Программа для поступающих в вузы (ответы)

O=C=O, –C=N, >C=S. Для Si и Ge соединений с подобными группировками не

установлено, Sn и Pb образуют соединения, характерные для металлов. При

обычных условиях все аллотропные модификации углерода весьма инертны, др.

элементы группы достаточно активны и взаимодействуют со многими веществами.

При увеличении температуры химическая активность всех веществ, образованных

элементами группы, резко возрастает. В соединениях С и Si проявляют СО –4,

+2, +4, Ge, Sn и Pb – +2, +4. Устойчивость соединений в высших СО от Si к

Pb уменьшается.

Э + Н2 =

Э + Г2 = C (CF4); Si, Ge, Sn (ЭГ4); Pb (F4, Cl4, Br2, I2)

Э + О2 = ЭO2; Pb (PbO)

Э + S = C, Si, Ge, Sn (ЭS2); Ge, Sn, Pb (ЭS)

Si + N2 = Si3N4

Э + Р = Si, Ge, Sn (ЭР), ЭР2, ЭР3

Э + С =

Э + Ме = карбиды, силициды, сплавы.

Э + H2O =

Э + H2SO4(k) = C, Si; Ge, Sn (Э(SO4)2); Pb(HSO4)2

Э + H2SO4(p) = C, Si, Ge; ЭSO4 (Pb пассивируется)

Э + NaOH = C, Ge; Na2SiO3; Sn, Pb (Na2[Э(OH)4])

Э + HNO3(k) = Si; C (CO2); Ge, Sn (xЭO2·yH2O)

Э + HNO3(p) = C, Si, Ge; Sn, Pb (Э(NO3)2)

Э + HCl = C, Si, Ge; Sn, Pb (ЭCl2), (Pb пассивируется).

Наиболее важными соединениями углерода является СН4 и СО2. СН4 является

химически инертным газом. Огромные его количества находятся в природе в

виде природного газа. Он широко используется в различных органических

синтезах, а также в быту. СО2 представляет собой газ. Он проявляет

кислотные свойства, являясь ангидридом угольной кислоты. Он используется в

качестве восстановителя, в пищевой промышленности для газирования различных

напитков, «сухой лед». Также большое практическое значение имеют соли не

выделенной в свободном состоянии угольной кислоты Н2СО3. Из соединений

кремния очень важен оксид SiO2. Это кислотный оксид. Он используется как

восстановитель, а также в стекольной и цементной промышленности.

В свободном виде кремний в природе не встречается, а только в

соединениях, важнейшим из которых является кремнезем SiO2. Кремний также

входит в состав полевого шпата и каолина. Кремнезем является главным сырьем

для производства стекла, цемента и керамики. Стекло получают из смеси песка

SiO2, соды Na2CO3 и известняка CaCO3, которую нагревают до 1500°С. При этом

протекают реакции:

Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2;

CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 +CO2.

Затем силикаты натрия и калия сплавляют с песком и получают стекло

Na2O·CaO·6SiO2.

Если же вместо соды брать поташ К2CO3, то образуется тугоплавкое стекло

К2O·CaO·6SiO2.

Чтобы придать стеклу нужную окраску, в него добавляют соответствующие

оксиды металлов: оксиды железа придают стеклу зеленый цвет, кобальта –

синий, меди – голубой, серебра – желтый и т.д. Если в состав стекла входит

оксид свинца, то получают хрусталь – ценное стекло, обладающее большой

лучепреломляющей способностью. Хрусталь хорошо шлифуется, после чего

приобретает сильный блеск.

Цемент получают из известняка и глины. При этом используют и мергель.

Эту смесь обжигают в специальных печах и полученную спекшуюся массу

размалывают. Он широко используется в строительстве как вяжущий материал,

который при смешивании с водой затвердевает. Условно различают два типа

цемента по принципу их «свертывания» - обычный цемент и портландский

цемент. Процесс «схватывания» обычного цемента, состоящего из силиката

кальция, происходит вследствие образования карбоната кальция за счет

углекислого газа воздуха:

CaO·SiO2 + CO2 + H2O = CaCO3 + H2SiO3.

При «схватывании» портландского цемента углекислота не участвует в

процессе, а происходит гидролиз силикатов с последующим образованием

нерастворимых кристаллогидратов:

Ca3SiO5 + H2O = Ca2SiO4 + Ca(OH)2;

Ca2SiO4 + 4H2O = Ca2SiO4·4H2O.

Теория химического строения органических веществ. Зависимость свойств

органических веществ от химического строения. Изомерия. Электронная природа

химической связи в молекулах органических соединений, типы разрыва связи,

понятие о свободных радикалах.

