Химия. Самоучитель. Френкель Е.Н.

М.: 201 7. - 3 51 с.

Самоучитель основан на методике, которую автор с успехом использует более 20 лет. С её помощью множество школьников смогли поступить на химические факультеты и в медицинские вузы. Эта книга - именно Самоучитель, а не Учебник. Вы не столкнётесь здесь с простым описанием научных фактов и свойств веществ. Материал структурирован таким образом, что, встретившись со сложными вопросами, которые вызывают затруднения, вы сразу же найдёте пояснение автора. В конце каждой главы приводятся проверочные задания и упражнения для закрепления материала. Любознательному читателю, который просто хочет расширить свой кругозор, Самоучитель даст возможность освоить этот предмет «с нуля». Прочитав его, вы не сможете не влюбиться в эту интереснейшую науку - химию!

Формат: pdf

Размер: 2,7 Мб

Смотреть, скачать: drive.google

Оглавление
От автора 7
ЧАСТЬ 1. ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ ХИМИИ 9
Глава 1. Основные понятия и законы предмета «Химия» 9
1.1. Простейшие понятия: вещество, молекула, атом, химический элемент 9
1.2. Простые и сложные вещества. Валентность 13
1.3. Уравнения химических реакций 17
Глава 2. Основные классы неорганических соединений 23
2.1. Оксиды 23
2.2. Кислоты 32
2.3. Основания 38
2.4. Соли 44
Глава 3. Элементарные сведения о строении атома 55
3.1. Структура Периодической системы Менделеева 55
3.2. Ядро атома. Изотопы 57
3.3. Распределение электронов в поле ядра атома 60
3.4. Строение атома и свойства элементов 65
Глава 4. Понятие о химической связи 73
4.1. Ионная связь 73
4.2. Ковалентная связь 75
4.3. Химическая связь и агрегатные состояния вещества. Кристаллические решётки 80
Глава 5. Скорость химической реакции 87
5.1. Зависимость скорости химической реакции от различных факторов 87
5.2. Обратимость химических процессов. Принцип Ле-Шателье 95
Глава 6. Растворы 101
6.1. Понятие о растворах 101
6.2. Электролитическая диссоциация 105
6.3. Ионно-молекулярные уравнения реакций 111
6.4. Понятие о рН (водородном показателе) 113
6.5. Гидролиз солей 116
Глава 7. Понятие об окислительно-восстановительных реакциях123
ЧАСТЬ 2. ЭЛЕМЕНТЫ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ 130
Глава 8. Общие свойства металлов 130
8.1. Внутреннее строение и физические свойства металлов 131
8.2. Сплавы 133
8.3. Химические свойства металлов 135
8.4. Коррозия металлов 139
Глава 9. Щелочные и щёлочноземельные металлы 142
9.1. Щелочные металлы 142
9.2. Щелочноземельные металлы 145
Глава 10. Алюминий 153
Глава 11. Железо 158
11.1. Свойства железа и его соединений 158
11.2. Получение железа (чугуна и стали) 160
Глава 12. Водород и кислород 163
12.1. Водород 163
12.2. Кислород 165
12.3. Вода 166
Глава 13. Углерод и кремний 170
13.1. Строение атома и свойства углерода 170
13.2. Свойства соединений углерода 173
13.3. Строение атома и свойства кремния 176
13.4. Кремниевая кислота и силикаты 178
Глава 14. Азот и фосфор 182
14.1. Строение атома и свойства азота 182
14.2. Аммиак и соли аммония 184
14.3. Азотная кислота и её соли 187
14.4. Строение атома и свойства фосфора 189
14.5. Свойства и значение соединений фосфора 191
Глава 15. Сера 195
15.1. Строение атома и свойства серы 195
15.2. Сероводород 196
15.3. Сернистый газ и сернистая кислота 197
15.4. Серный ангидрид и серная кислота 198
Глава 16. Галогены 202
16.1. Строение атома и свойства галогенов 202
16.2. Соляная кислота 205
РАЗДЕЛ 3. ЭЛЕМЕНТЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ 209
Глава 17. Основные понятия органической химии 210
17.1. Предмет органической химии. Теория строения органических веществ 210
17.2. Особенности строения органических соединений 212
17.3. Классификация органических соединений 213
17.4. Формулы органических соединений 214
17.5. Изомерия 215
17.6. Гомологи 217
17.7. Названия углеводородов. Правила международной номенклатуры 218
Глава 18. Алканы 225
18.1. Понятие об алканах 225
18.2. Гомологический ряд, номенклатура, изомерия 225
18.3. Строение молекул 226
18.4. Свойства алканов 226
18.5. Получение и применение алканов 229
Глава 19. Алкены 232
19.1. Гомологический ряд, номенклатура, изомерия 232
19.2. Строение молекул 234
19.3. Свойства алкенов 234
19.4. Получение и применение алкенов 238
19.5. Понятие об алкадиенах (диены) 239
Глава 20. Алкины 244
20.1. Определение. Гомологический ряд, номенклатура, изомерия 244
20.2. Строение молекул 245
20.3. Свойства алкинов 246
20.4. Получение и применение ацетилена 248
Глава 21. Циклические углеводороды. Арены 251
21.1. Понятие о циклических углеводородах. Циклоалканы 251
21.2. Понятие об ароматических углеводородах 252
21.3. История открытия бензола. Строение молекулы 253
21.3. Гомологический ряд, номенклатура, изомерия 255
21.4. Свойства бензола 256
21.5. Свойства гомологов бензола 259
21.6. Получение бензола и его гомологов 261
Глава 22. Спирты 263
22.1. Определение 263
22.2. Гомологический ряд, номенклатура, изомерия 264
22.3. Строение молекул 265
22.4. Свойства одноатомных спиртов 266
22.5. Получение и применение спиртов (на примере этилового спирта) 268
22.6. Многоатомные спирты 269
22.7. Понятие о фенолах 271
Глава 23. Альдегиды 276
23.1. Определение. Гомологический ряд, номенклатура, изомерия 276
23.2. Строение молекул 277
23.3. Свойства альдегидов 278
23.4. Получение и применение альдегидов на примере уксусного альдегида 280
Глава 24. Карбоновые кислоты 282
24.1. Определение 282
24.2. Гомологический ряд, номенклатура, изомерия 283
24.3. Строение молекул 284
24.4. Свойства кислот 285
24.5. Получение и применение кислот 287
Глава 25. Сложные эфиры. Жиры 291
Глава 26. Углеводы 297
Глава 27. Азотсодержащие соединения 304
27.1. Амины 304
27.2. Аминокислоты 306
27.3. Белки 308
Глава 28. Понятие о полимерах 313
ЧАСТЬ 4. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ 316
Глава 29. Основные расчётные понятия 317
Глава 30. Задачи, решаемые по стандартным формулам 320
30.1. Задачи по теме «Газы» 320
30.2. Задачи по теме «Способы выражения концентрации растворов» 324
Глава 31. Задачи, решаемые по уравнениям реакций 330
31.1. Оформление расчётов по уравнениям реакций 330
31.2. Задачи по теме «Количественный состав смесей» 333
31.3. Задачи на «избыток-недостаток» 337
31.4. Задачи на установление формулы вещества 342
31.5. Задачи, в которых учитывается «выход» полученного вещества 349

