Вещества органические и неорганические.

Предмет органической химии

Органические вещества в своем составе наряду с другими элементами всегда содержат углерод. Изучение соединений углерода – их строения, химических превращений – и составляет предмет органической химии.

Вещества органические и неорганические.

Наряду с углеродом в состав органических веществ чаще всего входят водород, кислород и азот, сравнительно реже – сера, фосфор, галогены и другие элементы. Известно несколько миллионов органических соединений, неорганических же веществ значительно меньше. Из всех химических элементов только углерод образует такое большое число органических соединений.

С органическими веществами мы встречаемся на каждом шагу. Они содержатся во всех растительных и животных организмах, входят в состав нашей пищи, служат материалом для изготовления одежды, образуют различные виды топлива, используются нами в качестве лекарств, красителей, средств защиты урожая и т. д.

Резкой грани между органическими и неорганическими веществами не существует. Оксиды углерода, угольная кислота, ее соли и некоторые другие вещества по наличию в них углерода должны считаться органическими, но по свойствам они близки к неорганическим соединениям подобного типа и изучаются обычно в неорганической химии.

С органическими веществами человек знаком с давних времен. Наши далекие предки применяли природные красители для окраски тканей, использовали в качестве продуктов питания растительные масла, животные жиры, тростниковый сахар, получали уксус брожением спиртовых жидкостей.

В настоящее время синтезированы многие органические вещества, не только имеющиеся в природе, но и не встречающиеся в ней: многочисленные пластмассы, различные виды каучуков, всевозможные красители, взрывчатые вещества, лекарственные препараты.

Синтетически полученных веществ сейчас известно даже больше, чем найденных в природе, и число их быстро растет. Осуществляются синтезы самых сложных органических веществ – белков.

Название науки «органическая химия», утратив первоначальный смысл, приобрело в связи с этим более широкое толкование.

Можно сказать, что такое название получило и новое подтверждение, так как ведущей познавательной задачей современной органической химии является глубокое изучение процессов, происходящих в клетках организмов на молекулярном уровне, выяснение тех тонких механизмов, которые составляют материальную основу явлений жизни.

Изучение химии органических веществ, таким образом, расширяет наши знания о природе.

Предпосылки теории строения

Подобно тому как в неорганической химии при изучении элементов и их соединений необходимо постоянно руководствоваться периодическим законом и Периодической системой химических элементов Д.И. Менделеева, в органической химии при изучении веществ необходимо опираться на теорию химического строения.

Основные особенности предпосылок химического строения:

1) теория химического строения в своей основе была создана в 60-е гг. XIX в.;

2) основная задача органической химии того времени состояла в изучении состава и свойств природных соединений;

3) также основная задача состояла в разработке способов рационального использования состава и свойств природных соединений для практических нужд;

4) в связи с развитием промышленности, торговли, ростом городов к органической химии стали предъявляться большие требования;

5) текстильная промышленность нуждалась в разнообразных красителях;

6) для развития пищевой промышленности требовались более совершенные методы переработки сельскохозяйственных продуктов;

7) необходимо было решить проблему освещения растущих городов на основе использования природных материалов;

8) нужно было также удовлетворить потребность населения в лекарственных веществах и т. д.

Дальнейшее развитие органической химии стало замедляться из-за отставания в ней теоретических представлений.

Новые теоретические воззрения:

1) открывшиеся в процессе исследования веществ новые явления требовали систематизации и объяснения их с единой точки зрения, но теория того времени оказывалась для этого недостаточной;

2) органическая химия должна была создавать новые вещества, но теоретические знания не могли указать пути их целенаправленного синтеза;

3) необходимость новых теоретических воззрений в органической химии становится более понятной, если знать некоторые известные факторы.

При изучении курса неорганической химии становится известно, что:

а) углерод образует с водородом большое число соединений, так называемых углеводородов;

б) в состав горючего природного газа, например, наряду с простейшим углеводородом метаном СН₄, входят этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄H₁₀ и др.;

в) при термическом разложении каменного угля образуется бензол С₆Н₆, толуол С₇Н₈ и т. д.;

г) много различных углеводородов содержится в нефти;

4) углерод, который содержится в природном газе, является четырехвалентным элементом, но только в метане он сохраняет эту валентность;

5) в этане С₂Н₆ углерод должен быть трехвалентным, а в пропане С₃Н₈ иметь даже дробную валентность.

