شیمی آلی شیمی اتم کربن است. تعداد ترکیبات آلی ده ها برابر بیشتر از غیرآلی است که فقط قابل توضیح است ویژگی های اتم کربن :

الف) او در است منفی الکترون در مقیاس متوسط و بنابراین دوره دوم بی فایده است که خود را ترک کند و الکترونهای دیگران را بپذیرد و بار مثبت یا منفی به دست آورد.

ب) ساختار خاص پوسته الکترون - هیچ جفت الکترون و اوربیتال آزاد وجود ندارد (فقط یک اتم دیگر با ساختار مشابه وجود دارد - هیدروژن ، احتمالاً به همین دلیل است که کربن با هیدروژن بسیاری از ترکیبات را تشکیل می دهد - هیدروکربن ها).

ساختار الکترونیکی اتم کربن

С - 1s 2 2s 2 2p 2 یا 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 0

به صورت گرافیکی:

یک اتم کربن در حالت هیجان زده فرمول الکترونیکی زیر را دارد:

* С - 1s 2 2s 1 2p 3 یا 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1

به عنوان سلول:

شکل اوربیتال های s و p

مداری اتمی - منطقه ای از فضا که الکترون به احتمال زیاد در آن یافت می شود ، با اعداد کوانتومی متناظر.

این یک "نقشه کانتور" الکترونیکی سه بعدی است که در آن تابع موج احتمال نسبی یافتن الکترون در یک نقطه مشخص از مدار را تعیین می کند.

اندازه نسبی اوربیتال های اتمی با افزایش انرژی آنها افزایش می یابد ( عدد اصلی کوانتومی - n) ، و شکل و جهت آنها در فضا توسط اعداد کوانتومی l و m تعیین می شود. الکترونها در اوربیتالها با تعداد کوانتوم چرخشی مشخص می شوند. هر مدار نمی تواند بیش از 2 الکترون با چرخش مخالف داشته باشد.

هنگامی که پیوندها با سایر اتم ها تشکیل می شوند ، اتم کربن پوسته الکترون خود را تبدیل می کند تا قوی ترین پیوندها تشکیل شود و بنابراین ، تا آنجا که ممکن است انرژی آزاد می شود و سیستم بیشترین پایداری را به دست می آورد.

تغییر پوسته الکترون یک اتم به انرژی نیاز دارد که پس از آن با تشکیل پیوندهای قوی تر جبران می شود.

تغییر شکل پوسته الکترون (ترکیبی) بسته به تعداد اتمهایی که اتم کربن با آنها پیوند تشکیل می دهد ، عمدتا می تواند 3 نوع باشد.

انواع ترکیبی:

sp 3 - یک اتم با 4 اتم همسایه پیوند ایجاد می کند (ترکیبی چهار ضلعی):

فرمول الکترونیکی sp 3 یک اتم کربن ترکیبی است:

* С – 1s 2 2 (sp 3) 4 به شکل سلول

زاویه پیوند بین اوربیتال های ترکیبی 9 109 درجه است.

فرمول استریوشیمیایی یک اتم کربن:

sp 2 - ترکیبی (حالت ظرفیت) - یک اتم با 3 اتم همسایه پیوند ایجاد می کند (ترکیبی مثلثی):

فرمول الکترونیکی sp 2 - اتم کربن ترکیبی:

* С – 1s 2 2 (sp 2) 3 2p 1 به شکل سلول

زاویه پیوند بین اوربیتال های ترکیبی ~ 120 درجه است.

فرمول استریوشیمیایی sp 2 - اتم کربن ترکیبی:

sp - ترکیبی (حالت ظرفیت)) - یک اتم با 2 اتم همسایه پیوند ایجاد می کند (ترکیبی خطی):

فرمول الکترونیکی برای اتم کربن ترکیبی - sp:

* С – 1s 2 2 (sp) 2 2p 2 به شکل سلول

زاویه پیوند بین اوربیتال های ترکیبی ~ 180 درجه است.

فرمول استریوشیمیایی:

s-orbital در انواع هیبریداسیون نقش دارد حداقل انرژی دارد.

تنظیم مجدد ابر الکترون امکان تشکیل قوی ترین پیوندها و حداقل تعامل اتم ها را در مولکول حاصل فراهم می کند. که در آن اوربیتالهای ترکیبی ممکن است یکسان نباشند ، اما زوایای پیوند ممکن است متفاوت باشد ، به عنوان مثال CH 2 Cl 2 و CCl 4

2. پیوندهای کووالانسی در ترکیبات کربن

پیوندهای کووالانسی ، خصوصیات ، روش ها و دلایل آموزش - برنامه درسی مدرسه.

بگذارید فقط یادآوری کنم:

1. شکل گیری ارتباطات بین اتمها را می توان نتیجه همپوشانی اوربیتالهای اتمی آنها دانست و هرچه م theثرتر باشد (هرچه انتگرال همپوشانی بیشتر باشد) پیوند محکمتر است.

با توجه به داده های محاسبه شده ، کارایی نسبی همپوشانی اوربیتال های اتمی سرل به شرح زیر افزایش می یابد:

در نتیجه ، استفاده از اوربیتال های ترکیبی ، به عنوان مثال ، sp 3-اوربیتال های کربن در تشکیل پیوندها با چهار اتم هیدروژن ، منجر به تشکیل پیوندهای قوی تر می شود.

2. پیوندهای کووالانسی در ترکیبات کربن به دو روش تشکیل می شوند:

و)اگر دو اوربیتال اتمی در محورهای اصلی خود همپوشانی داشته باشند ، پیوند حاصل فراخوانی می شود - پیوند σ.

هندسه. بنابراین ، در طول تشکیل پیوندها با اتم های هیدروژن در متان ، چهار اوربیتال sp 3 sp ترکیبی از اتم کربن با اوربیتال های S از چهار اتم هیدروژن همپوشانی دارند و چهار پیوند قوی قوی σ یک را در زاویه 109 درجه 28 "" نسبت به یکدیگر تشکیل می دهند (زاویه استاندارد چهار ضلعی) یک ساختار چهار ضلعی کاملاً متقارن مشابه نیز بوجود می آید ، به عنوان مثال ، در طول تشکیل CCl 4 ؛ اگر اتم های تشکیل دهنده پیوند با کربن یکسان نباشند ، به عنوان مثال ، در مورد CH 2 C1 2 ، ساختار فضایی کمی متفاوت از ساختار کاملاً متقارن است ، اگرچه در اصل آن چهار ضلعی باقی می ماند ...

طول باند Σ بین اتمهای کربن به ترکیبی شدن اتمها بستگی دارد و هنگام رفتن از sp 3 - ترکیبی شدن به sp کاهش می یابد. این به دلیل این واقعیت است که اوربیتال s از مدار اورجینال به هسته نزدیکتر است ، بنابراین ، هرچه کسر آن در مدار ترکیبی بزرگتر باشد ، کوتاهتر است و در نتیجه ، پیوند حاصل کوتاهتر است.

ب) اگر دو اتمی باشد پ اوربیتال ها ، که به موازات یکدیگر قرار دارند ، همپوشانی جانبی را در بالا و پایین صفحه ای که اتم ها واقع شده اند ، انجام می دهند ، سپس پیوند حاصل نامیده می شود - π (پی) - ارتباطات

همپوشانی طرفاز این رو اوربیتالهای اتمی کارایی کمتری نسبت به همپوشانی در محور اصلی دارند π اتصالات قوی تر از نیستند σ -ارتباط. این امر به ویژه در این واقعیت آشکار می شود که انرژی پیوند دو برابر کربن-کربن کمتر از دو برابر انرژی یک پیوند منفرد است. بنابراین ، انرژی پیوند C-C در اتان 347 کیلوژول در مول است ، در حالی که انرژی پیوند C \u003d C در اتن فقط 598 کیلوژول در مول است و نه 700 k کیلوژول در مول است.

درجه همپوشانی جانبی دو اوربیتال 2p اتمی و از این رو قدرت π پیوند حداکثر در صورت اتصال دو اتم کربن و چهار اتم به آنها است اتم ها دقیقاً در یک صفحه قرار دارند، یعنی اگر آنها باشند هم صفحه ، از آنجا که فقط در این حالت اوربیتال های 2p اتمی دقیقاً موازی یکدیگر هستند و بنابراین حداکثر همپوشانی دارند. هرگونه انحراف از حالت همسطح به دلیل چرخش در اطراف σ - پیوند اتصال دو اتم کربن منجر به کاهش درجه همپوشانی و در نتیجه کاهش قدرت می شود π پیوند ، که به این ترتیب به حفظ مسطح بودن مولکول کمک می کند.

چرخش در اطراف پیوند دوگانه کربن-کربن غیرممکن است.

توزیع π الکترونهای بالا و پایین صفحه مولکول به معنای وجود است مناطق با بار منفیآماده تعامل با معرفهای کمبود الکترون.

اتم های اکسیژن ، نیتروژن و غیره نیز دارای شرایط مختلف ظرفیت (ترکیبی) هستند ، در حالی که جفت الکترون آنها می تواند در هر دو مدار ارگانیک و ترکیبی باشد.

اتم کربن عنصر اصلی سازنده ترکیبات آلی آن است. برای پر شدن پوسته ظرفیت از هشت الکترون (مانند یک گاز بی اثر) ، یک اتم کربن باید الکترون های خود را با الکترونهای چهار اتم هیدروژن جفت کند.

در نتیجه ترکیبی شدن و جفت شدن الکترون ها ، هم پوسته الکترون ظرفیت کربن و هم پوسته ظرفیت اتم های هیدروژن پر می شوند. یک پیکربندی الکترونیکی بسیار پایدار ایجاد شده و یک مولکول پایدار CH4 به نام متان تشکیل می شود.

