Урок-лекция
"Теория химического строения А.М. Бутлерова" < Слайд
1>
Задачи
лекции:
формировать понятия о сущности теории химического строения органических
веществ, опираясь на знания учащихся об электронном строении атомов элементов,
их положении в Периодической системе Д.И. Менделеева, о степени
окисления, природе химической связи и о других главнейших теоретических
положениях: последовательность расположения атомов углерода в цепи, взаимное
влияние атомов в молекуле, зависимость свойств органических
веществ от структуры молекул;
ХОД
УРОКА
1.
Организацонная часть
2.
Изучение нового
План лекции: <
Слайд 2>
I. Доструктурные
теории:
– витализм;
– теория радикалов;
– теория типов.
II. Краткая справка о состоянии химической науки к 60-м годам XIX
столетия. Условия создания теории химического строения веществ:
– необходимость создания теории;
– предпосылки теории химического строения.
III. Сущность теории химического строения органических веществ А.М. Бутлерова.
Понятие об изомерии и изомерах.
IV. Значение теории химического строения органических веществ А.М. Бутлерова и
ее развитие.
3. Задание
на дом: конспект,
п. 2.
4. Лекция
I. Знания об
органических веществах накапливались постепенно еще с глубокой древности, но
как самостоятельная наука органическая химия возникла лишь в начале XIX века.
Оформление самостоятельности орг.химии связано с именем шведского ученого Я.
Берцелиуса < Слайд 3>. В 1808-1812 г.г. он издал свое большое руководство
по химии, в котором первоначально намеревался рассмотреть наряду с минеральными
также и вещества животного и растительного происхождения. Но часть
учебника, посвященная орг.веществам, появилась лишь в 1827 г.
Самое существенное различие между веществами неорганическими и органическими Я.
Берцелиус видел в том, что первые могут быть получены в лабораториях
синтетическим путем, в то время как вторые якобы образуются лишь в живых
организмах под действием некой «жизненной силы» – химического синонима «души»,
«духа», «божественного происхождения» живых организмов и составляющих их
органических веществ.
Теория, объяснявшая образование орг.соединений вмешательством «жизненной силы»,
получила название витализма. В течение некоторого времени она
пользовалась популярностью. В лаборатории удавалось синтезировать лишь самые
простые углеродсодержащие вещества, такие как углекислый газ – СО2,
карбид кальция – CaC2, цианид калия – KCN.
Только в 1828 г. немецкий ученый Вёлер < Слайд 4> сумел получить
органическое вещество мочевину из неорганической соли – цианата аммония – NH4CNO.
NH4CNO ––t–> CO(NH2)2
В 1854 г. французский ученый Бертло <. Слайд 5>получил триглицерид. Это и
повлекло за собой необходимость изменения определения органической химии.
Ученые пытались на основании состава и свойств разгадать природу молекул
органических веществ, стремились создать систему, которая позволила бы связать
воедино разрозненные факты, накопившиеся к началу XIX века.
Основные положения теории радикалов:< Слайд 7>
– в состав
органических веществ входят радикалы, несущие на себе положительный
заряд;
– радикалы всегда постоянны, не подвергаются изменениям, они без изменений
переходят из одной молекулы в другую;
– радикалы могут существовать в свободном виде.
– понятие
«радикал» прочно вошло в химию;
– верным оказалось утверждение о возможности существования
радикалов в свободном виде, о переходе в огромном числе реакций определенных
групп атомов из одного соединения в другое.
В 40-х г.г. XIXв.
Было положено начало учению о гомологии, позволившему выяснить некоторые
отношения между составом и свойствами соединений. Выявлены гомологические ряды,
гомологическая разность, что позволило классифицировать органические вещества.
Классификация орг.веществ на основе гомологии привела к возникновению теории
типов (40-50-е годы XIX в., Ш. Жерар, А.Кекуле и др.) < Слайд 9>
Сущность
теории типов <
Слайд 10>
– в основу теории
положена аналогия в реакциях между органическими и некоторыми неорганическими
веществами, принятыми в качестве типов ( типы: водород, вода, аммиак,
хлороводород и др.). Замещая в типе вещества атомы водорода на другие группы
атомов, ученые предсказали различные производные. Например, замещение атома
водорода в молекуле воды на радикал метил приводит к возникновению молекулы
спирта. Замещение двух атомов водорода – к появлению молекулы простого эфира
< Слайд 11>
Жерар прямо
говорил в связи с этим, что формула вещества – это только сокращенная запись
его реакций.
Все орг. вещества
считали производными простейших неорганических веществ – водорода ,
хлороводорода, воды, аммиака < Слайд 12>
< Слайд 13>
– молекулы
органических веществ представляют собой систему, состоящую из атомов,
порядок соединения которых неизвестен; на свойства соединений влияет
совокупность всех атомов молекулы;
– невозможно познать строение вещества, так как молекулы в процессе реакции
изменяются. Формула вещества отражает не строение, а реакции, в
которые данное вещество. Для каждого вещества можно написать столько
рациональных формул, сколько различных видов превращений может испытывать
вещество. Теория типов допускала множественность «рациональных формул» для
веществ в зависимости от того какие реакции хотят этими формулами выразить.
Теория
типов сыграла большую роль в развитии органической химии <
Слайд 14>
– позволила
предсказать и открыть ряд веществ;
– оказала положительное влияние на развитие учения о валентности;
– обратила внимание на изучение химических превращений органических
соединений, что позволило глубже изучить свойства веществ, а также свойства
предсказываемых соединений;
– создала совершенную для того времени систематизацию органических соединений.
Ни одна из этих
теорий не стала теорией органической химии в полном смысле слова. Главная
причина несостоятельности этих представлений в их идеалистической
сущности: внутреннее строение молекул считалось принципиально непознаваемым, а
любые рассуждения о нем – шарлатанством.
Нужна была новая
теория, которая бы стояла на материалистических позициях. Такой теорией явилась
теория химического строения А.М. Бутлерова <Слайды 15, 16>,
которая создана в 1861 г. Все рациональное и ценное, что было в теориях
радикалов и типов, было в дальнейшем ассимилировано теорией химического
строения.
Необходимость
появления теории диктовалась: < Слайд 17>
– возросшими
требованиями промышленности к органической химии. Необходимо было
обеспечить текстильную промышленность красителями. В целях развития пищевой
промышленности требовалось усовершенствовать методы переработки
сельскохозяйственных продуктов.
В связи с этими задачами начали разрабатываться новые методы синтеза
органических веществ. Однако у ученых возникли серьезные затруднения по
научному обоснованию этих синтезов. Так, например, нельзя было объяснить
валентность углерода в соединениях с помощью старой теории.
Углерод нам известен как элемент 4-х валентный (Это было доказано
экспериментально). Но здесь он как будто только в метане CH4
сохраняет эту валентность. В этане C2H6 если следовать
нашим представлениям, углерод д.б. 3-валентным, а в пропане C3H8
– дробную валентность. (А мы знаем, что валентность должна быть выражена только
целыми числами).
Какова же валентность углерода в органических соединениях?
Было непонятно,
почему существуют вещества с одинаковым составом, но различными свойствами: С6H12O6
– молекулярная формула глюкозы, но такая же формула и фруктозы
(сахаристого вещества – составной части мёда).
Доструктурные
теории не могли объяснить многообразие органических веществ. (Почему углерод и
водород – два элемента, – могут образовывать такое большое число различных
соединений?).
Необходимо было
систематизировать имеющиеся знания с единой точки зрения и разработать
единую химическую символику.
Научно
обоснованный ответ на эти вопросы дала теория химического строения
органических соединений, созданная русским ученым А.М. Бутлеровым.
Основными
предпосылками,
подготовившими почву для возникновения теории химического строения были
< Слайд 18>
– учение о
валентности. В 1853 г. Э. Франкланд ввел понятие о валентности, установил
валентность для ряда металлов, исследуя металлоорганические соединения.
Постепенно понятие валентности было распространено на многие элементы.
В 1858 г. А.
Кекуле предложил считать атом углерода четырехвалентным.
Важным открытием
для органической химии явилась гипотеза о способности атомов углерода к
образованию цепей (А. Кекуле, А. Купер).
Одной из
предпосылок была выработка правильного представления об атомах и молекулах. До
2-й половины 50-х г.г. XIXв. Не было общепризнанных критериев для определения
понятий: «атом», «молекула», «атомная масса», «молекулярная масса». Только на
международном конгрессе химиков в Карлсруэ (1860 г.) были четко определены эти
понятия, что предопределило развитие теории валентности, возникновение
теории химического строения.
Основные
положения теории химического строения А.М. Бутлерова (1861 г.)
А.М. Бутлеров
сформулировал важнейшие идеи теории строения органических соединений в виде
основных положений, которые можно разделить на 4 группы.< Слайд 19>
1. Все
атомы, образующие молекулы органических веществ, связаны в определенной
последовательности согласно их валентности (т.е. молекула имеет строение).
