Химия_Задачи и упражнения

друг от друга на группу – СН2 – (гомологическая разница). Соединения, сходные по химическим составам, состав которых отличается друг от друга на группу или несколько групп – СН2 –, называют гомологами. Гомологи, расположенные в порядке возрастания их относительной молекулярноймассы, образуютгомологическийряд, напримеррядпредельных углеводородов (алканов) СН4 – метан; СН3 – СН3 – этан;

СН3 – СН2 – СН3 – пропан; СН3 – СН2 – СН2 – СН3 – бутан и т. д. Гомологическиерядымогутбытьпостроеныдлявсехклассоворга-

нических соединений. Зная свойства одного из членов гомологического ряда, можносделатьвыводыосвойствахдругихпредставителейтогоже ряда.

Классификация и номенклатура органических соединений

Все органические вещества классифицируются на ациклические (предельные и непредельные) и циклические. Циклические соединения делятся на карбоциклические (замкнутые цепи содержат только атомы углерода) и гетероциклические (замкнутые цепи содержат атомы углерода, кислорода, серы, азота и других элементов). Карбоциклические соединения подразделяются на алициклические и ароматические.

Органические вещества

Предельные Непредельные Карбоциклические Гетероциклические

Алициклические Ароматические

Химические свойства органических веществ зависят от характера связей и присутствия в их молекулах функциональных групп (табл. 16).

Таблица16

Некоторыеклассыорганическихсоединений

Основные типы органических реакций

1. Реакции замещения.

В молекуле один атом (или группа атомов) замещается другим атомом (или группой атомов), в результате чего образуется новое соединение, например

2. Реакцииприсоединения. Вэтомслучаеиздвух(или нескольких) молекул образуется одно новое вещество:

CH2 CH2 Br2 ο CH2Br – CH2Br

3. Реакции отщепления. В результате таких реакций образуется новое вещество, содержащее кратную связь:

CH3 – CH2Br NaOH спиртовой растворο CH2 CH2 NaBr H2O

4. Реакции разложения. Эти реакции приводят к образованию новых веществ более простого строения:

O

H – C//\ Pt ο CO2 H2 OH

5. Реакции окисления. При окислении исходного соединения кислородом воздуха вприсутствиикатализаторовилидругими окислителями образуется новое вещество:

H

6. Реакцииполимеризации. Врезультатеприсоединениядругкдругу большого числа простых веществ (мономеров) образуется новое вещество сложного строения с большой молекулярной массой (полимер):

7. Реакцииконденсации иполиконденсации. Вэтомслучае образуется более сложное вещество в результате соединения большого числа молекул с отщеплением простых веществ (воды, аммиака и др.):

По механизму протекания различают реакции:

нуклеофильного замещения (SN) – реакции замещения атомов или

их групп в молекуле на нуклеофильный реагент ( X ); электрофильногозамещения(SЕ) – реакциизамещенияатомаводо-

рода в ароматическом соединении на электрофильную частицу (R+,

HSO3+).

Нуклеофильные реагенты – частицы или молекулы с повышенной электронной плотностью (N).

Электрофильныереагенты– катионыилимолекулы, которыесами по себе обладают повышенным сродством (притяжением) к электрону или к отрицательно заряженным центрам (Е).

Номенклатура органических соединений

В данном пособии рассматриваются три вида номенклатур. Разбору подлежит номенклатура наиболее простых классов органических соединений. Особое внимание уделено систематической номенклатуре (ИЮПАК)3, как наиболее универсальной.

Кратко разбирается тривиальная (эмпирическая) и рациональная номенклатуры. Рациональная номенклатура изучается при рассмотрении ациклических углеводородов, в основном с целью ускорения запоминания названий органических радикалов.

При написании названий органических соединений с помощью любого вида номенклатуры используются названия радикалов для обозначения ими углеродных остатков. Порядок перечисления радикалов определяется их старшинством. Чем меньше молекулярная масса радикала, чем он менее разветвлен, чем он более пределен, тем радикал считается старше и в названии соединения записывается ближе к началу названия (табл. 17).

3 Аббревиатурапредставляетсобойпервыебуквыанглийскогоназваниямеждународного союзачистойи прикладной химии– International Union of Pure and Applied Chemistry.