Создателем теории химического строения был великий русский химик

А.М.Бутлеров. Основные положения своей теории он сформулировал в 1858-1861

г.г. Некоторая трудность для нас заключается в том, что создатель теории

строения не формулировал пункт за пунктом положения своей теории в одном

месте: они пронизывают все научное творчество самого Бутлерова и его

учеников.

1. Атомы в органических молекулах связаны друг с другом в определенном

порядке химическими силами. Этот порядок Бутлеров и называл химическим

строением. Во времена Бутлерова лишь в общих словах называли эти силы

«силами валентности»: в наше время выяснено, что силы валентности имеют

электронную природу.

2. Строение можно изучить экспериментально, используя химические методы –

анализ и синтез. В наше время при установлении строения широко используют

также физические методы – разные виды оптической спектроскопии,

рентгенографию, электронографию, определение дипольных моментов.

Физические методы, в первую очередь рентгенография и электронография,

позволяют определить реальное положение каждого атома в молекуле,

получать как бы его фотографию. Это расположение согласуется с найденным

чисто химическим путем. Поэтому мы чаще говорим просто о строении

молекул, опуская прилагательное «химическое», которое обязательно

употреблял Бутлеров.

3. Формулы строения выражают порядок химической связи атомов. В формулах

строения (структурных формулах) символы элементов соединяют черточками,

условно изображающими химическую связь, например:

Структурные формулы в развернутой записи (т.е. с обозначением каждого

атома и каждой связи) уже при небольшом усложнении молекулы становится

трудно читаемыми. Поэтому с самого начала необходимо привыкнуть к

структурным формулам в сокращенной записи, например:

или

Как видно из приведенных примеров, при сокращенной записи рядом с атомом

углерода помещают непосредственно связанные с ним атомы и группы, затем

ставят черточку и после нее переходят к другому атому углерода, со стоящими

при нем заместителями. Чтобы еще более сократить запись, иногда совсем

опускают черточки: например, СН3СН(ОН)СН3.

При построении структурных формул органических соединений необходимо

учитывать найденную опытным путем валентность элементов-органогенов. Так,

валентность углерода 4, водорода 1, кислорода 2, галогенов 1. Азот, сера и

фосфор могут находиться в разных валентных состояниях.

4. Каждое вещество имеет одну определенную формулу строения, отражающую

порядок химической связи атомов в реально существующей молекуле. Это

положение глубоко материалистично, философски правильно: в основе лежит

реально существующий в природе объект – молекула, и структурная формула

должна возможно точнее отразить этот объект. Выполнению этого требования

подчинены все современные «усовершенствования» в написании формул

органических веществ – введение в них обозначений электронных пар,

стрелок, пунктиров, знаков заряда. Все это улучшает соответствие между

формулой и реальной молекулой, т.е. отвечает принципам теории строения.

5. Связанные в молекуле атомы оказывают друг на друга взаимное влияние:

свойство каждого атома в составе молекулы зависит не только от его

собственной природы, но и от окружения, в котором этот атом находится. С

взаимным влиянием атомов мы постоянно встречались во всем курсе

органической химии. Пока ограничимся простейшим примером: и в молекуле

воды, и в молекуле хлористого водорода имеется атом водорода, но сколь

различны его свойства в обоих веществах!

6. Физические и химические свойства органических соединений определяются

составом и строением их молекул. Во времена Бутлерова можно было судить

лишь о химическом строении – порядке химической связи атомов. В настоящее

время имеется возможность определять пространственное строение;

определять распределение электрических зарядов – электронное строение.

Все три особенности строения важны при рассмотрении свойств органических

соединений.

Теория химического строения позволила понять природу изомерии: молекулы

структурных изомеров имеют одинаковый состав, но различаются порядком связи

атомов. Например, формула С2Н6О отвечает двум различным веществам:

диметиловому эфиру и этиловому спирту.

Бутлеров не ограничился лишь теоретическим объяснении изомерии на основе

теории строения. Он провел и ряд экспериментальных работ, подтвердив

предсказания теории получением изобутана и третичного бутилового спирта.

Гомологический ряд предельных углеводородов (алканов), их электронное и

пространственное строение, spі-гибридизация. Номенклатура алканов.

Физические и химические свойства алканов (реакции галогенирования и

окисления). Представления о механизме цепных реакций с участием свободных

радикалов. Метан, его использование.