Раздел химии, изучающий структуру, свойства, методы синтеза углеродных соединений, называется органической химией. Органические вещества - основа живого мира.

История

Изучение органической химии началось с исследования материалов биологического происхождения. Краткая история органической химии представлена ниже.

Рис. 1. Александр Бутлеров.

С развитием науки и промышленности возник раздел органической химии - органический синтез, изучающий способы получения органических соединений, представляющих биологическую, физическую, химическую ценность.

С развитием нефтепромышленности появилась нефтехимия. Из нефти выделили соединения, которые используются в промышленности для получения пластмасс, топлива, синтетического каучука и множества других материалов.

В мире насчитывается 141 миллион органических соединений.

Строение органических веществ

Все органические соединения образованы:

• углеродным скелетом или цепью - последовательно связанными атомами углерода;
• функциональной группой - группой атомов, определяющих химические свойства вещества.

Формулы органической химии записываются в двух формах:

• краткой - аналогично записи неорганической химии (С 5 Н 12);
• структурной - показывает порядок и расположение атомов, связанных валентными связями (обозначаются штрихами) - СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 3 .

Если вы поступили в университет, но к этому времени так и не разобрались в этой нелегкой науке, мы готовы раскрыть вам несколько секретов и помочь изучить органическую химию с нуля (для "чайников"). Вам же остается только читать и внимать.

Основы органической химии

Органическая химия выделена в отдельный подвид благодаря тому, что объектом ее изучения является все, в составе чего есть углерод.

Органическая химия – раздел химии, который занимается изучением соединения углерода, структуру таких соединений, их свойства и методы соединения.

Как оказалось, углерод чаще всего образует соединения со следующими элементами - H, N, O, S, P. Кстати, эти элементы называются органогенами .

Органические соединения, количество которых сегодня достигает 20 млн, очень важны для полноценного существования всех живых организмов. Впрочем, никто и не сомневался, иначе человек просто закинул бы изучение этого непознанного в долгий ящик.

Цели, методы и теоретические представления органической химии представлены следующим:

• Разделение ископаемого, животного или растительного сырья на отдельные вещества;
• Очистка и синтез разных соединений;
• Выявление структуры веществ;
• Определение механики протекания химических реакций;
• Нахождение зависимости между структурой и свойствами органических веществ.

Немного из истории органической химии

Вы можете не верить, но еще в далекой древности жители Рима и Египта понимали кое-что в химии.

Как мы знаем, они пользовались натуральными красителями. А нередко им приходилось использовать не готовый естественный краситель, а добывать его, вычленяя из цельного растения (например, содержащиеся в растениях ализарин и индиго).

Можем вспомнить и культуру употребления алкоголя. Секреты производства спиртных напитков известны в каждом народе. Причем многие древние народы знали рецепты приготовления «горячей воды» из крахмал- и сахарсодержащих продуктов.

Так продолжалось долгие, долгие годы, и только в 16-17 веках начались какие-то изменения, небольшие открытия.

В 18 веке некто Шееле научился выделять яблочную, винную, щавелевую, молочную, галловую и лимонную кислоту.

Тогда всем стало ясно, что продукты, которые удалось выделить из растительного или животного сырья, имели много общих черт. В то же время они сильно отличались от неорганических соединений. Поэтому служителям науки нужно было срочно выделить их в отдельный класс, так и появился термин «органическая химия».

Несмотря на то, что сама органическая химия как наука появилась лишь в 1828 году (именно тогда господину Вёлеру удалось выделить мочевину путем упаривания цианата аммония), в 1807 году Берцелиус ввел первый термин в номенклатуру в органической химии для чайников:

Раздел химии, который изучает вещества, полученные из организмов.

Следующий важный шаг в развитии органический химии – теория валентности, предложенная в 1857 году Кекуле и Купером, и теория химического строения господина Бутлерова от 1861 года. Уже тогда ученые стали обнаруживать, что углерод – четырехвалентен и способен образовывать цепи.

В общем, с эти самых пор наука регулярно испытывала потрясения и волнения благодаря новым теориям, открытиям цепочкам и соединениям, что позволяло так же активно развиваться органической химии.

Сама наука появилась благодаря тому, что научно-технический прогресс не в состоянии был стоять на месте. Он продолжал и продолжал шагать, требуя новых решений. И когда каменноугольной смолы в сфере промышленности перестало хватать, людям просто пришлось создать новый органический синтез, который со временем перерос в открытие невероятно важного вещества, которое и по сей день дороже золота – нефть. Кстати, именно благодаря органической химии на свет появилась ее «дочка» - поднаука, которая получила название «нефтехимия».

Но это уже совсем другая история, которую вы можете изучить сами. Далее мы предлагаем вам посмотреть научно-популярное видео про органическую химию для чайников:

Ну а если вам некогда и срочно нужна помощь профессионалов , вы всегда знаете, где их найти.

Органическая химия , раздел химии, естественнонаучная дисциплина, предметом изучения которой являются соединения углерода с др. элементами, называемые органическими соединениями, а также законы превращения этих веществ. Углерод образует соединения с большинством элементов и обладает наиболее выраженной способностью по сравнению с др. элементами к образованию молекул цепного и циклического строения. Скелет таких молекул может состоять из практически неограниченного числа атомов углерода, непосредственно соединённых друг с другом, или включать наряду с углеродом атомы др. элементов. Для соединений углерода наиболее характерно явление изомерии, т. е. существование веществ, одинаковых по составу и молярной массе, но различающихся последовательностью сцепления атомов или расположением их в пространстве и вследствие этого по химическими и физическим свойствам. В результате этих особенностей число органических веществ чрезвычайно велико, к 70-м гг. 20 в. известно более 3 млн., в то время как соединений всех остальных элементов - немногим более 100 тыс.
Органические соединения способны к сложным и многообразным превращениям, существенно отличным от превращений неорганических веществ, и играют основную роль в построении и жизнедеятельности растительных и животных организмов. К органическим соединениям относятся углеводы и белки, с которыми связан обмен веществ; гормоны, регулирующие этот обмен; нуклеиновые кислоты, являющиеся материальными носителями наследственных признаков организма; витамины и др. О. х. представляет собой т. о. как бы своеобразный "мост" между науками, изучающими неживую материю и высшую форму существования материи - жизнь. Многие явления и закономерности химической науки, например изомерия, впервые были открыты при изучении именно органических соединений.

К лассификация органических соединений . Все органические соединения подразделяются на три основных ряда, или класса: ациклические, изоциклические и гетероциклические. К первому классу (жирных, или алифатических) соединений относят углеводороды и их производные с незамкнутыми цепями: гомологический ряд метановых углеводородов, называемый также рядом насыщенных углеводородов, или алканов; гомологические ряды ненасыщенных углеводородов - этилена (алкенов), ацетилена (алкинов), диенов и др. (см. Ациклические соединения). К классу изоциклических (карбоциклических) соединений относят углеводороды и их производные, в молекулах которых имеются циклы из атомов углерода: углеводороды и их производные циклопарафинового, или полиметиленового, ряда, циклические ненасыщенные соединения (см. Алициклические соединения, Циклоалканы), а также ароматические углеводороды и их производные, содержащие бензольные ядра (в частности, и многоядерные ароматические соединения, например, нафталин, антрацен). К классу гетероциклических соединений относят органические вещества, в молекулах которых имеются циклы, содержащие, кроме углерода, атомы О, N, S, Р, As или др. элементов.
От каждого углеводорода образован отдельный генетический ряд (см. Гомологические ряды), представители которого формально производятся путём замены атома водорода в углеводороде той или иной функциональной группой, определяющей химические свойства соединения. Так, в генетический ряд метана CH4 входят хлористый метил CH3Cl, метиловый спирт CH3OH, метиламин CH3NH2, нитрометан CH3NO2 и др. Аналогично представители генетического ряда бензола C6H6 - хлорбензол C6H5Cl, фенол C6H5OH, анилин C6H5NH2, нитробензол C6H5NO2 и др. Одноимённо замещённые представители различных генетических рядов составляют гомологические ряды производных: галогенсодержащих соединений, спиртов, аминов, нитросоединений и др.