Таблица17

Названиеорганическихрадикалов

Тривиальная (эмпирическая) номенклатура

Названия углеводородов по этой номенклатуре произведены либо от названия природных источников получения соответствующих углеводородов (например, название метана, этана и т. д.), либо от названий

греческих и римских числительных (например, названия пентана, гексана, нонанаит. д.). Тривиальнаяноменклатурахарактернадлянормальныхпредельных углеводородов, для широко применяемых в промышленности соединений(например, названиеизооктана, изопренаит. д.), атакжедляпростейших представителейклассовнепредельных углеводородов.

Рациональная номенклатура

В основе названий соединений по рациональной номенклатуре лежат названия простейших представителей соответствующих классов алифатических углеводородов. Так, для предельных углеводородов такимисоединениями являетсяметан, для алкенов иалкадиенов– этилен, для алкинов – ацетилен.

Всепрочие представителиалифатических углеводородовсчитаютсяпроизводнымипростейшихуглеводородов, полученными изпростейших путем замещения в них водородов на углеводородные остатки (радикалы).

За простейший углеводород всоединении принимаетсятот, у которого большее число атомов водорода замещено на углеводородные остатки.

Однакоеслиоколонаиболее замещенногопростейшегоуглеводорода располагаются углеводородные остатки, не имеющие закрепленных номенклатурой названий, то за основу берется другой простейший углеводород (с большим числом атомов водорода), имеющий вокруг себя известные радикалы. Потой жепричине иногдаприходитсявосновуназвания алкенов, алкадиенов, алкинов брать простейший алкан – метан.

Дляалкеновиалкадиеновструктурарациональногоназваниязависитотчисла заместителей приэтилене. Приналичии двух заместителей перед названием ставится индекс замещений: симметрично (симм-) или несимметрично (несимм-) их положение. При наличии трех, четырех заместителей у атома углерода с двойной связью их положение обозначаются буквами альфа и бета. За альфа-углеродный атом принимается тот атом, который содержит более старший заместитель.

Пример 1.

Систематическая (ИЮПАК) номенклатура

В настоящее времяосновной являетсясистематическая(ИЮПАК) номенклатура. В основу названий соединений по этой номенклатуре положено название самой длинной углеродной цепи, содержащей максимальное число кратных связей, а если таких цепей несколько, то выбирается самая разветвленная из них. Все углеводородные остатки (радикалы), не вошедшие в главную цепь, перечисляются в названии соединения в порядке старшинства перед названием главной цепи. Для обозначения места присоединения радикалов к главной цепи вводится нумерация цепи.

Цифрами обозначается также место расположения кратных связей вдоль цепи. Нумерация главной цепи начинается с того ее конца, где сумма мест кратных связей будет минимальной при наличии одной кратной связи в соединении; это положение сводится к поиску конца цепи, к которому кратная связь расположена ближе.

Если в соединении имеется несколько одинаковых заместителей, товоизбежаниеповторениярадикаловупотребляютсячастицыудвоения (ди-), утроения (три-), учетверения (тетра-) и т. д., которые помещают передназваниемрадикалов. Цифры, показывающиеместаприсоединения заместителей, всегда должны помещаться перед их названиями. Нумерация цепи обязательно начинается с первичного атома углерода.

Пример 2.

СН3

Названия радикалов образуют путем замены окончания -ан, предельных углеводородов на -ил. Они имеют общее название -алкилы и обозначаются R–. Радикал называют первичным, если свободная валентность принадлежит первичному атому углерода; вторичным, если свободная валентность принадлежит вторичному атому углерода; третичным – соответственно третичному атому углерода.

Название по рациональной номенклатуре

СН3

|

СН3 – С – СН2 – СН3 триметилэтилметан

|

СН3

Название по систематической номенклатуре (ИЮПАК)

СН3

Чтобы получить название по международной номенклатуре ИЮПАК, следует выполнить такую последовательность действий: 1) выбрать самую длинную углеродную цепь, пронумеровать ее. Нумерацию следует начинать с того конца, ближе к которому расположены заместители в боковойцепи; 2) цифрой указать углеродные атомы, у которых находятсязаместители. Назвать эти заместители. Еслив формуле несколько одинаковых заместителей, то перед их названием указывается число прописью (ди, три, тетра), а номера заместителей разделяют запятыми; 3) назватьуглеводород, которыйвзят за основу(т. е. пронумерован) с окончанием ан, например

ЗАДАЧИ

21.1. Составитьполныеструктурныеформулыизомеров, имеющих

состав С5Н12.

