Органическая химия Курс лекций для учащихся Лицея НГТУ

Органическая химия Курс лекций для учащихся Лицея НГТУ Афонина Любовь Игоревна канд. хим. наук, научный сотрудник ИХТТМ СО РАН, доцент кафедры химии НГТУ 2/1/2018

Физические свойства алканов Алканы – неполярные соединения n Практически не растворимы в воде (полярный растворитель); n Хорошо растворимы в органических растворителях – бензол, тетрахлорметан (неполярные растворители); n Плотности алканов ниже плотности воды (< 1); n Алканы с разветвленной цепью кипят при более низкой температуре, чем неразветвленные аналоги – ответвления от главной цепи препятствуют сближению молекул. 2/1/2018

Химические свойства алканов Химические свойства любого соединения определяются его строением, т. е. природой входящих в его состав атомов и характером связей между ними. 2/1/2018

n n В молекулах алканов все атомы связаны друг с другом σ – связями; Валентности атомов С, не затраченные на связь друг с другом, полностью насыщены атомами Н; Это прочные соединения, в обычных условиях малоактивны. Предельная насыщенность алканов не допускает реакций присоединения, но не препятствует реакциям разложения, изомеризации и замещения; симметричность неполярных С–С и слабополярных С–Н ковалентных связей предполагает их гомолитический (симметричный) разрыв на свободные радикалы под действием света, температуры или катализаторов; Для реакций алканов характерен радикальный механизм. 2/1/2018

Реакции радикального замещения В молекулах алканов связи C-Н пространственно более доступны для атаки другими частицами, чем менее прочные связи C-C, поэтому атом Н может быть замещен различными атомами или группами атомов. 1. Галогенирование (Cl 2, Br 2) - реакция замещения атомов водорода в молекуле алкана на галоген с образованием галогенпроизводных УВ. Реакция идет на свету или при нагревании. При избытке Cl 2 он последовательно замещает все атомы Н: 2/1/2018

Аналогично протекает реакция хлорирования этана: СН 3 — СН 3 + Сl 2 СН 3 — СН 2 Сl + НСl хлорэтан СН 3 — СНСl 2 + НСl дихлорэтан На второй стадии хлорирования преимущественно замещается атом водорода, связанный с тем атомом углерода, где уже произошло замещение. n n Фтор реагирует с алканами очень энергично, рвутся все связи C-Н и C-C, продукты реакции – тетрафторметан СН 4 и фтороводород НF. С иодом алканы практически не взаимодействуют. 2/1/2018

Реакция галогенирования алканов протекает по радикальному цепному механизму (акад. Семенов Н. Н. , Нобелевская премия 1956 г): Механизм радикального замещения (символ SR): 1 стадия – зарождение цепи - появление свободных радикалов. Под действием световой энергии гомолитически разрушается связь в молекуле Cl: Cl - появляются два атома хлора с неспаренными электронами (свободные радикалы) ·Cl: 2 стадия – рост (развитие) цепи. Свободные радикалы, взаимодействуя с молекулами, порождают новые радикалы и развивают цепь превращений: 2/1/2018 3 стадия – обрыв цепи. Радикалы, соединяясь друг с другом, образуют молекулы и обрывают цепь превращений:

Правило замещения А. М. Зайцева (1875) q Замещение атома водорода легче всего происходит у третичного атома С, затем у вторичного, труднее - у первичного. Это объясняется большей устойчивостью третичных и вторичных углеводородных радикалов по сравнению с первичными. Стрет. – Н > Свтор. – Н > Cперв. – Н 2/1/2018

2. Нитрование алканов (реакция Коновалова) – на алканы действует pазб. HNO 3 пpи нагревании и давлении. В результате происходит замещение атома Н на остаток азотной кислоты – нитpогpуппу NO 2. Процесс нитрования также протекает по радикальному механизму, но в отличие от галогенирования не является цепным. 2/1/2018

