с четырьмя различными заместителями. Такой атом
углерода называется асимметрическим, или хиральным. Примером со-
единения с одним асимметрическим атомом углерода является молоч-
ная, или 2-гидроксипропановая, кислота:
Такую молекулу никакими вращениями в пространстве невозмож-
но совместить с ее зеркальным отображением:
17
Для изображения таких молекул на плоскости используют проек-
ции Фишера:
Две молекулы, являющиеся зеркальными отображениями друг дру-
га, называются энантиомерами, или оптическими изомерами. Энан-
тиомеры отличаются друг от друга только по оптической активности,
все остальные физические свойства их одинаковы. Оптическая актив-
ность – это способность асимметрических молекул вращать плоскопо-
ляризованный свет. Один из пары энантиомеров вращает плоскость по-
ляризации света вправо на определенный угол, второй – влево на такой
же угол. Химические свойства энантиомеров также одинаковы, за ис-
ключением реакций с другими оптически активными соединениями;
геометрическая (цис-, транс-изомерия). Геометрическая изо-
мерия характерна прежде всего для алкенов. Свободное вращение во-
круг двойной связи невозможно. Изомер, у которого два больших за-
местителя находятся по одну сторону от плоскости двойной связи, на-
зывается цис-изомером, если по разные стороны – транс-изомером:
конформационная изомерия. Конформационные изомеры отно-
сятся к динамическим изомерам, т.е. в обычных условиях они легко
превращаются друг в друга и выделить их в индивидуальном виде
невозможно. Молекулу циклогексана можно представить в виде кон-
формаций:
18
Глава 2
ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ И ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ
АТОМОВ В ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ
2.1. Типы химических связей
Химическая связь – это силы взаимодействия между атомами или
группами атомов, приводящие к образованию молекул, ионов и т.д.
По своей природе химическая связь – это электростатические силы.
Главную роль при образовании химической связи между атомами игра-
ют их валентные электроны, т.е. электроны внешнего уровня, наименее
прочно связанные с ядром. При переходе от атомного состояния к моле-
кулярному происходит выделение энергии, связанное с заполнением
электронами свободных орбиталей внешнего электронного уровня до
определенного устойчивого состояния. Существуют следующие виды
химических связей:
1. Ионная связь
Химическая связь, основанная на электростатическом притяжении
ионов, называется ионной связью.
Такая связь возникает при большой разнице в электроотрицатель-
ностях связываемых атомов, когда менее электроотрицательный атом
почти полностью отдает свои валентные электроны и превращается
в катион, а другой, более электроотрицательный атом, эти электроны
присоединяет и становится анионом.
Например: хлорид натрия NaCl
Атом натрия имеет 1 электрон на внешнем уровне, а атом хлора –
7 внешних электронов. Они превращаются в ионы Na
+
и Cl
–
с завершен-
ными внешними электронными оболочками (по 8 электронов), между
которыми возникает электростатическое притяжение, т.е. ионная связь.
Иoннaя связь не имеет пространственной направленности, т.к. каж-
дый ион связан с некоторым числом противоионов, сила действия кото-
рых зависит от расстояния (закон Кулона). Поэтому соединения с ион-
ной связью не имеют молекулярного строения и представляют собой
твердые вещества, образующие ионные кристаллические решетки с вы-
сокими температурами плавления и кипения; они высокополярны, часто
19
солеобразны, в водных растворах электропроводны. Соединений с чис-
то ионными связями практически не существует.
В органических соединениях ионные связи встречаются доволь-
но редко, т.к. атом углерода не склонен терять или приобретать
электроны с образованием ионов.
2. Ковалентная связь
Ковалентная связь – это химическая связь, осуществляемая за
счет обобществления электронных пар. Теорию ковалентной связи
предложил в 1916 г. американский ученый Гилберт Льюис. За счет ко-
валентной связи образуется большинство молекул, молекулярных ио-
нов, свободных радикалов и атомных кристаллических решеток. Обяза-
тельным условием образования ковалентной связи является перекрыва-
ние атомных орбиталей (АО), на которых расположены валентные элек-
троны. В простейшем случае перекрывание двух АО приводит к образо-
ванию двух молекулярных орбиталей (МО): связывающей МО и анти-
связывающей (разрыхляющей) МО. Обобществленные электроны рас-
полагаются на более низкой по энергии связывающей МО (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Образование двух МО при перекрывании двух АО
Характерные свойства ковалентной связи – направленность, насы-
щаемость, полярность, поляризуемость – определяют химические и фи-
зические свойства органических соединений.
Направленность связи обусловливает молекулярное строение ор-
ганических веществ и геометрическую форму их молекул. Углы между
двумя связями называют валентными.
Насыщаемость – способность атомов образовывать ограниченное
число ковалентных связей. Количество связей, образуемых атомом, ог-
раничено числом его внешних атомных орбиталей.
20
Полярность связи обусловлена неравномерным распределением
электронной плотности вследствие различий в электроотрицательностях
атомов. По этому признаку ковалентные связи подразделяются на непо-
лярные и полярные.
Поляризуемость связи выражается в смещении электронов связи
под влиянием внешнего электрического поля, в том числе и другой реа-
гирующей частицы. Поляризуемость определяется подвижностью элек-
тронов. Электроны тем подвижнее, чем дальше они находятся от ядер.
Полярность и поляризуемость ковалентных связей определяет ре-
акционную способность молекул по отношению к полярным реагентам.
3. Семиполярная (или донорно-акцепторная) связь
В ряде органических соединений встречаются связи, совмещающие
в себе свойства ковалентных и ионных. Типичным примером подобного
рода является одна из связей N–O в нитрогруппе. Действительно, если
мы изобразим связи в нитроорганическом соединении R–NO
2
с помо-
щью пар валентных электронов с соблюдением требований правила ок-
тета, то приходим к следующей структуре:
Эта структура показывает, что связи атома азота с двумя атомами
кислорода неравноценны. Если одна из них является типичной двойной
ковалентной связью, то во второй, помимо пары валентных электронов,
образующих ковалентную связь, имеют место разноименные заряды на
атомах азота и кислорода. Таким образом, связь N–O в нитрогруппе яв-
ляется, с одной стороны, ковалентной, а с другой – ионной. Такие связи
и называют семиполярными (по-русски – полуполярными), или донорно-
акцепторными.
4. Водородная связь
Водородные связи могут образовываться между атомом водорода,
связанным с атомом электроотрицательного элемента, и электроотрица-
тельным элементом, имеющим свободную пару электронов (О, F, N).
Водородная связь обусловлена электростатическим притяжением, кото-
рому способствуют малые размеры атома водорода, и отчасти донорно-
акцепторным взаимодействием. Обозначается водородная связь
несколькими точками: