Теория строения органических соединений. типы связей в молекулах органических веществ

Содержание

В двухатомные элементы, также называемые гомоядерными двухатомными молекулами, состоят всего из двух атомов одного и того же химического элемента. Некоторые элементы не могут существовать сами по себе, даже если они изолированы от любого другого типа атома.

Элементы этой природы будут соединяться с атомами того же элемента, чтобы быть стабильными. Другими словами, водород, двухатомный элемент, не может существовать сам по себе. Просто не может существовать H.

Водород настолько реактивен, что, когда он изолирован от всего, кроме водорода, он объединяется в двухатомную (двухатомную) молекулу. Следовательно, водородный газ, который иногда используется в качестве топлива, существует как H₂.

Закон постоянства состава вещества

Одно и то же химическое соединение можно получить различными способами. Так, например, углекислый газ, CO2, образуется при сжигании топлива: угля, природного газа. Во фруктах содержится много глюкозы. При длительном хранении фрукты начинают портиться, начинается процесс, называемый брожением глюкозы, в результате которого выделяется углекислый газ.

Углекислый газ образуется и при нагревании таких горных пород, как мел, мрамор, известняк. Химические реакции совершенно разные, но вещество, образовавшееся в результате их протекания, имеет одинаковый качественный и количественный состав – CO2.

Эта закономерность касается, в основном, веществ молекулярного строения. В случае веществ немолекулярного строения, возможны случаи, когда состав вещества зависит от методов его получения.

Закон постоянства состава веществ молекулярного строения: состав сложного вещества всегда одинаков и не зависит от способа его получения

Разница между элементарной молекулой и соединением

Определение

Элемент: Химический элемент — это вещество, которое не может быть разрушено химическими средствами.

Молекула: Молекула представляет собой группу из двух или более атомов, химически связанных друг с другом.

Соединение: Соединение — это химическая разновидность, которая образуется, когда два или более атомов химически соединяются вместе с ковалентными или ионными связями.

члены

Элемент: Есть 115 известных химических элементов.

Молекула: Вещества, состоящие из двух или более атомов, химически связанных друг с другом, представляют собой молекулы.

Соединение: Вещества, состоящие из двух или более атомов различных химических элементов, являются соединениями.

Уникальные Свойства

Элемент: Химические элементы содержат уникальный атомный номер.

Молекула: Молекулы могут быть как одноядерными, так и гетероядерными.

Соединение: Гетероядерные молекулы являются соединениями.

Химический элемент

Элемент: Элемент содержит похожие атомы.

Молекула: Молекула может иметь атомы одного и того же элемента или разных элементов.

Соединение: Соединение имеет атомы разных элементов.

Химическая связь

Элемент: Атомы разных элементов могут образовывать разные типы химических связей в зависимости от их электронной конфигурации и стабильности.

Молекула: Молекулы могут иметь ковалентные или ионные связи.

Соединение: Соединения могут иметь ковалентные связи, ионные связи или металлические связи.

Примеры

Элемент: Некоторые примеры химических элементов включают кислород, водород, азот, медь, цинк и т. Д.

Молекула: Некоторые примеры для молекул включают кислород (O₂), озон (O₃), вода (ч₂О) и т. Д.

Соединение: Некоторые примеры соединений включают хлорид натрия (NaCl), карбонат кальция (CaCO₃), так далее.

Заключение

Молекулы состоят из химических элементов. Молекулы, которые содержат два или более различных химических элементов, известны как соединения. Основное различие между молекулой элемента и соединением состоит в том, что элемент представляет собой вещество, которое не может быть далее разделено на части химическими средствами, тогда как молекула представляет собой вещество, которое может быть дополнительно разделено на части химическим способом, и соединение также является типом молекулы. но состоит из разных типов молекул.

Химические реакции

Химические реакции – это превращения одних веществ (исходных реагентов) в другие. При этом происходит перераспределение электронов.

В отличие от ядерных реакций, химические реакции не влияют на общее количество ядер атомов и не изменяют изотопный состав химических элементов.

Условия протекания химических реакций могут быть различными. Они могут проходить при физическом контакте реагентов, их смешивании, нагревании, а также при воздействии света, электрического тока, ионизирующего излучения. Часто химические реакции протекают под влиянием катализаторов.