Ис торическая справка . Истоки О. х. восходят к глубокой древности (уже тогда знали о спиртовом и уксуснокислом брожении, крашении индиго и ализарином). Однако ещё в средние века (период алхимии) были известны лишь немногие индивидуальные органические вещества. Все исследования этого периода сводились главным образом к операциям, при помощи которых, как тогда думали, одни простые вещества можно превращать в другие. Начиная с 16 в. (период ятрохимии) исследования были направлены в основном на выделение и использование различных лекарственных веществ: был выделен из растений ряд эфирных масел, приготовлен простой диэтиловый эфир, сухой перегонкой древесины получены древесный (метиловый) спирт и уксусная кислота, из винного камня - винная кислота, перегонкой свинцового сахара - уксусная кислота, перегонкой янтаря - янтарная. Большая роль в становлении О. х. принадлежит А. Лавуазье, который разработал основные количественные методы определения состава химических соединений, в дальнейшем последовательно улучшенные Л. Тенаром, Й. Берцелиусом, Ю. Либихом, Ж. Дюма. Принципы этих методов (сожжение навески вещества в атмосфере кислорода, улавливание и взвешивание продуктов сгорания - CO2 и H2O) лежат в основе современного элементного анализа, в том числе и микроанализа. В результате анализа большого числа различных веществ доминировавшее ранее представление о принципиальном различии веществ растительного и животного происхождения постепенно отпадало.
Впервые название "органические соединения" встречается к конце 18 в. Термин "О. х." был введён Берцелиусом в 1827 (в написанном им первом руководстве по О. х.). Явление изомерии было открыто Ф. Вёлером и Либихом в 1822-23. Первый синтез органического вещества осуществил Вёлер, получивший в 1824 щавелевую кислоту из дициана и в 1828 - мочевину нагреванием циановокислого аммония. Начиная с середины 19 в. число органических веществ, получаемых синтетически, быстро возрастает. Так, в 1842 Н. Н. Зинин восстановлением нитробензола получил анилин, в 1845 А. Кольбе синтезировал уксусную кислоту, в 1854 П. Бертло - вещества типа жиров. В 1861 А. М. Бутлеров получил первое искусственное сахаристое вещество, названное им метиленитаном, из которого впоследствии была выделена акроза. Синтетическое направление в О. х. приобретает всё большее значение. В результате успехов синтеза господствовавшее идеалистическое представление о необходимости "жизненной силы" для создания органических веществ было отвергнуто.
Теоретические представления в О. х. начали развиваться со 2-й четверти 19 в., когда была создана радикалов теория (Либих, Вёлер, Э. Франкленд, Р. Бунзен и др.). Основное её положение о переходе группы атомов - радикалов из одного соединения в другое в неизменном виде остаётся в большом числе случаев справедливым и в настоящее время. На этом представлении основаны многие физические и химические методы исследования веществ неизвестной структуры. Впоследствии (1834-39) Дюма показал возможность замещения положительно заряженных атомов в радикале на электроотрицательные без серьёзных изменений электрохимического характера радикала, что до Дюма считалось невозможным.
На смену теории радикалов пришла типов теория (1848-51, 1853), созданная Дюма, Ш. Жераром и О. Лораном. Последним удалось классифицировать органические вещества по типам простейших неорганических соединений. Так, спирты считались соединениями типа воды, амины - типа аммиака, галогеналкилы - типа хлористого водорода. Позднее Ф. А. Кекуле установил четвёртый тип - тип метана, от которого он производил все углеводороды. Теория типов позволила создать чёткую классификацию органических соединений, которая лежит в основе современной классификации органических веществ. Однако эта теория стремилась лишь к объяснению реакционной способности органических веществ и отрицала принципиальную возможность познания их строения. В 1853 Франкленд, изучая металлоорганические соединения, ввёл представление о валентности. В 1857 Кекуле высказывает мысль о возможности сцепления атомов углерода друг с другом и доказывает четырёхвалентность углерода. В 1858 А. Купер, используя правило валентности и положение Кекуле о сцеплении атомов углерода, впервые отходит от теории типов и пишет формулы органических веществ, очень близкие к современным. Однако идеи теории типов оставались ещё очень сильны и создание теории продолжало отставать от развития эксперимента.
В 1861 Бутлеров создал химического строения теорию органических веществ. Он ввёл в О. х. ряд новых понятий: о химической связи, порядке связей атомов в молекуле, о взаимном влиянии атомов, непосредственно связанных или не связанных друг с другом, и др. Теория строения Бутлерова блестяще объяснила остававшиеся непонятными известные к тому времени случаи изомерии. В 1864 Бутлеров предсказал возможность изомерии углеводородов и вскоре (1867) подтвердил это синтезом изобутана. Созданное Бутлеровым стройное учение лежит в основе современных представлений о химической строении органических веществ. Одно из важнейших положений теории строения - о взаимном влиянии атомов - впоследствии было развито В. В. Марковниковым. Детальное изучение этого влияния способствовало дальнейшему развитию теории строения и представлений о распределении электронной плотности и о реакционной способности органических соединений.
В 1869 И. Вислиценус показал, что явление изомерии наблюдается и при совершенно одинаковой последовательности сцепления атомов в молекуле. Он доказал идентичность строения обычной молочной кислоты и мясо-молочной и пришёл к выводу, что тонкие различия в свойствах молекул с одинаковой структурой следует искать в различном расположении их атомов в пространстве. В 1874 Я. Вант-Гофф и французский химик Ж. Ле Бель создали теорию пространств. расположения атомов в молекуле - стереохимию. В основе этой теории, по Вант-Гоффу, лежит представление о тетраэдрической модели четырёхвалентного атома углерода и о том, что оптическая изомерия является следствием пространственной асимметрии молекулы, в которой атом углерода соединён с четырьмя различными заместителями. Вант-Гофф высказал также предположение о возможности др. вида пространственной изомерии при отсутствии в молекуле асимметричного атома углерода. Вскоре Вислиценус доказал, что фумаровая кислота, которую ранее считали полимером малеиновой кислоты, представляет собой её геометрический изомер (геометрическая, или цис-транс-изомерия). Ясно, что стереохимическое учение могло быть создано только на основе представлений о строении (структуре) молекулы в бутлеровском понимании.
К конце 19 в. накопился большой фактический материал, в том числе и по ароматическим соединениям; в частности, широко была изучена химия бензола, открытого М. Фарадеем в 1825. Первая т. н. "бензольная теория" строения ароматических соединений была создана в 1865 Кекуле. В ней высказывается мысль о том, что атомы углерода в органических соединениях могут образовывать кольца. Согласно этой теории, бензол обладает симметричной структурой вследствие кольцеобразного строения сцепленных попеременно простыми и двойными связями шести метиновых СН-групп. Однако, исходя из строения бензола по Кекуле, следовало допустить наличие двух орто-замещённых гомологов или производных бензола, чего на самом деле не наблюдалось. Устойчивость бензола к сильным окислителям и некоторые др. т. н. ароматическим свойства бензола и его производных также противоречили предложенной формуле. Поэтому Кекуле ввёл (1872) представление об осцилляции (быстром перемещении) двойных связей и устранил формальные различия между двумя орто-положениями. Несмотря на то, что строение бензола по Кекуле находилось в противоречии с данными о его физических и химических свойствах, оно долгое время без всяких изменений принималось подавляющим числом химиков. Т. о., остался ряд вопросов, не разрешимых с точки зрения "классической" теории строения. К этим вопросам относится и своеобразие свойств многих др. соединений с сопряжёнными системами связей. Строение бензола и др. ароматических систем могло быть установлено лишь с появлением физических методов исследования и с развитием квантово-химических представлений о строении органических веществ.
Электронные представления [В. Коссель (1916) и Г. Льюис (1916)] придали физическое содержание понятию химической связи (пара обобщённых электронов); однако в том виде, в каком они были сформулированы, эти представления не смогли отразить тонких переходов от ковалентной к ионной связи и в О. х. оставались в значительной степени формальными. Только с помощью квантово-химического учения было вложено принципиально новое содержание в правильные в основном представления электронной теории.
Представления Льюиса о паре электронов, образующих связь и всегда строго локализованных на этой связи, оказались приближёнными и в большинстве случаев не могли быть приняты.