Реакции отщепления Дегидрирование алканов: - происходит при нагревании в присутствии катализаторов; - наблюдается разрыв связей С-Н и отщепление атомов водорода от соседних углеродных атомов; алкан превращается в алкен с тем же числом углеродных атомов в молекуле: - Межмолекулярное дегидрирование метана при t = 15000 C (промышленный способ получения ацетилена): 2/1/2018

Реакции расщепления n Крекинг - реакции расщепления углеродного скелета крупных молекул при нагревании в присутствии катализаторов. При 450 – 700°С алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С–Н при такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов. Распад связей происходит гомолитически с образованием свободных радикалов: 2/1/2018

Разрыв С–С–связи возможен в любом случайном месте молекулы. Поэтому образуется смесь алканов и алкенов с меньшей, чем у исходного алкана, молекулярной массой. При высокой температуре (>1000°С) происходит разрыв не только связей С–С, но и более прочных связей С–Н – пиролиз – используют для получения водорода и сажи: С 2 Н 4 2 С + 3 Н 2 СН 4 2/1/2018 2 С + 2 Н 2

Реакции изомеризации n Изомеризация – превращение алкана неразветвленного строения в разветвленный его изомер. Реакция происходит при нагревании в присутствии катализатора. В pеакциях участвуют алканы, молекулы которых содержат не менее 4 -х атомов С. УВ в природе, в основном, неразветвленные. Разветвленные УВ обладают наиболее ценными техническими свойствами (устойчивость к детонации). 2/1/2018

Реакции окисления n n При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н 2 Cr 2 O 7, KMn. O 4 и т. п. ). При внесении в открытое пламя алканы горят (реагируют с кислородом воздуха). Горение (полное окисление): Неполное окисление: Каталитическое окисление: (О 2, t 0, катализатор) 2/1/2018

Получение алканов Промышленные способы 2. Алканы выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменный уголь). Крекинг нефти: 3. Гидpиpование непpедельных углеводоpодов: 4. Газификация твердого топлива (при повышенной температуре и давлении, катализатор Ni): 5. Из синтез-газа (СО + Н 2) получают смесь алканов: 1. 2/1/2018

Лабораторные способы 1. Гидролиз карбида алюминия: 2. Декарбоксилирование солей карбоновых кислот (сплавление со щелочью): 3. Синтез Вюрца – действие металлического натрия на галогенпроизводные УВ: 4. Электролиз растворов солей карбоновых кислот: 2/1/2018

Применение алканов n n n n Алканы находят широкое применение во многих сферах деятельности человека. природный газа (основа – метан); Из него производят технический углерод (сажу): используется в производстве шин, типографской краски. Получают ацетилен - используется для сварки и резки металлов. Получают галогенпроизводные - применяются в качестве хладагентов в холодильниках; хлороформ, четырёххлористый углерод – одни из лучших растворителей; моторного топлива (метан, пропан, бутан), которое мало загрязняет окружающую среду; Вазелиновое масло (смесь жидких УВ с числом атомов С до 15) - используется в медицине, паpфюмеpии и косметике. Вазелин (смесь жидких и твеpдых пpедельных УВ с числом атомов С до 25) пpименяется для пpиготовления мазей, используемых в медицине. Паpафин (смесь твеpдых алканов С 19 -С 35) - белая твеpдая масса без запаха и вкуса (tпл= 50 -70°C) пpименяется для изготовления свечей, пpопитки спичек и упаковочной бумаги, для тепловых процедур в медицине. 2/1/2018

