Шпаргалка по "Химии"

 

1. Органические  вещества

органические соединения - класс соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов).  
К настоящему времени число известных орг. соед. превышает 10 млн. и увеличивается каждый год на 250-300 тыс. Многообразие орг. соед. определяется уникальной способностью атомов С соединяться друг с другом простыми и кратными связями, образовывать соед. с практически неогранич. числом атомов, связанных в цепи, циклы, бициклы, трициклы, полициклы, каркасы и др., образовывать прочные связи почти со всеми элементами периодич. системы, а также явлением изомерии-существованием разных по св-вам в-в, обладающих одним и тем же составом и мол. массой.

2. Сырьевые   источники   органических   веществ :

 нефть, природный  газ, попутные нефтяные газы, каменный  и бурый угли, горючие сланцы, торф, древесина и сельскохозяйственные  растения.

3. Строение алканов CnH2n+2.

Химическое строение (порядок соединения атомов в молекулах) простейших алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы. Из этих формул видно, что в алканах имеются два типа химических связей:  С–С и С–Н. Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н - ковалентная слабополярная.

Алканы являются насыщенными углеводородами и содержат максимально возможное число атомов водорода. Каждый атом углерода в молекулах алканов находится в состоянии sp3-гибридизации — все 4 гибридные орбитали атома С равны по форме и энергии, 4 электронных облака направлены в вершины тетраэдра под углами 109°28'. За счёт одинарных связей между атомами С возможно свободное вращение вокруг углеродной связи. Тип углеродной связи — σ-связи, связи малополярны и плохо поляризуемы. Длина углеродной связи — 0,154 нм.

Простейшим представителем класса является метан (CH4).

4. Получение  алканов

1) Получение из ненасыщенных углеводородов. Взаимодействие алкенов или алкинов с водородом ("гидрирование") происходит в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pd) при нагревании:

                                         tº. Ni 

СН3-СН=СН2 + Н2     →  СН3-СН2-СН3,

         СНз-C≡СН + 2Н2  → СН3-СН2-СН3.

2) Получение из галогенпротводных. При нагревании моногалогензамещенных алканов с металлическим натрием получают алканы с удвоенным числом атомов углерода (реакция Вюрца):

С2Н5Br + 2Na + Br-C2H5 → C2H5-C2H5 + 2NaBr.

3) Получение из солей карбоновых кислот. При сплавлении безводных солей карбоновых кислот с щелочами получаются алканы, содержащие на один атом углерода меньше по сравнению с углеродной цепью исходных карбоновых кислот: t° 

CH3COONa + NaOH → СН4↑ + Na2CO3.

4) Получение метана. В электрической дуге, горящей в атмосфере водорода, образуется значительное количество метана: С + 2Н2 → СН4.

Такая же реакция  идет при нагревании углерода в атмосфере  водорода до 400-500 °С при повышенном давлении в присутствии катализатора.

В лабораторных условиях метан часто получают из карбида  алюминия:

Аl4С3 + 12Н2О = ЗСН4↑ + 4Аl(ОН)3.

Применение. Насыщенные углеводороды применяют гл. обр. в составе моторных и реактивных топлив, как сырье для хим. и нефтехим. пром-сти; жидкие насыщенные углеводороды и хлорпроизводные метана и этана используют в качестве р-рителей, твердые (парафин, церезин)-в произ-ве пластмасс, каучуков, синтетич. волокон, моющих средств, а также в пищ. пром-сти, электро- и радиотехнике.

5. Химические свойства алканов

1. Галогенирование.  При взаимодействии алканов с галогенами (хлором и бромом) под действием УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамещенных алканов. Общая схема этой реакции показана на примере метана:

                Сl2               Сl2  Сl2    Сl2  

 СН4 → СН3Сl  →  СН2Сl2  →  СНСl3 →  ССl4  (*)

      -HCl    -HCl   -НСl   -HCl   

Реакция образования  хлорметана протекает по цепному  механизму, который характеризуется  следующими стадиями:

Hv

 Сl2  →  2Сl·

Cl·+ СН4→НСl + СН3·

СН3· + Сl2→СН3Сl + Сl·

Cl· + Cl· → Сl2, СН3· + СН3· → С2Н6, СН3· + Cl· → СН3Сl·

      hv 

СН4 + Сl2  →  СН3Сl + НСl.