الکترون های اتم های مختلف جفت تشکیل می دهند که به طور نمادین با نقاط نشان داده می شوند. هر جفت از این نوع الکترون ها پیوند کووالانسی می دهد. برای سهولت ، هر یک از این جفت الکترون ها از اتم های مختلف یا یک پیوند کووالانسی ، معمولاً به صورت یک خط (پیوند) که اتم های متصل را به هم متصل می کند ، نشان داده می شود.

چهار پیوند حاصل از اتم کربن نشان دهنده چهار ظرفیتی است که اتم کربن دارد. به طور مشابه ، یک پیوند بین هر اتم هیدروژن و یک اتم کربن نشان دهنده یک ظرفیت است که هر اتم هیدروژن از آن برخوردار است.

با این حال ، این نمایش های ساده ، هندسه سه بعدی واقعی مولکول متان را منعکس نمی کنند. متان به دلیل ترکیبی دارای ساختار چهار وجهی است. تمام زوایای بین پیوندهای NSN در متان برابر با 109.5 درجه است (شکل 8). ساختار چهار وجهی به هر یک از اتمهای هیدروژن اجازه می دهد تا موقعیتی که ممکن است از اتمهای هیدروژن همسایه فاصله داشته باشد. در نتیجه ، نیروهای دافعه بین اتم های هیدروژن همسایه به حداقل می رسند.

پیوندهای کووالانسی کربن و هیدروژن موجود در متان پیوندهای محکمی هستند. برای به دست آوردن مولکول 1 گرم (1 مول) متان (16 گرم) اتمهای تشکیل دهنده کربن و هیدروژن ، 404 کیلوکالری انرژی لازم است. از آنجا که چهار پیوند کربن-هیدروژن در مولکول متان وجود دارد ، انرژی هر یک به طور متوسط \u200b\u200b101 کیلوکالری در مول است. این پیوند یک پیوند کووالانسی بسیار قوی محسوب می شود.

کربن (C) ششمین عنصر جدول تناوبی با وزن اتمی 12 است. این عنصر متعلق به غیر فلزات است و دارای ایزوتوپ 14 درجه سانتیگراد است. ساختار اتم کربن اساس تمام شیمی آلی است ، زیرا تمام مواد آلی شامل مولکول های کربن است.

اتم کربن

موقعیت کربن در جدول تناوبی مندلیف:

• شماره سریال ششم؛
• گروه چهارم؛
• دوره دوم.

شکل: 1. موقعیت کربن در جدول تناوبی.

بر اساس داده های موجود در جدول ، می توان نتیجه گرفت که ساختار اتم عنصر کربن شامل دو پوسته است که شش الکترون بر روی آنها قرار دارد. ظرفیت کربن که بخشی از مواد آلی است ، ثابت و برابر با IV است. این بدان معنی است که چهار الکترون در سطح الکترونیکی بیرونی و دو الکترون در یک داخلی وجود دارد.

از چهار الکترون ، دو مورد مدار اورانیوم کروی 2s را اشغال می کنند و دو مورد دیگر مدار مدار 2p دمبل را اشغال می کنند. در حالت برانگیخته ، یک الکترون از مدار 2s به یکی از مدارهای 2p منتقل می شود. وقتی الکترون از مداری به مدار دیگر می رود ، انرژی مصرف می شود.

بنابراین ، یک اتم کربن برانگیخته دارای چهار الکترون جفت نشده است. پیکربندی آن را می توان با فرمول 2s 1 2p 3 بیان کرد. این امر امکان ایجاد چهار پیوند کووالانسی با عناصر دیگر را فراهم می کند. به عنوان مثال ، در یک مولکول متان (CH 4) ، کربن پیوندهایی با چهار اتم هیدروژن تشکیل می دهد - یک پیوند بین اوربیتال های هیدروژن و کربن و سه پیوند بین اوربیتال های کربن و اوربیتال های هیدروژن.

نمودار ساختار اتم کربن را می توان به صورت +6C) 2) 4 یا 1s 2 2s 2 2p 2 نشان داد.

شکل: 2. ساختار اتم کربن.

مشخصات فیزیکی

کربن به طور طبیعی به صورت سنگ ها رخ می دهد. چندین تغییر کربن آلوتروپیک شناخته شده است:

• گرافیت
• الماس
• کاربن
• ذغال سنگ
• دوده

همه این مواد در ساختار شبکه بلوری متفاوت هستند. سخت ترین ماده ، الماس ، دارای شکل مکعب کربن است. در دماهای بالا ، الماس به گرافیت با ساختار شش ضلعی تبدیل می شود.

شکل: 3. شبکه های کریستالی گرافیت و الماس.

