Химия 11 класс Ельницкий, Шарапа

А. П. ЕЛЬНИЦКИЙ

Е. И. ШАРАПА

Учебное пособие для 11 класса общеобразовательных учреждений с русским языком обучения с 11-летним сроком обучения Допущено Министерством образования Республики Беларусь

2-е издание, переработанное

Минск «Народная асвета» 2008 Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

УДК 54(075.3=161.1) ББК 24я721 E57

Р е ц е н з е н т ы: каф. орган. химии Белорус. гос. технол. ун-та (доктор хим. наук, профессор кафедры А. Э. Щербина); учитель химии высш. категории сред. шк. № 184 г. Минска И. И. Борушко

Е57

Ельницкий, А. П. Химия : учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 11-летним сроком обучения / А. П. Ельницкий, Е. И. Шарапа. — 2-е изд., перераб. — Минск : Нар. асвета, 2008. — 278 с. : ил.

ISBN 978-985-12-2028-7. УДК 54(075.3=161.1) ББК 24я721

ISBN 978-985-12-2028-7

© Ельницкий А. П., Шарапа Е. И., 2005 © Ельницкий А. П., Шарапа Е. И., 2008, с изменениями © Оформление. УП «Народная асвета», 2008

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Предисловие

Уважаемые старшеклассники! В этом учебном году вы будете изучать важный раздел химической науки — органическую химию. Изучение систематического курса органической химии позволит вам сформировать представление об особенностях химического строения и свойств органических веществ; понять, в чем выражается взаимосвязь между строением и свойствами органических соединений, направлениями их практического использования. Информация, заложенная в основных текстах учебных параграфов, подлежит изучению и последующей проверке качества ее усвоения. Кроме основного текста, в параграфах имеется и дополнительный, который набран более мелким шрифтом и отмечен специальным знаком. Информация, содержащаяся в дополнительных текстах, носит разъясняющий или уточняющий характер и будет содействовать более глубокому усвоению основ органической химии, а также развитию интереса к изучаемому предмету. После каждого параграфа предлагаются вопросы и задания для самостоятельной работы, типовые расчетные задачи. В учебном пособии дано ограниченное число расчетных задач. Для полноценного усвоения содержания курса желательно систематически использовать в работе сборники задач по химии. Ответы на все расчетные задачи приводятся в конце книги. Выполнение заданий всех видов, составленных в соответствии с основными требованиями к результатам учебной деятельности учащихся, будет содействовать более качественному усвоению основ органической химии, формированию умений характеризовать и объяснять химические явления, обобщать и систематизировать факты, формулировать выводы. Изучение школьного курса органической химии предусматривает выполнение лабораторных опытов и практических работ. Инструкции, необходимые для их выполнения, приводятся в учебном пособии сразу же после текстов соответствующих параграфов. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

3

В конце учебного пособия даны обобщающие таблицы химических свойств изучаемых классов органических соединений, предметный и именной указатели. В учебном пособии используются следующие условные обозначения: — определения и правила; — интересно знать; — дополнительный материал; — выводы.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ГЛ А В А 1 ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ При изучении химии в предыдущих классах вы уже кратко знакомились с органическими веществами и их химическими свойствами. В этом году вам предлагается систематический курс органической химии. В первую очередь в нем будут рассматриваться органические соединения, которые широко применяются в быту, промышленности и сельском хозяйстве. Приведем структурные формулы некоторых часто встречающихся представителей органических веществ и их основное применение:

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

5

§ 1. Предмет органической химии Предмет органической химии Органическая химия изучает состав, строение, свойства и применение органических соединений. У всех органических соединений есть одно общее свойство: они обязательно содержат атомы углерода. Кроме углерода, в состав молекул органических соединений входят водород, кислород, азот, реже — сера, фосфор, галогены. В настоящее время известно более двадцати миллионов органических соединений. Это многообразие возможно благодаря уникальным свойствам углерода, атомы которого способны образовывать прочные химические связи как друг с другом, так и с другими атомами. Резкой границы между неорганическими и органическими соединениями не существует. Некоторые соединения углерода, такие, как оксиды углерода, соли угольной кислоты, по характеру свойств относят к неорганическим. Простейшими по составу органическими соединениями являются углеводороды, содержащие только атомы углерода и водорода. Другие органические соединения можно рассматривать как производные углеводородов. Органическая химия — это наука, изучающая углеводороды и их производные. Различают органические соединения природного происхождения (крахмал, целлюлоза, природный газ, нефть и др.) и синтетические (получающиеся в результате синтеза в лабораториях и на заводах). К органическим соединениям природного происхождения относятся также вещества, образующиеся в живых организмах. Это, например, нуклеиновые кислоты, белки, жиры, углеводы, ферменты, витамины, гормоны. Строение и свойства этих веществ, их биологические функции изучают биохимия, молекулярная биология и биоорганическая химия. Подавляющее большинство лекарственных препаратов представляют собой органические соединения. Созданием лекарств и изучением их действия на организм занимается химия лекарственных веществ. Большое число синтетических органических соединений получают в результате переработки нефти (рис. 1), природного газа, угля и древесины. Достижения органической химии используются в производстве строительных материалов, в машиностроении и сельском хозяйстве, медицине, электротехнической и полупроводниковой промышленности. Без синтетического топлива, синтетических моющих средств, полимеров и пластмасс, красителей и т. д. невозможно представить современную жизнь. Воздействие получаемых человеком органических веществ на живые организмы и другие объекты природы различно. Использование некоторых органических соединений в ряде случаев приводит к серьезным экологическим проблемам.

6

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Рис. 1. Продукты переработки нефти: 1 — сырье для химической промышленности; 2 — асфальт; 3 — масла; 4 — топливо для самолетов; 5 — смазочные материалы; 6 — дизельное топливо; 7 — бензин

Например, ранее применявшийся для борьбы с вредными насекомыми хлорсодержащий инсектицид ДДТ из-за накапливания в живых организмах и медленного разложения в природных условиях в настоящее время запрещен для использования. Предполагается, что фторхлоруглеводороды (фреоны) (например, дифтордихлорметан CF2Cl2) способствуют разрушению озонового слоя атмосферы, защищающего нашу планету от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. По этой причине фреоны заменяются на менее опасные насыщенные углеводороды. Методы изучения органических веществ Изучение органических веществ начинается с установления их качественного и количественного состава. Органические вещества, которые встречаются в природе или получаются синтетически, как правило, являются смесями. Для изучения строения и свойств органических соединений необходимы чистые, без примесей, вещества, поэтому очень важными являются методы очистки органических веществ. Чаще всего для очистки применяются перегонка, перекристаллизация и хроматография. С перегонкой и перекристаллизацией вы уже знакомились. Хроматография используется для очистки органических веществ, а также разделения сложных смесей на отдельные компоненты. Хроматография представляет собой метод разделения компонентов смеси между неподвижной и подвижной фазами. В зависимости от характера неподвижной фазы хроматография разделяется на адсорбционную (например, на силикагеле) и распределительную (например, на бумаге). По характеру подвижной фазы хроматография подразделяется на газовую и жидкостную. В лабораториях чаще применяется адсорбционная хроматография, основанная на различной адсорбции веществ на твердом носителе (силикагель) и последующем вымывании их подходящим растворителем. Одним из вариантов адсорбционной хроматографии является тонкослойная. Типичная тонкослойная хроматограмма показана на рисунке 2. Менее полярный компонент смеси, который плохо адсорбируется на силикагеле, активнее перемещается с растворителем и находится вверху пластинки. Компонент, который хорошо адсорбируется, перемещается значительно медленнее. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

7

Рис. 2. Тонкослойная хроматография: а — камера для хроматографии (1 — крышка; 2 — стакан; 3 — пластинка для хроматографии; 4 — растворитель); б — образец хроматограммы (1 — линия старта; 2 — линия финиша)

Рис. 3. Прибор для определения качественного состава органических веществ: 1 — смесь порошка оксида меди(I) и парафина; 2 — сульфат меди(II); 3 — известковая вода

После получения чистого вещества или отдельного компонента смеси приступают к определению его качественного состава — наличия углерода, водорода, кислорода, азота и других элементов. Качественное обнаружение углерода и водорода в органических соединениях легко осуществить (рис. 3) при их окислении оксидом меди(II) до углекислого газа и воды. Выделяющаяся при этом вода обнаруживается по превращению безводного сульфата меди(II) в гидрат CuSO4 5H2O голубого цвета, а образующийся СО2 — по помутнению известковой воды: → 2CO2 + 3H2O + 7Cu; С2Н6 + 7CuO⎯⎯ → CuSO4 5H2O; 5H2O + CuSO4⎯⎯ → CaCO3 + H2O. CO2 + Ca(OH)2⎯⎯

Следующим этапом исследования вещества является определение его количественного состава. Количественный состав органических соединений устанавливают при их окислении в приборе, изображенном на рисунке 4. Продукты окисления органических соединений улавливают в специальных поглотителях, которые взвешивают до и после реакции, и по разности масс находят массы образовавшихся в реакции воды и углекислого газа. На основании полученных данных определяют простейшую (эмпирическую) формулу вещества, а если известна относительная молекулярная масса, — то и молекулярную формулу.

8

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Рис. 4. Прибор для определения количественного состава органических веществ: 1 — газометр с кислородом; 2 — сжигательные печи; 3 — поглотительные трубки для CO2 и H2O Одним из важных методов определения строения молекул и относительной молекулярной массы является масс-спектрометрия. На вещество, предварительно приведенное в газообразное состояние, действуют пучком быстро движущихся электронов: 70 эВ 1 M M+ e− ⎯⎯⎯⎯ → + молекула молекулярный ион1 электрон

При этом, наряду с показанной ионизацией, происходит фрагментация (разрыв связей) образовавшихся ионов на частицы с неспаренными электронами (радикалы) и положительно заряженные фрагменты молекул. Образовавшиеся первоначально ионы и положительно заряженные фрагменты подвергаются действию магнитного поля, изменяя которое, можно изменять траекторию частиц в зависимости от массы иона. Определяя таким образом массы фрагментов и первоначального иона, можно установить строение молекулы и определить ее относительную молекулярную массу.

Определение качественного и количественного состава, а затем молекулярной формулы органических соединений является необходимым этапом изучения вещества. Самая главная задача — установление химического строения вещества, т. е. порядка соединения атомов в молекулах. Действительно, если установлена молекулярная формула вещества, например такого, как С2Н3Cl3, существующего в виде двух структурных изомеров, то еще неизвестно, химическое строение которого из них соответствует найденной молекулярной формуле: 1

Молекулярный ион содержит одновременно неспаренный электрон и положительный заряд. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

9

Рис. 5. Спектрометр ПМР

Химическое строение органических молекул устанавливается химическими и физическими методами, среди последних одним из важнейших является протонный магнитный резонанс (ПМР) (рис. 5). Ядра некоторых атомов, например атомов водорода, имеют магнитный момент (спин).

35 Cl, не имеют спина, а значит, и магнитного момента. Другие атомы, например 126 C, 168 O, 17 В присутствии сильного магнитного поля энергии, связанные с вращением ядер водорода по часовой стрелке (спиновое состояние I) и против нее (спиновое состояние II), не одинаковы, т. е. возникает разность энергий ΔЕ. Если теперь на молекулу подействовать излучением с частотой, соответствующей энергии ΔЕ, это вызовет поглощение энергии (резонанс), и будут происходить переходы ядер из одного спинового состояния в другое. Так как электронная плотность вокруг ядер каждого типа влияет на ΔЕ, то для достижения резонанса необходимы различные частоты излучений. Поэтому, изучая распределение частот, необходимых для резонанса различных ядер в молекуле, можно получать спектры, отражающие структуру данной молекулы.

На рисунке 6 приведены спектры ПМР двух различных органических веществ, имеющих одну и ту же молекулярную формулу С2H3Cl3. Как видно из приведенных данных, изомеры имеют отличающиеся друг от друга спектры. (Описание данного метода приведено только для иллюстрации, но не для запоминания.)

Рис. 6. Спектры ПМР 1,1,2-трихлорэтана и 1,1,1-трихлорэтана

10

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Органическая химия, в отличие от многих научных дисциплин, обладает уникальной особенностью: она характеризуется многообразием соединений и разнообразием их химических свойств. Каждый год химики-органики выделяют из природных источников или синтезируют несколько сотен тысяч новых органических веществ. Вся эта огромная работа ведется не для удовлетворения любопытства ученых, а для решения конкретных задач: разделение на компоненты сложных природных смесей или синтез индивидуальных соединений, установление их химического и пространственного строения, реакционной способности с целью их практического использования. Органическая химия изучает состав, строение, свойства и применение органических соединений. Химическое строение органических соединений устанавливают химическими и физическими методами. Вопросы и задания 1. Приведите названия веществ, содержащих атомы углерода, но не относящихся к органическим соединениям.

2. Приведите примеры органических веществ природного происхождения.

3. Каким образом определяется качественный состав органических веществ? Напишите уравнения соответствующих реакций.

4. Вычислите массовую долю углерода в: а) метане СН4;

б) этане С2Н6;

в) мочевине

5. Перечислите известные вам методы очистки органических соединений.

6. Приведите примеры экологических проблем, возникающих при использовании некоторых органических соединений.

7. На основании какого метода проводится качественное определение углерода и водорода в органических соединениях? Приведите схемы реакций определения СО2 и Н2О в парафине, молекулярная формула которого С12Н26.

8. Какими физико-химическими методами можно установить строение органических веществ?

§ 2. Теория химического строения органических соединений Органические вещества были известны еще в далекой древности. С давних пор человек применял экстракты из растений для лечения болезней, а природные красители — для окраски тканей. Из жира получали мыло, а способы приготовления спиртных напитков и уксуса знали многие народы. Период до XVIII в. называют алхимическим: алхимики искали некий философский камень, способный превращать любые металлы в золото (алхимия) или Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

11

Фридрих Велер (1800—1882) Немецкий химик. Работал как в неорганической, так и в органической химии. Впервые получил природное органическое соединение из неорганических веществ.

излечивать все болезни (ятрохимия). В течение этого периода были разработаны различные лабораторные приборы, усовершенствованы методы очистки органических веществ (кристаллизация, перегонка), расширено практическое использование химии. Как отдельная наука органическая химия сложилась в начале XIX в., когда ученые начали систематическое изучение органических веществ, выделяемых в то время из живых организмов. Вначале считали, что органические вещества можно получать только из объектов живой природы под влиянием особой «жизненной силы». Это учение о «жизненной силе» называют витализмом. Долгое время химики не могли получить органические соединения из неорганических веществ. Одним из первых такой синтез осуществил немецкий химик Ф. В е л е р. В результате превращения неорганического соединения (цианата аммония) он получил органическое — мочевину:

В последующие годы синтезы органических соединений из неорганических осуществили Г. Кольбе, М. Бертло и А. Бутлеров. К началу XIX в. было проведено большое число исследований, выделено в чистом виде и изучено много органических веществ, входящих в состав человеческого организма, растений, продуктов питания. Число изученных веществ приближалось к нескольким сотням, но никакой связи между их строением и свойствами установлено не было. Тем не менее, стало известно, что в состав большинства органических веществ входят элементы углерод, водород, кислород, а некоторые из них содержат атомы азота и др.

12

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Александр Михайлович Бутлеров (1828—1886) Русский химик. Один из создателей теории химического строения органических соединений. Осуществил первый синтез глюкозы из формальдегида в присутствии гидроксида кальция.

В первой половине XIX в., с ростом числа экспериментальных исследований, начался процесс преобразования органической химии из науки описательной в науку, стремящуюся вскрыть подлинную сущность органических веществ, причины их своеобразия, закономерности их превращений. К тому времени основным требованием при исследовании состава любого вещества являлось не только его разложение, но и получение из более простых веществ. Многие химики считали, что в области синтеза органических веществ химия абсолютно бессильна. Особенно трудно было во многих случаях объяснить существование изомерных соединений и классифицировать их. Единственно разумное объяснение, которое можно было дать явлению изомерии, это признать, что молекулы изомеров имеют различное строение. Термины «строение», «структура» ввел русский ученый А. М. Б у т л е р о в. Он утверждал, что всякое изменение в структуре молекул неизбежно влечет за собой изменение их свойств. К этому времени уже были сделаны серьезные предпосылки для создания теории химического строения. Благодаря исследованиям А. К о л ь б е и А. К у п е р а было показано, что углерод является четырехвалентным, а его атомы способны соединяться друг с другом с образованием устойчивых веществ. Немецкий химик А. К е к у л е предложил циклическое строение молекулы бензола. А. М. Бутлеров заявил о своей работе во время доклада на съезде немецких естествоиспытателей в 1861 г.: «Способность атомов соединяться друг с другом различна. Особенно интересен углерод, который, по мнению Августа Кекуле, является четырехвалентным. Если представить валентность в виде щупальцев, с помощью которых атомы связываются между собой, то нельзя не отметить, что способ связи отражается на свойствах соответствующих соединений». А. М. Бутлеровым было доказано, что, основываясь на химических реакциях, характерных для определенного вещества, можно узнать подлинное химическое строение этого вещества. Это возможно потому, что атомы в молекуле оказывают друг на друга влияние, которое проявляется не только в физических, но и в химических свойствах. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

13

Теорию химического строения органических соединений можно кратко сформулировать в следующих основных положениях.

1. Атомы в молекулах органических веществ соединяются друг с другом в определенной последовательности, согласно их валентности. Валентность углерода в молекулах органических соединений всегда равна 4, водорода — 1, кислорода — 2 (табл. 1). Та б л и ц а 1. Валентности некоторых атомов элементов в органических соединениях Простейшее органическое соединение

Элемент

Валентность

Название

Углерод Водород

4 1

Метан

Кислород

2

Метаналь (муравьиный альдегид, формальдегид)

Азот

3

Метанамин (метиламин)

Галогены

1

Хлорметан

Последовательность соединения атомов в молекулах А. М. Бутлеров назвал структурой или химическим строением. Обычно скелетом органических веществ являются атомы углерода. Они соединяются друг с другом, образуя цепи (углеродный скелет). Углеродные цепи могут быть линейными и замкнутыми (циклическими). Для изображения строения органических веществ используют структурные формулы:

14

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

2. Свойства веществ зависят не только от качественного и количественного состава, но и от порядка соединения атомов в молекулах. Существуют вещества, имеющие одинаковый состав, но различное строение и в силу этого различные свойства. Например, строение веществ состава С4Н10 можно выразить двумя различными структурными формулами:

Вещества, имеющие одинаковый состав, но различное строение, называют изомерами.

3. В молекулах органических веществ атомы и группы атомов взаимно влияют друг на друга. Взаимное влияние бензольного кольца и аминогруппы в молекуле анилина отражается на химических свойствах анилина. Под влиянием бензольного кольца неподеленная электронная пара атома азота NH2-группы перекрывается с π-электронным облаком бензольного кольца (рис. 7). Это приводит к ослаблению основных свойств анилина по сравнению с основными свойствами метиламина. Такое смещение электронной плотности от атома кислорода аминогруп- Рис. 7. Смещение пы, в свою очередь, облегчает реакции замещения атомов электронной плотносводорода в положениях 2, 4, 6 бензольного кольца. ти в молекуле анилина Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

15

Теория химического строения органических веществ не является неизменным и догматическим постулатом. В настоящее время теория химического строения, опирающаяся на успехи в области изучения механизмов химических реакций и физико-химических методов исследования органических соединений, представляет собой фундамент дальнейшего развития и углубления наших представлений в органической химии. Основные направления развития теории химического строения на современном этапе: y изучение связи строения и реакционной способности органических соединений методами квантовой химии; y изучение связи пространственного строения молекул и их биологической активности; y изучение механизмов нековалентного связывания неорганических и органических соединений. В молекулах органических соединений атомы соединяются в определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Свойства веществ зависят не только от качественного и количественного состава, но и от порядка соединения атомов в молекулах. Атомы и группы атомов взаимно влияют друг на друга. Вопросы и задания 1. Перечислите фамилии ученых, внесших наибольший вклад в создание и развитие теории химического строения органических соединений.

2. Объясните сущность понятия «химическое строение вещества».

3. Укажите валентности атомов углерода и кислорода в органических соединениях.

4. Перечислите основные положения теории химического строения.

5. Напишите структурную формулу вещества с молекулярной формулой C2H4Cl2. Попытайтесь написать структурную формулу изомера этого вещества. Имейте в виду, что формулы такого вида

представляют собой изображение одного и того же вещества.

6. Какие вещества образуются при сгорании органического соединения, формула которого С2Н6О? Составьте уравнение реакции.

7. Составьте структурные формулы веществ линейного и циклического строения с одинарными связями, в молекулах которых содержится пять атомов углерода.

8. Приведите структурные формулы всех изомеров с молекулярной формулой С3Н8О.

16

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

§ 3. Химические связи в органических соединениях Образование химической связи Вы уже знакомились с типами и способами образования химической связи, поэтому в начале параграфа кратко повторим основные положения. Основным типом химической связи в органических соединениях является ковалентная связь. Ковалентная связь в неорганических и органических соединениях возникает в результате обобществления электронов с образованием общих электронных пар между двумя атомами. Распределение электронной плотности при перекрывании s-орбиталей и образовании ковалентной связи в молекуле водорода показано на рисунке 8. При сближении двух атомов водорода и образовании химической связи между ними сила отталкивания ядер друг от друга уменьшается, поскольку их разделяет область с повышенной вероятностью нахождения электронов. Возникают электростатические силы, удерживающие ядра на определенном расстоянии друг от друга за счет кулоновского взаимодействия положительно заряженных ядер и отрицательно заряженного электронного облака в межъядерной области. Электронная пара образовавшейся химической связи принадлежит одновременно обоим ядрам. Аналогично образованию связи в молекуле водорода происходит образование связей в органических соединениях, например в молекуле этана. Образование связи между атомами углерода происходит при перекрывании атомных орбиталей. Перекрывание атомных орбиталей происходит вдоль межъядерной оси, проходящей через центры двух атомов (рис. 9). Такого типа связи в органических соединениях называют σ-связями. Особенностью σ-связи является не только электронная плотность в области между двумя ядрами, но и цилиндрическая симметрия ее относительно межъядерной оси. Обобществленную пару электронов ковалентной связи С—С изображают Рис. 8. Схема перекрывания s-орбиталей двумя точками в электронной формуле. Например, электронная формула молекулы этана: Рис. 9. Схематическое изображение σ-связи Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

17

Рис. 10. Различные способы схематического изображения π-связи

В графической формуле этана химическую связь между двумя атомами углерода изображают в виде черточки: Н3С—СН3

СН3—СН3

Для упрощения графических формул химическую связь между атомами углерода и водорода часто не изображают. Другой тип химической связи — π-связь (рис. 10), которая образуется за счет бокового перекрывания р-орбиталей. Электронное облако π-связи расположено по разные стороны от плоскости, в которой расположена σ-связь. π-Связь образуется между атомами, уже связанными σ-связью, поэтому связь такого типа называют двойной, и такие связи характеризуются повышенной электронной плотностью. Двойные связи бывают в алкенах, диенах, а также карбонильных соединениях:

Образование π-связей наблюдается и в молекулах, содержащих бензольные кольца. Существуют также органические соединения, в молекулах которых между соседними атомами есть одна σ-связь и две π-связи. Связь такого типа, например в молекуле ацетилена, называют тройной:

18

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Образование тройной связи и химических связей в молекуле бензола будут рассмотрены позже в соответствующих параграфах. Если ковалентная связь образуется между одинаковыми атомами, например между атомами углерода в молекуле этана, вероятность нахождения электронной пары в области А B пространства между ядрами приблизительно одинакова для каждого из этих Рис. 11. Схематическое изображение поатомов. Образующуюся ковалентную лярной связи связь называют неполярной. Если связь образована между атомами различной электроотрицательности (А—В) (рис. 11), то электронная плотность смещается в сторону атома с большей электроотрицательностью (атом В). Ковалентную связь такого типа называют полярной. Атом В приобретает частичный отрицательный заряд δ−, а атом А — частичный положительный заряд δ+, при этом молекула остается электронейтральной. Большей электроотрицательностью по сравнению с углеродом обладают, например, атомы азота, кислорода и фтора (табл. 2). Та б л и ц а 2. Относительные электроотрицательности некоторых элементов Элемент

H

C

N

O

F

Cl

Br

Величина

2,10

2,50

3,07

3,50

4,10

2,83

2,74

Полярность ковалентной связи является только одной из многих причин неравномерного распределения электронной плотности в органических соединениях. Влияние атомов (или групп атомов) на распределение электронной плотности может проявляться в виде электронных эффектов. Для органических соединений характерны в основном ковалентные химические связи. Электронная пара химической связи принадлежит одновременно обоим ядрам. В органических соединениях существуют σ- и π-связи. Вопросы и задания 1. Составьте электронную формулу молекулы этана.

2. Охарактеризуйте типы химических связей в молекулах метана и этена (этилена).

3. Укажите основное отличие σ- и π-связи.

4. Приведите два примера органических соединений (структурные формулы и названия), содержащих одинарные С—С-связи. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

19

5. Составьте структурную формулу органического соединения с молекулярной формулой С4Н10. (Если вы сможете изобразить структурную формулу изомера, радуйтесь своим достижениям в органической химии.)

6. Приведите два примера органических соединений (структурные формулы), содержащих двойные связи.

7. Приведите пример органического соединения (структурную формулу), содержащего тройную связь.

8. Приведите примеры органических соединений с полярными и неполярными ковалентными связями.

§ 4. Классификация органических соединений и особенности их реакций Классификация органических соединений Органические соединения в зависимости от строения углеродной цепи можно классифицировать на алифатические (ациклические) и циклические (рис. 12). К алифатическим относят органические соединения с открытой цепью атомов, чаще всего атомов углерода, однако в цепи могут быть атомы других элементов. Например, сокращенные структурные формулы представителей разных классов алифатических соединений:

N

Рис. 12. Классификация органических соединений

20

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Циклические соединения разделяют на карбоциклические и гетероциклические. В карбоциклических соединениях углеродный скелет построен только из атомов углерода. Карбоциклические, в свою очередь, подразделяют на алициклические, например циклогексан:

,

и ароматические, например бензол:

В гетероциклических соединениях в цикле вместо атомов углерода могут находиться один или несколько атомов других элементов (гетероатомов). Например, гетероциклические соединения, содержащие в циклах атомы азота, кислорода и серы:

В зависимости от наличия функциональных групп органические соединения можно классифицировать на углеводороды и функциональные производные углеводородов. Углеводороды, являясь родоначальниками всех органических соединений, подразделяются на отдельные классы (табл. 3). Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

21

Та б л и ц а 3. Классификация углеводородов Простейший представитель Название класса Структурная формула

Название1

Алканы

Метан

Алкены

Этен (этилен)

Диены

Бутадиен-1,3

Алкины

Этин (ацетилен)

Ароматические углеводороды

Бензол

В зависимости от типа химической связи между атомами углерода соединения разделяют на насыщенные, ненасыщенные и ароматические. Например, углеводороды, имеющие в углеродной цепи только одинарные связи, называют насыщенными. К ним относятся алканы и циклоалканы. Углеводороды, имеющие в составе молекул двойные или тройные (кратные) связи, называют ненасыщенными: алкены, алкины, диены. Соединения, содержащие функциональные группы, приведены в таблице 4. Функциональная группа — это атом или группа атомов, определяющие принадлежность и характерные химические свойства данного класса органических соединений. Химические связи и реакционная способность органических соединений Возникает вопрос — по каким фрагментам молекулы данного органического вещества будет идти химическая реакция? Ответ чаще всего однозначен: в молекулах органических соединений химические свойства (реакционную способность) 1 Названия даны по международной номенклатуре (в скобках приведены тривиальные названия).

22

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Та б л и ц а 4. Классификация соединений с функциональными группами Название класса

Простейший представитель Название

Функциональная группа

Название группы

Спирты

Метанол

—ОН

Гидроксильная

Фенолы

Фенол

—ОН

Гидроксильная

Альдегиды

Метаналь (муравьиный альдегид, формальдегид)

Альдегидная

Карбоновые кислоты

Метановая (муравьиная) кислота

Карбоксильная

Амины

Метанамин (метиламин)

Аминокислоты

Формула

H2N——CH2—COOH

Глицин (аминоуксусная кислота)

—NH2

Амино

—NH2 —COOH

Амино Карбоксильная

определяет функциональная группа. Например, в случае карбонильных соединений происходит разрыв двойной связи:

разрыв связи в функциональной группе

В более сложных случаях, например при наличии нескольких функциональных групп, место разрыва связей может определять не только субстрат, но и реагент, а также катализатор. Очень важно понимать, как и почему функциональная группа участвует в той или иной реакции. В большинстве случаев образование новых химических связей определяют электростатические взаимодействия, например между группами атомов с отрицательным зарядом и атомами молекул, имеющими частичный положительный заряд. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

23

Группы атомов, обладающие отрицательным зарядом, образуют новую химическую связь с атомами молекул, имеющими частичный положительный заряд. Рассмотрим в качестве примера взаимодействие галогеналканов с водными растворами щелочей. В реакции между хлорэтаном и гидроксидом натрия образуется этанол:

В данном примере наличие группы атомов с отрицательным зарядом (ОН–) приводит к образованию новой связи с атомом углерода, имеющим частичный положительный заряд, и к разрыву связи С—Cl. Ароматические соединения характеризуются повышенной электронной плотностью ароматического кольца, и поэтому реакции замещения атомов водорода кольца проходят с участием частиц с положительным зарядом. Например:

Органические соединения в зависимости от строения углеродной цепи можно разделить на углеводороды и их функциональные производные. При химических реакциях разрыв старых связей и образование новых связей определяются электростатическими взаимодействиями.

24

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Вопросы и задания 1. На основании каких признаков классифицируют органические соединения?

2. Какие из органических соединений: а)

б)

г) Н3С—СН3

д)

в)

относят к ациклическим органическим соединениям?

3. Выберите из приведенных формул те, которые относятся к карбоциклическим органическим соединениям: а)

б) Н3С—СН3

в)

г)

д)

4. Приведите определение функциональной группы.

5. Выпишите в тетрадь все известные вам функциональные группы и их названия.

6. Укажите смещение электронной плотности и возникающие заряды в молекулах следующих соединений: а) СH3Br; б) CH3CH2OH; в) H2SO4; г) Cl2.

7. Предложите структурную формулу продукта взаимодействия серной кислоты с бензолом. (Если в структурной формуле конечного продукта имеется связь C—S, поздравьте себя с успехами в изучении органической химии.)

8. Изобразите структурную формулу молекулы пиридина, относящегося, как и бензол, к ароматическим соединениям.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ГЛ А В А 2 НАСЫЩЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ Насыщенными углеводородами называют органические соединения, в составе молекул которых находятся атомы углерода и водорода и содержатся только одинарные C—C-связи. К насыщенным относят углеводороды ациклического (незамкнутые цепи атомов углерода) и циклического (замкнутые цепи) строения. Насыщенные углеводороды

Алканы

Циклоалканы

§ 5. Алканы. Строение алканов Общее название углеводородов ациклического ряда по номенклатуре ИЮПАК1 алканы. К алканам относят углеводороды ациклического строения, содержащие только одинарные C—C-связи. Алканы в природе Наиболее часто встречающимся в естественных условиях насыщенным углеводородом является метан. Метан — бесцветный газ, легче воздуха, не имеющий запаха. Метан образуется в природных условиях при разложении без доступа воздуха остатков растительных и животных организмов. В небольших количествах выделяется в заболоченных водоемах, отсюда и другое название — болотный газ. В значительных количествах метан вместе с этаном, пропаном и бутаном содержится в попутных газах добычи нефти, а также в угольных пластах. Самое большое количество метана — в природном газе, его содержание может достигать 95 %. Другим источником алканов является нефть. Высшие алканы (более десяти атомов углерода) входят в состав пчелиного воска, восковых покрытий листьев, плодов и семян растений. В больших количествах высокомолекулярные твердые углеводороды встречаются в природе в виде озокерита (содержание его в песках и известняках от 4 до 16 %). Строение Насыщенные углеводороды образуют ряд, в котором любой член ряда отличается от другого на одну или несколько групп атомов —СН2—, которая называется гомологической разностью. Такой ряд углеводородов называют гомологиче1

26

ИЮПАК (англ. IUPAC) — Международный союз чистой и прикладной химии. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ским, а члены гомологического ряда — гомологами. Например, гомологический ряд насыщенных углеводородов от С1 до С5: CH4

H3C—CH3

H3C—CH2—CH3

метан

этан

пропан

H3C—CH2—CH2—CH3

H3C—CH2—CH2—CH2—CH3

бутан

пентан

Состав соединений гомологического ряда насыщенных углеводородов можно выразить общей формулой СnH2n + 2. Буква n показывает число атомов углерода, которое содержится в молекуле конкретного углеводорода. Например, в молекуле гексана содержится шесть атомов углерода. Следовательно, молекулярная формула гексана С6Н14. Общая формула алканов СnH2n + 2. Электронное и пространственное строение насыщенных углеводородов рассмотрим вначале на примере метана. Молекулярная формула метана СН4. Ковалентные связи между атомом углерода и атомами водорода являются равноценными и осуществляются общими для этих атомов электронными парами. Каждая химическая связь, условно изображаемая черточкой при записи структурной формулы, символизирует пару электронов (рис. 13, б). В электронной формуле метана (рис. 13, а) валентные связывающие электроны показаны в виде точек. У атома углерода в молекуле метана на внешнем энергетическом уровне находится восемь электронов (октет), а у каждого атома водорода — два электрона. Приведенная структурная формула не отражает пространственное строение молекулы метана. Установлено, что молекула метана имеет тетраэдрическое строение. Если представить атом углерода в центре правильного тетраэдра и провести оси (показаны пунктирными линиями) по месту повышенной электронной плотности связей С—Н, тогда они будут направлены к вершинам тетраэдра (рис. 14), в которых находятся атомы водорода. Валентные углы связей в этом случае оказываются равными 109°28′, что подтверждается экспериментальными данными.

Рис. 13. Электронная (а) и графическая (б) формулы молекулы метана

Рис. 14. Тэтраэдрическое строение молекулы метана

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

27

Тетраэдрическое расположение связей обусловлено минимальным взаимным отталкиванием электронных облаков связей С—Н. Шаростержневая и масштабная модели молекулы метана приведены на рисунке 15. Электронное строение других насыщенных углеводородов сходно с электронным строением метана. Например, электронная и структурная формулы этана:

Пространственное строение гомологов метана рассмотрим на примере молекулы пропана. Так как углы между химическими связями у насыщенных углеводородов равны приблизительно 109°, то, начиная с молекулы пропана, атомы углерода расположены реально не по прямой линии, а зигзагообразно (рис. 16). Особенностью одинарной связи между атомами углерода является возможность свободного вращения атомов или групп атомов вокруг этой связи. Поэтому углеродная цепь алканов может принимать различную форму (изображение в виде скелета связей):

Длина углерод-углеродной С—С-связи в молекулах алканов равна 0,154 нм.

Рис. 15. Масштабная (а) и шаростержневая (б) модели молекулы метана

28

Рис. 16. Схема пространственного строения гомологов метана: а — пропана; б — пентана

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Длина С—С-связи 0,154 нм. Тетраэдрическое расположение связей вокруг атома углерода в молекуле метана характерно и для связей в молекулах других алканов. В органической химии пространственное строение молекул в органических соединениях изображают иногда особым образом, что показано на примере молекул метана и этана:

При пространственном изображении связей в молекуле метана в одной плоскости располагают два атома водорода и атом углерода. Оставшиеся два атома водорода не могут находиться в этой плоскости. Темный клин означает связи, выступающие над плоскостью рисунка и направленные в сторону читателя, а штрихованный — — связи, уходящие за плоскость рисунка; обычные линии показывают связи, лежащие в плоскости рисунка. Шаростержневые и масштабные модели молекул некоторых насыщенных углеводородов показаны на рисунках 17 и 18. Общая формула насыщенных углеводородов CnH2n + 2. Длина С—С-связи равна 0,154 нм. Для метана и его гомологов характерно тетраэдрическое расположение связей у атомов углерода.

а

б

Рис. 17. Шаростержневые модели молекул пропана (а) и бутана (б)

Рис. 18. Масштабные модели молекул пропана (а) и бутана (б)

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

29

Вопросы и задания 1. Где в природных условиях встречается метан?

2. Составьте электронную формулу молекулы метана.

3. Составьте сокращенные структурные формулы членов гомологического ряда метана от С2 до С4.

4. Определите число σ-связей в молекуле пропана.

5. Приведите общую формулу алканов и напишите структурную формулу соединения, содержащего пять атомов углерода.

6. Изобразите пространственное строение следующих соединений, добавив необходимые фрагменты: а) метана

б) этана

в) пропана

7. Вычислите массовую долю углерода в молекуле бутана С4Н10.

8. Определите число органических веществ, скелетные формулы которых изображены:

§ 6. Номенклатура алканов Насыщенные углеводороды могут иметь неразветвленные цепи атомов углерода:

или разветвленные цепи углеродных атомов:

Систематические названия насыщенных углеводородов с неразветвленной цепью углеродных атомов по номенклатуре ИЮПАК образуют добавлением суффикса -ан к греческим названиям чисел, указывающим число атомов углерода в составе молекул алкана (табл. 5). Тривиальные названия алканов: с одним атомом углерода — метан, двумя — этан, тремя — пропан и четырьмя атомами углерода — бутан не образованы из 30

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

греческих названий чисел. Однако эти названия имеют окончание -ан и поэтому их относят к полусистематическим. Группы атомов, например СН3— или СН3СН2— и т. д., в органической химии имеют названия, образованные из названий соответствующих алканов. Названия таких групп образуют заменой суффикса -ан исходного алкана на суффикс -ил. Их общее название — алкильные группы, раньше их называли алкильными радикалами или просто радикалами. Примеры названий некоторых алкильных групп приведены в таблице 6.

Та б л и ц а 5. Названия некоторых алканов Алкан

Молекулярная формула

Название

СН4

СН4

Метан

СН3СН3

С 2Н 6

Этан

СН3СН2СН3

С 3Н 8

Пропан

СН3(СН2)2СН3

С4Н10

Бутан

СН3 (СН2)3СН3

С5Н12

Пентан

СН3(СН2)4СН3

С6Н14

Гексан

СН3 (СН2)5СН3

С7Н16

Гептан

СН3 (СН2)6СН3

С8Н18

Октан

СН3 (СН2)7СН3

С9Н20

Нонан

СН3 (СН2)8СН3

С10Н22

Декан

Та б л и ц а 6. Названия некоторых алкильных групп Углеводород

Название

Группа атомов как часть молекулы

Название

СН4

Метан

СН3—

Метил

СН3СН3

Этан

С2Н 5—

Этил

СН3СН2СН2—

Пропил

СН3СН2СН3

Пропан

Изопропил

Названия «пропил» (С3) или «бутил» (С4) обозначают группу атомов с неразветвленной цепью атомов углерода. Соединения с разветвленной цепью углеродных атомов рассматривают как производные углеводорода с неразветвленной цепью. В цепи атомов углерода вместо атомов водорода могут находиться алкильные группы, атомы галогенов или нитрогруппа. Их называют заместителями.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

31

Основу названия таких соединений определяет наиболее длинная цепь атомов углерода, которую в случае одного-двух заместителей нумеруют арабскими цифрами, начиная с того конца, ближе к которому находится заместитель. Например:

При большем числе заместителей для составления правильного названия поступают так: нумеруют самую длинную цепь слева направо и справа налево, обозначая каждый раз цифрами положение заместителей:

При сравнении положений заместителей в обеих комбинациях, предпочтение отдается той, в которой первая отличающаяся цифра является наименьшей. Таким образом, правильным названием рассматриваемого углеводорода является 2,2-диметил-4-хлорпентан. Обратите внимание, что заместители приводятся в алфавитном порядке по первой букве их названий (префиксы «ди-», «три-» и др. не учитываются).

Основу названия алканов с разветвленной цепью определяет наиболее длинная цепь атомов углерода, которую в простейшем случае нумеруют арабскими цифрами, начиная с того конца, ближе к которому находится заместитель или группа заместителей. Вопросы и задания 1. Приведите названия алканов, содержащих в своем составе один, два, три и четыре атома углерода.

2. Приведите названия алкильных групп с одним и двумя атомами углерода.

3. Приведите названия соединений следующей структуры в соответствии с номенклатурой ИЮПАК: а)

б)

в)

4. Напишите структурные формулы следующих алканов: а) 2-метилбутана; б) 2,2,4триметилпентана; в) 2-метил-3-этилгексана.

32

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

5. Определите молекулярную формулу алкана, если его молярная масса 86 г/моль.

6. Приведена структурная формула органического соединения:

Укажите самую длинную цепь атомов углерода.

7. Вычислите объем воздуха, необходимый для сжигания метана объемом ( н. у.) 30 дм3.

§ 7. Изомерия и физические свойства алканов Изомерия Для органической химии характерно многообразие соединений и разнообразие их свойств. Одной из причин этого является изомерия. Явление существования разных соединений, имеющих один и тот же качественный и количественный состав, но различный порядок соединения атомов в молекулах (различное химическое строение), называется изомерией. Изомерия возникает при различном порядке связывания атомов или групп атомов с образованием разветвленных углеродных цепей. Разветвление атомов углерода у алканов начинается с бутана (рис. 19). Приведенные различные струк- Рис. 19. Схема химического строения молетурные формулы веществ, соот- кул бутана (а) и изобутана (б) ветствующие одной и той же молекулярной формуле С4Н10, отражают разное химическое строение этих веществ. В одной из них центральный атом углерода связан с тремя соседними атомами углерода, в другой — только с двумя атомами углерода:

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

33

Различные структурные формулы принадлежат двум разным веществам — изомерам. Бутан и изобутан являются изомерами. Соединения, имеющие один и тот же молекулярный состав (одинаковую молекулярную формулу), но различный порядок соединения атомов в молекулах или различное расположение атомов в пространстве, называют изомерами. Все существующие изомеры разделяют на структурные и пространственные (стереоизомеры). Изомеры

структурные

пространственные

Пространственную изомерию рассмотрим подробно в § 10. Наиболее простой тип изомерии возникает в результате различного порядка соединения атомов в молекулах; это — структурная изомерия. Одним из видов структурной изомерии является изомерия углеродной цепи (углеродного скелета). Для алканов характерна изомерия цепи. Примеры некоторых структурных изомеров приведены в таблице 7. Та б л и ц а 7. Примеры различных структурных изомеров Вид изомерии

Молекулярная формула

Изомерия цепи

С4Н10

Бутан

С4Н10

2-Метилпропан (изобутан)

С5Н12

Пентан

С5Н12

2-Метилбутан (изопентан)

С5Н12

2,2-Диметилпропан (неопентан)

Изомерия цепи

Сокращенная структурная формула

Название изомера

Изомеры являются различными веществами несмотря на то, что они имеют одинаковый качественный и количественный состав, т. е. одинаковую молекулярную формулу. Например, изомеры с молекулярными формулами С4Н10 и C2H3Cl3: 34

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Как видно из приведенных данных, изомеры имеют различные физико-химические характеристики. Стереоизомерией (пространственной изомерией) обладают соединения, содержащие атом (ограничимся углеродом) с четырьмя различными заместителями. Такой атом называют стереогенным центром. Соединения с одним стереогенным центром существуют в виде двух стереоизомеров. Они отличаются расположением атомов или частей молекул в пространстве и относятся друг к другу как предмет и не совместимое с ним зеркальное изображение. Изомерия такого типа характерна, например, для 2-бромбутана. Центральный атом углерода связан с четырьмя различными заместителями — водородом, бромом, метильной и этильной группами.

CH3—CH2—CHBr—CH3

Чтобы убедиться в том, что различные формы 2-бромбутана отличаются друг от друга, лучше всего построить модели этих структур и попытаться совместить их друг с другом.

2-Бромбутан существует в двух различных формах, поскольку построенные модели при наложении не совмещаются друг с другом. Различные формы молекулы 2-бромбутана называют энантиомерами. Нас окружает множество предметов, имеющих такие пространственные различия, — перчатки, туфли, раковины моллюсков и т. д. Простейшим примером пространственных различий энантиомеров являются ладони рук: отражение в зеркале левой ладони выглядит как правая ладонь. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

35

Физические свойства Физические свойства рассмотрим на примере некоторых представителей гомологического ряда алканов (табл. 8). Та б л и ц а 8. Важнейшие физические свойства некоторых алканов

Название

Относительная молекулярная масса

Агрегатное состояние при комнатной температуре

Температура плавления, °С

Температура кипения, °С

Плотность, г/см3 (20 °С)

Метан

16

Газ

–182,6

–161,6

0,424а

Этан

30

Газ

–183,3

–88,5

0,546а

Пропан

44

Газ

–187,1

–42,2

0,582а

Бутан

58

Газ

–138,4

–0,5

0,601б

Пентан

72

Жидкость

–129,7

36,1

0,626

Гексан

86

Жидкость

–94,0

68,7

0,659

Гептан

100

Жидкость

–90,5

98,4

0,684

Октан

114

Жидкость

–56,8

125,7

0,703

Нонан

128

Жидкость

–53,7

150,8

0,718

Декан

142

Жидкость

–29,7

174,1

0,730

282

Твердое вещество

+36,4

Эйкозан С20Н42

0,778

Буквой «а» в таблице отмечена плотность веществ при температуре кипения; буквой «б» — при температуре 0 °С, остальные — при комнатной температуре.

Первые четыре алкана имеют температуры кипения ниже комнатной (25 °С) и являются при этих условиях газами. Алканы С5—С15 — жидкости, а алканы, имеющие в составе углеродной цепи 16 и более атомов углерода, — твердые вещества. Как видно из данных, приведенных в таблице 8, с увеличением молекулярной массы алканов (насыщенных углеводородов) их температуры плавления и кипения увеличиваются. Насыщенные углеводороды практически не растворяются в воде. Причина этого в том, что алканы являются малополярными веществами из-за небольшого различия электроотрицательностей атомов углерода и водорода. Плохая растворимость алканов в воде и их меньшая плотность по сравнению с водой имеет практическое значение. Это позволяет убирать с поверхности воды или почвы разлившуюся нефть или продукты ее переработки.

36

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Соединения, имеющие один и тот же молекулярный состав, но различное строение, называют изомерами. Изомеры разделяют на структурные и пространственные (стереоизомеры). У алканов с увеличением молекулярной массы температуры плавления и кипения увеличиваются. Вопросы и задания 1. Охарактеризуйте понятие «изомерия» и приведите примеры изомеров с молекулярной формулой С4Н10.

2. Напишите структурные формулы изомеров, имеющих молекулярную формулу С5Н12, и назовите их по номенклатуре ИЮПАК.

3. Составьте структурные формулы изомеров, молекулярная формула которых C2H4Cl2.

4. Растворяются ли насыщенные углеводороды в воде? Приведите объяснения.

5. Приведены структурные формулы органических соединений: а)

б)

в)

г)

д)

е)

Какие из них являются изомерами?

6. Составьте формулы всех структурных изомеров, молекулярная формула которых С6Н14.

7. Укажите общее число электронов в молекуле пропана.

8. Приведите структурные формулы ближайших гомологов пропана с неразветвленной углеродной цепью.

§ 8. Химические свойства алканов Алканы при обычных температурах малоактивны по отношению к различным химическим веществам и не вступают в реакции даже с сильными окислителями. По этой причине их называют еще парафинами (греч. parum affinis — мало сродства). Однако при облучении светом или при высоких температурах алканы могут вступать в различные реакции, например окисления и замещения. Реакции окисления При обычных условиях алканы практически не реагируют с кислородом. Реакция окисления сильно ускоряется на свету, при нагревании и присутствии катаОбразовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

37

лизаторов. Продуктами окисления являются сложные смеси кислородсодержащих органических соединений.

1) Полное окисление (горение) При нагревании до высокой температуры алканы легко горят на воздухе с выделением теплоты. Например, горение метана: → CO2 + 2H2O + Q. СН4 + 2О2⎯⎯ Природный газ, состоящий в основном из метана, по этой причине используется в качестве топлива для машин, электростанций и является основой энергетики во многих странах. Полное окисление других алканов в смесях с воздухом используется в бензиновых и дизельных двигателях. Например:

Смеси метана с кислородом (1 2 по объему) или воздухом (1 10) чрезвычайно опасны и приводят к взрывам в помещениях при утечке природного газа. При недостатке кислорода горение алканов приводит к образованию чрезвычайно токсичного оксида углерода(II): → 2CO + 4H2O. 2СН4 + 3О2⎯⎯ Метан не имеет запаха, поэтому для обнаружения утечки природного газа к нему добавляют вещества с неприятным запахом (например, меркаптаны R—SH).

2) Окисление Частичное окисление бутана кислородом в присутствии катализаторов приводит к образованию уксусной кислоты: соли Mn и Co, t 2CH3 CH2 CH2 CH3 + 5O2 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → 4CH3 COOH + 2H2 O. Реакции замещения Наиболее энергично и с выделением большого количества теплоты реагирует с алканами фтор, что приводит к разрыву не только С—Н-, но и С—С-связей. Иод, как правило, с алканами не взаимодействует. В темноте алканы не реагируют с хлором и бромом. Однако при освещении или сильном нагревании легко проходит реакция замещения атома водорода, например в молекуле метана, на атом хлора: hν или t

CH4 + Cl2 ⎯⎯⎯⎯→ CH3Cl + HCl хлорметан

38

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Процесс превращения связи С—Н в связь С—Cl проходит в несколько этапов, и в данной записи состава исходных и конечных веществ фиксируется лишь окончательный результат реакции. В процессе галогенирования метана, особенно при избытке галогена, происходит последовательное замещение всех атомов водорода и образуется смесь продуктов: Cl , hν − HCl

Cl , hν − HCl

2 2 CH4 ⎯⎯⎯⎯ → CH3 Cl ⎯⎯⎯⎯ → CH2 Cl2

метан

⎯⎯ →

хлорметан

Cl , hν − HCl

дихлорметан

2 ⎯⎯⎯⎯ ⎯ →

CHCl3 трихлорметан

Cl , hν − HCl

2 ⎯⎯⎯⎯ →

CCl4 тетрахлорметан

Взаимодействие других алканов с галогенами в большинстве случаев приводит к образованию смеси изомеров. Например, схема реакции: CH3 CH2 CH3 + Cl2 ⎯hν ⎯→ CH3 CH2 CH2 Cl + CH3 CHClCH3 + HCl пропан

1-хлорпропан

2-хлорпропан

Пиролиз и изомеризация алканов При повышенных температурах ( 600 °C) и без катализатора алканы образуют главным образом алкены и смеси других продуктов. Например, пиролиз этана приводит к образованию этилена: → CН2 С2Н6⎯⎯

СН2 + H2

Разрыв С—С-связей в молекулах алканов в любом месте приводит к образованию смеси алкенов и других углеводородов. Упрощенная схема расщепления С—С-связей в молекуле бутана и некоторые продукты реакции: → CH3—CH CH3—CH2—CH2—CH3 ⎯t⎯ + CH3—CH3 + CH4

CH2 + CH2

CH2 +

При разложении бутана, например, образуется смесь этилена, пропена, бутена-1, бутена-2, а также метана и водорода. Нагревание алканов в присутствии катализаторов приводит к изменению структуры молекул. Например, при нагревании бутана в присутствии хлорида алюминия происходит его изомеризация с образованием изобутана:

Изомеризация алканов нефти является современным методом получения высокооктанового бензина. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

39

Изменение структуры молекул происходит также при нагревании других алканов, например гексана, в присутствии платинового катализатора. В этом случае образуются циклические углеводороды — циклогексан и бензол:

Получение и применение алканов В промышленности насыщенные углеводороды получают при переработке нефти, метан в некоторых странах — из биомассы. Разновидностями биомассы являются древесина и органические отходы животных и растений. При получении метана биомассу подвергают ферментации без доступа кислорода. В этих условиях определенные бактерии разлагают отходы с образованием метана.

В лаборатории алканы можно получить разными способами.

1) Из солей карбоновых кислот Летучие алканы получают нагреванием солей карбоновых кислот со щелочами:

2) Гидрированием ненасыщенных соединений с кратными связями Алканы можно получить гидрированием ненасыщенных соединений, содержащих двойные или тройные связи: CH3—CH2—C бутин-1

кат., t

CH + 2H2 ⎯⎯⎯→ CH3—CH2—CH2—CH3 бутан

Использование метана в промышленности показано на рисунке 20. Хотя природный газ в настоящее время является основой энергетической промышленности многих стран, химическая переработка его экономически более выгодна и целе40

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Рис. 20. Применение метана

сообразна. Например, переработка природного газа в смесь оксида углерода(II) и водорода: Ni, 30 атм, 750 °С

CH4 + H2 O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ CO + 3H2

Смесь 1 моль оксида углерода(II) и 2 моль водорода (синтез-газ) используют для получения метанола, далее уксусной кислоты и других органических веществ, а водород — для получения аммиака: ZnO, Cu, 75 атм, 250 °С

CO + 2H2 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ CH3 OH метанол

Образующиеся при галогенировании метана трихлорметан и тетрахлорметан применяют в качестве растворителей. Около 15 % производимого в промышленности тетрахлорметана получают полным хлорированием метана: 250—400 °C

CH4 + 4Cl2 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → метан

CCl4

+ 4HCl

тетрахлорметан

Реакция разложения метана без доступа воздуха применяется на производстве для получения технического углерода — пигмента для изготовления типографской краски и наполнителя резины для автомобильных шин. Бутан используют в промышленности для получения бутадиена-1,3, необходимого в производстве синтетических каучуков. При облучении светом или при высоких температурах алканы вступают в реакции окисления и замещения. В лаборатории алканы можно получить гидрированием соединений с кратными связями, а также нагреванием солей карбоновых кислот со щелочами. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

41

Вопросы и задания 1. Составьте уравнение реакции взаимодействия этана химическим количеством 1 моль с бромом химическим количеством 1 моль при освещении.