< Слайды 19,
20>
В соответствии с
этими представлениями валентность элементов условно изображают черточками,
например, в метане CH4. < Слайд 20>>
Такое схематичное
изображение строения молекул называют формулами строения и структурными
формулами. Основываясь на положениях о 4-х валентности углерода и способности
его атомов образовывать цепи и циклы, структурные формулы орг.веществ можно
изобразить так: < Слайд 20>
В этих соединениях
углерод четырехвалентен. (Черточка символизирует ковалентную связь, пару
электронов).
2.
Свойства вещества зависят не только от того какие атомы и сколько их входит в
состав молекул, но и от порядка соединения атомов в молекулах.(т.е. свойства
зависят от строения) < Слайд 19>
Данное положение
теории строения орг.веществ объяснило, в частности, явление изомерии.
Существуют соединения, которые содержат одинаковое число атомов одних и
тех же элементов, но связанных в различном порядке. Такие соединения обладают
разными свойствами и называются изомерами.
Явление существования веществ с одинаковым составом, но разным строением и
свойствами называется изомерией. < Слайд 21>
Существование
изомеров орг.веществ объясняет их многообразие. Явление изомерии было
предсказано и доказано (экспериментально) А.М.Бутлеровым на примере
бутана
Так, например,
составу С4Н10 отвечают две структурные формулы: <
Слайд 22>
Разное взаимное
расположение атомов углерода в молекулах у/в появляется только с бутана. Число
изомеров возрастает с увеличением числа атомов углерода у соответствующего
углеводорода, например, у пентана – три изомера, а у декана – семьдесят пять.
3. По
свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по
строению молекулы предвидеть свойства. < Слайд 19>
Из курса
неорганической химии, известно, что свойства неорганических веществ зависят от
строения кристаллических решеток. Отличительные свойства атомов от ионов
объясняются их строением. В дальнейшем мы убедимся, что органические вещества с
одинаковыми молекулярными формулами, но разным строением отличаются не только
по физическим, но и по химическим свойствам.
4. Атомы и
группы атомов в молекулах веществ взаимно влияют друг на друга.
< Слайд 19>
Как нам уже
известно, свойства неорганических соединений, содержащих гидроксогруппы,
зависят от того, с какими атомами они связаны – с атомами металлов или
неметаллов. Так например, гидроксогруппу содержат как основания, так и
кислоты:< Слайд 23>
Однако, свойства
этих веществ совершенно различны. Причина различного химического
характера группы – ОН (в водном растворе) обусловлена влиянием связанных
с ней атомов и групп атомов. С возрастанием неметаллических свойств
центрального атома ослабляется диссоциация по типу основания и возрастает
диссоциация по типу кислоты.
Органические
соединения также могут иметь разные свойства, которые зависят от того, с
какими атомами или группами атомов связаны гидроксильные группы.
Вопрос о взаимном
вливании атомов А.М. Бутлеров подробно разобрал 17 апреля 1879 г. на
заседании Русского физико – химического общества. Он говорил, что если с
углеродом связаны два разных элемента, например, Cl и H, то «они здесь не
зависят один от другого в той степени, как от углерода: между ними нет той
зависимости, той связи, какая существует в частице соляной кислоты… Но следует
ли из этого, что в соединении CH2Cl2 между водородом и
хлором нет никакой зависимости? Я отвечаю на это решительным отрицанием».
В качестве
конкретного примера он приводит далее увеличение подвижности хлора при
превращении группы CH2Cl в COCl и говорит по этому поводу:
«Очевидно, что характер находящегося в частице хлора изменился под влиянием
кислорода, хотя этот последний и не соединился с хлором непосредственно». <
Слайд 23>
Вопрос о взаимном
влиянии непосредственно не связанных атомов явился основным теоретическим
стержнем работ В.В. Морковникова.
В истории
человечества известно сравнительно немного ученых, открытия которых имеют
всемирное значение. В области органической химии такие заслуги принадлежат А.М.
Бутлерову. По значимости теорию А.М. Бутлерова сопоставляют с Периодическим
законом.
Теория
химического строения А.М. Бутлерова:< Слайд 24>
– дала возможность
систематизировать органические вещества;
– ответила на все вопросы, возникшие к тому времени в органической химии (см.
выше);
– позволила теоретически предвидеть существование неизвестных веществ, найти
пути их синтеза.
Прошло почти 140
лет с тех пор, как была создана ТХС органических соединений А.М. Бутлерова но и
теперь химики всех стран используют ее в своих работах. Новейшие достижения
науки пополняют данную теорию, уточняют и находят все новые подтверждения
правильности ее основных идей.
Теория химического
строения и сегодня остается фундаментом органической химии.
3. Закрепление изученного
Вопросы на стр.22 учебника
упр.8,9 письменно
4.Итог урока.
5. Д/з.
