На основе этих идей А. М. Бутлеров разработал принципы построения графических формул химических веществ. Для этого требуется знать валентность каждого элемента, которую изображают на рисунке в виде соответствующего числа чёрточек. Пользуясь этим правилом, легко установить, возможно или невозможно существование вещества с определённой формулой. Так, существует соединение, называемое метаном и имеющее формулу СН 4 . Соединение с формулой СН 5 невозможно, так как для пятого водорода у углерода уже не найдётся свободной валентности.
Рассмотрим сначала принципы строения наиболее просто устроенных органических соединений. Их называют углеводородами, так как в их состав входят только атомы углерода и водорода (рис. 138). Самым простым из них является упомянутый метан, в котором есть всего один атом углерода. Прибавим к нему ещё один такой же атом и посмотрим, как будет выглядеть молекула вещества, называемого этаном. У каждого атома углерода одна валентность занята его собратом – другим углеродным атомом. Теперь надо заполнить водородом оставшиеся валентности. У каждого атома осталась по три свободных валентных связи, к которым и присоединим по одному атому водорода. Получилось вещество, имеющее формулу С 2 Н 6 . Прибавим к нему ещё один атом углерода.
Рис. 138. Полные и сокращённые структурные формулы органических соединений
Теперь мы видим, что у среднего атома осталось только две свободных валентности. К ним мы присоединим по атому водорода. А к крайним углеродным атомам добавим, как и прежде, по три атома водорода. Получим пропан – соединение с формулой С 3 Н 8 . Такую цепочку можно продолжать, получая всё новые и новые углеводороды.
Но углеродные атомы необязательно должны располагаться в молекуле в линейном порядке. Допустим, что мы хотим добавить к пропану ещё один углеродный атом. Оказывается, это можно сделать двумя способами: присоединить его либо к крайнему, либо к среднему атому углерода пропана. В первом случае мы получим бутан с формулой С 4 Н 10 . Во втором случае общая, так называемая эмпирическая, формула будет такой же, но изображение на рисунке, называемое структурной формулой , будет выглядеть иначе. И название вещества будет несколько иное: не бутан, а изобутан.
Вещества, имеющие одну и ту же эмпирическую, но разные структурные формулы, называют изомерами , а способность вещества существовать в виде различных изомеров – изомерией . Мы, например, употребляем в пищу различные вещества, имеющие одну и ту же формулу С 6 Н 12 О 6 , но структурные формулы они имеют различные и носят разные названия: глюкоза, фруктоза или галактоза.
Углеводороды, которые мы рассмотрели, называют предельными. В них все атомы углерода связаны между собой одинарной связью. Но так как атом углерода четырёхвалентен и имеет четыре валентных электрона, то теоретически он может образовывать двойные, тройные и даже четверные связи. Четверные связи между атомами углерода в природе не существуют, тройные встречаются редко, а вот двойные присутствуют во многих органических веществах, в том числе и в углеводородах. Соединения, в которых имеются двойные или тройные связи между атомами углерода, называют непредельными или ненасыщенными углеводородами. Возьмём снова молекулу углеводорода, содержащую два атома углерода, но соединим их с помощью двойной связи (см. рис. 138). Мы видим, что теперь у каждого атома углерода осталось по две свободных связи, к каждой из которых он может присоединить по одному атому водорода. Получаемое соединение имеет формулу С 2 Н 4 и называется этиленом. Этилен, в отличие от этана, имеет меньше атомов водорода при том же числе углеродных атомов. Поэтому углеводороды, имеющие двойную связь, и называют ненасыщенными в том смысле, что они не насыщены водородом.
Инструкция
Для определения валентности атомов при составлении структурных формул используйте периодическую систему. Показать точно расстояние атомов в молекуле поможет трехмерная структурная формула.
Источники:
- структурная формула веществ
- Составление формул комплексных соединений
Некоторые до сих пор с содроганием вспоминают школьные уроки химии, на которых нужно было составлять структурные формулы углеводородов и их изомеров. А между тем, ничего сверхсложного в этом нет. Достаточно руководствоваться при составлении формул определенным алгоритмом.
Инструкция
Ознакомьтесь с молекулярной формулой углеводорода. Исходя из нее, составьте формулу сначала неразветвленного углеродного скелета (углеродную цепь).
Уменьшите углеродную цепь на один атом. Расположите его как боковое ответвление углеродной цепи. Не забудьте, что атомы, которые располагаются у крайних атомов цепи, являться боковыми ответвлениями.
Определите, к какому краю ближе боковое ответвление. Пронумеруйте заново углеродную цепь, начиная с этого края. Расставьте атомы водорода в соответствии с углерода.
Определите, можно ли располагать боковое ответвление у прочих атомов углерода в цепи. В случае положительных выводов составьте формулы . Если же такая возможность отсутствует, уменьшите основную углеродную цепь еще на атом и расположите его в качестве еще одного бокового ответвления. Обратите внимание: возле одного углерода можно располагать не больше 2-х боковых ответвлений.
Расставьте порядковые номера над с того края, к которому ближе всего располагается боковое ответвление. Расположите возле каждого атома атомы водорода с учетом валентности углерода.
Снова проверьте, есть ли возможность боковые ответвления у прочих атомов углерода в основной цепи. Если такая возможность , то составьте формулы возможных изомеров, если нет - уменьшите углеродную цепь еще на атом и расположите его как боковое ответвление. Теперь пронумеруйте всю цепь атомов и снова попробуйте составить формулы изомеров. В том случае, если уже два боковых ответвления находятся на одинаковом удалении от краев цепи, начинайте нумерацию с края, у которого боковых ответвлений больше.
Продолжайте выполнять эти действия до тех пор, пока не исчерпаете все возможности для расположения боковых ответвлений.
Для удобства записи химического состава и структуры химического вещества были созданы определенные правила составления химических формул с помощью специальных символов-обозначений, чисел и вспомогательных знаков.
Инструкция
Химические формулы в написании уравнений химических , схематичного изображения химических процессов, связей. Для их используется так называемый язык , который представляет собой набор условных обозначений, таких как символы химических элементов, количество атомов каждого элемента в описываемом веществе и пр.
Символы химических элементов – одна или несколько букв латинского алфавита, из которых первая заглавная. Это схематичная запись полного называния элемента, например, Ca – это кальций или лат. Calcium.
Количество атомов выражается математическими числами, например, H_2 – это два атома водорода.
Существует несколько способов записи химической формулы : простейшая, эмпирическая, рациональная и . Простейшая записи отражает соотношение химических элементов с указанием атомной массы, которая указывается после знака химического элемента в виде нижнего индекса. Например, H_2O – простейшая формула молекулы воды, т.е. два атома водорода и один атом кислорода.
Эмпирическая отличается от простейшей тем, что отражает состав вещества, но не структуру молекул. Формула показывает количество атомов в одной молекуле, которое также изображается в виде нижнего индекса.
Различие между простейшей и эмпирической формулами показывает запись формулы бензола: CH и C_6H_6 соответственно. Т.е. простейшая формула показывает прямое соотношение атомов углерода и водорода, в то время как эмпирическая говорит, что в молекуле вещества содержится 6 атомов углерода и 6 – водорода.
Рациональная формула четко показывает наличие атомов элементов в соединении. Такие группы круглыми скобками, а их количество указывается нижним индексом после скобок. В формуле используются также квадратные скобки, в которые заключаются комплексные соединения атомов (соединений с нейтрально молекулой, ионом).
Структурная формула изображается графически в двух- или трехмерном пространстве. Химические связи между атомами изображаются в виде линий, при этом атомы указываются столько раз, сколько их участвует в соединении. Наиболее наглядно формулу вещества выражает трехмерное изображение, которые показывают взаимное расположение атомов и расстояния между ними.
Видео по теме
Углеводород – это органическое вещество, в состав которого входят только два элемента: углерод и водород. Он может быть предельным, непредельным с двойной или тройной связью, циклическим и ароматическим.
Структурная формула представляет собой графическое изображение химического строения вещества. В ней указывается порядок расположения атомов, а также связь между отдельными частями вещества. К тому же структурные формулы веществ наглядно демонстрируют валентности всех атомов, включенных в молекулу.
Особенности написания структурной формулы
Для составления потребуется бумага, ручка, периодическая система элементов Менделеева.