خواص شیمیایی

ساختار اتمی کربن و توانایی آن در اتصال چهار اتم از ماده دیگر ، خصوصیات شیمیایی عنصر را تعیین می کند. کربن با فلزات واکنش داده و کاربیدها را تشکیل می دهد:

• Ca + 2C → CaC 2 ؛
• Cr + C → CrC ؛
• 3Fe + C → Fe 3 C

همچنین با اکسیدهای فلزی واکنش نشان می دهد:

• 2ZnO + C → 2Zn + CO 2 ؛
• PbO + C → Pb + CO ؛
• SnO 2 + 2C → Sn + 2CO.

در دمای بالا ، کربن با غیر فلزات ، به ویژه با هیدروژن واکنش می دهد و هیدروکربن ها را تشکیل می دهد:

C + 2H 2 → CH 4.

با اکسیژن ، کربن دی اکسید کربن و مونوکسید کربن تشکیل می دهد:

• C + O 2 → CO 2 ؛
• 2C + O 2 → 2CO.

مونوکسیدکربن نیز در اثر تعامل با آب تشکیل می شود.

ساده ترین ترکیب آلی ، متان است. مولکول آن از پنج اتم تشکیل شده است - یک کربن و چهار اتم هیدروژن ، به طور مساوی در اطراف این اتم کربن مرکزی. در اینجا ما اول از همه با مهمترین فرضیه شیمی آلی روبرو هستیم - در همه مولکولهای آلی بدون بار ، کربن همیشه چهار ظرفیتی است. از نظر گرافیکی ، این واقعیت بیان می شود که باید با نمادهای شیمیایی عناصر دیگر یا همان کربن توسط چهار خط تیره ترکیب شود. در متان ، هر چهار اتم هیدروژن در یک فاصله با اتم کربن و تا حد ممکن در فضا فاصله دارند.

در یک مولکول متان ، یک اتم کربن در مرکز یک چهار ضلعی منظم قرار دارد و چهار اتم هیدروژن در رئوس آن هستند.

این چیزی است که یک مولکول متان با در نظر گرفتن اندازه اتم ها به نظر می رسد

برای ساختن یک مدل از یک مولکول ، یک چهار ضلعی ، یعنی یک چهار ضلعی منظم ساخته شده از مثلث متساوی الاضلاع ، گرفته و یک اتم کربن در مرکز آن قرار می دهیم. اتم های هیدروژن در امتداد رئوس چهار ضلعی قرار خواهند گرفت. بیایید تمام هیدروژن ها را با اتم مرکزی کربن ترکیب کنیم. زاویه α بین دو خط 109 درجه و 28 دقیقه است.

بنابراین ، ما یک مدل متان ساخته ایم. اما ابعاد مولکول ها در واقعیت چیست؟ در دهه های اخیر ، با استفاده از روش های فیزیکی تحقیق (که بعداً در مورد آنها صحبت خواهیم کرد) ، تعیین دقیق فواصل بین اتمی در مولکول های ترکیبات آلی امکان پذیر شده است. در یک مولکول متان ، فاصله بین مراکز یک اتم کربن و هر اتم هیدروژن 109/0 نانومتر است (1 نانومتر ، نانومتر برابر 10-9 متر است). برای تجسم ظاهری یک مولکول در فضا ، آنها از مدلهای استوارت-بریگلب استفاده می کنند ، که در آنها اتمها با توپهای شعاع مشخص نشان داده می شوند.

حال بگذارید این س followingال را از خود بپرسیم: نیروهایی که اتمها را در مولکول یک ترکیب آلی متصل می کند چیست ، چرا اتمهای هیدروژن از مرکز کربن جدا نمی شوند؟

یک اتم کربن از یک هسته با بار مثبت تشکیل شده است (بار آن 6+ است) و شش الکترون که مدارهای مختلف * اطراف هسته را اشغال می کنند ، هر یک از آنها با یک سطح انرژی خاص مطابقت دارند.

* (مدار را می توان ناحیه ای از فضا دانست که در آن احتمال مواجهه با الکترون بیشتر است.)

دو الکترون کمترین مدار نزدیک به هسته را اشغال می کنند. آنها شدیداً با هسته "خود" تعامل دارند و در تشکیل پیوندهای شیمیایی مشارکت ندارند. چهار الکترون دیگر ماده متفاوتی هستند. اعتقاد بر این است که در به اصطلاح اتم کربن غیرتحریک شده ، یعنی در یک اتم جداگانه که هیچ پیوندی با اتم های دیگر ایجاد نمی کند ، این الکترون ها به شرح زیر قرار دارند: دو در زیر سطح زیرین s و دو در یک زیر سطح بالاتر r... به روشی تا حدی ساده و شماتیک ، می توان فرض کرد که ابری الکترون مستقر روی آن را تشکیل می دهد sزیر سطح ، به شکل کره است. ابرها rالکترونها مانند هشت حجمی به نظر می رسند و این هشتها می توانند در امتداد محورها در فضا قرار بگیرند x ، y و z... بر این اساس ، هر اتم دارای سه است rاورجینال: p x ، p y و p z. بنابراین ، هر مداری در یک اتم شکل خاصی دارد و به روشی خاص در فضا قرار دارد.

