Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова 2 страница

То, что при нагревании из каучука можно получить молекулы изопрена долгое время объясняли с помощью теории К. Харриеса, который считал, что каучук состоит из множества колец-звеньев изопрена, которые составляют устойчивую мицеллу, т.е. он представляет собой обычную коллоидную частицу. Оппонентом К. Харриеса выступал Г. Штаудингер, доказавший, что каучук является высокомолекулярным соединением, т.е. состоит из обычных, хотя и гигантских молекул, атомы в которых связаны ковалентными связями. На основании своих исследований каучука и резины он выдвинул теорию цепного строения макромолекул, предположил существование разветвленных макромолекул и трехмерной полимерной сетки.

Для получения натурального каучука млечный сок гевеи (латекс) добывают методом подсечки, надрезая кору дерева. Натуральный латекс, представляющий собой водную эмульсию каучука, содержит 34-37% каучука, 52-60% воды, а также белки, смолы углеводы и минеральные вещества. Из латекса каучук коагулируют органическими кислотами, промывают водой и прокатывают в листы, которые сушат и коптят дымом. Копчение предохраняет каучук от окисления и действия микроорганизмов.

В натуральном каучуке содержится 91-96% углеводорода полиизопрена (C₅H₈)n, а также белки и аминокислоты, жирные кислоты, каротин, небольшие количества солей меди, марганца, железа и др. примеси. Полиизопрен натурального каучука является стереорегулярным полимером.

Практически все звенья изопрена 98-100% в макромолекуле присоединены в цис-1,4-положении: Молекула натурального каучука может содержать 20-40 тыс. элементарных звеньев, его молекулярная масса составляет от 1 400 000-2 600 000, он нерастворим в воде, зато хорошо растворяется в большинстве органических растворителей. Интересно, что существует природный геометрический изомер каучука - гуттаперча, представляющая собой транс-1,4-полиизопрен: Различия в пространственном расположении заместителей у каучука и гуттаперчи приводят к тому, что и форма макромолекул этих веществ тоже различна. Молекулы каучука закручены в клубки.Если ленту из каучука растягивать, деформировать, то молекулярные клубки будут выпрямляться в направлении прилагаемой сил, и лента будет удлиняться.

При нагревании каучук из эластичного состояния переходит в вязкотекучее. Силы взаимодействия между молекулами ослабевают, полимер не сохраняет форму и напоминает очень вязкую жидкость. При охлаждении каучук из эластичного переходит в стеклообразное состояние, становится похож на твердое тело. Такой полимер легко и обратимо не растягивается при приложении нагрузки. Он сразу рвется, если нагрузка слишком велика. Полимеры в стеклообразном состоянии могут быть хрупкими, их можно сломать или даже разбить, например, морозной зимой может растрескаться сумка из кожзаменителя, т.к. при низких температурах он переходит в стеклообразное состояние).

Что же происходит с каучуком при вулканизации? Когда каучук нагревают с серой, макромолекулы каучука «сшиваются» друг с другом серными мостиками. Из отдельных макромолекул каучука образуется единая трехмерная пространственная сетка. Изделие из такого материала (резины) прочнее, чем из каучука, и сохраняет свою эластичность в более широком интервале температур. Сейчас известно много вулканизирующих агентов, однако при производстве резины по-прежнему широко используют серу. В качестве ускорителей вулканизации применяют 2-меркаптобензтиазол и некоторые его производные. Возможна и радиационная вулканизация и вулканизация с помощью органических пероксидов. Вулканизации обычно подвергают смесь каучука с различными добавками, придающими резине необходимые свойства, и наполнителями, снижающими стоимость резины (сажа, мел).

43) Алкины — алифатические непредельные углеводороды, в молекулах которых между углеродными атомами имеется одна тройная связь.

Углеводороды ряда ацетилена являются еще более непредельными соединениями, чем соответствующие им алкены (с тем же числом углеродных атомов). Это видно из сравнения числа атомов водорода в ряду:

С₂Н₆ C₂H₄ С₂H₂

этан этилен ацетилен

(этен) (этин)

Алкины образуют свой гомологический ряд с общей формулой, как и у диеновых углеводородов С_nH_2n-2

Тройная связь является комбинацией из одной σ- и двух π-связей, образуемых двумя sp-гибридизованными атомами (часть I, раздел 4.3.3).

