Химия · 10 класс3 четвертьТема 6Лабораторная работаГОСО РК 2026Базовый

Введение в органическую химию: теория химического строения А.М. Бутлерова и гибридизация

Введение в органическую химию: теория химического строения А.М. Бутлерова и гибридизация

Время изучения~75 минтеория + практика
Разделы темы5 разд.пошаговый разбор
Тест темы3 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ3 четвертьдескрипторы ГОСО

В 1861 году великий русский химик Александр Михайлович Бутлеров сформулировал научный фундамент органической химии — теорию химического строения:

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в строгой последовательности согласно их валентности. Углерод в органических соединениях ВСЕГДА четырехвалентен (IV).

2. Свойства веществ определяются не только их качественным и количественным составом, но и порядком соединения атомов в молекуле (химическим строением).

3. Атомы и группы атомов в молекуле взаимно влияют друг на друга, определяя реакционную способность.

4. Строение молекулы может быть установлено путем изучения ее химических превращений, и наоборот — по строению можно предсказать свойства соединения.

Схема: Теория химического строения Бутлерова и виды гибридизации углерода

Векторная схема
АЛКАНЫ (CnH2n+2)sp³-гибридизация109° 28′CC1 σ-связьДлина C-C: 0.154 нмРеакции замещения (SR)АЛКЕНЫ (CnH2n)sp²-гибридизация120° (плоская)CC1 σ + 1 π связьДлина C=C: 0.134 нмПрисоединение (AE)АЛКИНЫ (CnH2n-2)sp-гибридизация180° (линейная)CC1 σ + 2 π связиДлина C≡C: 0.120 нмКачеств. реакция с Br₂С увеличением кратности связи ее длина уменьшается, а прочность и энергия связи растут
Изомерия (углеродного скелета, положения, межклассовая); геометрические формы молекул при sp³, sp², sp гибридизации.
Фундамент органики

Теория Бутлерова

Учение о химическом строении молекул, взаимном влиянии атомов и четырехвалентности углерода.
Четырехвалентность C

Углерод в органике

Способность образовывать 4 ковалентные связи и формировать длинные линейные, разветвленные и циклические цепи.

Изомерия

Изомеры — это вещества с одинаковым качественным и количественным составом (одинаковой молекулярной формулой), но разным строением и различными свойствами.

Шаг 1
Подсчет валентностей
Следить, чтобы от каждого атома углерода C отходило ровно 4 черточки связей, от H — 1, от O — 2.
Шаг 2
Построение углеродного скелета
Изобразить линейную, затем разветвленные цепи атомов углерода.
Шаг 3
Дополнение водородами
Дописать недостающие атомы водорода до четырехвалентности каждого C.
Пример изомерии состава C₄H₁₀
н-Бутан: CH3 ⁣−CH2 ⁣−CH2 ⁣−CH3;Изобутан: CH3 ⁣−CH(CH3) ⁣−CH3\text{н-Бутан: } \text{CH}_3\!-\text{CH}_2\!-\text{CH}_2\!-\text{CH}_3;\quad \quad \text{Изобутан: } \text{CH}_3\!-\text{CH}(\text{CH}_3)\!-\text{CH}_3
Одинаковая формула C₄H₁₀, но разное строение цепи: н-бутан кипит при -0.5 °C, изобутан при -11.7 °C.

В 1931 году Лайнус Полинг разработал теорию гибридизации для объяснения геометрической формы и эквивалентности связей углерода:

1. sp³-гибридизация (одинарные связи, алканы):

Смешиваются одна 2s- и три 2p-орбитали. Образуются 4 эквивалентные sp³-гибридные орбитали, направленные к вершинам правильного тетраэдра с валентным углом 109°28' (длина связи C–C 0.154 нм). Молекула метана CH₄ — правильный тетраэдр.

2. sp²-гибридизация (двойная связь, алкены):

Смешиваются одна 2s- и две 2p-орбитали. Три sp²-орбитали лежат в одной плоскости под углом 120° (образуют прочные σ-связи). Негибридизованная 2pz-орбиталь перпендикулярна плоскости и образует боковым перекрыванием π-связь (длина C=C 0.134 нм).

3. sp-гибридизация (тройная связь, алкины):

Смешиваются одна 2s- и одна 2p-орбиталь. Две sp-орбитали направлены линейно под углом 180° (линейное строение, длина C≡C 0.120 нм). Две негибридные p-орбитали образуют две взаимно перпендикулярные π-связи.

Тетраэдрический угол

sp³-гибридизация

Угол 109°28', тетраэдрическая геометрия одинарных связей насыщенных углеводородов.
Плоская форма

sp²-гибридизация

Плоский треугольник 120°, сочетание прочной σ-связи и реакционноспособной боковой π-связи.

σ- и π-связи

σ-связь образуется осевым перекрыванием по линии центров атомов (очень прочная); π-связь — боковым перекрыванием вне оси (легко рвется реагентами).

Шаг 1
Анализ кратности связей
Одинарные связи -> sp³; одна двойная -> sp²; одна тройная или две двойные (=C=) -> sp.
Шаг 2
Определение геометрии
sp³ — тетраэдр (109.5°); sp² — плоский треугольник (120°); sp — линейная форма (180°).
Шаг 3
Подсчет числа связей
Каждая одинарная связь — одна σ; двойная — одна σ и одна π; тройная — одна σ и две π.
Сравнение длин и энергий углерод-углеродных связей
d(C−C)=0.154 нм (348 кДж);d(C=C)=0.134 нм (614 кДж);d(C≡C)=0.120 нм (839 кДж)d(\text{C}-\text{C}) = 0.154\text{ нм (348 кДж)};\quad d(\text{C}=\text{C}) = 0.134\text{ нм (614 кДж)};\quad d(\text{C}\equiv\text{C}) = 0.120\text{ нм (839 кДж)}
С ростом кратности длина связи уменьшается, а прочность и энергия разрыва возрастают.