2. Составьте уравнения реакций горения: а) пропана; б) бутана.

3. Определите сумму коэффициентов в уравнении реакции горения этана при недостатке кислорода.

4. Рассчитайте объем хлорметана, который образуется при реакции метана объемом (н. у.) 5,6 дм3 с хлором, если выход хлорметана составляет 76 %.

5. Какие монобромпроизводные могут быть получены замещением одного атома водорода на атом брома в: а) пропане; б) бутане? Назовите их по систематической номенклатуре.

6. Укажите название конечного продукта следующей цепочки превращений: Cl2 , hν t → … ⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯ → …

7. При сгорании какого углеводорода сумма химических количеств углеводорода и необходимого для сжигания кислорода в два раза больше химического количества образовавшегося оксида углерода(IV)?

8. Оксид углерода(IV), полученный при сжигании бутана объемом (н. у.) 560 см3, пропустили через раствор гидроксида калия объемом 26,72 см3 с массовой долей KOH 32 % (плотность 1,31 г/см3). Определите массовую долю соли в полученном растворе.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ГЛ А В А 3 НЕНАСЫЩЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ Ненасыщенными углеводородами называют органические соединения, содержащие в составе молекул двойные или тройные углерод-углеродные связи. Формулы соединений такого типа:

Рассмотрим последовательно строение, физические и химические свойства ненасыщенных соединений с одной двойной связью (алкены), двумя двойными связями (диены) и с одной тройной связью (алкины).

§ 9. Алкены. Строение алкенов Алкены в природе Алкены широко распространены в природе. Например, этилен является фитогормоном, ускоряющим созревание плодов. Насекомые выделяют некоторые алкены (феромоны), которые используются для привлечения особей другого пола, указания путей к пище и объявления опасности. Многие натуральные отдушки и ароматы в качестве основного компонента содержат алкены. В незначительных количествах этилен содержится в природном газе и попутных газах при добыче нефти. Строение алкенов Простейшим алкеном является этилен (этен):

Углеводороды с одной двойной связью, как и алканы, образуют гомологический ряд, в котором любой последующий член ряда отличается по составу от предыдущего на одну группу атомов —СН2—. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

43

Например, гомологический ряд алкенов от С2 до С5: CH2

CH2

CH—CH3

CH2

этен

CH2

пропен

CH—CH2—CH3 бутен-1

CH—CH2—CH2—CH3

CH2

пентен-1

Состав углеводородов этого ряда можно выразить общей формулой СnH2n. Буква n показывает число атомов углерода, которые могут содержаться в молекуле конкретного углеводорода. Общая формула алкенов CnH2n. Строение алкенов рассмотрим подробно на примере этилена. Молекулярная формула этилена С2Н4. Структурной особенностью этилена является присутствие в молекуле двойной связи между атомами углерода:

При образовании двойной связи обобществляются две пары электронов от соседних атомов углерода. Одна пара электронов образует σ-связь (рис. 21, а). Другая связь образуется за счет перекрывания электронных облаков р-электронов по обе стороны от линии (показана на рисунке пунктиром), соединяющей центры атоРис. 21. Схематическое изображение образования химичемов (рис. 21, б). Связь такого типа ских связей: а — σ-связь; называют π-связью. б — π-связь π-Связь значительно отличается по энергии от σ-связи (табл. 9). Та б л и ц а 9. Характеристики одинарной и двойной связей Соединение

Связь

Длина связи, нм

Энергия связи, кДж/моль

Н3С—СН3

С—С

0,154

347

С

0,133

612

Н2С

СН2

С

Из данных, представленных в таблице 9, видно, что энергия одинарной σ-связи равна 347 кДж/моль, а общая энергия двойной связи равна 612 кДж/моль. Отсюда следует, что энергия π-связи в молекуле этилена равна 265 кДж/моль.

44

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Таким образом, прочность π-связи меньше прочности σ-связи, что и объясняет характерные для алкенов реакции присоединения с разрывом π-связи. Физическими методами установлено, что молекула этилена имеет плоское строение: оси всех четырех связей С—Н молекулы этилена лежат в одной плоскости с валентными углами связей, равными приблизительно 120°. С-связи в молекуле этилена меньДлина С ше одинарной связи в молекуле этана, она равна 0,133 нм. Длина С

С-связи равна 0,133 нм.

Электронная формула молекулы этилена:

Рис. 22. Масштабная (а) и шаростержневая (б) модели молекулы этилена

Из электронной формулы видно, что каждый атом углерода имеет устойчивую восьмиэлектронную оболочку, а каждый атом водорода — устойчивую двухэлектронную оболочку. Шаростержневая и масштабная модели молекулы этилена приведены на рисунке 22. Аналогичное строение двойной связи характерно и для других алкенов. Общая формула алкенов СnH2n. Все шесть атомов молекулы этилена находятся в одной плоскости. У этилена между атомами углерода, кроме σ-связи, имеется другая связь, называемая π-связью. Прочность π-связи меньше прочности σ-связи, что и объясняет легкость ее разрыва в химических реакциях. Вопросы и задания 1. Приведите общую формулу алкенов и составьте молекулярную формулу алкена с четырьмя атомами углерода. С-связи и сравните ее с длиной одинарной 2. Укажите длину двойной С С—С-связи.

3. Сравните пространственные формы молекул метана и этилена. На чем основаны различия в пространственном строении веществ двух классов?

4. Определите число σ-связей в молекуле этилена.

5. Объясните, в чем состоит различие между σ- и π-связью в молекуле этилена.

6. Приведите электронную формулу молекулы пропена. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

45

7. Составьте сокращенные структурные формулы членов гомологического ряда алкенов от С4 до С8 с неразветвленной углеродной цепью и с двойной связью, расположенной в начале цепи.

8. Укажите, какие атомы молекулы алкена следующего строения лежат в одной плоскости:

§ 10. Номенклатура, изомерия и физические свойства алкенов Номенклатура Названия углеводородов с одной двойной связью образуют изменением суффикса -ан соответствующего насыщенного углеводорода, содержащего столько атомов углерода, сколько их имеется в углеродной цепи алкена, на суффикс -ен. Например: Н3С—СН3 — этан Н3С—СН2—СН3 — пропан

СН2 СН2 — этен СН3—СН СН2 — пропен

По систематической номенклатуре ИЮПАК класс ненасыщенных углеводородов с одной двойной связью называют алкенами. Если ненасыщенный углеводород содержит больше трех атомов углерода, цифра (локант), указывающая положение двойной связи, записывается после суффикса:

Нумерация углеродной цепи в случае ненасыщенных углеводородов определяется в первую очередь положением двойной связи, при этом атом углерода около двойной связи должен получить наименьший номер: 46

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Во всех случаях записи названий веществ заместители приводятся в алфавитном порядке. Изомерия Для алкенов характерны несколько видов структурной изомерии: изомерия цепи (углеродного скелета), изомерия положения двойной связи и др. Эти виды изомерии рассмотрены в таблице 10 на примере алкенов, имеющих молекулярную формулу С4Н8. Та б л и ц а 10. Виды структурной изомерии алкенов

Изомерия цепи

Изомерия положения двойной связи

Кроме структурной изомерии, для алкенов характерна также пространственная изомерия (стереоизомерия). Пространственная изомерия является следствием отсутствия вращения заместителей вокруг двойной связи. Пространственной изомерией обладают алкены, содержащие разные атомы или группы атомов у каждого из атомов углерода, образующих двойную связь:

Рассмотрим строение пространственных изомеров бутена-2 (рис. 23). Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

47

Рис. 23. Пространственные изомеры бутена-2

Расположение заместителей в структурной формуле алкена следует рассматривать относительно атомов углерода, образующих двойную связь. Если одинаковые заместители находятся по одну сторону двойной связи, то это цис-изомер, если по разные стороны — транс-изомер бутена-2 (от лат. cis — на одной стороне, trans — через, на другой). На рисунке 23 приведены формулы разных соединений, которые имеют и различные физические свойства (табл. 11). Различие в строении этих соединений лучше видно на самостоятельно приготовленных шаростержневых моделях. Модели при их наложении друг на друга не совмещаются. Их нельзя перевести друг в друга, поскольку вращение вокруг С С-связи невозможно, так как оно приведет к разрыву π-связи. Модели, у которых заместители являются одинаковыми атомами, при наложении друг на друга полностью совпадают. Следовательно, если у любого атома углерода при двойной связи находятся одинаковые атомы или группы атомов, пространственные изомеры в этом случае отсутствуют. Физические свойства Физические свойства алкенов рассмотрим на примере некоторых представителей с неразветвленной цепью атомов углерода. Их названия и важнейшие физические свойства приведены в таблице 11. Та б л и ц а 11. Физические свойства алкенов Относительная молекулярная масса

Агрегатное состояние при комнатной температуре

Температура плавления, °С

Температура кипения, °С

Этен

28

Газ

–169,4

–103,9

Пропен

42

Газ

–185,2

–47,0

Бутен-1

56

Газ

–130,0

–5,0

Цис-бутен-2

56

Газ

–139,0

+4

Транс-бутен-2

56

Газ

–106,0

+1

Название

48

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Плотность, г/см3 0,566 (–102 °С) 0,609 (–47 °С) 0,629 (–10 °С) 0,645 (+4 °С) 0,627 (+4 °С)

Как и в случае алканов, температуры кипения алкенов увеличиваются с увеличением относительной молекулярной массы. Зависимость температур плавления соединений с двойными связями от молекулярной массы не имеет общего характера. Для алкенов характерна структурная и пространственная цис-трансизомерия. Названия алкенов образуют изменением суффикса -ан в названии соответствующего насыщенного углеводорода на суффикс -ен. Вопросы и задания 1. Приведите названия соединений по систематической номенклатуре: а)

б)

в)

г)

2. Составьте структурные формулы соединений: а) 4,4-дибромпентена-2; б) 1,2-дихлорбутена-2; в) 1,4-дихлоргексена-1.

3. Приведите названия соединений по систематической номенклатуре: а)

б)

в)

г)

4. Какие из указанных соединений могут существовать в виде цис-транс-изомеров и почему: а) 1,1-дихлорэтен; б) 1,2-дихлорэтен; в) 2-метилбутен-2; г) 1-бром-2-метилбутен-1; д) 1,1-дибром-2-метилбутен-1?

5. Составьте формулы пространственных изомеров гексена-2 и приведите их названия.

6. Алкен с неразветвленной цепью углеродных атомов содержит n атомов углерода. Выведите соотношение между числом изомеров алкена, возникающих из-за различного местоположения двойной связи, и числом n.

7. Вычислите массовую долю углерода в молекуле 1,3,5-трибромгексена-2.

8. Рассчитайте объем (н. у.) кислорода, который понадобится для полного сгорания пентена-1 объемом 120 дм3. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

49

Лабораторный опыт 1 Изготовление шаростержневых моделей молекул углеводородов 1. Составьте модель молекулы метана. Для этого из набора моделей для составления молекул возьмите шарик черного цвета, символизирующий атом углерода, и четыре шарика белого цвета, символизирующих атомы водорода. Используя детали набора моделей, необходимые для соединения шариков, составьте шаростержневую модель молекулы метана.

2. Исходя из модели молекулы метана, составьте модель молекулы пропана. Для этого от модели молекулы метана отнимите белый шарик — символ атома водорода и на его место присоедините черный шарик — символ атома углерода, к которому далее присоедините еще один шарик черного цвета, и т. д. Обратите внимание на длину связей, величину валентных углов и свободное вращение групп атомов вокруг одинарной связи.

3. Составьте модель цис-изомера молекулы бутена-2. Далее постройте модель транс-изомера молекулы бутена-2. Обратите внимание на отсутствие вращения групп атомов вокруг двойной связи.

4. Сделайте выводы о пространственном строении соответствующих молекул углеводородов, длинах связей, величинах валентных углов.

§ 11. Химические свойства алкенов По химическим свойствам этилен и другие алкены сильно отличаются от алканов и при обычных условиях легко подвергаются многочисленным реакциям присоединения по следующей схеме:

Атомы А и В могут быть одинаковыми (например, атомы брома) или разными (например, атом водорода и атом галогена). Реакции присоединения происходят за счет разрыва менее прочной π-связи. Многие реакции окисления алкенов также проходят за счет разрыва этой связи:

50

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Реакции присоединения 1) Присоединение галогенов Этилен и другие алкены присоединяют при комнатной температуре галогены (хлор, бром, менее эффективно иод). Например, этилен присоединяет бром с образованием 1,2-дибромэтана:

В процессе реакции происходит разрыв π-связи в молекуле этилена и σ-связи в молекуле реагента с образованием двух σ-связей С—Br. Рис. 24. Изменение окраски Так как этилен обесцвечивает раствор бро- бромной воды под действием этилена ма в воде (рис. 24), данная реакция используется как качественная реакция (химический тест) на присутствие двойных связей в органических соединениях.

2) Присоединение водорода (гидрирование) Присоединение к алкенам молекулярного водорода происходит при обычной или повышенной температуре под действием металлических катализаторов (платина, палладий, никель и др.), например: ⎯Ni ⎯→

H3C—CH2—CH2—CH

CH2 + H2 ⎯Pd/С ⎯⎯→ H3C—CH2—CH2—CH2—CH3

пентен-1

пентан

Практическое применение реакция такого типа находит в промышленности при превращении жидких жиров в твердые при получении маргарина. Особым случаем реакции присоединения является реакция полимеризации этилена: → —CH n(CH2 CH2)⎯⎯ ( )n 2—CH2— этилен

полиэтилен

3) Присоединение воды (гидратация) и галогеноводородов к этилену Присоединение воды (в присутствии кислоты) и галогеноводородов к этилену происходит аналогично присоединению галогенов, например: H2 C

H+, t

CH2 + H2O ⎯⎯⎯→ H3C—CH2—OH этен

H 2C

этанол

→ ClCH2—CH3 CH2 + HCl⎯⎯ этен

хлорэтан

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

51

Реакции окисления Алкены, как и большинство других соединений, содержащих двойную связь, достаточно легко окисляются кислородом воздуха, особенно при освещении. Реакция окисления приводит к образованию сложных смесей органических соединений. При этом качества веществ ухудшаются, они становятся непригодными к употреблению и иногда взрывоопасными. Поэтому хранить алкены следует на холоде и в темноте. При реакциях окисления разрывается одна Рис. 25. Изменение окраски перπ-связь или обе С С-связи. манганата калия под действием 1) Окисление перманганатом калия этилена Алкены в отличие от алканов легко реагируют с окислителями. Так, при пропускании этилена через разбавленный раствор перманганата калия при низкой температуре фиолетовая окраска раствора исчезает (рис. 25): 5 °C

⎯⎯⎯ →

Окисление перманганатом калия гомологов алкенов происходит аналогично окислению этилена. Эта реакция может служить также качественной реакцией на этилен и другие углеводороды, содержащие двойные связи. При использовании в качестве окислителей надкислот

или пероксида во-

дорода в щелочной среде образуются эпоксиды:

надкислота

эпоксид

Эта реакция носит название реакции Прилежаева.

2) Полное окисление (горение) Все алкены в избытке кислорода легко сгорают с образованием воды и оксида углерода(IV). Например: 52

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Николай Александрович Прилежаев (1877—1944) Русский химик. Разработал синтез эпоксидов при действии на алкены органическими надкислотами (реакция Прилежаева). продолжительное время работал в Беларуси. Был деканом и заведующим кафедрой органической химии химического факультета Белгосуниверситета.

2CH3—CH

→ 6CO2 + 6H2O CH2 + 9O2⎯⎯

Этилен и его гомологи могут присоединять галогены, водород и воду. Алкены окисляются различными окислителями (KMnO4 и др.). Вопросы и задания 1. Напишите структурную формулу продукта взаимодействия этилена с хлором и назовите образующееся соединение.

2. Запишите уравнение реакции горения бутена-1.

3. Определите и напишите возможные структурные формулы алкена, если известно, что один из его изомеров массой 21 г присоединяет хлор объемом (н. у.) 8,4 дм3.

4. Напишите уравнение реакции бутена-2 с бромом и назовите образующийся продукт.

5. При пропускании неизвестного алкена через избыток раствора перманганата калия при низкой температуре масса выпавшего осадка оказалась в 1,38 раза больше массы алкена. Установите формулу алкена.

6. Дополните схему превращений: H 2C

Br 2, hν Ni → … ⎯⎯⎯⎯⎯ CH2 + H2 ⎯⎯⎯ → …

7. Определите молекулярную формулу алкена, если при сгорании газа объемом (н. у.)

11,2 дм3 образовался оксид углерода(IV) объемом (н. у.) 33,6 дм3 и вода массой 27 г. Плотность алкена равна 1,876 г/дм3.

8. Составьте уравнение реакции окисления пентена-2 до пентандиола-2,3.

9. На сжигание смеси этена и пропена объемом (н. у.) 4,032 дм3 понадобился кислород объемом (н. у.) 17,024 дм3. Вычислите объем каждого углеводорода в смеси.

§ 12. Реакция полимеризации алкенов В современной жизни, вероятно, нет другого более важного продукта органической химии, чем синтетические полимеры (греч. поли — много, мерос — часть), получаемые в большинстве случаев из алкенов. Полимером называют молекулы очень большой длины и относительной молекулярной массы, с периодически повторяющимися одинаковыми группами атомов. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

53

Исходный алкен А называют мономером, а образующийся в результате реакции продукт — полимером: полимеризация

→ —A—A—A—A—A—A—A— nA ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ мономер

полимер

Многократно повторяющиеся группы атомов в полимерной цепи называют структурными звеньями. Полимеризацией называется реакция синтеза высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных, например алкенов. Исходный алкен называется мономером, а образующийся продукт реакции — полимером. Получающиеся гигантские молекулы (их называют макромолекулами) интересны своими физико-химическими свойствами, благодаря которым полимеры незаменимы в технике и повседневной жизни. Полимеры и пластмассы (основной компонент — полимер с добавкой красителя, стабилизатора, наполнителя и пластификатора) — легкие, прочные, относительно инертные материалы, не изменяют свои свойства в течение длительного периода времени. Образование полимеров рассмотрим на примере реакции полимеризации этилена, в результате которой при многократном присоединении молекул этилена друг к другу образуется высокомолекулярное вещество — полиэтилен. В общем виде схему реакции полимеризации этилена можно записать таким образом: мономер

полимер

Полимеризацию проводят часто в присутствии веществ, называемых инициаторами, и их остатки находятся на концах цепей полимерных макро молекул. Буква n обозначает степень полимеризации, которая показывает число молекул мономера, которые соединились в процессе полимеризации. По радикальному механизму может происходить полимеризация и других мономеров. Названия мономеров и строение полимеров, образующихся в результате реакции полимеризации этилена и его производных, приведены в таблице 12. В Республике Беларусь в Новополоцке работает завод по производству полиэтилена низкой плотности.

54

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Та б л и ц а 12. Примеры некоторых полимеров Мономер

Название мономера

СН2

Этилен

Полиэтилен: высокой плотности низкой плотности

2500—20000 500—1200

Винилхлорид

Поливинилхлорид

100—2500

Тетрафторэтен

Тефлон

Пропен

Полипропилен

1900—4500

Стирол

Полистирол

500—2000

Н 2С

F 2C

CF2

Полимер

Название полимера

Степень полимеризации

Свойства и применение полимеров Образующиеся при полимеризации этена полимеры напоминают по структуре алканы с большим числом атомов углерода. Поэтому они не реагируют ни с концентрированными растворами щелочей, ни с концентрированными растворами кислот. При небольшом нагревании, например в горячей воде, они становятся мягкими и могут изменять форму. Полиэтилен применяют для производства хозяйственных пакетов, труб, шприцев, предметов домашнего обихода, игрушек, пленки для парников и т. д. Поливинилхлорид используется для получения искусственной кожи, полов, клеенки, труб, окон, дверей и изолирующих материалов для электрических проводов. Полипропилен находит применение в производстве труб, вентилей, медицинских приборов и принадлежностей, упаковочной пленки и т. д. Тефлон устойчив в концентрированных растворах щелочей и кислот при температурах порядка 250—300 °С. Применяется для изготовления электроизоляторов, покрытий для сковород и утюгов, различных устройств в химической и атомной промышленности. Полимеризацией называется реакция синтеза высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных соединений. Исходное соединение называют мономером, а образующийся продукт реакции — полимером. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

55

Вопросы и задания 1. Приведите определение понятия «структурное звено полимера».

2. Составьте формулу фрагмента молекулы полиэтилена, содержащего 3 структурных звена.

3. Составьте формулу фрагмента молекулы поливинилхлорида, содержащего 4 структурных звена.

4. Рассчитайте объем соляной кислоты с массовой долей HCl 0,1 и плотностью раствора 1,047 г/см3, которая понадобится для получения (в присутствии оксида марганца(IV)) хлора, необходимого для реакции с пропеном химическим количеством 0,12 моль.

5. Смесь этана и пропена объемом (н. у.) 1,94 дм3 полностью обесцвечивает в темноте раствор брома в хлороформе массой 120 г. Массовая доля брома в растворе 10 %. Найдите объемную долю пропена в смеси.

6. Известно, что для присоединения к алкену массой 8,4 г понадобился водород химическим количеством 0,15 моль. Найдите формулу алкена.

7. Дополните схему превращений и назовите образующиеся продукты:

§ 13. Получение и применение алкенов Получение этилена В химической промышленности этилен является самым высокотоннажным продуктом среди других органических соединений. Для промышленных целей его получают высокотемпературным разложением углеводородов нефти. Наибольший выход этилена получается при пиролизе этана:

⎯⎯ →

Рис. 26. Схема прибора для получения этилена в лаборатории

56

Этилен в лаборатории получают с небольшим выходом при разложении полиэтилена (рис. 26) или дегидратацией этанола:

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Получение алкенов 1) Отщеплением галогеноводорода от галогеналканов при нагревании:

В зависимости от структуры исходного галогеналкана часто получается смесь алкенов. Например, при взаимодействии 2-бромбутана со спиртовым раствором щелочи образуются два продукта — бутен-1 и бутен-2. Схема реакции:

2) Дегидратация спиртов Алкены образуются при нагревании спиртов с концентрированными растворами минеральных кислот:

3) Гидрированием алкинов: R—CH2—C

CH + H2 ⎯Pd/PbO ⎯⎯⎯→ R—CH2—CH t

CH2

Применение этилена Этилен в промышленности преимущественно используют для получения полиэтилена. Примеры использования этилена в других отраслях хозяйства показаны Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

57

Рис. 27. Применение этена

на рисунке 27. Второй по значимости пример использования этилена — превращение полученного из него винилхлорида в поливинилхлорид: CH2

t → CH2Cl—CH2Cl ⎯⎯⎯ CH2 + Cl2⎯⎯ → − HCl

этен

⎯⎯ → H 2C

1,2-дихлорэтан полимеризация

CHCl ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → поливинилхлорид

винилхлорид

Большие количества этилена перерабатываются также в этиленоксид, далее в этиленгликоль, основную часть которого используют для получения полиэтилентерефталата (лавсана). Тетрахлорэтен (перхлорэтилен) и 1,1,1-трихлорэтан применяют в качестве растворителей для сухой химчистки. Этилен получают при крекинге углеводородов нефти. В лаборатории этилен получают дегидратацией этанола или разложением полиэтилена. В лаборатории алкены получают отщеплением воды от спиртов, отщеплением галогеноводородов от галогеналканов и гидрированием алкинов. Вопросы и задания 1. Укажите, к какому типу реакций относится способ получения этилена из спирта в лаборатории. Составьте уравнение реакции.

2. Вычислите объем кислорода (в дм3), который понадобится для полного сгорания пропена объемом (н. у.) 60 дм3.

3. Определите молекулярную формулу алкена, если при сгорании газа объемом (н. у.)

11,2 дм3 образовались оксид углерода(IV) объемом (н. у.) 44,8 дм3 и вода массой 36 г. Плотность алкена равна 2,5 г/дм3.

58

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

4. При нагревании 1,2-дихлорэтана отщепляется молекула хлороводорода. Напишите уравнение реакции и назовите образующееся соединение. Для чего используется продукт данной реакции?

5. Составьте схему промышленного способа получения поливинилхлорида из этена.

6. Дополните схему превращений: H2SO4 KMnO4 → … ⎯⎯⎯⎯⎯ →…

C2H5OH ⎯⎯⎯⎯⎯ t 2 °C 7. Вычислите объем винилхлорида, который можно получить из этилена объемом (н. у.) 56 дм3, если на каждой стадии выход продукта равен 85 %.

Практическая работа 1 Получение этилена и изучение его свойств 1. Соберите прибор и проверьте его на герметичность.

2. Поместите в пробирку заранее приготовленную смесь этилового спирта и концентрированной серной кислоты объемом 1—2 см3, добавьте пару крупинок битого фарфора для равномерного кипения, плотно закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой и закрепите ее в штативе.

3. Нагревайте пробирку в пламени спиртовки, соблюдая правила техники безопасности.

4. Когда содержимое пробирки начнет равномерно кипеть, пропустите выделяющийся газ в другую пробирку с иодной водой объемом 1—2 см3, опустив свободный конец газоотводной трубки до дна пробирки. Наблюдайте происходящие изменения.

5. Пропустите этилен в пробирку с разбавленным раствором перманганата калия объемом 1—2 см3.

6. Достаньте газоотводную трубку из раствора, поверните ее отверстием кверху и подожгите газ.

7. Составьте отчет о работе, укажите происходившие изменения и приведите уравнения всех реакций.

§ 14. Диены Диенами называют углеводороды, содержащие в составе молекул две двойные связи. В данном курсе изучаться будут только диены, у которых двойные связи разделены одинарной связью. Такая система связей называется сопряженной. Диены в природе Углеводороды с сопряженными двойными связями широко распространены в природе: это растительные пигменты моркови, помидоров, листьев деревьев (окраска обнаруживается осенью после расщепления хлорофилла), а также близкий к ним по Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

59

строению витамин А, канифоль из смолы хвойных деревьев, некоторые феромоны. Такого типа диены в природных условиях образуют натуральный каучук и гуттаперчу. Строение Простейшим представителем диенов, у которых двойные связи разделены одной одинарной связью, является бутадиен-1,3. Его молекулярная формула С4Н6. Структурная формула:

Общая формула диенов CnH2n – 2. Строение диеновых углеводородов с сопряженными двойными связями отличается от строения углеводородов с двойными связями. Длины одинарных и двойных связей в молекулах обычно мало изменяются в зависимости от их строения. В то же время в молекуле бутадиена длина одинарной С—С-связи равна 0,148 нм, что короче связи С—С в алканах (см. табл. 9), а длина двойной связи — 0,134 нм, что немного длиннее двойных связей в алкенах. Модели молекулы бутадиена показаны на рисунке 28. Наличие таких особенностей строения, как вы увидите далее, приводит к особым химическим свойствам диеновых углеводородов.

Рис. 28. Шаростержневая (а) и масштабная (б) модели молекулы бутадиена-1,3

Номенклатура и изомерия В качестве основы для названия диенов выбирают углеродную цепь, содержащую обе двойные углерод-углеродные связи. Суффикс -ан соответствующего насыщенного углеводорода изменяют на суффикс -диен. Цифры, указывающие положение двойных связей, записывают после суффикса. Например:

60

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

В случае диеновых углеводородов часто используют тривиальные названия. Например, бутадиен-1,3 иногда называют дивинилом, а 2-метилбутадиен-1,3 — изопреном. Название класса углеводородов с двумя двойными связями — диены. Для диенов характерны все виды структурной изомерии (изомерия цепи, изомерия положения двойной связи и т. д.). Рассмотрим изомерию на примере углеводорода, содержащего семь атомов углерода в составе молекул.

H3C—CH2—CH2—CH

CH—CH

CH2

Изомерия цепи

гептадиен-1,3

изомеры С7Н12

Изомерия положения двойной связи H3C—CH

CH—CH

CH—CH2—CH3

гептадиен-2,4 (показан только один из возможных изомеров)

Физические свойства Бутадиен-1,3 представляет собой бесцветный газ, раздражающий слизистые оболочки, практически не растворимый в воде. Некоторые физические свойства диенов приведены в таблице 13. Та б л и ц а 13. Физические свойства некоторых диенов Молекулярная формула

Название

Относительная молекулярная масса

С4 Н 6

дивинил (бутадиен-1,3)

С 5Н 8

изопрен (2-метилбутадиен-1,3)

Структурная формула

Температура, °С плавления

кипения

54

–108,9

–4,5

68

–136

34,1

Химические свойства Диены так же, как алкены, вступают в реакции присоединения. Однако в отличие от алкенов, диены с сопряженными двойными связями в этих реакциях образуют смеси продуктов присоединения. Наряду с присоединением по двойной Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

61

связи (называется 1,2-присоединение) происходит присоединение и по концам системы сопряженных двойных связей молекулы (1,4-присоединение).

В последнем случае вместо одинарной связи между центральными атомами углерода образуется двойная связь.

1) Присоединение галогенов При взаимодействии брома или хлора с диенами образуется смесь изомеров 1,2- и 1,4-присоединения. Например, реакция бутадиена-1,3 химическим количеством 1 моль с бромом химическим количеством 1 моль приводит к образованию смеси 3,4-дибромбутена-1 и 1,4-дибромбутена-2. Схема реакции:

Соотношение продуктов зависит от условий проведения реакции.

2) Присоединение водорода Аналогично галогенам диены в реакции с водородом образуют продукты 1,2- и 1,4-присоединения. Например, бутадиен-1,3 с водородом дает смесь бутена-1 и бутена-2: CH2

кат., t

CH—CH

CH2 + H2 ⎯⎯⎯⎯ → H3C—CH2—CH

бутадиен-1,3

бутен-1

+ H3C—CH

CH2 +

CH—CH3

бутен-2

С избытком водорода образуется бутан.

3) Полимеризация Диеновые углеводороды легко вступают в реакции полимеризации с образованием синтетических каучуков: n(CH2

CH—CH бутадиен-1,3

→ —CH CH2)⎯⎯ ( 2—CH

CH—CH2— )n

полибутадиен

В большинстве случаев образуются продукты 1,4-присоединения.

62

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Рис. 29. Схема пространственного строения макромолекул природного каучука

Ранее, до получения синтетических каучуков, в промышленности применялся только природный (натуральный) каучук, получаемый из сока каучуконосных растений. Его строение показано на рисунке 29. При разложении природного каучука при нагревании было установлено, что его макромолекулы состоят из остатков 2-метилбутадиена-1,3 (изопрена). Таким образом, процесс образования натурального каучука можно изобразить так:

Наличие двойных С С-связей в макромолекулах полимеров обусловливает возможность существования цис- и транс-стереоизомеров. Оказалось, что в пространственном строении макромолекул природного каучука наблюдается регулярность — только цис-расположение заместителей в структурных звеньях (см. рис. 29). При получении синтетических каучуков образующиеся макромолекулы полимера построены из хаотично расположенных мономерных звеньев в цис- или транс-формах. По этой причине синтетические каучуки уступают природному каучуку по эластичности и износостойкости. Ученым удалось решить проблему синтеза таких стереорегулярных каучуков при использовании смешанных катализаторов типа [TiCl4, Al(C2H5)3]: n(CH2

CH—CH

TiCl , Al(C H )

4 2 5 3 CH2) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ →

⎯⎯ →

Эластичность каучуков является одним из важнейших условий при изготовлении авиационных и автомобильных шин и улучшается при вулканизации каучука — превращении каучука в резину при нагревании с серой: Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

63

При этом сопротивление на разрыв вулканизированного каучука значительно повышается, а способность к набуханию уменьшается. Получение и применение диенов Полупромышленный синтез бутадиена-1,3 впервые был осуществлен под руководством С. В. Л е б е д е в а дегидратацией и дегидрированием этанола при высокой температуре: 425 ° C, Al O , ZnO

2 3 → 2H3C—CH2—OH ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

⎯⎯ → H 2C

CH—CH

CH2 + 2H2O + H2

В настоящее время бутадиен-1,3 получают дегидрированием бутана:

Аналогично дегидрированием 2-метилбутана получают изопрен:

Диены применяют для получения синтетических каучуков, необходимых в производстве шин, а также различных резинотехнических изделий. Чаще всего применяют смесь мономеров, например бутадиен-1,3 и стирол в реакции сополимеризации. Синтетические каучуки используются также для изготовления транспортерных лент, резиновой обуви, водопроводных и лабораторных шлангов. Натуральный полиизопреновый полимер транс-строения гуттаперчу применяют для изготовления мячей для гольфа. В Беларуси работает одно из крупнейших в Европе предприятий по производству шин — ОАО «Белшина» в Бобруйске.

64

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

В реакциях присоединения водорода и галогенов диены всегда образуют смеси продуктов: 1,2-присоединение и 1,4-присоединение. Диеновые углеводороды легко вступают в реакции полимеризации с образованием синтетических каучуков. Вопросы и задания 1. Напишите уравнение реакции избытка брома с пентадиеном-1,4.

2. Разъясните, в чем заключаются особые химические свойства диенов с сопряженными двойными связями.

3. Составьте структурные формулы изомеров, имеющих молекулярную формулу С5Н8 и отличающихся местоположением двойной связи.

4. Составьте уравнение реакции бутадиена-1,3 с: а) H2; б) Cl2.; в) О2 (горение). Назовите образующиеся продукты по номенклатуре ИЮПАК.

5. Объясните, что обозначает термин «стереорегулярный полимер».

6. Изобразите строение участка цепи бутадиенового каучука в цис- и транс-форме.

7. Изобразите строение участка цепи изопренового каучука в транс-форме.

8. Составьте уравнение реакции гексадиена-2,4 с бромом и назовите образующиеся продукты по систематической номенклатуре.

9. Рассчитайте объем бутадиена-1,3, который полностью сгорит в металлическом ангаре объемом 80 м3.

10. Вычислите массу бутадиена-1,3, полученного по способу Лебедева с 75 %-м выходом из этанола массой 18,4 кг.

§ 15. Алкины. Строение, номенклатура и изомерия алкинов Алкины в природе Соединения с тройными связями не так широко распространены в природе, как алкены или диены. Простые алкины, за исключением ацетилена, выделяющегося в следовых количествах при созревании яблок, не встречаются в природе. Другие алкины находят в масле ромашки, некоторых видах грибов, феромонах насекомых. Токсичное вещество, применяемое индейцами Амазонки для смазывания наконечников стрел, содержит в составе молекул три тройные связи. Особенно много алкинов находят в морских организмах, например в губках. Строение алкинов Простейшим представителем углеводородов с одной тройной связью (алкинов) является ацетилен. Ацетилен представляет собой при обычных условиях газ, в чистом виде практически не имеющий запаха. Ацетилен плохо растворим в воде и в органических растворителях, за исключением ацетона. Алкины, как и другие классы органических соединений, образуют гомологической ряд, общая формула которого CnH2n – 2. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

65

Например, гомологический ряд углеводородов с одной тройной связью от С2 до С5: CH C—CH3 CH C—CH2—CH3 CH CH этин

пропин

CH

бутин-1

C—CH2—CH2—CH3 пентин-1

Общая формула алкинов CnH2n – 2. Строение алкинов рассмотрим на примере ацетилена. Молекулярная формула ацетилена С2Н2. Структурной особенностью ацетилена является присутствие в молекуле тройной связи между атомами углерода. Одна из этих связей является σ-связью, две другие — π-связями. Электронная и структурная формулы молекулы ацетилена:

Физическими методами установлено, что в молекуле ацетилена наблюдается линейное расположение всех четырех атомов с валентными углами связей, равными 180°: С2 Н 2 Длина С 0,120 нм.

С-связи в молекуле ацетилена короче двойной связи и равна

Длина связи С

С равна 0,120 нм.

Масштабная модель молекулы ацетилена показана на рисунке 30. Номенклатура Названия углеводородов с одной тройной связью образуют изменением суффикса -ан соответствующего насыщенного углеводорода на суффикс -ин. Например:

Рис. 30. Масштабная модель молекулы ацетилена

Н3С—СН3 — этан СН СН — этин Н3С—СН2—СН3 — пропан СН3—С СН — пропин Название класса углеводородов, содержащих одну тройную связь, — алкины. Если ненасыщенный углеводород содержит более трех атомов углерода, положение тройной связи указывают цифрой, записывая ее после суффикса: 66

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Другие правила номенклатуры ИЮПАК для алкинов такие же, как и правила для алкенов (см. § 10). Изомерия Для алкинов характерны все виды структурной изомерии: изомерия цепи, изомерия расположения тройной связи и т. д. Рассмотрим различные виды изомерии на примере алкинов с молекулярной формулой С5Н8 (табл. 14). Та б л и ц а 14. Различные виды изомерии алкинов

Изомерия цепи

Изомерия расположения тройной связи

Алкины образуют гомологический ряд, общая формула которого СnH2n – 2. Названия углеводородов с одной тройной связью образуют изменением суффикса -ан соответствующего насыщенного углеводорода на суффикс -ин. Вопросы и задания 1. Приведите общую формулу алкинов.

2. Составьте структурную формулу алкина С5Н8 с разветвленной углеродной цепью и назовите его по систематической номенклатуре.

3. Составьте электронную формулу пропина.

4. Назовите по систематической номенклатуре следующие соединения:

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

67

5. Объясните, в чем состоит особенность строения алкинов по сравнению со строением алкенов.

6. Рассмотрите различные виды изомерии на примере алкина С6Н10.

7. Составьте схему полного сгорания пропина.

§ 16. Физические и химические свойства, получение и применение ацетилена Физические свойства Физические свойства ацетилена и его гомологов рассмотрим на примере некоторых представителей с неразветвленной цепью атомов углерода. Их названия и важнейшие физические свойства приведены в таблице 15. Та б л и ц а 15. Физические свойства алкинов

Название

Относительная молекулярная масса

Агрегатное состояние при комнатной температуре

Температура плавления, °С

Температура кипения, °С

Плотность, г/см3

Этин

26

Газ

–169,4

–83,4

0,618

Пропин

40

Газ

–101,5

–23,3

0,671

Бутин-1

54

Газ

–122,5

8,6

0,668

Как видно из данных таблицы, температуры кипения алкинов увеличиваются с увеличением относительной молекулярной массы. Химические свойства Наиболее характерными химическими свойствами ацетилена являются реакции присоединения.

1) Присоединение галогенов Ацетилен обесцвечивает раствор брома в тетрахлорметане. Присоединение галогенов к ацетилену, в отличие от реакции с этиленом, может происходить в одну или две стадии. На первой стадии разрывается одна π-связь, на второй — другая: CCl

4 ⎯⎯⎯ →

BrCH

CCl

4 CHBr + Br2 ⎯⎯⎯ → Br2CH—CHBr2

1,1,2,2-тетрабромэтан

68

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

2) Присоединение водорода Присоединение водорода к ацетилену происходит при нагревании и в присутствии катализаторов: H—C

Ni, t

C—H ⎯⎯⎯ → H 2C

ацетилен

+ H2

Ni, t

CH2 ⎯⎯⎯ → H3C—CH3

этилен

+ H2

этан

3) Присоединение воды Присоединение к ацетилену воды в кислой среде и в присутствии каталитических количеств солей двухвалентной ртути (реакция Кучерова) приводит к получению уксусного альдегида:

4) Присоединение галогеноводородов Например, при присоединении избытка хлороводорода к ацетилену образуется 1,1-дихлорэтан: → H3C—CHCl2 H—C C—H + 2HCl⎯⎯ ацетилен

1,1-дихлорэтан

5) Тримеризация ацетилена При пропускании ацетилена над активированным углем при 500 °С происходит образование бензола:

6) Полное окисление (горение) Ацетилен при избытке кислорода легко сгорает с образованием воды и оксида углерода(IV): → 4CO2 + 2H2O 2С2H2 + 5O2⎯⎯ Получение и применение ацетилена В промышленности ацетилен ранее получали нагреванием метана при высокой температуре: 1500 °C

2СH4 ⎯⎯⎯⎯ → HC

CH + 3H2

В настоящее время наиболее перспективным и более экономичным способом получения ацетилена является реакция метана с дозированным количеством кислорода: Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

69

1500 °C

6CH4 + O2 ⎯⎯⎯⎯ → 2HC

CH + 2CO + 10H2

При безопасном соотношении объемов газов метана и кислорода 6 1 образуется максимальное количество водорода, сжигание которого используют для поддержания высокой температуры реакции. В лаборатории ацетилен получают обработкой водой карбида кальция: → H—C CaC2 + 2H2O⎯⎯ карбид кальция

C—H + Ca(OH)2

ацетилен

Карбид кальция, в свою очередь, получают сплавлением в электрических печах оксида кальция и угля: 2000 °C

CaO + 3C ⎯⎯⎯⎯→ CaC2 + CO Большинство полимеров являются хорошими изоляторами. Однако ученым удалось на основе полимеров ацетилена, «обработанных» иодом, получить токопроводящие полимеры:

Ацетилен применяют для утилизации хлороводорода, образующегося в качестве побочного продукта при получении винилхлорида из этилена:

Таким образом получают дополнительные количества винилхлорида. Ацетилен как исходный продукт для получения различных органических веществ в 40—50-х годах прошлого столетия заменили на более дешевый этилен. Ацетилен в настоящее время используют в основном для сварки и резки металлов, так как при горении ацетилена в чистом кислороде развивается высокая температура. Для ацетилена характерны реакции присоединения: галогенов, водорода, воды и галогеноводородов. В промышленности ацетилен получают нагреванием метана с дозированным количеством кислорода. В лаборатории ацетилен получают обработкой карбида кальция водой.

70

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Вопросы и задания 1. Составьте уравнение реакции ацетилена химическим количеством 1 моль с хлором химическим количеством 2 моль и назовите образующийся продукт по систематической номенклатуре.

2. Приведите уравнения реакций ацетилена со следующими соединениями химическим количеством 1 моль: а) водород; б) бромоводород.

3. Составьте уравнения реакций получения ацетилена двумя способами: а) из метана; б) из карбида кальция.

4. Почему ацетилен в настоящее время получают из метана с дозированным количеством кислорода? Приведите объяснения.

5. Дополните схему превращений: Br2 , hν 2 моль H2 …

Ni 6. Составьте уравнения реакций получения ацетилена из карбоната кальция.

7. Рассчитайте объем ацетилена, который полностью сгорит в кислороде объемом (н. у.) 220 м3.

8. Смесь ацетилена, метана и этилена объемом 1 дм3 полностью реагирует в темноте с хлором массой (н. у.) 3,5 г. Рассчитайте объем водорода, который может присоединиться к этой же смеси объемом 1 дм3.

9. Вычислите массу технического карбида кальция (массовая доля примесей равна 20 %), при взаимодействии которого с водой образуется ацетилен, затем бензол объемом 2 дм3 (плотность 0,88 г/см3).

CH4

O2 1500° C

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ГЛ А В А 4 АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (АРЕНЫ) Ароматические углеводороды относятся к циклическим ненасыщенным органическим соединениям. Это отдельный класс органических соединений, обладающих особыми химическими свойствами, не похожими на свойства ненасыщенных соединений. Органические соединения, содержащие в своем составе бензольные ядра (кольца), называют ароматическими. Название «ароматические» вначале было дано группе различных органических соединений, обладающих одним общим признаком, — приятным запахом. В настоящее время термин «ароматичность» имеет совершенно другой смысл: определяет круг органических веществ, обладающих особыми химическими свойствами.

§ 17. Бензол Строение и свойства ароматических углеводородов рассмотрим на примере простейшего представителя — бензола. Строение Молекулярная формула бензола С6Н6. Структурную формулу бензола изображают несколькими способами:

Существование двух структурных формул бензола имеет свое экспериментальное объяснение. Структурная формула 1 была впервые предложена немецким ученым Ф. К е к у л е. Запись формулы бензола 1 подтверждают следующие экспериментальные данные: все атомы углерода и водорода в молекуле бензола лежат в одной плоскости с валентными углами связей, равными 120°, как у алкенов. Другим подтвержде72

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Фридрих Август Кекуле (1829—1896) Немецкий химик. Впервые предложил циклическую формулу бензола. Один из создателей теории химического строения органических соединений.

нием формулы 1 является тот факт, что для гидрирования бензола химическим количеством 1 моль до циклогексана требуется водород химическим количеством 3 моль: на каждую двойную связь расходуется водород химическим количеством 1 моль. Как видно из записи структурной формулы 1, двойные связи в молекуле бензола чередуются с одинарными связями. Вы уже знаете, что такое чередование двойных и одинарных связей, как у бутадиена-1,3, называется сопряжением. Однако сравнение экспериментальных данных длин связей (табл. 16) свидетельствует о том, что в молекуле бензола нет двойных и нет одинарных связей: длины всех С—С-связей одинаковы и равны 0,140 нм, что длиннее двойной и короче одинарной связи. Эти факты позволяют для бензола использовать также формулу 2. Та б л и ц а 16. Характеристики одинарной, кратных и других связей Соединение

Связь

Длина связи, нм

Энергия связи, кДж/моль

Н3С—СН3

С—С

0,154

347

Н 2С

СН2

С

С

0,134

612

НС

СН

С

С

0,120

838

0,140

В дальнейшем будет использоваться сокращенная структурная формула:

Шаростержневая и масштабная модели молекулы бензола представлены на рисунке 31. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

73

Рис. 31. Шаростержневая (а) и масштабная (б) модели молекулы бензола

Физические свойства Бензол представляет собой бесцветную, сильно преломляющую жидкость с характерным запахом, которая легко кристаллизуется при охлаждении (т. пл. 5,5 °С) и кипит при 80,1 °С. Бензол относится к чрезвычайно токсичным соединениям, вдыхание его паров в течение длительного периода времени может привести к серьезным заболеваниям крови. Опасно не только вдыхание паров, но и проникновение жидкого вещества через кожу. Первыми признаками отравления являются головокружение и головная боль. Химические свойства Реакции замещения Все реакции замещения у бензола происходят таким образом, что атомы водорода молекулы бензола замещаются на частицы, имеющие положительный заряд.

1) Галогенирование. При обработке бензола раствором брома в тетрахлорметане в обычных условиях никакой реакции не наблюдается, однако в присутствии катализаторов (Fe, FeBr3, AlCl3 и др.) бензол вступает в реакцию замещения. Роль катализатора заключается в поляризации молекулы галогена с образованием комплекса Br+[FeBr4]–. Например, бензол в присутствии любого из указанных катализаторов реагирует с бромом (рис. 32) или хлором даже при комнатной температуре: 74

Рис. 32. Реакция бензола с бромом: 1 — бензол; 2 — бром; 3 — раствор брома в бензоле; 4 — AlCl3; 5 — универсальная индикаторная бумага

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

AlCl

Как видно из уравнения бромирования, при таком соотношении реагентов только один атом водорода в молекуле бензола замещается на атом брома.

2) Нитрование. Другим примером реакции замещения является взаимодействие бензола с азотной кислотой, роль катализатора в которой играет серная кислота:

Реакции присоединения В жестких условиях бензол может вступать в реакции присоединения. Например, в присутствии никеля и при нагревании бензол присоединяет водород с образованием циклогексана:

Окисление Бензол не реагирует с раствором перманганата калия или других окислителей, разрыв кольца происходит лишь в жестких условиях. Бензол горит на воздухе с образованием коптящего пламени: → 12СО2 + 6Н2О 2С6Н6 + 15О2⎯⎯

Все атомы молекулы бензола лежат в одной плоскости и длины всех С—С-связей равны между собой. Для бензола характерны реакции замещения. В жестких условиях бензол может подвергаться реакциям присоединения.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

75

Вопросы и задания 1. Объясните, почему строение молекулы бензола изображают двумя различными структурными формулами.

2. Каким образом, имея в наличии бром, тетрахлорметан и порошок железа, распознать находящиеся в разных пробирках три жидкости: гексан, гексен и бензол?

3. Составьте структурные формулы следующих соединений: а) 1,2,4-триэтилбензола; б) 1,4-дибромбензола; в) 1,3,5-триметилбензола.

4. При действии избытка брома на бензол химическим количеством 0,2 моль получили бромбензол массой 29,83 г. Найдите массовую долю выхода бромбензола от теоретического (в %).

5. Вычислите плотность паров бензола по водороду и воздуху.

6. Вычислите объем бензола (плотность 0,88 г/см3), который находится в водном бассейне объемом 500 000 м3, куда по ошибке сбросили промышленные отходы в пределах допустимых норм (норма для бензола — предельная концентрация не должна превышать 0,0005 г/дм3).

7. Приведена структура органического соединения:

Какой из указанных цифрами атомов углерода находится в плоскости бензольного кольца? Как вы объясните свой выбор?

8. Какие из соединений, структурные формулы которых:

относят к ароматическим соединениям? Ответ мотивируйте.

9. Дополните схему превращений: Cl2 , AlCl3 C, 450 °C → … ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → …

3H—C C—H ⎯⎯⎯⎯⎯⎯

§ 18. Получение и применение ароматических соединений Получение в промышленности Самый первый способ получения бензола в промышленности основан на перегонке каменноугольной смолы, образующейся при коксовании угля. Бензол в основном получают при термических и каталитических превращениях (ароматизации) некоторых продуктов перегонки нефти. Упрощенная схема получения бензола из гексана: 76

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Основными источниками промышленного получения гомологов бензола являются нефть и в гораздо меньшей степени каменноугольная смола. Из гомологов бензола наиболее известны метилбензол (толуол) и этилбензол. Этилбензол в основном используют для получения стирола, который в результате радикальной полимеризации превращают в полистирол. Полистирол используют для производства игрушек, предметов домашнего обихода и перерабатывают в пенополистирол, который применяют как упаковочный и термоизоляционный материал. Для получения ароматических соединений в лаборатории применяют реакции галогенирования, нитрования и др. Многочисленные производные бензола широко применяют в качестве растворителей и полупродуктов для различных отраслей химической промышленности. Основные превращения бензола и его производных показаны на рисунке 33.

Рис. 33. Основные превращения бензола Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

77

Взаимные превращения представителей различных классов углеводородов На рисунке 33 показаны превращения органических соединений в пределах одного класса — ароматических соединений. Возможность таких превращений основана на знании химических свойств органических соединений и необходима химикам для того, чтобы синтезировать нужные вещества. Большинство реакций вам знакомо, а с другими превращениями вы познакомитесь при дальнейшем изучении органической химии. Рассматривая химические свойства углеводородов, вы уже неоднократно убеждались, что вещества одних классов можно получать из веществ других классов. Например, бензол можно получить пропусканием ацетилена через нагретый активированный уголь:

При высокой температуре и в присутствии никелевого катализатора 1 моль бензола может присоединять 3 моль водорода с образованием циклогексана:

Наиболее доступным и дешевым сырьем являются алканы, так как их получают при переработке нефти. Представители других классов углеводородов синтезируют при промышленной переработке алканов. Все превращения углеводородов, показанные в таблице 17, основаны на реакциях гидрирования-дегидрирования. Эти схемы иллюстрируют превращения в промышленных органических синтезах, осуществляемых на основе переработки нефти. Ароматические соединения получают при термической и каталитической ароматизации некоторых продуктов перегонки нефти. Ароматические соединения широко применяются в качестве исходных веществ для получения пластмасс, волокон, красителей, взрывчатых веществ и других продуктов, а также как растворители.

78

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Та б л и ц а 17. Взаимные превращения углеводородов Классы органических соединений

Условия превращений

Алканы

⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯ → ← ⎯

Алканы

⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯ → ←

Алканы, циклоалканы

⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯ → ← ⎯

Алкены

⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯ → ← ⎯

Алкены, алкины

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → ← ⎯

Классы органических соединений

750 °C, кат.

Алкены

+ H2 , Ni , t 1500 °C

Алкины

+ H2 , Pt

Pt , 500 °C, p

Ароматические соединения

+ H2 , Pt t , кат.

Диены

+ H2 , Ni , t

450—500 °C, C (акт.) + H2 , Ni , t

Ароматические соединения

Вопросы и задания 1. Приведите схему получения бензола из гексана.

2. При действии избытка хлора на бензол химическим количеством 0,1 моль получили хлорбензол массой 9,8 г. Найдите массовую долю выхода хлорбензола (в %).

3. Какие из веществ, структурные формулы которых приведены:

,

относят к ароматическим соединениям? Ответ мотивируйте.

4. Дополните схемы превращений: а) H—C

3H2 , Ni, t Br2 , hν C, 450 °C C—H ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → … ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → … ⎯⎯⎯⎯⎯ → …;

Cl2 , hν t, кат.