Строение углеводородов.

В природном газе и особенно в нефти содержится много углеводородов, сходных с метаном по строению и свойствам.

Предельные углеводороды (неразветвленного строения): 1) метан; 2) этан; 3) пропан; 4) бутан; 5) пентан; 6) гексан; 7) гептан; 8) октан; 9) нонан; 10) декан.

Для наименования всех предельных углеводородов принят суффикс – ан.

С увеличением молекулярной массы последовательно возрастают температуры плавления и кипения углеводородов.

Первые четыре вещества (С₁ – С₄) при обычных условиях – газы.

Все предельные углеводороды нерастворимы в воде, но могут растворяться в органических растворителях.

Общая формула углеводородов: С_nH_2n+2, где n – число атомов углерода в молекуле.

Этилен и его гомологи

Особенности строения этилена: 1) это бесцветный газ; 2) немного легче воздуха; 3) почти не имеет запаха; 4) плотность этилена при нормальных условиях – 1,25 г/л; 5) молярная масса газа – 1,25 г/л х 22,4 л/моль = 28 г/моль; 6) относительная молекулярная масса этилена – 28 г/моль; 7) не может иметь более двух атомов водорода; 8) молекулярная формула этилена – С₂Н₄; 9) в его молекуле атомы углерода соединены с меньшим числом атомов водорода, чем в молекуле этана; 10) атомы соединяются в соответствии с валентностью; 11) молекула этилена симметрична, т. е. каждый атом углерода в ней связан с двумя атомами водорода. Четвертые единицы валентности атомов углерода не могут оставаться свободными, они соединяются друг с другом, образуя вторую связь между атомами углерода; 12) в молекуле этилена устанавливается двойная связь. Каждая валентность атома углерода обусловливается наличием неспаренного электрона в его наружном электронном слое; 13) в молекуле этилена сохраняется четырехвалентность углерода и правило электронного октета для его атомов.

Особенности sр²-гибридизации:

1) гибридные облака принимают одинаковую форму несимметричных, вытянутых в одну сторону объемных восьмерок;

2) при образовании химических связей они расходятся на наибольшее удаление друг от друга – это достигается тогда, когда угол между их осями будет составлять 120°;

3) у атомов углерода остается еще по одному р-электрону.

Облако этого электрона не затронуто гибридизацией, оно не изменило своей формы и также имеет вид объемной восьмерки с равномерным распределением электронной плотности по обе стороны ядра;

4) оси электронных облаков перпендикулярны плоскости атомных ядер и оказываются наиболее удаленными от электронных облаков, которые участвуют в образовании химических связей.

Сигма-связь – это первая, более прочная связь, которая образуется при перекрывании электронных облаков в направлении прямой, соединяющей центры атомов.

Сигма-связь – это обычные ковалентные связи атомов углерода с атомами водорода.

Молекулы предельных углеводородов содержат только сигма-связи.

Пи-связь – это менее прочная связь, которая образуется при перекрывании электронных облаков вне плоскости атомных ядер.

Электроны π-связи и δ-связи теряют свою принадлежность к определенному атому.

Особенности δ-связи и π-связи:

1) вращение атомов углерода в молекуле возможно в случае, если они соединены δ-связью;

2) появление π-связи лишает атомы углерода в молекуле свободного вращения.

Правило Марковникова.

При ионном присоединении галогеноводорода к двойной углерод-углеродной связи несимметричного алкена водород присоединяется к тому атому углерода при двойной связи, с которым соединено больше водородных атомов, а атом галогена – к тому атому углерода, где их меньше.

Влиянием метильного радикала на двойную связь и обусловливается тот факт, что присоединение идет не произвольно, а в определенном направлении.