21.2. Составить полные структурные формулы изомеров С7Н16. 21.3. Составить полные структурные формулы изомеров С6Н14. 21.4. Составить полные структурные формулы изомеров С8Н18. 21.5. Какие из приведенных ниже веществ являются изомерами?

21.6. Какиеизнаписанныхформулорганическихсоединенийявляются изомерами?

21.7.Составить полные структурные формулы изомеров С9Н20.

21.8.Изобразитьструктурныеформулыизомеровгексанаиназватьих.

21.9.Изобразитьструктурныеформулыизомеровгептанаиназватьих.

21.10.Изобразить структурные формулы изомеров октана и на-

звать их.

21.11.Назвать по системе ИЮПАК следующие алканы:

а) СН3 – СН– СН2–СН3; б) СН3 – СН– СН2– СН–СН3;

21.12.Написать структурные формулы соединений по их названиям: а) 3,3-диэтилгептан; б) 2-метилгексан; в) 2-метил-4-изопропилно- нан; г) 1,4-диметилциклогексан.

21.13.Указать первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода в следующих соединениях:

СН3

|

а) СН3 – СН2 – СН – СН2 – С – СН3;

б) 2,3-диметил-3-этил-5-изопропилоктан.

21.14.Определить, сколько изомеров имеет нонан и назвать их по системе ИЮПАК.

21.15.Какие из перечисленных ниже алканов являются изомерами: а) 2-метилгексан; б) 3-метилгептан; в) 3-этилгексан; г) 2,2-диметил- гептан; д) 2,4-диметилгексан.

21.16.Какие из перечисленных ниже алканов являются изомерами: а) 2,4-диметилгексан; б) 2-метилоктан; в) 3,3-диэтилгептан; г) 2-метилгексан; д) 2,5-диметилгексан.

21.17.Написать формулы изомерных углеводородов, состав которых отвечает эмпирической формуле С5Н10.

21.18.Написать формулы изомерных углеводородов, состав которых отвечает эмпирической формуле С6Н12.

21.19.Написать формулы изомерных углеводородов, состав которых отвечает эмпирической формуле С5Н10.

21.20.Написать структурные формулы следующих алкенов: а) 3-метилпентен-2; б) 4,4-диметил-3-этилгексен-1; в) 4-изопропилгептен-2.

21.21.Сколько изомеров алкенов соответствует формуле С7Н14? Изобразить их структурные формулы и назвать их по системе ИЮПАК.

21.22.Написать структурные формулы следующих алкенов: а) 3-метилпентен-2; б) 4,4-диметил-3-этилгексен-1; в) 4-изопропилгептен-2.

21.23.Написать структурные формулы следующих соединений: а) 3,3-диметилбутин-1; б) 2,5-диметилгексин-3; в) 4-метил-5-этилоктин-2.

21.24.Написать структурные формулы изомеров алкинов состава С5Н8. Назвать их по системе ИЮПАК.

21.25.Написать структурные формулы изомеров алкинов состава С6Н10. Назвать их по системе ИЮПАК.

21.26.Написать структурные формулы изомеров алкинов состава С7Н12. Назвать их по системе ИЮПАК.

21.27.Написать структурные формулы следующих соединений: а) пентадиен-1,4; б) 2,3-диметилгексадиен-2,4; в) 3-изопропилгексади-

ен-1,3.

21.28.Назвать следующие алкины по системе ИЮПАК:

СН3

/

а) СН3 – С { СН б) СН { С –СН2 – СН – СН – СН2

СН3 СН3

\/

в) СН – С { С – СН

/\

СН3 СН3

21.29. Назвать по системе ИЮПАК следующие соединения:

21.30. Назвать по системе ИЮПАК следующие соединения:

СН3 СН3

Раздел 22. ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ (ПОЛИМЕРЫ)

Высокомолекулярные соединения (ВМС) – это химические вещества с большой молекулярной массой и обладающие особымисвойствами. ВМС часто называют полимерами.