σ-Связь возникает при осевом перекрывании sp-гибридных орбиталей соседних атомов углерода; одна из π-связей образуется при боковом перекрывании рy-орбиталей, другая – при боковом перекрывании рz-орбиталей. Образование связей на примере молекулы ацетилена H–C≡C–H можно изобразить в виде схемы:

C≡C σ-связь (перекрывание 2sp-2sp);

π-связь (2рy-2рy);

π-связь (2рz-2рz);

С–Н σ-связь (перекрывание 2sp-АО углерода и 1s-АО водорода).

π-Cвязи располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях:

σ-Cвязи, образуемые sp–гибридными орбиталями углерода, располагаются на одной прямой (под углом 180° друг к другу). Поэтому молекула ацетилена имеет линейное строение:

43) Ацетилен - при нормальных условиях — бесцветный газ, запах которого напоминает запах чеснока, малорастворим в воде, легче воздуха. Чистый ацетилен при охлаждении сжижается при -83,8°С, а при дальнейшем понижении температуры быстро затвердевает. Он умеренно растворим в воде (1150 мл в 1 л воды при 15°С и атмосферном давлении) и хорошо в органических растворителях, особенно в ацетоне (25 л в 1 л ацетона при тех же условиях и 300 л под давлением 12 атм). Термодинамически ацетилен неустойчив: он взрывается при нагревании до 500° С, а при обычной температуре - при повышении давления до 2 атм. Поэтому его хранят в баллонах, наполненных пористым инертным материалом, который пропитан ацетоном.

Методы получения

Основным промышленным способом получения ацетилена является электро- или термокрекинг метана, пиролиз природного газа и карбидный метод.

[править]

Карбидный метод (промышленный способ)

Прокаливанием в электрических печах смеси оксида кальция с коксом при 1800—2000°С получают карбид кальция:

При действии на полученный карбид воды образуется гидроксид кальция и ацетилен:

Пиролиз углеводородов (промышленный способ)

Суть способа заключается в пропускании над специальной огнеупорной насадкой смеси природного газа с воздухом, который сгорая поднимает температуру до 1500 °C. Затем на насадке происходит пиролиз метана

Применение

Ацетилен используют для так называемой автогенной сварки и резки металлов. Для этого нужны два баллона с газами — с кислородом и с ацетиленом. Газы из баллонов поступают в специальную горелку. При сгорании ацетилена в кислороде получается очень горячее пламя; максимальная его температура (3200° С) достигается при содержании ацетилена 45% по объему. В таком пламени очень быстро расплавляются даже толстые куски стали.

Как источник очень яркого, белого света в автономных светильниках, где он получается реакцией карбида кальция и воды (карбидка).

Ацетилен может служить исходным продуктом для синтеза многих более сложных органических соединений. Эта область применения ацетилена в настоящее время является самой обширной. Ацетилен - реакционноспособное соединение, вступающее в многочисленные реакции. Химия ацетилена богата. Из него можно получить сотни разнообразных соединений.

Он используется в производстве взрывчатых веществ (ацетилениды), для получения уксусной кислоты, этилового спирта, растворителей, пластических масс, каучука, ароматических углеводородов.

Химические свойства

44) Бензол С₆Н₆ – родоначальник ароматических углеводородов.

Каждый из шести атомов углерода в его молекуле находится в состоянии sp²-гибридизации (часть I, раздел 4.3.2) и связан с двумя соседними атомами углерода и атомом водорода тремя σ-связями. Валентные углы между каждой парой π-связей равны 120°. Таким образом, скелет σ-связей представляет собой правильный шестиугольник, в котором все атомы углерода и все σ-связи С–С и С–Н лежат в одной плоскости:

р-Электроны всех атомов углерода взаимодействуют между собой путем бокового перекрывания соседних 2р-АО, расположенных перпендикулярно плоскости σ-скелета бензольного кольца. Они образуют единое циклическое π-электронное облако, сосредоточенное над и под плоскостью кольца.