Алканы являются углеводородами, наиболее богатыми водородом, они

насыщены им до предела. Отсюда название – насыщенные или предельные

углеводороды. Их также называют парафинами. Общая черта в строении алканов

и циклоалканов – простая или одинарная связь между атомами углерода. на

образование этой связи затрачивается одна пара электронов, причем

максимальное перекрывание орбиталей находится на линии, соединяющей центры

атомов. Такую связь называют ?-связью, а электроны, образующие её – ?-

электронами. Распределение электронной плотности ?- связи симметрично

относительно оси, проходящей через центры связанных атомов. В молекулах

насыщенных углеводородов атомы углерода находятся в состоянии spі-

гибридизации и каждый из них образует четыре ?-связи с углеродом или

водородом. Состояние spі-гибридизации характеризуется тетраэдрической

конфигурацией, т.е. пространственное направление связей составляет 109є28’.

Для алканов характерно структурное изомерия: различие в порядке связей. Для

названия алканов используется рациональное номенклатура, но первые четыре

представителя имеют тривиальные названия: это метан, этан, пропан, бутан.

Первые четыре члена гомологического ряда являются газами, от С5 до С15 –

жидкости , с С16 – твёрдые вещества. В гомологическом ряду алканов

постепенно повышаются температуры кипения, плавления, а так же

относительная плотность. Алканы с разветвлённой цепью кипят при более

низких температурах, чем изомеры с нормальной цепью плотности всех алканов

меньше единицы. Они практически не растворимы в воде, однако растворимы в

эфире и других органических растворителях метан и этан практически лишены

запаха, углеводороды С3 – С15 имеют хорошо известный запах бензина или

керосина, высшие члены ряда лишены запаха из-за их малой летучести. В

химическом отношении алканы малоактивны. Парафины вступают лишь в

радикальные реакции замещения, идущие в довольно жёстких условиях. К

реакциям присоединения алканы не способны!

Галогенирование:

CH4 + Cl2 > CH3Cl + Cl2 > CH2Cl2 + Cl2 > CHCl3 + Cl2 > CCl4 (h?)

Реакция идет по цепному механизму:

a) Инициирование цепи:

Cl2 > 2Cl?

b) Рост цепи:

H3C:H + Cl? > H:Cl + H3C?

H3C? +Cl:Cl > H3C:Cl + Cl?

c) Обрыв цепи:

2Cl? > Cl2

2H3C? > CH3–CH3

H3C? + Cl? > CH3–Cl

1. Нитрование (р-ция Коновалова):

CH3CH2CH3 + HONO2 > CH3CH(NO2)CH3 + H2O (t=140°, p, 10%)

2. Крекинг: нагревание до 400°-600? сообщает молекулам достаточно

энергии для того, чтобы произошел гомолитический разрыв С–С связи.

При крекинге предельных углеводородов образуются более простые

предельные и непредельные углеводороды. Наряду с собственно крекингом

при термокаталитической обработке предельных углеводородов идут и

другие процессы:

* Дегидрирование – отнятие водорода с превращением предельных

углеводородов в непредельные.

* Ароматизация алканов и циклоалканов с превращением в ароматические

углеводороды.

* Изомеризация – перестройка углеродого скелета (при действии AlCl3).

Метан используется в основном в качестве дешевого топлива. При горении

он дает почти бесцветное пламя. Из метана получают ценные химические

продукты: метанол, синтез-газ, формальдегид, ацетилен, различные

хлорпроизводные. Этан используется при синтезе этилена. Пропан в смеси с

бутаном используется в качестве топлива. Средние члены гомологического ряда

используют как горючее для двигателей (бензин, керосин), а также в качестве

растворителей. Высшие алканы – топливо для дизельных двигателей, смазочные

масла и сырье для производства моющих средств.

Этиленовые углеводороды (алкены); ?- и ?-связи, spІ-гибридизация.

Пространственная (геометрическая) изомерия. Номенклатура этиленовых

углеводородов. Химические свойства (реакции присоединения водорода,

галогенов, галогеноводородов, воды; реакции окисления и полимеризации).

Правило Марковникова. Получение и использование этиленовых углеводородов.

Алкенами называются ненасыщенные углеводороды, содержащие в молекулах

одну двойную связь. Простейшим представителем алкенов является этилен С2Н4,

в связи, с чем соединения этого ряда называются также углеводородами ряда

этилена. Часто применяется для них название олефины. Гомологический ряд

алкенов имеет общую формулу СnН2n, т. е. как у циклоалканов. Таким образом,

алкены и циклоалканы – изомеры, относящиеся к разным классам. Характерной

особенностью строения алкенов является наличие в молекуле двойной связи

>C=C CH2Cl–CH2Cl

2. CH3–CH=CH2 + HBr > CH3–CHBr–CH3

3. CH2=CH2 + H2O > CH3–CH2OH

4. CH2=CH2 + H2 > CH3–CH3 (Pt)

5. 3СН2=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O > 3HOCH2CH2OH + 2MnO2 + 2КОН

Этилен является одним из важнейших полупродуктов для промышленности

органического синтеза. Многие вещества, получаемые непосредственно из

этилена, имеют практическое применение или используются для дальнейших

синтезов. Пропилен используется для производства изопропилового спирта,

ацетона, глицерина, полипропилена. Изобутилен используется для синтеза

изооктана, полиизобутилена. Бутилены применяются для получения бутадиена –

продукта для получения синтетического каучука.