Макромолекулы полимеров построены из одинаковых, многократно повторяющихся групп атомов – элементарных звеньев, связанных между собой. ВМС получают методом полимеризации и поликонден-

сации.

Процесс последовательного соединения одинаковых молекул (мономеров) в более крупные (полимеры) называется полимеризацией. Число элементарных звеньев в макромолекуле полимера (n) является одной из главных характеристик полимера и называется степенью полимеризации(n) полимера. Междуэтойвеличинойимолекулярноймассой полимера существуетсоотношение n = М / m, где М – молекулярная масса полимера; m – молекулярная масса элементарного звена.

В зависимости от условий, в которых протекает процесс (температуры, давления, катализатора и т. д.), n может принимать значения

500–10000.

Реакция полимеризации пропилена

Полимеры с высокой степенью полимеризации называются высо-

кополимерами, а с небольшой – олигомерами.

В реакциях поликонденсации соединения молекул мономеров в макромолекулу сопровождаются выделением простых веществ (Н2O, NH3, HCl) и образованием новых групп, отсутствующих в молекулах мономера.

Для проведения реакции поликонденсации в исходных продуктах необходимоналичиефункциональныхгрупп(–NH2, –OH, –COOH идр.).

H2N–(CH2)5–COOH H2N–(CH2)5–COOH o(–HN–(CH2)5–CO–)n nH2O

Врезультате полимеризации и поликонденсации могут быть получены различные соединения с заранее заданными свойствами.

Полимеризация может протекать по радикальному, катионному

ианионному механизмам.

Взависимости от характера размещения элементарных звеньев в цепи полимера различают регулярные и нерегулярные полимеры. Регулярность выражаетсявправильно повторяющемсярасположенииатомов в макроцепи.

Например, полимеризация пропилена может дать несколько типов продуктов, различающихсярасположениемметильныхгруппвпространстве. Есливсеметильныегруппырасположеныпооднусторонуотплоскости цепи, изомер называется изотактическим. Если все метильные группы расположены по обе стороны от плоскости цепи полипропиле-

на, тоонназываетсясиндиотактическимилистереорегулярным. Если расположение боковых групп беспорядочно, изомер называется атак-

тическим.

Взависимости от формулы макромолекул ВМС бывают не только линейными, но и разветвленными и пространственными (трехмерными). Из природных полимеров линейное строение имеют целлюлоза, натуральный каучук, из синтетических – полиэтилен, поливинилхлорид и др.

Разветвленные полимеры имеют длинные цепи с боковыми ответвлениями:

А – А – А – А – …

¨

… – А – А – А – А – А – А – А –

¨

А – А – А – …

Пространственные(трехмерные) полимерыпостроеныизсоеди-

ненныхмеждусобоймакромолекулярныхцепей. Вкачестве«мостиков», осуществляющих поперечную химическую связь, могут выступать отдельные атомы (группы атомов):

♦

В

♦

… – А – А – А – А – А – А – А – …

♦

В

♦

… – А – А – А – А – А – А – А – …

♦

В

♦

Такие полимеры называются сетчатыми. Это, прежде всего, мочевиноформальдегидные и фенолформальдегидные полимеры, резина и др.

Если в полимерные соединения ввести наполнители, красители, пластификаторы, то получаются пластмассы.

По методам получения все ВМС подразделяются на три группы: природные(белки, целлюлоза), синтетические(полиэтилен, поливинилхлорид) и искусственные, полученные путем химической модификации природных полимеров (эфиры целлюлозы).

По отношению к воздействию тепла ВМС делят на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры способны размягчаться при нагревании и вновь затвердевать при охлаждении, сохраняя все свои свойства.

Термореактивные полимерыпри повышении температурыстановятся пластичными, но, затвердевая (под воздействием катализаторов, отвердителей), переходят в неплавкое, нерастворимое состояние.

Впроцессе эксплуатации изделий из полимерных материалов,

атакже при переработке полимеров происходит их разрушение – деструкция. Деструкция является одним из видов «старения» полимеров и представляет собой необратимую химическую реакцию, приводящую

кнежелательным изменениям в структуре полимеров. Это необходимо учитывать при использовании ВМС в строительных технологиях.