Na, t t, кат.→ … ⎯⎯⎯⎯⎯ б) CH3—(CH2)5—CH3 ⎯⎯⎯ → … ⎯⎯⎯⎯ → … ⎯⎯⎯⎯ → …. −H2 −3H2 5. Вычислите выход циклогексана (%), если при превращении бензола массой 7,8 г в циклогексан поглотился водород объемом (н. у.) 6,1 дм3.

6. Определите массу вступившего в реакцию бензола, если при его бромировании образовался газ, который пропустили через раствор нитрата серебра, и при этом образовался осадок массой 3,2 г.

7. Приведите схему получения ароматического соединения из гептана.

8. Какие ароматические соединения можно получить из пропина? Приведите их структурные формулы. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

79

§ 19. Углеводороды в природе. Переработка нефти Основными источниками углеводородов являются природный газ, нефть и каменный уголь. Природный газ в основном состоит из метана и небольших примесей этана, пропана и изомерных бутанов. Значительно больше гомологов метана находится в попутных нефтяных газах, которые в виде сжиженного газа применяются в качестве топлива. Нефть представляет собой в основном смесь насыщенных и циклических углеводородов, содержащих в составе молекул до 50 и больше атомов углерода. Первый этап переработки нефти заключается в ее перегонке. Существует определенная закономерность: чем больше относительная молекулярная масса углеводорода, тем выше его температура кипения. Поэтому нефть перегонкой разделяют на отдельные части, или фракции — смеси различных веществ, имеющих близкие температуры кипения. Отдельные фракции различаются составом и интервалом температур перегонки (табл. 18). Та б л и ц а 18. Состав фракций перегонки нефти Фракция

Температура перегонки, °С

Число атомов углерода в углеводородах фракции

Газы Петролейный эфир Бензин Авиационное топливо (керосин) Дизельное топливо

ниже 25 40—100 40—180 120—315 180—350

С1— С4 С5— С7 С5—С11 С12 —С18 С18 и выше

Петролейный эфир применяют в качестве растворителя. Керосин используется как топливо для авиационных двигателей. Газойль (дизельное топливо) — топливо для дизельных двигателей (автомобили и трактора). Для более эффективного использования нефти применяют последующие этапы переработки фракций нефти, заключающиеся в процессах расщепления (крекинга) углеводородов большой относительной молекулярной массы на углеводороды с низкой молекулярной массой. Различают пиролиз и различные виды крекинга: термический и каталитический. Термический крекинг фракций нефти проводится при температурах 450— 550 °С и применяется для получения бензина, а при температурах выше 750 °С — для получения алкенов. Рассмотрим этот процесс на примере расщепления углеводорода с 6 атомами углерода:

80

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Химическая связь С—С осуществляется парой электронов, и при высокой температуре происходит ее разрыв с образованием радикалов. Радикалы являются чрезвычайно реакционноспособными и поэтому существуют короткое время. В частности, алкильный радикал способен отщеплять водород от другого радикала с образованием алкана и алкена:

Расщепление может происходить по любой С—С-связи углеводорода, и поэтому при крекинге фракций нефти образуются смеси углеводородов. Таким образом, бензин представляет собой смесь углеводородов с температурой кипения от 40 °С до 200 °С. Бензин, образующийся при термическом крекинге, имеет небольшое октановое число. Октановое число углеводорода с неразветвленной цепью — гептана — принято за 0, а октановое число углеводорода с разветвленной цепью — 2,2,4-триметилпентана (изооктана) — за 100. В современных автомобильных двигателях используют большое сжатие (компрессию) воздушно-бензиновой смеси. При сжатии горючей смеси происходит ее нагревание, и чем сильнее сжатие, тем выше температура. Этот фактор, а также накопление органических пероксидов (ROOR) в смеси приводит к тому, что спокойное горение смеси в цилиндрах заменяется на взрывное (детонация), что сильно уменьшает мощность двигателя. Антидетонационная стойкость углеводородов зависит от их строения и определяется октановым числом. Чем выше октановое число (80, 92, 95 и 98), тем лучшими антидетонационными свойствами обладает бензин (табл. 19). Например, октановое число бензина 92 говорит о том, что данный бензин работает в двигателе также, как экспериментальная смесь углеводородов, содержащая 92 % изооктана. Та б л и ц а 19. Октановые числа некоторых углеводородов Углеводород

Октановое число

Углеводород

Октановое число

Изобутан

122

Этилбензол

124

Гексан

19

Изопропилбензол

132

Циклогексан

110

1,4-Диметилбензол

146

Толуол

124

1,2,4-Триметибензол

171

Ранее для повышения октанового числа топлива применяли чрезвычайно ядовитый тетраэтилсвинец Pb(C2H5)4. В настоящее время применяют указанные в таблице 19 и другие соединения с высокими октановыми числами. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

81

Каталитический крекинг в присутствии катализаторов является основным процессом получения алканов С5—С11 с разветвленным углеродным скелетом, которые повышают октановое число бензина. Например, превращения бутана:

Около 95 % нефти перерабатывается на бензин и другие виды топлива. Лишь небольшая часть нефти используется как сырье для химической промышленности. Загрязнение окружающей среды нефтью и продуктами ее переработки Загрязнение окружающей среды нефтью (рис. 34) при ее транспортировке уже не раз приводило к экологическим катастрофам. Особенно опасно появление нефти и нефтепродуктов в реках, озерах и морях, что приводит не только к гибели живых организмов, но и к загрязнению питьевой воды. При сгорании бензина и других видов топлива образуются отработанные газы, содержащие, кроме оксида углерода(IV) и воды, опасные для здоровья человека газы, такие, как оксид углерода(II) и оксиды азота. Во многих странах для уменьшения их токсичности в автомобилях применяют конверторы, содержащие платину, с помощью которой происходит каталитическое окисление несгоревших углеводородов, оксида углерода(II) и оксидов азота до СО2, N 2 и О 2. Другим побочным эффектом использования двигателей внутреннего сгорания является выделение большого количества оксида углерода(IV). Чрезмерное употребление природного газа и нефтепродуктов для отопления и других нужд также приводит к выделению большого количества СО2. Вероятно, оксид углерода(IV), метан и галогеналканы, попадая в атмосферу, приводят к так называемому парниковому эффекту, т. е. повышению температуры нашей Рис. 34. Загрязнение окружающей среды планеты. нефтью 82

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Переработка фракций нефти заключается в термических и каталитических процессах расщепления (крекинга) углеводородов с большой относительной молекулярной массой на углеводороды с низкой молекулярной массой. В результате каталитического крекинга получают алканы с разветвленным углеродным скелетом, обладающие высоким октановым числом. Вопросы и задания 1. Какие углеводороды содержатся в природном газе?

2. Разъясните, на основе каких принципов осуществляют переработку нефти.

3. Назовите все продукты, которые могут образоваться при термическом крекинге: а) пентана; б) гептана.

4. Поясните, что означает понятие «бензин с октановым числом 95».

5. Какие основные виды сырья для химической промышленности производятся при переработке нефти?

6. В 1 кг этилированного бензина содержится приблизительно 0,5 г свинца. Найдите массу бензина, потребляемого автомобилем в течение года, при условии, что средний годовой пробег составляет 8000 км с расходом бензина 8 кг на 100 км пути. Вычислите: а) массу свинца, выбрасываемого автомобилем в течение года; б) среднюю массу свинца, приходящуюся на каждого жителя области (считая население области 1,5 млн) в течение года при условии, что в области имеется 10 000 автомобилей; в) оцените опасность свинцового отравления, если известно, что человек удерживает около 10 % потребляемого с пищей и воздухом свинца, а токсичная концентрация свинца в крови составляет 0,5 ррm (ррm — 1 часть на миллион частей, т. е. 0,0000005 %).

7. Дополните схемы превращений: t, кат. t а) H3C—CH2—CH2—CH2—CH3 ⎯⎯⎯ → … ⎯⎯⎯⎯ → … ⎯⎯→ изопреновый каучук; −2H2 Cl 2 , hν кат., t б) H3C—CH3 ⎯⎯⎯ → … ⎯KOH ⎯⎯→ … ⎯⎯⎯→ полиэтилен. спирт 8. Напишите уравнения реакций, которые позволяют осуществить следующие превращения: 3 2 Br2 , hν NaOH, cпиpт ⎯⎯⎯⎯⎯ → … ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ →…

9. Считая, что в бензине массовая доля изооктана составляет 0,98, вычислите объем воздуха (в дм3), необходимого для полного сгорания бензина объемом 10 дм3 (плотность 0,692 г/см3).

§ 20. Решение расчетных задач Рассмотрим несколько примеров решения задач таких типов, как вывод формул органических веществ по общей формуле, отражающей их состав, по массовым долям образующих их элементов, а также на основании качественного и количественного состава вещества. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

83

Пример 1. Определите молекулярную формулу алкана, относительная молекулярная масса которого равна 44. Решение 1. Общая формула алканов СnH2n + 2.

2. Следовательно, MCnH2 n + 2 = 12n + 2n + 2, тогда 12n + 2n + 2 = 44, откуда n = 3. Формула алкана — С3H8. О т в е т: С3H8. Пример 2. Определите молекулярную формулу алкана, массовая доля водорода в котором равна 0,1724. Решение 1. Общие формулы, используемые при решении задачи: СnH2n + 2; wэ =

n Mэ .

Mвещ

2. Определяем число атомов углерода в 1 моль алкана: wH =

2n + 2 2n + 2 ; 0,1724 = , 12 n + 2 n + 2 12 n + 2 n + 2

откуда n = 4. Формула алкана — С4H10. О т в е т: С4H10.

Пример 3. Определите молекулярную формулу газообразного алкана, плотность которого равна 2,589 г/см3. Решение 1. Общие формулы, используемые при решении задачи: СnH2n + 2; ρ = m .

2. Значение молярного объема:

Vm

Vm = 22,4 дм3/моль.

3. Определяем молярную массу алкана и далее — его молекулярную формулу: MCnH2 n + 2 = 58 г/моль (2,589 22,4);

12n + 2n + 2 = 58, n = 4.

Формула алкана — С4H10. О т в е т: С4H10. Пример 4. Определите молекулярную формулу газообразного алифатического углеводорода, плотность которого равна 1,786 г/см3. Решение 1. Общие формулы, используемые при решении задачи: ρ = m ; СnH2n + 2; СnH2n; СnH2n – 2; Vm = 22,4 дм3/моль.

Vm

84

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

2. Определяем молярную массу углеводорода и далее, исследуя общие формулы углеводородов, — его формулу. М = 40 г/моль (1,786 22,4). а) Если углеводород относится к алканам, то MCnH2 n + 2 = 40, откуда n = 2,7, что не соответствует решению. б) Если углеводород относится к алкенам, то MCnH2 n = 40, откуда n = 2,86, что не соответствует решению. в) Если углеводород относится к алкинам, то MCnH2 n − 2 = 40, откуда n = 3. Следовательно, углеводород — алкин, формула которого С3Н4. О т в е т: С3Н4. Пример 5. При сжигании неизвестного алкина химическим количеством 0,12 моль затратили кислород объемом (н. у.) 6,72 дм3. Определите молекулярную формулу углеводорода. Решение 1. Общие формулы, используемые при решении задачи: n = V ; СnH2n – 2.

Vm

2. Значение молярного объема: Vm = 22,4 дм3/моль.

3. Определяем химическое количество кислорода и далее, на основе анализа уравнения горения углеводорода, — его формулу. n(O2) = 0,3 моль (6,72 22,4).

0,3 моль 3n − 1 Cn H2 n − 2 + O2 ⎯⎯ → nCO2 + (n − 1) H2 O 2 1 моль 3n − 1 моль 2 0,12 (3 n − 1) = 0,3; n = 2.

2 0,12 моль

Формула алкина — С2H2. О т в е т: С2H2. Пример 6. При сгорании неизвестного углеводорода массой 10,8 г получили оксид углерода(IV) объемом (н. у.) 16,8 дм3 и воду массой 16,2 г. Относительная плотность паров углеводорода по воздуху равна 2,483. Определите формулу вещества и назовите его. Решение 1. Общие формулы, которые используются при решении задачи: n = m ; n = V ; Dвозд = M

Vm

Mвещ Mвозд

.

2. Значения молярных масс, молярного объема: Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

85

MH2O = 18 г/моль; Mвозд = 29 г/моль; Vm = 22, 4 дм3 /моль; MС = 12 г/моль; MH = 1 г/моль.

3. Определяем молярную массу неизвестного углеводорода, его химическое количество и химическое количество углекислого газа и воды: Mвещ = 72 г/моль (2,483 29); nвещ = 0,15 моль (10,8 72); nCO2 = 0,75 моль (16,8 22,4); nH2O = 0,9 моль (16,2 18).

4. Проанализируем схему процесса сгорания углеводорода и определим химическое количество полученных продуктов реакции в расчете на 1 моль вещества. Далее определяем химическое количество углерода и водорода в составе неизвестного углеводорода: 0,15 моль

0,75 моль

0,9 моль

1 моль

x моль

x = 5 (моль) y = 12 (моль)

у моль 2

nC = 5 моль; nH = 12 моль.

Cx H y + O2 ⎯⎯ → CO2 + H2 O

Следовательно, молекулярная формула углеводорода С5Н12 — пентан. О т в е т: С5Н12. Задачи для самостоятельного решения 1. Определите молекулярную формулу алкана, в котором массовая доля углерода равна 0,8333.

2. Определите молекулярную формулу газообразного алкена, плотность которого равна 1,875 г/дм3.

3. Определите молекулярную формулу газообразного алифатического углеводорода, плотность которого 1,16 г/дм3.

4. Неизвестный углеводород массой 6,96 г сожгли. При этом получили углекислый газ объемом (н. у.) 10,752 дм3 и воду массой 10,8 г. Плотность (н. у.) неизвестного газообразного углеводорода 2,589 г/см3. Определите молекулярную формулу углеводорода.

5. На сжигание неизвестного углеводорода химическим количеством 0,16 моль был затрачен кислород объемом (н. у.) 16,128 дм3. Определите молекулярную формулу углеводорода.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ГЛ А В А 5 СПИРТЫ И ФЕНОЛЫ Спирты и фенолы относятся к кислородсодержащим монофункциональным соединениям, молекулы которых содержат одну или несколько функциональных групп —ОН.

§ 21. Спирты Спиртами называют производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильную группу —ОН. Спирты классифицируют по числу гидроксильных групп в молекуле, строению углеводородной цепи, типу углеродного атома, с которым связана гидроксильная группа. По числу гидроксильных групп в молекуле различают одноатомные и многоатомные спирты (двух-, трех-, четырехатомные и т. д.) (рис. 35). Например, СН3ОН (метанол) — одноатомный спирт, СН2ОН—СНОН—СН2ОН (пропантриол) — многоатомный спирт. По строению углеводородной цепи различают спирты насыщенные, ненасыщенные, ароматические. Насыщенные спирты — производные алканов, например СН3—СН2—ОН. Ненасыщенные спирты — производные ненасыщенных углеводородов, в молекулах которых содержатся кратные (двойные и тройные) связи между атомами

Рис. 35. Классификация спиртов в зависимости от числа гидроксильных групп Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

87

Рис. 36. Классификация спиртов в зависимости от строения углеводородной цепи

углерода, например СН2 СН—СН2—ОН. К ароматическим относят спирты, содержащие в молекуле бензольное кольцо и гидроксильную группу, связанные друг с другом через атом углерода, например

(рис. 36).

Если в молекулах органических соединений гидроксильные группы связаны непосредственно с атомом углерода бензольного кольца, например

,

то такие соединения относят к другому классу — фенолам. Некоторые одноатомные ненасыщенные спирты, содержащиеся в винограде, из которого производят вина, определяют характерный аромат ряда мускатных вин и рислингов. В процессе старения этих вин одноатомные спирты превращаются в двухатомные. По концентрации образовавшегося двухатомного спирта можно судить о степени старения вина.

В зависимости от типа атома углерода, с которым связана гидроксильная группа, спирты классифицируют как первичные, вторичные, третичные. Гидроксильная группа в молекулах первичных спиртов связана с первичным атомом углерода, в молекулах вторичных спиртов — с вторичным атомом углерода и в молекулах третичных спиртов — с третичным атомом углерода. Например:

88

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Спирты — производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильную группу —ОН. Спирты классифицируют по числу гидроксильных групп (атомность спиртов), характеру углеводородной цепи, типу атома углерода, связанного с гидроксильной группой. Вопросы и задания 1. Какие органические соединения относятся к классу спиртов?

2. Назовите признаки, на основании которых можно классифицировать спирты.

3. Из приведенных формул выберите формулы спиртов: а) одноатомных; б) насыщенных; в) ненасыщенных; г) ароматических:

4. Можно ли спирты строения

отнести к одной группе спиртов? Можно ли утверждать, что данные структурные формулы соответствуют одному и тому же спирту?

5. Укажите признаки, на основании которых можно классифицировать спирты, структурные формулы которых: б) в) а)

г) CH2

CH—CH2OH

д)

6. Укажите, формулы каких классов веществ приведены в следующих перечнях: а) СН

СН

б) С3H7OH

C2H5OH

СH3—СH2ОН

CH2

CH—CH

CH3—CH2—CH

CH2

CH—CH2OH

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

89

7. Составьте структурные формулы спиртов с неразветвленной углеродной цепью: С4Н9ОН и С3Н5ОН. Укажите, к какой группе спиртов их можно отнести.

8. Определите молекулярную формулу спирта, если известно, что в нем массовая доля (в %): а) углерода — 60,00, водорода — 13,34 кислорода — 26,66; б) углерода — 38,70, кислорода — 51,62, водорода — 9,68.

§ 22. Насыщенные одноатомные спирты Строение Насыщенными одноатомными спиртами называются производные алканов, в молекулах которых один атом водорода замещен на гидроксильную группу. Простейшим представителем данного класса спиртов является метанол СН3ОН, молекулярная, структурная и электронная формулы которого: молекулярная

структурная

электронная

CH4O Шаростержневая и масштабная модели молекулы метанола представлены на рисунке 37. В органической химии известна большая группа насыщенных одноатомных спиртов, химический состав и строение которых выражается общей формулой СnН2n + 1ОН. В общем виде формула одноатомных спиртов записывается R—ОН, где R означает алкильную группу. Общая формула насыщенных одноатомных спиртов СnН2n + 1ОН. СnН2n + 2О — общая формула, отражающая молекулярный состав спиртов.

Рис. 37. Масштабная (а) и шаростержневая (б) модели молекулы метанола

90

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Формулы первых десяти членов гомологического ряда спиртов, у которых функциональная группа —ОН находится у концевого атома углерода, а также их названия представлены в таблице 20. Та б л и ц а 20. Гомологический ряд насыщенных одноатомных спиртов Формула спирта Название спирта

отражающая химическое строение

молекулярная

СН3ОH

СН4О

Метанол (метиловый спирт)

СН3—СН2ОH

С 2Н 6О

Этанол (этиловый спирт)

СН3—СН2—СН2ОH

С 3Н 8О

Пропанол-1 (пропиловый спирт)

СН3—СН2—СН2—СН2ОH

С4Н10О

Бутанол-1 (бутиловый спирт)

СН3—СН2—СН2—СН2—СН2ОH

С5Н12О

Пентанол-1 (амиловый спирт)

СН3—СН2—СН2—СН2—СН2—СН2ОH

С6Н14О

Гексанол-1 (гексиловый спирт)

СН3—СН2—СН2—СН2—СН2—СН2—СН2ОH

С7Н16О

Гептанол-1 (гептиловый спирт)

СН3—СН2—СН2—СН2—СН2—СН2—СН2—СН2ОH

С8Н18О

Октанол-1 (октиловый спирт)

СН3—СН2—(СН2)5—СН2—СН2ОH

С9Н20О

Нонанол-1 (нониловый спирт)

СН3—СН2—(СН2)6—СН2—СН2ОH

С10Н22О

Деканол-1 (дециловый спирт)

СnН2n + 2О

Название алкана + суффикс -ол

Так как электронное строение алканов и соответствующих им алкильных групп вами уже изучено, то при изучении спиртов — производных алканов — будет рассматриваться только электронное строение функциональной группы спиртов —ОН. Именно эта группа определяет важнейшие химические и физические свойства спиртов. В состав функциональной группы спиртов входит атом кислорода, который обладает большой электроотрицательностью и в силу этого оттягивает к себе электронную плотность σ-связей связанных с ним атомов водорода и углерода → СН2—О → ⎯⎯Н. По этой причине атом кислорода приобретает частичный R⎯⎯ Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

91

отрицательный заряд, а атомы водорода и углерода — частичные положительные заряды δ+

δ−

δ+

R— CH2 — O — H. Рис. 38. Схема распределения электронной плотности в гидроксильной группе

Связи О—Н и С—О полярны. Валентный угол СОН близок к 110° (рис. 38). Атом водорода в гидроксильной группе за δ−

δ+

⎯⎯H счет сильной поляризации связи O → становится более подвижным, способным отщепляться в виде протона. В этом случае спирты проявляют кислотные свойства. В то же время наличие в молекуле спирта атома кислорода, имеющего две неподеленные пары электронов, предопределяет проявление спиртами свойств оснований. Следовательно, спирты можно рассматривать как амфотерные соединения, которые могут проявлять как свойства кислот, так и свойства оснований.

Номенклатура По правилам номенклатуры ИЮПАК названия насыщенных одноатомных спиртов образуются от названий соответствующих алканов с добавлением суффикса -ол. Например, СН3ОН — метанол, С2Н5ОН — этанол. Систематическая номенклатура допускает употребление названий, связанных с названием алкильных групп, для низших членов ряда. Например, СН3ОН — метиловый спирт, С2Н5ОН — этиловый спирт (см. табл. 20). При названии спиртов с неразветвленной углеродной цепью, начиная с пропанола, указывают местоположение функциональной группы. Нумерация углеродных атомов начинается с того конца, ближе к которому находится гидроксильная группа. Называется алкан, соответствующий углеродной цепи, с добавлением суффикса -ол, далее ставится дефис и цифра, указывающая атом углерода, с которым связана гидроксильная группа. Например:

Для названий спиртов с разветвленной углеродной цепью выбирают самую длинную цепь, содержащую функциональную гидроксильную группу, и нумеруют с того конца, к которому ближе находится гидроксильная группа. Заместители перечисляются в алфавитном порядке. Например: 92

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Изомерия Для насыщенных одноатомных спиртов характерна структурная изомерия. Структурная изомерия спиртов может определяться изомерией углеродной цепи и изомерией положения гидроксильной группы. Рассмотрим примеры изомеров спиртов состава С4Н10О.

Первые два члена гомологического ряда — метанол СН3ОН и этанол С2Н5ОН — не имеют изомеров спиртов. Начиная с пропанола, число структурных изомеров в гомологическом ряду спиртов быстро возрастает. Например, бутанолы существуют в виде четырех изомеров, гептанолы — восьми, а деканолы — пятьсот семидесяти шести. Физические свойства Первые представители гомологического ряда спиртов (С1—С11) при комнатной температуре — жидкости, а начиная со спирта С12Н25ОН — твердые вещества. Следовательно, среди спиртов данного класса при нормальных условиях отсутствуют газообразные вещества. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

93

Низшие спирты обладают характерным алкогольным запахом, запах спиртов, стоящих в середине гомологического ряда, — сильный и часто неприятный, а высшие спирты (более С10) практически не имеют запаха. Низшие спирты (С1—С3) смешиваются с водой в любых соотношениях, средние — ограниченно. Следовательно, с увеличением относительной молекулярной массы растворимость спиртов падает. Спирты обладают аномально высокими температурами кипения по сравнению с представителями алканов с такой же относительной молекулярной массой. Например, температура кипения этанола 78 °С, а пропана — 42 °С. В таблице 21 приводятся температуры кипения и плавления, агрегатное состояние некоторых спиртов. Та б л и ц а 21. Некоторые физические свойства насыщенных одноатомных спиртов Температура, °С

Формула и название спирта

Агрегатное состояние

кипения

плавления

СН3ОН — метанол

Жидкость

+64,7

–97,8

С2Н5ОН — этанол

Жидкость

+78,3

–117,3

С3Н7ОН — пропанол-1

Жидкость

+97,2

–127,0

С4Н9ОН — бутанол-1

Жидкость

+117,7

–89,5

С5Н11ОН — пентанол-1

Жидкость

+138,0

–78,5

Причиной более высоких температур кипения спиртов по сравнению с алканами с одинаковой относительной молекулярной массой являются межмолекулярные водородные связи, характерные для спиртов. Связь О—Н в молекуле спирта →О→ ⎯⎯Н. На атоме водорода возникает частичный сильно поляризована R⎯⎯ положительный заряд. В силу этого такой атом водорода может притягиваться неподеленной парой электронов атома кислорода другой молекулы спирта. Между двумя молекулами возникает межмолекулярная водородная связь. Графически водородную связь принято обозначать тремя точками. Схема образования межмолекулярной водородной связи показана на рисунке 39, а. Несмотря на то, что энергии межмолекулярных водородных связей спиртов не велики, водородные связи обусловливают значительную ассоциацию молекул спиртов, что и ведет к росту теплоты испарения, а следовательно, и температуры кипения. Образованием межмолекулярных водородных связей между молекулами спиртов и воды (рис. 39, б) объясняется хорошая растворимость низших спиртов. С увеличением длины цепи алкильных групп у высших спиртов влияние гидроксильной группы на свойства молекулы становится значительно менее значимым, а увеличивается влияние алкильной группы.

94

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Рис. 39. Схема образования водородной связи между молекулами спирта (а) и молекулами спирта и воды (б)

Насыщенными одноатомными спиртами называются производные алканов, в молекулах которых один атом водорода замещен на гидроксильную группу. Общая формула насыщенных одноатомных спиртов СnН2n + 1ОН. Структурная изомерия спиртов обусловлена различным порядком связи между атомами углерода в углеродной цепи и различным положением гидроксильной группы при одинаковой углеродной цепи. Водородная связь оказывает существенное влияние на физические свойства спиртов. Вопросы и задания 1. Приведите определение насыщенных одноатомных спиртов и общую формулу, отражающую их химическое строение, а также общую формулу, отражающую молекулярный состав спиртов.

2. Разъясните, какая из структурных формул — СН3—О—СН3 или СН3—СН2ОН — соответствует насыщенным одноатомным спиртам.

3. Охарактеризуйте электронное строение гидроксильной группы спиртов.

4. Опишите механизм образования водородной связи на примере этанола и укажите, в чем отличие водородной связи от ковалентной.

5. Какое из веществ — этен или этанол — может образовать межмолекулярную водородную связь и почему? Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

95

6. Составьте формулы всех структурных изомерных спиртов, отвечающих составу: а) С5Н12О; б) С6Н14О, и назовите изомеры по систематической номенклатуре.

7. Составьте структурные и молекулярные формулы следующих веществ: а) бутанола-1; б) 2-метилбутанола-1; в) бутадиена-1,3; г) 2,3-диметилпентанола-1; д) бутена-2; е) 2-бром-4-метилгексанола-2.

8. Из приведенных формул выпишите отдельно: а) формулы гомологов и изомеров спиртов; б) формулы веществ других классов, указав, к какому классу органических веществ они относятся: 1) CH3—CH2OH CH—CH3 2) CH2 3) 4)

5) СН3ОН

7)

8) CH3—CH

6) СН3—СН2—СН2ОН

CH2

9)

9. Поясните, в чем заключается влияние водородной связи на физические свойства спиртов.

10. Суммарное число протонов, содержащихся в ядрах атомов всех молекул неизвестного насыщенного одноатомного алифатического спирта в навеске массой 14,8 г, равно 5,0568 1024. Определите молекулярную формулу спирта.

§ 23. Химические свойства спиртов Характерные реакции спиртов определяются наличием в структуре их молекул гидроксильной группы, атом кислорода которой смещает электронную плотность как от атома водорода, так и от атома углерода. Такая поляризация может способствовать разрыву связей О—Н и С—О или обеих связей одновременно. Рассмотрим важнейшие химические свойства спиртов на примере алифатических насыщенных одноатомных спиртов.

1) Взаимодействие со щелочными металлами При взаимодействии щелочных металлов со спиртами происходит разрыв связи О—Н и замещение атома водорода на атом металла с образованием соединений — алкоксидов (алкоголятов) (рис. 40): → 2R—ONa + H2 2R—OH + 2Na⎯⎯ → 2C2H5ONa + H2 2C2H5OH + 2Na⎯⎯ этанол

этанолят натрия

В присутствии следов влаги алкоксиды (алкоголяты) разлагаются до исходных спиртов. Это доказывает, что спирты проявляют более слабые кислотные свойства, чем вода. → C2H5OH + NaOH C2H5ONa + H2O⎯⎯ 96

этанолят натрия этанол Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

При взаимодействии с металлами у спиртов проявляются кислотные свойства, но к классу кислот спирты не относят, так как степень их диссоциации незначительна. Поэтому водные растворы спиртов не изменяют окраску индикаторов, и в реакциях спиртов со щелочами равновесие системы сильно смещено Рис. 40. Реакция этанола с натрием влево.

2) Взаимодействие с карбоновыми и минеральными кислотами с образованием сложных эфиров

В реакции с карбоновыми кислотами от молекулы спирта отщепляется атом водорода, а от карбоновой кислоты — гидроксильная группа. Реакция обратима, но равновесие смещается вправо в присутствии концентрированной серной кислоты:

В реакциях с кислородсодержащими минеральными кислотами спирты образуют сложные эфиры этих кислот: С2Н5О—Н + НОSО3Н этиловый спирт

(Н2SО4) серная кислота

С2Н5—О—SО3Н + Н2О этилгидросульфат

3) Взаимодействие с галогеноводородами с образованием галогеналканов В реакции с галогеноводородами в молекуле спирта происходит разрыв связи R—ОН и замещение гидроксильной группы на галоген: R—OH + HHal спирт

RHal + H2O галогеналкан

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

97

C2H5OH + HBr этанол

C2H5Br + H2O бромэтан

4) Внутримолекулярная дегидратация с образованием алкена Первичные спирты дегидратируются под действием катализатора — концентрированной серной кислоты при высоких температурах (выше 140 °С):

Реакция дегидратации обусловлена отщеплением атома водорода и гидроксильной группы от соседних атомов углерода. Например, в результате внутримолекулярного отщепления молекулы воды от молекулы этанола (под действием катализатора — концентрированной серной кислоты) образуется этен:

5) Реакции окисления Спирты горят на воздухе или в кислороде некоптящим пламенем с выделением большого количества теплоты: → 2СО2 + 3Н2О + Q С2Н5ОН + 3О2⎯⎯

Реакция горения спиртов обусловлена наличием в их молекулах алкильных групп. С более слабым, чем кислород, окислителем, например оксидом меди(II), происходит частичное окисление спиртов. Первичные спирты окисляются до альдегидов:

98

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Под действием таких окислителей, как подкисленный раствор перманганата калия или бихромата калия, первичные спирты окисляются до альдегидов или кислот:

Окисление спирта, например этанола, бихроматом калия до альдегида можно наблюдать по изменению окраски. В стакан с заранее приготовленной нужной концентрации смесью раствора бихромата калия и серной кислоты (рис.

41, а) добавляется несколько капель этанола. Наблюдается постепенное изменение оранжевого цвета иона Cr2O2− 7 на зеленый (рис. 41, б). Зеленый цвет указывает на появление в растворе иона Сr3+. Если окислитель берется в избыточном количестве, то происходит дальнейшее окисление образующихся альдегидов до соответствующих карбоновых кислот.

Рис. 41. Окисление этанола бихроматом калия до альдегида

Кислотно-основные свойства спиртов обусловлены наличием в их молекулах функциональной гидроксильной группы. Спирты взаимодействуют со щелочными металлами, галогеноводородами, карбоновыми и минеральными кислотами; окисляются; дегидратируются в зависимости от строения исходного спирта. Вопросы и задания 1. Укажите, какие химические реакции спиртов свидетельствуют о наличии кислотных свойств.

2. Приведите доказательства того, что спирты проявляют более слабые кислотные свойства, чем вода.

3. В чем причина различного действия на индикаторы этанола и соляной кислоты?

4. Какие из веществ, формулы которых приведены, будут взаимодействовать с: 1) этанолом; 2) пропанолом-1: а) Na, O2, H2O, HBr, H2SO4; б) K, CH3COOH, CH3—CH3, H2SO4, O2? Запишите три любых уравнения реакций.

5. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → C2H5Cl а) C2H5OH C2H4⎯⎯ б) C2H5OH

cложный эфир

C2H5ONa Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

99

6. Приведите формулы возможных веществ А и А1 в схеме превращений: → A⎯⎯ → A1⎯⎯ → CH2 C2H2⎯⎯

CH—CH

CH2

7. Приведите примеры трех органических веществ различных классов, для которых возможны реакции замещения. Составьте уравнения соответствующих реакций.

8. Определите массу полученного этанолята в реакции этанола массой 20,24 г и металлического натрия массой 8,28 г.

9. Рассчитайте химическое количество бромоводорода, который необходимо взять для реакции с этанолом массой 44,16 г.

10. Определите: а) массовую долю этанола в растворе, полученном при смешении этанола массой 36,8 г и раствора этанола в воде массой 200 г с массовой долей спирта 4,6 % (плотность 1,0 г/см3); б) молярную концентрацию полученного раствора.

11. Определите объем (н. у.) кислорода, затраченного на сжигание этанола массой 64,413 г, содержащего 0,02 % негорючих примесей.

12. В процессе дегидратации неизвестного насыщенного одноатомного спирта массой 7,2 г выделилась вода массой 2,16 г. Определите формулу спирта.

Лабораторный опыт 2 Окисление этанола оксидом меди(II) 1. Налейте в пробирку этанол объемом примерно 1 см3.

2. Хорошо прокалите в пламени спиртовки конец медной проволоки, скрученной в спираль, чтобы медь покрылась черным налетом оксида меди(II), и опустите горячую медную спираль в пробирку с этанолом.

3. Повторите несколько раз (не менее 6) операцию прокаливания медной спирали и внесения ее в пробирку со спиртом.

4. Обратите внимание на происходящие со спиралью изменения и появление запаха. Составьте уравнение реакции.

§ 24. Получение и применение спиртов Получение Для промышленного получения многих спиртов служат ненасыщенные углеводороды, извлекаемые из нефтепродуктов, или галогеналканы. Познакомимся с основными общими промышленными и лабораторными способами получения насыщенных одноатомных спиртов и специфическими способами получения этанола и метанола.

1. Одним из наиболее важных промышленных способов получения спиртов является гидратация алкенов. Этанол получают гидратацией этена водяными парами при повышенной температуре (280—300 °С), повышенном давлении (7—8 мПа) и в присутствии катализатора (Н3РО4): СН2

этен

100

кат, p, t

СН2 + Н2О ⎯⎯⎯⎯⎯→ СН3—СН2ОН этанол

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

2. Промышленным специфическим способом получения этанола является способ, основанный на расщеплении глюкозы, вырабатываемой из сахарсодержащих продуктов (зерно, картофель и др.) под действием ферментов, выделяемых некоторыми видами дрожжевых грибков. Такой спирт используется в основном для изготовления спиртных напитков: С6Н12О6 ⎯ферменты ⎯⎯⎯⎯⎯ → 2С2Н5ОН + 2СО2 глюкоза

этанол

Данную реакцию называют спиртовым брожением глюкозы.

3. В промышленности метанол получают характерным только для него способом из синтез-газа под давлением и в присутствии катализатора: p, t СО + 2Н2 ⎯кат, ⎯⎯⎯ → СН3ОН синтез-газ

метанол

Для получения спиртов в лаборатории используют галогеналканы. При гидролизе галогеналканов в водных растворах щелочей при нагревании образуются спирты: H O, t

2 → R—CH2—CH2OH + NaCl R—СН2—СН2Сl + NaOH ⎯⎯⎯⎯

галогеналкан

первичный спирт

Гидролиз галогеналканов, проводимый в присутствии щелочи (щелочной гидролиз), является практически необратимым процессом. Применение Спирты находят широкое применение. Рассмотрим несколько примеров промышленного использования важнейших одноатомных спиртов. Метанол (метиловый спирт) СН3ОН используется в промышленном органическом синтезе как сырье для получения формальдегида, применяемого в производстве пластмасс, и др. Следует напомнить, что метанол — сильнейший яд. Употребление даже нескольких граммов метанола приводит к слепоте, а затем и к смерти. Вот поэтому на банках, в которых хранится этот спирт, используемый для технических нужд, имеется надпись «Метанол — яд». Это должно служить серьезным предостережением при работе с ним. Этанол (этиловый спирт) С2Н5ОН также используется во многих отраслях промышленности: лакокрасочной, фармацевтической, взрывчатых веществ, бытовой химии, кондитерской и т. д. (рис. 42). Этанол также является исходным сырьем в промышленном органическом синтезе (диэтиловый эфир, этилацетат и другие эфиры и т. д.). Спирт-ректификат, получаемый в промышленности, представляет собой смесь этанола (массовая доля 95,6 %) и воды (массовая доля 4,4 %). Безводный Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

101

Рис. 42. Применение этанола: 1 — растворитель; 2 — получение диэтилового эфира; 3 — получение сложных эфиров; 4 — получение уксусного альдегида; 5 — получение уксусной кислоты; 6 — горючее для двигателей; 7 — прочее

спирт называют абсолютным спиртом. Этанол, полученный при ферментативном расщеплении различных пищевых продуктов, называют пищевым. Следует помнить, что этанол — своего рода наркотик, возбуждающе действующий на организм человека. Даже небольшие дозы снижают остроту зрения, замедляют реакции и уменьшают способность здраво рассуждать. Длительное употребление спирта вызывает тяжелые заболевания нервной и сердечно-сосудистой систем, разрушение печени и приводит к преждевременной смерти. В этанол, применяемый для технических целей, специально добавляют цветные и неприятнопахнущие вещества, такой спирт называют денатуратом. Употребление денатурата смертельно опасно, как и метанола. Другие (низшие) спирты используются в качестве растворителей при изготовлении различных лаков и красок на предприятиях лакокрасочной промышленности, одним из которых является ОАО «Лакокраска» в Лиде. Высшие спирты (С10 и более) применяют как сырье для производства некоторых моющих средств, а также антикоррозийных смазок и т. д. СН—СН2ОН применяется в производстве глиНенасыщенный аллиловый спирт СН2 церина, аллиловых эфиров, использующихся в фармацевтической и парфюмерной промышленности.

Одним из важнейших промышленных способов получения спиртов является гидратация алкенов. Метанол в промышленных масштабах в основном получают из синтезгаза. В лаборатории спирты получают из галогеналканов. Спирты являются важнейшим сырьем для промышленного органического синтеза. Метанол чрезвычайно ядовит.

102

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Вопросы и задания 1. Перечислите известные вам промышленные и лабораторные способы получения спиртов.

2. Охарактеризуйте химические реакции, лежащие в основе получения метанола и этанола.

3. Охарактеризуйте реакцию гидратации бутена-2.

4. Назовите области применения метанола и этанола.

5. Охарактеризуйте строение аллилового спирта и укажите области применения.

6. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → С2Н4⎯⎯ → С2Н5ОН⎯⎯ → С2Н5ОNa; а) С2Н6⎯⎯ → C2H4⎯⎯ → C2H5Br⎯⎯ → C2H5OH⎯⎯ → C2H5Br; б) C2H2⎯⎯ H2O → CH3OH⎯⎯ → СН3ОNa ⎯⎯⎯⎯ в) X⎯⎯ → X; → C2H5OH⎯⎯ → C2H4⎯⎯ → C2H5OH. г) C2H5Cl⎯⎯

7. Какие объемы раствора этанола с массовой долей спирта 95 % (плотность 0,8 г/см3) и воды необходимо взять для приготовления раствора массой 400 г с массовой долей спирта 40 %?

8. При производстве этанола массой 437 кг был израсходован этен объемом (н. у.)

235,2 м3. Определите выход продукта реакции.

9. Для производства метанола массой 275,2 кг взят синтез-газ объемом (н. у.) 604,8 м3. Определите практический выход спирта и объемы водорода и оксида углерода(II) в оставшейся газовой смеси.

10. Массовая доля насыщенного одноатомного спирта в растворе равна 0,46, а молярное отношение спирта и воды равно 1 3. Определите формулу спирта.

§ 25. Решение расчетных задач Рассмотрим несколько примеров решения расчетных задач таких типов, как расчеты по химическим уравнениям, если одно из реагирующих веществ взято в избытке, и определение молекулярных формул органических веществ на основании качественного и количественного состава. Способ решения задачи, как вам известно, зависит от типа, к которому относят расчетную задачу, и ее конкретного содержания. В данном параграфе будут показаны один пример решения рациональным способом задачи на избыток реагирующего вещества и четыре рациональных способа решения на определение молекулярной формулы насыщенных одноатомных спиртов на примере четырех задач. Все предложенные способы решения задач носят обобщенный характер и могут использоваться при решении вышеуказанных типов задач на материале других учебных тем. Пример 1. Определите массу хлорэтана, полученного в реакции, для которой был взят этанол массой 12,88 г и хлороводород объемом (н. у.) 5,824 дм3 в присутствии ZnCl2. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

103

Решение 1) Общие формулы, используемые при расчетах: n= m; n= V .

M

Vm

2) Значения молярных масс веществ, молярный объем: MС2Н5OH = 46 г/моль; MC2 H5Cl = 64,5 г/моль; Vm = 22,4 дм3/моль.

3) Определяем химическое количество спирта и химическое количество хлороводорода, взятых для реакции: nС2Н5OH = 0,28 моль (12,88 46); nHCl = 0,26 моль (5,824 22,4).

4) На основе анализа уравнения реакции определяем, какое из веществ взято в избытке, а затем рассчитываем химическое количество и массу продукта реакции: 0 ,26 моль 0 ,28 моль x моль → C2 H5 Cl + H2O C2 H5 OH + HCl ⎯⎯ 1 моль

1 моль

0,28 1

1 моль

0,26 .

1

Следовательно, спирт взят в избытке. Расчеты продукта реакции проводятся на основе данных другого реагента — хлороводорода. х=

0,26 моль 1 моль 1 моль

= 0,26 моль;

nC2 H5Cl = 0,26 моль; mC2 H5Cl = 16,77 г (0,26 64,5).

О т в е т: mC2 H5Cl = 16,77 г. Пример 2. Массовая доля углерода в насыщенном одноатомном спирте равна 0,6486. Определите молекулярную формулу спирта. Составьте структурные формулы возможных изомеров и назовите их. Решение m

1) Для решения задачи используем общую формулу wэ = э и общую форmвещ мулу гомологического ряда спиртов СnH2n + 2O: 0,6486 =

12n , откуда n = 4.

12n + 2n + 2 + 16

2) Определяем формулу искомого спирта и проверяем, верен ли ответ задачи: СnH2n + 2O — С4Н10О — бутанол; СН3—СН2—СН2—СН2ОН — бутанол-1; СН3—СН2—СН(ОН)—СН3 — бутанол-2; — 2-метилпропанол-1;

104

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

— 2-метилпропанол-2. О т в е т: С4Н10О. Пример 3. В результате ряда последовательных реакций из насыщенного углеводорода (алкана) массой 55 г получен насыщенный одноатомный спирт массой 75 г с тем же числом атомов углерода в молекуле, что и у алкана. Определите молекулярную формулу спирта и составьте формулы всех возможных структурных изомеров. Решение 1) Анализ схемы процесса получения спирта показывает, что из алкана химическим количеством 1 моль получают спирт химическим количеством 1 моль: → СnH2n + 2O. СnH2n + 2⎯⎯ 1 моль

1 моль

2) Разница масс взятого и полученного веществ равна 20 г (75 –55). Разница молярных масс спирта и алкана равна 16, что хорошо видно при анализе общих формул алканов и насыщенных одноатомных спиртов: СnH2n + 2O — насыщенный спирт; СnH2n + 2 — алкан.

3) Используя общую формулу n = Δm , определим химическое количество атоΔM

марного кислорода, содержащегося в спирте химическим количеством 1 моль, а следовательно, и химическое количество спирта, так как 1 моль спирта содержит 1 моль атомарного кислорода: n = 20 = 1,25 (моль).

16

4) Зная химическое количество и массу спирта, определяем его молярную массу: 75 г n = m; MCnH2n+2O = = 60 г/моль; M

1,25 моль

MCnH2n +2O = 60 г/моль, откуда n = 3.

Следовательно, молекулярная формула спирта С3Н8О, а структурные формулы возможных изомеров: СН3—СН2—СН2ОН

СН3—СН(ОН)—СН3

О т в е т: С3Н8О, СН3—СН2—СН2ОН, СН3—СН(ОН)—СН3. Пример 4. При гидратации алкена массой 34,44 г получили насыщенный одноатомный спирт массой 49,20 г. Определите молекулярную формулу спирта, назовите его. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

105

Решение 1) Анализ схемы реакции гидратации показывает, что для гидратации алкена химическим количеством 1 моль требуется вода химическим количеством 1 моль. Следовательно, разница масс алкена и спирта и есть масса присоединенной воды: → CnH2n + 2O CnH2n + H2O⎯⎯ 1 моль

1 моль

1 моль

Δm = 14,76 г (49,20 – 34,44); mH2O = 14,76 г.

2) Определяем химическое количество воды, далее химическое количество и молярную массу спирта: n = m; M

nH2O = 0,82 моль (14,76 18);

nСnH2n + 2О = 0,82 моль, тогда MСnH2n + 2О = 60 г/моль (49,20 0,82). Если MCnH2n + 2O = 60 г/моль, тогда n = 3. Молекулярная формула спирта С3Н8О. Это пропанол. О т в е т: пропанол. Пример 5. Определите молекулярную формулу органического вещества, относительная плотность паров которого по воздуху равна 2,552, если при сгорании его массой 16,28 г образовались углекислый газ объемом (н. у.) 19,712 дм3 и вода массой 19,8 г. Решение 1) Определяем молярную массу неизвестного вещества, его химическое количество, а также химические количества образовавшегося оксида углерода(IV) и воды: n = m ; n = V ; Dвозд = Мвещ ; Мвещ = 74 г/моль (29 2,552).

M

Mвозд

Vm

MH2O = 18 г/моль, Vm = 22,4 дм3/моль;

nвещ = 0,22 моль (16,28 74); nH2O = 1,1 моль (19,8 18); nCO2 = 0,88 моль (19,712 22,4).

2) Проанализируем схему процесса горения вещества, предположив, что в его состав входили углерод и водород. Далее определим количество их атомов в веществе химическим количеством 1 моль: 0,22 моль

0,88 моль 1,1 моль

→ хCO2 + y H2O CxHy + O2⎯⎯ 1 моль

106

х моль

2 y моль 2

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

х = 4 ⇒ nС = 4 моль; у = 10 ⇒ nН = 10 моль. Формула вещества С4Н10.

3) Если формула вещества С4Н10, то его молярная масса равна 58 г/моль. Но молярная масса искомого вещества 74 г/моль. Следовательно, в неизвестном веществе химическим количеством 1 моль содержится атомарный кислород химическим количеством 1 моль (74 – 58 = 16). Молекулярная формула вещества С4Н10О. О т в е т: С4Н10О. Задачи для самостоятельного решения 1. Определите объем (н. у.) выделившегося водорода в реакции, для которой был взят метанол химическим количеством 0,18 моль и натрий массой 3,68 г.

2. Массовая доля углерода в насыщенном одноатомном спирте равна 0,6818. Определите молекулярную формулу спирта и составьте структурные формулы шести изомерных спиртов, соответствующих молекулярной формуле.

3. Насыщенный одноатомный спирт массой 21,16 г получен из алкана массой 13,80 г. Число атомов углерода в молекулах спирта и алкана одинаково. Определите формулу спирта.

4. При гидратации алкена массой 15,68 г получен насыщенный одноатомный спирт массой 20,72 г. Определите молекулярную формулу спирта и назовите его.

5. При сгорании паров неизвестного органического вещества массой 14,40 г образовался углекислый газ объемом (н. у.) 16,128 дм3 и вода массой 17,28 г. Относительная плотность паров неизвестного вещества по гелию равна 15. Определите молекулярную формулу вещества и укажите, к какому классу органических веществ его можно отнести.

§ 26. Многоатомные спирты Многоатомными называют спирты, содержащие в молекуле две и более гидроксильные группы, находящиеся при разных атомах углерода. Двухатомные спирты — гликоли, трехатомные спирты — глицерины. С некоторыми характеристиками двух представителей многоатомных спиртов — двухатомным спиртом этиленгликолем CH2OH—СН2ОН и трехатомным спиртом глицерином СН2ОН—СНОН—СН2ОН — вы познакомились ранее. В данном параграфе будут представлены более подробные сведения об этих двух многоатомных спиртах. Строение. Физические свойства Этиленгликоль СН2ОН—СН2ОН — простейший представитель двухатомных спиртов, или гликолей. По правилам номенклатуры ИЮПАК этиленгликоль назыОбразовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

107

Рис. 43. Шаростержневая модель молекулы этиленгликоля

Рис. 44. Шаростержневая модель молекулы глицерина

вают этандиол-1,2. Шаростержневая модель молекулы этиленгликоля приведена на рисунке 43. Этиленгликоль — бесцветная маслянистая жидкость, смешивается с водой в любых соотношениях, сильный яд. Глицерин CН2OH—СНОН—СН2ОН является простейшим представителем трехатомных спиртов и носит исторически сложившееся название. По правилам номенклатуры ИЮПАК глицерин называют пропантриол-1,2,3. Правилами ИЮПАК допускаются названия этиленгликоль и глицерин. Шаростержневая модель молекулы глицерина приведена на рисунке 44. Глицерин — бесцветная маслянистая жидкость, без запаха, имеет сладковатый вкус. Он смешивается в любых соотношениях с водой, этанолом, метанолом; гигроскопичен и, в отличие от этиленгликоля, не ядовит. Впервые глицерин был получен в 1779 г. шведским химиком и фармацевтом К. В. Ш е е л е при нагревании жира с оксидом свинца.

Химические свойства Для двух- и трехатомных спиртов, следовательно, и для этиленгликоля и глицерина, характерны все реакции одноатомных спиртов. Но в то же время они обладают и особыми свойствами, обусловленными одновременным присутствием в молекуле двух или трех гидроксильных групп. Рассмотрим основные химические свойства многоатомных спиртов.

1) Взаимодействие со щелочными металлами → CH2ONa—CH2ONa + H2 СН2ОН—СН2ОН + 2Na⎯⎯ → 2СН2ОН—СНОН—СН2ОН + 6Na⎯⎯ ⎯⎯ → 2CH2ONa—CHONa—CH2ONa + 3H2

В этих реакциях можно заместить все атомы водорода гидроксильных групп на атомы металла. По аналогии с алкоголятами соли двухатомных спиртов называют гликолятами, а трехатомных — глицератами.

108

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

2) Кислотность Кислотность многоатомных спиртов выше, чем одноатомных. Это объясняется наличием в молекуле дополнительных гидроксильных групп, взаимно влияющих друг на друга. Этиленгликоль и глицерин как многоатомные спирты могут взаимодействовать не только со щелочами, но и с гидроксидами некоторых других металлов. При их взаимодействии со свежеприготовленным гидроксидом меди(ІІ) образуется комплексное соединение ярко-синего цвета, при этом происходит растворение гидроксида. Эту реакцию часто используют для обнаружения многоатомных спиртов и относят к качественной реакции на многоатомные спирты с гидроксильными группами, находящимися у соседних атомов углерода (рис. 45). Для иллюстрации, но не для запоминания и использования, показана схема образования глицерата меди(ІІ):

+ Cu(OH)2 ⎯2NaOH ⎯⎯⎯⎯ →

⎯⎯ →

+

+ 2Na+ + 4H2O

Рис. 45. Качественная реакция на многоатомные спирты (глицерин)

3) Образование сложных эфиров Для этиленгликоля и глицерина, как и для одноатомных спиртов, характерно образование сложных эфиров. Например, с избытком азотной кислоты в присутствии серной кислоты (катализатор) образуется глицеринтринитрат, известный под названием нитроглицерин:

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

109

Название «нитроглицерин» относится к тривиальным названиям, оно не отражает строение вещества. Известно, что в химии к нитросоединениям относят вещества, в которых группа —NО2 непосредственно связана с атомом углерода. Получение Двухатомные и трехатомные спирты можно получать теми же способами, что и одноатомные спирты. В качестве сырья могут использоваться алкены и галогеналканы. Лабораторные способы Общим методом получения гликолей является окисление алкенов раствором перманганата калия в щелочной или нейтральной среде: CH2

KMnO H2 O

4 CH2 ⎯⎯⎯⎯⎯ → CH2OH—CH2OH

этен

этандиол-1,2 (этиленгликоль)

Эта реакция известна как гидроксилирование алкенов. Аналогичным методом получают пропандиол-1,2: 1 2 3 KMnO4 СH2 ⎯⎯⎯⎯⎯ CH3—CH → CH2OH—CHOH—CH3 H2 O пропен пропандиол-1,2 Этиленгликоль также получают гидролизом соответствующего дигалогеналкана: H2 O + 2NaOH ⎯⎯⎯ → t

+ 2NaCl

Промышленные способы Глицерин получают в процессе гидролиза жиров и синтетическим способом из пропена, образующегося при крекинге нефтепродуктов, по схеме, которая приводится в ознакомительном плане: СH2

Cl , 400 °C

2 → CH2 CH—CH3 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

H O

2 2 CH—CH2Cl ⎯⎯⎯⎯ →

⎯⎯ → CH2OH—CHOH—CH2Cl ⎯NaOH ⎯⎯⎯→ CH2OH—CHOH—CH2OH

Применение Этиленгликоль используется как исходное сырье для получения синтетических волокон, например лавсана; в качестве антифриза (водный раствор с массовой долей спирта 50 %); при получении пластификаторов (смягчителей), применяемых в лакокрасочной промышленности. Глицерин, как и этиленгликоль, используется для приготовления антифризов — незамерзающих жидкостей для охлаждения двигателей внутреннего сгорания. Большое количество глицерина идет на получение нитроглицерина. Нитроглицерин в 110

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

малых дозах применяется при стенокардии, так как оказывает сосудорасширяющее действие. Нитроглицерин — сильное взрывчатое вещество, способное взрываться при ударе или нагревании, поэтому на его основе созданы динамит и бездымный порох. Получают динамит, пропитывая особый сорт глины — кизельгур нитроглицерином. Динамит был изобретен А. Н о б е л е м, который завещал часть прибыли своих заводов по производству динамита на выплату Нобелевских премий за выдающиеся достижения в науке и литературе.