2. Нитрование (реакция  Коновалова). При действии разбавленной  азотной кислоты на алканы при 140°С и небольшом давлении протекает радикальная реакция:

                                            t ° 

CH3-CH3 + HNO3  →  CH3-CH2-NO2 + H2O.

3. Изомеризация.  Нормальные алканы при определенных условиях могут превращаться в алканы с разветвленной цепью:

4. Крекинг — это  гемолитический разрыв связей  С-С, который протекает при нагревании и под действием катализаторов.

При крекинге высших алканов образуются алкены и низшие алканы, при крекинге метана и этана образуются ацетилен: 

C8H18 → C4H10 + С4Н8, 

2СН4 → С2Н2 + ЗН2, 

С2Н6 → С2Н2 + 2Н2.

5. Окисление. При  мягком окислении метана кислородом  воздуха в присутствии различных  катализаторов могут быть получены метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота: 

Мягкое каталитическое окисление бутана кислородом воздуха - один из промышленных способов получения  уксусной кислоты:

                               t°

    2C4H 10 + 5O2 →  4CH3COOH + 2Н2О .

          кат

На воздухе алканы сгорают до СО2 и Н2О:

СnН2n+2 + (Зn+1)/2О2 = nСО2 + (n+1)Н2О.

6. Механизмы органических реакций.

Радикальные реакции  — это процессы, идущие с гемолитическим разрывом ковалентной связи. При  гемолитическом разрыве пара электронов, образующая связь, делится таким  образом, что каждая из образующихся частиц получает по одному электрону. В результате гемолитического разрыва  образуются свободные радикалы: X:Y → X.+.Y

Нейтральный атом или  частица с неспаренным электроном называется свободным радикалом.

Ионные реакции  — это процессы, идущие с гетеролитическим разрывом ковалентных связей, когда оба электрона связи остаются с одной из ранее связанных частиц. X:Y → X+ + :Y-

В результате гетеролитического разрыва связи получаются заряженные частицы: нуклеофильная и электрофильная.

Нуклеофильная частица (нуклеофил) — это частица, имеющая пару электронов на внешнем электронном уровне. За счет пары электронов нуклеофил способен образовывать новую ковалентную связь.

Электрофильная частица (электрофил) - это частица, имеющая свободную орбиталь на внешнем электронном уровне. Электрофил представляет незаполненные, вакантные орбитали для образования ковалентной связи за счет электронов той частицы, с которой он взаимодействует.

Частица с положительным  зарядом на атоме углерода называется карбокатионом. 

Кроме того, в органической химии реакции часто классифицируются так же, как и в неорганической химии — по структурному признаку. В органической химии все структурные  изменения рассматриваются относительно атома (или атомов) углерода, уча­ствующих в реакции. Наиболее часто встречаются следующие типы превращений:

1) присоединение  R-CH=CH2 + XY→ RCHX-CH2Y;

2) замещение R-CH2X + Y→ R-CH2Y + X;

3) отщепление R-CHX-CH2Y→  R-CH=CH2 + XY;

4) полимеризация  n(СН2=СН2) → (—CH2—СН2—)n

Окисление — реакция, при которой под действием  окисляющего реагента вещество соединяется  с кислородом (либо другим электроотрицательным элементом, например, галогеном) или  теряет водород (в виде воды или молекулярного  водорода).

Действие окисляющего  реагента (окисление) обозначается в  схеме реакции символом [О], а действие восстанавливающего реагента (восстановление) — символом [Н]. [O] 

CH3CHO  → CH3COOH

      [O] 

CH3OH  → CH2O + H2

      кат 

CH3OH  → CH2O + H2

Отщепление водорода в последнем примере называется дегидрированием и проводится с  помощью катализатора.