Современные представления теории строения и значение О. х. Учёт квантовых свойств электрона, представления об электронной плотности и о взаимодействии электронов в сопряжённых системах открыли новые возможности для рассмотрения вопросов о строении, взаимном влиянии атомов в молекуле и о реакционной способности органических соединений (см. Электронные теории в органической химии, Квантовая химия). В насыщенных углеводородах одинарные связи С-С (s-связи) действительно реализуются парой электронов; в симметричных углеводородах электронная плотность в пространстве между соединившимися атомами С-С больше суммы соответствующих электронных плотностей тех же изолированных атомов и симметрично распределена относительно оси, соединяющей центры атомов. Увеличение электронной плотности - результат перекрывания электронных облаков атомов по прямой, соединяющей их центры. В несимметричных парафинах появляется возможность неполной симметрии в распределении электронной плотности; однако эта асимметрия столь незначительна, что дипольные моменты всех парафиновых углеводородов почти не обнаруживаются. То же касается и симметрично построенных непредельных углеводородов (например, этилена, бутадиена), у которых атомы С соединены друг с другом двойной связью (s- и p-связью). Введение в молекулы этих веществ электронодонорной метильной группы вследствие высокой поляризуемости p-связи приводит к смещению электронной плотности к крайнему атому углерода, и пропилен (I) уже имеет дипольный момент 0,35 Д, а 1-метилбутадиен - 0,68 Д. Распределение электронной плотности в этих случаях принято изображать одной из следующих схем: (Знаки d+ и d- показывают возникающие частичные заряды на атомах С) В представления о распределении электронной плотности хорошо укладывается ряд эмпирических правил О. х. Так, из приведённой выше формулы пропилена следует, что при гетеролитическом присоединении к нему галогеноводородов протон должен фиксироваться в месте наибольшей электронной плотности, т. е. у наиболее "гидрогенизированного" атома углерода. Значительно сильнее сказывается введение в молекулы углеводородов атомов или групп, сильно отличающихся по электроотрицательности от атомов углерода или водорода. Например, введение электрофильного заместителя в молекулы углеводородов ведёт к изменению подвижности атомов водорода в связях С-Н, О-Н и др.
Приблизительно со 2-й половины 20 в. О. х. вступила в новую фазу. Многие направления её развивались столь интенсивно, что выросли в большие специализированные разделы, называется по научному или прикладному признаку (стереохимия, химия полимеров, природных веществ, антибиотиков, витаминов, гормонов, металлоорганических соединений, фторорганических соединений, красителей и др.).Успехи теории и развитие физических методов исследования (например, рентгенографии молекул, ультрафиолетовой и инфракрасной спектроскопии, раманспектроскопии, ядерного магнитного резонанса, химически индуцированной динамической поляризации ядер, масс-спектрометрии), а также методов идентификации и разделения различных веществ с помощью хроматографии сделали возможным быстрый структурный анализ сложнейших органических соединений и быстрое решение многих важных проблем. Применение физических методов для исследования кинетики реакций органических веществ позволяет изучать реакции с периодом полупревращения 10-8-10-9 сек. Корреляционные уравнения, основанные на принципе линейности свободной энергии, дают возможность количественной оценки зависимостей между строением и реакционной способностью органических соединений, даже тех, которые обладают физиологическим действием.О. х. оказалась тесно связанной со смежными естественными науками - биохимией, медициной и биологией, применение идей и методов О. х. в этих науках в значительной степени обусловило развитие нового направления - молекулярной биологии.