Глицерин применяют также в косметической, фармацевтической, кожевенной, текстильной, пищевой промышленности. Этиленгликоль и глицерин — представители многоатомных спиртов. Для многоатомных спиртов характерны все реакции одноатомных спиртов. Реакция с гидроксидом меди(II) используется для обнаружения многоатомных спиртов. Этиленгликоль применяется для получения лавсана, в качестве антифриза; глицерин в больших количествах идет на получение нитроглицерина. Вопросы и задания 1. Какие органические соединения относятся к многоатомным спиртам?

2. Что такое атомность спиртов? Поясните, как классифицируются спирты по атомности, и приведите примеры простейших представителей различных групп спиртов.

3. Приведите общие формулы гомологических рядов гликолей и глицеринов.

4. Выберите из предложенных химических формул вещества, относящиеся к одному и тому же классу: а) С5Н11ОН

б) СН3—CHOH—CH2OH

в) СН2ОН—СН2ОН

г) С2Н5ОН

д) CH2

е)

ж) С6Н12

з) СН2ОН—CНОН—CН2ОН

CH—CH2ОН

Укажите класс и поясните, что является основанием для вашего выбора формулы.

5. Из предложенных формул выберите формулу гомолога глицерина: а) б)

в) СН2ОН—CН2ОН г) СН3ОН—CНОН—CН3 д) СН2ОН—CНОН—CНОН—CН3 Поясните, что является основанием для вашего выбора формулы. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

111

6. Составьте уравнения реакций, отражающих свойства: а) этиленгликоля; б) глицерина.

7. Чем объясняется большая реакционная способность глицерина по сравнению с одноатомными спиртами?

8. Выберите формулу вещества, реакция с которым относится к качественным реакциям на многоатомные спирты: Na, KOH, CuO, Cu, Cu(OH)2.

9. Выпишите отдельно формулы веществ, с которыми взаимодействуют: а) этанол; б) этиленгликоль; в) глицерин: H2O, HNO3, Na, Cl2, HBr. Составьте три возможных уравнения реакций.

10. Перечислите все известные вам способы получения одноатомных и многоатомных спиртов.

11. Приведите названия веществ, которые можно получить в результате следующих превращений: Cl2 KMnO4 NaOH → X ⎯⎯⎯⎯→ X ⎯⎯⎯⎯⎯ HCl → X ; а) C2H6 ⎯⎯⎯ → X ⎯⎯⎯⎯ → X 3 ⎯⎯⎯ 1 2 4 −H2O O2 H2 KMnO4 Nа → X. → B ⎯⎯⎯ → A ⎯⎯⎯ → Б ⎯⎯⎯⎯⎯ б) CH4 ⎯⎯⎯⎯⎯ 1500 °C H2O

12. Рассчитайте объем (н. у.) водорода, который выделится в каждой из трех реакций глицерина с металлическим натрием при образовании трех различных продуктов реакций, если масса глицерина во всех случаях равна 86,48 г.

Лабораторный опыт 3 Взаимодействие глицерина с гидроксидом меди(II) 1. К раствору щелочи объемом примерно 1 см3 добавьте несколько капель раствора сульфата меди(II).

2. К образовавшемуся осадку гидроксида меди(II) прилейте глицерин объемом 0,5 см3. Взболтайте смесь.

3. Наблюдайте, какие изменения при этом произошли. Как их можно обосновать?

§ 27. Фенолы К гидроксилпроизводным органическим соединениям, кроме спиртов, относятся фенолы. Фенолами называются производные ароматических углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода, непосредственно связанных с бензольным кольцом, замещены на гидроксильные группы. Число гидроксильных групп в молекуле определяет атомность фенолов. Они могут содержать до шести гидроксильных групп в молекуле. По числу гидроксиль112

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ных групп фенолы, как и спирты, классифицирует как одно-, двух-, трехатомные и многоатомные фенолы. В таблице 22 для ознакомления приведены формулы некоторых фенолов различной атомности, названия которых не требуют запоминания. В данном курсе органической химии вы познакомитесь со строением и свойствами фенола (С6Н5ОН) — простейшего представителя одноатомных фенолов, от названия которого и происходит название всего класса соединений. Тривиальное название «фенол» принято в номенклатуре ИЮПАК. Та б л и ц а 22. Отдельные представители фенолов Фенолы одноатомные

двухатомные

С6Н5ОН

С6Н4(ОН)2

трехатомные

С6Н3(ОН)3

фенол 1,2-дигидроксибензол (пирокатехин)

1,2,3-тригидроксибензол (пирогаллол)

С6Н4(ОН)2

1,3-дигидроксибензол (резорцин)

С6Н3(ОН)3

1,3,5-тригидроксибензол (флороглюцин)

С6Н4(ОН)2

1,4-дигидроксибензол (гидрохинон)

Строение Состав простейшего представителя класса выражается формулой С6Н5ОН. Группу атомов С6Н5— называют фенильной группой. Структурная формула фенола может записываться различными способами: Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

113

Далее в тексте при записи уравнений реакций фенола будет использоваться структурная формула 2. На рисунке 46 приведены шаростержневая и масштабная модели молекулы фенола. Рассмотрим электронное строение молекулы фенола (рис. 47), сравнив его со строением одноатомных спиртов, содержащих также одну гидроксильную группу —ОН, но при этом, в отличие от фенола, связанную с алкильной группой ациклических насыщенных углеводородов. В таких спиртах алкильная группа сме→ О—Н) и щает электронную плотность в сторону гидроксильной группы (С2Н5⎯⎯ тем самым уменьшает ее полярность и естественно снижает кислотные свойства. Действие же бензольного кольца в молекуле фенола иное. Одна из неподеленных пар электронов внешнего энергетического уровня атома кислорода гидроксильной группы вступает в сопряжение с π-электронной системой бензольного кольца, при этом происходит смещение электронной плотности в сторону бензольного кольца. Это приводит к увеличению полярности связи О—Н и способствует повышению электронной плотности в бензольном кольце у атомов углерода 2, 4, 6, где, как правило, и протекает замещение атомов водорода на какой-либо заместитель.

6

2 4

а

б

Рис. 46. Шаростержневая (а) и масштабная (б) модели молекулы фенола

114

О б р а з о в а т е л ь н ы й

п о р т а л

Рис. 47. Схема взаимного влияния атомов в молекуле фенола

w w w . a d u . b y /

Н а ц и о н а л ь н ы й

и н с т и

Следовательно, существует взаимное влияние атомов и групп атомов в молекуле фенола (см. рис. 47). Такое взаимное влияние отражается на свойствах фенола, кислотные свойства которого усиливаются. Физические свойства Фенол — бесцветное кристаллическое вещество с характерным запахом. При обычной температуре он плохо растворяется в воде, при 70 °С и выше смешивается с водой в любых соотношениях. Фенол очень ядовит, при попадании на кожу вызывает сильнейшие ожоги, поэтому работать с ним в школьном химическом кабинете запрещено. Химические свойства Химические свойства фенола обусловлены наличием в молекуле функциональной группы —ОН и бензольного кольца, которые оказывают друг на друга взаимное влияние. Рассмотрим последовательно химические реакции, протекающие с участием гидроксильной группы и бензольного кольца.

1) Диссоциация в водных растворах Молекулы фенола диссоциируют в водных растворах по кислотному типу: С 6Н 5О – + Н + С6Н5ОН Фенол является слабой кислотой (иногда его называют карболовой кислотой), что отличает его от спиртов, которые практически не диссоциируют в водных растворах.

2) Взаимодействие со щелочными металлами Фенол, как и спирты, взаимодействует со щелочными металлами с образованием феноксидов (фенолятов): → 2C6H5ONa + H2 2С6Н5ОН + 2Na⎯⎯ фенол

феноксид (фенолят) натрия

Фенол можно превратить в бензол в реакции с цинковой пылью: → С6Н6 + ZnO С6Н5ОН + Zn⎯⎯

3) Взаимодействие со щелочами Повышенная кислотность фенола по сравнению со спиртами проявляется в способности фенола образовывать с водными растворами щелочей соли: → C6H5ONa + Н2О С6Н5ОН + NaOH⎯⎯ фенол

феноксид (фенолят) натрия

Доказательством того, что фенол является очень слабой кислотой, является реакция фенолятов с такой слабой неорганической кислотой, как угольная. Если Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

115

через раствор фенолята пропустить углекислый газ, то фенолят превращается в свободный фенол: → C6H5OH + NaHCO3 С6H5ONa + CO2 + H2O⎯⎯ 4) Галогенирование Реакции галогенирования, в частности бромирования, протекают с замещением атомов водорода в бензольном кольце. При действии на фенол бромной воды образуется 2,4,6-трибромфенол, который плохо растворим в воде и образует осадок белого цвета:

6

H2 O + 3Br2 ⎯⎯⎯ →

2

+ 3HBr

4

2,4,6-трибромфенол

Эта реакция часто используется для качественного обнаружения фенола. Реакция фенола с бромной водой протекает очень легко при комнатной температуре, в отличие от бензола, который не реагирует с бромной водой.

5) Нитрование При действии на фенол концентрированной азотной кислоты (для проведения реакции создаются специальные условия) также происходит реакция замещения. Три атома водорода в положении 2, 4, 6 замещаются на нитрогруппы и образуется 2,4,6-тринитрофенол, или пикриновая кислота:

H SO (конц.)

2 4 + 3HNO3(конц.) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ →

6

2

+ 3H2O

4

2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота)

Наличие в молекуле пикриновой кислоты трех заместителей —NO2 усиливает ее кислотные свойства. Она является сильной кислотой. Пикриновая кислота — желтое кристаллическое взрывоопасное вещество, ее соли применяются в промышленности в качестве взрывчатых веществ.

116

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Фенол (рис. 48, а) дает характерное краснофиолетовое окрашивание с водным раствором хлорида железа(III) вследствие образования комплексной соли железа (рис. 48, б). Эту реакцию используют для обнаружения фенола и относят к цветной качественной реакции. Для многоатомных фенолов в реакции с хлоридом железа(III) появляется фиолетовая окраска различных оттенков.

Фенолами называются производные ароматических углеводородов, Рис. 48. Качественная реакция на в молекулах которых один или не- фенол сколько атомов водорода, непосредственно связанных с бензольным кольцом, замещены на гидроксильные группы. Число гидроксильных групп в молекуле определяет атомность фенола. Фенол С6Н5ОН — простейший одноатомный фенол, химические свойства которого определяются наличием в молекуле как гидроксильной группы, так и бензольного кольца, которые оказывают друг на друга взаимное влияние. Для фенола характерны реакции гидроксильной группы (со щелочными металлами, щелочами) и бензольного кольца (галогенирование, нитрование). Вопросы и задания 1. Какие органические соединения называются фенолами?

2. На основании какого признака можно классифицировать фенолы? Приведите соответствующие примеры различных фенолов.

3. Определите, к какому классу органических соединений относятся вещества, формулы которых приведены: а) СН2ОН—СН2ОН б)

OH

СН3—СН2—СН2ОН

С6Н5ОН

СН3—СНОН—СН2ОН

СН2ОН—(СНОН)2—СН3

СН3ОН

OH

OH Назовите эти вещества.

4. В чем проявляется кислотный характер фенола? Составьте уравнения соответствующих реакций.

5. Чем объясняется большая кислотность фенола по сравнению с этанолом или пропанолом? Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

117

6. Укажите, какие из соединений, формулы которых приведены, относят к фенолам и почему: а)

б)

в)

г)

7. Выберите формулы веществ, с которыми взаимодействует фенол, и запишите три любых уравнения реакций: K, Na2SО4, KОН, Вr2/Н2O, Н2СO3, HNO3, Zn, Cu, HBr, Н2.

8. Из приведенного перечня веществ выберите отдельно формулы тех веществ, которые взаимодействуют с: а) фенолом; б) этанолом; в) бензолом: Н2, Na, HBr, Br2/H2O, NaOH, HNO3, CH3COOH. 9. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → С2Н2⎯⎯ → С6Н6⎯⎯ → С6Н5Вr; а) СаС2⎯⎯ → С2Н5ОН б) С2Н4⎯⎯ С2Н5Вr; → C6H5OK⎯⎯ → C6H5OH⎯⎯ → C6H2(NO2)3OH. в) С6Н5OH⎯⎯ C6H2Br3OH 10. К раствору фенола в бензоле массой 812,16 г прилили бромную воду, при этом выпал белый осадок массой 178,74 г. Определите массовую долю фенола в растворе.

11. К фенолу массой 116,56 г прилили раствор гидроксида натрия объемом 89,51 см3 с массовой долей щелочи 40 % (плотность 1,43 г/см3). Определите массу полученного фенолята натрия.

§ 28. Получение фенола. Применение фенола и его производных Получение Рассмотрим основные способы получения фенола.

1. Природным источником фенола и некоторых его производных является каменноугольная смола, образующаяся как побочный продукт коксохимического производства. Каменноугольная смола обрабатывается щелочами. А, как вам уже известно, водные растворы щелочей взаимодействуют c фенолом с образованием фенолятов. Получаемые феноляты обрабатывают минеральными кислотами и получают фенол. Схематически процесс экстрагирования фенола из каменноугольной смолы можно представить так: каменноугольная смола ⎯NaOH ⎯⎯⎯ → C6H5ONa ⎯HCl ⎯⎯ → C6H5OH HO 2

2. Существует также промышленный способ получения фенола из хлорбензола. В этом случае хлорбензол под действием водного раствора гидроксида натрия переводят в фенолят натрия, который в реакции с минеральными кислотами переходит в фенол: 350 °C, 300 атм NaOH/H2O

HCl С6Н5Cl ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → C6H5ONa ⎯H ⎯⎯ → C6H5OH O

118

2 Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

3. Один из основных промышленных методов производства фенола — кумольный. Исходным соединением в этом методе является кумол, который получают в реакции бензола с пропеном. Этот метод получения фенола был разработан в 40-е годы XX в. в Советском Союзе Р. Ю. Уд р и с о м, Б. Д. К р у ж а л о в ы м, П. С. С е р г е е в ы м, М. С. Н е м ц о в ы м и до наших дней не утратил своей эффективности. В общих чертах синтез фенола можно представить следующим образом. Сначала в реакции бензола с пропеном получают изопропилбензол (кумол):

+ СH3—CH

H PO

3 4 CH2 ⎯⎯⎯⎯ →

пропен

Затем кумол окисляют кислородом воздуха, продукт окисления кумола разлагают разбавленной серной кислотой и получают при этом фенол и ацетон, важнейшие в производственном отношении продукты. Применение Фенол и его производные применяют в качестве исходных веществ для синтеза красителей, лекарств, синтетических смол и пластмасс (рис. 49). Тринитрофенол находит применение для получения взрывчатых веществ. Гидрохинон применяется в фотографии в качестве проявителя, так как он очень легко окисляется; антиоксиданта жиров. Пирокатехин используется для получения адреналина — гормона, вырабатываемого надпочечниками. Синтетический гормон адреналин был получен в 1908 г. и стал первым гормоном, который ученым удалось получить синтетически.

Рис. 49. Применение фенола и его производных Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

119

Резорцин применяется наружно как антисептик при кожных заболеваниях в виде водных и спиртовых растворов; в производстве красителей, стабилизаторов и пластификаторов полимеров.

Фенол и его производные — ядовитые вещества. Отходы их производства, содержащие эти вещества, опасны для человека и живой природы. Поэтому на таких производствах используют специальные методы очистки, предотвращающие попадание фенола и его производных в окружающую среду. При промышленном использовании фенола в некоторых случаях в качестве побочного продукта могут образовываться чрезвычайно ядовитые вещества, например диоксин:

Фенол и его производные применяются в качестве исходных веществ для синтеза красителей, лекарств, получения синтетических смол и пластмасс. Разработаны основные способы получения фенола из природных источников (продукты переработки нефти, угля). Фенол и его производные чрезвычайно ядовиты. Используются специальные методы очистки отходов производства на основе фенола для предохранения окружающей среды от загрязнения. Вопросы и задания 1. Какие природные источники сырья используются для получения фенола?

2. Назовите известные вам промышленные способы получения фенола и запишите схемы его получения. → и области 3. Назовите, какое вещество получают в реакции С6Н5ОН + 3HNO3⎯⎯ его применения.

4. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → С2Н2⎯⎯ → С6Н6⎯⎯ → C6H5CI⎯⎯ → С6Н5ОН; а) С2Н4⎯⎯ → С6Н6⎯⎯ → С6Н5Вr⎯⎯ → С6Н5ОН⎯⎯ → С6Н5ОK. б) С2Н2⎯⎯

5. Назовите вещество, которое можно получить в результате следующих превращений: C, t FeBr3 NaOH → X ⎯⎯⎯⎯ HNO3 → X . → X1 ⎯⎯⎯⎯ → X 2 ⎯⎯⎯⎯ C2H2 ⎯⎯⎯⎯ 3 4 H2O Cl2 6. Из приведенных формул выберите формулы тех веществ, которые используются для получения: а) этанола; б) глицерина; в) фенола: СН2

СН—СН3

С2Н2

С2Н4

С6Н6

C6H5CI

С2Н6

7. Определите массу фенола (в кг), полученного в процессе щелочного гидролиза бромбензола массой 423,9 кг, считая, что выход продукта реакции равен 62 %. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Гл а в а 6 АЛЬДЕГИДЫ И КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ Альдегиды и карбоновые кислоты так же, как спирты и фенолы, относятся к кислородсодержащим органическим соединениям, у которых атом кислорода входит в состав функциональных групп.

§ 29. Альдегиды Строение Органические соединения, в молекулах которых имеется карбонильная группа

называются карбонильными соединениями или оксо-

соединениями. Карбонильные соединения делятся на две большие группы —альдегиды и кетоны. Со строением и свойствами альдегидов вы познакомитесь в данном параграфе. Альдегидами называют органические соединения, в которых карбонильная группа

связана с двумя атомами водорода или одним ато-

мом водорода и одним углеводородным заместителем. Для альдегидов группа атомов

является функциональной и называется

альдегидной; сокращенно она записывается —СНО. Простейшим представителем альдегидов является метаналь (формальдегид, или муравьиный альдегид) НСНО

. Это единственный альдегид, в

молекуле которого карбонильная группа соединена с двумя атомами водорода. Шаростержневая и масштабная модели молекулы муравьиного альдегида приведены на рисунке 50. В зависимости от строения углеводородного заместителя различают альдегиды: Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

121

а

б

Рис. 50. Шаростержневая (а) и масштабная (б) модели молекулы муравьиного альдегида

Многие альдегиды и их производные встречаются в живой природе. Например, в миндале обнаружены бензальдегид и его производные:

в корице — 3-фенилпропеналь (коричный альдегид):

в стручках ванили — пахучее вещество ванилин:

122

О б р а з о в а т е л ь н ы й

п о р т а л

w w w . a d u . b y /

Н а ц и о н а л ь н ы й

и н с т и т у т

В данном курсе химии вы познакомитесь с алифатическими альдегидами, производными алканов (насыщенных углеводородов). Общая формула, отражающая химическое строение алифатических насыщенных альдегидов, СnН2n + 1СНО, или R—СНО, где R — алкильная группа. Общая формула насыщенных альдегидов СnН2n + 1СНО. Общая формула, отражающая молекулярный состав насыщенных альдегидов, СnН2nO. В таблице 23 приведены названия, сокращенные структурные формулы и некоторые физические свойства нескольких представителей насыщенных альдегидов. Та б л и ц а 23. Представители альдегидов Температура, °С

Название по систематической номенклатуре (и тривиальное)

кипения

плавления

Н—СНО

Метаналь (формальдегид)

–21

–92

СН3—СНО

Этаналь (ацетальдегид)

20

–121

СН3—СН2—СНО

Пропаналь (пропионовый)

49

–81

СН3—СН2—СН2—СНО

Бутаналь (масляный)

76

–99

СН3—СН2—СН2—СН2—СНО

Пентаналь (валериановый)

103

–91,5

СН3—СН2—СН2—СН2—СН2—СНО

Гексаналь (капроновый)

131

Структурная формула

Рассмотрим электронное строение карбонильной группы (рис. 51).

Рис. 51. Строение карбонильной группы в альдегидах

В карбонильной группе связь между атомами углерода и кислорода двойная. Атом углерода образует три σ-связи, которые располагаются в одной плоскости под углом 120° друг к другу, π-связь С—О образована при перекрывании 2р-орбиталей атомов углерода и кислорода. Двойная связь С О является сочетанием одной σ- и одной π-связей. В силу высокой электроотрицательности атома кислорода электронная плотность двойной связи смещена в сторону атома кислорода Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

123

(см. рис. 51). Атом кислорода приобретает частичный отрицательный заряд, а атом углерода — частичный положительный заряд:

Связь С

О полярна.

О короче и ее энергия больше, чем связи С С. Связь С Длина связи С С 0,134 нм, а С О — 0,121 нм, энергия связи С аС О — 710 кДж/моль.

С 620 кДж/моль,

Полярность связи С О сказывается на физических и химических свойствах альдегидов, которые являются высоко реакционноспособными веществами. Номенклатура По правилам номенклатуры ИЮПАК названия альдегидов образуются от названий соответствующих алканов с добавлением суффикса -аль, например НСНО — метаналь, СН3СНО — этаналь. При названии альдегидов с разветвленной углеродной цепью нумерация главной цепи начинается с атома углерода альдегидной группы. Например:

Для альдегидов сохраняются и тривиальные названия, например: НСНО — формальдегид, или муравьиный альдегид, СН 3СНО — уксусный альдегид, СН3СН2СНО — пропионовый альдегид и т. д. Изомерия Изомерия альдегидов обусловлена изомерией углеродной цепи. Первые три члена гомологического ряда альдегидов — метаналь, этаналь, пропаналь — изомеров не имеют. Число изомеров у альдегидов с увеличением числа углеродных атомов в молекуле сильно возрастает. Например, для альдегидов состава С5Н10О существует четыре изомера альдегида (без учета стереоизомеров). Составу С6Н12О соответствует семь изомерных альдегидов (без учета пространственных изомеров) и т. д.

124

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Молекулярная формула

Структурная формула

Название

С5Н10О

пентаналь

С5Н10О

2-метилбутаналь

С5Н10О

3-метилбутаналь

С5Н10О

2,2-диметилпропаналь

Физические свойства В обычных условиях метаналь (формальдегид, или муравьиный альдегид) находится в газообразном состоянии, имеет резкий неприятный запах, ядовит. Остальные альдегиды — жидкости или твердые вещества. Низшие альдегиды имеют резкий неприятный запах, а высшие альдегиды обладают цветочными запахами и широко применяются в парфюмерии. Имеется характерный запах также у некоторых ароматических альдегидов и альдегидов ненасыщенного ряда. Например: фенилуксусный альдегид С6Н5СН2СНО имеет запах гиацинтов и потому его называют гиацинтовым. Ознакомиться с характерными запахами некоторых альдегидов можно в домашних условиях. При выпечке широко используется ванилин, получающийся синтетически. Многим чистящим средствам, использующимся в домашнем хозяйстве, запах лимона придает синтетический альдегид строения

Температуры кипения альдегидов более низкие, чем соответствующих спиртов. Это объясняется тем, что в альдегидах в отличие от спиртов отсутствуют межмолекулярные водородные связи. Простейшие альдегиды легко растворяются в воде. Например, растворимость уксусного альдегида в воде неограниченная, формальдегида — хорошая (раствор Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

125

альдегида с массовой долей 40 % называют формалином), растворимость пропионового альдегида: 44 г на 100 см3 (25 °С). Органические соединения, в которых карбонильная группа связана с одним атомом водорода и одним углеводородным заместителем, называют альдегидами. Общая формула насыщенных алифатических альдегидов СпН2п + 1СНО. Структурная изомерия альдегидов обусловлена изомерией углеродной цепи. Вопросы и задания 1. Какие органические вещества относятся к классу альдегидов?

2. На основании какого признака альдегиды, структурные формулы которых СН2 СН—СНО, С6Н5—СНО, С3Н7—СНО, относятся к разным группам?

3. Рассмотрите электронное строение карбонильной группы.

4. Поясните, в чем заключается различие в электронном строении двойной связи С С у алкенов и двойной связи С О в карбонильной группе.

5. Составьте структурные формулы следующих альдегидов: 2-метилбутаналя, 2,3-диметилпентаналя, 3-бром-2-этилгексаналя.

6. Составьте (по 3—4) структурные формулы изомерных альдегидов состава: а) С6Н12О; б) С7Н14О; в) всех возможных структурных изомеров состава С3Н6О.

7. Из формул веществ выпишите отдельно формулы гомологов и изомеров и назовите их: а) С3Н7ОН; б) С3Н7СНО; в) СН2 СН—СНО; г) СН3—СН(СН3)—СНО; д) СН3—СН2ОН; е) (СН3)3С—СН2—СНО; ж) НСНО; з) СН3—СН(СН3)—СН(СН3)—СНО; и) С6Н5ОН.

8. Определите молекулярную формулу алифатического насыщенного альдегида, в котором: а) массовые доли углерода и водорода (в %) соответственно равны 66,67 и 11,1; б) массовая доля кислорода равна 27,58 %.

9. Суммарное число электронов, содержащихся во всех молекулах насыщенного алифатического альдегида, находящихся в навеске массой 12,76 г, равно 43,38 1023. Определите молекулярную формулу альдегида.

§ 30. Химические свойства альдегидов Рассмотрим важнейшие химические свойства насыщенных алифатических альдегидов. Реакции присоединения По месту двойной связи С О у альдегидов могут проходить реакции присоединения. Альдегиды способны присоединять водород по связи С О на никелевом или платиновом катализаторе с образованием первичных спиртов: 126

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

+ Н2 ⎯Ni ⎯→ СН3—СН2ОН этанол

Гидрирование альдегидов относят к реакции восстановления. В промышленности реакцию гидрирования альдегидов используют для получения первичных спиртов. В качестве эффективных восстановителей альдегидов используется алюмогидрид лития. В этих реакция он является источником гидридных анионов: LiAlH

4 ⎯⎯⎯⎯ → R—СН2ОН

первичный спирт альдегид

Реакция окисления Альдегиды легко окисляются (значительно легче, чем спирты) в соответствующие карбоновые кислоты. Их можно окислить даже такими мягкими окислителями, как оксид серебра(І) и гидроксид меди(ІІ). Так, если к аммиачному раствору оксида серебра(І) прилить раствор уксусного альдегида и смесь нагреть, то происходит окисление альдегида с образованием уксусной кислоты. Внутренняя поверхность колбы, в которой нагревается смесь, покрывается при этом тонким слоем серебра (рис. 52). Эту реакцию называют реакцией серебряного зеркала. Она является одной из качественных реакций для обнаружения альдегидной группы: NH /H O, t

3 2 → + Ag2O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

Рис. 52. Окисление этаналя аммиачным раствором оксида серебра(I)

+ 2Ag

Другая качественная реакция на альдегиды — реакция со свежеприготовленным гидроксидом меди(ІІ). При окислении гидроксид меди(ІІ), имеющий светлоОбразовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

127

голубой цвет, восстанавливается в гидроксид меди(І) желтого цвета, который при нагревании превращается в оксид меди(І) красного цвета (рис. 53): + 2Cu(OH)2 ⎯t⎯ →

Рис. 53. Окисление этаналя свежеприготовленным гидроксидом меди(II)

⎯⎯ →

+ Cu2O + 2H2O

Окислить альдегиды в соответствующие кислоты можно также такими окислителями, как К2Сr2O7, КМnО4, или кислородом воздуха в присутствии катализатора: + O2 ⎯кат. ⎯⎯ →

Высокая реакционная способность альдегидов обусловлена строением карбонильной группы. Для альдегидов характерны реакции присоединения по месту двойной связи С О и окисления по месту связи С—Н в альдегидной группе. Вопросы и задания 1. Охарактеризуйте электронное строение альдегидной группы в молекуле этаналя.

2. Какие реакции альдегидов относят к реакциям восстановления? Приведите уравнения реакции восстановления для: а) пропаналя; б) бутаналя. Назовите продукты реакции.

3. Какие продукты образуются в процессе окисления альдегидов?

4. Составьте уравнения двух качественных реакций для этаналя и пропаналя и укажите признаки их протекания.

5. Выберите формулы веществ, с которыми возможны реакции альдегидов: а) Н2, H2Cr2O7, Ag2O, KCI, O2, Cu(OH)2; б) LiAIH4, Cu(OH)2, CuSO4, H2O, CO2, KМnO4.

6. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → СН3—CH2OH⎯⎯ → CH3—CH2ONa; а) СН3—СНО⎯⎯ → C2H5OH → CH2Cl—CH2Cl. C2H4⎯⎯ б) СН3—СНО⎯⎯

При выполнении задания записывайте структурные формулы и названия веществ.

128

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

7. Выберите формулы веществ, которые можно использовать для обнаружения фенола, глицерина, этаналя, этена: а) Н2O; д) FeCI3;

б) NaOH; e) Н2;

в) Сu(ОН)2; ж) Вr2/Н2O.

г) AI2(SO4)3;

8. Рассчитайте объем водорода (в дм3 при н. у.), который потребуется для восстановления этаналя массой 107,8 г.

9. В процессе гидрирования этаналя массой 2,20 кг получен спирт массой 2,07 кг. Определите выход продукта реакции (в %).

10. При восстановлении неизвестного альдегида массой 20,3 г получили спирт массой 21 г. Определите молекулярную формулу альдегида.

11. При каталитическом окислении этаналя затрачен кислород объемом (н. у.)

16,8 дм3. Определите массу продукта реакции.

Лабораторный опыт 4 Окисление этаналя гидроксидом меди(II) 1. Налейте в пробирку раствор щелочи объемом 1 см3 и добавьте 1—2 капли раствора сульфата меди(ІІ).

2. К образовавшемуся осадку гидроксида меди(ІІ) прилейте охлажденный раствор этаналя объемом примерно 0,5 см3. Отметьте, произошли ли при этом изменения.

3. Нагрейте пробирку со смесью в пламени спиртовки. Наблюдайте, как изменится цвет осадка. Составьте уравнения всех реакций.

§ 31. Получение альдегидов. Применение альдегидов и их производных Получение Многие альдегиды и их производные используются в различных областях производства органических соединений. Природными источниками для их промышленного получения являются углеводороды крекинга нефти, галогенпроизводные, спирты. Рассмотрим лабораторные, а затем промышленные способы получения альдегидов. Лабораторные способы 1. Окисление первичных спиртов оксидом металла (СuО) или подкисленным раствором бихромата калия: → R—CH2OH + CuO⎯⎯

+ Cu + H2O

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

129

2. Гидратация ацетилена в условиях реакции Кучерова в присутствии солей двухвалентной ртути идет с образованием ацетальдегида: CH

H+ , Hg 2+

CH + H2O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ →

ацетилен

Промышленные способы 1. Окисление алкенов в присутствии солей палладия: 2CH2

PdCl , CuCl H2 O

2 CH2 + O2 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯ → 2

этен

Этот метод является одним из современных промышленных методов и относится к экологически чистым.

2. Окисление спиртов. Спирты могут быть превращены в карбонильные соединения в результате окислительных процессов. При окислении первичных спиртов образуются альдегиды: [O]

→ CH3CHO C2H5OH ⎯⎯⎯

Метаналь (формальдегид) в промышленности получают окислением метанола кислородом воздуха в присутствии катализаторов (медь или серебро): 2CH3OH + O2 ⎯Cu ⎯⎯ → 2

+ 2H2O

Получение альдегидов дегидрированием спиртов широко используется в современной промышленности. Само название класса органических соединений «альдегиды» возникло именно благодаря этому способу их получения (лат. alcohol dehydrogenates — спирт дегидрированный). При пропускании паров спирта над катализатором при высоких температурах происходит дегидрирование первичных спиртов в альдегиды: Cu, t R—CH2—OH ⎯⎯⎯→

+ H2

первичный спирт

Применение альдегидов и их производных Альдегиды находят применение в различных областях промышленности. Формальдегид используется в качестве исходного сырья для получения фенолформальдегидных пластмасс, синтетического каучука и лекарственных средств.

130

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Рис. 54. Применение альдегидов А. М. Бутлеров в 1860 г. впервые синтезировал из формальдегида и аммиака органическое вещество гексаметилентетрамин, или уротропин, которое используется в медицине.

Ацетальдегид применяют для производства уксусной кислоты и уксусного ангидрида, этилацетата, хлораля. Бензальдегид С6Н5СНО в природе встречается в связанном виде в листьях лавровишен, косточках персиков, абрикосов, слив, в горьком миндале. Он используется для получения душистых и лекарственных веществ, некоторых красителей. СН—СНО применяют для получения пластмасс, отличающихся больПропеналь СН2 шой твердостью, глицерина, акриловой кислоты, лекарственных средств.

На рисунке 54 показаны области использования альдегидов. Существуют лабораторные и промышленные способы получения альдегидов. К основным промышленным способам относят: окисление алкенов, спиртов, дегидрирование спиртов. Вопросы и задания 1. Перечислите лабораторные способы получения альдегидов.

2. Составьте два уравнения реакций получения пропаналя в лабораторных условиях из соответствующих исходных веществ.

3. Назовите важнейшие промышленные способы получения альдегидов.

4. Составьте все возможные уравнения реакций получения альдегидов промышленными методами (на примере этаналя).

5. Приведите примеры использования альдегидов и их производных.

6. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → CH3CHO → C2H5Cl⎯⎯ → C2H4 C2H4⎯⎯ C2H5OH⎯⎯ CH3COOH

7. Определите формулы неизвестных веществ в предложенной схеме и составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

131

H2 Na → C H ONа ⎯⎯⎯ → Г ⎯⎯⎯ 2 5

8. Определите, какой объем этена (в м3 при н. у.) необходимо взять для получения из него ацетальдегида массой 4435,2 кг.

9. При окислении этанола получен альдегид массой 22 г, что составляет 80 % от теоретически возможного. Определите массу исходного спирта.

10. При окислении одноатомного насыщенного спирта массой 34,80 г получили альдегид с тем же числом атомов углерода в молекуле, что и у исходного спирта, массой 33,64 г. Определите молекулярную формулу альдегида.

§ 32. Карбоновые кислоты Карбоновыми кислотами называются органические соединения, содержащие в молекуле одну или несколько карбоксильных групп —СООН. Карбоновые кислоты классифицируют в зависимости от строения углеводородной цепи и числа карбоксильных групп в молекуле. В зависимости от строения углеводородной цепи различают кислоты алифатические насыщенные и ненасыщенные, алициклические и ароматические: алифатические

алициклические

ароматические

По числу карбоксильных групп карбоновые кислоты подразделяются на монокарбоновые, или одноосновные (содержат одну группу —СООН), дикар132

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

боновые, или двухосновные (две группы —СООН), трикарбоновые и т. д. Формулы и названия нескольких представителей карбоновых кислот приведены в таблице 24. Та б л и ц а 24. Представители карбоновых кислот Кислоты

Одноосновные

Двухосновные

Алифатические

СН3—СООН этановая кислота (насыщенная)

НООС—СН2—СН2—СООН бутандиовая кислота (насыщенная)

СН—СООН СН2 пропеновая кислота (ненасыщенная)

СН—СООН НООС—СН бутендиовая кислота (ненасыщенная)

Алициклические

циклогексанкарбоновая кислота

циклогексан-1,2-дикарбоновая кислота

бензойная кислота

бензол-1,4-дикарбоновая кислота

Ароматические

Карбоновые кислоты образуют различные функциональные производные при замещении гидроксильной группы. Общая формула таких производных карбоновых кислот

, где Х — OR и др.

К функциональным производным карбоновых кислот относят сложные эфиры . Карбоновые кислоты, у которых атомы водорода алкильной группы замещены на галоген, аминогруппу, гидроксильную группу и др., относят к замещенным карбоновым кислотам. Например: CH3—CH(Cl)

CH3—CH(ОН)

галогенкарбоновая кислота

аминокарбоновая кислота

гидроксикарбоновая кислота

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

133

Карбоновые кислоты и их производные встречаются в самых разнообразных природных объектах. Например, метановая (муравьиная) кислота НСООН содержится в выделениях муравьев; 3-метилбутановая (изовалериановая) кислота (СН3)2СН—СН2—СООН — в значительном количестве в корнях валерианы лекарственной; бензойная кислота С6Н5—СООН — в бруснике, клюкве, чернике, в различных растительных смолах; щавелевая кислота НООС—СООН — в виде оксалатов в листьях щавеля, ревеня, кислицы; малоновая кислота НООС—СН2—СООН — в соке сахарной свеклы: янтарная кислота НООС—(СН2)2—СООН впервые была выделена из продуктов сухой перегонки янтаря; яблочная кислота НООС—СН(ОН)—СН2—СООН — в ягодах и фруктах, особенно ее много в ягодах рябины; лимонная кислота НООС—СН2—С(ОН)(СООН)—СН2—СООН — во многих растениях, в лимонном соке ее массовая доля 10 %.

В данном разделе предметом вашего изучения будут насыщенные одноосновные кислоты, а также некоторые представители ненасыщенных одноосновных карбоновых кислот. Органические соединения, содержащие карбоксильную группу —СООН, называют карбоновыми кислотами. Карбоновые кислоты бывают одно-, двух-, трехосновные и т. д.; алифатические (насыщенные, ненасыщенные), алициклические, ароматические. Функциональными производными карбоновых кислот называют соединения, в которых гидроксильная группа замещена на какую-либо иную группу или атом. К функциональными производным карбоновых кислот относят сложные эфиры. Вопросы и задания 1. Укажите функциональную группу карбоновых кислот.

2. Сравните функциональные группы спиртов, альдегидов и карбоновых кислот и укажите, что в них общего и чем они отличаются.

3. Укажите признаки классификации общие как для неорганических, так и для органических кислот и приведите соответствующие примеры.

4. Укажите признак классификации кислот, на основе которого пропановую кислоту СН3—СН2—СООН и пропеновую кислоту СН2 СН—СООН относят к одной и той же группе, а также тот признак, на основе которого эти кислоты можно отнести к разным группам.

5. Можно ли карбоновые кислоты, структурные формулы которых

и

,

отнести к одной и той же группе кислот и по какому признаку?

134

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

6. Структурная формула яблочной кислоты, вкус которой вам хорошо известен, . Назовите те признаки классификации карбоновых кислот, на основе которых можно характеризовать данную кислоту. Найдите в тексте параграфа структурную формулу еще одной кислоты, которую можно характеризовать на основе таких же признаков.

7. Поясните, как без математических вычислений определить, в составе какого из веществ — СН3ОН, НСНО, НСООН — массовая доля кислорода большая.

8. Запишите общие формулы тех классов органических соединений, к которым относятся вещества: СН3ОН, СН3—СНО, Н—СООН.

9. Исходя из формулы пропановой кислоты С2Н5СООН, попытайтесь составить общую формулу, отражающую химическое строение карбоновых кислот данной группы.

10. Чем, с вашей точки зрения, можно объяснить явление многообразия органических веществ в природе?

§ 33. Насыщенные одноосновные карбоновые кислоты Строение К насыщенным одноосновным карбоновым кислотам относятся органические соединения, в молекулах которых содержится одна функциональная группа (—СООН), соединенная с алкильной группой (рис. 55) и только в случае метановой (муравьиной) кислоты НСООН — с атомом водорода. Химический состав и строение насыщенных одноосновных кислот выражается общей формулой CnH2n + 1СООН, или R—СООН, где R означает алкильную группу или атом водорода для метановой кислоты. Общая формула насыщенных одноосновных карбоновых кислот CnH2n + 1СООН. Общая формула, отражающая молекулярный состав данных кислот, СnН2nO2.

Рис. 55. Масштабные модели молекул уксусной (а) и валериановой (б) кислоты Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

135

Рис. 56. Шаростержневая (а) и масштабная (б) модели молекулы муравьиной кислоты

При решении целого ряда расчетных задач целесообразно обращаться именно к этой формуле. Модели молекулы муравьиной кислоты показаны на рисунке 56. Молекулярные и структурные формулы десяти представителей гомологического ряда насыщенных одноосновных карбоновых кислот с неразветвленной цепью атомов углерода представлены в таблице 25.

Та б л и ц а 25. Гомологический ряд насыщенных одноосновных карбоновых кислот Температура °С

Молекулярная формула

Структурная формула

Название

СН2О2

Н—СООН

С2Н 4О 2

Растворимость, г/100 г Н2О

кипения

плавления

Метановая (муравьиная)

100,5

8,4

Растворима неограниченно

СН3—СООН

Этановая (уксусная)

118,1

16,6

Растворима неограниченно

С3Н 6О 2

СН3СН2СООН

Пропановая (пропионовая)

141,1

–22

Растворима неограниченно

С4Н 8О 2

СН3СН2СН2СООН

Бутановая (масляная)

163,5

–6

Растворима неограниченно (–1,1 °С)

С5Н10О2

СН3(СН2)3СООН

Пентановая (валериановая)

187,0

–34

0,88 (20 °С)

С6Н12О2

СН3(СН2)4СООН

Гексановая (капроновая)

205

–2

0,89 (20 °С)

С7Н14О2

СН3(СН2)5СООН

Гептановая (энантовая)

223,5

–10,5

0,24 (15 °С)

С8Н16О2

СН3(СН2)6СООН

Октановая (каприловая)

237,5

16

0,25 (100 °С)

С9Н18О2

СН3(СН2)7СООН

Нонановая (пеларгоновая)

254

12,5

Малорастворима

С10Н20О2

СН3(СН2)8СООН

Декановая (каприновая)

С16Н32О2

СН3(СН2)14СООН

Гексадекановая (пальмитиновая)

351,5

64

Нерастворима

С18Н36О2

СН3(СН2)16СООН

Октадекановая (стеариновая)

376,1

70

Нерастворима

136

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Функциональная группа кислот получила название карбоксильная, потому что сочетает в себе карбои гидроксильную —ОН группы.

нильную

Электронная плотность в группе

смещена

Рис. 57. Схема распределения электронной плотности в карбоксильной группе карбоновых кислот

в сторону атома кислорода в силу его высокой электроотрицательности. Вследствие этого на атоме углерода появляется частичный положительный заряд. Компенсация возникающего положительного заряда происходит за счет смещения электронов неподеленной пары атома кислорода гидроксильной группы. Уменьшение электронной плотности на атоме кислорода гидроксильной группы приводит к сме⎯⎯Н от водорода (рис. 57). По этой причине химическая щению электронов связи О → связь между атомами кислорода и водорода в гидроксильной группе становится более полярной, а атом водорода более подвижным, чем у спиртов. Поэтому карбоновые кислоты обладают более выраженными кислотными свойствами, чем спирты. Номенклатура По правилам номенклатуры ИЮПАК названия насыщенных одноосновных карбоновых кислот образуют добавлением к названию алкана с тем же числом атомов углерода суффикса -овая и слова «кислота». Например, НСООН — метановая кислота, СН3—СООН — этановая кислота. Названия кислот с разветвленной углеродной цепью алкильной группы производят в соответствии с уже известными вам правилами ИЮПАК. Например:

Для многих наиболее известных кислот употребляются тривиальные, исторически сложившиеся названия. Например, НСООН — муравьиная кислота, СН3СООН — уксусная кислота, СН3СН2СН2СООН — масляная кислота. Изомерия Для насыщенных одноосновных кислот, как и для альдегидов, характерна структурная изомерия, обусловленная изомерией углеродной цепи. Например: СН3—СН2—СН2— бутановая кислота

и

2-метилпропановая кислота

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

137

Первые три представителя гомологического ряда кислот — метановая, этановая, пропановая — изомеров кислот не имеют. Физические свойства Низшие насыщенные одноосновные кислоты (C1—С9) представляют собой бесцветные жидкости, высшие кислоты — твердые вещества. Метановая, этановая, пропановая кислоты обладают резким, раздражающим запахом. С водой они смешиваются в любых соотношениях. По мере увеличения длины алкильной группы кислот их растворимость в воде уменьшается. Что касается температуры кипения кислот, то, как вы можете заметить (см. табл. 25), она значительно выше температур кипения спиртов и альдегидов с тем же числом атомов углерода в молекуле. Такое явление объясняется тем, что насыщенные одноосновные кислоты в жидком состоянии образуют ассоциаты за счет межмолекулярных водородных связей (рис. 58). Для разрыва этих связей при переходе из жидкого состояния в газообразное требуется дополнительная энергия.

Рис. 58. Образование водородной связи между молекулами кислот: а — линейный ассоциат муравьиной кислоты; б — димерный ассоциат уксусной кислоты

Ассоциаты могут быть линейными и циклическими (димеры). Прочность водородной связи такова, что метановая и этановая кислоты даже в газообразном состоянии существуют в виде димеров. В природе существуют разнообразные карбоновые кислоты, которые можно классифицировать по типу углеводородной цепи и числу функциональных групп. Химический состав и строение насыщенных одноосновных кислот выражается общей формулой СnН2n + 1СООН. Для насыщенных одноосновных карбоновых кислот характерна структурная изомерия, обусловленная изомерией углеродной цепи. Кислоты в жидком состоянии образуют ассоциаты за счет межмолекулярных водородных связей.

138

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Вопросы и задания 1. Какие органические соединения относят к карбоновым кислотам?

2. Назовите признаки классификации карбоновых кислот.

3. Приведите общую формулу, отражающую: а) химический состав и строение насыщенных одноосновных кислот; б) молекулярный состав этих кислот.

4. Сравните общие формулы (молекулярные) насыщенных одноатомных спиртов, альдегидов и насыщенных одноосновных кислот. Чем они различаются и почему?

5. Охарактеризуйте электронное строение карбоксильной группы.

6. Из предложенных формул выберите формулы карбоновых кислот: а) СН3—СНО б) С6Н5СООН

СН3—СН2—СНО НСНО

С6Н5ОН С2Н3СООН

С17Н35СООН С4Н9СООН

7. Из приведенных формул выпишите отдельно формулы веществ одного гомологического ряда, приведите общую формулу ряда: а) С2Н5СООН г) СН3—(СН2)3—СООН ж) СН3—СН2—СН2—СООН

б) СН3—СН2—СООН д) СН3ОН

в) С2Н5СНО е) СН 2 ОН—СН 2 ОН

8. Составьте формулы трех-четырех структурных изомеров кислот состава: а) С6Н12О2; б) С8Н16О2. Назовите их.

9. Определите формулу насыщенной одноосновной кислоты, плотность паров которой по гелию равна 18,5.

10. Составьте структурную формулу насыщенной одноосновной кислоты, массовая доля кислорода в которой равна 43,24 %.

§ 34. Химические свойства насыщенных одноосновных карбоновых кислот Химические свойства кислот обусловлены наличием в составе их молекул карбоксильной группы, содержащей при одном и том же атоме углерода карбонильную и гидроксильную группы, взаимно влияющие друг на друга.

1) Кислотные свойства Кислотные свойства насыщенных одноосновных кислот, как и кислотные свойства любых карбоновых кислот, связаны со способностью атома водорода карбоксильной группы отщепляться в виде протона. Подвижность атома водорода, как вам известно, обусловлена полярностью связи О—Н. Растворимые в воде кислоты диссоциируют обратимо в водном растворе, например: СН3—СООН СН3СОО– + Н+ уксусная кислота

ацетат-ион

и потому изменяют окраску индикаторов, указывая на присутствие в растворе ионов водорода. Так, например, в водном растворе уксусной кислоты индикаторы — метиловый оранжевый и лакмус — изменяют окраску с оранжевой и фиолетовой на Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

139

Рис. 59. Изменение окраски индикаторов под действием уксусной кислоты: а — лакмуса; б — метилового оранжевого

красную (рис. 59). Степень диссоциации карбоновых кислот по сравнению с сильными неорганическими кислотами (серной, соляной) низкая. Карбоновые кислоты — слабые электролиты, только метановая кислота (муравьиная) является электролитом средней силы. Кислотные свойства насыщенных одноосновных кислот проявляются прежде всего при их взаимодействии с сильными основаниями с образованием солей, т. е. в реакции нейтрализации: а

→ СН3—СООK + Н2O СН3—СООН + КОН⎯⎯

б

ацетат калия

В органической химии используются как тривиальные названия солей карбоновых кислот (ацетат калия), так и названия, образованные согласно правилам номенклатуры ИЮПАК. Такие названия складываются из названий аниона и катиона. Название аниона образуется путем замены в названии карбоновой кислоты суффикса -овая на -оат: СН3СООК — этаноат калия.

Кислотные свойства карбоновых кислот проявляются также в реакциях с некоторыми активными металлами (Mg, Ca, Al), основными оксидами и солями более слабых кислот. Все реакции протекают с образованием солей карбоновых кислот: → (CH3COO)2Mg + Н2 2СН3СООН + Mg⎯⎯ ацетат магния (этаноат магния)

→ (CH3COO)2Mg + Н2O 2СН3СООН + MgO⎯⎯ → CH3COONa + СO2 + H2O СН3СООН + NaHCO3⎯⎯ ацетат натрия (этаноат натрия)

2) Взаимодействие со спиртами Карбоновые кислоты взаимодействуют со спиртами в присутствии сильных минеральных кислот с образованием сложных эфиров: +

140

H2 SO4 (конц.) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → ← ⎯ t

+ H 2O

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

3) Реакция замещения атома водорода у α-углеродного атома на атом галогена Карбоновые кислоты могут вступать в реакции замещения атома водорода у α-углеродного атома на атом галогена в присутствии красного фосфора: Pкр

⎯⎯⎯ ⎯⎯ → CH2(Cl)COOH + HCl СН3СООН + Cl2 ← ⎯

уксусная кислота

хлоруксусная кислота

Химические свойства карбоновых кислот обусловлены в основном наличием в молекуле карбоксильной группы. Кислотные свойства карбоновых кислот связаны со способностью атома водорода функциональной группы отщепляться в виде протона. Кислотные свойства проявляются в реакциях с основаниями, некоторыми активными металлами, оксидами и солями более слабых кислот. Для карбоновых кислот возможны реакции получения таких функциональных производных кислот, как сложные эфиры. Вопросы и задания 1. Чем объясняется способность карбоновых кислот проявлять кислотные свойства и почему у них эти свойства проявляются сильнее, чем у насыщенных одноатомных спиртов?

2. Чем объясняется изменение окраски индикатора (лакмуса) в растворе уксусной кислоты?

3. Какое влияние оказывает состав алкильной группы кислот на их степень диссоциации?

4. Укажите формулы веществ, в реакции с которыми вступают карбоновые кислоты: а) СI2, AI, KОН, С2Н5ОН, Na2SO4, K2СO3; б) Мg, Вr2, СН3—СН2—СН2ОН, KСІ, KHSO4.

5. Составьте уравнения реакций, характерных для уксусной кислоты.

6. Как опытным путем отличить раствор пропановой кислоты от раствора пропантриола-1,2,3?

7. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → СН3СНО⎯⎯ → СН3СООН⎯⎯ → СН2Сl—СООН а) СН2 СН2⎯⎯ → CH3—CH2—COOH⎯ → СН3—СН(Сl)—СООН б) CH3—CH2—CHO⎯⎯ ⎯⎯ ⎯ → C H —CO—OC H 2 5 2 5

8. Определите молекулярную формулу насыщенной одноосновной кислоты, если: а) молярная масса ее равна 158 г/моль; б) массовая доля углерода в ней равна 54,54 %.

9. Определите массу соли, полученной в реакции раствора уксусной кислоты и раствора гидроксида калия объемом 145,2 см3 (плотность 1,109 г/см3) с массовой долей щелочи 12 %. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

141

10. Составьте структурную формулу насыщенной карбоновой кислоты, если известно, что в реакции кислоты массой 11,84 г с магнием выделился водород объемом (н. у.)

1,792 дм3.

11. Определите, какой объем раствора уксусной кислоты с массовой долей вещества 20 % (плотность 1,026 г/см3) необходимо взять для реакции с: а) магнием массой 29,52 г; б) гидроксидом натрия химическим количеством 2,12 моль; в) хлором объемом (н. у.)

34,496 дм3 в присутствии красного фосфора.

