Краткий теоретический курс по неорганической и органической химии

Разработала: Егорова А.В.-преподаватель химии ГБПОУ КК БИТТ

Раздел 1. Общая и неорганическая химия.

Тема 1. Основные понятия и законы химии

Химия - наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении. В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн. органических соединений.

Химические явления: одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, при этом состав ядер атомов не изменяется.

Физические явления: меняется физическое состояние веществ (парообразование, плавление, электропроводность, выделение тепла и света, ковкость и др.) или образуются новые вещества с изменением состава ядер атомов.

Атомно - молекулярное учение. 

1.      Все вещества состоят из молекул. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

2.      Молекулы состоят из атомов. Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Различным элементам соответствуют различные атомы.

3.      Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существуют силы притяжения и отталкивания.

Химический элемент - это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек. В настоящее время известно 110 элементов: 89 из них найдены в природе (на Земле), остальные получены искусственным путем. Атомы существуют в свободном состоянии, в соединениях с атомами того же или других элементов, образуя молекулы. Способность атомов вступать во взаимодействие с другими атомами и образовывать химические соединения определяется его строением. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него, образуя электронейтральную систему, которая подчиняется законам, характерным для микросистем.

Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из Z протонов и N нейтронов, в которой сосредоточена основная масса атомов.

Заряд ядра - положительный, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе. Сумма протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом A = Z + N.

Изотопы - химические элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет разного числа нейтронов в ядре. 

Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс - цифра, стоящая справа внизу от символа. Обозначает число атомов в молекуле). Химическая формула показывает,  атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.

Аллотропия - явление образования химическим элементом нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам. Простые вещества- молекулы, состоят из атомов одного и того же элемента.

Cложные вещества - молекулы, состоят из атомов различных химических элементов.

Международная единица атомных масс равна ¹/₁₂ массы изотопа  ¹²C - основного изотопа природного углерода.

1 а.е.м = ¹/₁₂ • m (¹²C) = 1,66057 • 10^-24 г

Относительная атомная масса (A_r) - безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к ¹/₁₂ массы атома ¹²C.

Средняя абсолютная масса атома (m) равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м.

A_r(Mg) = 24,312

m _(Mg) = 24,312 • 1,66057 • 10^-24 = 4,037 • 10^-23 г

Относительная молекулярная масса (M_r) - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше ¹/₁₂ массы атома углерода ¹²C.

M_г = m_г / (¹/₁₂ m_а(¹²C))

m_r - масса молекулы данного вещества;

m_а(¹²C) - масса атома углерода ¹²C. 

M_г =  A_г(э). Относительная молекулярная масса вещества равна  сумме относительных атомных масс всех элементов с учетом индексов.

Примеры.

M_г(B₂O₃) = 2 • A_r(B) + 3 • A_r(O) = 2 • 11 + 3 • 16 = 70

M_г(KAl(SO₄)₂) = 1 • A_r(K) + 1 • A_r(Al) + 1 • 2 • A_r(S) + 2 • 4 • A_r(O) =
= 1 • 39 + 1 • 27 + 1 • 2 • 32 + 2 • 4 • 16 = 258

Абсолютная масса молекулы  равна относительной молекулярной массе, умноженной на а.е.м. Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения - моль.

Количество вещества, моль.  Означает определенное число структурных элементов (молекул, атомов, ионов). Обозначается , измеряется в моль.  Моль - количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 12 г углерода.

Число Авогадро ди Кваренья (N_A). Количество частиц в 1 моль любого вещества одно и то же и равно 6,02 • 10²³. (Постоянная Авогадро имеет размерность - моль^-1).

Пример.

Сколько молекул содержится в 6,4 г серы?

Молекулярная масса серы равна 32 г /моль. Определяем количество г/моль вещества в 6,4 г серы:

(s) = m(s) / M(s) = 6,4г / 32 г/моль = 0,2 моль

Определим число структурных единиц (молекул), используя постоянную Авогадро N_A

N(s) = _(s) • N_A = 0,2 • 6,02 • 10²³ = 1,2 • 10²³

Молярная масса показывает массу 1 моля вещества (обозначается M).

M = m / 

Молярная масса вещества равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества.

Молярная масса вещества численно равна его относительной молекулярной массе, однако первая величина имеет размерность г/моль, а вторая - безразмерная.

M = N_A • m_{(1 молекула)}  = N_A • M_г • 1 а.е.м. = (N_A • 1 а.е.м.) • M_г = M_г

Это означает, что если масса некоторой молекулы равна, например, 80 а.е.м. (SO₃), то масса одного моля молекул равна 80 г. Постоянная Авогадро является коэффициентом пропорциональности, обеспечивающим переход от молекулярных соотношений к молярным. Все утверждения относительно молекул остаются справедливыми для молей (при замене, в случае необходимости, а.е.м. на г) Например, уравнение реакции: 2Na + Cl₂  2NaCl, означает, что два атома натрия реагируют с одной молекулой хлора или, что одно и то же, два моль натрия реагируют с одним молем хлора.

Закон сохранения массы веществ

(М.В.Ломоносов, 1748 г.; А.Лавуазье, 1789 г.) 

Масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Атомно-молекулярное учение этот закон объясняет следующим образом: в  результате  химических  реакций  атомы  не исчезают и не возникают, а  происходит их перегруппировка (т.е. химическое превращение- это процесс  разрыва одних связей между атомами и образование других, в результате  чего из молекул исходных веществ получаются молекулы продуктов реакции). Поскольку число атомов до и после реакции остается неизменным, то их общая масса также изменяться не должна. Под массой понимали величину, характеризующую количество материи.

Закон постоянства состава

Впервые сформулировал Ж.Пруст (1808 г). 

Все индивидуальные химические вещества имеют постоянный качественный и количественный состав и определенное химическое строение, независимо от способа получения.

Из закона постоянства состава следует, что при образовании сложного вещества элементы соединяются друг с другом в определенных массовых соотношениях.

Пример.

CuS - сульфид меди. m(Cu) : m(S) = A_r(Cu) : A_r(S) = 64 : 32 = 2 : 1

Чтобы получить сульфид меди (CuS) необходимо смешать порошки меди и серы в массовых отношениях 2 : 1.

Если взятые количества исходных веществ не соответствуют их соотношению в химической формуле соединения, одно из них останется в избытке.

Например, если взять 3 г меди и 1 г серы, то после реакции останется 1 г меди, который не вступил в химическую реакцию. Вещества немолекулярного строения не обладают строго постоянным составом. Их состав зависит от условий получения.

Массовая доля элемента _(Э) показывает, какую часть составляет масса данного элемента от всей массы вещества: где n - число атомов; A_r(Э) - относительная атомная масса элемента; M_r - относительная молекулярная масса вещества.

_(Э) = (n • A_r(Э)) / M_r

Зная количественный элементный состав соединения можно установить его простейшую молекулярную формулу:

1.      Обозначают формулу соединения A_x B_y C_z

2.      Рассчитывают отношение X : Y : Z через массовые доли элементов:

_(A) = (х • A_r(А)) / M_r(A_xB_yC_z)

_(B) = (y • A_r(B)) / M_r(A_xB_yC_z)

_(C) = (z • A_r(C)) / M_r(A_xB_yC_z)

X = (_(A) • M_r) / A_r(А)

Y = (_(B)  • M_r) / A_r(B)

Z = (_(C)  • M_r) / A_r(C)

x : y : z = (_(A) / A_r(А)) : (_(B) / A_r(B)) : (_(C) / A_r(C))

3.      Полученные цифры делят на наименьшее для получения целых чисел X, Y, Z.

4.      Записывают формулу соединения.

Закон кратных отношений

(Д.Дальтон, 1803 г.) 

Если два химических элемента дают несколько соединений, то весовые доли одного и того же элемента в этих соединениях, приходящиеся на одну и ту же весовую долю второго элемента, относятся между собой как небольшие целые числа.

N₂O          N₂O₃          NO₂(N₂O₄)          N₂O₅ 

Число атомов кислорода в молекулах этих соединений, приходящиеся на два атома азота, относятся между собой как 1 : 3 : 4 : 5. 

Закон объемных отношений

(Гей-Люссак, 1808 г.) 

"Объемы газов, вступающих в химические реакции, и  объемы газов, образующихся в результате реакции, относятся между собой как небольшие целые числа".

Следствие. Стехиометрические коэффициенты в  уравнениях химических реакций для молекул газообразных веществ показывают, в каких объемных отношениях реагируют или получаются газообразные вещества.

Примеры.

a)        2CO + O₂  2CO₂

При окислении двух объемов оксида углерода (II) одним объемом кислорода образуется 2 объема углекислого газа, т.е. объем исходной реакционной смеси уменьшается на 1 объем.

b)     При синтезе аммиака из элементов:

n₂ + 3h₂  2nh₃

Один объем азота реагирует с тремя объемами водорода; образуется при этом 2 объема аммиака - объем исходной газообразной реакционной массы уменьшится в 2 раза. 

Закон Авогадро ди Кваренья

(1811 г.) 

В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температура, давление и т.д.) содержится одинаковое число молекул.

Закон справедлив только для газообразных веществ.

Следствия.

1.      Одно и то же число молекул различных газов при  одинаковых условиях занимает одинаковые объемы.

2.      При нормальных условиях (0C = 273К , 1 атм = 101,3 кПа) 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л.

Пример 1.

Какой объем водорода при н.у. выделится при растворении 4,8 г магния в избытке соляной кислоты?

Решение.

Mg + 2HCl  MgCl₂ + H₂­

При растворении 24 г (1 моль) магния в HCl выделилось 22,4 л (1 моль) водорода; при растворении 4,8 г магния –– Х л водорода.

X = (4,8 • 22,4) / 24 = 4,48 л водорода

Пример 2.

3,17 г хлора занимают объем равный 1 л (при н.у.). Вычислите по этим данным молекулярную массу хлора.

Решение.

Находим массу 22,4 л хлора

1 л––3,17 г  хлора

22,4 л–– Х г  хлора

X = 3,17 • 22,4 = 71 г 

Следовательно, молекулярная масса хлора - 71.