Методы О. х. наряду с физическими методами исследования сыграли важную роль в установлении строения нуклеиновых кислот, многих белков, сложных природных соединений; с их же помощью были раскрыты механизм и регуляция синтеза белков (см. Генетический код). Чрезвычайно возросли синтетические возможности О. х., которые привели к получению таких сложно построенных природных веществ, как хлорофилл, витамин B12 (Р. Вудворт), полинуклеотиды с определённым чередованием звеньев (А. Тодд, Х. Г. Корана) и др. Огромный успех этих методов - разработка автоматического синтеза многих полипептидов, в том числе и ферментов.

Органи́ческая хи́мия - раздел химии, изучающий соединения углерода, их структуру, свойства, методы синтеза.Органическими называют соединения углерода с другими элементами. Наибольшее количество соединений углерод образует с так называемыми элементами-органогенами: H, N, O, S, P.Способность углерода соединяться с большинством элементов и образовывать молекулы различного состава и строения обусловливает многообразие органических соединений (к концу XX века их число превысило 10 млн, сейчас более 20 млн[источник не указан 229 дней]). Органические соединения играют ключевую роль в существовании живых организмов.

Предмет органической химии включает следующие цели, экспериментальные методы и теоретические представления:

Выделение индивидуальных веществ из растительного, животного или ископаемого сырья

Синтез и очистка соединений

Определение структуры веществ

Изучение механизмов химических реакций

Выявление зависимостей между структурой органических веществ и их свойствами

История

Способы получения различных органических веществ были известны ещё с древности. Египтяне и римляне использовали красители индиго и ализарин, содержащиеся в растительных веществах. Многие народы знали секреты производства спиртных напитков и уксуса из сахар- и крахмалсодержащего сырья.Во времена средневековья к этим знаниям ничего не прибавилось, некоторый прогресс начался только в XVI-XVII в: были получены некоторые вещества, в основном путём перегонки определённых растительных продуктов. В 1769-1785 г. Шееле выделил несколько органических кислот, таких как яблочная, винная, лимонная, галловая, молочная и щавелевая. В 1773 г. Руэль выделил из человеческой мочи мочевину.Выделенные из животного или растительного сырья продукты имели между собой много общего, но отличались от неорганических соединений. Так возник термин «Органическая химия» - раздел химии, изучающий вещества, выделенные из организмов (определение Берцелиуса, 1807 г.). При этом полагали, что эти вещества могут быть получены только в живых организмах благодаря «жизненной силе».Как принято считать, органическая химия как наука появилась в 1828 году когда Фридрих Вёлер впервые получил органическое вещество - мочевину - в результате упаривания водного раствора цианата аммония (NH4OCN).Важным этапом стала разработка теории валентности Купером и Кекуле в 1857 г., а также теории химического строения Бутлеровым в 1861 г. В основу этих теорий были положены четырёхвалентность углерода и его способность к образованию цепей. В 1865 году Кекуле предложил структурную формулу бензола, что стало одним из важнейших открытий в органической химии. В 1875 г. Вант-Гофф и Ле Бель предложили тетраэдрическую модель атома углерода, по которой валентности углерода направлены к вершинам тетраэдра, если атом углерода поместить в центр этого тетраэдра. В 1917 году Льюис предложил рассматривать химическую связь с помощью электронных пар.В 1931 г. Хюккель применил квантовую теорию для объяснения свойств альтернантных ароматических углеродов, чем основал новое направление в органической химии - квантовую химию. В 1933 г. Ингольд провёл изучение кинетики реакции замещения у насыщенного атома углерода, что привело к масштабному изучению кинетики большинства типов органических реакций.Историю органической химии принято излагать в связи с открытиями сделанными в области строения органических соединений, однако такое изложение больше связано с историей химии вообще. Гораздо интереснее рассматривать историю органической химии с позиции материальной базы, т. е. собственно предмета изучения органической химии.На заре органической химии предметом изучения были преимущественно субстанции биологического происхождения. Именно этому факту органическая химия обязана своим названием. Научно-технический прогресс не стоял на месте, и со временем основной материальной базой органической химии стала каменноугольная смола, выделяемая при получении кокса прокаливанием каменного угля. Именно на основе переработки каменноугольной смолы в конце XIX века возник основной органический синтез. В 50-60 годах прошлого века произошёл переход основного органического синтеза на новую базу - нефть. Таким образом появилась новая область химии - нефтехимия. Огромный потенциал, который был заложен в новом сырье вызвал бум в органической химии и химии вообще. Появление и интенсивное развитие такой области как химии полимеров обязана прежде всего новой сырьевой базе.Несмотря на то, что современная органическая химия в качестве материальной базы по прежнему использует сырье биологического происхождения и каменноугольную смолу, объём переработки этих видов химического сырья по сравнению с переработкой нефти мал. Смена материально-сырьевой базы органической химии была вызвана прежде всего возможностями наращивания объёмов производства.

