Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова
Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова
1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения).
2. Химическое строение можно устанавливать химическими методами. (В настоящее время используются также современные физические методы).
3. Свойства веществ зависят от их химического строения.
4. По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы - предвидеть свойства.
5. Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.
Теория Бутлерова явилась научным фундаментом органической химии и способствовала быстрому ее развитию. Опираясь на положения теории, А.М. Бутлеров дал объяснение явлению изомерии, предсказал существование различных изомеров и впервые получил некоторые из них.
Развитию теории строения способствовали работы Кекуле, Кольбе, Купера иВант-Гоффа. Однако их теоретические положения не носили общего характера и служили, главным образом, целям объяснения экспериментального материала.
Формулы строения
Формула строения (структурная формула) описывает порядок соединения атомов в молекуле, т.е. ее химическое строение. Химические связи в структурной формуле изображают черточками. Связь между водородом и другими атомами обычно не указывается (такие формулы называются сокращенными структурными формулами).
Например, полная (развернутая) и сокращенная структурные формулы н-бутана C4H10 имеют вид:
Другой пример - формулы изобутана.
Часто используется еще более краткая запись формулы, когда не изображают не только связи с атомом водорода, но и символы атомов углерода и водорода. Например, строение бензола C6H6 отражают формулы:
Структурные формулы отличаются от молекулярных (брутто) формул, которые показывают только, какие элементы и в каком соотношении входят в состав вещества (т.е. качественный и количественный элементный состав), но не отражают порядка связывания атомов.
Например, н-бутан и изобутан имеют одну молекулярную формулу C4H10, но разную последовательность связей.
Таким образом, различие веществ обусловлено не только разным качественным и количественным элементным составом, но и разным химическим строением, которое можно отразить лишь структурными формулами.
Понятие о изомерии
Еще до создания теории строения были известны вещества одинакового элементного состава, но c разными свойствами. Такие вещества были названыизомерами, а само это явление - изомерией.
В основе изомерии, как показал А.М. Бутлеров, лежит различие в строениимолекул, состоящих из одинакового набора атомов. Таким образом,
изомерия - это явление существования соединений, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и, следовательно, разные свойства.
Например, при содержании в молекуле 4-х атомов углерода и 10-ти атомов водорода возможно существование 2-х изомерных соединений: 
В зависимости от характера отличий в строении изомеров различают структурную и пространственную изомерию.
Структурные изомеры
Структурные изомеры - соединения одинакового качественного и количественного состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е химическим строением.
Например, составу C5H12 соответствует 3 структурных изомера:
Другой пример:
Стереоизомеры
Пространственные изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и одинаковом химическом строении различаются пространственным расположением атомов в молекуле.
Пространственными изомерами являются оптические и цис-транс изомеры (шарики разного цвета обозначают разные атомы или атомные группы):
Молекулы таких изомеров несовместимы в пространстве.
Стереоизомерия играет важную роль в органической химии. Подробнее эти вопросы будут рассматриваться при изучении соединений отдельных классов.
Свойства электрона
Электрон имеет двойственную природу. В разных экспериментах он может проявлять свойства как частицы, так и волны. Движение электрона подчиняется законам квантовой механики.
Связь между волновыми и корпускулярными свойствами электрона отражает соотношение де Бройля:
…………………………..
- длина волны электрона; m - его масса; v - скорость;lгде
h = 6.62 • 10-34 Дж • с - постоянная Планка.
Энергию и координаты электрона, как и других элементарных частиц, невозможно одновременно измерить с одинаковой точностью (принцип неопределенностиГейзенберга). Поэтому движение электрона в атоме или в молекуле нельзя описать с помощью траектории. Электрон может находиться в любой точке пространства, но с разной вероятностью.
Часть пространства, в котором велика вероятность нахождения электрона, называют орбиталью или электронным облаком.
Например:
Атомные орбитали
Атомная орбиталь (АО) - область наиболее вероятного пребывания электрона (электронное облако) в электрическом поле ядра атома.
Положение элемента в Периодической системе определяет тип орбиталей его атомов (s-, p-, d-, f-АО и т.д.), различающихся энергией, формой, размерами и пространственной направленностью.
Для элементов 1-го периода (Н, He) характерна одна АО - 1s.
В элементах 2-го периода электроны занимают пять АО на двух энергетических уровнях: первый уровень 1s; второй уровень - 2s, 2px, 2py, 2pz. (цифры обозначают номер энергетического уровня, буквы - форму орбитали).
Состояние электрона в атоме полностью описывают квантовые числа.
Вопрос
Предельные углеводороды - это углеводороды, в молекулах которых имеются только простые (одинарные) связи ( 
-связи). Предельными углеводородами являются алканы и циклоалканы.
Атомы углерода в предельных углеводородах находятся в состоянии sp3-гибридизации.
Алканы - предельные углеводороды, состав которых выражается общей формулой CnH2n+2. Алканы являются насыщенными углеводородами.
Физические свойства алканов
При комнатной температуре С1-C4 - газы, C5-C15 - жидкости, C16 и следующие - твердые вещества; нерастворимы в воде; плотность меньше 1 г/см3; жидкие - с запахом бензина.
С увеличением числа атомов углерода в молекуле возрастает температура кипения.
Химические свойства алканов
Малоактивны в обычных условиях, не реагируют с растворами кислот и щелочей, не обесцвечивают раствор KMnO4 и бромную воду.
1. Горение (окисление с разрывом связей C—C и C—H): CH4 + 2O2 
CO2 + 2H2O + Q
2. Замещение (с разрывом связей C—H):
а) галогенирование (только с хлором и с бромом):
1-я стадия: CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl (при нагревании или на свету).