Объединенный газовый закон - объединение трех независимых частных газовых законов: Гей-Люссака, Шарля, Бойля-Мариотта, уравнение, которое можно записать так:

P₁V₁ / T₁ = P₂V₂ / T₂

И наоборот, из объединенного газового закона

при P = const (P₁ = P₂) можно получить

V₁ / T₁ = V₂ / T₂

(закон Гей-Люссака);

при Т= const (T₁ = T₂):

P₁V₁ = P₂V₂

(закон Бойля-Мариотта);

при V = const

P₁ / T₁ = P₂ / T₂

(закон Шарля).

Тема 2. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева и строение атома

Состав атома.

Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки.

Ядро атома состоит из протонов (p⁺) и нейтронов (n⁰). У большинства атомов водорода ядро состоит из одного протона.

Число протонов N(p⁺) равно заряду ядра (Z) и порядковому номеру элемента в естественном ряду элементов (и в периодической системе элементов).

N(p⁺) = Z

Сумма числа нейтронов N(n⁰), обозначаемого просто буквой N, и числа протонов Z называется массовым числом и обозначается буквой А.

A = Z + N

Электронная оболочка атома состоит из движущихся вокруг ядра электронов (е^-).

Число электронов N(e^-) в электронной оболочке нейтрального атома равно числу протонов Z в его ядре.

Масса протона примерно равна массе нейтрона и в 1840 раз больше массы электрона, поэтому масса атома практически равна массе ядра.

Форма атома - сферическая. Радиус ядра примерно в 100000 раз меньше радиуса атома.

Химический элемент - вид атомов (совокупность атомов) с одинаковым зарядом ядра (с одинаковым числом протонов в ядре).

Изотоп - совокупность атомов одного элемента с одинаковым числом нейтронов в ядре (или вид атомов с одинаковым числом протонов и одинаковым числом нейтронов в ядре).

Разные изотопы отличаются друг от друга числом нейтронов в ядрах их атомов.

Обозначение отдельного атома или изотопа: (Э - символ элемента), например: .

Строение электронной оболочки атома

Атомная орбиталь - состояние электрона в атоме. Условное обозначение орбитали - . Каждой орбитали соответствует электронное облако.

Орбитали реальных атомов в основном (невозбужденном) состоянии бывают четырех типов: s, p, d и f.

Электронное облако - часть пространства, в которой электрон можно обнаружить с вероятностью 90 (или более) процентов.

Примечание: иногда понятия "атомная орбиталь" и "электронное облако" не различают, называя и то, и другое "атомной орбиталью".

Электронная оболочка атома слоистая. Электронный слой образован электронными облаками одинакового размера. Орбитали одного слоя образуют электронный ("энергетический") уровень, их энергии одинаковы у атома водорода, но различаются у других атомов.

Однотипные орбитали одного уровня группируются в электронные (энергетические) подуровни:
s-подуровень (состоит из одной s-орбитали), условное обозначение - .
p-подуровень (состоит из трех p-орбиталей), условное обозначение - .
d-подуровень (состоит из пяти d-орбиталей), условное обозначение - .
f-подуровень (состоит из семи f-орбиталей), условное обозначение - .

Энергии орбиталей одного подуровня одинаковы.

При обозначении подуровней к символу подуровня добавляется номер слоя (электронного уровня), например: 2s, 3p, 5d означает s-подуровень второго уровня, p-подуровень третьего уровня, d-подуровень пятого уровня.

Общее число подуровней на одном уровне равно номеру уровня n. Общее число орбиталей на одном уровне равно n². Соответственно этому, общее число облаков в одном слое равно также n².

Обозначения: - свободная орбиталь (без электронов), - орбиталь с неспаренным электроном, - орбиталь с электронной парой (с двумя электронами).

Порядок заполнения электронами орбиталей атома определяется тремя законами природы (формулировки даны упрощенно):

1. Принцип наименьшей энергии - электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии орбиталей.

2. Принцип Паули - на одной орбитали не может быть больше двух электронов.

3. Правило Хунда - в пределах подуровня электроны сначала заполняют свободные орбитали (по одному), и лишь после этого образуют электронные пары.

Общее число электронов на электронном уровне (или в электронном слое) равно 2n².

Распределение подуровней по энергиям выражается рядом (в прядке увеличения энергии):

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p ...

Распределение электронов атома по уровням, подуровням и орбиталям (электронная конфигурация атома) может быть изображена в виде электронной формулы, энергетической диаграммы или, упрощенно, в виде схемы электронных слоев ("электронная схема").

Примеры электронного строения атомов:

Валентные электроны - электроны атома, которые могут принимать участие в образовании химических связей. У любого атома это все внешние электроны плюс те предвнешние электроны, энергия которых больше, чем у внешних. Например: у атома Ca внешние электроны - 4s², они же и валентные; у атома Fe внешние электроны - 4s², но у него есть 3d⁶, следовательно у атома железа 8 валентных электронов. Валентная электронная формула атома кальция - 4s², а атома железа - 4s²3d⁶.

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
(естественная система химических элементов)

Периодический закон химических элементов (современная формулировка): свойства химических элементов, а также простых и сложных веществ, ими образуемых, находятся в периодической зависимости от значения заряда из атомных ядер.

Периодическая система - графическое выражение периодического закона.

Естественный ряд химических элементов - ряд химических элементов, выстроенных по возрастанию числа протонов в ядрах их атомов, или, что то же самое, по возрастанию зарядов ядер этих атомов. Порядковый номер элемента в этом ряду равен числу протонов в ядре любого атома этого элемента.

Таблица химических элементов строится путем "разрезания" естественного ряда химических элементов на периоды (горизонтальные строки таблицы) и объединения в группы (вертикальные столбцы таблицы) элементов, со сходным электронным строением атомов.

В зависимости от способа объединения элементов в группы таблица может быть длиннопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом и типом валентных электронов) и короткопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом валентных электронов).

Группы короткопериодной таблицы делятся на подгруппы (главные и побочные), совпадающие с группами длиннопериодной таблицы.

У всех атомов элементов одного периода одинаковое число электронных слоев, равное номеру периода.

Число элементов в периодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Большинство элементов восьмого периода получены искусственно, последние элементы этого периода еще не синтезированы. Все периоды, кроме первого начинаются с элемента, образующего щелочной металл (Li, Na, K и т. д.), а заканчиваются элементом, образующим благородный газ (He, Ne, Ar, Kr и т. д.).

В короткопериодной таблице - восемь групп, каждая из которых делится на две подгруппы (главную и побочную), в длиннопериодной таблице - шестнадцать групп, которые нумеруются римскими цифрами с буквами А или В, например: IA, IIIB, VIA, VIIB. Группа IA длиннопериодной таблицы соответствует главной подгруппе первой группы короткопериодной таблицы; группа VIIB - побочной подгруппе седьмой группы: остальные - аналогично.

Характеристики химических элементов закономерно изменяются в группах и периодах.

В периодах (с увеличением порядкового номера)

• увеличивается заряд ядра,

• увеличивается число внешних электронов,

• уменьшается радиус атомов,

• увеличивается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации),

• увеличивается электроотрицательность,

• усиливаются окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"),

• ослабевают восстановительные свойства простых веществ ("металличность"),

• ослабевает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов,

• возрастает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов.

В группах (с увеличением порядкового номера)

• увеличивается заряд ядра,

• увеличивается радиус атомов (только в А-группах),

• уменьшается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации; только в А-группах),

• уменьшается электроотрицательность (только в А-группах),

• ослабевают окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"; только в А-группах),

• усиливаются восстановительные свойства простых веществ ("металличность"; только в А-группах),

• возрастает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),

• ослабевает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),

• снижается устойчивость водородных соединений (повышается их восстановительная активность; только в А-группах).

Тема 3. Строение вещества

Химическая связь

Все взаимодействия, приводящие к объединению химических частиц (атомов, молекул, ионов и т. п.) в вещества делятся на химические связи и межмолекулярные связи (межмолекулярные взаимодействия).

Химические связи - связи непосредственно между атомами. Различают ионную, ковалентную и металлическую связь.

Межмолекулярные связи - связи между молекулами. Это водородная связь, ион-дипольная связь (за счет образования этой связи происходит, например, образование гидратной оболочки ионов), диполь-дипольная (за счет образования этой связи объединяются молекулы полярных веществ, например, в жидком ацетоне) и др.

Ионная связь - химическая связь, образованная за счет электростатического притяжения разноименно заряженных ионов. В бинарных соединениях (соединениях двух элементов) она образуется в случае, когда размеры связываемых атомов сильно отличаются друг от друга: одни атомы большие, другие маленькие - то есть одни атомы легко отдают электроны, а другие склонны их принимать (обычно это атомы элементов, образующих типичные металлы и атомы элементов, образующих типичные неметаллы); электроотрицательность таких атомов также сильно отличается.
Ионная связь ненаправленная и не насыщаемая.

Ковалентная связь - химическая связь, возникающая за счет образования общей пары электронов. Ковалентная связь образуется между маленькими атомами с одинаковыми или близкими радиусами. Необходимое условие - наличие неспаренных электронов у обоих связываемых атомов (обменный механизм) или неподеленной пары у одного атома и свободной орбитали у другого (донорно-акцепторный механизм):

H· + ·H H:H	H-H	H2	(одна общая пара электронов; H одновалентен);
	NN	N2	(три общие пары электронов; N трехвалентен);
	H-F	HF	(одна общая пара электронов; H и F одновалентны);
		NH4+	(четыре общих пары электронов; N четырехвалентен)

По числу общих электронных пар ковалентные связи делятся на

• простые (одинарные) - одна пара электронов,

• двойные - две пары электронов,

• тройные - три пары электронов.

Двойные и тройные связи называются кратными связями.

По распределению электронной плотности между связываемыми атомами ковалентная связь делится на неполярную и полярную. Неполярная связь образуется между одинаковыми атомами, полярная - между разными.

Электроотрицательность - мера способности атома в веществе притягивать к себе общие электронные пары.
Электронные пары полярных связей смещены в сторону более электроотрицательных элементов. Само смещение электронных пар называется поляризацией связи. Образующиеся при поляризации частичные (избыточные) заряды обозначаются + и -, например: .