برای ایجاد تعامل با سایر اتم ها ، ایجاد پیوندهای شیمیایی با آنها ، اول از همه باید یک اتم کربن وارد یک ماده خاص شود ، حالت هیجانی. در این حالت ، یک الکترون از آن می پرد sاورجینال در پ-ارثی در نتیجه ، یک الکترون کروی را اشغال می کند s-وربیتال ، و سه الکترون دیگر سه اوربیتال-هشت را تشکیل می دهند. با این حال ، این وضعیت از نظر انرژی برای اتم نامطلوب است. انرژی پایین اتم مربوط به چهار اوربیتال یکسان است که به طور متقارن در فضا قرار دارند. بنابراین ، مخلوط کردن ، به طور متوسط \u200b\u200b، یا ، همانطور که آنها می گویند ، ترکیبی شدن در دسترس اوربیتال، و نتیجه چهار اوربیتال یکسان جدید است.

این اوربیتال های ترکیبی نیز شبیه هشت هستند ، اما هشت ها یک طرفه هستند: چگالی الکترون تقریباً به طور کامل به یک طرف منتقل شده است. چنین اوربیتال های هیبریدی مشخص شده اند sp 3 (با توجه به تعداد الکترونهای مختلف اوربیتالهای غیر هیبریدی که در تشکیل آنها شرکت می کنند: یک با s- اورجینال و سه - با r-ارثی).

مولکول متان چگونه کار می کند؟ برای هر یک از چهار اوربیتال هیبریدی هدایت شده از اتم کربن در جهات مختلف (یا بهتر بگوییم ، به گوشه های یک چهار ضلعی خیالی که می توان در اطراف آن ساخته شود) ، اتم های هیدروژن مناسب هستند. یک اتم هیدروژن یک هسته با بار +1 است (برای ایزوتوپ سبک هیدروژن معمولی - فقط یک پروتون) ، و یک الکترون که یک مدار کروی اطراف پروتون را اشغال می کند. ابرهای الکترون های "کربن" و "هیدروژن" با هم همپوشانی دارند که به معنای تشکیل پیوند شیمیایی است. هرچه ابرهای الکترونهای مختلف اتم با هم تداخل داشته باشند پیوند محکمتر می شود. اکنون روشن شده است که چرا اوربیتال های هیبریدی سودآوری بیشتری دارند - به هر حال ، چنین شکل یک طرفه و برآمده هشت می تواند با ابر الکترون هیدروژن بسیار قوی تر از اوربیتال های غیر هیبریدی باشد که در فضا کمتر گسترش یافته اند. توجه داشته باشید که این استدلال تا حدی مشروط است: یک اتم کربن خالص ، به اصطلاح ، منفرد و تحریک نشده واقعاً وجود ندارد. بنابراین ، منطقی نیست که بحث کنیم که چگونه همه این تغییرات اوربیتال ها ، به نام هیبریداسیون ، واقعاً رخ می دهند. با این حال ، برای سهولت در توصیف پیوندهای شیمیایی با استفاده از فرمول ها و اعداد ، چنین قراردادهایی مفید است. ما بیش از یک بار در این مورد متقاعد خواهیم شد.

چگونه متان بدست آوریم؟

یکی از ساده ترین راه ها عمل بر روی کاربید آلومینیوم با آب است:

با این حال ، کاربید آلومینیوم یک ماده اولیه برای بدست آوردن یک محصول معمول ، از جمله ارزان قیمت مانند متان بسیار گران است و نیازی به تهیه آن از سایر ترکیبات نیست - به هر حال ، گاز طبیعی از 85-98٪ متان تشکیل شده است.

متان یکی از اصلی ترین عناصر سازنده ای است که می توان از آن ترکیبات آلی ساخت. این ترکیبات چیست و چگونه می توان آنها را از متان بدست آورد؟

در واقع ، متان یک ماده نسبتاً بی اثر است و مجموعه واکنشهای شیمیایی قابل انجام با آن اندک است.

بیایید مخلوطی از دو گاز - متان و کلر را گرفته و در ظرف شیشه ای قرار دهیم. اگر این رگ در تاریکی نگه داشته شود ، هیچ واکنشی مشاهده نمی شود. اما بیایید سعی کنیم بطری را با نور خورشید روشن کنیم ..