Восстановление - реакция, обратная окислению. Под действием  восстанавливающего реагента соединение принимает атомы водорода или  теряет атомы кислорода: [H] 

CH3COCH3   → CH3CH(OH)CH3

Гидрирование - реакция, представляющая собой частный случай восстановления. Водород присоединяется к кратной связи или ароматическому ядру в присутствии катализатора.

Конденсация — реакция, при которой происходит рост цепи. Сначала происходит присоединение, за которым обычно следует элиминирование.

7. Алке́ны  CnH2n.

 Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp² гибридизации, и имеют валентный угол 120°. Простейшим алкеном является этен (C2H4). Углеводородные радикалы, образованные от алкенов имеют суффикс «-енил». Тривиальные названия: CH2=CH— «винил», CH2=CH—CH2— «аллил».

Алкены могут существовать в виде пространственных или геометрических изомеров. Различают:

цис- изомеры: заместители расположены по одну сторону от двойной связи;

транс- изомеры: заместители расположены по разные стороны от двойной связи.

8. Методы получения алкенов

1. Основным   промышленным   источником   алкенов  служит крекинг алканов, входящих в состав нефти: t 

С8Н18 → С4Н10 + С4Н8

2. Другой промышленный  способ получения алкенов -    дегидрирование алканов: t, Cr2O3 

СН3-СН2-СН3 → СН3-СН=СН2 + Н2

3. В лабораторных  условиях алкены получают по реакциям отщепления (элиминирования), при которых от соседних атомов углерода отщепляются два атома или две группы атомов, и образуется дополнительная p-связь.  К таким реакциям относятся следующие.

1) Дегидратация спиртов  происходит при их нагревании  с водоотнимающими средствами, например с серной кислотой при температуре выше 150 °С: 

                       H2SO4  

СН3-СН2-ОН → СН2=СН2 + Н2О

2) Отщепление галогеноводородов  проводят  при действии спиртовых растворов щелочей на моноалкилгалогениды: С2Н6ОН 

СН3-СН2-СНВr-СН3 + КОН → СН3-СН=СН-СН3 + КВr + Н2О

3) Дегалогенирование происходит при нагревании дигалогенидов, имеющих атомы галогена у соседних атомов углерода, с активными металлами:

CH2Br-CHBr-CH3 + Mg → СН2=СН-СН3 + MgВr2.

Низшие алкены — важные исходные вещества для промышленного органического синтеза. Из этилена получают этиловый спирт, полиэтилен, полистирол. Пропен используют для синтеза полипропилена, фенола, ацетона, глицерина.

9. Химические свойства алкенов

1) Гидрогалогенирование. При взаимодействии алкенов с галогеноводородами (HCl, НВr) образуются алкилгалогениды:

СН3-СН=СН2 + НВr => СН3-СНВr-СН3. Продукты реакции определяются правилом Марковникова.

Следует, однако, подчеркнуть, что в присутствии какого-либо органического пероксида полярные молекулы НХ реагируют с алкенами не по правилу Марковникова: R-O-O-R  

СН3-СН=СН2 + НВr → СН3-СН2-СН2Вr (  эффект Хараша)

2) Гидратация. При  взаимодействии алкенов с водой в присутствии минеральных кислот (серной, фосфорной) образуются спирты. Минеральные кислоты выполняют роль катализаторов и являются   источниками   протонов.   Присоединение   воды   также идет по правилу Марковникова:

СН3-СН=СН2 + НОН ®  СН3-СН(ОН)-СН3.

3) Галогенирование.  Алкены обесцвечивают бромную воду: СН2=СН2 + Вr2 ® ВrСН2-СН2Вr. 

4) Гидрирование.  Присоединение водорода  происходит  под действием металлических  катализаторов: 

                                     t, Ni  

СН3-СН=СН2 + Н2 → СН3-СН2-СН3

5) Полимеризация  алкенов и их производных в присутствии кислот протекает по механизму АE: Н* 

nCH2=CHR → (-CH2-CHR-)n