Атом углерода смещает в свою сторону электронную плотность связей с атомами водорода и приобретает частичный отрицательный заряд. Электронная плотность связи радикала с соседним атомом углерода смещается в сторону последнего, а это образует смещение весьма подвижного облака π-связи к крайнему атому углерода.

Особенности полимера.

1. Полимер – это соединение с высокой молекулярной массой, молекула которого состоит из большого числа повторяющихся группировок, которые имеют одинаковое строение.

2. Эти группировки называются элементарными звеньями и структурными единицами.

Степень полимеризации (обозначается n) – это число элементарных звеньев, которые повторяются в макромолекуле.

В зависимости от степени полимеризации из одних и тех же мономеров можно получать вещества с различными свойствами.

Особенности степени полимеризации:

а) полиэтилен с короткими цепями (n = 20) является жидкостью, обладающей смазочными свойствами;

б) полиэтилен с длиной цепи в 1500–2000 звеньев представляет собой твердый, но гибкий пластический материал, из которого можно получать пленки, изготовлять бутылки;

в) полиэтилен с длиной цепи 5–6 тыс. звеньев является твердым веществом, из которого можно готовить литые изделия, жесткие трубы, прочные нити.

Условия протекания реакций полимеризации весьма различны:

1) в некоторых случаях необходимы катализаторы и высокое давление;

2) главным фактором является строение молекулы мономера;

3) в реакцию полимеризации вступают непредельные (ненасыщенные) соединения за счет взрыва кратных связей.

В лабораторных условиях полиэтилен получают при нагревании этилового спирта с водоотнимающими веществами (концентрированной серной кислотой, оксидом фосфора (v) и другими): С₂Н₅ОН → СН₂=СН₂ + Н₂О.

Ацетилен и его гомологи

Ацетилен – это непредельный углеводород, который содержит тройную связь, состоящую из одной δ-связи и двух π-связей.

Особенности строения:

1) первый представитель ряда ацетилена – бесцветный газ.

Особенности бесцветного газа:

а) немного растворим в воде;

б) его молекулярная формула С₂Н₂;

2) в молекуле ацетилена еще на два атома водорода меньше, чем в молекуле этилена;

3) π-связь уступает по прочности основной δ-связи, поэтому и по месту π-связей могут проходить реакции окисления и присоединения.

Структурная формула ацетилена: НС≡СН.

1) тройная связь в молекуле ацетилена означает, что атомы углерода в ней соединены тремя парами электронов;

2) исследования строения молекулы ацетилена показывают, что атомы углерода и водорода в молекуле ацетилена расположены на одной прямой;

3) молекула ацетилена имеет линейное строение;

4) атомы углерода соединены между собой одной δ-связью и двумя π-связями.

Особенности строения молекулы ацетилена:

1) в такой молекуле каждый атом углерода соединен δ-связями только с двумя другими атомами (атом углерода и атом водорода) и в гибридизации здесь участвуют лишь два электронных облака – одного s -электрона и одного р -электрона.

Это случай sр -гибридизации.

Суть состоит в том, что два гибридных облака, которые образуются в виде несимметричных объемных восьмерок, стремятся максимально удалиться друг от друга и устанавливают связи с другими атомами во взаимно противоположных направлениях под углом 180°;

2) облака двух других р -электронов не участвуют в гибридизации.

Они сохраняют форму симметричных объемных восьмерок и при боковом перекрывании с подобными облаками другого углеродного атома образуют две π-связи.

Гомологи ацетилена:

1) подобно метану и этилену, ацетилен начинает собой гомологический ряд;

2) это ряд ацетиленовых углеводородов с одной тройной связью между атомами углерода в молекуле;

3) согласно систематической номенклатуре название таких углеводородов образуются путем замены суффикса – ан соответствующих предельных углеводородов на – ин;

4) как и этиленовые углеводороды, атомы углерода нумеруются начиная с того конца, к которому ближе кратная (тройная) связь:

а) этин СН≡СН;

б) бутин-1 СН≡С-СН₂-СН₃;

в) бутин-2 СН₃-С≡С-СН₃.

