Блог
847 0

Построение структурных формул. Углеводороды

На основе этих идей А. М. Бутлеров разработал принципы построения графических формул химических веществ. Для этого требуется знать валентность каждого элемента, которую изображают на рисунке в виде соответствующего числа чёрточек. Пользуясь этим правилом, легко установить, возможно или невозможно существование вещества с определённой формулой. Так, существует соединение, называемое метаном и имеющее формулу СН 4. Соединение с формулой СН 5 невозможно, так как для пятого водорода у углерода уже не найдётся свободной валентности.

Рассмотрим сначала принципы строения наиболее просто устроенных органических соединений. Их называютуглеводородами,так как в их состав входят только атомы углерода и водорода (рис. 138). Самым простым из них является упомянутый метан, в котором есть всего один атом углерода. Прибавим к нему ещё один такой же атом и посмотрим, как будет выглядеть молекула вещества, называемого этаном. У каждого атома углерода одна валентность занята его собратом – другим углеродным атомом. Теперь надо заполнить водородом оставшиеся валентности. У каждого атома осталась по три свободных валентных связи, к которым и присоединим по одному атому водорода. Получилось вещество, имеющее формулу С 2 Н 6. Прибавим к нему ещё один атом углерода.

Рис. 138. Полные и сокращённые структурные формулы органических соединений

Теперь мы видим, что у среднего атома осталось только две свободных валентности. К ним мы присоединим по атому водорода. А к крайним углеродным атомам добавим, как и прежде, по три атома водорода. Получим пропан – соединение с формулой С 3 Н 8. Такую цепочку можно продолжать, получая всё новые и новые углеводороды.

Но углеродные атомы необязательно должны располагаться в молекуле в линейном порядке. Допустим, что мы хотим добавить к пропану ещё один углеродный атом. Оказывается, это можно сделать двумя способами: присоединить его либо к крайнему, либо к среднему атому углерода пропана. В первом случае мы получим бутан с формулой С 4 Н 10. Во втором случае общая, так называемаяэмпирическая, формулабудет такой же, но изображение на рисунке, называемоеструктурной формулой, будет выглядеть иначе. И название вещества будет несколько иное: не бутан, а изобутан.

Вещества, имеющие одну и ту же эмпирическую, но разные структурные формулы, называютизомерами, а способность вещества существовать в виде различных изомеров –изомерией. Мы, например, употребляем в пищу различные вещества, имеющие одну и ту же формулу С 6 Н 12 О 6, но структурные формулы они имеют различные и носят разные названия: глюкоза, фруктоза или галактоза.

Углеводороды, которые мы рассмотрели, называют предельными. В них все атомы углерода связаны между собой одинарной связью. Но так как атом углерода четырёхвалентен и имеет четыре валентных электрона, то теоретически он может образовывать двойные, тройные и даже четверные связи. Четверные связи между атомами углерода в природе не существуют, тройные встречаются редко, а вот двойные присутствуют во многих органических веществах, в том числе и в углеводородах. Соединения, в которых имеются двойные или тройные связи между атомами углерода, называютнепредельнымиилиненасыщенными углеводородами.Возьмём снова молекулу углеводорода, содержащую два атома углерода, но соединим их с помощью двойной связи (см. рис. 138). Мы видим, что теперь у каждого атома углерода осталось по две свободных связи, к каждой из которых он может присоединить по одному атому водорода. Получаемое соединение имеет формулу С 2 Н 4 и называется этиленом. Этилен, в отличие от этана, имеет меньше атомов водорода при том же числе углеродных атомов. Поэтому углеводороды, имеющие двойную связь, и называют ненасыщенными в том смысле, что они не насыщены водородом.

Одной из самых главных задач в химии является правильное составление химических формул. Химическая формула — это письменное представление состава химического вещества с помощью латинского обозначения элемента и индексов. Для правильного составления формулы нам обязательно понадобится таблица Менделеева и знание простых правил. Они достаточно простые и запомнить их смогут даже дети.

Как составлять химические формулы

Основным понятием при составлении химических формул является «валентность «. Валентность — это свойство одного элемента удерживать определенное число атомов в соединении. Валентность химического элемента можно посмотреть в таблице Менделеева, а также нужно помнить и уметь применять простые общие правила.