По характеру перекрывания электронных облаков ("орбиталей") ковалентная связь делится на -связь и -связь.
-Связь образуется за счет прямого перекрывания электронных облаков (вдоль прямой, соединяющей ядра атомов), -связь - за счет бокового перекрывания (по обе стороны от плоскости, в которой лежат ядра атомов).

Ковалентная связь обладает направленностью и насыщаемостью, а также поляризуемостью.
Для объяснения и прогнозирования взаимного направления ковалентных связей используют модель гибридизации.

Гибридизация атомных орбиталей и электронных облаков - предполагаемое выравнивание атомных орбиталей по энергии, а электронных облаков по форме при образовании атомом ковалентных связей.
Чаще всего встречается три типа гибридизации: sp-, sp² и sp³-гибридизация. Например:
sp-гибридизация - в молекулах C₂H₂, BeH₂, CO₂ (линейное строение);
sp²-гибридизация - в молекулах C₂H₄, C₆H₆, BF₃ (плоская треугольная форма);
sp³-гибридизация - в молекулах CCl₄, SiH₄, CH₄ (тетраэдрическая форма); NH₃ (пирамидальная форма); H₂O (уголковая форма).

Металлическая связь - химическая связь, образованная за счет обобществления валентных электронов всех связываемых атомов металлического кристалла. В результате образуется единое электронное облако кристалла, которое легко смещается под действием электрического напряжения - отсюда высокая электропроводность металлов.
Металлическая связь образуется в том случае, когда связываемые атомы большие и потому склонны отдавать электроны. Простые вещества с металлической связью - металлы (Na, Ba, Al, Cu, Au и др.), сложные вещества - интерметаллические соединения (AlCr₂, Ca₂Cu, Cu₅Zn₈ и др.).
Металлическая связь не обладает направленностью насыщаемостью. Она сохраняется и в расплавах металлов.

Водородная связь - межмолекулярная связь, образованная за счет частичного акцептирования пары электронов высокоэлектроотрицательнного атома атомом водорода с большим положительным частичным зарядом. Образуется в тех случаях, когда в одной молекуле есть атом с неподеленной парой электронов и высокой электроотрицательностью (F, O, N), а в другой - атом водорода, связанный сильно полярной связью с одним из таких атомов. Примеры межмолекулярных водородных связей:

H—O—H ··· OH₂, H—O—H ··· NH₃, H—O—H ··· F—H, H—F ··· H—F.

Внутримолекулярные водородные связи существуют в молекулах полипептидов, нуклеиновых кислот, белков и др.

Мерой прочности любой связи является энергия связи.
Энергия связи - энергия необходимая для разрыва данной химической связи в 1 моле вещества. Единица измерений - 1 кДж/моль.

Энергии ионной и ковалентной связи - одного порядка, энергия водородной связи - на порядок меньше.

Энергия ковалентной связи зависит от размеров связываемых атомов (длины связи) и от кратности связи. Чем меньше атомы и больше кратность связи, тем больше ее энергия.

Энергия ионной связи зависит от размеров ионов и от их зарядов. Чем меньше ионы и больше их заряд, тем больше энергия связи.

Строение вещества

По типу строения все вещества делятся на молекулярные и немолекулярные. Среди органических веществ преобладают молекулярные вещества, среди неорганических - немолекулярные.

По типу химической связи вещества делятся на вещества с ковалентными связями, вещества с ионными связями (ионные вещества) и вещества с металлическими связями (металлы).

Вещества с ковалентными связями могут быть молекулярными и немолекулярными. Это существенно сказывается на их физических свойствах.

Молекулярные вещества состоят из молекул, связанных между собой слабыми межмолекулярными связями, к ним относятся: H₂, O₂, N₂, Cl₂, Br₂, S₈, P₄ и другие простые вещества; CO₂, SO₂, N₂O₅, H₂O, HCl, HF, NH₃, CH₄, C₂H₅OH, органические полимеры и многие другие вещества. Эти вещества не обладают высокой прочностью, имеют низкие температуры плавления и кипения, не проводят электрический ток, некоторые из них растворимы в воде или других растворителях.

Немолекулярные вещества с ковалентными связями или атомные вещества (алмаз, графит, Si, SiO₂, SiC и другие) образуют очень прочные кристаллы (исключение - слоистый графит), они нерастворимы в воде и других растворителях, имеют высокие температуры плавления и кипения, большинство из них не проводит электрический ток (кроме графита, обладающего электропроводностью, и полупроводников - кремния, германия и пр.)

Все ионные вещества, естественно, являются немолекулярными. Это твердые тугоплавкие вещества, растворы и расплавы которых проводят электрический ток. Многие из них растворимы в воде. Следует отметить, что в ионных веществах, кристаллы которых состоят из сложных ионов, есть и ковалентные связи, например: (Na⁺)₂(SO₄^2-), (K⁺)₃(PO₄^3-), (NH₄⁺)(NO^3-) и т. д. Ковалентными связями связаны атомы, из которых состоят сложные ионы.

Металлы (вещества с металлической связью) очень разнообразны по своим физическим свойствам. Среди них есть жидкость (Hg), очень мягкие (Na, K) и очень твердые металлы (W, Nb).

Характерными физическими свойствами металлов является их высокая электропроводность (в отличие от полупроводников, уменьшается с ростом температуры), высокая теплоемкость и пластичность (у чистых металлов).

В твердом состоянии почти все вещества состоят из кристаллов. По типу строения и типу химической связи кристаллы ("кристаллические решетки") делят на атомные (кристаллы немолекулярных веществ с ковалентной связью), ионные (кристаллы ионных веществ), молекулярные (кристаллы молекулярных веществ с ковалентной связью) и металлические (кристаллы веществ с металлической связью).

Тема 4. Вода. Растворы. Электролитическая диссоциация

Растворы – это гомогенные (однофазные) системы переменного состава, состоящие из двух или более веществ (компонентов).

По характеру агрегатного состояния растворы могут быть газообразными, жидкими и твердыми. Обычно компонент, который в данных условиях находится в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор, считают растворителем, остальные составляющие раствора – растворенными веществами. В случае одинакового агрегатного состояния компонентов растворителем считают тот компонент, который преобладает в растворе.

Движущими силами образования растворов являются энтропийный и энтальпийный факторы. При растворении газов в жидкости энтропия всегда уменьшается ΔS 0). Чем сильнее взаимодействие растворенного вещества и растворителя, тем больше роль энтальпийного фактора в образовании растворов.

Для жидких растворов (расплавов) процесс растворения идет самопроизвольно до установления динамического равновесия между раствором и твердой фазой.

Концентрация насыщенного раствора определяется растворимостью вещества при данной температуре. Растворы с меньшей концентрацией называются ненасыщенными.

Растворимость для различных веществ колеблется в значительных пределах и зависит от их природы, взаимодействия частиц растворенного вещества между собой и с молекулами растворителя, а также от внешних условий (давления, температуры и т. д.)

В химической практике наиболее важны растворы, приготовленные на основе жидкого растворителя. Именно жидкие смеси в химии называют просто растворами. Наиболее широко применяемым неорганическим растворителем является вода. Растворы с другими растворителями называются неводными.

Растворы имеют чрезвычайно большое практическое значение, в них протекают многие химические реакции, в том числе и лежащие в основе обмена веществ в живых организмах.

Важной характеристикой растворов служит их концентрация, которая выражает относительное количество компонентов в растворе. Различают массовые и объемные концентрации, размерные и безразмерные.

К безразмерным концентрациям (долям) относятся следующие концентрации:

Массовая доля растворенного вещества W(B) выражается в долях единицы или в процентах:

где m(B) и m(A) – масса растворенного вещества B и масса растворителя A.

Мольная доля растворенного вещества χ(B) выражается соотношением

Моляльность растворенного вещества Cm(B) определяется количеством вещества n(B) в 1 кг (1000 г) растворителя, размерность моль/кг.

Молярная концентрация вещества B в растворе C(B) – содержание количества растворенного вещества B в единице объема раствора, моль/м³, или чаще моль/литр:

где μ(B) – молярная масса B, V – объем раствора.

Молярная концентрация эквивалентов вещества B C_Э(B) (нормальность – устаревш.) определяется числом эквивалентов растворенного вещества в единице объема раствора, моль∙литр^–1:

где n_Э(B) – количество вещества эквивалентов, μ_Э – молярная масса эквивалента.

Титр раствора вещества B(T_B) определяется массой растворенного вещества в г, содержащегося в 1 мл раствора:

	г∙мл–1 или
	г∙мл–1.

Массовые концентрации (массовая доля, процентная, моляльная) не зависят от температуры; объемные концентрации относятся к определенной температуре.

Все вещества в той или иной степени способны растворяться и характеризуются растворимостью. Некоторые вещества неограниченно растворимы друг в друге (вода-ацетон, бензол-толуол, жидкие натрий-калий). Большинство соединений ограниченно растворимы (вода-бензол, вода-бутиловый спирт, вода-поваренная соль), а многие малорастворимы или практически нерастворимы (вода-BaSO₄, вода-бензин).

Растворимостью вещества при данных условиях называют его концентрацию в насыщенном растворе. В таком растворе достигается равновесие между растворяемым веществом и раствором. В отсутствие равновесия раствор остается стабильным, если концентрация растворенного вещества меньше его растворимости (ненасыщенный раствор), или нестабильным, если в растворе содержится вещества больше его растворимости (пересыщенный раствор).

Растворение некоторых веществ сопровождается высвобождением или образованием ионов. При этом возможны диссоциативный и ионизационный механизмы. Диссоциативный механизм превалирует при разрушении ионной кристаллической решетки под воздействием сольватирующего растворителя.

Так, ионы, составляющие кристаллическую решетку KCl, приобретают способность проводить электрический ток в любом из двух случаев разрушения кристаллической решетки – под воздействием тепловой энергии (расплав) или под воздействием сольватирующего растворителя (растворение). В последнем случае в раствор переходят готовые ионы, окруженные молекулами растворителя. Процесс взаимодействия ионов кристаллической решетки с молекулами растворителя называется сольватацией.

Ионизационный механизм состоит в том, что в молекулах газообразных, твердых и жидких веществ под воздействием полярных молекул растворителя увеличивается доля ионности настолько, что в раствор могут переходить сольватированные ионы. В зависимости от природы растворителя электролит может быть полностью диссоциирован, либо будет вести себя как слабый электролит:

В воде равновесие смещено вправо и растворенный хлористый водород диссоциирован полностью. В бензоле растворенный HCl ведет себя как слабый электролит.