Особенности изомерии: а) обусловлена разветвлением углеродного скелета; б) характерное положение тройной связи; в) помогает в получении и использовании ацетилена в различных сферах.

Диеновые углеводороды

Строение и номенклатура.

Диеновые углеводороды – это углеводороды с двумя двойными связями.

Общая формула диеновых углеводородов: С_nН_2n-2.

Алкадиены, в молекулах которых две двойных связи разделены одной простой связью, называются соединениями с сопряженными двойными связями (дивинил и его гомологи).

СН₂=СН-СН =СН₂ бутадиен-1,3 (дивинил).

Алкадиены, в молекулах которых две двойных связи примыкают к одному углеродному атому, называются углеводородами с кумулированными двойными связями (аллен и его гомологи):

СН₂=С=СН₂ пропадиен-1,2 (аллен);

R-СН =С=СН₂ алкилаллены.

Углеводороды, в молекулах которых две двойных связи разделены двумя и более простыми связями, называются алкадиенами с изолированными двойными связями.

СН₂=СН—СН₂—СН=СН₂ пентадиен-1,4.

Бензол и его строение

Физические свойства: 1) бензол – легкокипящая, бесцветная, не растворимая в воде жидкость; 2) он имеет своеобразный запах; 3) при охлаждении бензол легко застывает в белую кристаллическую массу; 4) температура его плавления 5,5 °C; 5) формула бензола С₆Н₆; 6) это сильно ненасыщенное соединение: в молекуле его недостает восемь атомов водорода до состава, отвечающего формуле предельных углеводородов; 7) при этом если взболтать бензол с бромной водой или раствором перманганата калия, то не обнаружится характерных реакций непредельных соединений.

Проблема строения бензола.

1. Бензол может быть получен при пропускании ацетилена через трубку с активированным углем, нагретым до 650 °C.

2. Сравнивая состав молекул ацетилена С₂Н₂ и бензола С₆Н₆, можно прийти к выводу, что из каждых трех молекул ацетилена образуется одна молекула бензола, т. е. идет реакция полимеризации (тримеризации).

3. Если смесь паров бензола с водородом пропускать через нагретую трубку с катализатором, то оказывается, что: а) к каждой молекуле бензола присоединяются три молекулы водорода; б) в результате реакции образуется циклогексан, строение которого хорошо известно.

4. Присоединение к молекуле бензола трех молекул водорода с образованием циклогексана можно понять только в том случае, если признать, что исходный продукт имеет циклическое строение.

То есть если бы бензол имел незамкнутую цепь углеродных атомов, то молекула его до полного насыщения присоединяла бы не три, а четыре молекулы водорода: C₆H₆ + 4H₂ – > C₆H, что противоречит опыту.

Образование циклической молекулы бензола из трех молекул ацетилена можно представить следующим образом:

Так можно прийти к выводу о циклической структурной формуле бензола.

Приведенная структурная формула бензола была предложена впервые немецким ученым А. Кекуле (1865 г.).

Более столетия химики пользовались этой формулой, хотя она их и не вполне удовлетворяла.

Химические свойства бензола

1. Подобно всем углеводородам, бензол горит.

2. При его горении образуется очень много копоти, что легко объяснить, так как массовая доля углеводорода в нем та же, что и в ацетилене.

Особенности опыта.

1. В колбу с длинной вертикальной трубкой в качестве холодильника необходимо поместить бензол с небольшим количеством брома и железными стружками (железо необходимо для образования катализатора FeBr3).

Будет заметно, что у отводной трубки прибора появляется «дымок».

2. Растворив выделяющийся газ в воде и прибавив к этому раствору раствор нитрата серебра, можно убедиться, что при реакции брома с бензолом образуется бромоводород НВr.

3. В колбе после реакции остается тяжелая жидкость – бромбензол С₆Н₅Вr.

Следовательно, бром в этих условиях не присоединяется к бензолу, а вступает в реакцию замещения.

4. По внутренней сущности эта реакция отличается от реакций замещения у предельных углеводородов.

5. Она идет не через образование свободных радикалов и не имеет цепного характера.

6. Под влиянием бромида железа FeBr₃ молекула брома поляризуется: Вr^δ+ – Вr^δ-.