  • Валентность металла всегда равна номеру группы, при условии, что он находится в главной подгруппе. Например, калий имеет валентность 1, а кальций — 2.
  • С неметаллами немного сложнее. Неметалл может иметь высшую и низшую валентности. Высшая валентность равна номеру группы. Низшую валентность можно определить вычтя номер группы элемента из восьми. При соединении с металлами неметаллы всегда имеют низшую валентность. Кислород всегда имеет валентность 2.
  • В соединении двух неметаллов низшую валентность имеет тот химический элемент, который находится в таблице Менделеева правее и выше. Однако, фтор всегда имеет валентность 1.
  • И еще одно важное правило при расстановке коэффициентов! Общее число валентностей одного элемента всегда должно быть равно общему количеству валентностей другого элемента!

Закрепим полученные знания на примере соединения лития и азота. Металл литий имеет валентность, равную 1. Неметалл азот располагается в 5 группе и имеет высшую валентность 5 и низшую — 3. Как мы уже знаем, в соединениях с металлами неметаллы всегда имеют низшую валентность, поэтому азот в данном случае будет иметь валентность равную трем. Расставляем коэффициенты и получаем искомую формулу: Li 3 N.

Вот так, достаточно просто, мы научились составлять химические формулы! А для лучшего запоминания алгоритма составления формул мы подготовили его графическое представление.

Инструкция

Полезный совет

Для определения валентности атомов при составлении структурных формул используйте периодическую систему. Показать точно расстояние атомов в молекуле поможет трехмерная структурная формула.

Источники:

  • структурная формула веществ
  • Составление формул комплексных соединений

Некоторые до сих пор с содроганием вспоминают школьные уроки химии, на которых нужно было составлять структурныеформулыуглеводородов и их изомеров. А между тем, ничего сверхсложного в этом нет. Достаточно руководствоваться при составлении формул определенным алгоритмом.

Инструкция

Ознакомьтесь с молекулярной формулой углеводорода. Исходя из нее, составьте формулу сначала неразветвленного углеродного скелета (углеродную цепь).

Уменьшите углеродную цепь на один атом. Расположите его как боковое ответвление углеродной цепи. Не забудьте, что атомы, которые располагаются у крайних атомов цепи, являться боковыми ответвлениями.

Определите, к какому краю ближе боковое ответвление. Пронумеруйте заново углеродную цепь, начиная с этого края. Расставьте атомы водорода в соответствии с углерода.

Определите, можно ли располагать боковое ответвление у прочих атомов углерода в цепи. В случае положительных выводов составьтеформулы. Если же такая возможность отсутствует, уменьшите основную углеродную цепь еще на атом и расположите его в качестве еще одного бокового ответвления. Обратите внимание: возле одного углерода можно располагать не больше 2-х боковых ответвлений.

Расставьте порядковые номера над с того края, к которому ближе всего располагается боковое ответвление. Расположите возле каждого атома атомы водорода с учетом валентности углерода.

Снова проверьте, есть ли возможность боковые ответвления у прочих атомов углерода в основной цепи. Если такая возможность, то составьтеформулывозможных изомеров, если нет - уменьшите углеродную цепь еще на атом и расположите его как боковое ответвление. Теперь пронумеруйте всю цепь атомов и снова попробуйте составитьформулыизомеров. В том случае, если уже два боковых ответвления находятся на одинаковом удалении от краев цепи, начинайте нумерацию с края, у которого боковых ответвлений больше.

Продолжайте выполнять эти действия до тех пор, пока не исчерпаете все возможности для расположения боковых ответвлений.

Для удобства записи химического состава и структуры химического вещества были созданы определенные правила составления химических формул с помощью специальных символов-обозначений, чисел и вспомогательных знаков.

Инструкция

Химическиеформулыв написании уравнений химических, схематичного изображения химических процессов, связей. Для их используется так называемый язык, который представляет собой набор условных обозначений, таких как символы химических элементов, количество атомов каждого элемента в описываемом веществе и пр.

Символы химических элементов – одна или несколько букв латинского алфавита, из которых первая заглавная. Это схематичная запись полного называния элемента, например, Ca – это кальций или лат. Calcium.

Количество атомов выражается математическими числами, например, H_2 – это два атома водорода.

Существует несколько способов записи химическойформулы: простейшая, эмпирическая, рациональная и. Простейшая записи отражает соотношение химических элементов с указанием атомной массы, которая указывается после знака химического элемента в виде нижнего индекса. Например, H_2O – простейшая формула молекулы воды, т.е. два атома водорода и один атом кислорода.