Важной характеристикой электролитов служит степень диссоциации α:

По величине степени диссоциации электролиты делятся на слабые и сильные. Для сильных электролитов, к которым относятся некоторые минеральные кислоты и щелочи, большинство солей, α 30 %. К слабым относят некоторые минеральные кислоты (HNO₂, HCN, H₂SO₃), большинство оснований, практически все органические кислоты.

Важнейшей характеристикой слабого электролита служит константа диссоциации.

Рассмотрим равновесную реакцию диссоциации слабого электролита HAn:

Константа равновесия K_р этой реакции и есть K_д:

Если выразить равновесные концентрации через концентрацию слабого электролита C и его степень диссоциации α, то получим:

Это соотношение называют законом разбавления Оствальда. Для очень слабых электролитов при α

Тогда:

Это позволяет заключить, что при бесконечном разбавлении степень диссоциации α стремится к единице.

Для слабых электролитов, к каковым относятся некоторые кислоты и основания, константа равновесия реакции диссоциации получила название константы диссоциации:

Реакция	Константа диссоциации

Поскольку эти константы – очень малые величины = 1,86∙10^–5, = 1,77∙10^–5), их выражают через отрицательный десятичный логарифм: – lg K_дисс = pK_дисс. Тогда pK приведенных выше констант составят pK_к = 4,730 и pK_осн = 4,752.

Многоосновные кислоты и многокислотные основания характеризуются соответствующим числом ступенчатых констант диссоциации:

Кислоты и основания диссоциируют ступенчато. Каждая ступень диссоциации характеризуется своей константой. Так, трехосновная ортофосфорная кислота H₃PO₄ диссоциирует следующим образом:

Реакция Константа диссоциации Kд Степень диссоциации α α = 27 % α = 0,15 % α = 0,005 %

Важное значение имеет диссоциация воды, поскольку, являясь слабым электролитом и обычным растворителем, она участвует в кислотно-основном равновесии растворенных в ней электролитов.

Вода диссоциирует на ионы:

ее константа при 298 K равна

При столь малой константе диссоциации концентрация воды остается практически неизменной и равной

Отсюда произведение постоянных величин K_д∙[H₂O] = [H⁺]∙[OH^–] = const.

Численная величина произведения ионов, на которые диссоциирует вода, называемое ионным произведением воды K_в, равна

Таким образом, в пределах 15–25 °C ионное произведение воды K_в = 10^–14.

Равенство [H⁺] и [OH^–] соответствует нейтральной среде [H⁺] = [OH^–] = 1 ∙ 10^–7, при [H⁺] 1 ∙ 10^–7 – кислой, при [H⁺] ^–7 – щелочной.

Для определения кислотно-основных свойств раствора пользуются водородным показателем pH. По определению, это отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов: pH = –lg [H⁺].

Очевидно, –lg [H⁺][OH^–] = –lg 1 ∙ 10^–14 дает pH + pOH = 14.

Тогда pH 7 соответствует щелочной среде, pH = 7 – нейтральной среде.

Поскольку pH + pOH = 14, можно видеть, что pH может меняться от небольших отрицательных значений до величин, немного превышающих 14 (pH NaOH c C = 2 равен 14,3).

Принципиальное отличие сильных электролитов от слабых состоит в том, что равновесие диссоциации сильных электролитов полностью смещено вправо:

а потому константа равновесия (диссоциации) оказывается величиной неопределенной. Снижение электропроводности при увеличении концентрации сильного электролита обусловлено электростатическим взаимодействием ионов.

Дебай и Хюккель, предложив модель, которая легла в основу теории сильных электролитов, постулировали:

1) Электролит полностью диссоциирует, но в сравнительно разбавленных растворах (C = 0,01 моль·л^–1).

2) Каждый ион окружен оболочкой из ионов противоположного знака. В свою очередь, каждый из этих ионов сольватирован. Это окружение называется ионной атмосферой.

Сильный электролит полностью диссоциирует (α 30%), но в сравнительно разбавленных растворах (C = 0,01 моль·л–1).

Тема 5. Классификация неорганических соединений и их свойства

ВАЖНЕЙШИЕ КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.

1.Оксиды – это соединения, состоящие из атомов 2 элементов, одним из которых является кислород в с.о. равной -2.

Общая формула: Э_хО_у

Оксиды:

1. Несолеобразующие (безразличные) – NO, СО, N₂O.

2. Солеобразующие –

А) Основные оксиды – образованы металлами, им соотв-т основания. ВаО, Na₂О, К₂О

Б) Кислотные оксиды – образованы неметаллами и металлами в высшей с.о. Им соотв-т кислоты. SO₂, SO₃, СО₂.

В)Амфотерные оксиды –образованы переходными элементами- Fe, Mn, Mo, Cu, Zn, Pt, Au.

1) Горение простых веществ

С + О₂ = СО₂

2) Горение сложных веществ

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

3) Разложение солей

СаСО₃ = СаО + СО₂

4) Разложение кислот

Н₂СО₃= СО₂ + Н₂О

5)Разложение нерастворимых оснований

2Fe(ОН)₃ = Fe₂О₃ + 3Н₂О

Свойства основных оксидов:

1)Вз-е с водой

СаО + Н2О = Са(ОН)₂

2) Вз-е с кислотами

Al₂О₃ + 6НСl = 2AlCl₃ + 3Н₂О

3) вз-е с кислотными оксидами

СаО + СО₂ = СаСО₃

4)Вз-е с амфотерными оксидами

Li₂O + Al₂O₃ = 2LiAlO₂

Свойства амфотерных оксидов:

1. Вз-т с кислотами и основаниями

ZnO + 2HCl = ZnCl₂ + Н₂О

ZnO + 2NaOH + Н₂О = Na₂[Zn(OH)₄]

1. Реагируют с основными и кислотными оксидами

ZnO + СаО = СаZnО₂

ZnО + SiО₂ = ZnSiО₃

Свойства кислотных оксидов:

1. Вз-е с водой

SO₃ + Н₂О = Н₂SО₄

1. Вз-е со щелочами

NaOH + SiO₂ = Na₂SiO₃ + H₂O

1. Вз-е с основными оксидами

SiO₂ + CaO = CaSiO₃

1. Вз-е с амфотерными оксидами

Al₂O₃ + 3SO₃ = Al₂(SO₄)₃

Оксиды входят в состав многих минералов и горных пород: кварц (SiO₂), корунд (Al₂O₃), асбест (СаО*3MgO*4SiO₂), тальк (3MgO*4SiO₂*H₂O), глина, руды железа: красный железняк – Fe₂O₃, магнитный железняк – Fe₃O₄. В состав воздуха входят: оксид углерода IV – СО₂, вода – Н₂О; СО – угарный газ (образуется при неполном сгорании топлива).

2.Основания – это сложные вещества, состоящие из ионов металла и 1 или нескольких гидроксид-ионов.

Общая формула оснований:

Ме⁺ⁿ(ОН)^-_n

- По числу гидроксид-ионов бывают:

1.Однокислотные – КОН, NаОН

2. Многокислотные – Са(ОН)₂, Fe(ОН)₂

- По растворимости в воде бывают:

1. Растворимые – (щелочи) – металлы I и II групп.

2. Нерастворимые – их образуют все остальные металлы.

1. Металл + вода

2Na + Н₂О = 2NaОН + Н₂

1. Оксид + вода

Li₂О + Н₂О = 2LiОН

1. Электролиз растворов щелочных металлов

2NaCl + 2 Н₂О = 2NaОН + Сl₂ + Н₂

1. Соль + щелочь

CuSО₄ + 2 NaОН = Cu(OH)₂ + Na₂SO₄

1. Вз-е с кислотами:

КОН + НСl = KCl + Н₂О

1. Вз-е с кислотными оксидами

2КОН + СО₂ = К₂СО₃ + Н₂О

1. Действие индикаторов

Лакмус – синяя;

ф/ф – малиновый;

м/о – желтый.

1. Вз-е с амфотерными оксидами

2КОН + ZnО = К₂ZnО₂ + Н₂О

1. Вз-е с солями

NaОН + CuCl₂ = Cu(ОН)₂ + 2NaCl

1. При нагревании разлагаются (кроме LiОН)

Сu(ОН)2 = СuO + Н₂О

1. Амфотерные гидроксиды (Al(OH)₃; Zn(OH)₂; Ве(ОН)₂; Fe(ОН)₃) вз-т с кислотами и щелочами

Zn(ОН)₂ + 2НСl = ZnCl₂ + 2Н₂О

Al(ОН)₃ + NaОН = Na[Al(ОН)₄]

NaОН – «едкий натр» - очистка нефтепродуктов, отбеливание бумаги, производство мыла, осушка газов в орг. синтезе; Cа(ОН)₂ – известковый раствор, побелка, производство сахарозы; NН₄ОН – нашатырный спирт – в медицине, аммиачная вода – жидкое минеральное удобрение; Al(ОН)₃ – в медицине – алмагель – обладает обволакивающими адсорбирующими свойствами; Fe(ОН)₃ – компонент желтого пигмента для красок и эмалей, катализатор в орг.синтезе.

3.Кислоты – это сложные вещества, молекулы которых состоят из ионов водорода и кислотных остатков.