7. Положительно заряженный бром притягивается шестиэлектронным облаком молекулы бензола и устанавливает ковалентную связь с одним из атомов углерода, вытесняя водород в виде протона, который с отрицательно заряженным ионом брома Вr – образует молекулу бромоводорода.

8. Характерна для бензола реакция с азотной кислотой.

Если к смеси концентрированных азотной и серной кислот прибавить бензол и слегка ее подогреть, происходит реакция, в результате которой образуется тяжелая желтоватая жидкость с запахом горького миндаля – нитробензол С₆Н₅-NO₂.

Здесь группа атомов – NO₂, называемая нитрогруппой, встает на место атома водорода, подобно брому в предыдущей реакции.

9. По своему свойству вступать в реакцию замещения бензол несколько сходен с предельными углеводородами, несмотря на непредельность своего состава.

10. В определенных условиях бензол может вступать и в реакции присоединения.

11. К бензолу может присоединяться хлор, если смесь этих веществ подвергнуть освещению.

Так получается гексахлорциклогексан – кристаллическое вещество, известное под названием гексахлорана.

12. Реакции присоединения водорода и хлора показывают, что бензол имеет некоторое сходство и с непредельными углеводородами.

13. По химическим свойствам бензол занимает как бы промежуточное положение между предельными и непредельными углеводородами.

Применение бензола.

1. Бензол служит исходным веществом для синтеза очень многих органических соединений.

2. Реакцией нитрования получают нитробензол C₆H₅NO₂, хлорированием бензола – хлорбензол С₆Н₅Сi (растворитель) и другие хлорпроизводные.

3. Бензол используется как исходный продукт при синтезе лекарственных и душистых веществ, разнообразных красителей, мономеров для синтеза высокомолекулярных соединений и т. д.

4. Он применяется также в качестве растворителя и как добавка к моторному топливу в целях улучшения его свойств.

5. Хлорпроизводные бензола и других углеводородов используются в сельском хозяйстве в качестве химических средств защиты растений.

6. Так, продукт замещения в бензоле атомов водорода хлором – гексахлорбензол C₆Cl₆ применяется для сухого протравливания семян пшеницы и ржи против твердой головни.

7. Из галогенопроизводных других углеводородов можно назвать гексахлорбутадиен С₄Сl₆, аналогичный по строению бутадиену-1,3, необходимый для борьбы с филлоксерой на виноградниках.

8. В сельском хозяйстве используется много других ядохимикатов для борьбы с насекомыми.

9. Также бензол используется для уничтожения сорняков, защиты растений от болезней и т. д.

10. Применение ядохимикатов требует хорошего знания их свойств и строгого следования установленным правилам их использования, так как при неправильном обращении они небезопасны для человека и могут нанести большой ущерб окружающей природе.

Получение бензола.

1. Важный источник получения бензола – коксование каменного угля.

2. В процессе коксования – сильного нагревания угля без доступа воздуха – образуется много летучих продуктов, из которых наряду с другими веществами извлекается бензол.

3. Н.Д. Зелинский показал, что бензол легко образуется из циклогексана при каталитическом воздействии платины или палладия и температуре около 300 °C.

4. Было установлено также, что при соответствующих катализаторах и нагревании гексан может превращаться в бензол.

5. Реакции получения бензола из предельных углеводородов и циклопарафинов приобрели сейчас в связи с возрастающей потребностью в этом веществе большое практическое значение.

Гомологи бензола

Строение гомологов бензола:

1) бензол, как и другие углеводороды, начинает соответствующий гомологический ряд;

2) его гомологи рассматриваются как продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на различные углеводородные радикалы;

3) атомы углерода в формулах нумеруются и при помощи цифр, в название вещества указывается положение замещающих групп.

Химические свойства гомологов бензола:

1) при нитровании в жестких условиях в молекулу бензола и толуола С₆Н₅-СН₃ можно ввести три нитрогруппы;

2) толуол нитрируется несколько легче, чем бензол;

3) при этом образуется 2,4,6-тринитротолуол – взрывчатое вещество, которое называется толом или тротилом;

4) большая реакционная способность бензольного ядра в положениях 2,4,6 объясняется влиянием на него радикала – СН₃.

