Многие из вас задавались вопросом: почему одна неорганика и общая? А где, она? Где моя горячо любимая химия углерода? Почему до сих пор не было ни одной статьи по органической химии? Отвечаем: потому что нельзя приступать к органике, не уяснив себе азы общей химии, и нельзя работать с органикой, не зная основных свойств неорганических соединений.
Но, мы надеемся, что ваши знания уже достаточны. Чтобы приступить к самому сложному курсу химии: органике. Половина вопросов ЕГЭ по химии посвящены органической химии, а значит готовиться необходимо серьезно.
Мы начнем изучение курса с самых основных, фундаментальных понятий, со стереохимии и номенклатуры.
Органическая химия – это химия соединений углерода. Хотя само по себе названия «органическая» несколько сбивает с толку. Оно сохранилось со времен, когда химические соединения разделяли на два вида в соответствии со способом их получения: неорганические получали из минералов, а органические соединения –это соединения образованные и полученные в/из животных и растительных организмов.
Такая классификация существовала вплоть до середины девятнадцатого столетия. Ученые придерживались мнения, что органические соединения могут образовываться только в живых организмах и их невозможно синтезировать из неорганических веществ. Что же общего было у всех органических соединений, полученных их живых организмов? Правильно, углерод. Они абсолютно все до единого содержали в своем составе этот элемент. Даже спустя время, когда было доказано. Что органические соединения совсем не обязательно получать из живых организмов, а можно синтезировать в лабораториях, название «органика» или «органическая химия» сохранилось. И по сей день мы имеем два класса соединений органические и неорганические.
На сегодняшний день, добыча соединений углерода уже практически полностью производится посредством лабораторного синтеза. В качестве исходных продуктов синтеза применяют иногда неорганические соединения (цианиды, карбонаты), но в основном синтез осуществляется из других органических соединений. Есть два колоссальных источника (природных источника), из которых получают простейшие орг.соединеия. Нефть и уголь. И то и другое относим к природным, поскольку это продукты разложения животных и растительных организмов. Далее из этих простейших органических соединений и синтезируем более сложные.
Какие же основные характеристики соединений углерода? Почему мы отделяем их от прочих соединений элементов периодической таблицы?
- Число соединений углерода многократно превышает количество соединений, не содержащих в своем составе углерод
- Органические соединения подразделяются на классы, которые не имеют аналогий среди неорганики.
- Расположение и количество атомов в соединении. Самая сложная и важная задача химика: определить расположение атомов в молекуле, то есть установить строение соединения.
- Определение реакции. Да-да, львиная доля органической химии приходится на определение той или иной реакции и практического ее применения в органическом синтезе.
- Уникальная способность углерода образовывать огромное число соединений. Атомы углерода могут соединиться друг с другом так, как не соединяются ни одни атомы остальных элементов. Образований цепей из тысячи атомов, колец, разных размеров и с ответвлениями. Соединения с атомами иных элементов в цепях.
- Каждое расположение атомов отвечает своему отдельному соединению с уникальными свойствами как физическими, так и химическими.
- Идет постоянный синтез новых и новых соединений. Химия углерода уникальна и неисчерпаема в своём развитии.
Теория строения
Тория строения органики позволила систематизировать и объединить сотни тысяч, а может и миллионы разрозненных фактов о миллионах отдельных соединений. Теория строения органических соединений – это положения о том, как атомы образуют молекулы. И вот тут нам как раз и пригодится общая химия с ее учением о химической связи атомов и электронов, а размерах молекул и распределением электронов между атомами.
Давайте с вами вспомним основные постулаты химической связи – сил удерживающих атомы в молекуле.
В начале 20х годов прошлого столетия были подробно описаны два типа химической связи: ковалентная и ионная. Все было основано на известной концепции атома. Она заключалась в том, что положительно заряженное ядро атома окружено электронами, которые располагаются на определенных энергетических уровнях. На каждом уровне есть не может находится электронов больше, определенного числа – максимума возможного для этого уровня. Их может быть два на первом энергетическом уровне, восемь на втором, восемь или восемнадцать на третьем и так далее. Самыми стабильными соединениями считаются те, что имеют заполненную внешнюю оболочку по принципу инертного газа. Поэтому и ковалентная и ионная связи возникают в результате стремления атомов к образованию стабильной конфигурации электронов.
Ионная связь образуется в ходе переноса электрона. К примеру, есть молекула галогенида, допустим фторид лития (да мы рассмотрим «классический пример» на котором все понятно становится). Так вот у нас атом лития счастливый обладатель двух электронов на первом уровне и одного электрона на втором, он же внешний, энергетическом уровне. Это валентный электрон. При его потере литий остается с заполненным внешним слоем с двумя электронами. А что со фтором? А атом фтора обладает двумя электронами на первом уровне и семью на втором. То есть если Фтор добудет себе всего на всего один недостающий электрон на внешний энергетический уровень, то все, он добьётся состояния инертного газа. Так что образование фторида лития у нас происходит с переходом одного валентного электрона лития к фтору, в результате чего литий обладает положительный заряд, а фтор отрицательный. Ионная связь = это электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами.
Ковалентная связь – связь, образуемая в результате обобществления электронов. Пример: молекула водорода, где каждый атом имеет один электрон и при обобществлении электронов каждый атом дополняет свою оболочку до двух электронов. Именно ковалентная связь характерна для всех соединений углерода. Она основная в органической химии.
Квантовая механика в химии
В 1926 году Шредингер предложил квантово-механическую теория, адаптированную для химиков. Было выведено математическое выражение – волновое уравнение-, описывающее движение энергии в зависимости от энергии последнего. Далее был разработан метод приближенных решений – волновых функций. Именно квантовая механика применяется для объяснения и понимания структуры атомов и молекул сегодня.
Атомные орбитали
При помощи волнового уравнения можно рассчитать вероятность нахождения электрона в любой определенной точке.
Орбиталь – элемент пространства, в котором наиболее вероятно расположен электрон. Есть разные варианты орбиталей с разыми размерами, формами и расположением около атомного ядра. Тип орбитали, которую занимает электрон зависит о его энергии. Формы орбитали, которую занимает электрон и расположение их относительно друг друга определяют пространственное расположение атомов в молекуле и помогают в определении химических свойств. Электрон графически изображают в форме облака – форма облака – это и есть форма орбитали. Облако представляет собой неоднородную структуру с различной плотностью, та часть облака, где плотность наибольшая там и наибольшая вероятность нахождения электрона. Такое облако получило название распределение заряда. Давайте рассмотрим с вами формы атомных орбиталей. Орбиталь с самым низким энергетическим уровнем именуется 1s-орбиталь и имеет вид сферы, в центре которого расположено ядро атома. У орбитали нет четкой границы, так как есть малая доля вероятности нахождения электрона на значительном расстоянии от ядра атома.
Далее идет 2s-орбиталь, уже с более высокой энергией, также имеет сферический вид, в центре сферы расположено ядро атома. Размеры сферы больше чем у сферы 1s-орбитали. Если у нас большая энергия, то и меньше стабильность, что вытекает из большего расстояния между электроном и ядром и как следствия уменьшения электростатического притяжения.
Потом у нас идут три орбитали с одинаковой энергией – 2р-орбитали. Каждая из которой имеет форму гантели и между частями такой гантели располагается ядро атома.
Ответы