Общая формула кислот: Н⁺_хА^х-

- По числу атомов водорода (т.е. по основности):

1.Одноосновные – НСl, НNО₃

2. Двухосновные – H₂S, H₂SO₄

3. Трехосновные – Н₃РО₄

- По наличию кислорода в кислотном остатке

1. Бескислородные – НСl, H₂S

2. Кислородсодержащие - НNО₃, Н₃РО₄, H₂SO₄

- По растворимости:

1. Растворимые – НСl, НNО₃

2. Нерастворимые – Н₂SiО₃

1. Кислотный оксид + вода

SO₃ + Н₂О = Н₂SО₄

1. Неметалл + сильный окислитель

Р + 5НNО₃ + 2Н₂О = 3Н₃РО₄ + 5 NO

1. Вз-е металлов и неметаллов

Н₂ + Сl₂ = 2 НСl

1. Соль + менее летучая кислота

NaNО₃ + Н₂SО₄ = НNО₃ + NaHSО₄

NaCl + Н₂SО₄ = 2НСl + NaHSО₄

1. Изменяют окраску индикаторов

Лакмус – красный,

м/о – красный,

ф/ф – бесцветный

1. Вз-е с металлами, стоящими до водорода

Н₂SО₄ + Са = СаSО₄ + Н₂↑

1. Вз-е с основными оксидами

Н₂SО₄ + СаО = СаSО₄ + Н₂О

1. Вз-е с основаниями

Н₂SО₄ + Са(ОН )₂ = СаSО₄ + 2Н₂О

1. Вз-е с амфотерными оксидами

Н₂SО₄ + ZnО = ZnSО₄ + Н₂О

1. Вз-е с солями с образованием малорастворимого, малодиссоциирующего или летучего вещества

Н₂SО₄ + ВаСl₂ = ВаSО₄ + 2 НСl

1. При нагревании слабые кислоты легко разлагаются

Н₂SiО₃ = Н₂О + SiО₂

Н₂SО₄ – для произ-ва минер.удобрений, очистке нефтепродуктов, поверхностей металлов, произ-ва волокон, краски, лаков, лекарственных препаратов, взрывотехника, заливка аккумуляторов.

НNО₃ – для произ-ва азотных удобрений, лекарственных препаратов, ракетного топлива; Н₃РО₄ – для произ-ва фосфорных удобрений; НСl – для травления металлов, произ-ва солей, в медицине.

4.Соли – сложные вещества, состоящие из катионов металла и анионов кислотного остатка.

Соли бывают:

1. Кислые – обр-ся при неполном замещении атомов водорода в молекулах кислот на атомы металла.

Н₃РО₄ --- NaН₂РО4

Н₃РО₄ --- Na₂НРО₄

1. Средние – обр-ся при полном замещении атомов водорода в молекуле кислоты на атомы металла или полном замещении гидроксогрупп в молекулах оснований на кислотные остатки:

Н₃РО₄ ---Na₃РО₄,

Ва(ОН)₂ --- ВаСl₂

1. Основные – обр-ся при неполном замещении гидроскогрупп в основаниях на кислотные остатки:

Fe(ОН)₃ --- (FeOH)Cl₂

Cu(OH)₂ --- (CuOH)NO₃

1. Двойные-диссоциируют в водных растворах в одну ступень на катионы металлов и анионы кислотных остатков.

КAl(SO₄)₂=К⁺+Al³⁺+2SO₄^2-

1. Комплексные – при диссоциации образуют сложные комплексные ионы, которые устойчивы в водных растворах.

[Cu(NH₃)₄]SО₄ = [Cu(NH₃)₄]²⁺ + SО₄^2-

1. металл+неметалл

Mg+Cl₂=MgCl₂

1. металл+кислота

Zn+2HCl=ZnCI₂+H₂

1. металл + соль

Fe+CuSO₄=FeSO₄+Cu

1. основной оксид+кислота

CaO+2HCl=CaCl₂+H₂O

1. кислотный оксид+основание

CaO+CO₂=CaCO₃

1. основной+амфотерный оксиды

Al₂O₃+CaO=Ca(AlO₂)₂

1. кислота+основание (р-я нейтрализации)

H₂SO₄+2NaOH=Na₂SO₄+2H₂O

1. соль+соль

AgNO₃+NaCl=AgCl+NaNO₃

1. соль+щелочь

CuSO₄+2NaOH=Cu(OH)₂+Na₂SO₄

10)соль+кислота

Na₂CO₃+2HCl=2NaCl+H₂O+CO₂

Кислые соли получают такими же способами, что и средние, но при других мольных соотношениях (при избытке кислоты)

NaOH+H₂SO₄=NaHSO₄+H₂O

Основные соли образуются при взаимодействии некоторых солей со щелочами (при избытке щелочи)

ZnCl₂+NaOH=ZnOHCl+NaCl

1. Разложение при прокаливании

CaCO₃=CaO+CO₂

1. Соль + металл

Fe+CuSO₄=FeSO₄+Cu

1. Соль + соль

AgNO₃+NaCl=AgCl+NaNO₃

1. Соль + щелочь

CuSO₄+2NaOH=Cu(OH)₂+Na₂SO₄

1. Соль + кислота

Na₂CO₃+2HCl=2NaCl+H₂O+CO₂

Тема 6. Химические реакции

ПО ЧИСЛУ ВЕЩЕСТВ И ОБРАЗУЮЩИХСЯ ВЕЩЕСТВ

химические реакции соединения A + B = AB Пример: S + O2→ SO2 Из нескольких простых или сложных веществ образуется одно сложное

химические реакции разложения AB = A + B Пример: 2HN3→ H2 + 3N2 Из сложного вещества образуется несколько простых или сложных веществ

химические реакции замещения A + BC =AC + B Пример: Fe + CuSO4→ Cu + FeSO4 Атом простого вещества замещает один из атомов сложного

химические реакции ионного обмена AB+CD = AD+CB Пример: H2SO4 + 2NaCl→ Na2SO4 + 2HCl Сложные вещества обмениваются своими составными частями

ПО ИЗМЕНЕНИЮ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ АТОМОВ

Без изменения степени окисления	С изменением степени окисления (ОВР)
CaO+H2O=Ca(OH)2 PbO+SiO2=PbSiO3	H2+Cl2=2HCl 4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3
Cu(OH)2=CuO+H2O CaCO3=CaO+CO2 NH4Cl=NH3+HCl	4HNO3=2H2O+4NO2+O2 4KClO3=3KClO4+KCl
	CuSO4+Fe=FeSO4+Cu 2KBr+Cl2=2KCl+Br2
AgNO3+KBr=AgBr NaOH+HCl=NaCl+H2O

ПО ТЕПЛОВОМУ ЭФФЕКТУ.

Экзотермические реакции (теплота выделяется)	Эндотермические реакции (теплота поглощается)
4Al+3O2=2Al2O3+Q	N2+O22NO-Q

ПО ПРИСУТСТВИЮ ДРУГИХ ВЕЩЕСТВ.

Каталитические ( протекают в присутствии катализаторов-веществ, ускоряющих реакцию)	Некаталитические
SO2+O2SO3	2NO+O2=2NO2

Тема 7. Металлы и неметаллы

Металлы - это определенная группа химических элементов (а также их сплавов), которые обладают общими для всей группы свойствами, такими как повышенная прочность, хорошая тепло- и электропроводность, ковкость, пластичность, металлический блеск.

К металлам относится почти 80 % всех известных химических элементов (96 из 118).

Физические свойства металлов

Все металлы, за исключением ртути, в обычных условиях находятся в твердом состоянии. По степени твердости самый мягкий металл - это цезий (0,2 балла по 10-балльной шкале Мооса). Самый твердый - это вольфрам. Его твердость равна 6 баллам. Твердость железа - 4 балла. Температуры плавления (перехода в жидкое состояние) у металлов разнятся: от - 39º у ртути до 3 410º у вольфрама. Низкие температуры плавления имеют все щелочные металлы, а из обычных - олово и свинец. Их можно расплавить даже в домашних условиях на газовой горелке. Большинство металлов плавится в специальных печах с высокими температурами. Благодаря наличию в кристаллических решетках металлов свободных подвижных электронов, все они очень хорошо проводят электричество и тепло.

Самые лучшие проводники электричества из металлов - это серебро, медь и алюминий. Не случайно именно из двух последних металлов делают электропроводку. С прекрасной теплопроводностью металлов мы также часто сталкиваемся в быту. Чтобы вскипятить воду, мы наливаем ее в металлическую кастрюлю и ставим на плиту. Тэн нагревает металл, а металл передает почти всю тепловую энергию воде.

Химические свойства металлов

В ходе химических реакций все металлы легко отдают свои электроны и выступают в роли восстановителей.

Почти все металлы окисляются кислородом. Щелочные металлы (литий, кальций) вступают во взаимодействие с кислородом при обычных условиях. Для окисления кислородом других металлов нужна повышенная температура.

Например, если нагреть медную проволоку на огне, медь вступит во взаимодействие с кислородом из воздуха и покроется черной пленкой (оксидом меди):

2Сu +O2 → 2CuO

С кислородом не реагируют золото и платина.

Из других окислителей с металлами реагируют хлор, сера. Если смешать железные опилки и порошок серы и нагреть смесь, то на наших глазах получится сульфид железа:

Fe +S → FeS

Восстановительная активность у разных металлов разная.

По своей активности металлы распределяются следующим образом:

Li - K - Ba - Sr - Ca - Na - Mg - Al - Mn - Zn - Cr - Fe - Ca - Co - Ni - Sn - Pb - (H2 ) - Cu - Hg - Ag - Pt - Au.

Чем левее в этом ряду находится металл, тем он активнее. Предыдущий элемент может вытеснить металл, находящийся правее.

Например, если в пробирку с раствором сульфата меди поместить кусочек железа, то он покроется бурым налетом (пленкой из меди): Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu Металлы, находящиеся левее водорода (H2), могут вытеснить его из соляной кислоты.

Если в соляную кислоту опустить кусочек цинка, начнет выделяться водород:

HCl + Zn → ZnCl2 + H2

Щелочные металлы легко вступают в реакцию с водой. Если в емкость с водой поместить кусочек натрия, то начнет активно выделяться водород и образуется щелочь:

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2

Неметаллы – это химические элементы, которые образуют в свободном состоянии простые вещества, не обладающие физическими и химическими свойствам металлов. Это 22 элемента Переодической системы: бор B, углерод C, кремний Si, азот N, фосфор P, мышьяк As, кислород O, сера S, селен Se, теллур Te, водород H, фтор F, хлор Cl, бром Br, йод I, астат At; а так же благородные газы: гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe, радон Rn.

Физические свойства
Элементы-неметаллы образуют простые вещества, которые при обычных условиях существуют в разных агрегатных состояниях: газы (благородные газы: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn;водород H2, кислород O2, азот N2, фтор F2, хлор Cl2.), жидкость (бром Br2) , твердые вещества ( йод I2, углерод C, кремний Si, сера S, фосфор P и др. ) . Атомы неметаллов образуют менее плотно упакованную структуру чем металлы, в которой между атомами существуют ковалентные связи. В кристаллической решетке неметаллов, как правило, нет свободных электронов. В связи с этим твердые вещества-неметаллы в отличие от металлов плохо проводят тепло и электричество, не обладают пластичностью.