Изомерия делится на два фундаментальных класса:

1. Структурная изомерия (различный порядок связывания атомов):

• Изомерия углеродного скелета: бутан и 2-метилпропан (изобутан);

• Изомерия положения кратной связи или функциональной группы: бутен-1 и бутен-2; пропанол-1 и пропанол-2;

• Межклассовая изомерия: этанол C₂H₅OH (спирт) и диметиловый эфир CH₃-O-CH₃ (простой эфир) — формула C₂H₆O; алкены и циклоалканы (CnH2n); алкины и алкадиены (CnH2n-2).

2. Пространственная изомерия (стереоизомерия — одинаковый порядок связей, но различное расположение в пространстве):

• Геометрическая (цис-/транс-изомерия) вокруг двойной связи C=C из-за невозможности свободного вращения: цис-бутен-2 (группы -CH₃ по одну сторону плоскости π-связи) и транс-бутен-2 (по разные стороны);

• Оптическая (зеркальная, энантиомерия): возникает при наличии асимметричного атома углерода C* (хирального центра), связанного с четырьмя различными заместителями (D- и L-аминокислоты, молочная кислота).

Порядок связывания

Структурная изомерия

Различие в скелете, положении кратной связи/группы или принадлежности к другому классу веществ.
Хиральность и цис/транс

Пространственная изомерия

Геометрическое несовпадение молекул при сохранении химической последовательности связей.

Талидомидовая трагедия

Один оптический энантиомер препарата талидомида был снотворным, а второй (зеркальный) вызывал тяжелые пороки развития эмбрионов.

Шаг 1
Проверка формулы
Убедиться, что брутто-формулы веществ абсолютно идентичны.
Шаг 2
Поиск структурных отличий
Сравнить цепочку углеродов, положение кратной связи или функциональной группы.
Шаг 3
Проверка на стереоизомерию
Проверить наличие жесткой плоскости C=C (цис/транс) или асимметричного атома C*.
Цис- и транс-изомеры бутена-2
цис: CH3CH3C=CHHтранс: CH3HC=CHCH3\text{цис: } \begin{matrix} \text{CH}_3 & & \text{CH}_3 \\ & \text{C}=\text{C} & \\ \text{H} & & \text{H} \end{matrix} \qquad \text{транс: } \begin{matrix} \text{CH}_3 & & \text{H} \\ & \text{C}=\text{C} & \\ \text{H} & & \text{CH}_3 \end{matrix}
Цис- и транс-изомеры обладают различными физическими константами (t пл, t кип, дипольный момент).

Систематическое наименование молекулы:

Шаг 1
Выбор главной углеродной цепи
Найти самую длинную непрерывную углеродную цепь, обязательно содержащую функциональные группы или кратные связи (C=C, C≡C, -OH).
Шаг 2
Нумерация атомов углерода
Нумеровать цепь с того конца, к которому ближе старшая функциональная группа, затем кратная связь, затем разветвления (заместители).
Шаг 3
Перечисление заместителей по алфавиту
Указать номера атомов C с заместителями, префиксы ди-, три-, тетра- и названия радикалов (метил, этил).
Шаг 4
Корень и суффиксы главной цепи
Название алкана главной цепи (пентан, гексан) + суффикс кратности (-ен, -ин) + суффикс главной группы (-ол, -аль, -овая кислота) с указанием номера локанта.

Типовые ловушки ЕНТ по изомерии:

1. Пары межклассовых изомеров:

• Алкадиены и алкины (Cn H_{2n-2}): бутадиен-1,3 и бутин-1 (C₄H₆);

• Алкены и циклоалканы (Cn H_{2n}): пропен и циклопропан (C₃H₆);

• Одноатомные спирты и простые эфиры (Cn H_{2n+2}O): этанол C₂H₅OH и диметиловый эфир CH₃-O-CH₃;

• Альдегиды и кетоны (Cn H_{2n}O): пропаналь CH₃CH₂CHO и ацетон CH₃COCH₃;

• Карбоновые кислоты и сложные эфиры (Cn H_{2n}O₂): уксусная кислота CH₃COOH и метилформиат HCOOCH₃!

2. Асимметричный атом углерода (хиральный центр C*):

Атом углерода в sp³-гибридизации, связанный с 4 РАЗЛИЧНЫМИ заместителями, обладает оптической активностью (зеркальные изомеры, энантиомеры).

Золотая шпаргалка межклассовых изомеров

Спирт ⇄ Простой эфир. Альдегид ⇄ Кетон. Карбоновая кислота ⇄ Сложный эфир. Алкен ⇄ Циклоалкан. Алкин ⇄ Алкадиен!

Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул10 класс
Закон Гесса:
ΔHреакции0=∑nΔHf0(продуктов)−∑mΔHf0(реагентов)\Delta H^0_{реакции} = \sum n \Delta H^0_f (продуктов) - \sum m \Delta H^0_f (реагентов)[кДж/моль]
Энергия Гиббса реакции:
ΔG0=ΔH0−T⋅ΔS0\Delta G^0 = \Delta H^0 - T \cdot \Delta S^0[кДж/моль]
Закон действующих масс Гульдберга — Вааге:
v=k⋅[A]a⋅[B]bv = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b[моль/(л·с)]
Правило Вант-Гоффа:
v2/v1=γ(T2−T1)/10v_2 / v_1 = \gamma^{(T_2 - T_1) / 10}
Следующая тема

Предельные углеводороды (Алканы): номенклатура ИЮПАК, изомерия, механизм SR

Перейти к теме →