Скорость химической реакции зависит от концентрации активных частиц во взаимодействующих веществах и от разницы между энергией связи, которая разрывается, и той энергией, которая образуется.

В результате химических процессов образуются новые вещества, свойства которых отличны от свойств исходных реагентов. Однако во время химических реакций не происходит образования атомов новых элементов.

Что такое элемент

Химический элемент — это вещество, которое не может быть разрушено химическими средствами. Многие различные химические элементы были обнаружены до сих пор. Они обладают уникальным свойством, то есть количеством протонов в ядре. Это называется атомным номером. Атомный номер элемента является фиксированным значением для определенного элемента. Два элемента не могут иметь одинаковый атомный номер. Любое изменение в атомном номере изменяет элемент. Тем не менее, элементы могут быть изменены с помощью ядерных реакций.

Периодическая таблица

Химические элементы расположены в периодической таблице элементов на основе их атомного номера и электронной конфигурации. Химический элемент также может быть объяснен как разновидность атомов или группа атомов. Это потому, что атомы, которые можно найти где угодно, принадлежат к определенному химическому элементу. Это происходит из-за уникальности атомного номера для определенного химического элемента.

Рисунок 1: Периодическая таблица элементов

В периодической таблице элементов есть различные категории химических элементов. Некоторые из классификаций показаны ниже.

• Металлы, неметаллы и металлоиды
• s блочных элементов, p блочных элементов, d блочных элементов и f блочных элементов.
• Щелочные металлы, щелочноземельные металлы, переходные металлы.
• Галогены, благородные газы и др.

Реактивность

Некоторые химические элементы инертны; некоторые менее реактивны, а некоторые очень реактивны. Инертные химические элементы включают группу благородных газов. Все остальные элементы могут легко подвергаться химическим реакциям. Это связано с тем, что они не имеют неполных электронных оболочек в соответствии с электронной конфигурацией благородных газов и, таким образом, являются очень стабильными в качестве отдельных атомов. У них нет причин реагировать с другими элементами. Но другие химические элементы имеют неполные электронные конфигурации. Поэтому они подвергаются различным химическим реакциям, чтобы заполнить свои электронные оболочки. Менее реакционноспособные химические элементы имеют частично заполненные, но стабильные электронные конфигурации.

Рисунок 2: Серия Metal Activity

Изотопы

Некоторые химические элементы очень радиоактивны, так как они очень нестабильны. Они разлагаются со временем, пока не получат стабильное состояние. Некоторые химические элементы имеют разные формы, известные как изотопы. Изотопы определенного химического элемента имеют одинаковый атомный номер, но другое массовое число. Это означает, что число протонов в их ядрах одинаково; следовательно, они принадлежат одному химическому элементу. Но количество нейтронов в ядрах отличается друг от друга.

Рисунок 3: Изотопы водородного химического элемента

Есть имена и символы, используемые для именования каждого элемента. Большинство из этих имен — латинские слова, и символы получены соответственно.

Спирты и фенолы

Спирты – производные углеводородов, один или несколько атомов водорода в которых заменены на гидроксильную группу -OH. Спирты с одной гидроксильной группой называют одноатомными, с двумя – двухатомными, с тремя трехатомными и т.д. Например:

Спирты с двумя и более гидроксильными группами называют также многоатомными спиртами. Общая формула предельных одноатомных спиртов C_nH_2n+1OH или C_nH_2n+2O. Общая формула предельных многоатомных спиртов C_nH_2n+2O_x , где x – атомность спирта.

Спирты могут быть и ароматическими. Например:

бензиловый спирт

Общая формула таких одноатомных ароматических спиртов C_nH_2n-6O.

Однако, следует четко понимать, что производные ароматических углеводородов, в которых на гидроксильные группы заменены один или несколько атомов водорода при ароматическом ядре не относятся к спиртам. Их относят к классу фенолы. Например,  это данное соединение является спиртом:

А это представляет собой фенол:

Причина, по которой фенолы не относят к спиртам,  кроется в их специфических химических свойствах, сильно отличающих их от спиртов. Как легко заметить, однотомные фенолы изомерны одноатомным ароматическим спиртам, т.е. тоже имеют общую молекулярную формулу C_nH_2n-6O.

Классификация простых соединений

Теперь пришло время ознакомиться с самым интересным: классификацией как органических, так и неорганических веществ.