Химические свойства
1. Окислительные свойства неметаллов проявляются при взаимодействии с металлами
4Al + 3C = Al4C3
2. Неметаллы играют роль окислителя при взаимодействии с водородом
H2 + F2 = 2HF
3 Любой неметалл выступает в роли окислителя в реакциях с теми металлами, которые имеют низкую ЭО
2P + 5S = P2S5
4. Окислительные свойства проявляются в реакциях с некоторыми сложными веществами
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
5. Неметаллы могут играть роль окислителя в реакциях со сложными веществами
2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3
6. Все неметаллы выступают в роли восстановителей при взаимодействии с кислородом
4P + 5O2 = 2P2O5
7. Многие неметаллы выступают в роли восстановителей в реакциях со сложными веществами-окислителями
S + 6HNO3 = H2SO4 + 6NO2 + 2H2O
8. Наиболее сильные восстановительные свойства имеют углерод и водород
ZnO + C = Zn + CO;
CuO + H2 = Cu + H2O
9. Существуют и такие реакции, в которых один и тот же неметалл является одновременно и окислителем, и восстановителем. Это реакции самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования)
Cl2 + H2O =HCl + HClO
У атомов элементов-неметаллов в периоде с увеличением порядкового номера

• заряд ядра увеличивается;

• радиусы атомов уменьшаются;

• число электронов на внешнем слое увеличивается;

• число валентных электронов увеличивается;

• электроотрицательность увеличивается;

• окислительные (неметаллические) свойства усиливаются (кроме элементов VIIIA группы).

У атомов элементов-неметаллов в подгруппе (в длиннопериодной таблице - в группе) с увеличением порядкового номера

• заряд ядра увеличивается;

• радиус атома увеличивается;

• электроотрицательность уменьшается;

• число валентных электронов не изменяется;

• число внешних электронов не изменяется (за исключением водорода и гелия);

• окислительные (неметаллические) свойства ослабевают (кроме элементов VIIIA группы).

Простые вещества. Большинство неметаллов - простые вещества, в которых атомы связаны ковалентными связями; в благородных газах химических связей нет. Среди неметаллов есть как молекулярные, так и немолекулярные вещества. Все это приводит к тому, что физических свойств, характерных для всех неметаллов, нет.

Молекулярные неметаллы: H₂, N₂, P₄ (белый фосфор), As₄, O₂, O₃, S₈, F₂, Cl₂, Br₂, I₂. К ним же можно отнести и благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Kx, Rn), атомы которых являются как бы "одноатомными молекулами".

При комнатной температуре водород, азот, кислород, озон, фтор и хлор - газы; бром - жидкость; фосфор, мышьяк, сера и йод - твердые вещества.

Немолекулярные неметаллы: B (несколько аллотропных модификаций), C(графит), C(алмаз), Si, Ge, P(красный), P(черный), As, Se, Te. Все они твердые вещества, кремний, германий, селен и некоторые другие обладают полупроводниковыми свойствами.

Раздел 2. Органическая химия

Тема 1. Основные понятия органической химии и теория строения органических соединений

Углерод выделяется среди всех элементов тем, что его атомы могут связываться друг с другом в длинные цепи или циклы. Именно это свойство позволяет углероду образовывать миллионы соединений, изучению которых посвящена целая область — органическая химия.

Несколько причин обусловили проявление углеродом выше отмеченных свойств.

1. Доказано, что энергия связи (прочность связи) С—С сопоставима с прочностью связей С—О. Атомы углерода способны соединяться друг с дугом в длинные цепочки.

2. Атомы углерода способны образовывать простые, двойные и тройные связи друг с другом а также и с другими элементами.

Теория химического строения А. М. Бутлерова.

Современная теория строения молекул объясняет и огромное число органических соединений, и зависимость свойств этих соединений от их химического строения. Она же полностью подтверждает основные принципы теории химического строения, разработанные выдающимся русским ученым А. М. Бутлеровым.

Основные положения этой теории (иногда ее называют структурной):

1) атомы в молекулах соединены между собой в определенном порядке химическими связями согласно их валентности;

2) свойства вещества определяются не только качественным составом, но и его строением, взаимным влиянием атомов, как связанных между собой химическими связями, так и непосредственно не связанных;

3) строение молекул может быть установлено на основе изучения их химических свойств.

Важным следствием теории строения был вывод о том, что каждое органическое соединение должно иметь одну химическую формулу, отражающую ее строение. Такой вывод теоретически обосновывал хорошо известное уже тогда явление изомерии,— существование веществ с одинаковым молекулярным составом, но обладающих различными свойствами.

Структурные формулы. Существование изомеров потребовало использования не только простых молекулярных формул, но и структурных формул, отражающих порядок связи атомов в молекуле каждого изомера. В структурных формулах ковалентная связь обозначается черточкой. Как и в структурных формулах неорганических веществ, каждая черточка означает общую электронную пару, связывающую атомы в молекуле.

Структурная формула — изображение химических связей между атомами в молекуле с учетом их валентности.

Классификация органических соединений.

Все органические соединения в зависимости от природы углеродного скелета можно разделить на ациклические и циклические.

Ациклические (нециклические, ценные) соединения называют также жирными или алифатическими.

Эти названия связаны с тем, что одними из первых хорошо изученных соединений такого типа были природные жиры.

Среди циклических соединений обычно выделяют: 1) карбоциклические – молекулы которых содержат кольца из углеродных атомов; 2) гетероциклические – кольца которых содержат, кроме углерода, атомы других элементов (кислорода, серы, азота и др.).

Карбоциклические соединения подразделяются: 1) на алициклические (предельные и непредельные), похожие по свойствам на алифатические; 2) ароматические – содержат бензольные кольца.

Функциональные группы – это группы атомов, которые определяют химические свойства данного класса соединений.

Наличие этих групп позволяет разделить типы органических соединений на классы и облегчить их изучение.

Классы соединений: а) спирты; б) фенолы; в) альдегиды; г) кетоны; д) карбоновые кислоты; е) нитросоединения; ж) первичные амины; з) амиды кислот.

Свойства свободных радикалов: 1) обычно очень неустойчивы; 2) химически весьма активны; 3) быстро превращаются в устойчивые молекулы.

Индуктивный эффект – это смещение электронной плотности от одного атома к другому в результате их разной электроотрицательности. Происходит поляризация связи.

Классификация органических соединений

В зависимости от строения углеродных цепей среди органических соединений выделяются следующие три ряда:

1) соединения с открытой цепью атомов углерода, которые также называются ациклическими, или соединения жирного ряда (это название возникло исторически: к первым соединениям с длинными незамкнутыми углеродными цепями принадлежали кислоты).

В зависимости от характера связей между атомами углерода эти соединения подразделяются на: а) предельные (или насыщенные), которые содержат в молекулах только простые (ординарные) связи; б) непредельные (или ненасыщенные), в молекулах которых имеются кратные (двойные или тройные) связи между атомами углерода;

2) соединения с замкнутой цепью атомов углерода, или карбоциклические. Эти соединения, в свою очередь, подразделяются:

а) на соединения ароматического ряда.

Они характеризуются наличием в молекулах особой циклической группировки из шести атомов углерода – бензольного ароматического ряда.

Эта группировка отличается характером связей между атомами углерода и придает содержащим ее соединениям особые химические свойства, которые называются ароматическими свойствами;

б) алициклические соединения – это все остальные карбоциклические соединения.

Они различаются по числу атомов углерода в цикле и в зависимости от характера связей между этими атомами могут быть предельными и непредельными;

3) гетероциклические соединения.

В молекулах этих соединений имеются циклы, которые включают, кроме атомов углерода, также гетероатомы.

В рядах ациклических (жирных) и карбоциклических соединений простейшими являются углеводороды. Все остальные соединения этих рядов рассматриваются как производные углеводородов, которые образованы замещением одного, двух или нескольких атомов водорода в углеводородной молекуле другими атомами или группами атомов.

Остатки углеводородов, которые образуются при отнятии от их молекул одного, двух или нескольких атомов водорода, называются углеводородными радикалами.

Атомы или группы атомов, которые замещают водород в углеводородной основе, образуют функциональные или характеристические (этот термин разработан Международным союзом теоретической и прикладной химии) группы, обусловливающие общие химические свойства веществ, которые принадлежат к одному и тому же классу производных углеводородов.

Виды органических соединений:

1) галогенопроизводные углеводороды: а) фторпроизводные; б) хлорпроизводные; в)бромопроизводные, г) йодопроизводные;

2) кислородосодержащие соединения: а) спирты и фенолы; б) простые эфиры; в) альдегиды; г) кетоны.

Типы органических соединений

Органические реакции, как и неорганические, подразделяются на 3 основных типа:

1) реакция замещения: СН₄ + CI₂ → СН₃CI + НCI;

2) реакция отщепления: СН₃СН₂Br → СН₂ = СН₂ + НBr;

3) реакция присоединения: СН₂ = СН₂ + НBr → CН₃СН₂Br.

К реакциям присоединения относятся реакции полимеризации. Особым типом органических реакций являются реакции поликонденсации. Органические реакции можно классифицировать и по механизму разрыва ковалентных связей в реагирующих молекулах.

В зависимости от двух способов разрыва ковалентных связей и строится данная классификация.

1. Если общая электронная пара делится между атомами, то образуются радикалы. Радикалы – это частицы, имеющие неспаренные электроны. Такой разрыв связи называется радикальным (гомолитическим). Особенность данной связи заключается в том, что радикалы, которые образуются, взаимодействуют с имеющимися в реакционной системе молекулами или друг с другом.

Образующиеся радикалы взаимодействуют с имеющимися в реакционной системе молекулами или друг с другом: CН·₃ + CI₂ → СН₃CI + CI.

По радикальному механизму протекают реакции, в которых разрыву подвергаются связи малой полярности (С-С, С-Н, N-N) при высокой температуре, под действием света или радиоактивного излучения.