Вывод формул соединений n По массовым долям элементов и относительной плотности паров вещества Определите молекулярную формулу вещества, если известно, что плотность паров этого вещества по водороду 31, а процентный состав следующий: 38, 7% углерода; 51, 6% кислорода; 9, 7% водорода. Величина ω показывает сколько грамм атомов данного элемента содержится в 100 г вещества. n(C) : n(O) : n(H) = 38, 7/12 : 51, 6/16 : 9, 7/1 = 3, 225 : 9, 7 n(C) : n(O) : n(H) = 1 : 3 Простейшая формула: СН 3 О. Молекулярная масса: 31. По условию: DН (в-ва) = 31. Истинная молекулярная масса: 62 г/моль. Формула искомого соединения: С 2 Н 6 О 2 2 2/1/2018

Вывод формулы соединения по относительной плотности его паров и массе продуктов сгорания 2/1/2018

Домашнее задание по теме «Предельные углеводороды. Химические свойства и способы получения» : 1. 2. 3. 4. 5. Электронный учебник: часть II: раздел – 2 (пункты 2. 5 – 2. 9); Учебник Скворцов А. В. : глава 4 (стр. 37 - 43); устно – вопросы, стр. 45; письменно – 4. 20; задача - 4. 22; Установите молекулярную формулу углеводорода, массовая доля углерода в котором равна 83, 34%. Относительная плотность его паров по воздуху равна 2, 483. При сжигании 4, 3 органического вещества получили 13, 2 г оксида углерода (IV) и 6, 3 г воды. Найдите формулу вещества, если относительная плотность его паров по водороду равна 43. Осуществите следующие превращения: СН 3 СООNа → СН 4 → СН 3 Сl → С 2 Н 6 → С 2 Н 4 2/1/2018

Нахождение химического количества и массы атомов элемента в веществе n Найти химическое количество и массы элементов в оксиде железа(III) массой 320 г. 1) n(Fe 2 O 3) = 2) В 1 моль Fe 2 O 3: 2 моль (Fe) и 3 моль (О); В 2 моль: соответственно 4 моль (Fe) и 6 моль (О); m(Fe) = M(Fe). n(Fe) = 56 г/моль. 4 моль = 224 г; m(О) = M(О). n(О) = 16 г/моль. 6 моль = 96 г; Ответ: n(Fe) = 4 моль; n(О) = 6 моль; m(Fe) = 224 г; m(О) = 96 г. 3) 2/1/2018 = 2 моль;

n Вычислите для 2 моль углекислого газа (СО 2) массу газа, число молекул газа, массу одной молекулы в граммах, объем газа при н. у. Ответ: т(СО 2) = 88 г; та(СО 2) = 7, 31. 10 -23 г; N(СО 2) = 1, 20. 1024; V(СО 2) = 44, 8 л; 2/1/2018

Вычисление массовой доли элемента по формуле вещества Массовая доля элемента ω в данном веществе – это отношение относительной атомной массы данного элемента Аr (c учетом числа атомов в формуле вещества) к относительной молекулярной массе вещества Мr: где ω(Э) – массовая доля элемента; Аr(Э) – относительная атомная масса элемента; n(Э) – число атомов (молей) элемента в молекуле или ФЕ в-ва; Мr(Э) – относительная молекулярная масса вещества Х. 2/1/2018

n Массовая доля химического элемента в веществе показывает, какую часть от общей массы вещества составляет масса атомов данного элемента. Найти массовую долю химических элементов в N 2 O. 1. Мr(N 2 O) = 2 Аr(N) + Аr(O) = 2. 14 + 16 = 44; 2. или 64% 3. или 36% 2/1/2018

Вывод формул соединений n По массовым долям элементов и относительной плотности паров вещества Определите молекулярную формулу вещества, если известно, что плотность паров этого вещества по водороду 31, а процентный состав следующий: 38, 7% углерода; 51, 6% кислорода; 9, 7% водорода. Величина ω показывает сколько грамм атомов данного элемента содержится в 100 г вещества. n(C) : n(O) : n(H) = 38, 7/12 : 51, 6/16 : 9, 7/1 = 3, 225 : 9, 7 n(C) : n(O) : n(H) = 1 : 3 Простейшая формула: СН 3 О. Молекулярная масса: 31. По условию: DН (в-ва) = 31. Истинная молекулярная масса: 62 г/моль. Формула искомого соединения: С 2 Н 6 О 2 2 2/1/2018