Сейчас миру известны тысячи различных неорганических соединений. Знать все их названия, формулы и свойства практически невозможно. Поэтому все вещества неорганической химии разделены на классы, группирующие все соединения по сходному строению и свойствам. Такая классификация представлена в таблице ниже.

Неорганические вещества
Простые	Металлические (металлы)
Неметаллические (неметаллы)
Амфотерные (амфигены)
Благородные газы (аэрогены)
Сложные	Оксиды
Гидроксиды (основания)
Соли
Бинарные соединения
Кислоты

Для первого разделения использовалось то, из скольких элементов состоит вещество. Если из атомов одного элемента, то оно простое, а если из двух и более — сложное.

Рассмотрим каждый класс простых веществ:

• Металлами называют элементы, расположенные в первой, второй, третьей группах (кроме бора) периодической таблицы Д. И. Менделеева, а также элементы декад, лантоноиды и октиноиды. Все металлы обладают общими физическими (ковкостью, тепло- и электропроводностью, металлическим блеском) и химическими (восстановительные, взаимодействие с водой, кислотой и так далее) свойствами.
• К неметаллам относят все элементы восьмой, седьмой, шестой (кроме полония) групп, а также мышьяк, фосфор, углерод (из пятой группы), кремний, углерод (из четвертой группы) и бор (из третьей).
• Амфотерные соединения — это такие соединения, которые могут проявлять свойства как неметаллов, так и металлов. Например, алюминий, цинк, бериллий и так далее.
• К благородным (инертным) газам относятся элементы восьмой группы: радон, ксеон, криптон, аргон, неон, гелий. Их общее свойство — малая активность.

Так как все простые вещества состоят из атомов одного и того же элемента Периодической системы, то их названия обычно совпадают с названиями этих химических элементов таблицы.

Чтобы различать понятия «химический элемент» и «простое вещество», несмотря на схожесть названий, нужно понимать следующее: при помощи первого образуется сложное вещество, оно связывается с атомами других элементов, его нельзя рассматривать отдельно от какого-либо сложного вещества. Второе же понятие дает нам знать, что это вещество имеет свои свойства, не связываясь с другими. Например, есть кислород, входящий в состав воды, а есть кислород, которым мы дышим. В первом случае элемент как часть целого — воды, а во втором — как само по себе вещество, которым дышит организм живых существ.

Теперь рассмотрим каждый класс сложных веществ:

Оксидами называется сложное вещество, состоящее из двух элементов, одним из которых является кислород. Оксиды бывают: основными (при растворении в воде из них образуются в основания), амфотерными (образованы при помощи амфотерных металлов), кислотными (образованы неметаллами в степенях окисления от +4 до +7), двойные (образованы с участием металлов в разных окислительных степенях) и несолеобразующие (например, NO, CO, N2O и другие).
К гидроксидам относят вещества, имеющие в своем составе группу — OH (гидроксильную группу). Они бывают: основными, амфотерными и кислотными.
Солями называются такие сложные соединения, в состав которых входит катион металла и анион кислотного остатка. Соли бывают: средними (катион металла + анион кислотного остатка); кислыми (катион металла + незамещенный(ые) атом(ы) водорода + кислотный остаток); основными (катион металла + кислотный остаток + гидроксильная группа); двойными (два катиона металла + кислотный остаток); смешанными (катион металла + два кислотных остатка).
Бинарное соединение представляет собой двухэлементное соединение или многоэлементное, включающее не более одного катиона, или аниона, или сложного катиона, или аниона. Например, KF, CCl4, NH3 и так далее.
К кислотам относятся такие сложные вещества, катионами которых являются исключительно ионы водорода. Их отрицательные анионы называются кислотными остатками. Данные сложные соединения могут быть кислородосодержащими или бескислородными, одноосновными или двуосновными (в зависимости от числа атомов водорода), сильными или слабыми.

Классификация органических соединений

Вам будет интересно:Что такое «хинди»? Давайте разбираться

Как известно, любая классификация основана на определенных признаках. В основу современной классификации органических соединений положены два важнейших признака:

строение углеродного скелета;
наличие в молекуле функциональных групп.

Функциональная группа — это те атомы или группа атомов, от которых зависят свойства веществ. По ним определяется, к какому классу относится то или иное соединение.

Углеводороды
Ациклические	Предельные
Непредельные	Этиленовые
Ацетиленовые
Диеновые
Циклические	Циклоалканы
Ароматические

• спирты (-OH);
• альдегиды (-COH);
• карбоновые кислоты (-COOH);
• амины (-NH2).