2. Если при разрыве связи общая электронная пара остается у одного атома, то образуются ионы – катион и анион. Такой механизм называется ионным или гетеролитическим. Он приводит к образованию органических катионов или анионов: 1) хлористый метил образует метил-катион и хлорид-анион; 2) метил-литий образует литий-катион и метил-анион.

Органические ионы вступают в дальнейшие превращения. При этом катионы взаимодействуют с нуклеофильными («любящими ядра») частицами, а органические анионы – с электрофильными («любящими электроны») частицами (катионы металлов, галогены и др.).

Ионный механизм наблюдается при разрыве полярной ковалентной связи (углерод – галоген, углерод – кислород и др.).

Органические ионные частицы подобны ионам в неорганической химии – имеют соответствующие заряды. Однако они и резко отличаются: ионы неорганических соединений присутствуют в водных растворах постоянно, а органические ионные частицы возникают только в момент реакции.

Поэтому во многих случаях необходимо говорить не о свободных органических ионах, а о сильно поляризованных молекулах.

Радикальный механизм наблюдается при разрыве неполярной или малополярной ковалентной связи (углерод – углерод, углерод – водород и т. д.).

Органические ионные частицы подобны ионам в неорганической химии – они имеют соответствующие заряды.

Тема 2. Углеводороды и их природные источники

Углеводороды являются значительным классом органических соединений, которые отличаются строением.

Углеводороды подразделяют на:

- предельные (содержат только одинарные связи между атомами углерода) – алкны и циклоалканы;

- непредельные (содержат кратные связи между атомами углерода) – алкены, диеновые, алкины;

- ароматические (содержат кратные связи между атомами углерода, имеют циклическое строение) - арены.

Предельные углеводороды (парафины, алканы, насыщенные) – вещества с открытой цепью углеводородных атомов, где все валентности до предела насыщены водородом. Общая формула: CnH(2n+2)

Гомологический ряд – ряд соединений одного плана, отвечающих общей молекулярной формуле, где последующее отличается от предыдущего на разность( –CH₂-).

Ряд алканов:

CH₄ – метан, C₂H₆ – этан, C₃H₈ – пропан, C₄H₁₀ - бутан, C₅H₁₂ - пентан и т.д.

Алканы (метан и его гомологи) имеют общую формулу C nH 2n+2. Первые четыре углеводорода называют метан, этан, пропан, бутан. Названия высших членов этого ряда состоят из корня – греческого числительного и суффикса -ан. Названия алканов положены в основу номенклатуры IUPAC.

Правила систематической номенклатуры:

• Правило главной цепи.

Главную цепь выбирают, руководствуясь последовательно следующими критериями:

• Максимальное число функциональных заместителей.

• Максимальное число кратных связей.

• Максимальная протяженность.

• Максимальное число боковых углеводородных групп.

• Правило наименьших номеров (локантов).

Главную цепь нумеруют от одного конца до другого арабскими цифрами. Каждый заместитель получает номер того атома углерода главной цепи, к которому он присоединен. Последовательность нумерации выбирают таким образом, чтобы сумма номеров заместителей (локантов) была наименьшей. Это правило применяется и при нумерации моноциклических соединений.

• Правило радикалов.

Все углеводородные боковые группы рассматривают как одновалентные (односвязные) радикалы. Если боковой радикал сам содержит боковые цепи, то в нем по приведенным выше правилам выбирается дополнительная главная цепь, которая нумеруется, начиная с атома углерода, присоединенного к главной цепи.

• Правило алфавитного порядка.

Название соединения начинают с перечисления заместителей, указывая их названия в алфавитном порядке. Названию каждого заместителя предшествует его номер в главной цепи. Наличие нескольких заместителей обозначают префиксами-числителями: ди-, три-, тетра- и т. д. После этого называют углеводород, соответствующий главной цепи.

Пример. Назвать все изомеры гексана.
            

• 2-метилпентан
            

• 3-метилпентан
            

• 2,3-диметилбутан
            

• 2,2-диметилбутан
            

Алкены (олефины) – это углеводороды, в молекулах которых содержатся атомы углерода, соединенные между собой двойной связью (непредельные углеводороды ряда этилена). Простейший представитель – этилен С₂Н₄, общая формула гомологического ряда этиленовых углеводородов С_nН_2n (при п ≥ 2).

Систематические названия олефинов производятся от корней названий алканов с заменой суффикса – ан → – ен:

Сохраняются также традиционные названия с заменой суффикса – ан на – илен: С₂Н₄ – этилен, С₃Н₆ – пропилен, С₄Н₈ – бутилен; использование названия амилен для алкена С₅Н₁₀ не рекомендуется.

Положение двойной связи С=С в изомерах строения (начиная с алкена С₄) указывается цифрой после названия:

Алкадиены – непредельные углеводороды, в молекулах которых содержатся две связи С=С. Общая формула алкадиенов С_nН_2n‑2 (n ≥ 3), формула совпадает с таковой для алкинов.

Примеры:

 

Большое практическое значение имеют сопряженные диены, в молекулах которых связи С=С разделены одинарной связью С – С:

Дивинил и изопрен – традиционные названия.

Дивинил – бесцветный, легко сжижающийся (при ‑4,5 °C) газ, изопрен – низкокипящая (34,1 °C) жидкость.

Алкины – углеводороды с тройной связью C≡C в молекулах (непредельные углеводороды ряда ацетилена). Простейший представитель этого ряда – ацетилен С₂Н₂, общая формула алкинов C_nH_2n‑2 (при n ≥ 2).

Названия простейших алкинов:

С₂Н₂ – этин (традиционно: ацетилен)

С₃Н₄ – пропин (метилацетилен)

С₄Н₆ – бутин

Изомеры бутина:

Ацетилен, пропин и бутин‑1 – бесцветные газы при комнатной температуре, бутин‑2 – легкокипящая жидкость, обладает легким «эфирным» запахом.

Арены – это непредельные углеводороды, которые можно рассматривать как производные простейшего из них – бензола С₆Н₆. Общая формула углеводородов гомологического ряда бензола С_nН_2n‑6 (при n ≥ 6).

В молекуле бензола все атомы углерода находятся в sр²‑гибридизации, каждый атом углерода соединен в одной плоскости σ‑связями с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода. У атома углерода остается еще облако четвертого валентного электрона, расположенное перпендикулярно плоскости. Эти облака участвуют в образовании π‑связи, причем в молекуле образуются не три отдельные π‑связи (как думали раньше, см. формулу Кекуле, 1865 г.), а единая шестицентровая (С₆) π‑связь (все атомы равноценны):

Формула Кекуле часто применяется в тех случаях, когда необходимо более наглядно представить протекание реакции с участием бензольного кольца С₆; его изображение:

В обеих формулах атомы С кольца и не участвующие в реакции атомы Н опускаются (для краткости). Некоторые простейшие гомологи бензола:

 

Радикал бензола С₆Н₅ называется фенил, радикал толуола С₆Н₅СН₂ – бензил.

Бензол и его ближайшие гомологи – жидкости без цвета, но с характерным запахом, имеют широкий интервал жидкого состояния. Практически не растворяются в воде, но хорошо смешиваются между собой и с другими органическими растворителями. Пар бензола сильно ядовит.

Природные источники углеводородов: нефть, природный и попутные газы, каменный уголь

Природный газ. В состав природного газа входит в основном метан (около 93%). Кроме метана природный газ содержит еще и другие углеводороды, а также азот, СО₂, и часто – сероводород. Природный газ при сгорании выделяет много тепла. В этом отношении он значительно превосходит другие виды топлива. Поэтому 90% всего количества природного газа расходуется в качестве топлива на местных электростанциях, промышленных предприятиях и в быту. Остальные 10% используют как ценное сырье для химической промышленности. С этой целью из природного газа выделяют метан, этан и другие алканы. Продукты, которые можно получить из метана имеют важное промышленное значение.

Попутные нефтяные газы. Они растворены под давлением в нефти. При ее извлечении на поверхность давление падает, и растворимость уменьшается, в результате чего газы выделяются из нефти. Попутные газы содержат метан и его гомологи, а также негорючие газы – азот, аргон и СО₂. Попутные газы перерабатывают на газоперерабатывающих заводах. Из них получают метан, этан, пропан, бутан и газовый бензин, содержащий углеводороды с числом атомов углерода 5 и больше. Этан и пропан подвергают дегидрированию и получают непредельные углеводороды – этилен и пропилен. Смесь пропана и бутана (сжиженный газ) применяют как бытовое топливо. Газовый бензин добавляют к обычному бензину для ускорения его воспламенения при запуске ДВС.

Нефть – жидкое горючее ископаемое темно-бурого цвета с плотностью 0,70 – 1,04 г/см³. Нефть представляет собой сложную смесь веществ – преимущественно жидких углеводородов. По составу нефти бывают парафиновыми, нафтеновыми и ароматическими. Однако наиболее часто встречается нефть смешанного типа. Кроме углеводородов, в состав нефти входят примеси органических кислородных и сернистых соединений, а также вода и растворенные в ней кальциевые и магниевые соли. Содержатся в нефти и механические примеси – песок и глина. Нефть – ценное сырье для получения высококачественных видов моторного топлива. После очистки от воды и других нежелательных примесей нефть подвергают переработке. Основной способ переработки нефти – перегонка. Она основана на разнице температур кипения углеводородов, входящих в состав нефти. Поскольку нефть содержит сотни различных веществ, многие из которых имеют близкие температуры кипения, выделение индивидуальных углеводородов практически невозможно. Поэтому перегонкой нефть разделяют на фракции, кипящие в довольно широком интервале температур. Перегонкой при обычном давлении нефть разделяют на четыре фракции: бензиновую (30–180 °С), керосиновую (120–315 °С), дизельную (180–350 °С) и мазут (остаток после перегонки). При более тщательной перегонке каждую из этих фракций можно разделить еще на несколько более узких фракций. Так, из бензиновой фракции (смесь углеводородов С₅ – С₁₂) можно выделить петролейный эфир (40–70 °С), собственно бензин (70–120 °С) и лигроин (120–180 °С). В состав петролейного эфира входят пентан и гексан. Он является прекрасным растворителем жиров и смол. Бензин после соответствующей переработки применяется в качестве горючего для авиационных и автомобильных ДВС. Лигроин, содержащий в своем составе углеводороды С₈ – С₁₄ и керосин (смесь углеводородов С₁₂ – С₁₈) используют как горючее для бытовых нагревательных и осветительных приборов. Керосин в больших количествах (после тщательной очистки) применяют в качестве горючего для реактивных самолетов и ракет. Дизельная фракция нефтеперегонки – горючее для дизельных двигателей. Мазут представляет собой  смесь высококипящих углеводородов. Из мазута путем перегонки под уменьшенным давлением получают смазочные масла. Остаток от перегонки мазута называется гудроном. Из него получают битум. Эти продукты используются в дорожном строительстве. Мазут применяют и как котельное топливо.