کوانتومی از نور با یک مولکول کلر تداخل می کند ، در نتیجه مولکول به دو قسمت تقسیم می شود - دو اتم کلر:

اتم های حاصل بسیار فعال تر از مولکول ها هستند ؛ آنها بلافاصله به مولکول های متان حمله کرده و اتم های هیدروژن را می گیرند. در این حالت ، مولکول های کلرید هیدروژن HCl و ذرات بسیار ناپایدار و بسیار فعال ، به اصطلاح رادیکال های متیل ⋅CH 3 ، تشکیل می شوند:

نتیجه یک اتم کلر است که پیش از این برای ما شناخته شده است (پیش بینی آینده آن دشوار نیست: به مولکول های جدید متان حمله می کند و همه چیز دوباره تکرار می شود) و کلرومتان یا متیل کلرید مشتق متان است که در آن کلر یکی از اتم های هیدروژن جایگزین می شود.

واکنشی که ما در حال حاضر توضیح دادیم متعلق به اصطلاح است واکنش های زنجیره ای، که در آن هر مرحله ، مانند یک زنجیره ، با مرحله قبلی و بعدی متصل می شود. ذرات فعال - محصول یک مرحله (در اینجا این اتمهای کلر و رادیکالهای متیل ⋅СН 3 هستند) - در مرحله بعدی به عنوان مواد اولیه استفاده می شوند. کشف واکنشهای زنجیره ای یکی از وقایع مهم در تاریخ علوم شیمی بود و به آکادمیسین N.N.Semenov و دانشمند انگلیسی S.N. Khiishelwood جایزه نوبل به دلیل مشارکت در مطالعه چنین واکنشها و ایجاد نظریه آنها اهدا شد.

اگر مقادیری از معرفها را در واکنش وارد کنیم که در هر مولکول کلر دو مولکول متان وجود دارد ، در واقع ما متیل کلرید CH3Cl بدست می آوریم. اگر کلر را بیش از حد مصرف کنیم ، واکنش جایگزینی بیشتر خواهد شد و علاوه بر متیل کلرید ، متیلن کلرید CH2Cl2 ، کلروفرم CHCl3 و در نهایت محصول جایگزینی کامل هیدروژن با کلر ، تتراکلرید کربن CCl 4 وجود دارد:

اما بیایید وظیفه خود را فراموش نکنیم: ساختن مولکولهای مختلف پیچیده از بلوکهای ساختمانی ساده - مولکولهای متان برای این منظور ما به متیل کلرید نیاز داریم. اگر روی این ترکیب با سدیم فلزی عمل کنید ، از هر دو مولکول CH3Cl ، یک مولکول اتان تشکیل می شود که در آن پیوند کربن-کربن وجود دارد:

اتان چیست؟ این متان است که در آن یکی از هیدروژن ها با رادیکال متیل ⋅CH3 جایگزین می شود. و این رادیکال خود ، همانطور که قبلاً می دانیم ، با جداسازی یک اتم هیدروژن از متان بدست می آید.

اگر اکنون در اتان ، یکی از هیدروژن ها (هر اتمی) را با متیل جایگزین کنیم ، ماده جدیدی بدست می آوریم - پروپان CH 3 -CH 2 -CH 3. چگونه می توان در عمل این کار را انجام داد ، می دانیم: ابتدا ، در متان و اتان ، یک هیدروژن را با کلر جایگزین کنید و سپس بر روی مخلوطی از متیل و اتیل کلرید سدیم عمل کنید (این واکنش را به افتخار شیمی دان فرانسوی که آن را کشف کرده است ، واکنش Wurz می نامند):

بیشتر برویم بیایید یکی از اتم های هیدروژن را با کلر موجود در پروپان جایگزین کنیم. معلوم شد که حالا فرقی نمی کند کدام اتم را جایگزین کنیم! با جایگزینی هیدروژن در اتم شدید کربن (دو اتم وجود دارد) یا به طور متوسط \u200b\u200b، دو ترکیب مختلف بدست می آوریم: پروپیل کلراید نرمال ( n-پروپیل کلراید) و ایزوپروپیل کلراید:

حال اجازه دهید گروههای متیل را جایگزین اتمهای کلر در هر یک از این ترکیبات کنیم. ما دو بوتان مختلف داریم - بوتان نرمال (یعنی منشعب نشده) ( n-بوتان) و ایزو-بوتان:

بیایید یکی یکی به مولکولهای بدست آمده اضافه کنیم. بیا شروع کنیم با n-بوتان در اینجا یکی از اتم های شدید هیدروژن را می توان جایگزین متیل کرد. ما پنتان عادی می گیریم. می توانید یکی از هیدروژن های متوسط \u200b\u200bرا جایگزین کنید. بیایید ایزو-پنتن ظاهراً از n-بوتان شما دیگر چیز جدیدی دریافت نخواهید کرد. بیایید به ایزو-بوتان اگر یکی از هیدروژن های شدید (در گروه های CH3) در آن جایگزین شود ، ما به موارد ذکر شده خواهیم رسید ایزو-پنتان ، و جایگزین اتم هیدروژن منفرد میانی ، نئوپنتان بدست می آوریم:

می توانید این روش را به طور نامحدود ادامه دهید. به تمام این اتصالات گفته می شود هیدروکربن ها (دقیق تر - هیدروکربن های اشباع ، اشباع یا آلکان ها) ، زیرا آنها فقط از دو عنصر تشکیل شده اند - کربن و هیدروژن. در هر آلکان تعداد اتم های هیدروژن 2 است n + 2 ، کجا n - تعداد اتم های کربن. بنابراین ، فرمول هیدروکربن محدود کننده را می توان به طور کلی به شرح زیر نوشت: C n ح 2n + 2 .