Для понятия первого разделения углеводородов на циклические и ациклические классы необходимо познакомиться с видами углеродных цепей:

• Линейные (углероды расположены вдоль прямой).
• Разветвленные (один из углеродов цепи имеет связь с другими тремя углеродами, то есть образуется разветвление).
• Замкнутые (атомы углерода образуют кольцо, или цикл).

Те углероды, которые имеют в своем строение циклы, называются циклическими, а остальные — ациклическими.

Характеристика и примеры соединений

Вещества, относящиеся к каждому из классов, обладают характеристиками и свойствами, определяющими их опасность при контакте с живыми организмами. По степени опасности их разделяют на следующие классы:

1. Чрезвычайно опасные вещества первого (1) класса даже в малом количестве способны вызвать летальный исход. Для человека смертельной станет пероральная доза всего в 15 миллиграмм на 1 кг массы тела. В случае воздействия через кожу летальным станет количество около 100 миллиграмм на 1 кг. Предельно допустимая концентрация таких соединений в воздухе — менее 0,1 миллиграмма на 1 м3.
2. Высокоопасные соединения, относящиеся ко второму (2) классу, оказывают серьёзное действие на организмы живых существ. Показатели опасных для жизни количеств для веществ, входящих во второй класс, несколько ниже, чем у чрезвычайно опасных. Они составляют от 15 до 150 миллиграмм на 1 кг массы тела перорально и от 100 до 500 миллиграмм на 1 кг при попадании на кожу. Допустимая концентрация в воздухе — от 0,1 до 1 миллиграмма на м3.
3. Третий (3) класс опасности — вещества, относящиеся к умеренно опасным. Соединения имеют следующие средние значения летальных доз: от 150 до 5 тыс. миллиграмм на 1 кг при попадании в желудок человека, а при нанесении на кожу — от 500 до 2500 миллиграмм на 1 кг массы тела. В воздухе концентрация таких соединений допускается от 1 до 10 миллиграмм на 1 м3. Несмотря на то что показатели опасных для жизни концентраций у соединений этого класса довольно низкие, они всё же способны наносить весьма серьёзный вред организму. Соблюдение правил техники безопасности при обращении с любыми опасными соединениями должно быть обязательным.
4. Четвёртый (4) класс опасности химических веществ называют малоопасным. Подобные соединения широко применяются в химической промышленности и быту. Тем не менее они тоже способны нанести вред здоровью человека при несоблюдении правил безопасного обращения с химическими соединениями. Средние показатели смертельных доз при введении в желудок и попадании на кожу равны более 5 тыс. миллиграмм на 1 кг и более 2500 миллиграмм на 1 кг массы тела соответственно. Безопасная концентрация в воздухе — 10 и более миллиграмм на м3.

Рекомендуем: Места образования, сбор и уничтожение отходов класса Б

I	II	III	IV
Бериллий (Be), винилхлорид (C₂H₃Cl), гидразин (N₂H₄), диоксины (полихлорпроизводные дибензодиоксина), зоман (C₇H₁₆FO₂P), никотин (C₁₀H₁₄N₂), озон (О3), оксид свинца (PbO), полоний (Po), ртуть (Hg), стрихнин (C₂₁H₂₂N₂O₂), таллий (Tl), терефталевая кислота (C₈H₆O₄), теллур (Te), фтороводород (HF), цианиды калия, натрия (KCN, NaCN), синильная кислота (HCN).	Барий (Ba), гидроксид натрия (NaOH), дибромхлорметан (CHClBr2), кадмий (Cd), кобальт (Co), литий (Li), метанол (CH3OH), мышьяк (As), нитриты (MeNO2), свинец (Pb), серная кислота (H2SO4), селен (Se), сероводород (H2S), стирол (C₈H₈), соляная кислота (HCl), сурьма (Sb), формальдегид (CH2OH), фтор (F2), фенол (C6H5OH), хлор (Cl2), хлороформ (CHCl₃), четыреххлористый углерод (CCl4).	Азотная кислота (HNO3), бензин, силикагель (nSiO2·mH2O), трихлорэтилен (C2HCl3), соединения меди, соединения серебра, соединения никеля, соединения алюминия, соединения марганца.	Аммиак (NH3), этанол (C2H5OH), метан (CH4), соединения железа, керосин.