Вычисление массы (объема) вещества, если известна масса (объем) другого вещества, содержащего примеси Пример. Вычислите массу углекислого газа, полученного при обжиге известняка массой 1 т с массовой долей примесей 10%. 1. Находим массу чистого карбоната кальция, фактически участвующего в реакции: 2. Записываем уравнение реакции, составляем и решаем пропорцию, учитывая коэффициенты в уравнении и количества вещества по условию: 2/1/2018

Выход продукта реакции η (эта) – это отношение массы (количества вещества, объема)полученного вещества (тпракт. , nпракт. , Vпракт. ) к массе (количеству вещества, объему) вещества, рассчитанного по уравнению химической реакции (ттеор. , nтеор. , Vтеор. ). Пример. Чему равна массовая доля выхода продукта, если из гидроксида кальция массой 370 г получили хлорид кальция массой 500 г? n Записываем уравнение реакции, составляем и решаем пропорцию, учитывая коэффициенты в уравнении и количества вещества по условию: 2/1/2018

Сa(OH)2 + 2 HCl = Ca. Cl 2 + 2 H 2 O Находим количество вещества Сa(OH)2, которое вступило в реакцию: n(Сa(OH)2) = 370 : 74 = 5 моль; М(Сa(OH)2) = 74 г/моль; n По уравнению реакции из 1 моль Сa(OH)2 получается 1 моль Ca. Cl 2, следовательно из 5 моль Сa(OH)2 получится 5 моль Ca. Cl 2. т(Ca. Cl 2) = 5. 111 = 555 г - теоретический выход продукта М(Сa. Сl 2) = 111 г/моль; n Рассчитываем практический выход продукта: n 2/1/2018

Расчеты по уравнению реакции, если одно из реагирующих веществ взято в избытке n Оксид кальция массой 14 г обработали раствором, содержащим 35 г азотной кислоты. Какова масса образовавшегося нитрата кальция? Са. О + 2 HNO 3 = Са(NO 3)2 + Н 2 О Расчет всегда ведется по веществу, которое взято в недостатке! n М(Са. О) = 56 г/моль; М(HNO 3) = 63 г/моль; М(Са(NO 3)2) = 164 г/моль. Рассчитываем количества веществ, которые были взяты для реакции: n(Са. О) = 14 : 56 = 0, 25 моль; n n(HNO 3) = 35 : 63 = 0, 556 моль; Определяем вещество, которое взято в недостатке: По уравнению: По условию: 1 моль Са. О – 2 моль HNO 3; 0, 25 моль Са. О – 0, 556 моль HNO 3 Оксид кальция взят в недостатке. По этому веществу проводим расчет образовавшегося количества нитрата кальция. Учитывая соотношения веществ в уравнении реакции, если прореагировало 0, 25 моль Са. О, то и образовалось 0, 25 моль Са(NO 3)2, следовательно n m Са(NO 3)2 = n(Са(NO 3)2) · М(Са(NO 3)2) = 0, 25 · 164 = 41 г. 2/1/2018 Ответ: 41 г Са(NO 3)2

n Оксид кальция массой 14 г обработали раствором, содержащим 35 г азотной кислоты. Какова масса образовавшегося нитрата кальция? М(Са. О) = 56 г/моль; М(HNO 3) = 63 г/моль; М(Са(NO 3)2) = 164 г/моль. Ответ: 41 г Са(NO 3)2 n Чему равна массовая доля выхода продукта, если из гидроксида кальция массой 370 г получили хлорид кальция массой 500 г? М(Са(ОН)2) = 74 г/моль; М(Са. Сl 2) = 111 г/моль. Ответ: 90, 9 % 2/1/2018

2/1/2018