Каменный уголь. Переработка каменного угля идет по трем основным направлениям: коксование, гидрирование и неполное сгорание. Коксование происходит в коксовых печах при температуре 1000–1200 °С. При этой температуре без доступа кислорода каменный уголь подвергается сложнейшим химическим превращениям, в результате которых образуется кокс и летучие продукты. Остывший кокс отправляют на металлургические заводы. При охлаждении летучих продуктов (коксовый газ) конденсируются каменноугольная смола и аммиачная вода. Несконденсированными остаются аммиак, бензол, водород, метан, СО₂, азот, этилен и др. Пропуская эти продукты через раствор серной кислоты выделяют сульфат аммония, который используется в качестве минерального удобрения. Бензол поглощают растворителем и отгоняют из раствора. После этого коксовый газ используется как топливо или как химическое сырье. Каменноугольная смола получается в незначительных количествах (3%). Но, учитывая масштабы производства, каменноугольная смола рассматривается как  сырье для получения ряда органических веществ. Если от смолы отогнать продукты, кипящие до 350 °С, то остается твердая масса – пек. Его применяют для изготовления лаков. Гидрирование угля осуществляется при температуре 400–600 °С под давлением водорода до 25 МПа  в присутствии катализатора. При этом образуется смесь жидких углеводородов, которая может быть использована как моторное топливо. Достоинством этого метода является возможность гидрирования низкосортного бурого угля. Неполное сгорание угля дает оксид углерода (II). На катализаторе (никель, кобальт) при обычном или повышенном давлении из водорода и СО можно получить бензин, содержащий предельные и непредельные углеводороды:

nCO + (2n+1)H₂ → C_nH_2n+2 + nH₂O;

nCO + 2nH₂ → C_nH_2n + nH₂O.

Если сухую перегонку угля проводить при 500–550 °С, то получают деготь, который наряду с битумом используется в строительном деле как связующий материал при изготовлении кровельных, гидроизоляционных покрытий (рубероид, толь и др.).

Тема 3. Кислородсодержащие органические соединения 

Кислородсодержащие органические соединения – соединения, содержащие помимо углерода и водорода, еще один элемент – кислород.

Атом кислорода содержится в различных функциональных группах, определяющих принадлежность соединения к конкретному классу.

К кислородосодержащим органических соединениям относится большой класс органических соединений: спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры, и т.д.

 

Соединения каждого класса образуют различные производные. Например, к производным спиртов относятся простые эфиры ROR', к производным карбоновых кислот – сложные эфиры RCOOR', амидыRCONH₂, ангидриды(RCO)₂O, хлорангидриды RCOCl и т.д.

Кроме того, большую группу составляют гетерофункциональные соединения, содержащие различные функциональные группы:

- гидроксиальдегиды HO–R–CHO,

- гидроксикетоны HO–R–CO–R',

- гидроксикислоты HO–R–COOH и т.п.

К важнейшим гетерофункциональным кислородсодержащим соединениям относятся углеводы C_x(H₂O)_y, молекулы которых включают гидроксильные, карбонильные и производные от них группы.

Строение и, следовательно, свойства соединений кислорода определяются характером его химических связей и типом гибридизации, влияющей на форму молекулы.

Тип гибридизации кислорода	Электронная конфигурация	Число гибридных орбиталей	Валентный угол
sp3	1s2(2sp3)6		108,5°
sp2	1s2(2sp2)52p1		120°

За счет двух одноэлектронных АО кислород способен к образованию двух ковалентных связей с другими атомами по обменному механизму. В этом случае кислород проявляет валентность 2 и имеет две неподеленные электронные пары. Такой атом кислорода может выступать донором пары электронов, образуя третью связь по донорно-акцепторному механизму. При этом кислород приобретает валентность 3 и заряд +1 (например, в ионе гидроксония H₃O⁺ или алкилгидроксония RH₂O⁺).

Такое взаимодействие кислородсодержащих соединений играет важную роль при проведении реакций в присутствии сильных минеральных кислот в качестве катализаторов (кислотный катализ).

Положительно заряженный атом кислорода может участвовать в образовании ионной связи. Например, в хлориде метилгидроксония:

Электроотрицательности кислорода, водорода, углерода, соответственно, равны 3.5, 2.1 и 2.5. Поэтому связи кислорода с Н или С являются ковалентными полярными.

В этих связях электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому кислорода, создавая на нем частичный отрицательный заряд, а на углероде или водороде - частичный положительный.

Распределение электронной плотности на атомах молекулы определяет ее реакционную способность: полярный характер связей кислорода с водородом и углеродом способствует гетеролитическому их разрыву и протеканию реакций по ионному механизму.

 Тема 4. Азотсодержащие органические соединения. Полимеры 

Известно множество природных и синтетических органических соединений, содержащих в своем составе атомы азота. Среди них:

- нитросоединения R-NO₂;

- нитраты R-O-NO₂;

- амиды карбоновых кислот R-CONH₂;

- нитрилы R-CN;

-амины R-NH₂,

- некоторые азотистые гетероциклы (гетероциклические амины);

- аминокислоты (NH₂-R-COOH).

Строение и, следовательно, свойства соединений азота определяются характером его химических связей и типом гибридизации, влияющей на форму молекулы.

Тип гибридизации азота	Электронная конфигурация	Число гибридных орбиталей	Валентный угол
sp3	1s2 (2sp3)5		» 107°
sp2	1s2 (2sp2)4 2p1		120°
sp	1s2 (2sp)3 2p2		180°

 

За счет трех одноэлектронных АО азот способен к образованию трех ковалентных связей с другими атомами по обменному механизму. В этом случае азот проявляет валентность 3 и имеет неподеленную электронную пару. Такой атом азота может выступать донором пары электронов, образуя четвертую связь по донорно-акцепторному механизму. При этом азот пробретает максимальную валентность 4 (напомним, что максимальная валентность атома определяется числом его внешних атомных орбиталей; у азота их четыре - одна 2s и три 2p).

Четырехвалентный азот несет на себе положительный заряд и может участвовать в образовании ионной связи (подобно иону аммония [NH₄]⁺).

Электроотрицательности азота, водорода, углерода и кислорода равны, соответственно, 3.0, 2.1, 2.5 и 3.5. Поэтому связи азота с Н, С или О являются ковалентными полярными.

В связях трехвалентного азота с углеродом или водородом электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому азота, создавая на нем частичный отрицательный заряд, а на углероде или водороде - частичный положительный. В связях азота с кислородом, напротив, электронная плотность смещена от атома азота к атому кислорода, электроотрицательность которого выше.

Связи с четырехвалентным азотом, несущим положительный заряд, отличаются более высокой полярностью.

Распределение электронной плотности на атомах в молекуле определяет ее реакционную способность.

Белки – органические природные соединения; представляют собой биополимеры, построенные из остатков аминокислот. В молекулах белков азот присутствует в виде амидогруппы – С(О) – NH– (так называемая пептидная связь С – N). Белки обязательно содержат С, Н, N, О, почти всегда S, часто Р и др.

По числу остатков аминокислот в молекуле белка различают дипептиды (приведенный выше глицилаланин), трипептиды и т. д. Природные белки (протеины) содержат от 100 до 1 10⁵ остатков аминокислот, что отвечает относительной молекулярной массе 1 • 10⁴ – 1 • 10⁷.

Образование макромолекул протеинов (биополимеров), т. е. связывание молекул аминокислот в длинные цепи, происходит при участии группы СООН одной молекулы и группы NH₂ другой молекулы:

Физиологическое значение белков трудно переоценить, не случайно их называют «носителями жизни». Белки – основной материал, из которого построен живой организм, т. е. протоплазма каждой живой клетки.

При биологическом синтезе белка в полипептидную цепь включаются остатки 20 аминокислот (в порядке, задаваемом генетическим кодом организма). Среди них есть и такие, которые не синтезируются вообще (или синтезируются в недостаточном количестве) самим организмом, они называютсянезаменимыми аминокислотами и вводятся в организм вместе с пищей. Пищевая ценность белков различна; животные белки, имеющие более высокое содержание незаменимых аминокислот, считаются для человека более важными, чем растительные белки.

Синтетические полимеры - это ненатуральные полимерные материалы, произведенные для замены природным материалам.

Промышленное изготовление искусственных полимеров осуществляется несколькими способами - путем переделки натуральных органических полимеров в искусственные полимерные материалы, а также способом «добывания» искусственных полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

Среди синтетических полимеров есть отдельная группа, включающая каучуки и каучукоподобные полимеры. Эти материалы характеризуются удивительной деформативностью и высокоэластичными свойствами, из-за чего им и дали название эластомер.

Синтетические полимеры формируются благодаря полимеризации и поликонденсации. Карбоцепные полимеры зачастую синтезируются полимеризацией мономеров с одним или более кратным углеродными связями или мономеров, держащих в себе неустойчивые карбоциклические группировки.

Первый материал был изготовлен из физической модифицированной целлюлозы еще в начале двадцатого века и до сегодняшнего времени из этого же материала производят волокна, пленки, загустители и лаки. Он приобрел название целлулоид, который всем известен как целлюлоза.

Полимер это (от греч. πολύ- - «много» и μέρος - «часть») -высокомолекулярное соединение, вещество с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), состоит из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группировок - составных звеньев, соединенных между собой химическими или координационными связями в длинные линейные (например, целлюлоза) или разветвленные (например, амилопектин) цепи, а также пространственные трёхмерные структуры.

Часто в его строении можно выделить мономер - повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, называют например поливинилхлорид (-СН₂—СНСl-)_n, каучук натуральный и др.

Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений.

Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат...

Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, в быту (текстильные и кожевенные предмета торговли, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.