Органические вещества

С соединениями органической химии все не так просто, как с неорганикой. Дело в том, что принципы химической номенклатуры органических соединений основаны сразу на трех типах номенклатур. На первый взгляд, это кажется удивительно и запутанно. Однако они довольно просты. Вот типы номенклатуры химических соединений:

• историческая, или тривиальная;
• систематическая, или международная;
• рациональная.

В настоящее время именно они применяются для того, чтобы дать название тому или иному органическому соединению. Рассмотрим каждую из них и убедимся в том, что номенклатура основных классов химических соединений не так уж и сложна, как кажется.

Альдегиды и кетоны

Альдегидами называют производные углеводородов, у которых при первичном атоме углерода два атома водорода заменены на один атом кислорода, т.е. производные углеводородов в структуре которых имеется альдегидная группа –СН=О. Общую формулу альдегидов можно записать как  R-CH=O. Например:

этаналь	метаналь

Кетонами называют производные углеводородов, у которых при вторичном атоме углерода два атома водорода заменены на атом кислорода, т.е. соединения, в структуре которых есть карбонильная группа –C(O)-.

Общая формула кетонов может быть записана как R-C(O)-R’. При этом радикалы R, R’ могут быть как одинаковыми, так и разными.

Например:

пропанон	бутанон

Как можно заметить, альдегиды и кетоны весьма схожи по строению, однако их все-таки их различают как классы, поскольку они имеют существенные различия в химических свойствах.

Общая молекулярная формула предельных кетонов и альдегидов одинакова и имеет вид C_nH_2nO

Тривиальная

Это самая первая номенклатура, появившаяся в начале развития органической химии, когда еще не было ни классификации веществ, ни теории строения их соединений. Органическим соединениям присваивались случайные названия по источнику получения. Например, яблочная кислота, щавелевая кислота. Также отличительными критериями, по которым давались названия, были цвет, запах и химические свойства. Однако последнее служило поводом редко, потому что в этот период времени было известно сравнительно мало информации о возможностях органического мира. Однако многие названия данной довольно старой и узкой номенклатуры часто применяются до сих пор. Например: уксусная кислота, мочевина, индиго (фиолетовые кристаллы), толуол, аланин, масляная кислота и многие другие.

Российский регистр химических и биологических веществ

Российский регистр потенциально опасных химических и биологических веществ занимается проведением независимых экспертиз различной продукции с целью установить ее соответствие санитарно-эпидемиологическим и гигиеническим требованиям.

Это учреждение проводит маркировку химических веществ в соответствии с общепризнанной классификацией. Задачей регистра является информационное обеспечение в сфере химической безопасности, а также содействие интеграции нашей страны в мировое экономическое сообщество.

Российский регистр ежегодно публикует списки химических веществ, представляющие угрозу для жизни людей, данные об их транспортировке, утилизации, токсичности и других параметрах.

В открытом доступе можно найти списки химических веществ, прошедших государственную регистрацию, базу данных опасных веществ.

Федеральный регистр является главным информационным ресурсом, который обеспечивает реализацию многих международных договоров, которые заключила наша страна в отношении опасных химических веществ и пестицидов.

Ковалентное взаимодействие

Как уже упоминалось ранее, виды химических связей имеют определённое влияние на вещества. Так, например, ковалентная «перемычка» очень нестойкая, из-за чего соединения с ней легко разрушаются при малейшем внешнем воздействии, нагревании например. Правда, касается это только молекулярных веществ. Те же, что имеют немолекулярное строение, практически неразрушимы (идеальный пример – кристалл алмаза – соединение атомов углерода).

Вернёмся к полярной и неполярной ковалентной связи. С неполярной всё просто – электроны, между которыми образуется «перемычка», находятся на равном расстоянии от атомов. Но во втором случае они смещаются к одному из элементов. Победителем в «перетягивании» окажется то вещество, электроотрицательность (способность привлекать электроны) которого выше. Определяется она по специальным таблицам, и чем больше разница этой величины у двух элементов, тем более полярной будет связь между ними. Правда единственное, для чего может пригодиться знание электроотрицательности элементов, – определение катиона (положительный заряд – вещество, у которого эта величина будет меньше) и аниона (отрицательная частица с лучшей способностью к привлечению электронов).