Общие понятия химии высокомолекулярных соединений (мономер, полимер,

структурное звено, степень полимеризации). Полиэтилен. Полихлорвинил.

Отношение полимеров к нагреванию, действию растворов кислот и щелочей.

Использование полимеров.

Соединения с молекулярными массами от нескольких тысяч до миллионов

получили название высокомолекулярных (полимерных). В настоящее время

научились синтезировать много различных ВМС, нашедших применение для

изготовления различных материалов: пластмасс, волокон, эластомеров. Для

этих материалов очень важны физико-механические свойства – их прочность,

эластичность, термостойкость и др. В результате изучения ВМС установлено,

что их физико-механические свойства зависят, прежде всего, от формы

молекулы, химический состав играет подчиненную роль. По форме молекул

различают два крайних типа полимеров: линейные (нитевидные) и трехмерные

(объемные, глобулярные). Существует и много др. полимеров, занимающих

промежуточное положение между этими крайними типами. Характерные

особенности линейных полимеров – это способность образовывать прочные

волокна и пленки, значительная эластичность, способность растворяться, а

при повышении температуры – плавиться. Типичные представители линейных

полимеров – каучук и его синтетические аналоги, полиамидные волокна.

Трехмерные полимеры не плавятся, нерастворимы, значительно менее эластичны,

чем линейные полимеры, часто даже хрупки. Линейные полимеры можно

превратить в трехмерные, «сшивая» цепные молекулы в пространственную сетку.

Именно такой процесс происходит при вулканизации каучука. Другие типичные

представители трехмерных полимеров – фенолоформальдегидные и глифталевые

смолы. Конечно, не только форма, но и химическая природа макромолекулы

влияет на физико-механические свойства полимера. В зависимости от состава

основной цепи различают полимеры карбоцепные (полимерная цепь состоит

только из атомов углерода) и гетероцепные (в состав полимерной цепи входят

атомы и др. элементов). Важный класс образуют элементоорганические

полимеры, в которые помимо обычных элементов-органогенов входят и атомы др.

элементов – кремния, фосфора, бора, титана и др. ВМС возникают в результате

соединения множества молекул низкомолекулярных веществ – мономеров. Это

может осуществляться путем полимеризации или поликонденсации.

Соответственно полимеры по способам получения разделяют на

полимеризационные и поликонденсационные. Реакция полимеризации заключается

в присоединении друг к другу большого числа молекул мономеров. Реакции

полимеризации идут за счет присоединения к кратным связям или за счет

раскрытия циклов. Цепной реакции дает толчок кокой-то инициатор.

Инициатором часто служат вещества, легко распадающиеся на свободные

радикалы. Большое значение в технике имеет совместная полимеризация смеси

мономеров: такой процесс называется сополимеризацией. Меняя состав смеси

мономеров, можно тонко регулировать свойства получаемых материалов.

Полиолефины. Особое значение приобрела полимеризация олефинов, при

которой образуются ценные высокомолекулярные материалы.

Полиэтилен – это по существу насыщенный углеводород с молекулярной

массой от 20 тысяч до миллиона. Он представляет собой прозрачный материал,

обладающий высокой химической стойкостью, температура размягчения 100-

130°С, предел прочности при растяжении 120-340 кг/смІ, имеет низкую тепло-

и электропроводность.

CH2=CH2 > ???–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–???

Полипропилен получают из пропилена аналогично полиэтилену. Это

прозрачный материал с температурой размягчения 160-170°С, предел прочности

при растяжении 260-500 кг/смІ, обладающий хорошими электроизоляционными

свойствами. Особенностью полимеризации является получение нескольких видов

строения молекулы: атактический полимер (1), синдиотактический полимер (2),

изотактический полимер (3):

1.

[pic]

2.

[pic]

3.

[pic]

Полистирол – бесцветный прозрачный материал, хорошо известный в виде

различных изделий из «органического стекла». Температура размягчения

атактического полистирола ~85°С, а изотактического 230°С, что позволяет

использовать последний при более высоких температурах. Строение

изотактического полистирола следующее:

[pic]

Виниловые полимеры. Кроме углеводородов, способны полимеризоваться и

многие другие соединения с двойной связью, носящие название виниловых

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9