Эмпирическая отличается от простейшей тем, что отражает состав вещества, но не структуру молекул. Формула показывает количество атомов в одной молекуле, которое также изображается в виде нижнего индекса.

Различие между простейшей и эмпирической формулами показывает записьформулыбензола: CH и C_6H_6 соответственно. Т.е. простейшая формула показывает прямое соотношение атомов углерода и водорода, в то время как эмпирическая говорит, что в молекуле вещества содержится 6 атомов углерода и 6 – водорода.

Рациональная формула четко показывает наличие атомов элементов в соединении. Такие группы круглыми скобками, а их количество указывается нижним индексом после скобок. В формуле используются также квадратные скобки, в которые заключаются комплексные соединения атомов (соединений с нейтрально молекулой, ионом).

Структурная формула изображается графически в двух- или трехмерном пространстве. Химические связи между атомами изображаются в виде линий, при этом атомы указываются столько раз, сколько их участвует в соединении. Наиболее наглядно формулу вещества выражает трехмерное изображение, которые показывают взаимное расположение атомов и расстояния между ними.

Видео по теме

Углеводород – это органическое вещество, в состав которого входят только два элемента: углерод и водород. Он может быть предельным, непредельным с двойной или тройной связью, циклическим и ароматическим.

Структурная формула представляет собой графическое изображение химического строения вещества. В ней указывается порядок расположения атомов, а также связь между отдельными частями вещества. К тому же структурные формулы веществ наглядно демонстрируют валентности всех атомов, включенных в молекулу.

Особенности написания структурной формулы

Для составления потребуется бумага, ручка, периодическая система элементов Менделеева.

Если нужно нарисовать графическую формулу аммиака, нужно учитывать, что водород способен образовывать только одну связь, поскольку его валентность равна единице. Азот находится в пятой группе (главной подгруппе), имеет на внешнем энергетическом уровне пять валентных электронов.

Три из них он использует для образования простых связей с атомами водорода. В итоге структурная формула будет представлять собой следующий вид: в центре находится азот, вокруг него располагаются атомы водорода.

Инструкция по написанию формул

Чтобы структурная формула была написана правильно для определенного химического вещества, важно иметь представление о строении атома, валентности элементов.

Именно с помощью данного понятия можно изображать графическое строение органических и неорганических веществ.

Органические соединения

Органическая химия предполагает использование графического строения химических веществ разных классов при написании химических реакций. Структурная формула составляется на основе теории строения органических веществ Бутлерова.

Она включает в себя четыре положения, согласно которым записываются структурные формулы изомеров, выдвигается предположение о химических свойствах анализируемого вещества.

Пример составления структур изомеров

Изомерами называют в органической химии вещества, которые имеют одинаковый качественный и количественный состав, но отличаются по расположению атомов в молекуле (структуре), химической активности.

Вопросы, касающиеся составления графического строения органических веществ, включены в вопросы единого государственного экзамена, проводимого в 11 классе. Например, нужно составить, а также дать название структурных формул изомеров состава С 6 Н 12. Как справиться с подобной задачей?

Для начала нужно понять, к какому классу органических веществ, могут принадлежать вещества с таким составом. Учитывая, что общую формулу C n H 2n имеют сразу два класса углеводородов: алкены и циклоалканы, нужно составить структуры всех возможных веществ для каждого класса.

Для начала можно рассмотреть формулы всех углеводородов, принадлежащих к классу алкенов. Они характеризуются наличием одной кратной (двойной) связи, что должно быть отражено при составлении структурной формулы.

Учитывая, что в молекуле шесть атомов углерода, составляем главную цепь. После первого углерода ставим двойную связь. Пользуясь первым положением теории Бутлерова, для каждого атома углерода (валентность четыре) ставим необходимое количество водородов. Называя полученное вещество, используем систематическую номенклатуру, получаем гексен-1.

Оставляем в главной цепи шесть углеродных атомов, перемещаем положение двойной связи после второго углерода, получаем гексен-2. Продолжая передвигать по структуре кратную связь, составляем формулу гексена-3.