Если нужно нарисовать графическую формулу аммиака, нужно учитывать, что водород способен образовывать только одну связь, поскольку его валентность равна единице. Азот находится в пятой группе (главной подгруппе), имеет на внешнем энергетическом уровне пять валентных электронов.
Три из них он использует для образования простых связей с атомами водорода. В итоге структурная формула будет представлять собой следующий вид: в центре находится азот, вокруг него располагаются атомы водорода.
Инструкция по написанию формул
Чтобы структурная формула была написана правильно для определенного химического вещества, важно иметь представление о строении атома, валентности элементов.
Именно с помощью данного понятия можно изображать графическое строение органических и неорганических веществ.
Органические соединения
Органическая химия предполагает использование графического строения химических веществ разных классов при написании химических реакций. Структурная формула составляется на основе теории строения органических веществ Бутлерова.
Она включает в себя четыре положения, согласно которым записываются структурные формулы изомеров, выдвигается предположение о химических свойствах анализируемого вещества.
Пример составления структур изомеров
Изомерами называют в органической химии вещества, которые имеют одинаковый качественный и количественный состав, но отличаются по расположению атомов в молекуле (структуре), химической активности.
Вопросы, касающиеся составления графического строения органических веществ, включены в вопросы единого государственного экзамена, проводимого в 11 классе. Например, нужно составить, а также дать название структурных формул изомеров состава С 6 Н 12 . Как справиться с подобной задачей?
Для начала нужно понять, к какому классу органических веществ, могут принадлежать вещества с таким составом. Учитывая, что общую формулу C n H 2n имеют сразу два класса углеводородов: алкены и циклоалканы, нужно составить структуры всех возможных веществ для каждого класса.
Для начала можно рассмотреть формулы всех углеводородов, принадлежащих к классу алкенов. Они характеризуются наличием одной кратной (двойной) связи, что должно быть отражено при составлении структурной формулы.
Учитывая, что в молекуле шесть атомов углерода, составляем главную цепь. После первого углерода ставим двойную связь. Пользуясь первым положением теории Бутлерова, для каждого атома углерода (валентность четыре) ставим необходимое количество водородов. Называя полученное вещество, используем систематическую номенклатуру, получаем гексен-1.
Оставляем в главной цепи шесть углеродных атомов, перемещаем положение двойной связи после второго углерода, получаем гексен-2. Продолжая передвигать по структуре кратную связь, составляем формулу гексена-3.
Пользуясь правилами систематической номенклатуры, получаем 2 метилпентен-1; 3 метилпентен-1; 4 метилпентен-1. Затем перемещаем кратную связь после второго углерода в главной цепи, а алкильный радикал располагаем у второго, затем у третьего углеродного атома, получая 2 метилпентен-2, 3 метилпентен-2.
Аналогичным образом продолжаем составлять и называть изомеры. Рассмотренные структуры представляют собой два вида изомерии: углеродного скелета, положения кратной связи. Необязательно указывать по отдельности все водородные атомы, можно использовать варианты сокращенных структурных формул, суммируя каждого атома углерода число водорода, указывая их соответствующими индексами.
Учитывая, что у алкенов и циклоалканов сходна общая формула, при составлении структур изомеров необходимо учитывать этот факт. Сначала можно составить структуру замкнутого циклогексана, затем посмотреть возможные изомеры боковой цепи, получив метилциклопентан, диметилциклобутан, и т. д.
Линейные структуры
Структурные формулы кислот являются типичными представителями подобного строения. Предполагается указание каждого отдельного атома при создании их графических формул, указанием черточками числа валентностей между атомами.
Заключение
По готовым структурным формулам можно определить валентность каждого элемента, входящего в состав вещества, предположить возможные химические свойства молекулы.
После того как была разработана теория строения органических веществ Бутлерова, удалось объяснить различие в свойствах между веществами, которые имеют одинаковый качественный и количественный составом явлением изомерии. Пользуясь определением валентности, периодической системой элементов Менделеева, можно представить в графическом виде любое неорганическое и органическое вещество. В органической химии структурные формулы составляют для того, чтобы понять алгоритм протекания химических превращений и объяснить их суть.