Лабораторный опыт 5 Химические свойства карбоновых и минеральных кислот 1. Налейте в две пробирки растворы уксусной и соляной кислот объемом примерно 1—2 см3 и добавьте к ним несколько капель раствора метилоранжа или лакмуса. Отметьте, произошли ли изменения окраски индикатора. Составьте уравнения электролитической диссоциации кислот.

2. Добавьте в каждую пробирку столько гидроксида натрия (или калия), чтобы прошла полная нейтрализация кислот. Составьте соответствующие уравнения реакций в ионном виде.

3. В две чистые пробирки налейте растворы уксусной и соляной кислот объемом примерно 1 см3 и добавьте в каждую щепотку гидрокарбоната натрия. Отметьте, какие изменения произошли, и составьте соответствующие уравнения реакций.

4. Сделайте вывод о кислотных свойствах карбоновых и минеральных кислот.

§ 35. Получение насыщенных одноосновных карбоновых кислот и их применение Насыщенные одноосновные карбоновые кислоты, как спирты и альдегиды, получают промышленным и лабораторным способами. Промышленные способы получения кислот 1) Каталитическое окисление насыщенных углеводородов кислородом воздуха с образованием смеси карбоновых кислот: R—СН2—СН2—R′ + О2 ⎯кат. ⎯⎯ → R—СООН + R′—COOH Уксусную кислоту получают при частичном окислении бутана в присутствии солей марганца и кобальта: → 4СН3СООН + 2Н2О 2СН3—СН2—СН2—СН3 + 5О2⎯⎯ бутан

этановая (уксусная) кислота

Данным способом в промышленности получают как низшие, так и высшие алифатические карбоновые кислоты. Сырьем для получения кислот служат различные фракции перегонки нефти, газы крекинга — алкены.

142

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

2) Уксусную кислоту также получают окислением кислородом уксусного альдегида в присутствии катализатора: 2СН3—СНО + О2 ⎯кат. ⎯⎯ → 2СН3СООН В промышленности метановую (муравьиную) кислоту получают специальным способом при взаимодействии оксида углерода(ІІ) с горячим раствором гидроксида натрия при повышенном давлении, образующаяся соль муравьиной кислоты под действием сильной минеральной кислоты превращается в муравьиную кислоту:

→ HCOONa СО + NaOH⎯⎯ формиат натрия → НСООН + NaHSО4 HCOONa + H2SО4⎯⎯

3) Высшие карбоновые кислоты, такие, как пальмитиновая, стеариновая, получают в результате гидролиза жиров. Лабораторные способы получения кислот Первичные спирты и альдегиды окисляются в карбоновые кислоты. В этих реакциях в качестве окислителей могут использоваться перманганат калия, дихромат калия и др.: [О]

→ R—СООН R—CH2OH ⎯⎯⎯ [О]

→ R —СООН R—СНО ⎯⎯⎯

Применение карбоновых кислoт Муравьиная кислота применяется в текстильной и кожевенной промышленности, а также для получения двухосновной щавелевой кислоты (НООС—СООН). Ее также применяют при обработке кожи, для получения лекарственных средств, средств защиты растений, консервантов. Многие карбоновые кислоты используют для получения душистых веществ. Уксусная кислота в виде раствора с массовой долей 3—6 % (столовый уксус) используется как пищевая приправа, консервант. Пищевую уксусную кислоту получают при микробиологическом окислении этанола. Основная часть получаемой уксусной кислоты используется для производства искусственных волокон на основе целлюлозы. Применяется уксусная кислота в производстве эфиров (ацетатов), лекарственных средств (например, аспирина), красителей.

3-Метилбутановая кислота применяется для получения эфиров, входящих в состав лекарственного средства валидола. Бензойная кислота C6H5COOH используется как консервирующее средство, а также в производстве лекарственных средств, душистых веществ.

Высшие карбоновые кислоты (пальмитиновая и стеариновая) применяются для производства мыла различного назначения. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

143

Источниками получения карбоновых кислот являются насыщенные углеводороды и их производные. Уксусная кислота находит широкое применение в производстве искусственных волокон, в пищевой промышленности. Вопросы и задания 1. Назовите промышленные способы получения насыщенных одноосновных карбоновых кислот.

2. Перечислите, какие вещества могут служить сырьем для получения уксусной кислоты.

3. Составьте уравнения реакций получения уксусной кислоты.

4. Составьте уравнение реакции получения метановой кислоты в промышленности.

5. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → СН3—СНО⎯⎯ → СН3—СООН⎯⎯ → СН3—СOOK; СН2⎯⎯ а) СН2 ⎯ ⎯ → ⎯ ⎯ → ⎯ ⎯ → б) С4Н8 С4Н10 СН3СООН СН3—СОО—С2Н5.

6. В процессе каталитического окисления бутана получили уксусную кислоту массой 495 кг. Практический выход кислоты в реакции 70 %. Из полученной кислоты приготовили раствор с массовой долей 40 %. Определите объем бутана (в м3, н. у.), затраченного в производстве, и массу (в кг) полученного раствора уксусной кислоты.

7. Рассчитайте массу (г) 100 %-й уксусной кислоты, которую необходимо прибавить к раствору уксусной кислоты массой 140 г с массовой долей кислоты 70 %, чтобы получить раствор кислоты с массовой долей 80 %.

8. В процессе последовательного получения муравьиной кислоты из оксида углерода(ІІ) при взаимодействии с горячим раствором щелочи и далее с серной кислотой была затрачена серная кислота массой 2,0384 кг. Какой объем оксида углерода(II) (в дм3, н. у.) был затрачен на получение муравьиной кислоты?

9. Уксусную кислоту получили в ходе трех последовательных реакций из этилена объемом (н. у.) 120 м3. На каждом этапе производства потери составляли 8 % по массе. Определите химическое количество (в моль) полученной кислоты.

10. При окислении неизвестного альдегида массой 73,92 г получена карбоновая одноосновная насыщенная кислота массой 100,8 г. Определите формулу карбоновой кислоты.

Практическая работа 2 Получение уксусной кислоты и исследование ее свойств 1. Поместите в пробирку 2—3 г безводной соли ацетата натрия и прибавьте по каплям раствор серной кислоты (1 10) так, чтобы он смочил соль.

2. Нагревайте пробирку со смесью веществ на пламени спиртовки (рис. 60), соблюдая правила техники безопасности, в течение 1—2 мин. Обратите внимание на появление запаха. Уксусная кислота собирается в пробирке-приемнике при охлаждении.

3. Составьте уравнение реакции. Сделайте вывод о возможных лабораторных способах получения карбоновых кислот.

4. Налейте в две пробирки раствор уксусной кислоты, выданной для выполнения опыта, объемом 0,5—1,0 см3.

144

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

В первую пробирку добавьте несколько капель раствора лакмуса, а затем нейтрализуйте кислоту раствором щелочи. Составьте уравнение реакции. Во вторую пробирку с уксусной кислотой поместите немного порошка магния. Составьте уравнение реакции.

5. Налейте в две пробирки раствор уксусной кислоты, выданной для выполнения опыта, объемом 0,5—1,0 см3. В одну пробирку добавьте немного по- Рис. 60. Схема прибора для получерошка оксида магния, а в другую — соль, ния уксусной кислоты в лаборатории например гидрокарбонат натрия. Наблюдайте, какие изменения происходят в пробирках. Составьте уравнения соответствующих реакций.

6. Сделайте вывод о кислотных свойствах уксусной кислоты, сравните их со свойствами минеральных кислот (серной или соляной).

§ 36. Ненасыщенные карбоновые кислоты Акриловая кислота Простейшим представителем ненасыщенных одноосновных карбоновых кислот является кислота СН2 СН—СООН, тривиальное название которой акриловая кислота (по номенклатуре ИЮПАК — пропеновая кислота). Для акриловой кислоты характерны все свойства карбоновых кислот и свойства алкенов. Она обесцвечивает водный раствор перманганата калия, способна к реакциям присоединения, например водорода (гидрирование), галогенов (обесцвечивает бромную воду): СН2

СН—СООН + Н2 ⎯кат. ⎯⎯ → СН3—СН2—СООН

пропеновая (акриловая) кислота

СН2

пропановая кислота

⎯⎯→ CH2Br—CHBr—COOH СН—СООН + Br2 ⎯H O 2

пропеновая (акриловая) кислота

2,3-дибромпропановая кислота

Важнейшее свойство акриловой кислоты как непредельной кислоты — способность к полимеризации: nCH2

→ CH—COOH⎯⎯

акриловая кислота

полимер

С(СН3)—СООН и сложАкриловая кислота, ее гомолог метакриловая кислота СН2 ные эфиры этих кислот служат мономерами для получения полимерных материалов, таких, как органическое стекло, синтетические волокна (нитрон, ПАН). Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

145

Олеиновая кислота К высшим ненасыщенным одноосновным карбоновым кислотам, содержащим одну двойную связь, относится олеиновая кислота С17Н33СООН, структурная формула которой СН3—(СН2)7—СН

СН—(СН2)7—СООН

Двойная связь в углеводородной группе находится между 9-м и 10-м атомами углерода. Масштабная модель олеиновой кислоты показана на рисунке 61. Олеиновая кислота — маслянистая жидкость, легче воды, без запаха, нерастворима в воде, но растворяется в органических растворителях. Она содержится почти во всех животных и растительных жирах в виде сложных эфиров глицерина и имеет двойную связь цис-строения. В больших количествах остатки олеиновой кислоты содержатся в составе оливкового, миндального и подсолнечного масел. Олеиновую кислоту выделяют гидролизом жидких жиров. Но основную ее массу получают каталитическим окислением углеводородов в присутствии катализатора — солей марганца. Олеиновая кислота как представитель карбоновых кислот обладает всеми свойствами, присущими карбоновым кислотам. Олеиновая кислота, как уксусная кислота и ее гомологи, взаимодействует с некоторыми активными металлами, основаниями, солями более слабых кислот, спиртами. Уравнения таких реакций вы вполне можете составить самостоятельно по аналогии с насыщенными кислотами. Для олеиновой кислоты как непредельной кислоты характерны реакции присоединения.

Рис. 61. Масштабная модель молекулы олеиновой кислоты

146

Рис. 62. Обесцвечивание бромной воды олеиновой кислотой: а — олеиновая кислота; б — реакция с бромной водой

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

По месту двойной связи олеиновая кислота присоединяет водород с образованием кислоты насыщенного ряда — стеариновой: → СН3—(СН2)16—СООН СН3—(СН2)7—СН СН—(СН2)7—СООН + Н2⎯⎯ олеиновая кислота

стеариновая кислота

Реакция гидрирования олеиновой кислоты имеет большое промышленное значение и используется в производстве маргарина из жидких жиров. По месту двойной связи к олеиновой кислоте (рис. 62, а) могут присоединяться галогены, например бром (рис. 62, б): → СН3—(СН2)7—СН СН—(СН2)7—СООН + Вr2⎯⎯ олеиновая кислота

⎯⎯ → СН3—(СН2)7—СНВr—СНВr—(СН2)7—СООН 9,10-дибромоктадекановая (дибромстеариновая) кислота

Олеиновая кислота в составе жиров является необходимой составляющей пищи человека. Применяется в производстве мыла, в текстильной промышленности (для обработки шерсти), при изготовлении типографских красок. К высшим ненасыщенным кислотам с несколькими двойными связями в молекуле относятся линолевая С17Н31СООН и линоленовая С17Н29СООН кислоты. В молекуле линолевой кислоты две двойные связи: СН3—(СН2)4—СН СН—СН2—СН СН—(СН2)7—СООН, октадекадиен-9,12-овая кислота а в молекуле линоленовой кислоты три двойные связи: СН3—СН2—СН

СН—СН2—СН СН—СН2—СН СН—(СН2)7—СООН октадекатриен-9,12,15-овая кислота

Остатки обеих кислот входят в состав жидких жиров. Потребление жиров, содержащих эти кислоты, необходимо для здоровья человека, так как они не синтезируются в организме. Большое практическое значение имеет сорбиновая кислота С5Н7СООН, в молекуле которой содержатся две двойные связи: СН3—СН СН—СН СН—СООН В природе сорбиновая кислота встречается в некоторых растениях, а выделена впервые была из ягод рябины в середине XIX в. Сорбиновая кислота обладает бактерицидными свойствами и поэтому применяется в пищевой промышленности, в качестве консервирующего средства.

Существуют ненасыщенные одноосновные карбоновые кислоты с одной, двумя и более двойными связями. Ненасыщенные кислоты сочетают в себе химические свойства карбоновых кислот и алкенов. Олеиновая кислота используется в производстве маргарина. Она является важным компонентом питания человека, ее остатки в значительном количестве входят в состав жидких жиров. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

147

Вопросы и задания 1. Охарактеризуйте химическое строение ненасыщенных карбоновых кислот.

2. Составьте общую формулу, отражающую химическое строение гомологов олеиновой кислоты.

3. Перечислите химические свойства, характерные как для насыщенных, так и для ненасыщенных карбоновых кислот.

4. Из формул веществ различных классов выберите отдельно формулы насыщенных и ненасыщенных одноосновных карбоновых кислот: а) С2Н3СООН г) С4Н9СООН ж) СН3СООН

б) НООС—СН2—СООН д) С6Н5СООН з) С5Н7СООН

в) С17Н33СООН е) С3Н5СНО

Дайте названия известным вам веществам.

5. Можно ли на основе молекулярной формулы карбоновой одноосновной кислоты определить число двойных связей в углеводородной группе? Приведите примеры, подтверждающие ваши рассуждения.

6. С помощью какой реакции можно доказать, что олеиновая кислота относится к ненасыщенным кислотам?

7. Как с помощью химических реакций доказать, что олеиновая кислота обладает двойственной химической функцией?

8. Где в природе встречаются: а) олеиновая кислота; б) линоленовая кислота; в) сорбиновая кислота?

9. Укажите области использования акриловой, метакриловой и сорбиновой кислот.

10. Определите молекулярную формулу ненасыщенной одноосновной кислоты с одной двойной связью в углеводородной группе, если известно, что: а) плотность паров кислоты по воздуху равна 2,965; б) на гидрирование неизвестной кислоты массой 135,36 г затрачен водород объемом (н. у.) 10,752 дм3.

§ 37. Решение расчетных задач В данном параграфе рассматриваются примеры решения таких типов расчетных задач, как вычисления по уравнениям реакций, протекающих в растворах, и определение молекулярных формул органических веществ на основании качественного и количественного состава для альдегидов и карбоновых кислот. Пример 1. Определите массу соли, полученной при добавлении магния, взятого в избытке, к раствору уксусной кислоты массой 26 г с массовой долей кислоты 6 %. Решение 1) Общие формулы, используемые при расчетах, и молярные массы веществ: m wвещ = вещ 100 %; n = m ; mраств

148

M

MCH3COOH = 60 г/моль; M(CH3COO)2 Mg = 142 г/моль. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

2) Определяем массу и химическое количество уксусной кислоты в растворе: 6%=

mвещ 26

100 %; mвещ = 3,12 г;

nкислоты = 0,052 моль (3,12 60).

3) Исходя из анализа уравнения реакции, определяем химическое количество полученной соли: 0,052 моль

х моль

2 моль

1 моль

→ (CH3COOH)2Mg + H2 2CH3COOH + Mg⎯⎯

х=

0,052 1 = 0,026 (моль); nсоли = 0,026 моль.

2

Определяем массу соли: mсоли = 4,1 г (0,026 142). О т в е т: mсоли = 4,1 г. Пример 2. Рассчитайте массовую долю соли (%), полученной при добавлении к раствору уксусной кислоты массой 50 г с массовой долей кислоты 6 % раствора гидроксида натрия массой 40 г. Щелочи в растворе было достаточно для полной нейтрализации кислоты. Решение 1) Общие формулы, используемые при расчетах, и молярные массы веществ: m wвещ = вещ 100 %; n = m ; mраств

M

MCH3COOH = 60 г/моль; MCH3COONa = 82 г/моль.

2) Определяем массу и химическое количество уксусной кислоты в растворе: 6%=

mвещ 50

100 %; mвещ = 3 г;

nкислоты = 0,05 моль (3 60).

3) Исходя из анализа уравнения реакции, определяем химическое количество полученной соли, далее ее массу и массовую долю в новом растворе: 0,05 моль

0,05 моль

1 моль

1 моль

→ CH3COONa + Н2О CH3COOH + NaOH⎯⎯

mсоли = 4,1 г (0,05 82); w=

4,1 г 50 г + 40 г

100 %; wсоли = 4,56 %.

О т в е т: wсоли = 4,56 %. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

149

Пример 3. Определите молекулярную формулу алифатического насыщенного альдегида, в котором массовая доля кислорода равна 22,22 %. Решение 1) Для определения молекулярной формулы используем общую формулу w=

Ar O Mrкислоты

100 % из расчета 1 моль альдегида, общая формула которого CnH2nO:

22,22 % =

16 12 n + 2 n + 16

100 %, откуда n = 4.

2) Следовательно, молекулярная формула альдегида С4Н8О. О т в е т: С4Н8О. Пример 4. Определите формулу насыщенной одноосновной карбоновой кислоты, плотность паров которой по кислороду равна 2,75. Решение 1) Для определения формулы кислоты используем общую формулу DO2 = и общую формулу класса насыщенных кислот CnH2nO2:

M кислоты MO2

Мкислоты = 2,75 32 г/моль; Мкислоты = 88 г/моль; MCn H2nO2 = 88 г/моль;

88 = 14n + 2n + 32, откуда n = 4.

2) Следовательно, молекулярная формула насыщенной кислоты С4Н8О2, а химическая формула С3Н7СООН. О т в е т: С3Н7СООН. Пример 5. Определите молекулярную формулу неизвестного альдегида, при восстановлении которого массой 7,308 г получили насыщенный одноатомный спирт массой 7,56 г. Решение 1) Проанализируем уравнение реакции восстановления альдегида: → CnH2n + 2O. CnH2nO + H2⎯⎯ 1 моль

1 моль

1 моль

Это реакция присоединения. Разница масс альдегида и спирта 0,252 г и есть масса водорода, вступившего в реакцию. Химическое количество водорода равно 0,126 моль (0,252 2).

2) Согласно уравнению реакции химическое количество водорода равно химическому количеству альдегида. По формуле M = m определяем молярную массу альдегида: 150

n

M = 7,308 г 0,126 моль = 58 г/моль. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

3) По общей формуле класса определяем формулу альдегида: MCn H2nO = 58 г/моль; 12n + 2n + 16 = 58, откуда n = 3.

Следовательно, формула альдегида С3Н6О, или С2Н5СНО. О т в е т: С2Н5СНО. Пример 6. Определите молекулярную формулу насыщенной одноосновной карбоновой кислоты, при сжигании паров которой массой 18,5 г получили углекислый газ объемом (н. у.) 16,8 дм3 и воду массой 13,5 г. Решение Первый способ 1) Определяем химическое количество образовавшегося углекислого газа и воды и далее анализируем уравнение реакции горения, коэффициенты в котором поставлены из расчета, что сгорает 1 моль кислоты: n = m ; n = V ; Vm = 22,4 дм3/моль; M

Vm

′ 2 = 0,75 моль (16,8 22,4); nH′ 2O = 0,75 моль (13,5 18), откуда тогда nCO

n′C = 0,75 моль, а n′Н = 1,5 моль.

1СnH2nO2 + 1 моль

0,75 моль 0,75 моль 3 n− 2 → nCO2 + nH2O O2⎯⎯ 2 n моль n моль

2) Определяем массы углерода и водорода, содержащихся в кислоте массой 18,5 г, а затем массу и химическое количество атомарного кислорода: mC = 9 г (0,75 12); тH = 1,5 г (1,5 1); m(C + H) = 10,5 г (9 + 1,5), тогда mO = 8 г (18,5 – 10, 5); n′O = 0, 5 моль (8 16). Определяем формулу карбоновой кислоты, исходя из общей формулы СnН2nО2: nC n 0,75 0,5 = , откуда nC = 3. = O , тогда nC

nO

n

2

Следовательно, молекулярная формула карбоновой кислоты С3Н6О2. Второй способ Анализируем уравнение реакции, исходя из массы сгоревших паров кислоты: 18,5 г

0,75 моль 3n − 2 → nCO2 + nH2O O2⎯⎯ 2 (12n + 2n + 32) г n моль

1СnH2nO2 +

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

151

18,5 0,75 = , откуда n = 3. n 14 n + 32

Следовательно, формула кислоты С3Н6О2. О т в е т: С3Н6О2. Задачи для самостоятельного решения 1. Определите молекулярную формулу алифатического альдегида, при сжигании паров которого массой 19,72 г получили углекислый газ объемом (н. у.) 22,848 дм3 и воду объемом 18,36 см3.

2. Определите формулу насыщенной одноосновной кислоты, в которой массовая доля углерода равна 58,82 %.

3. Определите молекулярную формулу алифатического насыщенного альдегида, плотность паров которого по гелию равна 7,5.

4. Определите формулу насыщенной одноосновной кислоты, которая получена массой 43,8 г при окислении соответствующего алифатического альдегида массой 32,12 г.

§ 38. Взаимосвязь между углеводородами, спиртами, альдегидами, карбоновыми кислотами Изучая курс органической химии, вы познакомились со строением, химическими свойствами, способами получения важнейших представителей таких классов органических соединений, как углеводороды, спирты, фенолы, альдегиды, карбоновые кислоты. При этом вы, очевидно, отметили, что, изучая химические свойства веществ одного класса, вы знакомились со способами получения органических веществ другого класса. Например, при окислении первичных насыщенных одноатомных спиртов образуются альдегиды: [O]

→ СH3—CH2OH ⎯⎯⎯

первичный спирт

Рассматривая источники природного сырья, которые используются для синтеза многочисленных органических веществ, вы также отметили, что для осуществления многих реакций на производстве в качестве исходного сырья используют углеводороды. Природными источниками углеводородов являются нефть и фракции ее переработки, природный газ и попутные нефтяные газы. Рассмотрим для примера, какие последовательные процессы можно осуществить при получении насыщенной одноосновной карбоновой кислоты из алканов. Сначала следует записать схему, отражающую последовательность возможных хи→ галогеналкан⎯⎯ → спирт⎯⎯ → альдегид⎯⎯ → мических реакций. Например: алкан⎯⎯ 152

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

⎯⎯ → карбоновая кислота. Если исходным алканом будет этан, то конкретная схема получения карбоновой кислоты будет выглядеть так: 1

2

3

4

→ С2Н5Сl⎯⎯ → С2Н5ОН⎯⎯ → С2Н6⎯⎯

⎯⎯ →

Составим уравнения химических реакций, иллюстрирующих процесс получения карбоновой кислоты, отметив условия течения реакций: ⎯→ С2Н5Сl + НСl; 1) С2Н6 + Сl2 ⎯hν

хлорэтан

→ С2Н5ОН + KСl; 2) С2Н5Сl + KОН⎯⎯ этанол

3) С2Н5OH + CuО ⎯t⎯ →

+ Cu + H2O; этаналь

4)

+ 2Сu(ОН)2 ⎯t⎯ →

+ Сu2O + 2Н2O. этановая кислота

Естественно, что, для того чтобы практически осуществить подобные реакции, необходимы знания химических свойств веществ различных классов и условий практического осуществления реакций. Кроме того, чтобы решение проблемы получения продукта из имеющегося сырья было экономически выгодно, следует выбирать процесс с меньшим числом шагов (или производственных стадий). В данном случае хорошие знания химии и умение грамотно рассуждать позволят составить более короткую схему получения этановой кислоты из этана: → этен⎯⎯ → этанол⎯⎯ → этановая кислота, этан⎯⎯ → этен⎯⎯ → этаналь⎯⎯ → этановая кислота. или этан⎯⎯ Более того, знания химических свойств органических веществ позволяют при выполнении конкретной задачи подбирать такое исходное сырье, из которого продукт реакции получают еще с меньшим числом последовательных процессов. Так, например, этановую кислоту можно получить в одну стадию при каталитическом окислении бутана кислородом воздуха: → 4CH3CООH + 2Н2О 2СН3—СН2—СН2—СН3 + 5О2⎯⎯ Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

153

Процесс получения заданного органического вещества из конкретного сырья можно выразить, используя соответствующие общие формулы классов органических веществ. Такую связь можно представить в виде следующей схемы: +KOH +CuO СnH2n + 2 ⎯+Hal ⎯⎯⎯ → CnH2n + 1Hal ⎯⎯⎯⎯→ СnH2n + 1OH ⎯⎯⎯⎯→ H2 O

t

2 O/NH3 H2 O ⎯⎯ → Cn – 1H2n – 1CHO ⎯Ag ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → Cn – 1H2n – 1COOH и т. д.

t

Разнообразные схемы взаимосвязи углеводородов и кислородсодержащих органических соединений представлены в перечне заданий после параграфа для самостоятельной работы. Выполняя предложенные задания, вы получите доказательства глубокой взаимной связи между различными классами органических соединений. Это поможет вам при дальнейшем изучении химии и будет способствовать пониманию сущности химических процессов. На основе знаний о взаимосвязи между различными классами органических веществ люди научились получать тысячи разнообразных органических соединений, не только существующих в природе, но и не существующих, а также веществ с заранее определенными свойствами. Вопросы и задания 1. Перечислите природные источники углеводородов.

2. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → СН3Вr⎯⎯ → СН3ОН⎯⎯ → НСНО⎯⎯ → НСООН⎯⎯ → HCOONa; а) СН4⎯⎯ → С2Н2⎯⎯ → СН3СНО⎯⎯ → СН3СООН⎯⎯ → СН3—СООС2Н5; б) С2Н6⎯⎯ → С6Н6⎯⎯ → C6H5CI⎯⎯ → С6Н5ОН⎯⎯ → С6Н5ОK; в) С2Н2⎯⎯

PdCl2 [O] → С2Н4 ⎯⎯⎯⎯ г) С2Н2⎯⎯ → A1; → A ⎯⎯⎯ KMnO4 HCl → Б ; ⎯⎯⎯⎯⎯ → Б ⎯⎯⎯ 1 H2O → СН2 д) С2Н5ОН⎯⎯

+ СН2Вr—СН

→ СН2Вr—СНВr—СН СН—СН СН2⎯⎯ СН2 + → СН2Вr—СНВr—СНВr—СН2Вr. СН—СН2Вr⎯⎯

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ГЛ А В А 7 СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ. ЖИРЫ Сложные эфиры являются функциональными производными карбоновых кислот. В состав молекул сложных эфиров входят остатки карбоновых кислот и спиртов.

§ 39. Сложные эфиры Строение Сложные эфиры рассматривают как функциональные производные карбоновых кислот, в которых гидроксильная группа замещена остатком спирта или фенола. В природе сложные эфиры представлены достаточно широко, но большое число самых разнообразных эфиров получают синтетическим путем. В данном курсе органической химии основным объектом изучения будут сложные эфиры — производные насыщенных одноосновных карбоновых кислот и насыщенных одноатомных спиртов. Общая формула, отражающая строение сложных эфиров,

где R и R′ являются алкильными группами, которые могут быть как одинаковыми, так и различными, например:

Сложные эфиры содержат функциональную группу зывают сложноэфирной.

, которую на-

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

155

Молекулярный состав рассматриваемых эфиров будет отражаться общей формулой CnH2nО2, такой же, как для насыщенных одноосновных карбоновых кислот. Номенклатура и изомерия При названии сложных эфиров по правилам заместительной номенклатуры ИЮПАК сначала указывают алкильную группу спирта, затем кислоту, заменяя суффикс -овая на суффикс -оат. Правилами ИЮПАК допускаются и такие названия сложных эфиров, когда сначала называется спирт, затем записывается слово «эфир» и далее название кислоты. Например:

Для рассматриваемых сложных эфиров возможно существование структурной изомерии внутри класса. Например, изомеры состава С5Н10О2:

метилбутаноат

пропилэтаноат

метил-2-метилпропаноат

Физические свойства Сложные эфиры, образованные низшими карбоновыми кислотами и спиртами, — летучие, малорастворимые или практически нерастворимые в воде жидкости. Они хорошо растворимы в большинстве органических растворителей. Физические свойства некоторых сложных эфиров приведены в таблице 26. Анализируя данные таблицы 26, обратите внимание на различие физических свойств изомерных эфиров.

156

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Та б л и ц а 26. Физические свойства некоторых сложных эфиров Молекулярная формула

Структурная формула

Название эфира

Растворимость в воде (в граммах вещества на 100 г воды)

С2Н 4О 2

Н—СООСН3

Метилметаноат (метилформиат)

С3Н 6О 2

Н—СООС2Н5

С 3Н 6О 2

Температура, °С кипения

плавления

30

31,5

–99,0

Этилметаноат (этилформиат)

12

54,3

–80,5

СН3—СООСН3

Метилэтаноат (метилацетат)

31,9

57,5

–98,1

С4Н 8О 2

Н—СООС3Н7

Пропилметаноат (пропилформиат)

2,8

81,3

–92,9

С4Н 8О 2

СН3—СООС2Н5

Этилэтаноат (этилацетат)

8,6

77,1

–83,6

Многие эфиры имеют приятный запах, часто напоминающий запах фруктов или цветов. Например, запах ананаса имеет бутиловый эфир бутановой кислоты, запах груши — изоамиловый эфир этановой кислоты, абрикосами пахнет пентиловый эфир бутановой кислоты, запах жасмина напоминает бензиловый эфир этановой кислоты, а запах хризантем — бензиловый эфир метановой кислоты (рис. 63). Сложные эфиры — это функциональные производные карбоновых кислот, у которых гидроксильная группа замещена на остаток спирта. Сложные эфиры широко распространены в природе.

Рис. 63. Сложные эфиры в природе Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

157

Вопросы и задания 1. Какие органические вещества относят к сложным эфирам?

2. Перечислите правила названия сложных эфиров.

3. Из перечня формул выберите формулы сложных эфиров и назовите их: а) НСООН г) С7Н15ОН ж) С6Н5—СООСН(СН3)2

б) СН3СООС2Н5 д) С17Н35СООН

в) НСООС3Н7 е) СН3—СН(СН3)—СН2—СООСН3

4. Составьте структурные формулы следующих веществ: этиловый эфир пропановой кислоты, пропилформиат, изопропилэтаноат, метил-3-метилпентаноат.

5. Составьте формулы: а) структурных изомеров сложных эфиров состава С3Н6О2; б) всех возможных структурных изомеров состава С5Н10О2.

6. Составьте по одной структурной формуле веществ, в состав которых входят следующие функциональные группы, и назовите эти вещества:

7. Составьте формулы структурных изомеров бутанола-1 и этилэтаноата, сравните их и укажите, в чем их различия.

8. Массовая доля кислорода в составе этилового эфира неизвестной насыщенной одноосновной кислоты равна 31,37 %. Определите формулу эфира.

9. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → С2Н2⎯⎯ → СН3СНО⎯⎯ → СН3СООН⎯⎯ → СН3СООС3Н7; а) СаС2⎯⎯ → СН3СООН⎯⎯ → СН3СООСН3. б) С4Н10⎯⎯

10. Определите массы кислоты и спирта (в граммах), необходимые для получения этилового эфира муравьиной кислоты массой 621,6 г с выходом продукта реакции 80 %.

§ 40. Получение и химические свойства сложных эфиров. Применение Получение В природе в плодах и других органах растений содержится большое число разнообразных эфиров. Многие эфиры синтезируются для нужд отдельных отраслей промышленности. Сложные эфиры получают (рис. 64) в реакции карбоновых кислот и спиртов в присутствии минеральных кислот как катализаторов, в результате сложный эфир собирается в пробирке-приемнике при охлаждении: H+

⎯⎯⎯ ⎯⎯ → + R′—OH ← ⎯

спирт

158

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

+ H 2O

Реакцию образования сложного эфира называют реакцией этерификации (лат. acfher — эфир). Термин «эфир» по отношению к рассматриваемым веществам впервые использовал К. Ш е е л е в конце ХVIII в. Реакция этерификации — процесс обратимый. Для того чтобы сдвинуть равновесие системы вправо и получить основной продукт, из реакционной смеси удаляют воду или эфир; можно также использовать избыток одного из реаРис. 64. Схема прибора для получения гентов реакции. Сложные эфиры образуются также сложного эфира в результате реакции кислородсодержащих минеральных кислот и спиртов. Одна такая реакция вам уже известна. Это реакция получения тринитроглицерина из глицерина и азотной кислоты. Химические свойства Важнейшая реакция сложных эфиров — разложение их водой в присутствии минеральной кислоты или щелочи. Такая реакция называется гидролизом.

1) При нагревании смеси эфира с разбавленным раствором сильной минеральной кислоты происходит кислотный гидролиз, который приводит к образованию карбоновой кислоты и спирта. Данный процесс точно соответствует обратному направлению реакции этерификации, он обратим:

2) Щелочной гидролиз сложных эфиров приводит к образованию спирта и соли карбоновой кислоты. В этом случае процесс гидролиза необратим.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

159

В общем виде уравнение реакции щелочного гидролиза в присутствии гидроксида натрия можно записать:

Образовавшийся спирт удаляют перегонкой, а соль карбоновой кислоты действием сильной минеральной кислоты легко перевести в карбоновую кислоту:

Применение В основном сложные эфиры применяют как растворители органических веществ при проведении химических реакций между ними. Благодаря приятному запаху некоторые сложные эфиры составляют основу эссенций, которые используются при приготовлении фруктовых вод, кондитерских изделий, духов и т. д. Сложные эфиры также находят применение в лакокрасочной промышленности, в производстве искусственных волокон и некоторых полимерных материалов. Сложные эфиры образуются в реакциях между спиртами и любыми кислородсодержащими кислотами — как карбоновыми, так и минеральными. Сложные эфиры гидролизуются растворами минеральных кислот и щелочей. Реакция этерификации — обратимый процесс. Сложные эфиры применяются в лакокрасочной, пищевой, парфюмерной промышленности. Вопросы и задания 1. Укажите возможные способы получения сложных эфиров.

2. Охарактеризуйте химические свойства сложных эфиров.

3. Составьте уравнения реакций кислотного гидролиза эфиров: пропилэтаноата и метилметаноата.

4. Составьте уравнения реакций щелочного гидролиза следующих эфиров: метилпропаноата, изопропилбутаноата.

160

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

5. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → С2Н4⎯⎯ → С2Н5ОН⎯⎯ → СН3СООС2Н5; а) С2Н6⎯⎯ → СН3СООН⎯⎯ → СН3СООС2Н5⎯⎯ → С2Н5ОН⎯⎯ → СН3СНО. б) СН3СНО⎯⎯

6. В процессе щелочного гидролиза раствором гидроксида калия метилового эфира уксусной кислоты получили соль массой 66,64 г. Определите массу эфира, подвергшегося гидролизу.

7. В реакции этерификации получили сложный эфир. Для реакции была взята пропановая кислота массой 59,2 г и этиловый спирт массой 32,2 г. Определите массу полученного эфира.

8. Какие вещества и какой массы следует взять для получения метилацетата массой 159,1 г, зная, что практический выход реакции равен 84 %?

9. Для получения этилацетата был взят раствор этанола массой 40 г с массовой долей спирта 95 % и раствор уксусной кислоты массой 309,75 г с массовой долей кислоты 16 %. Определите массу полученного эфира, зная, что выход продукта реакции равен 90 %.

10. Метиловый эфир муравьиной кислоты массой 333,6 г получили согласно следующей схеме: → CH3CI⎯⎯ → СН3ОН⎯⎯ → Н—СООСН3. СН4⎯⎯ Метан какого объема (дм3, н. у.) был при этом израсходован?

§ 41. Понятие о полиэфирных волокнах Для изготовления различного вида тканей используют природные, искусственные и синтетические волокна (рис. 65). Природные волокна получают на основе природных материалов — льна, хлопка, шерсти, искусственные волокна — на основе природного полимера целлюлозы после специальной химической обработки. Для производства же синтетических волокон используют высокомолекулярные соединения, полученные синтетическим путем. В производстве синтетических полиэфирных волокон применяются полиэфиры. Один из наиболее промышленно важных полиэфиров — лавсан — получают поликонденсацией терефталевой кислоты и этиленгликоля.

Рис. 65. Классификация волокон Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

161

(2n − 1)

Полимер получают в виде смолы. Макромолекулы в нем расположены беспорядочно, в волокне же они должны быть ориентированы вдоль его оси, чтобы волокно приобрело необходимую прочность. С этой целью на производстве используют специальную технологию, при которой из расплава полимера формуют полиэфирное волокно лавсан (рис. 66). Волокно лавсан обладает такими важными положительными характеристиками, как износостойкость, свето- и термостойкость, прочность, устойчивость к растворам кислот и щелочей. Вот поэтому растет производство лавсана, который в некоторых странах известен под названием «терилен» или «дакрон». В Республике Беларусь в Могилеве работает мощный промышленный комбинат по производству лавсана. На основе волокна лавсан изготавливают разнообразные ткани для пошива одежды, трикотажные изделия, тюль, технические ткани. Широко известны изделия из технической ткани на основе лавсана: пожарные рукава, транспортные ленты, канаты, паруса и т. д. Волокно лавсан имеет и некоторые недостатки. Оно не гигроскопично и способно накапливать статическое электричество при трении. Поэтому при производстве тканей, использующихся для пошива одежды, применяют волокно лавсан в смеси с природными волокнами, например шерстью, шелком или льном. В этом случае одежда приобретает прочность и износостойкость за счет лавсана Рис. 66. Схема формования волокна лавсан: 1 — фильера; и гигиеничность за счет волокна природного 2 — пучок волокна происхождения.

162

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Существуют волокна природные, искусственные и синтетические. Волокно лавсан относится к синтетическим полиэфирным волокнам. Изделия из волокна лавсан широко используются в различных областях производства и жизнедеятельности человека. Вопросы и задания 1. Из каких веществ синтезируют полиэфир лавсан?

2. На основании каких признаков волокно лавсан относят к полиэфирным синтетическим волокнам?

3. К какому типу реакций относится реакция получения полиэфира лавсана? Приведите пример аналогичной реакции.

4. Разъясните, в чем заключается различие реакций полимеризации и поликонденсации.

5. Сравните структурное звено полиэтилена и полиэфира лавсана и укажите основные различия в их строении.

6. Перечислите известные вам синтетические полимеры и укажите, в результате каких реакций они синтезированы.

7. Определите, какую массу терефталевой кислоты необходимо взять для получения полиэфира лавсана, из которого произведено волокно массой 100 кг. При расчете учтите, что при формовании из полиэфира волокна идет изменение его массы за счет увлажнения, замасливания и добавок на 2 %, а технологические потери составляют 5 %.

§ 42. Жиры Строение Жиры — природные продукты, образующиеся в животных и растительных организмах. Основным компонентом жиров являются триглицериды — полные сложные эфиры, образованные глицерином и высшими карбоновыми кислотами. В природных жирах — и растительных, и животных — присутствует небольшое количество других веществ: фосфатиды, свободные карбоновые кислоты, витамины, красители. Свойства жиров во многом зависят от строения карбоновых кислот, остатки которых входят в состав триглицеридов. Схема строения триглицеридов приведена на рисунке 67. В образовании молекул триглицеридов могут участвовать как одинаковые, так и разные карбоновые кислоты, в основном с неразветвленной углеродной цепью, содер-

Рис. 67. Схема, отражающая общее строение триглицеридов

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

163

жащие, как правило, четное число атомов углерода. Наиболее распространенные природные кислоты содержат от 4 до 26 атомов углерода. В триглицериды в основном входят остатки высших карбоновых кислот (табл. 27), которые называются жирными, потому что впервые эти кислоты были получены именно из жиров. Та б л и ц а 27. Представители высших жирных карбоновых кислот Название

Молекулярная формула

Структурная формула

Пальмитиновая кислота

С15Н31СООН

СН3—(СН2)14—СООН

Стеариновая кислота

С17Н35СООН

СН3—(СН2)16—СООН

Олеиновая кислота

CI7H33COOH

Линолевая кислота

С17 Н31СООН

Линоленовая кислота

С17Н29СООН

Строение жиров было установлено в начале XIX в., когда в процессе их гидролиза получили глицерин и карбоновые кислоты. Впоследствии в середине того же века французский ученый М. Б е р т л о синтезировал жироподобное вещество из глицерина и карбоновых кислот. В жирах наиболее часто встречаются остатки таких высших насыщенных кислот, как пальмитиновая, стеариновая, и высших в разной степени ненасыщенных кислот — олеиновой, линолевой, линоленовой. Французский химик М. Ш е в р е л ь одним из первых исследовал строение растительных и животных жиров. В состав некоторых жиров входят триглицериды, содержащие остатки низших кислот, например в сливочном масле содержится в небольшом количестве триглицерид масляной кислоты. Модель молекулы тристеарина показана на рисунке 68.

164

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Рис. 68. Масштабная модель молекулы тристеарина

Физические свойства Природные жиры бывают твердые и жидкие, часто называемые маслами. Агрегатное состояние жиров зависит от их состава. Если в триглицеридах преобладают остатки насыщенных кислот, то жиры твердые, а если преобладают остатки ненасыщенных кислот, то жиры жидкие. Животные жиры, как правило, твердые, а растительные — жидкие. В таблице 28 приведено содержание карбоновых кислот (в виде остатков) в некоторых жирах. Та б л и ц а 28. Содержание карбоновых кислот (в виде остатков) в составе жиров (% по массе) Насыщенная кислота

Название жира

Ненасыщенная кислота

пальмитиновая

стеариновая

олеиновая

линолевая

Подсолнечное масло

6

3

32

54

Оливковое масло

6

4

83

7

Сливочное масло

25

9

29

4

Говяжий

24—29

21—24

41—42

2—5

Бараний

23—30

20—31

35—41

3—4

Свиной

27—30

13—18

37—44

8—9

Птичий

20—26

4—9

33—46

10—22

Трески

8—19

—

17—31

0,3—2

Сельди

10—29

0,7—4

7—26

0,5—3

Лососевый

10—17

2—6

18—29

1—2

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

165

Плотность жиров меньше, чем воды, и в ней они не растворимы. Но они хорошо растворяются в органических растворителях: бензине, бензоле, дихлорэтане, частично в этаноле. Свойство жиров растворяться в органических растворителях используется для очистки одежды от жирных пятен. Температура плавления жиров зависит от содержания в них остатков насыщенных кислот и длины углеродной цепи. С уменьшением содержания остатков насыщенных кислот температура плавления жиров понижается, они становятся легкоплавкими. Твердые жиры содержатся в жировых тканях наземных млекопитающих и птиц, а жидкие — в тканях морских млекопитающих и рыб, в костях и копытах животных, а также в семенах и плодах растений.

В состав триглицеридов сливочного масла входят остатки около 20 жирных кислот, а в состав триглицеридов практически всех остальных жиров — остатки не больше восьми кислот. Химические свойства 1) Гидролиз кислотный Для триглицеридов, из которых состоят жиры, гидролиз является наиболее характерной реакцией. В результате кислотного гидролиза образуются глицерин и смесь жирных кислот: H+

⎯⎯⎯ ⎯⎯ → + 3HOH ← ⎯

R1—COOH + R2—COOH R3—COOH карбоновые кислоты

2) Гидролиз щелочной При щелочном гидролизе образуются соли насыщенных жирных кислот, называемые мылами. Например, C17H35COONa — стеарат натрия, C15H31COONa — пальмитат натрия: → + 3NaOH⎯⎯

+ 2C17H35COONa + C15H31COONa соли жирных кислот (мыла)

166

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

+

3) Окисление Триглицериды, содержащие остатки ненасыщенных кислот, под действием кислорода воздуха окисляются и полимеризуются. Это свойство используется для изготовления олифы, лаков. Натуральную олифу изготавливают на основе льняного или конопляного масла с последующим введением особых добавок. Жиры при длительном хранении под действием влаги, кислорода воздуха, света, тепла приобретают неприятный запах и вкус. Этот процесс называется прогорканием. Неприятный запах и вкус обусловлены появлением в жирах продуктов их окисления: свободных жирных кислот, альдегидов, кетонов, гидроксикислот.

4) Гидрирование жидких жиров Для жидких жиров, триглицериды которых содержат значительное количество остатков ненасыщенных карбоновых кислот, характерны все реакции непредельных соединений. Они обесцвечивают раствор перманганата калия (в чем вы убедитесь, выполнив лабораторный опыт), бромную воду, вступают и в другие реакции присоединения, например в реакцию гидрирования. В промышленности жидкие жиры, в состав которых входят остатки ненасыщенных кислот, превращают в твердые жиры по реакции:

кат., t

+ 3Н2 ⎯⎯⎯→

⎯⎯ →

Впервые метод получения твердых жиров из жидких (масел) в процессе гидрирования был разработан русским химиком С. А. Ф о к и н ы м. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

167

Гидрирование жидких жиров имеет большое промышленное значение, потому что получаемый при этом твердый жир сохраняется значительно дольше и может быть использован для получения мыла, глицерина, стеарина. Применение Жиры используются в пищевой и фармацевтической промышленности, а также находят широкое применение в производстве глицерина, мыла (рис. 69).

Рис. 69. Применение жиров

Жиры как питательные вещества являются важной составляющей частью пищи человека и животных. В организме они в процессе гидролиза расщепляются на глицерин и карбоновые кислоты. Та б л и ц а 29. Содержание жиров (в Затем эти продукты гидролиза испольграммах) в некоторых пищевых продуктах зуются для синтеза специфических для (в среднем на 100 г пищевого продукта) данного организма жиров. Кроме того, Продукты питания Масса жира жиры — поставщики необходимых ненасыщенных кислот, некоторые из них в Картофель 0 организме человека не синтезируются. Белый хлеб 1,7 Жиры представляют собой один из Молоко 3,8 основных источников энергии для животных организмов. В процессе расЦыплята 17,7 щепления жиров выделяется в два раза Яйца 10,9 больше энергии, чем при расщеплении Сыр 55 углеводов. Это важная информация при составлении рациона питания. Сведения Сливочное масло 82 о содержании жиров в некоторых пищеПодсолнечное масло 99,9 вых продуктах приведены в таблице 29. Вы знаете, что маслами называются жиры, которые при комнатной температуре находятся в жидком состоянии. Эти масла представляют собой сложные эфиры жирных кислот. Понятие «масла» используется также по отношению к некоторым веществам, которые не являются продуктами питания.

168

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Существуют минеральные масла. Их получают из каменного угля, нефти, они состоят из углеводородов. Примером такого масла является знакомое вам вазелиновое масло. Известны также такие масла, как эфирные. Это летучие вещества с характерным запахом, извлекаемые из растений. По химическому составу они являются смесями углеводородов, спиртов, сложных эфиров или их простых производных. К таким маслам относятся коричное, гвоздичное, ментоловое, миндальное масла и т. д. Эти масла применяются в производстве косметических средств, фармакологии, для получения олифы.

Жиры представляют собой смесь триглицеридов — полных сложных эфиров, образованных глицерином и высшими карбоновыми кислотами, которые называются жирными кислотами. Физические, химические и биологические свойства жиров зависят от состава триглицеридов. Важным свойством жиров является гидролиз: в результате щелочного гидролиза получают глицерин и натриевые (калиевые) соли жирных карбоновых кислот. Жиры являются ценным пищевым энергетическим продуктом, обеспечивающим нормальное функционирование организма человека. Вопросы и задания 1. Дайте определение понятию «жир» с точки зрения органической химии.

2. Охарактеризуйте строение триглицеридов.

3. Что является причиной различия физических свойств жиров твердых и жидких (масел)?

4. Составьте структурные формулы триглицеридов, образованных: а) пальмитиновой и линолевой кислотами в мольном отношении 1 2; б) стеариновой, олеиновой и линоленовой кислотами в мольном отношении 1 1 1.

5. Состав триглицеридов: а) С57Н108О6; б) С55Н104О6. Выскажите предположение об их строении.

6. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → стеарат натрия⎯⎯ → стеариновая кислота; а) тристеарат глицерина⎯⎯ → олеиновая кислота⎯⎯ → дибромстеариновая кислота. б) триолеин глицерина⎯⎯ 7. В состав триглицерида входят остатки стеариновой и олеиновой кислот в мольном отношении 1 2. Составьте уравнение реакции гидрирования триглицерида.

8. Составьте уравнение реакции гидролиза триглицерида, в состав которого входят остатки пальмитиновой, стеариновой и линоленовой кислот.

9. С какой целью проводят гидрирование жидких жиров в промышленных масштабах?

10. Приведите примеры различных областей использования жиров.

11. Рассчитайте химическое количество триглицерида, содержащего в своем составе два остатка олеиновой кислоты, который был подвергнут гидрированию, если израсходован водород объемом (н. у.) 927,36 дм3. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

169

12. Можно ли считать эффективным производство мыла (натриевого), если известно, что для получения стеарата натрия химическим количеством 15 моль израсходован тристеарат глицерина массой 8010 г?

Лабораторный опыт 6 Исследование свойств жиров (растворимость, доказательство ненасыщенного характера остатков карбоновых кислот) 1. Налейте в пробирку воду объемом примерно 2 см3 и прибавьте несколько капель растительного масла. Смесь встряхните. Что наблюдаете? Сделайте вывод об отношении жиров к воде (плотность, растворимость).

2. В одну пробирку налейте растительное масло объемом 1 см3, а в другую поместите твердый жир (например, сливочное масло) массой примерно 1 г. Затем в каждую пробирку прилейте органический растворитель объемом примерно 2 см3. Пробирки встряхните и наблюдайте, какие изменения происходят. Сделайте вывод об отношении жиров к органическим растворителям.

3. В пробирку с растительным маслом (1 см3) прилейте раствор перманганата калия и сильно ее встряхните. Сделайте вывод о строении триглицеридов жидких жиров.

§ 43. Мыла и синтетические моющие средства Мыла, растворимые в воде натриевые и калиевые соли высших жирных кислот — пальмитиновой С15Н31СООН, стеариновой С17Н35СООН, олеиновой С17Н33СООН, относятся к веществам, обладающим моющими свойствами. Моющие свойства рассматриваются как способность веществ и их растворов удалять с отмываемой поверхности тканей, изделий и др. прилипшие частицы грязи, жира и переводить их во взвешенное состояние в виде эмульсий и суспензий. Моющие свойства веществ обусловлены строением их молекул. Натриевые и калиевые соли высших карбоновых кислот представляют собой молекулы, в составе которых присутствуют фрагменты с противоположными свойствами по отношению к воде: длинный алкильный гидрофобный фрагмент (не растворимый в воде, а растворимый в жирах и других малополярных веществах) и ионизируемая группа, сообщающая молекуле гидрофильные свойства1:

1 Термины «гидрофобность» и «гидрофильность» происходят от слов «гидро» — вода и греч. phobos — боязнь и phileo — люблю.

170

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Такие молекулы характерны для поверхностно-активных веществ (ПАВ), т. е. веществ, понижающих поверхностное натяжение на границе раздела двух жидкостей или жидкости и газа. При растворении в воде солей мыла гидрофобная часть молекулы как обладающая поверхностной активностью в отношении неполярной фазы (в данном случае воздуха) выталкивается из полярной среды (из воды). В этом случае в растворе мыла на границе с воздухом образуется адсорбционный слой с гидрофобными фрагментами молекул, ориентированными в сторону воздуха (рис. 70, а). Число молекул ПАВ в поверхностном слое воды намного выше, чем в растворе, в силу этого ПАВ снижают поверхностное натяжение воды на границе с воздухом. А это приводит к увеличению смачивающей способности воды и увеличению моющих действий моющего средства. Так, мыла понижают в два раза поверхностное натяжение воды, благодаря этому мыльная вода проникает в мельчайшие поры загрязненной поверхности ткани. Рассмотрим кратко, как проявляется очищающий эффект мыла в растворе воды и происходит удаление жира с поверхности ткани. Неполярные (гидрофобные) концы молекул стеаратов калия и натрия растворяются в каплях жира, а полярные карбоксилат-анионы остаются в водном растворе (рис. 70, б). В результате отталкивания одно- Рис. 70. Моющее действие именных зарядов на поверхности капли масла ПАВ: а — ориентация молекул она разбивается на мельчайшие частицы. Такие мыла на границе вода — возчастицы, окруженные большим числом сте- дух; б — растворение жира арат-ионов, приобретают свойства полианионов и — как следствие — растворимость в воде с образованием устойчивой эмульсии жира в воде. Мыла являются хорошими пенообразователями. Пене принадлежит важная роль в процессе стирки, так как загрязненные частицы прилипают к ее пузырькам и легко удаляются из раствора. Вот поэтому при подготовке белья к стирке желательно сначала получить в процессе растворения мыла обильную пену, а затем производить стирку. Следует отметить, что моющая способность мыла в жесткой воде значительно уменьшается. В такой воде, как вам известно, содержатся соли кальция и магния, Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

171

а при их взаимодействии со стеаратами калия и натрия образуются нерастворимые в воде кальциевые и магниевые соли высших карбоновых кислот. При стирке в жесткой воде раствором мыла вместо пены образуются хлопья осадка: → (С17Н35СОО)2Са + 2NaCI 2С17Н35СООNa + CaCI2⎯⎯ К мылам относят не только натриевые и калиевые соли высших жирных кислот, обладающие моющим действием, но и соли высших жирных карбоновых кислот некоторых других металлов (Ca, AI, Co, Zn, Mn), не обладающие моющим действием. Эти соли используют для некоторых промышленных целей. Кобальтовые, свинцовые, марганцевые мыла, растворимые в маслах, применяют в качестве важной составляющей масляных красок. Для изготовления брезента используют алюминиевое мыло, обрабатывая им плотную ткань. Такую смазку, как солидол, получают из нефтяных масел, добавляя в них кальциевое мыло.