Толуол можно рассматривать не только как бензол, в молекуле которого атом водорода замещен на метильную группу, но и как метан, в молекуле которого атом водорода заменен ароматическим радикалом фенилом С₆Н₅.

Метан очень устойчив к действию окислителей.

Если же раствор перманганата калия мы добавим к толуолу и смесь нагреем, то заметим, что фиолетовый раствор постепенно обесцвечивается. Это происходит потому, что группа – СН₃ в толуоле подвергается окислению;

5) при действии раствора перманганата калия на толуол метильная группа окисляется в карбоксильную, образуется бензойная кислота.

На опытах можно убедиться, что: а) в толуоле метильная группа влияет на бензольное ядро, облегчая течение реакций замещения (в положениях 2, 4, 6); б) бензольное ядро влияет на метильную группу, обусловливая меньшую устойчивость ее к действию окислителей.

В основе этого явления лежит влияние друг на друга электронных структур атомов;

6) повышение реакционной способности бензольного ядра в самом общем виде можно объяснить так.

Метильная группа, находясь в соединении, смещает от себя электроны связи. Смещая в толуоле электронную пару к бензольному ядру, она нарушает равномерное расположение в нем р-электронного облака;

7) в положениях 2,4,6 возрастает электронная плотность, эти места и подвергаются «атаке» реагентами;

8) они могут реагировать, например, с галогенами (по месту атомов водорода в бензольном ядре и в боковой цепи), присоединять водород и т. п.

Нефть и ее переработка

Нефть и нефтепродукты

Крекинг нефтепродуктов

Опыт этого явления.

1. В нагреваемую на сильном пламени железную трубку впускаются из воронки по каплям керосин или смазочное масло.

2. Вскоре в U-образной трубке будет собираться жидкость.

3. В цилиндре над водой собирается газ.

4. Это признак того, что в трубке идет химическая реакция.

5. Такой вывод может быть подтвержден и испытанием полученных продуктов.

6. И жидкость, и газ обесцвечивают бромную воду, тогда как исходный продукт, если он был достаточно очищен, не обесцвечивает ее.

Результаты опыта объясняются тем, что:

1) при нагревании произошел распад углеводородов, например: С₁₆Н₃₄ (гексадекан) → С₈Н₁₈ (октан) + С₈Н₁₆ (октен);

2) образовалась смесь предельных и непредельных углеводородов меньшей молекулярной массы, соответствующая бензину;

3) получившиеся вещества частично могут разлагаться далее, например:

С₈Н₁₈ → С₄H₁₀ + С₄Н₈;

С₄H₁₀ → С₂Н₆ + С₂Н₄;

С₄H₁₀ → С₃Н₆ + СН₄;

4) подобные реакции приводят к образованию газообразных веществ, которые также обнаруживаются в опыте;

5) разложение углеводородов под действием высокой температуры идет через образование свободных радикалов. Рассмотрим этот процесс на примере пентана;

6) под влиянием сильного нагревания химические связи в молекуле становятся менее прочными, какие-то из них разрываются с образованием свободных радикалов:

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃ → СН₃-СН₂-СН₂· + ·СН₂-СН₃.

Частицы с неспаренными электронами должны стабилизироваться.

Это может происходить по-разному, например:

а) в одних из них установится двойная связь в результате отщепления атома водорода от соседнего атома углерода:

СН₃… СН₂ → СН₂=СН₂ + Н;

б) в других, наоборот, происходит присоединение атомов водорода к свободным радикалам:

СН₃-СН₂-СН₂· + Н· → СН₃-СН₂-СН₃.

Процесс разложения углеводородов нефти на более летучие вещества называется крекингом (англ. cracking – расщепление).

Предельные спирты

Производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены гидроксильными группами (ОН), называют предельными спиртами или алкоголями. Общая формула R-OH.