Классификация органических соединений

Правила и особенности классификации:

В основе классификации лежит структура органических соединений. Основа описания структуры - структурная формула. Атомы элементов обозначаются латинскими символами, как они обозначены в периодической таблице химических элементов (таблице Менделеева). Водородные и электронодефицитные связи обозначаются пунктирной линией, ионные связи обозначаются указанием зарядов частиц, входящих в состав молекулы. Поскольку в подавляющее большинство органических молекул входит водород, его обычно не обозначают при изображении структуры. Таким образом, если в структуре у одного из атомов изображена недостаточная валентность, значит, возле этого атома расположен один или несколько атомов водорода.Атомы могут образовывать циклические и ароматические системы.

Основные классы органических соединений

Углеводороды - химические соединения, состоящие только из атомов углерода и водорода. В зависимости от топологии строения углеродного скелета углеводороды подразделяют на ациклические и карбоциклические. В зависимости от кратности углерод-углеродных связей углеводороды подразделяют на предельные (алка́ны или насыщенные), не содержащие кратные связи в своей структуре и непредельные или ненасыщенные - имеют в своём составе хотя бы одну двойную и/или тройную связь (алкены, алкины, диены). В свою очередь циклические углеводороды разделяют на алициклические (с открытой цепью) и циклоалканы (предельные с замкнутой цепью), ароматические углеводороды (непредельные, содержащие цикл). Ациклические (с открытой цепью)Карбоциклические (с замкнутой цепью)

предельныенепредельныепредельныенепредельные

с одинарной связьюс двойной связьюс тройной связьюс двумя двойными связямис одинарной связьюс бензольным кольцом

ряд метана (алканы)ряд этилена (алкены)ряд ацетилена (алкины)ряд диеновых углеводородовряд полиметиленов (нафтены)ряд бензола (ароматические углеводороды, или арены).Соединения с гетероатомами в функциональных группах - соединения, в которых углеродный радикал R связан с функциональной группой. По характеру функциональных групп делятся на:

Спирты, фенолы. Спирты́ (устар. алкого́ли, англ. alcohols; от лат. spiritus - дух) - органические соединения, содержащие одну или более гидроксильных групп (гидроксил, −OH), непосредственно связанных с насыщенным (находящемся в состоянии sp³ гибридизации) атомом углерода. Спирты можно рассматривать как производные воды (H−O−H), в которых один атом водорода замещен на органическую функциональную группу: R−O−H. В номенклатуре IUPAC для соединений, в которых гидроксильная группа связана с ненасыщенным (находящемся в состоянии sp2 гибридизации атомом углерода, рекомендуются названия «енолы» (гидроксил связан с винильной C=C связью) и «фенолы» (гидроксил связан с бензольным или другим ароматическим циклом).

Простые эфиры (этеры) - органические вещества, имеющие формулу R-O-R1, где R и R1 - углеводородные радикалы. Необходимо учитывать, что такая группа может входить в состав других функциональных групп соединений, не являющихся простыми эфирами (например, Кислородсодержащие органические соединения).

Сложные эфиры (эстеры) - производные оксокислот (как карбоновых так и минеральных) RkE(=O)l(OH)m, (l ≠ 0), формально являющиеся продуктами замещения атомов водорода гидроксилов -OH кислотной функции на углеводородный остаток (алифатический, алкенильный, ароматический или гетероароматический); рассматриваются также как ацилпроизводные спиртов. В номенклатуре IUPAC к сложным эфирам относят также ацилпроизводные халькогенидных аналогов спиртов (тиолов, селенолов и теллуролов). Отличаются от простых эфиров, в которых два углеводородных радикала соединены атомом кислорода (R1-O-R2).

Соединения, содержащие карбонильную группу

Альдегиды (от лат. alcohol dehydrogenatum - спирт, лишённый водорода) - класс органических соединений, содержащих карбонильную группу (С=О) с одним алкильным или арильным заместителем.

Кетоны - это органические вещества, в молекулах которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами. Общая формула кетонов: R1–CO–R2. Наличие в кетонах именно двух атомов углерода, непосредственно связанных с карбонильной группой, отличает их от карбоновых кислот и их производных, а также альдегидов.

Хиноны - полностью сопряжённые циклогексадиеноны и их аннелированные аналоги. Существуют два класса хинонов: пара-хиноны с пара - расположением карбонильных групп (1,4-хиноны) и орто-хиноны с орто-расположением карбонильных групп (1,2-хиноны). Благодаря способности к обратимому восстановлению до двухатомных фенолов некоторые производные пара-хинонов участвует в процессах биологического окисления в качестве коферментов ряда оксидоредуктаз.

Соединения, содержащие карбоксильную группу (Карбоновые кислоты, сложные эфиры)

Металлоорганические соединения

Гетероциклические - содержат гетероатомы в составе кольца. Различаются по числу атомов в цикле, по виду гетероатома, по количеству гетероатомов в цикле.

Органического происхождения - как правило соединения очень сложной структуры, зачастую принадлежат сразу к нескольким классам органических веществ, часто полимеры. Из-за этого их сложно классифицировать и их выделяют в отдельный класс веществ.

Полимеры - вещества очень большой молекулярной массы, которые состоят из периодически повторяющихся фрагментов - мономерных звеньев.

Строение органических молекул

Органические молекулы в основном образованы ковалентными неполярными связями C-C, или ковалентными полярными типа C-O, C-N, C-Hal. Согласно октетной теории Льюиса и Косселя молекула является устойчивой, если внешние орбитали всех атомов полностью заполнены. Для таких элементов как C, N, O, Галогены необходимо 8 электронов, чтобы заполнить внешние валентные орбитали, для водорода необходимо только 2 электрона. Полярность объясняется смещением электронной плотности в сторону более электроотрицательного атома.