Пользуясь правилами систематической номенклатуры, получаем 2 метилпентен-1; 3 метилпентен-1; 4 метилпентен-1. Затем перемещаем кратную связь после второго углерода в главной цепи, а алкильный радикал располагаем у второго, затем у третьего углеродного атома, получая 2 метилпентен-2, 3 метилпентен-2.

Аналогичным образом продолжаем составлять и называть изомеры. Рассмотренные структуры представляют собой два вида изомерии: углеродного скелета, положения кратной связи. Необязательно указывать по отдельности все водородные атомы, можно использовать варианты сокращенных структурных формул, суммируя каждого атома углерода число водорода, указывая их соответствующими индексами.

Учитывая, что у алкенов и циклоалканов сходна общая формула, при составлении структур изомеров необходимо учитывать этот факт. Сначала можно составить структуру замкнутого циклогексана, затем посмотреть возможные изомеры боковой цепи, получив метилциклопентан, диметилциклобутан, и т. д.

Линейные структуры

Структурные формулы кислот являются типичными представителями подобного строения. Предполагается указание каждого отдельного атома при создании их графических формул, указанием черточками числа валентностей между атомами.

Заключение

По готовым структурным формулам можно определить валентность каждого элемента, входящего в состав вещества, предположить возможные химические свойства молекулы.

После того как была разработана теория строения органических веществ Бутлерова, удалось объяснить различие в свойствах между веществами, которые имеют одинаковый качественный и количественный составом явлением изомерии. Пользуясь определением валентности, периодической системой элементов Менделеева, можно представить в графическом виде любое неорганическое и органическое вещество. В органической химии структурные формулы составляют для того, чтобы понять алгоритм протекания химических превращений и объяснить их суть.

В веществах атомы связаны друг с другом в определённой последовательности, а между парами атомов (между химическими связями) имеются определённые углы. Всё это необходимо для характеристики веществ, так как от этого зависят их физические и химические свойства. Сведения о геометрии связей в веществах частично (иногда полностью) отражаются в структурных формулах.

В структурных формулах связь между атомами изображается чертой. Например:

Химическая формула воды H2O, а структурная H-O-H,

Химическая формула пероксида натрия Na2O2, а структурная Na-O-O–Na,

Химическая формула азотистой кислоты HNO2, а структурная H-O-N=O.

При изображении структурных формул чёрточками обычно показывают стехиометрическую валентность элементов. Структурные формулы, построенные по стехиометрическим валентностям, иногда называютсяграфическими.Такие структурные формулы несут информацию о составе и порядке расположения атомов, но не содержат правильных сведений о химических связях между атомами.

Структурная формула - это графическое изображение химического строения молекулы вещества, в котором показывается порядок связи атомов, их геометрическое расположение. Кроме того, она наглядно показывает валентность атомов входящих в ее состав.

Для правильного написания структурной формулы того или иного химического вещества вы должны хорошо знать и представлять, что такое способность атомов образовывать определенное количество электронных пар с другими атомами. Ведь именно валентность поможет вам нарисовать химические связи. Например, дана молекулярная формула аммиака NH3. Вы должны написать структурную формулу. Учитывайте то, что водород всегда одновалентен, поэтому его атомы не могут быть связаны между собой, следовательно, они будут соединены с азотом.

Чтобы правильно написать структурные формулы органических соединений, повторите основные положения теории А.М. Бутлерова, согласно которой существуют изомеры – вещества с одинаковым элементарным составом, но с разными химическими свойствами. Например, изобутан и бутан. Молекулярная формула у них одинаковая: C4H10, а структурные – отличаются.

В линейной формуле каждый атом записывается отдельно, поэтому такое изображение занимает много места. Однако при составлении структурной формулы, вы можете указать общее число атомов водорода при каждом атоме углерода. А между соседними углеродами нарисуйте химические связи в виде линий.

Написание изомеров начните с углеводорода нормального строения, то есть с неразветвленной цепью углеродных атомов. Затем сократите на один атом углерода, который присоедините к другому, внутреннему углероду. Исчерпав все варианты написания изомеров с данной длиной цепи, сократите ее еще на один углеродный атом. И опять присоедините его к внутреннему углеродному атому цепи. Например, структурные формулы н-пентана, изопентана, тетраметилметана. Таким образом, углеводород с молекулярной формулой C5H12 имеет три изомера. Про явления изомерии и гомологии узнайти подробнее в следующих статьях!

Добавить комментарий