При достаточном количестве галогена происходит дальнейшее замещение атомов водорода:
| CH3Cl хлорметан | + Cl2 | CH2Cl2 дихлорметан | + HCl, |
| CH2Cl2 + Cl2 | CHCl3 трихлорметан | + HCl, |
| CHCl3 + Cl2 | CCl4 тетрахлорметан | + HCl. |
б) нитрование (реакция Коновалова):
| CH4 + HONO2 | CH3NO2 нитрометан | + H2O (при нагревании) |
Получение алканов
Лабораторные способы:
1. Гидролиз карбида алюминия (получение метана): Al4C3 + 12H2O 4Al(OH)3 + 3CH4 
2. Реакция обмена: CH3COONa + NaOH Na2CO3 + CH4 (при нагревании)
3. Реакция Вюрца: 2CH3Cl + 2Na CH3—CH3 + 2NaCl
Промышленные способы:
1. Выделение из природных источников (природного газа, нефти, каменного угля, горючих сланцев).
2. Газификация твердого топлива: C + 2H2 CH4 (при нагревании под давлением в присутствии Ni-катализатора)
Циклоалканы - предельные углеводороды, состав которых выражается формулой CnH2n. В состав молекул циклоалканов входят замкнутые углеродные цепи (циклы).
Изомеры и гомологи
Упрощенно углеводородный цикл часто изображают правильным многоугольником с соответствующим числом углов.
Физические свойства мало отличаются от свойств алканов.
Химические свойства
За исключением циклопропана и циклобутана циклоалканы, как и алканы, малоактивны в обычных условиях.
Общие свойства циклоалканов (на примере циклогексана):
1. горение (окисление с разрывом связей C—C и C—H):
C6H12 + 9O2 6CO2 + 6H2O + Q
2. замещение (галогенирование, нитрование):
C6H12 + Cl2 C6H11Cl + HCl (при нагревании или на свету)
3. присоединение (гидрирование):
C6H12 + H2 C6H14 (при нагревании под давлением в присутствии Ni-катализатора)
4. разложение (дегидрирование, крекинг, пиролиз):
C6H12 C6H6 + 3H2 (при нагревании с катализатором).
Особые свойства циклопропана и циклобутана (склонность к реакциям присоединения):
1. галогенирование:
+ Br2 BrCH2—CH2—CH2Br
2. гидрогалогенирование:
+ HBr CH3—CH2—CH2Br
Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова
1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения).
2. Химическое строение можно устанавливать химическими методами. (В настоящее время используются также современные физические методы).
3. Свойства веществ зависят от их химического строения.
4. По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы - предвидеть свойства.
5. Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.
Теория Бутлерова явилась научным фундаментом органической химии и способствовала быстрому ее развитию. Опираясь на положения теории, А.М. Бутлеров дал объяснение явлению изомерии, предсказал существование различных изомеров и впервые получил некоторые из них.
Развитию теории строения способствовали работы Кекуле, Кольбе, Купера иВант-Гоффа. Однако их теоретические положения не носили общего характера и служили, главным образом, целям объяснения экспериментального материала.
Формулы строения
Формула строения (структурная формула) описывает порядок соединения атомов в молекуле, т.е. ее химическое строение. Химические связи в структурной формуле изображают черточками. Связь между водородом и другими атомами обычно не указывается (такие формулы называются сокращенными структурными формулами).
Например, полная (развернутая) и сокращенная структурные формулы н-бутана C4H10 имеют вид:
Другой пример - формулы изобутана.
Часто используется еще более краткая запись формулы, когда не изображают не только связи с атомом водорода, но и символы атомов углерода и водорода. Например, строение бензола C6H6 отражают формулы:
Структурные формулы отличаются от молекулярных (брутто) формул, которые показывают только, какие элементы и в каком соотношении входят в состав вещества (т.е. качественный и количественный элементный состав), но не отражают порядка связывания атомов.
Например, н-бутан и изобутан имеют одну молекулярную формулу C4H10, но разную последовательность связей.
Таким образом, различие веществ обусловлено не только разным качественным и количественным элементным составом, но и разным химическим строением, которое можно отразить лишь структурными формулами.
Понятие о изомерии
Еще до создания теории строения были известны вещества одинакового элементного состава, но c разными свойствами. Такие вещества были названыизомерами, а само это явление - изомерией.
В основе изомерии, как показал А.М. Бутлеров, лежит различие в строениимолекул, состоящих из одинакового набора атомов. Таким образом,
изомерия - это явление существования соединений, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение и, следовательно, разные свойства.
Например, при содержании в молекуле 4-х атомов углерода и 10-ти атомов водорода возможно существование 2-х изомерных соединений:
В зависимости от характера отличий в строении изомеров различают структурную и пространственную изомерию.
Структурные изомеры
Структурные изомеры - соединения одинакового качественного и количественного состава, отличающиеся порядком связывания атомов, т.е химическим строением.
Например, составу C5H12 соответствует 3 структурных изомера:
Другой пример:
Стереоизомеры
Пространственные изомеры (стереоизомеры) при одинаковом составе и одинаковом химическом строении различаются пространственным расположением атомов в молекуле.
Пространственными изомерами являются оптические и цис-транс изомеры (шарики разного цвета обозначают разные атомы или атомные группы):
Молекулы таких изомеров несовместимы в пространстве.
Стереоизомерия играет важную роль в органической химии. Подробнее эти вопросы будут рассматриваться при изучении соединений отдельных классов.