Различаютдеструкцию химическую(подвлияниемхимическихреагентов), механическую (при механических напряжениях), окислительную (воздействие окислителей), термическую (при нагревании полиме-

ров), фотохимическую(вследствие освещенности), радиационную(действие -, Ε-, ϑ- идругихвидовизлучений), биологическую(действиебиологических факторов).

ВМС могут находиться в двух агрегатных состояниях: твердом и жидком.

По характеру поведения под воздействием механических нагрузок все ВМС делятся на три большие группы:

1)текучие полимеры, имеющие аморфное строение и необратимоизменяющиесвоюформу(полиизобутилен, фенолоформальдегидные полимеры – резолы);

2)высокоэластичные (эластомеры), имеющие аморфное строе-

ние (каучуки, резина), обратимо деформируемые под воздействием небольших нагрузок;

3)твердые полимеры, имеющие аморфное или кристаллическое строение и мало изменяющие свою форму.

Аморфные полимеры могут пребывать в трех физических состояниях: твердом(стеклообразном), высокоэластичномивязкотекучем. При нагревании или охлаждении один и тот же полимер может переходить из одного физического состояния в другое. Например, полиизобутилен при комнатной температуре находится в высокоэластичном состоянии, при нагревании переходит в вязкотекучее, а при охлаждении – в стеклообразное.

Наличие большого температурного интервала между твердым

ивязкотекучим состояниями (до 150 °С) – отличительная особенность полимерных материалов.

По химическому составу основной макромолекулярной цепи ВМС делятся на два больших класса: гомоцепные (карбоцепные), цепи которых построены из одинаковых атомов, и гетероцепные, цепи которых построены из атомов различных элементов.

К первым относятся

полиэтилен поливинилхлорид (ПВХ) политетрафторэтилен

ЗАДАЧИ

22.1.ВМС и их использование в строительных технологиях.

22.2.Что такое полимер, мономер, степень полимеризации?

22.3.Что показывает степень полимеризации?

22.4.Основные способы получения ВМС?

22.5.Что называется функциональной группой органических со-

единений?

22.6.Назвать природные ВМС (полимеры).

22.7.Назвать наиболее широко применяемые синтетические поли-

меры.

22.8.Написать уравнение реакции полимеризации: а) 2-метилпро- пена; б) 3,3-диметилбутена.

22.9.Написатьуравнениереакцииполиконденсациифенолаиформальдегида.

22.10.Определитьмолекулярнуюмассуполиизобутилена, еслистепень полимеризации изобутилена (2-метилпропена) равна 1200.

22.11.Определить степень полимеризации этилена (этена) при получении полимера с молекулярной массой 1400.

22.12.Составить уравнение реакции полимеризации стирола.

22.13.Составить уравнение реакции получения изопренового каучука (полимеризация изопрена).

22.14.Чему равна степень полимеризации бутадиен-нитрильного каучука? Средняя молекулярная масса его равна 395000.

22.15.Написать уравнение реакции полимеризации бутадиена-1,3 (получение бутадиенового каучука).

22.16.Составить уравнение реакции получения поливинилхлорида.

22.17.Как определяется молекулярная масса полимера?

22.18.Покакомумеханизмуможетпротекать реакцияполимериза-

ции?

22.19.Сформулировать определение регулярных полимеров.

22.20.Сформулировать определение нерегулярных полимеров.

22.21.Стереорегулярные полимеры.

22.22.Привести примеры линейных, разветвленных и пространственных полимеров.

22.23.На какие группы по отношению к механическим нагрузкам делятся ВМС?

22.24.Сформулировать понятие термопластичности и термореактивности ВМС.

22.25.Назвать основные виды деструкции полимеров.

22.26.Написать уравнение реакции получения поливинилового

спирта.

22.27.Написать уравнение реакции получения поливинилацетата

(ПВА).

22.28.Написать уравнение реакции получения хлоропренового ка-

учука.

22.29.Дать характеристику трех типов конфигураций полимерных молекул (изотактический, синдиотактический, атактический).

22.30.Привести примеры использования природных полимерных материалов в современных строительных технологиях.