Моющими свойствами обладают синтетические мыла, алкан- и алкиларенсульфонаты. Их называют детергентами или синтетическими моющими средствами (СМС). Примерами таких средств являются, например, додекансульфонат натрия: − + СН3(СН2)10СН2SO2 ONa и 4-(2-тетрадецил)бензолсульфонат натрия:

СН3СН2(СН2)10— Синтетические моющие средства так же, как и мыла, обладают поверхностноактивными свойствами, так как в составе их молекул содержатся гидрофобные и гидрофильные группы:

В силу этого принцип действия синтетических моющих средств (СМС) аналогичен очищающему эффекту, проявляемому мылами. Но тем не менее СМС имеют ряд преимуществ перед мылами. Процесс пенообразования и моющие действия СМС значительно выше, чем мыла, в чем вы сможете убедиться при выполнении соответствующего лабораторного опыта. Синтетические моющие средства сохраняют свои моющие способности даже в жесткой воде в отличие от мыла, так как их кальциевые и магниевые соли, образующиеся в жесткой воде, являются растворимыми веществами. В отличие от растворов мыла, соли которых подвергаются частично гидролизу и поэтому их растворы имеют щелочную среду, соли СМС не 172

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

подвергаются гидролизу, и их растворы имеют нейтральную среду. В силу этого СМС можно использовать для стирки изделий из любых тканей. Обычные стиральные порошки содержат примерно до 70 % синтетических моющих средств и примерно 30 % неорганических фосфатов. При стирке фосфаты удаляют растворимые соли кальция. Утилизация промышленных и бытовых сточных вод после использования некоторых СМС в естественные природные водоемы вызывает их загрязнение. Такое загрязнение может быть вызвано различными причинами. Так, например, при синтезе некоторых СМС используют высшие спирты с разветвленными углеводородными группами, которые не разлагаются бактериями в отличие от неразветвленных углеводородных групп, входящих в состав мыла. Углеводородные остатки, полученные из кислот, входящих в состав жиров, разлагаются природными бактериями. Другой причиной являются неорганические фосфаты, которые при использовании порошка удаляют растворимые соли кальция, а при попадании в водоем становятся питательной средой для некоторых видов водорослей, «усиленное» питание которых приводит к их быстрому разрастанию и заболачиванию водоема. К моющим средствам относят мыла и синтетические моющие средства (СМС). Моющие средства являются поверхностно-активными веществами, так как они уменьшают поверхностное натяжение воды. Поверхностно-активные вещества содержат в составе молекул две противоположные по свойствам группы: полярную (гидрофильную) и неполярную (гидрофобную). Синтетические моющие средства в отличие от мыла сохраняют моющие свойства в жесткой воде. Вопросы и задания 1. Что общего в строении молекул мыла и СМС и чем они различаются?

2. Почему мыла и СМС относят к поверхностно-активным веществам?

3. Какими преимуществами обладают СМС по отношению к мылам?

4. Почему моющие свойства мыла в жесткой воде ослабевают, а моющие свойства СМС не меняются?

5. Почему при использовании мыла в кислой среде теряются его моющие свойства?

6. Какие моющие средства, утилизирующиеся в природных водных объектах, подвергаются биологическому распаду, а какие не подвергаются и почему?

7. Назовите области применения поверхностно-активных веществ.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

173

Лабораторный опыт 7 Сравнение свойств мыла и синтетических моющих средств 1. Налейте в три пробирки следующие растворы (по 3—4 см3): хозяйственного мыла; синтетического моющего средства, предназначенного для стирки хлопчатобумажных тканей; синтетического моющего средства, предназначенного для стирки шелковых и шерстяных тканей.

2. Добавьте в каждую пробирку по нескольку капель фенолфталеина и отметьте реакцию среды.

3. Налейте в три другие пробирки жесткой воды (воды, содержащей ионы кальция и магния) объемом по 3—4 см3. Затем в пробирки последовательно добавьте по каплям растворы мыла и моющих средств. Пробирки хорошо встряхните до образования устойчивой пены. Отметьте, что наблюдаете.

4. Поясните, почему раствор мыла имеет щелочную реакцию. Сделайте вывод о преимуществе использования различных моющих средств в жесткой воде.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ГЛ А В А 8 УГЛЕВОДЫ Название углеводы возникло в связи с тем, что в молекулах первых изученных представителей данного класса соединений соотношение атомов водорода и кислорода было таким же, как в воде, 2 1 и соответствовало формулам СnH2nОn, или Сn(Н2О)n, т. е. углерод + вода. Органические соединения, содержащие в составе молекул наряду с карбонильной несколько гидроксильных групп, их производные и продукты конденсации называют углеводами. Углеводы делятся на моносахариды, дисахариды и полисахариды в зависимости от числа молекул моносахаридов, образующихся при их кислотном гидролизе водой. Моносахариды не подвергаются гидролизу, дисахариды состоят из двух остатков молекул моносахаридов, а полисахариды — из большого числа остатков молекул моносахаридов. Полисахариды относятся к высокомолекулярным биоорганическим соединениям.

§ 44. Моносахариды. Глюкоза и фруктоза Моносахариды разделяют по числу углеродных атомов в молекуле на тетрозы, пентозы, гексозы и т. д. К пентозам относятся рибоза C5H10O5 и дезоксирибоза C5H10O4, которые входят в состав нуклеиновых кислот. К наиболее известным моносахаридам гексозам относятся глюкоза и фруктоза. Строение и физические свойства глюкозы Состав глюкозы выражается молекулярной формулой С6Н12О6. Ее структурная формула:

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

175

Глюкоза так же, как рибоза и дезоксирибоза, относится к бифункциональным органическим соединениям. Она содержит в составе молекул альдегидную группу и пять гидроксильных групп. Изучение строения глюкозы показало, что приведенная линейная форма молекулы существует только в растворе и в очень небольшом количестве. В твердом виде глюкоза существует в циклической α- или β-форме, которые представляют собой разные вещества, отличающиеся друг от друга, например, температурами плавления:

Обратите внимание, что при записи циклических форм глюкозы с целью упрощения символы атомов углерода и водорода в углеродном скелете цикла опущены. Образование циклической формы глюкозы легче понять, если рассмотреть межмолекулярную реакцию альдегида со спиртом:

Образование связей в молекуле глюкозы происходит внутримолекулярно, так как в ее составе имеются альдегидная и гидроксильные группы. Благодаря возможности свободного вращения вокруг одинарных связей гидроксильная группа, связанная с углеродом, обозначенным цифрой пять, может находиться около альдегидной группы, реагировать с ней, образуя шестичленный цикл:

Химическая связь атома углерода альдегидной группы с кислородом гидроксильной группы образуется за счет неподеленной электронной пары кислорода. Двойная связь при этом разрывается, и атом водорода гидроксильной группы присоединяется к кислороду карбонильной группы (изогнутыми стрелками показано смещение электронной плотности).

176

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Рассмотрим, почему образуются две циклические формы глюкозы. Карбонильная группа, как вам известно, в пространстве имеет плоское строение. По этой причине неподеленная электронная пара атома кислорода гидроксильной группы может атаковать атом углерода двойной С О-связи как сверху (образуется одна форма), так и снизу (образуется другая форма), т. е. образуются разные пространственные изомеры. В β-форме глюкозы гидроксильная группа у первого углеродного атома и группа —СН2ОН находятся с одной стороны цикла; в α-форме — по разные стороны цикла. Модель молекулы глюкозы приведена на рисунке 71.

Рис. 71. Шаростержневая модель молекулы глюкозы

Фруктоза. Изомерия моносахаридов Существуют другие моносахариды, имеющие такой же состав, как и глюкоза, одним из которых является фруктоза. Молекулярная формула фруктозы С6Н12О6. Она является изомером глюкозы. Структурная формула фруктозы:

Из структурной формулы видно отличие строения молекулы глюкозы от молекулы фруктозы. В молекуле фруктозы содержится группа глюкозы —

, а в молекуле

.

В отличие от глюкозы, в циклической форме которой содержится шесть атомов, циклическая структура фруктозы имеет пять атомов, и ее строение (не для запоминания) изображают следующим образом: Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

177

Свойства глюкозы и фруктозы Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. В свободном состоянии глюкоза и фруктоза находятся в плодах и цветках. Мед, например, состоит из смеси глюкозы и фруктозы. В крови человека массовая доля глюкозы составляет примерно 0,1 %. Содержание глюкозы в крови регулируется естественно образующимся гормоном инсулином. При диабете (сахарной болезни) глюкоза содержится в крови и моче в повышенной концентрации, и поэтому людям, страдающим от диабета, требуются ежедневные инъекции инсулина. Фруктоза содержится вместе с глюкозой в сладких фруктах, пчелином меде и в составе дисахарида сахарозы. Среди всех моносахаридов фруктоза обладает самым сладким вкусом (табл. 30). Та б л и ц а 30. Условная шкала сладости Вещество

Молекулярная формула

Относительная сладость

Вещество

Молекулярная формула

Относительная сладость

Глицерин

С3Н 8О 3

0,65

Фруктоза

С6Н12О6

1,65

Глюкоза

С6Н12О6

1,00

Аспартам

С14Н16O5N

290

Сахароза

С12Н22О11

1,45

Сахарин

C7H5O3NS

300

Молекула глюкозы содержит альдегидную группу и пять гидроксильных групп и образует линейную и циклические формы. Линейная форма существует только в растворе и в очень небольшом количестве. В твердом виде для глюкозы характерны две циклические формы. Изомером глюкозы является фруктоза. Вопросы и задания 1. Распределите предложенные формулы — C5H10O5, C4H8O4, C6H12O6 — в следующем порядке: а) тетроза; б) пентоза; в) гексоза.

2. Назовите известные вам пентозы и гексозы, укажите их нахождение в природе.

3. Какие функциональные группы входят в состав молекул глюкозы?

4. Составьте структурные формулы двух циклических форм глюкозы.

178

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

5. Составьте структурную формулу фруктозы в открытой форме.

6. Объясните, как образуются циклические формы глюкозы.

7. Вычислите объем (н. у.) углекислого газа, который образуется при полном сгорании глюкозы химическим количеством 2 моль.

§ 45. Химические свойства, получение и применение глюкозы Химические свойства Глюкоза является представителем органических соединений, содержащих в составе молекул две разные функциональные группы (—СНО и —ОН). Химические свойства глюкозы подтверждают наличие в ее молекуле и альдегидной группы, и гидроксильных групп.

1) Окисление Наличие альдегидной группы обнаруживается ее окислением в карбоксильную при взаимодействии раствора глюкозы даже с таким слабым окислителем, как бромная вода: CH2ОН—(CHOH)4 глюкоза

→ CH2OH—(CHOH)4 + Br2 + H2O⎯⎯

+ 2HBr

глюконовая кислота

При этом происходит обесцвечивание раствора брома, поэтому данную реакцию можно использовать для качественного определения присутствия альдегидной группы в молекуле глюкозы. Другой качественной реакцией на присутствие альдегидной группы служит взаимодействие раствора глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра(I). Если проводить эту реакцию в пробирке при слабом нагревании, то в результате на стенках пробирки появляется зеркальный налет серебра — реакция серебряного зеркала. Следовательно, глюкоза обладает восстанавливающими свойствами, как и альдегиды. Если к свежеполученному гидроксиду меди(II) прибавить раствор глюкозы, появляется интенсивное синее окрашивание, характерное для соединений, содержащих в молекуле две и более гидроксильные группы (качественная реакция на многоатомные спирты). При нагревании вещества наблюдается еще одна качественная реакция окисления глюкозы с образованием красного осадка оксида меди(I). Эту реакцию применяют для количественного определения глюкозы.

2) Восстановление При действии восстановителей глюкоза превращается в шестиатомный спирт сорбит: CH2OH—(CHOH)4 глюкоза

H2 /Pt ⎯⎯⎯⎯ → CH2OH—(CHOH)4—CH2OH

сорбит Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

179

3) Брожение Глюкоза обладает также некоторыми специфическими свойствами, такими, как брожение — деструктивное разложение под действием ферментов. Возможны несколько типов брожения: фермент

C6H12O6 ⎯⎯⎯⎯⎯→ 2C2H5OH + 2CO2 — спиртовое. этанол

Спиртовое брожение используется для производства спирта, вин, пива, в хлебопечении. → — молочнокислое.

C6H12O6⎯⎯

Молочнокислое брожение, вызываемое бактериями рода Lactobacillus, используется для получения ряда пищевых продуктов (простокваши, кефира и др.) и молочной кислоты, которая применяется в текстильной и кожевенной промышленности, а также при силосовании кормов. Получение и применение В природе глюкоза образуется в процессе взаимодействия оксида углерода(IV) и воды в зеленых частях растений под действием солнечного света и при участии хлорофилла: свет 6CO2 + 6H2O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → C6H12O6 + 6O2 хлорофилл

глюкоза

Впервые синтез сахаристых веществ из муравьиного альдегида осуществил в 1861 г. русский ученый А. М. Бутлеров: Ca(OH)

2 ⎯⎯⎯⎯⎯ → C6H12O6

В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала в присутствии серной кислоты: H2 SO4 , t (C6H10O5)n + nH2O ⎯⎯⎯⎯⎯ → nC6H12O6 крахмал

глюкоза

Глюкоза — ценный питательный продукт. Наиболее важная функция глюкозы в организме — обеспечение энергией. При окислении глюкозы в организме выделяется энергия, необходимая для жизнедеятельности человека. Глюкозу применяют в медицине как питательное вещество и компонент кровозаменяющих противошоковых жидкостей. Используется глюкоза для получения витамина С (аскорбиновая кислота), сорбита и биополимеров, а также в кондитерской промышленности.

180

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Для глюкозы характерны реакции окисления, восстановления и брожения. В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала в присутствии серной кислоты. Используется глюкоза для получения витамина С (аскорбиновая кислота), сорбита и биополимеров, в кондитерской промышленности. Вопросы и задания 1. Изобразите структуру глюкозы в линейной и циклических формах.

2. На основании каких опытов можно доказать строение глюкозы?

3. В двух пронумерованных пробирках находятся растворы глицерина и глюкозы. Как можно определить каждый из растворов? Составьте уравнение соответствующей реакции.

4. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → C6H12O6⎯⎯ → C2H5OH (С6H10O5)n⎯⎯ 5. В процессе фотосинтеза растение поглотило оксид углерода(IV) объемом (н. у.)

44,8 дм3. Вычислите массу образовавшейся глюкозы.

6. Составьте уравнение реакции окисления глюкозы бромной водой.

7. В процессе брожения глюкозы массой 180 г выделился углекислый газ, который пропустили через раствор гидроксида натрия объемом 728 см3 с массовой долей 10 % и плотностью 1,099 г/см3. Рассчитайте состав образовавшегося раствора. Какая соль при этом образовалась?

Лабораторный опыт 8 Взаимодействие глюкозы с гидроксидом меди(II) 1. В пробирку налейте раствор гидроксида натрия объемом 2 см3 и добавьте 4 капли раствора сульфата меди(II). Что наблюдаете?

2. К полученному гидроксиду меди(II) добавьте раствор глюкозы объемом 1 см3 и смесь взболтайте. Что наблюдаете?

3. Нагрейте осторожно содержимое пробирки. Что наблюдаете?

4. Опишите наблюдаемые изменения.

§ 46. Дисахариды. Сахароза Дисахариды — углеводы, в состав которых входят остатки двух молекул моносахаридов. Наиболее известными дисахаридами являются сахароза, или обыкновенный сахар, мальтоза, получаемая из крахмала, и лактоза, которая содержится в молоке. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

181

Около 80 % людей, особенно в пожилом возрасте, страдают «непереносимостью» молока и молочных продуктов, и это объясняется небольшой концентрацией или отсутствием фермента лактазы, который участвует в расщеплении углевода лактозы на два моносахарида. У младенцев в организме образуется достаточно лактазы, однако с возрастом ее количество уменьшается.

Сахарозу в быту называют сахаром, который является общеизвестным продуктом питания. Сахароза содержится в сахарной свекле (17—19 %) и сахарном тростнике (13—15 %), из которых и получают свекловичный или тростниковый сахар. Строение Молекулярная формула сахарозы С12Н22О11. В составе молекулы сахарозы имеются гидроксильные группы, как и в молекуле глюкозы. Убедимся в этом на опыте: проведем реакцию раствора сахарозы со свежеприготовленным гидроксидом меди(II). Образующийся ярко-синий раствор свидетельствует о наличии гидроксильных групп в составе молекулы сахарозы. Нагревание раствора сахарозы с аммиачным раствором оксида серебра(I) или с гидроксидом меди(II) не дает реакции серебряного зеркала и не приводит к образованию осадка оксида меди(I). Это говорит о том, что в молекуле сахарозы отсутствует альдегидная группа. По этой причине сахарозу относят к невосстанавливающим углеводам в отличие от глюкозы. Физические свойства Сахароза — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления от 160 °С до 185 °С, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. Расплавленная сахароза при застывании превращается в смесь аморфных веществ — карамель. Химические свойства Гидролиз Доказательством того, что сахароза представляет собой дисахарид, служит реакция кислотного гидролиза. При нагревании раствора сахарозы с разбавленной серной кислотой образуются глюкоза и ее изомер фруктоза. Упрощенное уравнение кислотного гидролиза: H SO

2 4 C12H22O11 + H2O ⎯⎯⎯⎯ → C6H12O6 + C6H12O6

сахароза

глюкоза

фруктоза

Продукты кислотного гидролиза сахарозы дают реакцию серебряного зеркала. Установлено, что в молекуле сахарозы глюкоза содержится в циклической α-форме, а фруктоза — в циклической β-форме.

182

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Смесь глюкозы и фруктозы, получающаяся после кислотного гидролиза сахарозы, называют искусственным медом и используют в пищевой промышленности. Под действием концентрированной серной кислоты сахароза способна отщеплять воду (дегидратироваться) с образованием продуктов черного цвета, имеющих сложное циклическое строение (рис. 72). Кроме того, в процессе реакции выделяются значительные количества СО и СО2.

Рис. 72. Дегидратация сахарозы

Мальтоза и лактоза относятся к восстанавливающим углеводам. Мальтоза получается при ферментативном гидролизе крахмала и служит промежуточным продуктом в производстве пива и этилового спирта. Под действием фермента мальтазы, которая находится в пивных дрожжах и слюне, мальтоза расщепляется на две молекулы глюкозы.

Получение В промышленных масштабах сахарозу получают из сока сахарной свеклы или сахарного тростника. Эти два растения обеспечивают около 90 % мирового производства сахарозы. Производство сахарозы состоит из нескольких этапов. Вначале клубни сахарной свеклы отмывают от различных загрязнений, измельчают в тонкие стружки, помещают в специальные сосуды, куда пропускают горячую воду. В результате экстракции водой в раствор переходит почти вся сахароза, но одновременно туда переходят различные органические кислоты, белки и красящие вещества. Полученный раствор обрабатывают известковым молоком (раствор Са(ОН)2). Сахароза образует растворимые в воде молекулярные комплексы с гидроксидом кальция. Примеси кислого характера осаждаются в виде кальциевых солей. На следующем этапе через полученный раствор пропускают оксид углерода(IV), в результате чего комплексы с гидроксидом кальция разлагаются с выделением чистой сахарозы, а в осадок выпадает карбонат кальция. Осадок карбоната кальция фильтруют и из оставшегося раствора после упаривания в вакуумных аппаратах сахарозу отделяют центрифугированием. В остатке получают бурый раствор (мелассу), который содержит до 50 % сахарозы. Из мелассы ее дополнительно извлекают. Для получения сахара белого цвета сахарозу растворяют в воде и фильтруют через активированный уголь или ионообменные смолы.

Представителями дисахаридов являются сахароза, или обыкновенный сахар, мальтоза, получаемая из крахмала, и лактоза, которая содержится в молоке. Сахароза относится к невосстанавливающим углеводам. Химические свойства сахарозы: кислотный гидролиз с образованием глюкозы и фруктозы и дегидратация. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

183

Вопросы и задания 1. Приведите определение дисахаридов. Назовите представителей дисахаридов.

2. Охарактеризуйте реакции, доказывающие наличие гидроксильных групп и отсутствие карбонильной группы в молекуле сахарозы.

3. Является ли фруктоза гомологом или изомером глюкозы? Ответ обоснуйте.

4. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:

5. При полном гидролизе сахарозы в присутствии серной кислоты образовалась смесь глюкозы и фруктозы массой 190 г. Определите массу использованной сахарозы.

6. При брожении глюкозы массой 80 г был получен этанол массой 32 г. Определите выход спирта в этом процессе.

Лабораторный опыт 9 Взаимодействие сахарозы с гидроксидом меди(II) 1. В пробирку налейте раствор гидроксида натрия объемом 2 см3 и добавьте 4 капли раствора сульфата меди. Что наблюдаете?

2. К полученному гидроксиду меди добавьте раствор сахарозы объемом 1 см3 и смесь взболтайте. Что наблюдаете?

3. Нагрейте осторожно содержимое пробирки. Что наблюдаете? Опишите наблюдаемые изменения.

§ 47. Полисахариды. Крахмал К полисахаридам относятся крахмал, гликоген и целлюлоза. Полисахариды играют двойственную роль в живой природе: являются источниками химической энергии в организме (крахмал и гликоген) и элементом структуры растений (целлюлоза). Полисахариды — природные высокомолекулярные соединения. Они состоят из сотен тысяч остатков моносахаридов, например: → (C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6⎯⎯ глюкоза

крахмал

В зеленых листьях растений в процессе фотосинтеза образуется глюкоза, из которой в результате реакции поликонденсации, протекающей под действием ферментов, получается крахмал: свет 6CO2 + 6H2O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → 6O2 + C6H12O6 хлорофилл

глюкоза фермент n(C6H12O6) ⎯⎯⎯⎯⎯→ — ( C6H10O5— ) n + nH2O глюкоза

184

крахмал

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Крахмал содержится во многих растениях и находится в них в виде крахмальных зерен. Больше всего крахмала содержится в злаках. Рис, например, содержит до 86 % крахмала. В клубнях картофеля крахмала меньше (около 25 %) (табл. 31).

Та б л и ц а 31. Содержание крахмала в некоторых растениях Название

Крахмал, %

Рис

62—86

Пшеница

65—75

Кукуруза

70

Картофель (клубни)

25

Строение Крахмальные зерна каждого вида растений отличаются по форме и размеру и представляют собой смесь двух разных по строению и свойствам полисахаридов: амилозы (20 % по массе) и амилопектина (80 %). Амилоза является полимером линейного, неразветвленного строения, амилопектин — разветвленного строения, состоящим из остатков глюкозы в циклической α-форме. Амилоза лучше растворима в воде, чем амилопектин. Некоторые сорта гороха содержат 66—80 % амилозы, а кукурузы — практически чистый амилопектин.

Установлено, что макромолекулы крахмала состоят из остатков молекул глюкозы в циклической α-форме. Образование крахмала неразветвленного строения в растениях можно представить следующим образом:

Образование кислородной связи происходит с участием гидроксильной группы, связанной с атомом углерода С1 одной молекулы глюкозы, и гидроксильной группы атома углерода С4 другой молекулы глюкозы. Макромолекулы крахмала имеют вид двойной спирали. Каждое звено спирали состоит из шести остатков глюкозы, соединенных друг с другом атомами кислорода. Упрощенная схема спирали показана на рисунке 73. Шесть звеньев спирали образуют пространственную структуру крахмала, внутри которой имеются пустоты, частично заполненные молекулами воды («водяные каналы»).

Рис. 73. Схематическое изображение двойной спирали крахмала

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

185

Физические свойства Крахмал — белое аморфное вещество, нерастворимое в холодной воде. Средняя молекулярная масса амилозы 106, а амилопектина — 109 и различна для разных образцов. Поэтому молекулярную формулу крахмала изображают в виде (С6Н10О5)n. При комнатной температуре крахмал содержит около 20 % воды. Если приготовить суспензию крахмала в воде и нагревать ее, поглощается большее количество воды, и гранулы могут увеличиваться в 100 раз по сравнению с исходным объемом. Крахмал набухает, образуя вязкий гелеподобный раствор, который при охлаждении становится клейстером. Гликоген Строение гликогена аналогично структуре амилопектина крахмала, однако степень разветвления молекул гликогена выше, чем амилопектина. Гликоген легко растворим в воде, но не образует клейстера. Гликоген является резервным полисахаридом животных организмов, синтезируется и хранится в печени и мышцах. Полисахариды являются источниками энергии в организме и элементом структуры растений. Молекулярная формула крахмала (С6Н10О5)n. Крахмал построен из остатков молекул глюкозы в циклической α-форме. Крахмал состоит как из макромолекул линейного строения (амилоза), так и макромолекул разветвленного строения (амилопектин). Вопросы и задания 1. Какова молекулярная масса крахмала?

2. Приведите схему образования глюкозы и крахмала в процессе фотосинтеза.

3. Объясните отличие реакций поликонденсации от реакций полимеризации. Поясните процесс образования крахмала из молекул глюкозы.

4. Составьте структурную формулу фрагмента молекулы амилозы, состоящего из трех остатков α-глюкозы (линейное неразветвленное строение).

5. В структурную формулу, составленную в задании 4, добавьте к среднему остатку глюкозы с участием его гидроксильной группы углерода С6 еще один остаток молекулы глюкозы (гидроксильная группа углерода С2) — вы получите структурную формулу фрагмента амилопектина.

6. В процессе фотосинтеза растение поглотило оксид углерода(IV) объемом 680 м3. Определите массу образовавшегося крахмала.

7. Рассчитайте число мономерных звеньев в амилозе, если средняя молекулярная масса образца амилозы равна 106.

186

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

§ 48. Химические свойства, получение и применение крахмала Химические свойства 1) Взаимодействие с раствором иода Характерной реакцией крахмала является его взаимодействие с раствором иода. При действии спиртового раствора иода на раствор клейстера образуется характерное синее окрашивание (качественная реакция). Эта окраска исчезает при нагревании и вновь появляется при охлаждении. Реакция применяется для качественного определения крахмала в пищевых и других продуктах, содержащих крахмал. Схема образования соединений крахмала и иода показана на рисунке 74.

Рис. 74. Схема образования соединений включения крахмала с иодом

Как видно из приведенной схемы, происходит адсорбция молекул иода, которые входят в полости макромолекулы крахмала с образованием соединений сложного строения (соединений включения). Подобные соединения крахмал образует также с некоторыми спиртами (бутанолом-1), жирами и растворителями линейного строения. Селективная адсорбция крахмалом определенных веществ является частным случаем «молекулярного узнавания», когда молекулы некоторых органических соединений реагируют (процесс «узнавания») только с конкретными неорганическими или органическими веществами.

2) Гидролиз Гидролиз крахмала при кипячении с небольшим количеством серной кислоты (кислотный гидролиз) идет в несколько стадий, и конечный продукт — моносахарид глюкоза — образуется с количественным выходом. При ферментативном гидролизе образуется дисахарид мальтоза с 80 %-м выходом, что широко применяется в производстве спирта и пива. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

187

Промежуточными продуктами кислотного гидролиза крахмала являются декстрины, имеющие молекулярную массу, меньшую, чем у крахмала, и дисахариды, например мальтоза. Общая схема процесса: → (C6H10O5)n⎯⎯ → xC12H22O11⎯⎯ → mC6H12O6 (С6H10O5)m⎯⎯ крахмал

декстрины

дисахариды

глюкоза

Так как происходит постепенное расщепление макромолекул крахмала на более короткие цепи, число n, показывающее количество остатков глюкозы в декстринах, значительно меньше числа m. Уравнение реакции можно записать в упрощенном виде: H SO , t

2 4 (C6H10O5)n + nH2O ⎯⎯⎯⎯⎯ → nC6H12O6

крахмал

глюкоза

Если вначале будем гидролизовать раствор крахмала, а затем нейтрализуем его и проведем снова реакцию с гидроксидом меди(II), сможем наблюдать характерный осадок оксида меди(I). Это доказывает, что происходит расщепление макромолекул крахмала и образуются вещества, содержащие альдегидную группу. Получение и применение В промышленности крахмал получают из картофеля, кукурузы или риса. Способ выделения заключается в промывании водой, которая растворяет крахмал легче, чем остальные компоненты. Крахмал является важнейшим источником углеводов. Углеводы, необходимые организму, поступают в достаточном количестве в виде крахмала, содержащегося в хлебе, картофеле и различных крупах. Под действием ферментов пищеварительного тракта крахмал и дисахариды подвергаются гидролизу до глюкозы. Избыток глюкозы сохраняется в мышцах и печени в виде полисахарида гликогена. Крахмал применяется в пищевой и фармацевтической промышленности, для производства глюкозы, в качестве клея и т. д. При взаимодействии спиртового раствора иода с раствором клейстера образуется характерное синее окрашивание. Промежуточными продуктами гидролиза крахмала являются декстрины и мальтоза. Конечный продукт гидролиза — глюкоза. Избыток глюкозы сохраняется организмом в мышцах и печени в виде полисахарида гликогена.

188

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Вопросы и задания 1. Какие углеводы относятся к полисахаридам?

2. Назовите характерную реакцию для качественного определения крахмала в пищевых и других продуктах.

3. Назовите и охарактеризуйте промежуточные продукты гидролиза крахмала.

4. Как распознать растворы глюкозы и клейстера, находящиеся в разных пробирках?

5. Вареный картофель иногда используют в качестве клея. Объясните его клеящее действие.

6. В чем сходство и различие в строении крахмала и гликогена?

7. Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: H2SO4 /H2O H2SO4 Br2 фермент → ... ⎯⎯⎯⎯⎯ → ... ⎯⎯⎯⎯⎯ → ... ⎯⎯⎯ → ...

(C6H10O5 )n ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ t

8. Вычислите объем этанола (плотность 0,789 г/см3), который можно получить из картофеля массой 1 т, содержащего крахмал с массовой долей 0,15. Выход продуктов на обеих стадиях составляет 70 %. Приведите уравнения реакций описанных превращений.

9. Как вы считаете, почему картофель используют в производстве этанола?

Лабораторный опыт 10 Взаимодействие крахмала с иодом. Гидролиз крахмала 1. Приготовьте крахмальный клейстер объемом около 5—6 см3 и разлейте его в две пробирки.

2. К одной части клейстера добавьте несколько капель иодной воды, имеющей соломенно-желтую окраску. Что наблюдаете?

3. Во вторую пробирку добавьте серную кислоту объемом 0,5 см3 (1 5) и прокипятите смесь в течение 2—3 мин. Докажите образование глюкозы в полученном растворе.

§ 49. Целлюлоза Целлюлоза, как крахмал и гликоген, относится к природным полимерам. Макромолекулы целлюлозы входят в состав оболочек клеток всех растений. Название вещества происходит от латинского слова «cellula», что в переводе означает «клетка». Волокна хлопка, льна и конопли в основном состоят из целлюлозы, а в древесине она составляет около 50 % в расчете на сухое вещество. Образцом практически стопроцентной целлюлозы является вата, полученная из хлопка. Строение Молекулярная формула целлюлозы (С6Н10О5)n такая же, как и крахмала. Но на самом деле крахмал и целлюлоза — совершенно различные вещества, потому что имеются различия в строении их макромолекул. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

189

Степень полимеризации макромолекул целлюлозы значительно выше, чем крахмала, и молекулярная масса целлюлозы достигает нескольких миллионов. Макромолекулы целлюлозы построены из остатков глюкозы в циклической β-форме. Еще одна особенность целлюлозы заключается в линейном строении ее макромолекул. Схема строения макромолекулы целлюлозы:

Обратите внимание, что в структуре макромолекул целлюлозы каждое второе кольцо остатка глюкозы повернуто на 180° относительно первого, что обеспечивает плотную упаковку макромолекул целлюлозы. Так как каждый остаток глюкозы содержит три гидроксильные группы, то между цепями макромолекул целлюлозы образуются межмолекулярные водородные связи. Это также увеличивает механическую прочность целлюлозы. Благодаря механической прочности целлюлоза служит конструкционным материалом растений. Подобно целлюлозе в растениях, опорные и механические функции у ракообразных и некоторых насекомых выполняет твердый наружный скелет — хитин, который представляет собой также полимер, похожий на целлюлозу. Отличие хитина от целлюлозы в том, что каждый остаток глюкозы вместо одной из гидроксильных групп содержит ацетамидную группу —NH—COCH3.

В организме человека отсутствует фермент, способный расщеплять химические связи целлюлозы, образованные за счет остатков глюкозы в циклической β-форме. Поэтому целлюлоза не может служить источником питания для человека. Однако многие микроорганизмы могут расщеплять целлюлозу. Такие микроорганизмы живут в почве, желудках жвачных животных, муравьях-древоточцах и др. Разрушая погибшие деревья, опавшие листья и остатки бумаги, микроорганизмы таким образом помогают очищать от мусора нашу планету. Кроме остатков глюкозы, в составе целлюлозы находятся другие органические вещества, среди которых наиболее известны лигнин и гемицеллюлоза. Макромолекула лигнина в основном состоит из остатков ароматических соединений.

Химические свойства целлюлозы свидетельствуют о том, что каждый остаток глюкозы в макромолекуле целлюлозы содержит три гидроксильные группы. Поэтому формулу целлюлозы иногда записывают в таком виде: 190

[C6H7O2(OH)3]n Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Физические свойства Целлюлоза представляет собой белое аморфное вещество, которое не растворяется ни в воде, ни в обычных органических растворителях. Гигроскопична, поглощает около 10 % воды. При нагревании целлюлоза обугливается и образует смеси различных органических соединений. Молекулярная формула целлюлозы (С6Н10О5)n — такая же, как и крахмала. Макромолекулы целлюлозы построены из остатков глюкозы в циклической β-форме и по этой причине плотно упакованы друг около друга. Образование межмолекулярных водородных связей с участием гидроксильных групп также увеличивает механическую прочность целлюлозы. Вопросы и задания 1. Приведите названия известных вам природных полимеров.

2. Поясните, в чем заключается различие в строении макромолекул крахмала и целлюлозы.

3. Приведите общую формулу целлюлозы.

4. Какие факторы объясняют механическую прочность целлюлозы?

5. Рассчитайте объем (н. у.) углекислого газа, выделяющегося при полном сгорании древесины сосны массой 2 т. Предположите, что все содержащиеся углеводы в сосне (около 70 %) являются остатками глюкозы (сгоранием лигнина можно пренебречь).

6. Содержание уксусной кислоты в древесине березы достигает 5 %. Вычислите массу кислоты, которую можно получить из древесины массой 1 т с выходом 75 %.

7. Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: C6H14O6 ↑ CO2 → C6H12O6 → (C6H10O5 )n → C6H12O6 → Ag ↓ C2H5OH

§ 50. Химические свойства и применение целлюлозы Целлюлоза является чрезвычайно важным сырьем для различных отраслей промышленности. Например, текстильная промышленность использует природные волокна льна, хлопка и др., не подвергая их химической обработке. Для получения же искусственных волокон целлюлозу подвергают химической обработке. Химической переработке подвергается в основном целлюлоза, получаемая из древесины, хотя в некоторых случаях можно использовать целлюлозу соломы или различных трав. Вначале из древесины получают сырую целлюлозу, которую затем Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

191

отбеливают различными способами. При получении искусственных волокон целлюлозу растворяют в подходящем растворителе, фильтруют и пропускают через тонкие отверстия в чаны, где происходит осаждение целлюлозы. Полученные нити подвергают различным операциям для придания необходимых свойств.

1) Гидролиз Целлюлоза так же, как и крахмал, может подвергаться гидролизу с образованием конечного продукта — глюкозы: H SO , t

2 4 → nC6H12O6 (C6H10O5)n + nH2O ⎯⎯⎯⎯⎯

целлюлоза

глюкоза

Этиловый спирт, получаемый из целлюлозы, называют гидролизным и используют в качестве технического спирта, потому что он может содержать небольшое количество токсичного метилового спирта.

Нагреванием древесины без доступа воздуха получают древесный уголь. В этих условиях при разложении древесины одновременно образуются метан, метанол, уксусная кислота и ацетон.

2) Образование сложных эфиров Для целлюлозы характерна реакция этерификации с образованием сложных эфиров. Целлюлозу обрабатывают уксусной кислотой или лучше ангидридом уксусной кислоты.

В зависимости от количества взятого уксусного ангидрида по отношению к целлюлозе образуется моно-, ди- или триацетилцеллюлоза.

Уравнение реакции этерификации можно записывать и таким образом: → [C6H7O2(OCOCH3)3]n + 3nH2O [C6H7O2(OH)3]n + 3nCH3COOH⎯⎯

Этерификация уксусной кислотой или уксусным ангидридом приводит к тому, что ацетилцеллюлоза оказывается способной растворяться в органических растворителях. Возможность образования растворов ацетилцеллюлозы используется в производстве для получения ацетатного волокна — искусственного шелка (см. рис. 65).

192

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Сложные эфиры образуются также при обработке целлюлозы азотной кислотой в присутствии серной кислоты: → [C6H7O2(ONO2)3]n + 3nH2O [C6H7O2(OH)3]n + 3nHNO3⎯⎯

Тринитропроизводные целлюлозы используются в качестве взрывчатых веществ и для производства бездымного пороха. Наибольшее количество целлюлозы идет на производство бумаги. Целлюлоза так же, как и крахмал, может подвергаться ступенчатому гидролизу с образованием конечного продукта — глюкозы. Для целлюлозы характерна реакция этерификации с образованием сложных эфиров. Сложные эфиры образуются также при обработке целлюлозы азотной кислотой в присутствии серной кислоты. Вопросы и задания 1. Составьте схему гидролиза целлюлозы. Какой конечный продукт образуется при этом?

2. Опишите способ получения этанола из древесины. Составьте уравнения происходящих реакций.

3. Составьте уравнение реакции целлюлозы с уксусным ангидридом химическим количеством 2 моль.

4. Составьте уравнение реакции целлюлозы с азотной кислотой химическим количеством 1 моль.

5. Составьте уравнение реакции целлюлозы с избытком уксусной кислоты.

6. Перечислите основные продукты, получаемые в результате химической переработки целлюлозы.

7. Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: H2SO4 /H2O H2SO4 KMnO4 /H2O ферменты → ... ⎯ ⎯⎯⎯⎯ → ... ⎯⎯⎯⎯⎯ → ... ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → ...

(C6H10O5 )n ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ t 5 °C

8. В результате обработки древесины массой 1 т избытком уксусной кислоты получили триацетат целлюлозы массой 630 кг с выходом 65 %. Вычислите массовую долю целлюлозы в данной древесине. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

193

Практическая работа 3 Решение экспериментальных задач Вариант 1 Задача 1. Докажите опытным путем, что в выданном вам растворе, полученном при растирании в воде зерен риса или пшеницы, содержится крахмал. Задача 2. В двух пронумерованных пробирках находятся бесцветные растворы глюкозы и глицерина. Определите, в какой пробирке находится каждое из выданных веществ. Задача 3. Исходя из уксусной кислоты, получите ацетат магния двумя способами. Задача 4. В трех пронумерованных пробирках находятся бесцветные растворы уксусной кислоты, уксусного альдегида и мыла. Определите, в какой пробирке находится каждое из выданных веществ. Вариант 2 Задача 1. Докажите опытным путем, что сахароза содержит углерод. Задача 2. В двух пронумерованных пробирках находятся бесцветные растворы глюкозы и уксусного альдегида. Определите, в какой пробирке находится каждое из выданных веществ. Задача 3. Исходя из уксусной кислоты, получите ацетат натрия двумя способами. Задача 4. В трех пронумерованных пробирках находятся бесцветные растворы уксусной кислоты, глицерина и крахмальный клейстер. Определите, в какой пробирке находится каждое из выданных веществ.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ГЛ А В А 9 АМИНЫ. АМИНОКИСЛОТЫ. БЕЛКИ В органической химии существуют соединения, в состав которых, кроме углерода, водорода, кислорода, входит азот. Такие соединения относят к азотсодержащим органическим соединениям. Они классифицируются в зависимости от состава и строения. В данной главе вы познакомитесь только с некоторыми из них.

§ 51. Амины Строение Амины — органические производные аммиака, в молекулах которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородные группы. Например: CH3NH2, CH3—NH—CH3. В зависимости от числа углеводородных групп, замещающих атомы водорода в молекуле аммиака, различают амины первичные, вторичные, третичные (рис. 75). Углеводородные группы в молекулах вторичных и третичных аминов могут быть одинаковыми (СН3—NH—СН3) или различными (СН3—NH—С3Н7). В данном курсе вы будете в основном рассматривать первичные амины. В составе таких аминов в качестве функциональной группы содержится одновалентный остаток аммиака —NH2, называемый аминогруппой. Общая формула первичных аминов R—NH2, а для первичных насыщенных аминов общую формулу можно записать в виде СnН2n + 1NН2, где СnН2n + 1 — алкильная группа. Общая формула первичных насыщенных аминов СnН2n + 1NН2.

Рис. 75. Амины: а — первичные; б — вторичные; в — третичные Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

195

Рис. 76. Шаростержневые модели молекул метиламина (а) и диметиламина (б)

В зависимости от природы углеводородных заместителей амины делятся на: алифатические CH3NH2, метиламин

алициклические

,

ароматические

.

Шаростержневые модели молекул простейших аминов представлены на рисунке 76. Встречаются амины, содержащие две и более аминогруппы, при этом могут быть алифатические диамины и ароматические. Например: H2N—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—NH2 1,6-диаминогексан

1,4-диаминобензол

В молекулах аминов связи С—N и N—Н поляризованы, так как атом азота обладает большей электроотрицательностью, чем атомы углерода и водорода. Но 196

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

→О→ ⎯⎯Н) выраполярность этих связей по сравнению со спиртами (R—СН2⎯⎯ жена слабее. Для аминов менее характерны реакции замещения функциональной группы —NH2 по сравнению со спиртами. Следует также отметить, что химические свойства аминов определяются наличием у атома азота неподеленной электронной пары на внешнем энергетическом уровне. Напомним электронное строение атома азота. Электронная конфигурация атома азота: 7

N 1s22s22p3,

графическое изображение которой p s n–2

неподеленная пара электронов

n–1 Электронная формула амина записывается с указанием неподеленной пары электронов, например:

Структура молекул алифатических аминов имеет определенные сходства со структурой молекул аммиака. Атом азота в молекулах алифатических аминов так же, как и в молекуле аммиака, имеет тетраэдрическую ориентацию орбиталей, а молекулы — тригонально-пирамидальную структуру. Именно указанная неподеленная пара электронов обусловливает то, что амины являются сильными органическими основаниями. Номенклатура Названия первичных алифатических аминов по заместительной номенклатуре составляют, взяв за основу названия исходных углеводородов и прибавляя слово -амин. Например, СН3—NH2 — метанамин (или метиламин), С2Н5—NH2 — этанамин (или этиламин). В скобках приведены названия по иной номенклатуре, которые также используются в органической химии. Вторичные амины в соответствии с правилами заместительной номенклатуры ИЮПАК называют, указывая наличие атома азота символом N и далее после дефиса перечисляя младшую, затем старшую углеводородные группы и добавляя название класса — -амин. Например, СН3—NH—С2Н5 — N-метилэтиламин. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

197

Для простейшего ароматического амина С6Н5NН2 — фениламина — применяют также тривиальное название анилин, которое принято и в номенклатуре ИЮПАК. Названия ароматических аминов составляют на основе первого представителя — анилина. Изомерия Для аминов характерна структурная изомерия, которая обусловлена изомерией углеродного скелета (изомерия цепи) и изомерией положения аминогруппы. Например, для амина состава C5H11NН2 изомерия углеродной цепи представлена изомерами: 5

4

3

2

1

СН3—СН2—СН2—СН2—CH2NH2 пентанамин-1

2-метилбутанамин-1

2,2-диметилпропанамин-1

Изомерия положения аминогруппы для рассматриваемого амина представлена изомерами: СН3—СН2—СН2—СН2—CH2NH2 пентанамин-1

пентанамин-2

пентанамин-3

Первичные, вторичные и третичные амины, содержащие одно и то же число атомов углерода, изомерны между собой. Например, этиламин СН3—СН2—NН2 изомерен диметиламину (СН3)2NН. Обратите внимание, что все рассматриваемые амины относятся к первичным аминам. Но в случае СН3—СН2—СН2—СН2—CH2NH2 аминогруппа связана с первичным атомом углерода, а в случае

аминогруппа связана со вторичным атомом углерода.

198

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

В веществе, формула которого

аминогруппа связана с третичным атомом углерода. В этом заключается отличие аминов от спиртов, у которых связь функциональной группы с первичным, вторичным или третичным атомом углерода определяет, каким является спирт: первичным, вторичным или третичным (табл. 32). Та б л и ц а 32. Сравнение первичных аминов и спиртов Класс

Амины

Атом углерода

Спирты

Вторичный

Третичный

Амины широко распространены в природе. Многие биологически активные вещества относятся к классу аминов. Некоторые амины образуются в организме человека и животных. Такие амины принято называть биогенными аминами. Аминами называются органические производные аммиака, в которых один, два или три атома водорода замещены на углеводородные группы, одинаковые или различные в случае вторичных и третичных аминов. Группа атомов —NH2 у первичных аминов называется аминогруппой. Для аминов характерна структурная изомерия (изомерия углеродной цепи и положения аминогруппы). Вопросы и задания 1. Какие органические соединения относят к классу аминов?

2. На основании каких признаков классифицируют амины? Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

199

3. Какая из указанных функциональных групп входит в состав первичных аминов: —ОН, —NO2, —NH—, —NH2, —N N—?

4. Поясните электронное строение молекулы метиламина.

5. Разъясните, исходя из электронного строения молекулы первичного амина, почему для аминов не характерна реакция замещения функциональной группы.

6. Из приведенных формул веществ выберите отдельно формулы: а) азотсодержащих органических соединений; б) первичных аминов; в) аминов: 1) CH3NО2; 2) C2H5NH2; 3) С2Н5NO2; 4) NH4NО3; 5) СН3СНО; 6) NH3; 7) CH3NHCH3; 8) (CH3)3N; 9) C2Н5—NH—CH3.

7. Какие виды изомерии характерны для аминов? Рассмотрите на примере C4H9NH2.

8. Для веществ состава C6H15N составьте структурные формулы первичных аминов. Назовите их.

9. Метиламин при нормальных условиях — газообразное вещество. Определите объем (в дм3, н. у.) и массу (в граммах) метиламина, число молекул которого равно 1,806 1025.

10. Составьте возможные структурные формулы аминов, у которых массовая доля азота равна 23,73 %.

§ 52. Свойства, получение и применение аминов Алифатические амины Физические свойства Простейшие представители аминов — метиламин, этиламин, диметиламин и триметиламин — газообразные вещества при обычных условиях. Средние члены гомологического ряда аминов — жидкости, высшие — твердые вещества. Некоторые сведения о физических свойствах аминов приведены в таблице 33. Та б л и ц а 33. Некоторые сведения о физических свойствах аминов Амины

Температура, °С

Агрегатное состояние (25 °С)

кипения

плавления

формула

название

Растворимость в воде

CH3NH2

Метиламин

Растворим

Газ

–6,5

–92,5

C2H5NH2

Этиламин

Неограничена

Газ

16,6

–80,6

(CH3)2NH

Диметиламин

Растворим

Газ

7,5

–96,0

(CH3)3N

Триметиламин

Растворим

Газ

3,0

–117,0

C3H7NH2

Пропиламин

Растворим

Жидкость

48,7

–83,0

C4H9NH2

Бутиламин

Неограничена

Жидкость

77,8

–50,5

200

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Как вы знаете, амины являются полярными соединениями в силу того, что δ+

δ−

связь C N поляризована. По этой причине первичные и вторичные амины ассоциируются в результате образования межмолекулярных водородных связей:

Из-за образования ассоциатов температура кипения жидких аминов выше, чем алканов со сходной относительной молекулярной массой. Межмолекулярные водородные связи у аминов менее прочны, чем у спиртов, из-за меньшей (чем у атома кислорода) электроотрицательности атома азота. Амины кипят поэтому при более низкой температуре, чем спирты, при одинаковой относительной молекулярной массе. Например, температуры кипения метанола и этанола 64,5 °С и 78,4 °С, а температуры кипения метиламина и этиламина соответственно — 6,5 °С и 16,6 °С. Низшие амины хорошо растворяются в воде, образуя с молекулами воды водородные связи, хотя с ростом углеводородной группы их растворимость падает. Высшие амины в воде не растворимы. Низшие амины обладают неприятным запахом, напоминающим запах селедочного рассола, а высшие амины либо не имеют запаха, либо пахнут очень слабо. Впервые триметиламин выделили в середине XIX в. из продуктов перегонки селедочного рассола, и он получил название «рыбный газ», так как имеет характерный рыбный запах. Триметиламин удалось выделить из слез человека, желудочного сока, поджелудочной железы. Этот амин может вызывать у некоторых людей неприятное состояние, называемое синдромом рыбного запаха. Такое болезненное состояние наступает, если в организме происходит неконтролируемое бактериальное разложение триметиламиноксида. В результате этого в кишечнике человека происходит выделение триметиламина, в отличие от здоровых людей, у которых амин поглощается печенью и превращается в вещество, не имеющее запаха. При гниении рыбы выделяется также и диметиламин, а высшие амины образуются при гниении мяса.

Химические свойства Амины, являясь производными аммиака, как и аммиак, проявляют ярко выраженные основные свойства, что обусловлено наличием неподеленной электронной пары у атома азота функциональной аминогруппы —NH2, способной к образованию химической связи по донорно-акцепторному механизму. Именно наличие неподеленной электронной пары у атома азота обусловливает свойства аминов как органических оснований в реакциях с водой, минеральными и органическими кислотами. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

201

1) При растворении аминов в воде образуется щелочной раствор, так как при этом устанавливается равновесие системы: CH3NH2 + Н2O метиламин

CH3NH3 + ОН– ион метиламмония

2) При взаимодействии с минеральными кислотами амины превращаются в аммониевые соли, которые являются достаточно устойчивыми и могут быть выделены как индивидуальные вещества: −

+

→ CН3— NH3Cl СН3—NH2 + HCI⎯⎯ метиламин

хлорид метиламмония +

−

→ C2H5NH3 HSO4 C2H5NH2 + H2SО4⎯⎯ этиламин

гидросульфат этиламмония

Под действием более сильного основания, чем амин, аммониевые соли разрушаются с освобождением исходного амина: +

−

→ C2H5NH2 + NaHSO4 + Н2O C2 H5 NH3 HSO4 + NaOH⎯⎯ гидросульфат этиламмония

этиламин

В реакциях с кислотами амины выступают в качестве органических оснований. При этом основные свойства аминов выражены сильнее, чем у аммиака.

3) Газообразные алифатические амины горят на воздухе, образуя желтое пламя. Продуктами реакции являются азот, углекислый газ и вода: → 4СO2 + 10Н2О + 2N2 4CH3NH2 + 9O2⎯⎯ → 8СO2 + 14Н2O + 2N2 4C2H5NH2 + 15O2⎯⎯ Ароматические амины. Анилин Ароматическими называют амины, у которых аминогруппа связана непосредственно с атомом углерода бензольного кольца. Анилин (фениламин) C6H5NH2 — представитель ароматических аминов, структурная формула которого:

202

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Масштабная модель молекулы анилина приведена на рисунке 77. Анилин — бесцветная маслообразная жидкость со своеобразным запахом, малорастворимая в воде, но хорошо растворимая в этаноле и бензоле. Анилин — ядовитое вещество, поэтому опыты с ним так же, как с бензолом и фенолом, в школьной химической лаборатории не проводятся. Химические свойства 1) Взаимодействие с кислотами. Анилин, как и другие амины, обладает основными свойствами. Он взаимодействует с кислотами, образуя соли фениламмония: +

−

C6 H5 NH2 + HCl ⎯⎯ → [C6 H5 NH3 ] Cl анилин

Рис. 77. Масштабная модель молекулы анилина

хлорид фениламмония

Анилин — более слабое основание, чем алифатические амины. Это объясняется наличием в его молекуле бензольного кольца, которое оказывает влияние на неподеленную электронную пару атома азота аминогруппы. Электронная пара атома азота взаимодействует с электронным облаком бензольного кольца, что также приводит к ослаблению основных свойств анилина по сравнению с основными свойствами метиламина (влияние бензольного кольца).

2) Взаимодействие с бромной водой. Влияние групп атомов —NH2 и С6Н5— в молекуле анилина является взаимным: аминогруппа активирует бензольное кольцо, и анилин, в отличие от бензола, легко бромируется бромной водой (влияние аминогруппы). Реакция не требует применения катализатора, а замещение на галоген протекает сразу в трех положениях (2, 4, 6). При этом образуется белый осадок триброманилина:

2O + 3Br2 ⎯H⎯⎯ →

+ 3HBr

2,4,6-триброманилин

Реакцию бромирования используют для обнаружения анилина, так как она проходит количественно. Образующийся триброманилин плохо растворим в воде и выпадает в осадок. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

203

В реакции анилина с хлорангидридом уксусной кислоты получают вещество ацетанилид. Ацетанилид является одним из первых синтетических жаропонижающих средств, используемых в медицинской практике:

ацетанилид В реакции анилина с серной кислотой образуется вещество, часто называемое сульфаниловой кислотой:

Оно является важным промежуточным продуктом в синтезе лекарственных веществ и красителей.