Спирты классифицируются: 1) по строению углеводородного радикала различают: а) спирты алифатического (жирного ряда), Аlk-ОН; б) ароматические, которые разделяются на фенолы Аr-OH и жирноароматические спирты Ar(CH₂)_n-OH; 2) по числу гидроксилов спирты бывают одно-, двух– и многоатомные. Например: а) одноатомные спирты СН₃-ОН (метанол); б) двухатомный спирт HO-CH₂-CH₂OH (этандиол); в) трехатомный спирт НОСН₂-СНОН-СН₂ОН (глицерин).

В зависимости от характера углеродного атома, при котором находится гидроксил, различают первичные, вторичные и третичные спирты.

1) R-CH₂-OH, или Аr-СН₂-ОН, – первичный спирт;

2)

– вторичный спирт;

3)

– третичный спирт.

Изомерия и номенклатура.

Изомерия спиртов зависит от строения углеводородной цепи и положения гидроксила в цепи. Спирты часто называют по радикально-спиртовой и систематической (ИЮПАК) номенклатуре.

При названии спирта по радикально-спиртовой номенклатуре в основе лежит название соответствующего углеводородного радикала, связанного с гидроксилом, с прибавлением окончания – овый спирт. Например: 1) СН₃-ОН – метиловый спирт (древесный); 2) С₂Н₅-ОН – этиловый спирт; 3) н-С₄Н₉ОН – бутиловый спирт;

4)

– трет-бутиловый спирт.

 

В основе названия спирта по ИЮПАК лежит наименование углеводорода самой длинной углеводородной цепи, наличие же гидроксильной группы указывается окончанием – ол, с цифрой за ним, указывающей номер атома углерода, при котором стоит гидроксил. При этом углеродная цепь нумеруются таким образом, чтобы гидроксил имел наименьший номер:

1)

 

– пентанол-2;

2)

– 3,4,4-триметилгексанол-2.

 

Одним из общих способов получения предельных спиртов является гидролиз галогенпроизводных углеводородов в присутствии водных растворов щелочей.

Щелочи ускоряют процесс и, нейтрализуя образующуюся кислоту, делают его необратимым. Реакция проходит при нагревании в течение длительного времени, т. к. исходные галогенуглеводороды плохо растворимы в воде.

Строение этилового спирта

Этиловый спирт (этанол) С₂Н₅ОН – бесцветная, легко испаряющаяся жидкость, которая имеет своеобразный запах и кипит при температуре 78,3 °C. Этиловый спирт легче воды – его плотность 0,8 г/см³. Этанол неограниченно смешивается с водой.

Гомологический ряд спиртов

Характерные особенности гомологического ряда спиртов:

1) этиловый спирт – один из членов гомологического ряда;

2) другие спирты ряда имеют аналогичное химическое и электронное строение;

3) первый представитель ряда – метиловый спирт;

4) в молекулах спиртов может содержаться не одна, а две и больше гидроксильных групп;

5) наличие гидроксильных групп в молекулах обусловливает характерные химические свойства спиртов, т. е. их химическую функцию.

Такие группы атомов называются функциональными группами;

6) спиртами называются органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько функциональных гидроксильных групп, соединенных с углеводородным радикалом;

7) они могут рассматриваться как производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода заменены на гидроксильные группы. Спирты приведенного выше ряда можно считать производными предельных углеводородов, в молекулах которых один атом водорода заменен на гидроксильную группу;

8) это гомологический ряд предельных одноатомных спиртов;

9) общая формула веществ этого ряда R-ОН.

10) по систематической номенклатуре названия спиртов производятся от названий соответствующих углеводородов с добавлением суффикса – ол; цифрой указывают атом углерода, при котором находится гидроксильная группа;

11) нумерация углеродных атомов начинается с того конца, к которому ближе функциональная группа;

12) изомерия спиртов обусловливается как изомерией углеродного скелета, так и положением гидроксильной группы. Рассмотрим ее на примере бутиловых спиртов;

13) в зависимости от строения углеродного скелета изомерами будут два спирта – производные бутана и изобутана (н-бутанол, изобутанол);

14) в зависимости от положения гидроксильной группы при том и другом углеродном скелете возможны еще изомеры (вторбутиловый и изобутиловый спирты);

15) водородная связь между молекулами.