در ساختن سازه هایمان ، باید بگویم که ما به موقع متوقف شدیم. واقعیت این است که با افزایش تعداد اتمهای کربن در مولکول آلکان ، تعداد ایزومرهای احتمالی به سرعت فاجعه بار افزایش می یابد. بنابراین ، برای دکن ، یک هیدروکربن С 10 Н 22 ، احتمالاً 75 ایزومر مختلف ، تعداد ایزومرهای هیدروکربن С 20 Н 42 (ایکوزان) 366 319 است. تعداد ایزومرهای احتمالی تتراکنتان ، هیدروکربن С 40 Н 82 دشوار است تصور کنید: 62 491 178 805 831.

اکنون روشن می شود که چرا امروزه چنین تعداد عظیمی از ترکیبات آلی شناخته شده است - چندین میلیون - و چرا از این نظر شیمی آلی از شیمی معدنی پیشی گرفته است. اما تاکنون فقط در مورد ساده ترین نمایندگان مواد آلی صحبت شده است - در مورد هیدروکربن های اشباع شده.

ما با استفاده از واکنش وورتز تعدادی هیدروکربن ایزومریک از متان بدست آورده ایم. با این حال ، در عمل ، هیچ کس این کار را نمی کند. واقعیت این است که ساده ترین هیدروکربن ها به همراه متان در گاز طبیعی وجود دارد که ترکیب آن برای میادین مختلف متفاوت است. به عنوان مثال ، گاز حاصل از میدان Severo-Stavropol شامل 85٪ متان ، حدود 5٪ اتان ، 2.5٪ پروپان و 1.4٪ پنتان و هیدروکربن های سنگین تر است. گاز میدان Gazlinskoye 98٪ متان تشکیل می دهد ، اتان موجود در آن تنها 1.6٪ است. هیدروکربن های زیادی در روغن وجود دارد ، اما در فصل های بعدی موارد بیشتری درباره آن وجود دارد.

هیدروکربن های پایین تر - متان ، اتان ، پروپان و بوتان - گازهای بی رنگ ، بدون بو یا بوی ضعیف بنزین هستند. هیدروکربن های موجود در پنتان تا پنتادکان C 15 H 32 مایعات هستند و در آخر هیدروکربن های بالاتر در دمای معمولی جامد هستند.

با افزایش تعداد اتم های کربن ، نقاط جوش و ذوب ترکیب افزایش می یابد.

هیدروکربن های اشباع شده نام دیگری دارند - پارافینمنعکس کننده بی اثر بودن شیمیایی آنها (به لاتین پاروم افینیس - میل کم) و با این حال آنها به طور گسترده ای در صنایع شیمیایی برای به دست آوردن طیف گسترده ای از مواد استفاده می شود. جهت اصلی استفاده صنعتی از متان در نمودار نشان داده شده است.

قبل از اینکه صحبت در مورد متان و هیدروکربن های اشباع شده به پایان برسد ، اجازه دهید به یک سوال پاسخ دهیم: چگونه پیوند در پارافین ها بین دو اتم کربن ، به عنوان مثال در اتان ، انجام می شود؟ در اینجا همه چیز ساده است - در اطراف هر اتم کربن ، مانند متان ، چهار ترکیبی وجود دارد sp 3-اوربیتال ها ، سه نفر از آنها پیوندهایی را با اتم های هیدروژن ایجاد می کنند ، و یکی دقیقاً با مدار مشابهی از اتم کربن دیگر همپوشانی دارد. طول پیوند C-C 154/0 nm است.

صفحه 1

تئوری ظرفیت در توسعه نظریه شیمی به طور کلی و شیمی آلی به طور خاص نقش مهمی دارد. با شروع نظریه ظرفیت ، ککوله پیشنهاد کرد که اتم کربن چهار ظرفیتی است و در سال 1858 سعی کرد با تکیه بر این فرض ، ساختار ساده ترین مولکول های آلی و رادیکال ها را نشان دهد. در همان 1858 ، شیمیدان اسکاتلندی آرچیبالد اسکات کوپر (1892-1831) پیشنهاد داد نیروهای متصل کننده اتمها (یا پیوندها ، به طور معمول نامیده می شوند) را به صورت خط تیره به تصویر بکشد. بعد از اینکه "اولین مولکول آلی" ساخته شد ، کاملاً مشخص شد که چرا مولکول های آلی ، به طور معمول ، بسیار بزرگتر و پیچیده تر از معدنی هستند.