3) При длительном воздействии воздуха анилин окисляется, при этом приобретает красно-бурую окраску. Получение аминов В лаборатории первичные амины получают восстановлением нитросоединений водородом в присутствии никелевого катализатора: CH3 NO2 + 3H2 ⎯Ni ⎯→ CH3 NH2 + 2H2 O

В промышленности метиламин и этиламин получают в реакции спирта и аммиака под давлением над поверхностью катализатора: 2O3 CH3OH + NH3 ⎯Al ⎯⎯ → CH3NH2 + H2O p, t

метанол

метиламин

Анилин в лаборатории получают восстановлением нитробензола железом в присутствии соляной кислоты, в промышленности — гидрированием под давлением в присутствии катализаторов LiAlH4, NaBH4:

204

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Впервые синтетический анилин был получен восстановлением нитробензола русским ученым Н. Н. З и н и н ы м в середине XIX в. Данная реакция известна как реакция Зинина. Применение аминов Амины находят широкое применение в различных областях промышленного производства (рис. 78). Анилин и некоторые другие амины используют для синтеза красителей, лекарственных и взрывчатых веществ. В фармацевтической промышленности на основе аминов изготовляют антигистаминные препараты, хорошо известные многим людям, страдающим аллергией. Действие таких антигистаминных средств направлено на «нейтрализацию» гистамина — вещества, которое усиленно выделяется в организме при некоторых аллергических состояниях:

гистамин

Амины и их производные применяются для производства лекарственных средств, в косметической, пищевой, полимерной, нефтехимической промышленности; некоторые амины используются в качестве добавок к полимерам и т. д.

Рис. 78. Применение аминов Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

205

Амины проявляют основные свойства в реакциях с неорганическими и органическими кислотами. Получают амины из нитросоединений, спиртов. Амины и их производные находят широкое применение в производстве красителей, лекарственных и взрывчатых веществ. Вопросы и задания 1. Охарактеризуйте физические свойства алифатических аминов.

2. Чем объясняется различие температур кипения первичных алифатических аминов и алканов с примерно одинаковыми молярными массами?

3. Чем объясняется проявление аминами ярко выраженных основных свойств?

4. Составьте уравнения реакций, подтверждающих основные свойства этиламина и анилина.

5. Расположите в порядке возрастания основных свойств вещества: аммиак, анилин и метиламин. Мотивируйте свое решение.

6. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → CH3CI⎯⎯ → СН3ОН⎯⎯ → CH3NH2⎯⎯ → N2; а) СН4⎯⎯ → C2H5CI⎯⎯ → С2Н5ОН⎯⎯ → C2H5NH2⎯⎯ → С2Н5—NH3HSО4; б) С2Н4⎯⎯ → С6Н6⎯⎯ → C6H5NO2⎯⎯ → C6H5NH2⎯⎯ → C6H2Br3NH2. в) С2Н2⎯⎯

7. В двух парах пробирок находятся следующие вещества: а) растворы метиламина и уксусной кислоты в воде; б) растворы бензола и анилина в этаноле. Предложите способ определения данных веществ.

8. Определите массу продукта (в граммах) в реакции метиламина с хлороводородом объемом (н. у.) 33,6 дм3.

9. При сгорании метиламина химическим количеством 10 моль образовались газообразные вещества химическим количеством 15 моль. Определите объемные доли (в %) каждого из них в образовавшейся смеси газов после приведения ее к нормальным условиям.

10. Определите молекулярную формулу первичного алифатического амина, в котором массовая доля азота равна 19,18 %.

§ 53. Аминокислоты Строение Аминокислоты — это органические соединения, в состав молекул которых входят карбоксильная группа —СООН и аминогруппа —NH2. В зависимости от строения углеводородной цепи различают алифатические аминокислоты: H2N—CH2—COOH 206

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

и ароматические:

Аминокислоты подразделяют на природные и синтетические. К природным относят аминокислоты, обнаруженные в живых организмах. Их насчитывают примерно 150 наименований, из которых около 20 входят в состав белков в виде Рис. 79. Шаростержневая модель молекулы аминоуксусной аминокислотных остатков. кислоты В данном курсе вы будете в основном рассматривать состав, строение и свойства аминокислот, образующих молекулы белков. Эти аминокислоты преимущественно относятся к α-аминокислотам. Так называются аминокислоты, у которых карбоксильная группа —COOH и аминогруппа —NH2 соединены с одним и тем же атомом углерода. Например: .

Химическое строение α-аминокислот выражается общей формулой:

Простейшим представителем α-аминокислот является аминоуксусная кислота CH2(NH2)COOH (или 2-аминоэтановая кислота, или глицин), структурная и электронная формулы которой:

Шаростержневая модель молекулы аминоуксусной кислоты приведена на рисунке 79. Примеры некоторых природных аминокислот, входящих в состав белков, их тривиальные названия представлены в таблице 34. В графе 2 данной таблицы (в ознакомительном плане) приведены условные трехбуквенные обозначения, образованные от английских названий аминокислот. Такие обозначения принято использовать в биологии и биохимии при изучении состава и строения белков. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

207

Та б л и ц а 34. Некоторые представители α-аминокислот Название (тривиальное)

Сокращенное обозначение

Структурная формула

Глицин

Gly

H2N—СН2—СООН

Аланин

Ala

Серин

Ser

Цистеин*

Cys

Валин*

Val

Фенилаланин*

Phе

Тирозин

Туг

Лизин*

Lys

Глутаминовая кислота

Glu

Организм человека не способен синтезировать десять из двадцати аминокислот, остатки которых входят в состав собственных белков. Эти кислоты называются незаменимыми. Они должны поступать вместе с пищей. Знаком * в таблице 34 отмечены четыре из десяти незаменимых для человека аминокислот. Обращаем ваше внимание, что формулы аминокислот даны в ознакомительном плане и не требуют запоминания. Классификация В основе классификации α-аминокислот лежат свойства боковой группы — заместителя R (см. общую формулу α-аминокислот). Этот заместитель может иметь нейтральную, основную или кислотную природу.

208

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Аминокислоты с неполярными боковыми группами R (нейтральная природа заместителя):

Аминокислоты с кислотными боковыми группами R:

Аминокислоты с основными боковыми группами R:

Номенклатура и изомерия По систематической номенклатуре ИЮПАК названия аминокислот производят от названий соответствующих карбоновых кислот с добавлением префикса амино-, а нумерация атомов углерода производится, начиная с атома углерода карбоксильной группы:

Взаимное расположение обеих функциональных групп в углеродной цепи обозначают обычно цифрами, а в некоторых случаях буквами греческого алфавита α (альфа), β (бета), γ (гамма) и т. д. Греческая буква при атоме углерода обозначает его удаленность от карбоксильной группы. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

209

Структурная изомерия аминокислот обусловлена взаимным расположением аминогруппы и карбоксильной группы в открытой углеродной цепи и различным строением углеродной цепи. Например, 2-аминобутановая, 3-аминобутановая, 4-аминобутановая и 2-амино-2-метилпропановая кислота — изомеры аминокислот состава C4H9O2N:

Физические свойства Аминокислоты — бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и малорастворимые в органических (неполярных) растворителях. Они бывают сладковатые и горьковатые на вкус или безвкусные. Аминокислоты хорошо кристаллизуются, имеют высокую плотность и высокие температуры плавления, например для серина температура плавления — 253 °С, для лейцина — 337 °С. Химические свойства В состав молекул α-аминокислот входят две различные функциональные группы: карбоксильная (кислотная) и аминогруппа (основная), поэтому они обладают амфотерными свойствами и существуют в растворах в виде биполярных ионов: 210

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

В водном растворе нейтральных аминокислот, например таких, как глицин или аланин, в зависимости от реакции среды могут содержаться следующие формы:

В кислой среде биполярный ион ведет себя как основание, т. е. присоединяет протон, а в щелочной среде — как кислота. В результате того и другого процесса образуются соли, хотя и разного состава. Рассмотрим химические свойства α-аминокислот на примере глицина (аминоуксусной кислоты).

1) Реакции по карбоксильной группе Карбоксильная группа —СООН определяет кислотные свойства аминокислот. Они взаимодействуют со щелочами с образованием солей:

Для аминокислот, аминогруппа которых защищена солеобразованием, реакции по карбоксильной группе протекают аналогично превращениям карбоновых кислот. Аминокислоты легко образуют соли, сложные эфиры. Например, реакция аминокислот со спиртами в присутствии сухого хлороводорода (HCI) приводит к образованию сложных эфиров аминокислот в виде соли по аминогруппе:

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

211

Рис. 80. Шаростержневая модель молекулы дипептида

2) Реакция аминогруппы Реакции аминогруппы аминокислот аналогичны превращениям аминов. Аминокислоты образуют соли с минеральными кислотами:

3) Образование пептидов Важнейшее свойство аминокислот — их способность взаимодействовать друг с другом с образованием пептидов (рис. 80). В реакцию молекулярной конденсации могут вступать молекулы как одной и той же, так и разных аминокислот. Ниже приведена схема образования одного из четырех возможных дипептидов из таких аминокислот, как аланин и глицин:

Дипептиды характеризуются наличием пептидной (амидной) группы

,

и связь между атомами углерода и азота в данном случае называется пептидной. Молекула дипептида так же, как и аминокислоты, содержит аминогруппу и карбоксильную группу. Поэтому она может реагировать еще с одной молекулой аминокислоты с образованием трипептида. В процессе дальнейшей реакции могут быть получены тетра-, пентапептиды и т. д., вплоть до образования полипептида.

212

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Природными полипептидами являются белки, в состав которых входят аминокислотные остатки различных α-аминокислот. Большинство полипептидов являются биологически активными веществами. Так, трипептид глутатион относится к группе гормонов, ответственных за детоксикацию чужеродных соединений в организме человека. В состав этого гормона входят остатки аланина, цистеина и глутаминовой кислоты. Гормон окситоцин — нонапептид, вызывающий сокращение гладких мышц, содержит остатки девяти аминокислот.

Получение α-Аминокислоты получают из α-галогензамещенных карбоновых кислот при взаимодействии с аммиаком. При этом галоген замещается на аминогруппу: → H2NCH2COOH + NH4CI СН2(Сl)СООН + 2NH3⎯⎯ хлоруксусная кислота

аминоуксусная кислота

Ароматические аминокислоты получают при восстановлении нитропроизводных ароматических кислот по реакции Зинина:

Гидролизом белков получают смесь аминокислот. Аминокислоты — это органические соединения, содержащие в составе молекул две функциональные группы: карбоксильную группу с кислотными свойствами и аминогруппу с основными свойствами. Поэтому они взаимодействуют как с основаниями, так и с кислотами, являясь амфотерными веществами. Аминокислоты взаимодействуют друг с другом, образуя пептиды с различным числом остатков аминокислот, вплоть до образования полипептидов. Аминокислоты и их производные имеют важнейшее биологическое значение для жизнедеятельности человека. Вопросы и задания 1. Охарактеризуйте строение аминокислот.

2. Приведите общую формулу α-аминокарбоновых кислот.

3. Назовите правила названия аминокислот по заместительной номенклатуре. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

213

4. Чем обусловлена изомерия моноаминомонокарбоновых кислот? Приведите примеры, назовите вещества.

5. Выберите формулы аминокислот: а) С2H5NО2

б)

в) СH3NH2

г) C6H5NО2

д) С17Н35СООН

е)

ж) CH2(NH2)CH2OH

6. Составьте уравнения реакций аминоуксусной кислоты и α-аминопропановой кислоты со следующими веществами: а) соляной кислотой; б) гидроксидом калия; в) этанолом.

7. В чем состоит особенность проявления амфотерных свойств аминокислотами по сравнению с проявлением амфотерных свойств неорганическими веществами?

8. Какая химическая связь называется пептидной связью? Приведите пример образования ди- и трипептидов.

9. Составьте структурные формулы четырех различных дипептидов, которые можно получить из аминоуксусной и α-аминопропановой кислот.

10. Определите молекулярную формулу азотсодержащего вещества и, если возможно, составьте структурную формулу, зная, что массовые доли элементов в нем следующие (в %): С — 32,0; О — 42,7; Н — 6,7.

11. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → CH3CHO⎯⎯ → CH3COOH⎯⎯ → CH2(CI)COOH⎯⎯ → СH2(NH2)COOH; а) СН3—СН2ОН⎯⎯ → уксусная кислота⎯⎯ → хлоруксусная кислота⎯⎯ → аминоуксусная кислота⎯⎯ → б) бутан⎯⎯ ⎯⎯ → глицилаланин.

12. Для реакции с аминоуксусной кислотой массой 161,25 г был взят раствор гидроксида калия с массовой долей щелочи 35 % (плотность 1,341 г/см3). Реакция протекала с выходом продукта, равным 88,4 %. Определите объем раствора щелочи, затраченной в реакции.

§ 54. Полиамидные волокна. Капрон Как вам известно, некоторые высокомолекулярные соединения могут использоваться для получения химических волокон — искусственных и синтетических (см. рис. 65). Искусственные волокна, например ацетатные, получают на основе природных высокомолекулярных соединений, главным образом целлюлозы. Синтетические волокна производят из синтетических высокомолекулярных соединений. К группе синтетических волокон относятся и полиамидные — капрон и найлон.

214

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

К полиамидным волокнам относится также кевлар, oбразующийся из дихлорангидрида терефталевой кислоты:

и n-фенилендиамина:

Он находит применение при изготовлении пуленепробиваемых жилетов, сверхлегких летательных аппаратов и т. д. Прочность кевлара в 5 раз выше прочности стали и в 10 раз выше прочности алюминия (на одну массу).

Капрон Полимер, из которого получают волокно капрон, образуется путем реакции поликонденсации ε-аминокапроновой (6-аминогексановой) кислоты: → nH2N—(CH2)5—COOH⎯⎯ ε-аминокапроновая кислота

+ (n − 1)H2O полимер

Полимер капрон также получается в результате полимеризации ε-капролактама:

Макромолекулы капрона содержат остатки ε-aминокапроновой кислоты, связанные амидными группами

(в белках такую группу принято

называть пептидной). Поэтому капрон относят к группе полиамидных волокон. Макромолекулы капрона имеют линейную структуру. Полимер представляет собой смолу, из расплава которой формуют волокна так же, как и полиэфирное волокно лавсан. Капроновые волокна вытягивают, после чего они становятся высокопрочными. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

215

Рис. 81. Применение капрона

Свойства волокна капрон. Применение Капроновые волокна отличаются высокой прочностью, устойчивостью к истиранию, не впитывают влагу. Поэтому они применяются для получения различных видов ткани, из которых изготавливают одежду, искусственный мех, ковровые изделия, кордную ткань. Из капроновой смолы получают пластмассы для изготовления различных деталей машин и других предметов (рис. 81). К полиамидным волокнам относится найлон-6,6. Полиамид найлон-6,6 получают поликонденсацией гексаметилендиамина и адипиновой кислоты:

2

Капрон — химическое синтетическое полиамидное волокно. Капрон получают химическим методом в процессе реакции поликонденсации. В структуре макромолекул полиамидных полимеров содержатся амидные группы 216

.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Вопросы и задания 1. Разъясните, чем отличаются искусственные волокна от синтетических.

2. К какой группе волокон относится капроновое волокно?

3. Каким химическим методом получают волокно капрон, волокно найлон?

4. Укажите, что общего в строении макромолекулы капрона и молекулы трипептида ε-аминокапроновой кислоты.

5. Составьте уравнение реакции синтеза полиамидного волокна капрон.

6. Разъясните, на основании какого признака полиэфирное волокно лавсан и полиамидное волокно капрон относят к одной группе синтетических волокон.

7. Укажите, что общего в строении макромолекулы капрона и молекулы глицилаланина.

8. Где применяется полиамидное волокно капрон?

9. На производство капрона была израсходована ε-аминокапроновая кислота массой 2489 кг. В результате был получен полимер массой 2035,1 кг. Определите выход продукта реакции.

10. Для получения полиамида найлон-6,6 был взят гексаметилендиамин массой 2320 кг и адипиновая кислота массой 3504 кг. В результате на производстве получили полимер с выходом продукта 96 %. Определите массу полученного полиамида найлон-6,6.

§ 55. Белки Строение Белки — это высокомолекулярные природные полимеры, построенные из остатков α-аминокислот. Практически все белки построены из 20 видов α-аминокислот, связь между которыми осуществляется за счет карбоксильной группы одной аминокислоты и аминогруппы другой аминокислоты:

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

217

В белковых молекулах связь между остатками аминокислот (группой одной кислоты и группой

С

О

NH другой аминокислоты) является амидной связью.

В химии пептидов и белков такую связь, как правило, называют пептидной связью, а группа атомов

называется пептидной группой.

С π-электронами связи карбонильной группы вступает в сопряжение неподеленная пара электронов атома азота. В результате такого сопряжения электронная плотность смещается в сторону атома кислорода как более электроотрицательного атома. В этом случае связь азот—углерод в определенной степени носит характер двойной связи и короче обычной связи углерод—азот. При этом удлиняется связь углерод—кислород. В результате такого взаимодействия затруднено свободное вращение вокруг пептидной связи, а пептидная (амидная) группа атомов приобретает плоское строение. Белковая молекула может содержать от одной до нескольких сотен, а иногда и более тысячи аминокислотных остатков, поэтому относительные молекулярные массы белков могут составлять от нескольких десятков тысяч до многих миллионов. Молекулы многих белков имеют не только значительные относительные молекулярные массы, но и большие размеры (табл. 35). Та б л и ц а 35. Относительные молекулярные массы и размеры молекул некоторых белков Название белка

Относительная молекулярная масса

β-Липопротеид сывороточный

1 300 000

18,5

18,5

Коллаген

350 000

1,4

300

γ-Глобулин сывороточный

300 000

4,4

28,5

Фиброген

450 000

Пепсин

35 000

3,7

7,4

Рибонуклеаза

13 000

2,9

4,5

Размер, нм

4,70

Большой вклад в изучение строения и обмена белков внес русский ученый А. Я. Д а н и л е в с к и й. Белки — очень сложные органические образования. С помощью специальных методов было установлено, что существуют четыре уровня организации белковых молекул: первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры молекулы белка.

218

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Каждый индивидуальный белок имеет свою строгую последовательность аминокислотных остатков. Последовательность аминокислотных остатков в линейной полипептидной цепи называют первичной структурой молекулы белка. Такая структура определяет порядок повторяемости аминокислотных остатков, и она выражает химическое строение белков, например: H2N—Gly—Ala—Phe—Glu—Cys—COOH Понятие «вторичная структура» относится к устойчивому пространственному изомеру (конформации), образованному из полипептидной цепи. Несмотря на плоскую жесткую структуру пептидной связи, в полипептидной цепи имеются места, допускающие свободное вращение вокруг одинарных связей (рис. 82). Благодаря этому полипептидная цепь может существовать в виде устойчивого пространственного изомера, напоминающего по форме спираль. Такая структура белка рассматривается как вторичная (рис. 83). Устойчивость структуры поддерживается образованием водородных связей между группами —NH— и

С

О, направленными вдоль оси спирали. В од-

ном витке спирали находятся около четырех остатков аминокислот. Следовательно, молекулы белков характеризуются также способом укладки цепи в пространстве. В расшифровке вторичной структуры белков принимали участие многие выдающиеся ученые, среди которых выделяется Л. П о л и н г. Существование спиральной структуры подтверждено исследованиями белков мышц, волос и ногтей. Были предложены также и другие вторичные структуры белковых молекул.

Рис. 82. Модель участка полипептидной цепи

Рис. 83. Схематическое изображение вторичной структуры белка

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

219

Лайнус Карл Полинг (1901—1994) Американский химик. Один из авторов модели альфаспирали молекулы белка. Нобелевский лауреат (1954) за исследование природы химической связи. Нобелевский лауреат премии Мира (1962) за вклад в борьбу против атмосферных испытаний ядерного оружия.

В процессе закручивания полипептидной цепи в спираль функциональные группы —SH, —ОН, —NH2, —СООН могут строго определенным способом взаимодействовать между собой с образованием дисульфидных —S—S—, сложноэфирных и других мостиков. Кроме того, между карбонильными и аминогруппами, а также с участием обеих групп и молекул воды возникают водородные связи. В результате этого спираль как бы изгибается, происходит стабилизация структуры, напоминающей по форме клубок. Такая структура называется третичной (рис. 84), именно она обусловливает специфическую биологическую активность белковой молекулы. Если в состав белка входит не одна полипептидная цепь, а несколько, то возникает четвертичная структура. Такая структура отражает способ объединения и расположения в пространстве нескольких связанных между собой водородными связями полипептидных цепей. Примером такого сложного комплекса является белок гемоглобин.

Рис. 84. Схематическое изображение третичной структуры белка

По химическому составу белки разделяют на простые (протеины), состоящие только из остатков α-аминокислот, и сложные (протеиды). Сложные белковые образования могут включать ионы металлов, углеводы, липиды, гетероциклические соединения и другие неаминокислотные компоненты.

Белки в природе Белки широко распространены в природе и выполняют важнейшие функции в обеспечении жизнедеятельности всего живого на Земле. В живом организме протекают тысячи химических реакций, и все они осуществляются в присутствии катализаторов — ферментов. Все ферменты представляют собой белковые молекулы. Одной из важнейших функций ферментов является их способность ускорять реакции в миллионы раз.

220

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Другой важнейшей функцией белков является определение механохимических процессов в живом организме, в результате которых химическая энергия пищи превращается в необходимую для движения организма механическую энергию. Важнейшую роль в жизнедеятельности всего живого играют комплексы белков с нуклеиновыми кислотами — нуклеопротеиды. Из них состоят хромосомы, в которых закодирована информация о наследственности организма, и рибосомы, в которых происходит синтез белковых молекул. Белки входят в состав комплексов, регулирующих обмен веществ в организме, работу мышц, желез внутренней секреции и т. д. На долю белков приходится около 50 % сухой массы органических соединений животной клетки. Основу костной и соединительной тканей человека и животных, а также основу шерсти, роговых образований у животных составляют белки. Белки — высокомолекулярные природные полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью. Каждый индивидуальный белок характеризуется специфической аминокислотной последовательностью и индивидуальной пространственной структурой. Различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белков; простые и сложные белки. Вопросы и задания 1. Поясните значения термина «белки» с точки зрения органической химии.

2. Из приведенных формул выберите формулы тех веществ, из которых синтезируются белки: а) CH2(NH2)—СН2—СН2—СН2—СН2—СООН C2H5NH2 CH3—СH(NH2)—СООН CH2(NH2)COOH C6H5OH C6H5NH2 HOOC—(CH2)2—СH(NH2)—СOOH б) C2H5—NH—С2H5 C6H5—СН2—СH(NH2)—СООН NH2—(СН2)6—NH2

3. Укажите: а) из атомов каких элементов состоят белки; б) чем отличается элементарный состав белков от элементарного состава жиров и углеводов.

4. Что представляет собой первичная структура молекулы белка?

5. Чем обусловлена вторичная структура молекулы белка?

6. Сколько уровней организации белковых молекул существует и чем отличается вторичная структура от первичной? Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

221

7. Выберите ту запись, которая соответствует пептидной группе и дайте ей определение:

8. Объясните, на основании каких признаков белки относят к полимерам. Укажите, в чем сходство и различие в строении молекул белков по сравнению с другими полимерами.

9. На основании какого признака белки разделяют на простые (протеины) и сложные (протеиды)? Что понимают под термином «белковые вещества»?

10. Приведите структурные формулы всех возможных дипептидов, образующихся при взаимодействии двух различных аминокислот: а) 2-аминоэтановой кислоты и 2-амино-3-метилбутановой кислоты; б) 2-аминопропановой кислоты и 2-амино-3-метилбутановой кислоты.

§ 56. Свойства белков Физические свойства Различают белки твердые, жидкие, полужидкие (студнеобразные). Твердые белки нерастворимы в воде и солевых растворах. Жидкие и полужидкие белки растворяются в воде и солевых растворах. Растворимость белков также связана с их молекулярной массой и строением. Белки, имеющие небольшую массу, растворяются в воде лучше. Примером может быть белок альбумин, содержащийся в яичном белке. Белки принято подразделять по их растворимости на глобулярные (лат. globulus — шарик), растворимые в воде или образующие в ней коллоидные растворы (например, такие белки, как гемоглобин, ферменты, многие гормоны), и фибриллярные (лат. fibrilla — волоконце, ниточка) — нерастворимые в воде, например, такие белки, как коллагены (белки, содержащиеся в коже и соединительных тканях), эластины (белки, содержащиеся в легких, артериях), кератины (белки, содержащиеся в волосах, ногтях).

Химические свойства 1) Важное свойство белка — способность подвергаться гидролизу. Ферментативный, кислотный или щелочной гидролиз белков проходит последовательно с образованием полипептидов и олигосахаридов все меньшей молярной массы, а затем аминокислот, из которых построен индивидуальный белок. Рассмотрим для примера схему гидролиза участка молекулы белка: 222

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

В процессе гидролиза разрушаются все пептидные связи белковых молекул. Белки пищи в желудке и кишечнике подвергаются гидролизу до аминокислот под действием ферментов.

2) При действии сильных кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, радиации и нагревании происходит нарушение третичной структуры белковых молекул. Это явление называют денатурацией (слово «денатурация» происходит от лат. denature, de — отделение и nature — природа) (рис. 85). Один из примеров денатурации известен практически каждому человеку. Это пример «свертывания» яичных белков при варке яиц. В процессе денатурации белок теряет свойственные ему качества. Денатурация белка, как правило, процесс необратимый.

3) При сильном нагревании может происходить не только денатурация, но и разложение молекул белков с образованием летучих веществ, обладающих специфическим запахом.

Рис. 85. Схема денатурации белковой молекулы: а — молекула белка до денатурации; б — денатурированный белок Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

223

Рис. 86. Биуретовая реакция белков

Рис. 87. Ксантопротеиновая реакция белков

4) Белки дают ряд цветных реакций, обусловленных наличием в их составе определенных аминокислотных остатков или химических группировок (—SH, и др.). К важнейшим цветным реакциям относится универсальная биуретовая реакция. Если к раствору любого белка в щелочной среде прилить раствор соли двухвалентной меди, то происходит сине-фиолетовое окрашивание, указывающее на наличие в белках пептидной связи (рис. 86). Биуретовая реакция может использоваться не только для аналитического обнаружения белков в растворе, но также для определения концентрации белков. Существует также несколько специфических цветных реакций, указывающих на наличие в составе остатков аминокислот белка конкретных группировок атомов. Так, если раствор белка обработать концентрированной азотной кислотой, а затем добавить раствор щелочи, то появится желтая окраска, переходящая в оранжевую. Эта реакция доказывает наличие бензольного кольца в остатках аминокислот и называется ксантопротеиновой (рис. 87). Роль белков как питательных веществ В организме человека содержатся тысячи различных индивидуальных белков, которые синтезируются в организме и отличаются по структуре от белков, поступающих с пищевыми продуктами. Основой для синтеза индивидуальных белков являются те аминокислоты, из остатков которых состоят белки пищи. Под влиянием ферментов, содержащихся в желудке и кишечнике, белки пищи подвергаются гидролизу. Конечным результатом гидролиза являются аминокислоты. Эти аминокислоты через лимфу поступают в кровь, которая доставляет их во все ткани и клетки организма. Большая часть этих аминокислот расходуется на 224

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

синтез собственных белков человека, который происходит с поглощением энергии под действием специфических ферментов. Некоторые аминокислоты, необходимые человеку для синтеза собственных белков и не содержащиеся в пищевых продуктах, могут синтезироваться из других, близких по строению, аминокислот. Но имеются десять аминокислот, которые организм человека не может синтезировать из других, и поэтому они должны обязательно поступать с белком пищи. Такие аминокислоты получили название незаменимые. К ним относятся фенилаланин, треонин, лизин, валин, метионин, лейцин, изолейцин, триптофан, гистидин и аргинин. Животные белки, поступающие в организм при употреблении молока, яиц, мяса, содержат все необходимые аминокислоты, а в растительных белках некоторых аминокислот мало или совсем нет. При подборе продуктов для полноценного питания необходимо обеспечить минимум аминокислот из расчета ежедневной нормы для человека (не менее 100 г белков). В организме человека лишь часть аминокислот идет на синтез собственного белка, а часть подвергаются постепенному распаду и окислению. Различают белки твердые, жидкие, полужидкие. Белки бывают животного и растительного происхождения. Белки подвергаются гидролизу, могут образовывать соли как с кислотами, так и с основаниями, окисляться; им свойственны «цветные реакции», по которым можно идентифицировать белки. Белковая пища должна обязательно входить в ежедневный рацион питания человека, так как продукты ее гидролиза — аминокислоты — являются основой синтеза индивидуальных собственных белков человека. Вопросы и задания 1. Назовите важнейшие химические свойства белков.

2. Охарактеризуйте явление денатурации белка. Какими факторами оно вызывается?

3. Напишите уравнения реакций образования всех дипептидов из глицина и фенилаланина.

4. Напишите формулы и названия аминокислот, образующихся при гидролизе следующего пентапептида, используя для этого данные таблицы 34:

5. Перечислите известные вам характерные цветные реакции на белок. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

225

6. Какими реакциями можно доказать, что молекулы белков построены из остатков аминокислот?

7. В двух пробирках находятся бесцветные жидкости: в одной из них — раствор белка, в другой — раствор глицерина. При помощи каких реакций можно установить содержимое каждой пробирки?

8. По какому признаку аминокислоты в органической химии подразделяют на незаменимые и заменимые?

9. Какова роль белковой пищи для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека?

10. Определите, чему может быть равна относительная молекулярная масса белковой молекулы, массовая доля серы в которой равна 0,4 %. При расчетах исходите из того, что в молекуле белка имеются два остатка аминокислот, содержащих по одному атому серы.

11. При кислотном гидролизе дипептида массой 33 г образовалось только одно вещество — хлороводородная соль одной аминокислоты. Масса этой соли равна 55,75 г. Установите строение дипептида.

Лабораторный опыт 11 Свойства белков: денатурация, цветные реакции 1. Налейте в пробирку раствор куриного белка объемом 2—3 см3. Рассмотрите содержимое пробирки и сделайте вывод о растворимости белка в воде. Далее медленно нагревайте раствор в пламени спиртовки. Наблюдайте, что при этом происходит.

2. После охлаждения содержимого пробирки прилейте в нее воду объемом 1—2 см3. Наблюдайте, растворяется ли в воде осадок, полученный после нагревания белка.

3. Прокипятите в пробирке с водой небольшой кусочек мяса. Проведите характерную реакцию на белки. Для этого отлейте в другую пробирку раствор белка объемом примерно 1 см3 и добавьте к нему равный объем щелочи и несколько капель раствора сульфата меди(II) до появления сине-фиолетового окрашивания. Практическая работа 4 Решение экспериментальных задач Вариант 1 Задача 1. Докажите опытным путем, что в растительном масле в молекулах триглицеридов содержатся остатки ненасыщенных кислот. Задача 2. Докажите опытным путем, что в составе молекул глицерина отсутствует альдегидная группа. Задача 3. В трех пронумерованных пробирках находятся бесцветные растворы белка, глюкозы и карбоновой кислоты. Определите опытным путем каждое из трех предложенных вам веществ. Задача 4. Докажите теоретически, что анилин обладает основными свойствами.

226

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Вариант 2 Задача 1. Докажите опытным путем, что выданный вам прозрачный раствор содержит белок. Задача 2. Докажите опытным путем, что в составе молекул глюкозы имеются функциональные группы двух различных видов. Задача 3. В трех пронумерованных пробирках находятся бесцветные растворы мыла, глицерина и крахмального клейстера. Определите опытным путем каждое их трех предложенных веществ. Задача 4. Докажите теоретически, что аминоуксусная кислота относится к амфотерным соединениям.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ГЛ А В А 1 0 ОБОБЩЕНИЕ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ ПО ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ § 57. Классификация и номенклатура органических соединений Классификация органических соединений Органические соединения в зависимости от состава и строения разделяют на углеводороды и их производные, в которых атом водорода замещен на функциональную группу. Органические соединения в зависимости от строения углеродной цепи делят на алифатические (ациклические) и циклические. К алифатическим относят органические соединения с открытой цепью атомов углерода. Углеводороды в зависимости от типа углерод-углеродных связей подразделяют на насыщенные (с одинарными связями), ненасыщенные (с кратными связями) и ароматические (табл. 36). Та б л и ц а 36. Классификация углеводородов Тип химической связи

Класс

Общая формула

Название простейшего представителя

Одинарная

Алканы

CnH 2n + 2

Метан

Двойная

Алкены

C nH 2n

Этен

Двойные

Диены

C nH 2n – 2

Бутадиен-1,3

Тройная

Алкины

C nH 2n – 2

Этин

Особая

Ароматические

C nH 2n – 6

Бензол

228

Структурная формула простейшего представителя

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

H—C

C—H

Номенклатура углеводородов 1. Названия насыщенных углеводородов с неразветвленной цепью, начиная с пяти углеродных атомов (углеводороды С1—С4 имеют тривиальные названия), по систематической номенклатуре образуют из греческих названий чисел с добавлением суффикса -ан. Присутствие двойной связи указывается изменением суффикса -ан на -ен; тройной связи — изменением суффикса -ан на -ин. Цифру, указывающую атом углерода, за которым следует кратная связь, по номенклатуре ИЮПАК записывают после суффикса.

2. Общее название углеводородов с одинарными связями — алканы или циклоалканы; с двойными — алкены, с тройными — алкины.

3. Соединения с разветвленной цепью углеродных атомов рассматривают как производные углеводорода с неразветвленной цепью. Основу названия определяет наиболее длинная цепь атомов углерода, которая обязательно должна содержать кратную связь.

4. Цепь нумеруют арабскими цифрами, начиная с того конца, ближе к которому находится заместитель; при наличии кратных связей наименьший номер должен получить атом углерода, за которым следует кратная связь.

5. Во всех случаях записи названий веществ предпочтительнее использовать заместительную номенклатуру ИЮПАК, а название заместителей приводить в алфавитном порядке с указанием их положения.

6. Основу названия ароматических соединений составляет слово «бензол», к которому в виде префикса добавляют название заместителя. Наличие в кольце бензола нескольких заместителей указывают цифрами, причем нумерацию атомов углерода кольца производят таким образом, чтобы при выборе из нескольких вариантов первая отличающаяся цифра положения заместителя была наименьшей. Соединения, содержащие функциональные группы, приведены в таблице 37. Та б л и ц а 37. Классификация соединений с функциональными группами Класс

Общая формула

Название простейшего представителя

Карбоновые кислоты

R—COOH

Метановая кислота

Альдегиды

R—CHO

Метаналь

Спирты

R—OH

Метанол

Структурная формула простейшего представителя

H3C—OH

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

229

Продолжение Класс

Общая формула

Название простейшего представителя

Фенолы

R—OH

Фенол

Амины

R—NH2

Метанамин

H3C—NH2

Глицин

H2N—CH2—COOH

α-Аминокислоты

Структурная формула простейшего представителя

Номенклатура соединений, содержащих функциональные группы 1. Названия соединений образуют добавлением к названию соответствующего насыщенного углеводорода суффикса функциональной группы: карбоксильная группа — -овая кислота; альдегидная группа — -аль; гидроксильная группа — -ол; аминогруппа — -амин.

2. Нумерацию углеродных атомов начинают с атома углерода функциональной группы, в других случаях атом углерода, к которому примыкает функциональная группа, должен получить наименьший номер.

3. В приведенной таблице функциональные группы расположены по старшинству сверху вниз: карбоксильная группа является самой старшей. Поэтому, если в соединении присутствуют две различные функциональные группы, в суффиксе должна быть только старшая функциональная группа, другая функциональная группа должна находиться в префиксе как заместитель (префикс для альдегидной группы — формил, гидроксильной группы — гидрокси, аминогруппы — амино). Например, соединение

называют 2-бром-4-гидроксипентановой кислотой. Органические соединения в зависимости от строения углеродной цепи можно разделить на алифатические и циклические; в зависимости от наличия функциональных групп — на углеводороды и функционально замещенные углеводородов.

230

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Во всех случаях записи названий веществ предпочтительнее использовать заместительную номенклатуру. Вопросы и задания 1. Приведите классификацию органических соединений в зависимости от состава и строения цепи.

2. На основании каких признаков классифицируют углеводороды?

3. Какие из соединений, формулы которых приведены: а) H3C—CH

CH—CH2—CH3

б) H3C—CH

CH—CH2—OH

г) H3C—CH

CH—CH2—CHO

д)

е)

в)

,

относят к алифатическим органическим соединениям?

4. Заполните таблицу по предлагаемому образцу. СН3—СН2—СН2—СН3 CH3—CH

Н—СООН

Метановая кислота

СН3—CH2—СНО

CH2

CH2 Br—CH

Бутан

CH2

CH3—CH

C

CH3—C

C—CH3

CH2

СН3—CH2—ОН С6Н5ОН (СН3)2NH

5. Напишите структурные формулы и названия трех соединений различных классов по заместительной номенклатуре ИЮПАК.

6. Среди приведенных групп выберите старшую функциональную группу: —Br; —NH2; —Cl; —OH. 7. Укажите старшую функциональную группу в соединениях: а) NH2—CH2—COOH; б) CH2

CH—CHO. Приведите полные названия соединений.

§ 58. Многообразие органических соединений. Изомерия В настоящее время известно более 20 млн органических соединений природного и синтетического происхождения, что намного превышает число неорганических веществ. Одной из причин, объясняющих такое численное превосходство органических соединений, является существование изомеров. Изомерами называют вещества, имеющие одинаковый состав молекул, но различное химическое строение и поэтому обладающие разными свойствами. Изомеры имеют одну и ту же молекулярную формулу, поэтому для их обозначения часто используют структурные формулы (или формулы строения), отраОбразовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

231

жающие порядок соединения атомов, а иногда и их пространственное расположение, чтобы можно было определить, о каком конкретно веществе идет речь. Например, молекулярная формула С4Н8 соответствует не только веществам, имеющим одинаковую химическую природу (табл. 38, примеры 1—4), но и веществам, принадлежащим к разным классам органических соединений (табл. 38, примеры 5, 6). Та б л и ц а 38. Изомеры состава С4Н8 Молекулярная формула 1) С4Н8

Структурная формула СН3—СН2—СН

СН2

Название Бутен-1

2) С4Н8

2-Метилпропен

3) С4Н8

Цис-бутен-2

4) С4Н8

Транс-бутен-2

5) С4Н8

Циклобутан

6) С4Н8

Метилциклопропан

Существование органических соединений, имеющих одинаковый молекулярный состав, но различный порядок соединения атомов в молекулах или различное расположение атомов в пространстве, называется изомерией (греч. isos — равный и meros — доля, часть). Термин «изомерия» ввел в химию Й. Б е р ц е л и у с в 1830 г., а подлинное объяснение этот термин получил во второй половине XIX в. на основе теории химического строения А. М. Б у т л е р о в а и стереохимического учения Я. Г. В а н т - Го ф ф а . Различают изомерию структурную и пространственную. Структурная изомерия — это результат различий в химическом строении веществ. К этому типу относят (рис. 88): 1) изомерию углеродного скелета (или цепи), обусловленную различным порядком связи атомов углерода; 232

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Рис. 88. Виды структурной изомерии

2) изомерию положения, обусловленную различным положением функциональных групп или кратных связей при одинаковом углеродном скелете. Пространственная изомерия (или стереоизомерия) возникает в результате различий в пространственной конфигурации молекул, имеющих одинаковое химическое строение. Рассмотрим на конкретных примерах изомеры структурные и пространственные, а также и вид изомерии, в результате которого возникают те или иные изомеры. Структурная изомерия Изомерия углеродной цепи Изомерия цепи (или углеродного скелета) характерна для любых классов органических соединений алифатического ряда. Явление изомерии обусловлено разветвлением цепи атомов углерода. В таблице 39 приведены для примера изомеры алканов, алкинов, спиртов, карбоновых кислот, сложных эфиров. Та б л и ц а 39. Изомерия углеродной цепи Молекулярная формула

Структурная формула

Название

C5H12

СН3—СН2—СН2—СН2—СН3

Пентан 2-Метилбутан

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

233

Продолжение Молекулярная формула

Структурная формула

Название 2,2-Диметилпропан

C5H 8

CH3—CH2—CH2—C

Пентин-1

CH

3-Метилбутин-1

C5H12O

Пентанол-1

CH3—CH2—CH2—CH2—CH2OH

2-Метилбутанол-1

C5H10O2

CH3—CH2—CH2—CH2—COOH

Пентановая кислота 2-Метилбутановая кислота

3-Метилбутановая кислота

C4H 8O 2

Пропилметаноат (пропиловый эфир муравьиной кислоты)

Изопропилметаноат (изопропиловый эфир муравьиной кислоты)

Изомерия положения функциональных групп или кратных связей Изомерия положения функциональных групп характерна для спиртов, фенолов, аминов. Например, для соединения состава С5Н12О такими изомерами являются: СН3—СН2—СН2—СН2—СН2ОН пентанол-1

234

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Примерами изомеров двухатомных фенолов состава С6Н6О2 являются:

Изомерия положения кратных связей характерна для алкенов и алкинов, диенов. Например:

Примерами изомерии взаимного положения функциональных групп являются: α-аминопропановая кислота (1) β-аминопропановая кислота (2):

Пространственная изомерия В школьном курсе химии вы познакомились только с двумя примерами пространственной изомерии, характерной для соединений, содержащих двойные связи, и циклических соединений. Первый пример относится к соединениям, имеющим разные заместители около двойной связи. В этом случае изомеры отличаются друг от друга пространственОбразовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

235

ным расположением заместителей относительно плоскости двойной связи (чаще всего С С). Заместители могут располагаться либо по одну сторону плоскости двойной связи (цис-положение), либо по разные стороны (транс-положение). Например:

Другим примером пространственных изомеров являются α- и β-формы глюкозы, различающиеся положением гидроксильных групп у первого атома углерода:

Существуют и другие виды стереоизомерии, изучение которых предусмотрено в высших учебных заведениях. Явление изомерии в значительной степени способствует росту числа известных и потенциально возможных соединений. Например, возможное число структурных изомерных дециловых спиртов более пятисот, а пространственных изомеров здесь более тысячи пятисот.

Изомерия — существование соединений, одинаковых по составу и молярной массе, но различных по физическим и химическим свойствам. Различают изомерию структурную и пространственную. Явление изомерии в огромной степени способствует росту числа известных и еще в большей степени числа потенциально возможных изомеров. Вопросы и задания 1. Дайте определение понятиям «изомерия», «изомеры».

2. Укажите названия известных вам типов изомерии.

3. Дайте характеристику понятия «структурная изомерия» и приведите примеры изомеров различных видов.

236

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

4. Выберите формулы изомерных веществ и назовите их, укажите вид структурной изомерии: а) СН3—СН2—СН2—СН2ОН

б) CH2(NH2)—СH2—СOOH

в) CH3CH(NН2)—СOOH д)

г) CH3—СH2—СH е)

CH—СH3

ж) CH2(OH)—СH2—СH2—СH3 5. Составьте формулы всех возможных структурных изомеров для веществ состава: а) С6Н14; б) С5Н8; в) C3H6O2; г) C6H13NO2.

6. Составьте две структурные формулы веществ, изомерных веществу

, и одну формулу вещества, изомерного веществу СН3—С

СН.

7. Выберите формулы тех веществ, у которых массовые доли углерода равны, и обоснуйте свой выбор: CH3COOH, C2H5NH2, HCOOCH3, C2H5CHO, CH2OH—СH2OH, C2H5—С

CH, CH3—СH2—СH

CH2.

§ 59. Классификация органических реакций, закономерности их протекания Классификация органических реакций В органической химии реакции классифицируют в зависимости от характера изменения строения реагирующих молекул и характера изменения связей. В зависимости от характера изменения строения молекул и конечного результата реакций их разделяют на реакции замещения, присоединения и отщепления.

1. Реакции замещения В реакциях замещения атом или группа атомов в исходной молекуле замещается на другой атом или группу атомов.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

237

Такие реакции характерны для алканов, ароматических соединений, галогенуглеводородов, спиртов, фенолов, карбоновых кислот и углеводов, хотя и протекают по различным механизмам.

2. Реакции присоединения В реакциях присоединения происходит разрыв π-связи и присоединение к атомам углерода атомов галогенов или фрагментов реагентов.

кат., t

→ CH3—CH2—CH2—CH2—OH СH3—СH2—СH2—СHO + H2 ⎯⎯⎯⎯

бутаналь

бутанол-1

Реакции присоединения характерны для углеводородов с кратными связями, альдегидов, моносахаридов и в жестких условиях возможны для ароматических соединений.

3. Реакции отщепления спирт, t

СH3—СH2—СH2—СH2Br + NaOH ⎯⎯⎯⎯⎯ → 1-бромбутан

⎯⎯ → CH3—CH2—CH

CH2 + NaBr + H2O

бутен-1

Реакции отщепления характерны в основном для галогенуглеводородов и спиртов. Среди реакций присоединения особым видом являются реакции полимеризации, а среди реакций замещения — реакции поликонденсации.

4. Реакции полимеризации

238

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

5. Реакции поликонденсации

6. С участием кислорода или водорода проходят реакции окисления и восстановления, которые характеризуются изменением степени окисления реагирующих атомов и приводят в большинстве случаев к образованию практически важных продуктов. Например:

Понятие о механизмах реакций Любую химическую реакцию можно рассматривать как процесс разрыва химических связей в исходных соединениях и образования новых связей в конечных продуктах. В ходе этого процесса обычно затрагивается не вся молекула, а только ее часть — реакционный центр, которым упрощенно можно считать функциональную группу. В зависимости от типа разрыва связей органические реакции подразделяют на радикальные и ионные, причем реакции одного типа могут проходить по разным механизмам. Например, замещение атомов водорода в алканах при действии галогенов и облучения (реакция замещения) происходит с промежуточным образованием радикалов, а замещение атома водорода в бензоле на атом галогена в присутствии хлорида алюминия (реакция замещения) происходит с ионным типом разрыва связей. Химические свойства каждого конкретного класса органических соединений определяет функциональная группа. В ряде реакций углеводородная группа, связанная с функциональной группой, обычно не подвергается изменениям в процессе реакций, протекающих при умеренных температурах, и переходит без изменения в конечный продукт. Например: → R—Br + H2O R—OH + HBr⎯⎯ спирт

галогенид

В других реакциях функциональная группа сильно влияет на реакционную способность присоединенных углеводородных групп. Например, бензол не реагирует с бромной водой, однако гидроксильная группа, связанная с ароматическим кольцом, активирует к реакциям замещения атомы водорода бензольного кольца в положениях 2, 4, 6: Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

239

6

2 4

Бензольное кольцо, в свою очередь (взаимное влияние), влияет на свойства гидроксильной группы: фенол обладает кислотными свойствами (отщепление водорода в виде протона). В химических реакциях, кроме реагирующих веществ, принимает участие также и растворитель. Рассмотрим взаимодействие галогеналканов с гидроксидами щелочных металлов. В водных растворах образуются соответствующие спирты, в спиртовых растворах — алкены: H O, t

2 → H3C—CH2—OH + NaCl H3C—CH2—Cl + NaOH ⎯⎯⎯⎯

C H OH, t

2 5 → H 2C H3C—CH2—Cl + NaOH ⎯⎯⎯⎯⎯⎯

CH2 + NaCl + H2O

Реакции органических соединений подразделяют на следующие типы: замещения, присоединения и отщепления. Химические свойства каждого конкретного класса органических соединений определяет функциональная группа и условия проведения реакции. Вопросы и задания 1. Приведите определение функциональной группы, назовите известные вам функциональные группы.

2. Определите, к какому типу относятся реакции, представленные следующими химическими уравнениями: hν а) CH3CH3 + Cl2 ⎯⎯⎯ → CH3CH2Cl + HCl; Cr2O3 , t б) H3C—CH3 ⎯⎯⎯⎯⎯→ H2C CH2 + H2; в) nCH2

→ CHCl⎯⎯

.

3. Укажите, на основании каких признаков реакции хлорирования метана: hν CH4 + Cl2 ⎯⎯⎯ → CH3Cl + HCl

и этилена:

CH2

→ CH2Cl—CH2Cl CH2 + Cl2⎯⎯

относят к разным типам.

240

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

4. На бромирование этена израсходован раствор брома в хлороформе массой 100 г с массовой долей брома 6,4 %. Определите массу продукта реакции.

5. При хлорировании и облучении светом метана химическим количеством 3 моль получены моно- и дихлорпроизводные метана в количественном отношении 2 1. Определите массу образовавшегося хлорметана.

6. Неизвестный алкен массой 7,0 г присоединяет бромоводород объемом (н. у.)

2,24 дм3. Определите молярную массу и строение этого углеводорода, если известно, что он является цис-транс-изомером.

7. Дополните схемы превращений: HNO3 /H2SO4 Pt, t [H] CH3—(CH2 )4—CH3 ⎯⎯⎯⎯ → ... ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → ... ⎯⎯⎯ → ...

8. Дополните схемы превращений: HNO3 /H2SO4 Br2 /H2O NaOH → … ⎯⎯⎯⎯⎯ Sn/HCl → … ⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → … ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯ → … избыток избыток

§ 60. Взаимосвязь между органическими соединениями различных классов Изучив курс органической химии, вы познакомились со строением, химическими свойствами и способами получения веществ различных классов органических соединений, относящихся к углеводородам, кислородсодержащим и азотсодержащим органическим веществам. При этом вы, очевидно, отметили, что органические соединения тесно связаны между собой, так как возможно получение веществ одного класса из другого. Знания о возможностях превращения органических соединений имеют важное значение для эффективного практического использования органического сырья. Рассмотрим последовательно схемы взаимных превращений углеводородов, кислородсодержащих и азотсодержащих соединений. На рисунке 89 показана схема взаимного превращения углеводородов.

Рис. 89. Схема взаимного превращения углеводородов Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

241

Рис. 90. Схема взаимного превращения галогеналканов и углеводородов

Анализ схемы (cм. рис. 89) показывает, что реальны самые разнообразные переходы одних углеводородов в другие. Варианты получения продукта в данном случае могут состоять из разного числа химических реакций в зависимости как от исходного сырья, так и от знаний химии. В этом вы сможете убедиться, выполняя самостоятельные задания. В схеме указаны не только возможные взаимные переходы углеводородов, но и условия осуществления реакций. В данном случае практически все переходы между классами углеводородов осуществляются в процессе реакций гидрирования или дегидрирования. На рисунке 90 отражена связь между галогенпроизводными углеводородов и углеводородами. Превращения из галогеналканов с разным числом атомов галогенов в молекуле можно осуществить в процессе реакций замещения, присоединения, отщепления. Например: C2H6 + Cl2 ⎯hν ⎯→ C2H5Cl + HCl (реакция замещения) спирт

C2H5Cl + KOH ⎯⎯⎯⎯ → CH2

CH2 + KCl + H2O

(реакция отщепления)

Рис. 91. Схема взаимных переходов кислородсодержащих органических соединений

242

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Рис. 92. Схема взаимных превращений кислородсодержащих и азотсодержащих органических соединений

Взаимные переходы кислородсодержащих органических соединений представлены на рисунке 91. Здесь же приведены примеры взаимосвязи галогенуглеводородов и кислородсодержащих соединений. Первичные спирты, альдегиды, карбоновые кислоты можно получить в реакциях щелочного гидролиза различных галогенпроизводных углеводородов: 2O R—CH2Cl + NaOH ⎯H⎯⎯ → R—CH2OH + NaCl

H O

2 R—CH2—CHCl2 + 2NaOH ⎯⎯⎯ → R—CH2—CHO + 2NaCl

H2 O R—CCl3 + 3NaOH ⎯⎯⎯ → R—COOH + 3NaCl

Взаимные превращения спиртов, альдегидов, карбоновых кислот и эфиров осуществляются в реакциях окисления, восстановления, отщепления, гидролиза. Взаимные переходы возможны также между углеводородами и кислородсодержащими соединениями, а также между кислородсодержащими и азотсодержащими соединениями, что и отражено на рисунке 92. Составить уравнения реакций согласно данной схеме вам предлагается самостоятельно, исходя из алкана этана. При записи уравнений реакций необходимо указывать условия их протекания и тип химической реакции. На основе ароматических углеводородов возможны такие переходы, которые показаны на рисунке 93 на примере бензола. Анализ всех схем, отражающих взаимные переходы веществ одних классов в вещества других классов, показывает, что фундаментальной основой органических веществ являются углеводороды. Природными источниками углеводородов служат нефть и фракции ее переработки. Используются также природный газ и попутные нефтяные газы. Органические вещества взаимосвязаны друг с другом взаимными переходами. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

243

Рис. 93. Бензол и его производные

Фундаментальной основой органических веществ являются углеводороды. Знание химических свойств веществ позволяет выбирать более короткие пути получения новых органических веществ. Вопросы и задания 1. Охарактеризуйте, какие углеводороды и в результате каких реакций можно получить из алканов.

2. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → C3H4⎯⎯ → C3H6⎯⎯ → C3H6Br2; C3H6⎯⎯ а) C3H8 → C2H2⎯⎯ → C6H6⎯⎯ → C6H5Br. б) C2H6⎯⎯

3. Укажите, в процессе каких химических реакций можно получить карбоновую кислоту в несколько этапов, исходя из одноатомного насыщенного спирта.

4. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: → CH3CHO⎯⎯ → CH3COOH⎯⎯ → CH3COONa; а) C2H5OH⎯⎯ PdCl2 [O] → В ⎯⎯⎯⎯→ С3H7OH. б) CH2 CH2 ⎯⎯⎯⎯ → A ⎯⎯⎯→ Б⎯⎯ −H2O O2

5. Составьте уравнения реакций, исходя из схемы, показанной на рисунке 92.

6. Составьте уравнения всех возможных реакций, исходя из анализа схемы, приведенной на рисунке 93.

7. Укажите формулы веществ и названия конечного продукта в следующих схемах реакций: +H2 +H2O +HCl → X ; CH2 ⎯⎯⎯⎯ → X1 ⎯⎯⎯⎯→ X2 ⎯⎯⎯⎯ а) CH2 → X ⎯⎯⎯ 3 −H2O Hg2 +

244

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

[O] +NaHCO3 +Cl2 , 1 моль +NaOH (тв.) б) CH3—CHO ⎯⎯⎯→ Х ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → Х1 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ Х2 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → Х3; сплавл. hν +NaOH (p-p) +H2O, H+ +Cl2 +HCl → Х ⎯⎯⎯⎯ → Х1 ⎯⎯⎯⎯ в) C2H5—CОО—CH3 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → Х ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → Х 3; 2 Pкр

г) CH2

[O] +NH3 PdCl2 +Cl2 CH2 ⎯⎯⎯⎯ → Х3; → Х ⎯⎯⎯→ Х1 ⎯⎯⎯⎯ → Х2 ⎯⎯⎯⎯ + O2 Pкр

д) CH

+H2 +C2H2 , 2 моль +HNO3 +HCl → Х ; CH ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ Х ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → Х2 ⎯⎯⎯⎯ → Х1 ⎯⎯⎯ 3 H2SO4 (конц.)

+H2 +H2 , 1 моль +Cl2 , 2 моль +CuO → Х ⎯⎯⎯ е) C2H5ОН ⎯⎯⎯⎯ Х2 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → Х1 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ → Х3; −H2O − H2

ж) 8. Этаналь, полученный из этина объемом (н. у.) 33,6 м3, окислили до соответствующей кислоты, которую использовали в реакции этерификации с метанолом массой 52,8 кг. Выход продукта реакции этерификации 84 %. Определите массу полученного эфира.

§ 61. Промышленный органический синтез В учебном пособии, как и в другой учебной литературе, при описании синтезов органических веществ их разделяют на промышленные и лабораторные. Рассмотрим более подробно промышленный органический синтез. Промышленный синтез должен обеспечивать получение экономически выгодных органических веществ в больших количествах. Лабораторные способы обычно применяют для получения от нескольких граммов до нескольких сот граммов веществ. Кроме того, стоимость получаемого вещества часто не является таким важным фактором по сравнению со временем, затраченным на синтез этого вещества. В промышленных синтезах часто применяют или получают смеси веществ. В лабораториях химики наоборот стремятся получить индивидуальные вещества и выбирают такие способы и такие реакции, которые приводят к единственному продукту и минимальным побочным реакциям. Большинство крупных химических производств основано на химической переработке нефти и продуктов ее перегонки — это нефтехимическая промышленность. Приблизительно 95 % добываемой нефти используется для получения различных видов топлива: дизельного, высокооктанового бензина, а также смазочных материалов; оставшаяся часть является сырьем для промышленного органического синтеза. Основное направление переработки нефти связано с получением из нефти исходных веществ для синтеза высокомолекулярных веществ: полиэтилена, поливинилхлорида, синтетических каучуков, полиэфирных и полиамидных волокон. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

245

Рис. 94. Схема химической переработки нефти

Другое направление связано с переработкой нефти для получения ароматических соединений: бензола, толуола (метилбензола), изопропилбензол и использования этих соединений для дальнейшего промышленного синтеза (рис. 94). В меньшей степени нефть служит источником исходных веществ для получения спиртов, альдегидов и карбоновых кислот. Одно из крупнейших химических производств в нашей республике расположено в Новополоцке. Его продукцией являются: полиэтилен, полиакрилонитрил, бензин, керосин, дизельное топливо, смазочные материалы, парафины, битумы, бензол, толуол, ксилолы, присадки для минеральных масел. Сведения о промышленных синтезах некоторых органических веществ приведены в таблице 40. Та б л и ц а 40. Промышленные синтезы некоторых органических веществ Получаемое вещество Этен (этилен) Бутадиен-1,3 2-Метилбутадиен-1,3 (изопрен) Метанол

Этанол

Способы синтеза Пиролиз и дегидрирование фракций углеводородов, получаемых из нефти Cu CO + 2H2 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ CH3OH 75 атм, 300 °С

CH2

H3 PO4 , t , p CH2 + H2O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → C2H5OH

Ферментация углеводов

246

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Продолжение Получаемое вещество

Способы синтеза

H+ CH2 ⎯⎯⎯ →

+ CH3CH

O2 , t ⎯⎯⎯ →

Фенол

H+ ⎯⎯⎯ →

⎯⎯ →

H2C

Уксусная кислота

+ CH3COCH3

[O] PdCl2 CH2 + O2⎯⎯⎯⎯ → CH3COOH → CH3CHO ⎯⎯⎯ H O/CuCl 2

2

кат., t , p → CH3COOH CH3OH + CO ⎯⎯⎯⎯⎯

Бензол и другие ароматические углеводороды

Каталитическая ароматизация фракций нефти

Анилин

Проблемы охраны здоровья людей Наиболее опасными для здоровья людей и загрязнителями окружающей среды являются: 1) сырая нефть и продукты ее переработки в результате аварий при их транспортировке; 2) оксид углерода(II), который образуется при неполном сгорании различных видов горючего, а также оксиды азота и серы; 3) токсичные отходы промышленных предприятий (ненасыщенные углеводороды, формальдегид, фенолы, производные кислот и др.). Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

247

С целью защиты здоровья людей и охраны окружающей среды установлены санитарные нормы содержания вредных веществ в окружающей среде — предельно допустимая концентрация (ПДК). ПДК вредного вещества указывает на то, что данная концентрация вещества в атмосфере, воде или почве практически не влияет на здоровье человека (табл. 41). Та б л и ц а 41. Предельно допустимые концентрации веществ ПДК, мг/м3 в воздухе рабочей зоны

среднесуточная в воздухе

в воде (мг/л)

Этен

100

3

0,5

Бутены

100

3

0,2

Бензол

5

0,1

0,5

Стирол

10

0,002

0,1

1,2-Дихлорэтан

10

1

0,02

Хлорэтен

5

1

0,05

Метаналь

0,003

0,00005

Фенол

0,003

Название вещества

Временно допустимая концентрация, мг/м3

0,005

На каждом промышленном предприятии существуют установки для улавливания и обезвреживания токсичных отходов: улавливание золы и копоти; очистка сточных вод микробиологическим способом; замкнутое водоснабжение; сжигание токсичных веществ. В современных условиях очень важной задачей является проектирование и внедрение безотходных производств. Для уменьшения возможности отравления выхлопными газами рекомендуется строить шоссе вдали от населенных пунктов. Большинство крупных химических производств основано на химической переработке нефти и продуктов ее перегонки. Основная часть промышленного синтеза касается получения высокомолекулярных веществ: полиэтилена, поливинилхлорида, синтетических каучуков, полиэфирных и полиамидных волокон. Вопросы и задания 1. Составьте уравнения реакций получения полиэтилена и поливинилхлорида из нефти.

2. Какие вещества необходимо использовать для получения лавсана?

3. Напишите схему превращения метана в фенолформальдегидную смолу.

248

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

4. Составьте схему превращения метана в метанол.

5. Составьте уравнение реакций превращения гексана в анилин.

6. В кабинете химии объемом 80 м3 при отсутствующей тяге учитель решил показать 26 учащимся синтез этилена из этанола. Синтез учащиеся проводили парами, а для проведения каждого синтеза они израсходовали этанол массой по 3 г (чистота 94 %). Считая, что выход этилена равен у всех учащихся 70 % , рассчитайте, превышен или нет ПДК для этилена в данном помещении.

7. Укажите принципиальные отличия между промышленным органическим синтезом и получением органических веществ в лабораторных условиях.

8. Приведите два-три названия наиболее опасных для здоровья человека органических веществ.

9. Какое производство в вашем районе является наиболее опасным для здоровья человека или может служить источником загрязнения окружающей среды?

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Основные виды органического сырья Виды сырья Нефть

Основной состав Смесь алканов С1—С40 Смесь циклоалканов (нафтены)

Попутные газы

Смесь ароматических углеводородов Соединения серы и др. Метан, этан, пропан, бутан, алканы С5—С7

Применение Бензин, керосин, соляровые масла, смазочные масла, мазут, гудрон Химическая переработка нефти

Природный газ

Метан — более 95 % Этан, пропан, бутан, изобутан

Топливо Синтез-газ Химическая переработка

Каменный уголь (бурый)

Элементный состав (%): С — 62—69; Н — 4,5—5,5; N — 0,5—1,5; гуминовые кислоты — 35—70

Кокс Каменноугольная смола (бензол и гомологи, фенол и гомологи) Раствор аммиака Коксовый газ (водород, метан, этилен)

Торф

Элементный состав (%): C — 50—60; H — 5—6,5; O — 30—40; N — 1—3; S — 0,1—1,5 Компонентный состав (%): битумы — 2—10; легкогидролизуемые соединения — 20—40; целлюлоза — 4—10; гуминовые кислоты — 15—50; лигнин — 5—20

Топливо

Древесина (ель)

Целлюлоза — 58 %; лигнин — 28 %; пентозаны — 11 %; гексозаны — 1,8 %

Топливо Химическая переработка

Жиры

Сложные эфиры глицерина и карбоновых кислот и др.

Продукты питания Глицерин Спирты Карбоновые кислоты Мыла и другие моющие средства

250

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

251

Общая формула СnH2n + 2 Тетраэдрическое строение с валентными углами связей 109° Длина связей С—С 0,154 нм

Состав. Строение

CH + 2CO + 10H2

→ CH3—CH2—NO2 + H2O CH3—CH3 + HONO2⎯t⎯ этан нитроэтан

+ CH3CHClCH3 + 2HCl 2-хлорпропан

CH3CH2CH3 + 2Cl2 ⎯hν ⎯→ CH3CH2CH2Cl + пропан 1-хлорпропан

⎯→ CH3CH2Cl + HCl CH3CH3 + Cl2 ⎯hν хлорэтан

CH4 + Cl2 ⎯hν ⎯→ CH3Cl + HCl хлорметан

2. Реакции замещения

⎯⎯ → CO + 3H2 CH4 + H2O ⎯850° Ni

Mn и Co, t 2CH3CH2CH2CH3 + 5O2 ⎯соли ⎯⎯⎯⎯⎯ → ⎯⎯ → 4CH3COOH + 2H2O

°С 6CH4 + O2 ⎯1500 ⎯⎯⎯ → 2CH

Полное окисление: → CO2 + 2H2O + Q СН4 + 2О2⎯⎯ Частичное окисление: → 2CO + 4H2O 2СН4 + 3О2⎯⎯

1. Реакции окисления

Методы получения

⎯⎯ → CH3—CH2—CH2—CH3 бутан

2) гидрирование соединений с кратными связями кат., t CH3—CH2C CH + 2H2 бутин-1

В лаборатории: 1) нагревание солей карбоновых кислот с твердым NaOH → RCOONa + NaOH⎯⎯ ⎯⎯ → RH + Na2CO3

В промышленности: из продуктов переработки нефти

Насыщенные углеводороды (алканы)

Химические свойства

В качестве топлива и сырья для химической промышленности

Применение

Обобщение сведений о составе, строении, химических свойствах, получении и применении органических веществ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

252

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Общая формула СnH2n Плоское строение с валентными углами связей 120°

Состав. Строение

CH2 + H2

+ H2

+ 4H2

Могут присоединять H2, Br2, Cl2, H2O, HBr, HCl: → CH3CH2Cl CH2 CH2 + HCl⎯⎯

Методы получения

В промышленности: из продуктов переработки нефти

Ненасыщенные углеводороды (алкены) 1. Реакции присоединения

⎯⎯ →

гексан

H3C—CH2—CH2—CH2—CH2—CH3

⎯⎯ →

гексан

H3C—CH2—CH2—CH2—CH2—CH3

CH3—CH3 ⎯t⎯ → CH2

4. Дегидрирование

3. Изомеризация

Химические свойства

В качестве сырья для химической промышленности

Применение

Продолжение

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

253

Длина связей С С 0,133 нм

С-связи:

n(CH2

3

2 3

ROOR или CH2⎯ ) (CH ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → CH ) AL, TiCl , Li

3. Реакции полимеризации 4

CH2 + O2 ⎯⎯⎯→ 2

г) Окисление надкислотами:

2H2C

PdCl2

в) Горение: → 2CO2 + 2H2O С2Н4 + 3О2⎯⎯ Получение уксусного альдегида:

3CH3—CH CH—CH3 + + 4Na2Cr2О7 + 16H2SO4 ⎯t⎯ → 6CH3COOH + 4Cr2(SO4)3 + 4Na2SO4 + 16H2O

б) Окисление с разрывом С

⎯⎯⎯⎯ →

KMnO4

а) Раствором KMnO4 в нейтральной или слабощелочной среде при низкой температуре:

2. Реакции окисления

CH2 + H2O

⎯Zn ⎯→

CH2

кат.

CH + H⎯ → 2 ⎯⎯

⎯⎯ → R—CH2—CH

R—CH2—C

t

CH—CH2—CH3 + ZnBr2 бутен-1 3) Гидрирование алкинов

⎯⎯ → H2C

1,2-дибромбутан

2) Из дигалогеналканов

⎯⎯ → R—CH CH2 + KCl + H2O алкен

хлоралкан

+ KOH ⎯спирт ⎯⎯→

или отщепление галогеноводородов от галогеналканов

⎯⎯ → CH2

2SO4 → CH3CH2OH ⎯H⎯⎯⎯ t

В лаборатории: 1) Дегидратация спиртов

254

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Общая формула СnH2n – 6 Плоская структура с валентными углами связей 120°

Общая формула СnH2n – 2 Линейное строение с валентными углами связей 180° Длина связи С С 0,120 нм

Общая формула СnH2n – 2 Плоское строение с валентными углами связей 120° Длина связей С С—С С 0,133 нм и 0,146 нм

Состав. Строение

Методы получения

CH—CH

ROOR или

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ → CH2) ⎯(CH 3CH2 )3 AL, TiCl4 , Li

Br

Br

1)

+ Br2 ⎯Fe ⎯→

В лаборатории: → СaC2 + 2H2O⎯⎯ ⎯⎯ → Ca(OH)2 + HC CH

6CH4 + O2 ⎯⎯⎯⎯ → ⎯⎯ → 2CH CH + 2CO + 10H2

+ HBr

Бензол и его гомологи: ароматизация продуктов перегонки нефти и при перегонке каменноугольной смолы

Ароматические углеводороды

CH ⎯C⎯ → t

H

1. Реакции замещения (на примере бензола)

3CH

2. Реакции циклизации

2O→ CH CHO C—H ⎯H⎯⎯ 3 +

C—H ⎯⎯2⎯ → HBrC CHBr ⎯⎯2⎯ → ⎯⎯ → HBr2C—CHBr2

H—C

H—C

Могут присоединять водород, галогены, воду, галогеноводороды

1500 °C

Ненасыщенные углеводороды (алкины) 1. Реакции присоединения В промышленности:

⎯⎯ →

n(CH2

Ненасыщенные углеводороды (алкадиены) 1. Реакции 1,2 и 1,4-присоединения В промышленности: из продуктов переработки нефти → + Br2⎯⎯ ⎯⎯ → CH2Br—CHBr—CH CH2 + + CH2Br—CH CH—CH2Br 2. Реакции полимеризации

Химические свойства

Для получения полимеров (капрон, полистирол и др.),

Сырье для органического синтеза Для сварки и резки металлов

В качестве сырья для получения высокомолекулярных веществ

Применение

Продолжение

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

255

Общая формула ROH Ковалентная связь О—Н полярна и атом водорода этой группы является реакционноспособным и подвижным Возможно образование водородной связи

Длины всех С—С-связей одинаковы и равны 0,140 нм H SO

2 4 + HONO⎯ → 2 ⎯⎯⎯ t

+ H2O

2SO4 → R—CH ⎯H⎯⎯⎯ конц.

CH2 + H2O

3. Отщепление воды (дегидратация)

→ RCl + H2O ROH + HCl⎯⎯

2. Взаимодействие с галогеноводородами

→ 2RONa + H2 2ROH + 2Na⎯⎯

1. Взаимодействие со щелочными металлами

t, p CH2 + H2O ⎯кат. ⎯⎯ →

t, p 2Н2 + СО ⎯кат. ⎯⎯ → СН3ОН

⎯⎯ → C2H5OH 2) из синтез-газа — метанол:

CH2

В промышленности: 1) гидратация алкенов

Насыщенные одноатомные спирты

+ 3Cl2 ⎯hν ⎯→

+ 3H2 ⎯Pt ⎯ → t

2. Реакции присоединения

2)

Этанол для производства синтетических каучуков; получения уксусной кислоты, разнообразных эфиров; в качестве дезинфицирующего средства

красителей, фенола и ацетона

256

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Состав. Строение

R—COOR′ + H2O

+ H 2O

3. Взаимодействие с гидроксидом меди(II): → раствор ярко-синего цвета глицерин + Cu(OH)2⎯⎯

→ CH2OHCHOHCH2OH + 3HCl⎯⎯ ⎯⎯ → CH2ClCHClCH2Cl + 3H2O → CH2OHCHOHCH2OH + 3HNO3(H2SO4)⎯⎯ ⎯⎯ → CH2ONO2CHONO2CH2ONO2 + 3H2O

2. Взаимодействие с кислотами

1. Взаимодействие со щелочными металлами → 2СН2ОНСНОНСН2ОН + 6Na⎯⎯ ⎯⎯ → CH2ONaCHONaCH2ONa + 3H2

Методы получения

В промышленности глицерин: 1) гидролиз жиров 2) синтетически из пропена

⎯⎯ → CH3—CH2OH

2

LiAlH4 ⎯или ⎯⎯⎯⎯ → H /кат.

⎯⎯ → R—CH2—CH2OH + NaCl 2) восстановление карбонильных соединений

В лаборатории: 1) из моногалогензамещенных углеводородов R—CH2—CH2Cl ⎯NaOH ⎯⎯ → HOH

Насыщенные многоатомные спирты

2Cr2O7 → RCOOH RCH2—OH ⎯K⎯⎯⎯ H2SO4 б) полное окисление: → 2CO2 + 3H2O С2Н5ОН + 3О2⎯⎯

2Cr2O7 → CH CH CHO CH3CH2CH2—OH ⎯K⎯⎯⎯ 3 2 H2SO4 пропанол-1 пропаналь

а) частичное окисление:

6. Реакции окисления

⎯⎯ →

2SO4 , t→ ⎯H⎯⎯⎯

5. Образование простых эфиров

H2SO4

4. Образование сложных эфиров

Химические свойства

Этиленгликоль для получения лавсана, органических соединений других классов; в качестве антифриза Глицерин в фармакологии, медицине, парфюмерии;

Применение

Продолжение

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

257

Гидроксильная группа активирует реакции замещения атомов водорода в положениях 2, 4, 6 бензольного кольца Фенильная группа повышает кислотность по сравнению со спиртами

Структурная формула

Взаимное влияние друг на друга гидроксильных групп усиливает кислотные свойства многоатомных спиртов Фенолы

⎯⎯ →

H2SO4

+ 3H2O

+3HNO3 ⎯⎯⎯⎯ →

б) Реакция с азотной кислотой:

4→ + 3Br2 ⎯CCl ⎯⎯

а) Реакция с галогенами:

+ 3HBr

2. Реакции замещения в бензольном кольце

б) Взаимодействие со щелочами → C6H5ONa + H2O С6Н5ОН + NaOH⎯⎯

а) Взаимодействие со щелочными металлами: → 2C6H5ONa + H2 2С6Н5ОН + 2Na⎯⎯

1. Реакции гидроксильной группы

⎯⎯ →

в)

⎯⎯ →

⎯⎯ →

⎯⎯ →

4

ONa

OH

HCl ⎯разб. ⎯⎯⎯⎯ →

t/кат. ⎯NaOH/ ⎯⎯⎯⎯ ⎯ → избыток

+ CH3COCH3

2

2 , кат.→ ⎯O⎯⎯⎯ H SO

В промышленности: а) выделяют из продуктов пиролиза каменного угля б) синтетически из бензола

Для синтеза красителей, лекарственных препаратов, взрывчатых веществ Для производства синтетических смол и пластмасс

для получения взрывчатых веществ

258

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Общая формула R—COOH, или

Связь С О сильно полярная

Общая формула R—CHO, или

Состав. Строение Альдегиды

2O→ RCH2CHCl2 + 2NaOH ⎯H⎯⎯ ⎯⎯ → RCH2CHO + 2NaCl

O] /кат.

R—CH2OH ⎯[⎯⎯⎯ → ⎯⎯ → R—CHO + H2 В лаборатории: CH3CH2OH + CuO ⎯t⎯ → ⎯⎯ → CH3CHO + H2O + Cu

→ (RCOO)2Mg + H2 2RCOOH + Mg⎯⎯ → (RCOO)2Mg + H2O 2RCOOH + MgO⎯⎯ → RCOONa + H2O RCOOH + NaOH⎯⎯ → RCOONa + H2O + CO2 RCOOH + NaHCO3⎯⎯

2. Реакции с металлами, оксидами, гидроксидами металлов и солями более слабых кислот

Растворимые в воде диссоциируют в водном растворе и изменяют окраску индикатора: RCOO– + H+ R—COOH

1. Кислотные свойства

2

2 /H2O→ 2CH CHO ⎯PdCl ⎯⎯⎯⎯ 3 CuCl

В промышленности уксусный альдегид: → 2CH2 CH2 + O2⎯⎯

Методы получения

соли Mn, Co ⎯⎯⎯⎯⎯ → 4CH3COOH + 2H2O t

→ 2CH3CH2CH2CH3 + 5O2⎯⎯

2 → CH COOH ⎯Rh/I ⎯⎯ 3

→ CH3OH + CO⎯⎯

В промышленности уксусная кислота: 2CH3CHO + O2 ⎯кат. ⎯⎯ → ⎯⎯ → 2CH3COOH

Насыщенные одноосновные карбоновые кислоты

4 → RCOOH RCHO ⎯KMnO ⎯⎯⎯ → 4CO2 + 4H2O 2CH3CHO + 5O2⎯⎯

t

→ RCHO + 2Cu(OH)2⎯⎯ ⎯⎯ → RCOOH + Cu2O + 2H2O

RCHO + Ag2O

NH3 /H2O ⎯⎯⎯⎯⎯ → RCOOH + 2Ag t

2. Реакции окисления

CH3CHO + CH3OH

CH3CHO + HOH

4

H2 → RCH2OH RCHO ⎯(⎯⎯⎯ NaBH )

1. Реакции присоединения

Химические свойства

Уксусная кислота для получения полимеров, красителей, сложных эфиров

Уксусный альдегид для производства уксусной кислоты Формальдегид для производства фенолформальдегидных пластмасс

Применение

Продолжение

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

259

Общие формулы RCOOR′ сложные эфиры

+ H 2O

+ HCl

+ H 2O

t

⎯⎯ →

+ 3RCOONa

+ 3NaOH ⎯t⎯ →

→ RCOONa + ROH RCOOR + NaOH ⎯⎯

1. Гидролиз

Сложные эфиры. Жиры

3 2 7. НСООН + Ag2O⎯⎯⎯⎯⎯ → CO2 + H2O + 2Ag

t, NH /H O

2 5 → 2CH3COOH ⎯⎯⎯ t

PO

6. Получение ангидридов

+ Cl2 ⎯P⎯ →

5. Реакции с галогенами

→ CH3COOH + NH3 ⎯t⎯

4. Реакции с аммиаком

H2SO4 ⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯ → RCOOR + H2O RCOOH + ROH ← ⎯

3. Реакции со спиртами

H2SO4 ⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯ → RCOOR + H2O ← ⎯

В промышленности: → RCOOH + ROH⎯⎯

2SO4 → RCOOR′ + H2O ⎯H⎯⎯⎯ ⎯⎯ → RCOOH + R′OH

→ (CH3CO)2О + H2O⎯⎯ ⎯⎯ → 2CH3COOH

RCHO KMnO4 RCOOH

RCH 2OH K 2Cr2O7 /H2SO4 RCOOH

В лаборатории:

Растворители и отдушки

260

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Циклические формы

Полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны

Состав. Строение

+ 2HBr

→ + Br2 + H2O⎯⎯

1. Реакции окисления

H2 ⎯3⎯⎯ → t

глюконовая кислота

Углеводы

Химические свойства 2. Гидрирование жиров

+

Методы получения

Крахмал для приготовления джемов, варенья, мармелада и конфет Целлюлоза для получения бумаги, картона, тканей, искусственных волокон

Применение

Продолжение

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

261

Общая формула R—NH2 Являются органическими основаниями за счет неподеленной электронной пары атома азота +

−

→ + 3Br2⎯⎯

+ 3HBr

2. Галогенирование ароматических аминов

→ CH3 NH3 Cl CH3NH2 + HCl⎯⎯

1. Реакции с кислотами

Амины

C6H12O6 ⎯фермент ⎯⎯⎯→ 2C2H5OH + 2CO2

3. Брожение

4→ ⎯NaBH ⎯⎯⎯

2. Реакции восстановления

→ CH3CH2Cl + 2NH3⎯⎯ ⎯⎯ → CH3CH2NH2 + NH4Cl

В лаборатории:

H] R—NO2 ⎯[⎯ → R—NH2 + H2O

В промышленности: каталитическое восстановление нитросоединений

Для синтеза лекарственных веществ, пестицидов, пластмасс и красителей

262

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Обладают свойствами аминов и карбоновых кислот Способны реагировать друг с другом с образованием дипептидов и белков

Общая формула α-аминокислот

Состав. Строение

⎯⎯ →

⎯⎯ →

+ H 2O

+ CH3OH ⎯HCl ⎯⎯ →

+ H 2O

→ + KOH⎯⎯

2. Реакция аминокислот как карбоновых кислот

⎯⎯ →

→ + HCl⎯⎯

1. Реакция аминокислот как аминов

Аминокислоты

→ 2N2 + 4CO2 + 10H2O 4СН3NH2 + 9O2⎯⎯

3. Горение

Химические свойства

⎯⎯ →

В лаборатории:

+ NH4Cl

→ + 2NH⎯ 3⎯

Методы получения

Остатки аминокислот входят в состав белковой пищи человека и животных В сельском хозяйстве для подкормки животных Некоторые аминокислоты для получения синтетических волокон

Применение

Продолжение

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

263

+ H 2O

⎯⎯ →

⎯⎯ →

+ nH2O

→ n(NH2(CH2)5COOH)⎯⎯

4. Поликонденсация ε-аминокапроновой кислоты

⎯⎯ →

+

3. Образование дипептидов

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Качественные реакции органических соединений Формула и название вещества

Реактив/условия проведения реакции

Признаки реакции

СН2 СН2 этен (этилен)

Br2/H2O

Обесцвечивание раствора, образование CH2BrCH2Br Обесцвечивание раствора, образование СН2ОНСН2ОН

СН2(ОН)СН(ОН)СН2(ОН) пропантриол-1,2,3 (глицерин)

С6Н12О6 глюкоза

KMnO4/+5 °C Cu(OH)2

Ярко-синий раствор

Br2/H2O

Белый осадок 2,4,6-трибромфенола

Раствор FeCl3

Раствор фиолетового цвета

Cu(OH)2/t Ag2O

Красный осадок Cu2O Осаждение серебра на стенках пробирки

Лакмус Раствор Na2CO3

Раствор красного цвета Выделение СО2

Лакмус Раствор Na2CO3

Раствор красного цвета Выделение СО2

Br2/H2O или KMnO4

Обесцвечивание раствора

Cu(OH)2/t

Ярко-синий раствор, после нагревания красный осадок Cu2O Осаждение серебра на стенках пробирки

Ag2O

264

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Продолжение Формула и название вещества

Реактив/условия проведения реакции

(С6Н10О5)n крахмал

Раствор I2

Раствор синего цвета

Br2/H2O

Белый осадок 2,4,6-триброманилина

HNO3 Cu(OH)2

Осадок желтого цвета Раствор фиолетового цвета

Белок (раствор)

Признаки реакции

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ А Акриловая кислота 145 Аланин 208, 223 Алкадиены — получение 64 — свойства 61 — строение 60 Алканы — свойства 36, 37 — строение 26 Алкены — получение 56 — свойства 48, 50 — строение 43 Алкины — получение 69 — свойства 68 — строение 65 Алкоголяты 96 Альдегид — бензойный 122 — валериановый 123 — масляный 123 — муравьиный 121, 123 — пропионовый 123 — уксусный 123 Альдегид уксусный — получение 130 — свойства 127 Альдегидов — номенклатура 124 — определение 121 — получение 129 — свойства 125, 126 — строение 121 Альдегидная группа, см. Группа функциональная Альдегиды 121 Аминов — номенклатура 197 — определение 195 — свойства 201 — строение 195 Аминогруппа, см. Группа функциональная

266

Аминокислот — изомерия 209 — определение 206 — получение 213 — свойства 210 — строение 207 Аминокислоты — адипиновая 216 — аминокапроновая 215 — аминоуксусная 207 Амины — ароматические 202 — метиламин 204 — насыщенные 195 — фениламин, см. Анилин — этиламин 197 Амфотерность аминокислот 210 Анилин 202 Антифриз 110 Ароматизация 76 Ассоциаты — карбоновых кислот 138 — спиртов 94 Аспирин 143 Ацетальдегид, см. Альдегид уксусный Ацетат 139, 140 Ацетаты целлюлозы 192 Ацетилен 18, 65 Б Белки — простые 220 — сложные 220 Белков — вторичная структура 219 — денатурация 223 — первичная структура 219 — третичная структура 220 — свойства 222 — синтез 213 Бензин — каталитического крекинга 82 — термического крекинга 80

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Бензол 40, 72 Бензольное кольцо 15, 72 Биуретова реакция 224 Боковая цепь 77 Брожение спиртовое 180 Бромбензол 75 Бромметан 39 Бромэтан 39 Бутадиен-1,3 18, 60, 64 Бутан 15, 20, 33, 34, 39 Бутанолы 92 Бутены 44, 48, 57 Бутины 67 В Вазелин 8, 169 Вещества — азотсодержащие 195 — кислородсодержащие 87 Взаимное влияние атомов в молекулах 15, 114 Винилхлорид 55 Водородная связь 94, 138 Волокна — искусственные 161 — натуральные 161 — синтетические 161 — полиамидные 214 — полиэфирные 161 — химические 161 Волокно — ацетатное 192 — вискозное 192 — капроновое 215 — лавсан 161 — найлон 216 — хлопковое 161 Вулканизация каучука 63 Высокомолекулярные соединения 54 Г Газ — коксовый 76 — попутный нефтяной 80 — природный 40 — сжиженный 80 Газойль 81

Газы — пиролиза 80 — термического крекинга 80 Галогеналканы 41 Гексан 40 Гексахлорциклогексан 255 Гексены 47 Гексозы 175 Гептан 81 Гидратация 51 Гидрирование — ацетилена 69 — бензола 78 — жиров 167 — алкенов 51 Гидроксильная группа 87 Гидролиз — белков 222 — жиров 166 — крахмала 187 — сахарозы 182 — сложных эфиров 159 — целлюлозы 192 Гликоген 186 Глицин, см. Аминоуксусная кислота Глюкоза — нахождение в природе 178 — получение 180 — строение 175 — свойства химические 179 Гомологическая разность 26 Гомологический ряд — алканов 27 — алкенов 43 — алкинов 65 — альдегидов 123 — карбоновых кислот 136 — спиртов 91 Группа — алкильная 31 — метиленовая 43 — метильная 31 — фенильная 113 — углеводородная 31 Группа функциональная — альдегидная 121 — аминогруппа 195

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

267

— гидроксильная 87, 89, 107, 112 — карбоксильная 137 — карбонильная 121 — нитрогруппа 109, 116 — пептидная 212 — сложноэфирная 155 Гудрон 80 Д Дегидратация спиртов 98 Дегидрирование — алканов 64 — алкенов 79 — циклогексана 79 Дезоксирибоза 175 Декстрины 188 Денатурация 223 Детергенты 172 Детонация 81 Диацетат целлюлозы 192 Дивинил, см. Каучук Диены 59 Диолы 107 Диоксин 120 Дипептиды 212 Диполь 92 Дисахариды, см. Сахароза Дихлорметан 39 Дихлорэтан 58 Ж Жиров — применение 168 — свойства химические 166 — строение 163 Жиры — жидкие 165 — твердые 165 З Заряды частичные 19 Звенья элементарные 54 И Изобутан 15, 33, 34 Изомеризация 39 Изомерия — геометрическая (цис-транс-) 47, 48

268

— пространственная 34, 35 — структурная 34, 47 Изомерия органических соединений — аминов 198 — аминокислот 209 — альдегидов 124 — алканов 33 — алкенов 47, 232 — кислот карбоновых 137 — спиртов 93 Изомеры 15, 34, 231 Изопрен 60, 61, 63, 64 Изопропилбензол 257 Инсектициды 7 К Каменноугольная смола 77 Капролактам 215 Капрон 214 Карбонильные соединения 121 Карбоновые кислоты 132 Карбоновых кислот производные 133 Каучук — бутадиеновый 62 — изопреновый 63 — натуральный 63 — стереорегулярный 63 — синтетический 62 Каучука вулканизация 63 Керосин 80 Кислота — акриловая 145 — бензойная 132, 133 — валериановая 136 — капроновая 136 — лимонная 134 — линолевая 147 — муравьиная 134 — олеиновая 146 — пальмитиновая 136 — стеариновая 136, 146, 164 — терефталевая 162 — уксусная 133, 139 — хлоруксусная 141 Кислоты — ароматические 132 — двухосновные 133

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

— высшие 138 — насыщенные 135 — низшие 138 — ненасыщенные 133, 145 — одноосновные 133 Кислоты уксусной — получение 142 — свойства химические 139 — строение 137 Классы органических веществ 228 Кокс 76 Кольцо бензольное 72 Крахмал 184 Крахмала — нахождение в природе 185 — получение 188 — свойства химические 187 — строение 185 Крекинг — каталитический 80, 82 — термический 80 Л Лавсан 161, 162 Лактоза 181, 182, 183 Лизин 208 М Мазут 80 Макромолекулы 54 Мальтоза 181, 183 Маргарин 147 Масла 165, 167 Метан 26, 27 Метаналь 123 Метановая кислота 136 Метанол 41 Метиламин 196 Метиловый спирт, см. Метанол Мономеры 54 Моносахариды 175 Моющие вещества синтетические 172 Мочевина 12 Мыла 170 Н Найлон 216 Ненасыщенные углеводороды 43

Нефтепродукты 80 Нефть 80 Нефти — нахождение в природе 80 — крекинг 80, 82 — перегонка 80 — свойства 80 — состав 80 Нитраты целлюлозы 193 Нитробензол 24, 75 Нитроглицерин 109 Номенклатура — алканов 30 — алкенов 46 — альдегидов 124 — аминов 197 — кислот карбоновых 137 — спиртов 92 — систематическая ИЮПАК 30, 46 — тривиальная 30 — эфиров сложных 156 Нуклеопротеиды 221 О Окисление — альдегидов 127 — насыщенных углеводородов 37, 38 — ненасыщенных углеводородов 52 — спиртов 98 Октан 81 Октановое число 81 Олифа 169 Омыление 166 П Парафины, см. Алканы Пентан 34 Пентены 44 Пентозы 175 Пептид 212 Перегонка нефти 80 Пикриновая кислота 116 Пиридин 21 Пиримидин 21 Пиррол 21 Пиролиз 39, 56, 69 Пластмассы фенолформальдегидные 131

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

269

Плотность электронная 18 Поливинилхлорид 55 Полимеры 53, 54 Полипептиды 212 Полипропилен 55 Полисахариды 184 Полиэтилен 54 Пропан 31 Пропанолы 93 Пропен 44, 57 Протеиды, см. Белки сложные Протеины, см. Белки простые Р Радикалы 31, 81 Реакции — гидратации 51, 69 — гидрирования 51, 62, 69 — гидролиза 159, 166, 182, 187, 192, 222 — дегидратации 56, 57, 98 — дегидрирования 56, 64, 69 — дегидрогалогенирования 70, 238 — замещения 38, 74, 237 — изомеризации 39, 82 — ионные 239 — нитрования 75, 116 — окисления 37, 52, 69, 75 — полимеризации 53, 54, 238 — поликонденсации 239 — присоединения 50, 68, 75, 126, 238 — серебряного зеркала 127 — этерификации 159 Реакции галогенирования — бромирование 51, 62, 68, 75, 116 — хлорирование 39 Реакции качественные на — алкены 51, 52 — алкины 68 — альдегиды 127 — белки 224 — крахмал 187 — многоатомные спирты 108 — фенол 116 Реакция — Зинина 205 — Кучерова 39, 130 — Прилежаева 52

270

Резина 63 Рибоза 175 Риформинг 81 С Сахар, см. Сахароза Сахароза 181 Связи химической — валентный угол 28, 44, 66, 73 — длина 29, 44, 45, 66, 73, 120 — энергия 44, 73, 120 Связь химическая — водородная 94, 138 — двойная 15, 18, 44 — кратная 44, 73, 87 — неполярная 19 — одинарная 15, 18 — пептидная 212 — полярная 18, 19 — простая, см. Связь химическая одинарная — сопряженная 60 — тройная 15, 66 — π-связь 18, 44 — σ-связь 17, 44 Серин 208 Соединения ароматические 72 Сорбит 179 Сопряжение — в алкадиенах 60 — в бензоле 73 — в карбоновых кислотах 137 — в фенолах 114 Спирт — метиловый 91, 92 — пропиловый 91 — этиловый 91, 92, 96 Спиртов — изомерия 93 — классификация 87, 88 — номенклатура 92 — определение 87, 90 — получение 100 — строение 90 Спиртов свойства — физические 93 — химические 96

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Спирты — высшие 102 — двухатомные 107 — многоатомные 87, 107 — насыщенные 87, 90 — ненасыщенные 87 — одноатомные 87 — трехатомные 107 Стеараты натрия (калия) 170 Степень полимеризации 54 Стирол 55, 77 Строение химическое 9, 14 Структура белка 219 Структурное звено полимеров 54 Т Теория химического строения 11, 14 Тетрахлорметан 41 Тетрозы 175 Толуол 77 Триацетат целлюлозы 192 Триброманилин 203 Трибромфенол 116 Трихлорметан 39, 41 У Углеводороды — алифатические 20 — ароматические 21, 72 — ациклические 20 — диеновые 22 — насыщенные 26 — ненасыщенные 43 — циклические 20, 21 Углеводы 175 Уксус 143 Ф Фенил 113 Фениламин, см. Анилин Фенол 112 Фенола — получение 118 — свойства 114, 115 — строение 113 Феноляты 115 Ферменты 220

Формалин 126 Формальдегид 18, 121 Формула общая — алканов 27 — алкенов 44 — алкинов 66 — алкадиенов 60 — альдегидов 121 — аминов насыщенных первичных 145 — кислот одноосновных насыщенных 135 — полисахаридов 186 — сложных эфиров 155 — спиртов одноатомных 90 — двухатомных 107 — трехатомных 107 Формулы — молекулярные 8 — структурные 14, 15, 44, 66 — электронные 17, 27, 45, 66 — химические 27 — эмпирические 8 Фруктоза 177 Функциональная группа 22, 23 Х Хлорбензол 257 Хлорид — метиламмония 202 — фениламмония 203 Хлорметан 38 Хлороформ 39 Хлорэтан 51 Ц Целлюлоза 189 Целлюлозы — гидролиз 192 — нахождение в природе 189 — получение 190 — свойства физические 189, 191 — свойства химические 191 Циклогексан 40, 75 Э Этан 28, 31 Этаналь 123, 127 Этанол 91, 96

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

271

Этиламин 200, 202 Этилен 18, 43 Этиленгликоль 107 Эфиров сложных — нахождение в природе 157 — номенклатура 156 — определение 155 — получение 158

— свойства химические 159 — строение 155 Эфиры — сложные 155 — целлюлозы 192, 193 Я Ядро бензольное 72

ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ Бертло М. 12, 164 Берцелиус Й. 232 Бутлеров А. М. 12, 13, 14, 180, 232 Вант-Гофф Я. Г. 232 Велер Ф. 12 Данилевский А. Я. 218 Зинин Н. Н. 205 Кекуле А. 13, 73 Кольбе А. 12, 13 Кружалов Б. Д. 118 Купер А. 13

Кучеров М. Г. 69 Лебедев С. В. 64 Немцов М. С. 118 Нобель А. 110 Полинг Л. 219, 220 Прилежаев Н. А. 53 Сергеев П. С. 118 Удрис Р. Ю. 118 Фокин С. А. 167 Шеврель М. 164 Шееле К. В. 108, 159

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

ОТВЕТЫ НА РАСЧЕТНЫЕ ЗАДАЧИ Глава 1. Теория химического строения органических соединений § 1. 4. а) C — 0,75; б) С — 0,80; в) С — 0,2. Глава 2. Насыщенные углеводороды § 5. 7. С — 82,76. § 6. 7. 286 дм3. § 8. 4. 4,3 дм3. 7. С3Н8. 8. 0,35. Глава 3. Ненасыщенные углеводороды § 10. 6. Число изомеров — 2n – 5. 7. С — 22,4 %. 8. 900 дм3. § 11. 3. С4Н8. 5. С3Н6. 7. С3Н6. 9. Этен — 0,747 дм3; пропен — 3,285 дм3. § 12. 4. 209,2 см3. 5. 86,6 %. 6. C4H8. § 13. 2. 270 дм3. 3. С4Н8. 7. 40 дм3. § 14. 9. 3,1 м3. 10. 8,1 кг. § 16. 7. 88 дм3. 8. 1,12 дм3. 9. 21,7 кг. Глава 4. Ароматические углеводороды § 17. 4. 95 %. 6. 284 дм3. § 18. 2. 87,1 %. 5. 90,1 %. 6. 1,3 г. § 19. 6. 640 кг. а) 320 г. б) 2,1 г. 9. 79,5 дм3. § 20. 1. С5Н12. 2. С3Н6. 3. С2Н2. 4. С4Н10. 5. С3Н6. Глава 5. Спирты и фенолы § 21. 8. а) C3H8O; б) C2H6O2. § 22. 10. C4H10O. § 23. 8. 24,48 г. 9. 0,96 моль. 10. а) 0,19; б) 4,2 моль/дм3. 11. 96,08 дм3.12. C3H7OH. 13. C6H6O. 14. 1 3. § 24. 7. 210,5 см3 раствора спирта; 231,8 см3 воды. 8. 0,9. 9. 0,955; СО — 18,14 м3; Н2 — 9,07 м3. § 25. 1. 1,792 дм3. 2. С5Н12О. 3. C2H5OН. 4. Бутанол; С4Н10О. 5. C3H8O. § 26. 12. 10, 538 дм3; 21,056 дм3; 31,584 дм3. § 27. 10. 6,25 %. 11. 143,84 г. § 28. 7. 157,356 кг. Глава 6. Альдегиды и карбоновые кислоты § 29. 8. а) C4H8O; б) С3Н6О. 9. С3Н6О. § 30. 8. 54,88 дм3. 9. 90 %. 10. С3Н6О. 11. 90 г. § 31. 8. 2257,92 м3. 9. 28,75 г. 10. CН3H6O, пропаналь. § 33. 9. C2H5COOH. 10. CH3CH2COOH. § 34. 8. а) C9H18O2; б) С4H8O2. 9. 33,81 г. 10. CH3CH2COOH. 11. а) 719,3 см3; б) 619,9 см3; в) 450,3 см3. § 35. 6. 132 м3; 1237,5 кг. 7. 70 г. 8. 465,92 дм3. 9. 4,17 моль. 10. CH3COOH. § 36. 10. а) C4H6O2; б) С18H34O2. § 37. 1. C3H6O. 2. C4H9COOH. 3. CH2O. 4. CH3COOH. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

273

Глава 7. Сложные эфиры. Жиры § 39. 8. C2H5COОC2H5. 10. Кислота — 483 г; спирт — 483 г. § 40. 6. 50,32 г. 7. 71,4 г. 8. CH3OH — 81,9 г; CH3COOH — 153,57 г. 9. 65, 42 г. 10. 124,544 дм3. § 41. 7. 80,4 кг. § 42. 11. 20,7 моль. 12. Нет. Глава 8. Углеводы § 44. 7. 268,8 дм3. § 45. 5. 60 г. 7. 168 г NaHCO3 и 720,6 г воды. § 46. 5. 180,5 г. 6. 78,2 %. § 47. 6. 820 кг. 7. 6172. § 48. 8. 53 дм3. § 49. 5. 1 м3. 6. 37,5 кг. § 50. 8. 47,8 %. Глава 9. Амины. Аминокислоты. Белки § 51. 9. 672 дм3; 930 г. 10. CH3—CH2—CH2NH2; CH3—CH(NH2)—CH3; CH3—NH—C2H5. § 52. 8. 101,25 г. 9. CO2 — 66,67 %, N2 — 33,33 %. 10. C4H11N. § 53. 10. C2H5O2N; CH2NH2COOH. 12. 215 см3. § 54. 9. 94 %. 10. 4356,48 кг. § 56. 10. 16 000. 11. Глицилглицин. Глава 10. Обобщение и систематизация знаний по органической химии § 59. 4. 7,52 г. 5. 101 г. 6. С5Н10. § 60. 8. 93,24 кг. § 61. 6. ПДК превышена в два раза.

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

ГЛАВА 1 Теория химического строения органических соединений § 1. Предмет органической химии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 2. Теория химического строения органических соединений . . . . . . . . . . . . . § 3. Химические связи в органических соединениях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 4. Классификация органических соединений и особенности их реакций . . .

6 11 17 20

ГЛАВА 2 Насыщенные углеводороды § 5. Алканы. Строение алканов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 6. Номенклатура алканов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 7. Изомерия и физические свойства алканов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 8. Химические свойства алканов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26 30 33 37

ГЛАВА 3 Ненасыщенные углеводороды § 9. Алкены. Строение алкенов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 10. Номенклатура, изомерия и физические свойства алкенов . . . . . . . . . . Лабораторный опыт 1. Изготовление шаростержневых моделей молекул углеводородов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 11. Химические свойства алкенов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 12. Реакция полимеризации алкенов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 13. Получение и применение алкенов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Практическая работа 1. Получение этилена и изучение его свойств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 14. Диены . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 15. Алкины. Строение, номенклатура и изомерия алкинов . . . . . . . . . . . . . § 16. Физические и химические свойства, получение и применение ацетилена . . .

43 46 50 — 53 56 59 — 65 68

ГЛАВА 4 Ароматические углеводороды (арены) § 17. Бензол . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 18. Получение и применение ароматических соединений . . . . . . . . . . . . . . . § 19. Углеводороды в природе. Переработка нефти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 20. Решение расчетных задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

72 76 80 83 275

ГЛАВА 5 Спирты и фенолы § 21. Спирты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 § 22. Насыщенные одноатомные спирты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 § 23. Химические свойства спиртов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Лабораторный опыт 2. Окисление этанола оксидом меди(II) . . . . . . 100 § 24. Получение и применение спиртов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . — § 25. Решение расчетных задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 § 26. Многоатомные спирты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Лабораторный опыт 3. Взаимодействие глицерина с гидроксидом меди(II) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 § 27. Фенолы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . — § 28. Получение фенола. Применение фенола и его производных . . . . . . . . . 118 ГЛАВА 6 Альдегиды и карбоновые кислоты § 29. Альдегиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 § 30. Химические свойства альдегидов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Лабораторный опыт 4. Окисление этаналя гидроксидом меди(II) . . . 129 § 31. Получение альдегидов. Применение альдегидов и их производных . . . — § 32. Карбоновые кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 § 33. Насыщенные одноосновные карбоновые кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 § 34. Химические свойства насыщенных одноосновных карбоновых кислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Лабораторный опыт 5. Химические свойства карбоновых и минеральных кислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 § 35. Получение насыщенных одноосновных карбоновых кислот и их применение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . — Практическая работа 2. Получение уксусной кислоты и исследование ее свойств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 § 36. Ненасыщенные карбоновые кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 § 37. Решение расчетных задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 § 38. Взаимосвязь между углеводородами, спиртами, альдегидами, карбоновыми кислотами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 ГЛАВА 7 Сложные эфиры. Жиры § 39. Сложные эфиры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 § 40. Получение и химические свойства сложных эфиров. Применение . . . 158 276

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

§ 41. Понятие о полиэфирных волокнах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 § 42. Жиры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Лабораторный опыт 6. Исследование свойств жиров (растворимость, доказательство ненасыщенного характера остатков карбоновых кислот) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 § 43. Мыла и синтетические моющие средства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . — Лабораторный опыт 7. Сравнение свойств мыла и синтетических моющих средств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 ГЛАВА 8 Углеводы § 44. Моносахариды. Глюкоза и фруктоза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 § 45. Химические свойства, получение и применение глюкозы . . . . . . . . . . . 179 Лабораторный опыт 8. Взаимодействие глюкозы с гидроксидом меди(II) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 § 46. Дисахариды. Сахароза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . — Лабораторный опыт 9. Взаимодействие сахарозы с гидроксидом меди(II) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 § 47. Полисахариды. Крахмал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . — § 48. Химические свойства, получение и применение крахмала . . . . . . . . . . . 187 Лабораторный опыт 10. Взаимодействие крахмала с иодом. Гидролиз крахмала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 § 49. Целлюлоза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . — § 50. Химические свойства и применение целлюлозы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Практическая работа 3. Решение экспериментальных задач . . . . . . 194 ГЛАВА 9 Амины. Аминокислоты. Белки § 51. Амины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 § 52. Свойства, получение и применение аминов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 § 53. Аминокислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 § 54. Полиамидные волокна. Капрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 § 55. Белки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 § 56. Свойства белков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Лабораторный опыт 11. Свойства белков: денатурация, цветные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Практическая работа 4. Решение экспериментальных задач . . . . . . —

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

277

ГЛАВА 10 Обобщение и систематизация знаний по органической химии § 57. Классификация и номенклатура органических соединений . . . . . . . . . . 228 § 58. Многообразие органических соединений. Изомерия . . . . . . . . . . . . . . . . 231 § 59. Классификация органических реакций, закономерности их протекания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 § 60. Взаимосвязь между органическими соединениями различных классов . . . 241 § 61. Промышленный органический синтез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 П р и л о ж е н и е 1. Основные виды органического сырья . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 П р и л о ж е н и е 2. Обобщение сведений о составе, строении, химических свойствах, получении и применении органических веществ . . . . . . . . . . . . . . . 251 П р и л о ж е н и е 3. Качественные реакции органических соединений . . . . . . . 264 Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Именной указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Ответы на расчетные задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Учебное издание Ельницкий Аркадий Петрович Шарапа Елена Ивановна

ХИМИЯ Учебное пособие для 11 класса общеобразовательных учреждений с русским языком обучения с 11-летним сроком обучения 2-е издание, переработанное Зав. редакцией В. Г. Бехтина. Редактор Л. В. Гринкевич. Оформление Е. Г. Дашкевич. Художественный редактор В. И. Козлов. Технический редактор М. И. Чепловодская. Компьютерная верстка Е. В. Прудывус. Корректоры Т. Н. Ведерникова, Е. П. Тхир, В. С. Бабеня, А. В. Алешко. Подписано в печать 17.09.2008. Формат 70 90 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура литературная. Офсетная печать. Усл.-печ. л. 20,48. Уч.-изд. л. 14. Тираж 133 000 экз. Заказ . Издательское республиканское унитарное предприятие «Народная асвета» Министерства информации Республики Беларусь. ЛИ 02330/0131732 от 01.04.2004. Пр. Победителей, 11, 220004, Минск. Республиканское унитарное предприятие «Минская фабрика цветной печати». ЛП № 02330/0056853 от 30.04.2004. Ул. Корженевского, 20, 220024, Минск. Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

(Название и номер школы)

Учебный год

20

/

20

/

20

/

20

/

20

/

Имя и фамилия ученика

Состояние учебного пособия при получении

Образовательный портал www.adu.by/ Национальный институт образования

Оценка ученику за пользование учебным пособием