Один атом углерода, четыре связи — и из этого вырастает вся органика: от метана до белка.
Органическая химия — химия соединений углерода (кроме простейших: CO, CO2, карбонатов, цианидов — они «неорганические» по традиции). Атом углерода образует 4 равноценные ковалентные связи и способен соединяться сам с собой в цепи, кольца, разветвления — практически без ограничений по длине.
Ни один другой элемент не даёт такого разнообразия структур: кремний образует слишком слабые связи Si–Si, азот и кислород — слишком сильно электроотрицательны и не любят длинные цепи из-за отталкивания неподелённых пар.
Всё здание органики стоит на трёх положениях. Знать их стоит формулировками — часто спрашивают дословно.
Атомы в молекуле соединены в определённой последовательности согласно валентности — эта последовательность называется химическим строением.
Свойства вещества зависят не только от состава, но и от химического строения молекулы.
Атомы в молекуле влияют друг на друга не только напрямую, но и через другие атомы цепи.
Одна и та же молекулярная формула может отвечать разным веществам с разными свойствами — так впервые было объяснено явление изомерии.
Бутлеров не просто описал уже известные вещества — из теории следовало, что для формулы C5H12 должно существовать три изомера (пентан, изопентан, неопентан). На момент публикации теории был известен только один. Два оставшихся синтезировали позже, именно по предсказанию теории — редкий случай, когда абстрактная модель строения прямо указала путь синтеза.
Форма молекулы и тип связи напрямую определяются типом гибридизации орбиталей углерода.
| Тип | σ-связей | π-связей | Угол | Форма | Пример |
|---|---|---|---|---|---|
| sp3 | 4 | 0 | 109,5° | тетраэдр | CH₄, алканы |
| sp2 | 3 | 1 | 120° | плоский треугольник | C₂H₄, алкены, бензол |
| sp | 2 | 2 | 180° | линейная | C₂H₂, алкины, алкадиены (кумулир.) |
Считай число σ-связей у атома: 4 одинарные → sp3; одна двойная связь → sp2; тройная связь или две двойные подряд (аллен) → sp.
Брутто-формула C₂H₄ ничего не говорит о строении. Структурная — показывает каждую связь, и по ней гибридизация читается мгновенно.
Запись C₂H₆O подходит двум разным веществам — этанолу и диметиловому эфиру. Пока не написана структурная формула, вещество не определено. В заданиях 32–33 сокращённая запись без явных связей часто стоит балла.
Состав одинаков — C₂H₆O, а вещества разные: у спирта есть группа –OH и водородные связи между молекулами, у эфира её нет. Отсюда разница в температуре кипения на сто градусов. Это и есть изомерия, о которой писал Бутлеров.
Два первых атома связаны двойной связью — у них sp2, углы 120°, эта часть молекулы плоская. Третий атом имеет только одинарные связи — sp3, тетраэдр.
σ-связь образуется прямым перекрыванием орбиталей «вдоль оси» — перекрывание максимальное, связь прочная (~350 кДж/моль для C–C). π-связь — перекрыванием «сбоку», параллельно осям p-орбиталей, перекрывание слабее (~270 кДж/моль). Именно поэтому двойные и тройные связи легко разрываются в реакциях присоединения: атакуется в первую очередь менее прочная π-составляющая, σ-каркас остаётся цел.
Изомеры — вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением и свойствами.
Различается порядок связывания атомов.
Порядок связей одинаков, различается расположение в пространстве.
На словах «различается порядок связывания» звучит абстрактно. Нарисуй — и разница видна сразу.
Оба — C₄H₁₀, но у н-бутана tкип = −0,5 °C, а у изобутана −11,7 °C. Разветвлённые изомеры кипят ниже: их молекулы компактнее и хуже цепляются друг за друга.
Вокруг одинарной связи группы свободно вращаются — «стороны» постоянно меняются местами, и разных веществ не получается. Двойная связь вращение блокирует (для поворота пришлось бы разорвать π-связь), поэтому расположение фиксируется и возникают два разных вещества. Та же причина работает в циклах.
Мало иметь двойную связь. Нужно, чтобы при каждом атоме углерода двойной связи были два разных заместителя. У пропена CH₂=CH–CH₃ цис-транс изомеров нет: у первого углерода два одинаковых водорода.
Три. Считаем только углеродный скелет:
Больше вариантов нет: любая другая запись сводится поворотом к одной из этих трёх. Типичная ошибка — посчитать «C–C–C–C с метилом с другого конца» за четвёртый изомер, но это тот же изопентан.
Изомеры — одна формула, разное строение (C2H6O: этанол и диметиловый эфир). Гомологи — разные формулы, отличаются на CH2, похожи по строению и свойствам (метан и этан). В заданиях на сравнение пар веществ спрашивают именно эту разницу.
Геометрическая изомерия возможна только если у каждого sp2-атома двойной связи два разных заместителя. Бутен-2 (CH3-CH=CH-CH3) её имеет, а пропен (CH2=CH-CH3) — нет, потому что у первого атома двойной связи два одинаковых заместителя (H и H).
Незамкнутая цепь: линейная или разветвлённая. алканы, алкены
Замкнутое кольцо только из C. циклогексан, бензол
В кольце есть другой элемент (N, O, S). пиридин, фуран, пиррол
| Группа | Формула | Класс | Пример |
|---|---|---|---|
| гидроксильная | –OH | спирты, фенолы | C₂H₅OH |
| карбонильная (альдегидная) | –CHO | альдегиды | CH₃CHO |
| карбонильная (кетонная) | –CO– | кетоны | CH₃COCH₃ |
| карбоксильная | –COOH | карбоновые кислоты | CH₃COOH |
| сложноэфирная | –COO– | сложные эфиры | CH₃COOC₂H₅ |
| аминогруппа | –NH₂ | амины | C₂H₅NH₂ |
| нитрогруппа | –NO₂ | нитросоединения | C₆H₅NO₂ |
| сульфогруппа | –SO₃H | сульфокислоты | C₆H₅SO₃H |
Именно по функциональной группе вещество относят к классу и предсказывают его химию — а не по длине углеродного скелета, который лишь «фон».
CH₄+Cl₂→CH₃Cl+HCl
C₂H₄+Br₂→C₂H₄Br₂
C₂H₅OH→C₂H₄+H₂O
н-бутан→изобутан
Соединения с только одинарными связями (алканы, предельные спирты) вступают в реакции замещения. Соединения с кратной связью (алкены, алкины, альдегиды, арены — частично) — в реакции присоединения. Это первое, что стоит проверять в задании на «какой тип реакции».
Связь рвётся симметрично, каждому атому — по электрону. Образуются радикалы (частицы с неспаренным электроном). Так идёт хлорирование алканов на свету.
Связь рвётся несимметрично, пара уходит к одному атому. Образуются ионы. Так идёт присоединение к алкенам и замещение в аренах.
Электрофил (E) — «любит электроны»: частица со свободной орбиталью или δ+ (H+, Br+, NO₂+). Нуклеофил (N) — «любит ядра»: частица с неподелённой парой или δ− (OH-, NH₃, галогенид-ион). Электрофилы атакуют богатые электронами двойные связи и кольца — отсюда электрофильное присоединение (алкены) и электрофильное замещение (арены).
Изомеры бывают не только внутри класса. Часто одной брутто-формуле отвечают вещества из разных классов — это межклассовая изомерия, и её любят спрашивать.
| Общая формула | Класс | Межклассовый изомер |
|---|---|---|
| CₙH₂ₙ | алкены | циклоалканы |
| CₙH₂ₙ₋₂ | алкины | алкадиены, циклоалкены |
| CₙH₂ₙ₊₂O | предельные спирты | простые эфиры |
| CₙH₂ₙO | альдегиды | кетоны, непредельные/циклические спирты |
| CₙH₂ₙO₂ | карбоновые кислоты | сложные эфиры |
| CₙH₂ₙ₊₁NO₂ | аминокислоты | нитроалканы |
С каждым новым углеродом число структурных изомеров растёт лавинообразно: C₄H₁₀ — 2, C₅H₁₂ — 3, C₆H₁₄ — 5, C₇H₁₆ — 9, C₈H₁₈ — 18, C₁₀H₂₂ — уже 75. Именно способность углерода образовывать длинные разветвлённые цепи объясняет, почему органических веществ — миллионы.
Формула CₙH₂ₙO₂ при n=2. Основной класс — карбоновые кислоты: уксусная CH₃COOH. Межклассовый изомер — сложные эфиры: метилформиат HCOOCH₃. Оба C₂H₄O₂, но кислота реагирует с содой и металлами, а эфир — нет.
| Ряд | Общая формула | Ненасыщенность |
|---|---|---|
| алканы | CₙH₂ₙ₊₂ | 0 |
| алкены, циклоалканы | CₙH₂ₙ | 1 |
| алкины, алкадиены | CₙH₂ₙ₋₂ | 2 |
| арены (бензольный ряд) | CₙH₂ₙ₋₆ | 4 |
| предельные одноатомные спирты | CₙH₂ₙ₊₁OH | 0 |
| предельные альдегиды/кетоны | CₙH₂ₙO | 1 |
| предельные карбоновые кислоты | CₙH₂ₙO₂ | 1 |
Для C4 предельный алкан был бы C4H10. У нас на 2 атома H меньше → одна степень непредельности.
Значит C4H8 — это либо алкен (бутен-1, бутен-2, изобутилен), либо циклоалкан (циклобутан, метилциклопропан).
Вещество: 40% C, 6,67% H, 53,33% O; M = 60 г/моль.
n(C):n(H):n(O) = 40/12 : 6,67/1 : 53,33/16 = 3,33 : 6,67 : 3,33 = 1 : 2 : 1
Простейшая формула CH2O (M=30), в реальной молекуле M=60 → множитель 2 → C₂H₄O₂ (уксусная кислота).
Ответь мысленно, потом раскрой карточку.
Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от химического строения молекулы.
sp — тройная связь означает 2 σ-связи + 2 π-связи у каждого атома, угол 180°.
Гомологи — разные формулы, отличаются на CH2. Изомерами были бы, например, н-бутан и изобутан (оба C4H10).
Нет — у одного из атомов двойной связи два одинаковых заместителя (два H), условие геометрической изомерии не выполняется.
Замещение — этан имеет только одинарные связи, атом водорода замещается на хлор.
Предельный алкан C5H12. Разница в 4 атома H = 2 степени непредельности (алкадиен, алкин, или два кольца/кратные связи).
Этанол C2H5OH: M = 2·12+6·1+16 = 46. Проверка по общей формуле спиртов CnH2n+1OH при n=2.
Оптическая изомерия требует хирального центра — атома с четырьмя разными заместителями. Если хотя бы два заместителя одинаковы, у молекулы появляется плоскость симметрии, и зеркальное отражение совпадает с оригиналом.
Орбита оценит уровень по каждой из 34 тем ЕГЭ и сама подберёт, что решать дальше. Первая диагностика — 12 задач, регистрация по логину, почту не спрашиваем.
Начать бесплатно