Все связи С–С в бензоле равноценны, их длина равна 0,140 нм, что соответствует промежуточному значению между длиной простой связи (0,154 нм) и двойной (0,134 нм). Это означает, что в молекуле бензола между углеродными атомами нет чисто простых и двойных связей (как в формуле, предложенной в 1865 г. немецким химиком Ф.Кекуле), а все они выровнены (делокализованы, см. анимацию). Поэтому структурную формулу бензола изображают в виде правильного шестиугольника (σ-скелет) и кружка внутри него, обозначающего делокализованные π-связи:

Формула Кекуле также нередко используется, но при этом учитывается, что она лишь условно передает строение молекулы.

1.Горение бензола:

2С₆Н₆ + 15О₂ → 12СО₂ + 6Н₂О

2. Реакция замещения:

С₆Н₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr

3. Нитрование:

С₆Н₆ + НОNО₂ → С₆Н₅NО₂ + Н₂О

4. Гидрирование:

С₆Н₆ + 3Н₂ → С₆Н₁₂

5. Хлорирование:

С₆Н₆ + 3 Cl₂ → C₆H₆Cl₆

u Бензол получают из каменноугольной смолы, образующейся при коксовании угля.

u В настоящее время бензол получают из нефти.

u Бензол получают синтетическими методами.

u С₆Н₁₄ à С₆Н₆ + Н₂

u С₆Н₁₂ à С₆Н₆ + 3Н₂

u 3С₂Н₂à С₆Н₆

Применение

Бензол входит в десятку важнейших веществ химической промышленности. Большую часть получаемого бензола используют для синтеза других продуктов:

около 50 % бензола превращают в этилбензол (алкилирование бензола этиленом);

около 25 % бензола превращают в кумол (алкилирование бензола пропиленом);

приблизительно 10—15 % бензола гидрируют в циклогексан;

около 10 % бензола расходуется на производство нитробензола;

2—3 % бензола превращают в линейные алкилбензолы;

приблизительно 1 % бензола используется для синтеза хлорбензола.

В существенно меньших количествах бензол используется для синтеза некоторых других соединений. Изредка и в крайних случаях, ввиду высокой токсичности, бензол используется в качестве растворителя. Кроме того, бензол входит в состав бензина. Ввиду высокой токсичности его содержание новыми стандартами ограничено введением до 1 %.

45) Генетические связи между веществами следует понимать как генетическое родство веществ на основании их строения и свойств, показывающее единство и взаимосвязь всех органических соединений. Генетические связи отражают диалектику природы, показывают как шел процесс усложнения, развития веществ, их состава, строения, появления образований, способных к зарождению жизни (мировозренческий аспект, обсуждаемой проблемы).

В практическом плане генетические связи показывают, из каких веществ и какими способами можно получить нужные вещества. Каждый переход – это одновременно и выражение химических свойств вещества и возможных путей его практического использования.

CH₄ → C₂H₂ → C₆H₆

1) 2CH₄ ^t→ C₂H₂ + 3H₂

2) 3C₂H₂ → C₆H₆

46) Спиртами называются соединения, содержащие одну или несколько гидроксильных групп (–ОН), связанных с углеводородным радикалом. В зависимости от числа гидроксильных групп спирты делят на одно-, двух- и трёхатомные.

В зависимости от того, при каком углеродном атоме находится гидроксильная группа, различают спирты:

А) первичные R–CH2–OH,

Б) вторичные

R

I

CH–OH,

I

R’

В) и третичные

R

I

R’– C–OH.

I

R’’

Физические свойства

Низшие спирты (до С12) – жидкости, температуры кипения которых значительно выше, чем у соответствующих алканов из-за образования водородных связей за счёт полярной связи О–Н

……..:O–H …..:O–H ……

I I

R R

Метанол и этанол смешиваются с водой в любых соотношениях; с увеличением молекулярной массы растворимость спиртов в воде уменьшается. Спирты – производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильные группы -ОН.