Классическая теория валентных связей не в состоянии объяснить все типы связей, существующие в органических соединениях, поэтому современная теория использует методы молекулярных орбиталей и квантовохимические методы.

Строение органического вещества

Свойства органических веществ определяются не только строением их молекул, но и числом и характером их взаимодействий с соседними молекулами, а также взаимным пространственным расположением. Наиболее ярко эти факторы проявляются в различии свойств веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях. Так, вещества, легко взаимодействующие в виде газа, могут совершенно не реагировать в твёрдом состоянии, или приводить к другим продуктам.

В твёрдых органических веществах, в которых наиболее ярко проявляются эти факторы, различают органические кристаллы и аморфные тела. Их описанием занимается наука "химия органического твёрдого тела", основание которой связывают с именем советского физика-кристаллографа А. И. Китайгородского. Примеры полезных органических твёрдых тел - органические люминофоры, разнообразные полимеры, сенсоры, катализаторы, электропроводники, магниты и др.

Особенности органических реакций

В неорганических реакциях обычно участвуют ионы, они проходят быстро и до конца при комнатной температуре. В органических реакциях часто происходят разрывы ковалентных связей с образованием новых. Как правило, эти процессы требуют особых условий: определённой температуры, времени реакции, и часто наличия катализатора. Обычно протекает не одна, а сразу несколько реакций, поэтому выход целевого вещества зачастую не превышает 50 %. Поэтому при изображении органических реакций используют не уравнения, а схемы без расчёта стехиометрии.

Реакции могут протекать очень сложным образом и в несколько стадий, не обязательно так, как реакция условно изображена на схеме. В качестве промежуточных соединений могут возникать карбкатионы R+, карбанионы R−, радикалы R·, карбены CX2, катион-радикалы, анион-радикалы, и другие активные или нестабильные частицы, обычно живущие доли секунды. Подробное описание всех превращений, происходящих на молекулярном уровне во время реакции, называется механизмом реакции.Реакции классифицируются в зависимости от способов разрыва и образования связей, способов возбуждения реакции, её молекулярности.

Определение структуры органических соединений

За все время существования органической химии как науки важной задачей было определить структуру органических соединений. Это значит узнать, какие атомы входят в состав соединения, в каком порядке эти атомы связаны между собой и как расположены в пространстве.

Существует несколько методов решения этих задач.

Элементный анализ. Заключается в том, что вещество разлагается на более простые молекулы, по количеству которых можно определить количество атомов, входящее в состав соединения. С помощью этого метода невозможно установить порядок связей между атомами. Часто используется лишь для подтверждения предположенной структуры.

Инфракрасная спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния (ИК-спектроскопия и КР-спектроскопия). Вещество взаимодействует с электромагнитным излучением (светом) инфракрасного диапазона (в ИК-спектроскопии наблюдают поглощение, в КР-спектроскопии - рассеяние излучения). Этот свет при поглощении возбуждает колебательные и вращательные уровни молекул. Опорными данными являются число, частота и интенсивность колебаний молекулы, связанных с изменением дипольного момента (ИК-спектроскопия) или поляризуемости (КР-спектроскопия). Методы позволяют установить наличие определённых функциональных групп в молекуле. Часто используются и для того чтобы подтвердить идентичность исследуемого вещества с некоторым уже известным веществом путём сравнения спектров.

Масс-спектроскопия. Вещество при определённых условиях (электронный удар, химическая ионизация и др.) превращают в ионы без потери атомов (молекулярные ионы) и с потерей (осколочные). Позволяет определить молекулярный вес и иногда позволяет установить наличие различных функциональных групп.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Основан на взаимодействии ядер, обладающих собственным магнитным моментом (спином) и помещённых во внешнее постоянное магнитное поле, с электромагнитным излучением радиочастотного диапазона. Один из главных методов, который может быть использован для определения химической структуры. Метод используют также для изучения пространственного строения молекул, динамики молекул. В зависимости от ядер, взаимодействующих с излучением различают, например:Метод протонного магнитного резонанса (ПМР). Позволяет определить положение атомов водорода 1H в молекуле.Метод ЯМР 19F. Позволяет определить наличие и положение атомов фтора в молекуле.Метод ЯМР 31P. Позволяет определить наличие, положение и валентное состояние атомов фосфора в молекуле.Метод ЯМР 13С. Позволяет определить число и типы атомов углерода в молекуле. Используется для исследования формы углеродного скелета молекулы.

В отличие от первых трёх в последнем методе используется неосновной изотоп элемента, поскольку ядро основного изотопа углерода - 12С имеет нулевой спин и не может наблюдаться методом ядерного магнитного резонанса, так же как и ядро 16O - единственного природного изотопа кислорода.Метод ультрафиолетовой спектроскопии (УФ-спектроскопия) или Спектроскопия электронных переходов. Метод основан на поглощении электромагнитного излучения ультрафиолетовой и видимой области спектра при переходе электронов в молекуле с верхних заполненных уровней на вакантные уровни (возбуждение молекулы). Чаще всего используется для определения наличия и характеристик коньюгированных π-систем.Методы аналитической химии. Позволяют определить наличие некоторых функциональных групп по специфическим химическим реакциям, факт протекания которых можно фиксировать визуально или с помощью других методов.

Описанных выше методов, как правило, полностью хватает для определения структуры неизвестного вещества.