Метанол и этанол

Метиловый спирт, или метанол, его особенности:

1) структурная формула – СН₃ОН;

2) это бесцветная жидкость с температурой кипения 64,5 °C;

3) ядовит (может вызывать слепоту, смерть);

4) в больших количествах метиловый спирт получается синтезом из оксида углерода (II) и водорода при высоком давлении (20–30 МПа) и высокой температуре (400 °C) в присутствии катализатора (около 90 % ZnО и 10 % Сr₂O₃): СО + 2Н₂ → СН₃ОН;

5) метиловый спирт образуется и при сухой перегонке дерева, поэтому его называют также древесным спиртом. Применяется он в качестве растворителя, а также для получения других органических веществ.

Этиловый (винный) спирт, или этанол, его особенности:

1) структурная формула – СН₃СН₂ОН;

2) температура кипения 78,4 °C;

3) этанол – это одно из важнейших исходных веществ в современной промышленности органического синтеза.

Способы получения этанола:

1) для получения используются различные сахаристые вещества (виноградный сахар, глюкоза, которая путем «брожения» превращается в этиловый спирт). Реакция протекает по схеме:

C₆H₁₂O₆(глюкоза) → 2C₂H₅OH + 2CO₂.

2) глюкоза в свободном виде содержится, например, в виноградном соке, при брожении которого получается виноградное вино с содержанием спирта от 8 до 16 %;

3) исходным продуктом для получения спирта может служить полисахарид крахмал, который содержится, например, в клубнях картофеля, зернах ржи, пшеницы, кукурузы;

4) для превращения в сахаристые вещества (глюкозу) крахмал предварительно подвергают гидролизу.

Для этого мука или измельченный картофель заваривается горячей водой и по охлаждении в него добавляется солод.

Солод – это проросшие, а затем подсушенные и растертые с водой зерна ячменя.

В солоде содержится диастаз, который действует на процесс осахаривания крахмала каталитически.

Диастаз – это сложная смесь ферментов;

5) по окончании осахаривания к полученной жидкости прибавляются дрожжи, под действием ферментов которых (зимазы) образуется спирт;

6) его отгоняют и затем очищают повторной перегонкой.

В настоящее время осахариванию подвергается также полисахарид – целлюлоза (клетчатка), которая образует главную массу древесины.

Для этого целлюлоза подвергается гидролизу в присутствии кислот (например, древесные опилки при 150–170 °C обрабатываются 0,1–5 %-ной серной кислотой под давлением 0,7–1,5 МПа).

Понятие о ядохимикатах

Ядохимикаты (пестициды) – это химические средства борьбы с микроорганизмами, вредоносными или нежелательными с точки зрения экономики или здравоохранения.

Фунгициды.

Характерные особенности фунгицидов:

а) это вещества для борьбы с грибковыми болезнями растений;

б) в качестве фунгицидов используются различные антибиотики, сульфаниламидные препараты;

в) одним из наиболее простых по химической структуре фунгицидов является пентахлорфенол;

г) большинство пестицидов обладает отравляющими свойствами не только в отношении вредителей и возбудителей болезней;

д) при неумелом обращении они могут вызвать отравление людей, домашних и диких животных или гибель культурных посевов и насаждений;

е) пользоваться пестицидами необходимо очень осторожно, строго соблюдая инструкции по их применению;

ж) с целью минимизации вредного воздействия пестицидов на окружающую среду следует:

– применять вещества с более высокой биологической активностью и соответственно вносить их в меньшем количестве на единицу площади;

– применять вещества, которые не сохраняются в почве, а разлагаются на безвредные соединения.

Многоатомные спирты

Особенности строения многоатомных спиртов:

1) содержат в молекуле несколько гидроксильных групп, соединенных с углеводородным радикалом;

2) если в молекуле углеводорода заменены гидроксильными группами два атома водорода, то это двухатомный спирт;

3) простейшим представителем таких спиртов является этиленгликоль (этандиол-1,2):