Общая формула предельных одноатомных спиртов

Для одноатомных спиртов характерны следующие виды изомерии:

1. структурная изомерия;

2. изомерия положения функциональной группы;

3. межклассовая изомерия

Название одноатомным спиртам по заместительной номенклатуре IUPAC даётся в общепринятом режиме: - корень названия определяется в зависимости от количества атомов углерода в родоначальной структуре;

-первый суффикс - в зависимости от предельности или непредельности связей в родоначальной структуре;

- второй суффикс - ОЛ;

- начиная с третьего члена гомологического ряда одноатомных спиртов, необходими указывать положение функциональной группы.

1 метанол

2 этанол

3 пропанол -1

4 пропанол -2

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПИРТОВ.

I.Реакции, идущие с участием атома водорода гидроксильной группы

1.Взаимодействие со щелочными металлами

C₂H₅OH+2Na→ C₂H₅ONa+H₂

2.Взаимодействие с карбоновыми кислотами

II.Реакции, идущие с участием гидроксильной группы

1.Взаимодействие с галогеноводородами

C₂H₅OH+HBr→ C₂H₅Br+HOH

2.Отщепление воды

C₂H₅OH→ CH₂=CH₂+H₂0

3.Межмолекулярная дегидратация

C₂H₅OH+HOC₂H₅ → (C₂H₅)₂O+H₂O

Образуется диэтиловый эфир

III.Реакции окисления

1.Отщепление водорода (дегидрирование)

2.Окисление спиртов сильными окислителями [например KMnO₄+H₂SO₄]

При окислении вторичных спиртов образуются кетоны

3.Реакции горения спиртов

C₂H₅OH+3O₂=2CO₂+3H₂O

В органической химии метанол используется в качестве растворителя.

Применение

Метанол используется в газовой промышленности для борьбы с образованием гидратов (из-за низкой температуры замерзания и хорошей растворимости). В органическом синтезе метанол применяют для выпуска формальдегида и формалина, уксусной кислоты, ряда эфиров (например, МТБЭ и ДМЭ), изопрена и др.

Наибольшее его количество идёт на производство формальдегида, который используется для производства фенолформальдегидных смол. Значительные количества CH3OH используют в лакокрасочной промышленности для изготовления растворителей при производстве лаков. Кроме того, его применяют (ограниченно из-за гигроскопичности и отслаивания) как добавку к жидкому топливу для двигателей внутреннего сгорания. Используется в топливных элементах.

Служит сырьём для получения многих химических веществ, таких, как ацетальдегид, диэтиловый эфир, тетраэтилсвинец, уксусная кислота, хлороформ, этилацетат, этилен и др.;

Широко применяется как растворитель (в лакокрасочной промышленности, в производстве товаров бытовой химии и многих других областях);

Является компонентом антифриза и стеклоомывателей.

В бытовой химии этанол применяется в чистящих и моющих средствах, в особенности для ухода за стеклом и сантехникой. Является растворителем для репеллентов.

Медицина

В медицине этиловый спирт в первую очередь используется как растворитель, экстрагент и антисептик

по своему действию этиловый спирт можно отнести к антисептикам;

как обеззараживающее и подсушивающее средство, наружно;

подсушивающие и дубящие свойства 96%-го этилового спирта используются для обработки операционного поля или в некоторых методиках обработки рук хирурга;

растворитель для лекарственных средств, для приготовления настоек, экстрактов из растительного сырья и др.;

консервант настоек и экстрактов (минимальная концентрация 18 %);

пеногаситель при подаче кислорода, искусственной вентиляции легких;

в согревающих компрессах;

для физического охлаждения при лихорадке (для растирания)

компонент общей анестезии в ситуации дефицита медикаментозных средств

Как пеногаситель при отеке легких в виде ингаляции 33 % раствора.

Этанол является противоядием при отравлении некоторыми токсичными спиртами, такими как метанол и этиленгликоль. Его действие обусловлено тем, что фермент алкогольдегидрогеназа, при наличии нескольких субстратов (например, метанол и этанол) осуществляет лишь конкурентное окисление, благодаря чему после своевременного (почти немедленного, вслед за метанолом/этиленгликолем) приёма этанола уменьшается текущая концентрация токсичных метаболитов (для метанола — формальдегида и муравьиной кислоты, для этиленгликоля — щавелевой кислоты)

Дата добавления: 2015-04-24