مطابق ایده های Kekulé ، اتم های کربن را می توان با استفاده از یک یا چند پیوند چهار ظرفیتی با یکدیگر متصل کرد و زنجیره های طولانی - مستقیم یا شاخه ای تشکیل داد. ظاهراً هیچ اتم دیگری به اندازه کربن از این توانایی چشمگیر برخوردار نیست.

بنابراین ، با تصور اینکه هر اتم کربن دارای چهار پیوند ظرفیت است ، و هر اتم هیدروژن دارای یک چنین پیوند است ، می توان سه ساده ترین هیدروکربن (ترکیباتی که مولکول آنها فقط توسط اتم های کربن و هیدروژن تشکیل شده است) ، متان CH4 ، اتان C2H6 و پروپان C3H8 ، به روش زیر:

با افزایش تعداد اتمهای کربن ، این توالی را می توان ادامه داد ، و تقریباً برای مدت نامحدود. با افزودن اکسیژن (دو پیوند ظرفیت) یا نیتروژن (سه پیوند ظرفیت) به زنجیره هیدروکربن ، می توان فرمول های ساختاری مولکول های الکل اتیل (C2H6O) و متیل آمین (CH5N) را نشان داد:

با فرض احتمال وجود دو پیوند (پیوند دوتایی) یا سه پیوند (پیوند سه گانه) بین اتم های همسایه ، می توان فرمول های ساختاری ترکیباتی مانند اتیلن (C2H4) ، استیلن (C2H2) ، متیل سیانید (C2H3N) ، استون (C3H6O) و اسید استیک را به تصویر کشید. (C2H4O2):

سودمندی فرمولهای ساختاری به قدری واضح بود که بسیاری از شیمی دانان ارگانیک بلافاصله آنها را پذیرفتند. آنها تمام تلاشها را برای نشان دادن مولکولهای آلی به عنوان ساختارهای ساخته شده از رادیکالها کاملاً منسوخ دانستند. در نتیجه ، لازم بود ضمن نوشتن فرمول یک ترکیب ، ساختار اتمی آن بنویسد.

الكساندر میخائیلویچ بوتلروف (1823-1886) شیمیدان روسی از این سیستم جدید فرمولهای ساختاری در نظریه ساختار ساختارهای آلی استفاده كرد. وی در دهه 60 قرن گذشته نشان داد که چگونه می توان با کمک فرمول های ساختاری دلایل وجود ایزومرها را به روشنی توضیح داد (نگاه کنید به فصل 5). بنابراین ، به عنوان مثال ، الکل اتیل و دی متیل اتر دارای فرمول تجربی C2H6O هستند ، با این حال ، فرمول های ساختاری این ترکیبات به طور قابل توجهی متفاوت هستند:

بنابراین جای تعجب نیست که تغییر در آرایش اتم ها منجر به دو مجموعه از خصوصیات بسیار متفاوت شود. در الکل اتیل ، یکی از شش اتم هیدروژن به اتم اکسیژن متصل است ، در حالی که در دی متیل اتر ، هر شش اتم هیدروژن به اتم های کربن متصل هستند. اتم اکسیژن اتم هیدروژن را ضعیف تر از اتم کربن نگه می دارد ، بنابراین سدیم فلزی که به الکل اتیل اضافه می شود جایگزین هیدروژن می شود (یک ششم کل). سدیم اضافه شده به دی متیل اتر هیدروژن را به هیچ وجه جابجا نمی کند. بنابراین ، هنگام تهیه فرمول های ساختاری ، می توان از طریق واکنش های شیمیایی هدایت شد ، و فرمول های ساختاری ، به نوبه خود ، می توانند به درک اصل واکنش ها کمک کنند.

بوتلروف توجه ویژه ای به یکی از انواع ایزومریسم به نام توتومریسم (ایزومری پویا) داد که در آن برخی از مواد همیشه به عنوان مخلوط دو ترکیب عمل می کنند. اگر یکی از این ترکیبات به شکل خالص آن جدا شود ، بلافاصله تا حدی به ترکیب دیگر منتقل می شود. بوتلروف نشان داد که تاوتومریسم به دلیل انتقال خود به خود اتم هیدروژن از اتم اکسیژن به اتم کربن همسایه است (و بالعکس).

برای اثبات کامل اعتبار سیستم فرمولهای ساختاری ، تعیین فرمول ساختاری بنزن - هیدروکربن حاوی شش اتم کربن و شش اتم هیدروژن لازم بود. این کار بلافاصله انجام نشد. به نظر می رسید چنین فرمول ساختاری وجود ندارد که ضمن تأمین نیازهای ظرفیت ، در عین حال پایداری بیشتر ترکیب را توضیح دهد. اولین نسخه های فرمول های ساختاری بنزن بسیار شبیه فرمول های برخی هیدروکربن ها بود - ترکیباتی که بسیار ناپایدار هستند و از نظر خصوصیات شیمیایی مشابه بنزن نیستند.