Причины многообразия органических веществ. Разнообразие веществ Многообразие веществ и его причины

Слайд 7

В начале XX века в Петербурге на складе военного оборудования произошла скандальная история: во время ревизии к ужасу интенданта выяснилось, что оловянные пуговицы для солдатских мундиров исчезли, а ящики, в которых они хранились, доверху заполнены серым порошком. И хотя на складе был лютый холод, горе-интенданту стало жарко. Еще бы: его, конечно, заподозрят в краже, а это ничего, кроме каторжных работ, не сулит. Спасло бедолагу заключение химической лаборатории, куда ревизоры направили содержимое ящиков: «Присланное вами для анализа вещество, несомненно, олово. Очевидно, в данном случае имело место явление, известное в химии под названием «оловянная чума». ?

Слайд 8

«Оловянная чума»

Белое олово устойчиво при t0 >130С Серое олово устойчиво при t0

Слайд 9

Аллотропия – способность атомов одного химического элемента образовывать несколько простых веществ. Аллотропные модификации – это простые вещества, образованные атомами одного и того же химического элемента.

Слайд 10

Аллотропные модификации кислорода

О2- кислород бесцветный газ; не имеет запаха; плохо растворим в воде; температура кипения -182,9 С. О3 – озон («пахнущий») газ бледно-фиолетового цвета; имеет резкий запах; растворяется в 10 раз лучше, чем кислород; температура кипения -111,9 С; наиболее бактерициден.

Слайд 11

Аллотропные модификации углерода

Графит Алмаз Мягкий Имеет серый цвет Слабый металлический блеск Электропроводен Оставляет след на бумаге. Твёрдый Бесцветный Режет стекло Преломляет свет Диэлектрик

Слайд 12

Фуллерен Карбин Графен Твёрже и прочнее алмаза, но растягивается на четверть своей длины, точно резина. Графен не пропускает газы и жидкости, проводит тепло и электричество лучше, чем медь. Мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9-2 г/см³), полупроводник.

Слайд 13

Ромбическая сера - вид октаэдров со срезанными углами. Светло – жёлтый порошок. Моноклинная сера - в виде игольчатых кристаллов жёлтого цвета. Пластическая сера- резинообразная масса тёмно –жёлтого цвета. Можно получить в виде нитей.

Слайд 14

Аллотропные модификации фосфора

Р(красный фосфор) (белый фосфор) Р4 Без запаха, не светится в темноте, не ядовит! Имеет чесночный запах, светится в темноте, ядовит!

Слайд 15

С4Н8

Перед вами картина неизвестного художника. Приобрести её сможет тот, кто предложит больше всего изомеров. Стартовая цена – 2 изомера.

Слайд 16

СН2 = СН – СН2 – СН3 СН2 = С – СН3 Бутен-1СН3 2-метилпропен-1 (метилпропен) Бутен-2 СН3 СН = СН–СН3 С = С С = С СН3 СН3 СН3 СН3 Н Н Н Н Цис – бутен - 2 Транс – бутен - 2 Н2С СН2 Н2С СН2 Циклобутан Н2С СН СН3 СН2 метилциклопропан

Биоорганическая химия

БОХ – это наука, изучающая биологическую функцию органических веществ в организме.

БОХ возникла во 2-ой половине ХХ века. Объектами ее изучения служат биополимеры, биорегуляторы и отдельные метаболиты.

Биополимеры – высокомолекулярные природные соединения, которые являются основой всех организмов. Это пептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты (НК), липиды и др.

Биорегуляторы – соединения, которые химически регулируют обмен веществ. Это витамины, гормоны, антибиотики, алкалоиды, лекарственные препараты и др.

Знание строения и свойств биополимеров и биорегуляторов позволяет познать сущность биологических процессов. Так, установление строения белков и НК позволило развить представления о матричном биосинтезе белка и роли НК в сохранении и передаче генетической информации.

БОХ играет большую роль в установлении механизма действия ферментов, лекарств, процессов зрения, дыхания, памяти, нервной проводимости, мышечного сокращения и др.

Основная проблема БОХ – это выяснение взаимосвязи структуры и механизма действия соединений.

БОХ основана на материале органической химии.

Лекция 1.

Изомерия органических соединений

В настоящее время насчитывается ~ 16 млн. органических веществ.

Причины многообразия органических веществ.

1. Соединения атомов С друг с другом и др. элементами периодической системы Д. Менделеева. При этом образуются цепи и циклы:

Прямая цепь Разветвленная цепь

2. Гибридизация – выравнивание электронных облаков по форме и энергии. Атом С может находиться в трех гибридных состояниях:sp–линейная конфигурация, sp 2 – треугольная конфигурация, sp 3 – тетраэдрическая конфигурация.

3. Гомология – это существование веществ с близкими свойствами, где каждый член гомологического ряда отличается от предыдущего на группу
–СН 2 –. Например, гомологический ряд предельных углеводородов:

4. Изомерия – это существование веществ, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение.

А.М. Бутлеров (1861) создал теорию строения органических соединений, которая и по сей день служит научной основой органической химии.

Основные положения теории строения органических соединений:

1) атомы в молекулах соединены друг с другом химическими связями в соответствии с их валентностью;

2) атомы в молекулах органических соединений соединяются между собой в определенной последовательности, что обусловливает химическое строение молекулы;

3) свойства органических соединений зависят не только от числа и природы входящих в их состав атомов, но и от химического строения молекул;

4) в молекулах существует взаимное влияние атомов как связанных, так и непосредственно друг с другом не связанных;

5) химическое строение вещества можно определить в результате изучения его химических превращений и, наоборот, по строению вещества можно охарактеризовать его свойства.

Рассмотрим некоторые положения теории строения органических соединений.

На уроке будут рассмотрены типы кристаллических решеток, типы агрегатных состояний вещества и твердые тела с кристаллической структурой. Вводится понятие полиморфизма и аллотропии.

I. Повторение

Повторите из курса 8 класса:

II. Многообразие веществ в окружающем мире

В настоящее время известно более 100 химических элементов. Они образуют более 400 простых веществ и несколько миллионов самых разнообразных сложных химических соединений. Каковы причины такого многообразия?

1. Изотопия элементов и их соединений

Изотопы - разновидность атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся друг от друга только своей массой.

Например, у атома водорода три изотопа: 1 1 Н - протий, 1 2 Н (D) - дейтерий и 1 3 Н (Т) - тритий. Они с кислородом образуют сложное вещество - воду различного состава: обычная природная вода - Н 2 О, тяжёлая вода - D 2 O(содержится в природной воде в соотношении Н: D = 6900: 1).

Изобары , атомы различных химических элементов с одинаковым массовым числом А.

Ядра изобары (в химии) содержат равное число нуклонов, но различные числа протонов Z и нейтронов N.

Например, атомы 4 10 Be, 5 10 B, 6 10 C представляют собой три Изобары (в химии) с A = 10.

2. Аллотропия

Аллотропия - явление существования химического элемента в виде нескольких простых веществ (аллотропных видоизменений или аллотропных модификаций).

Например, атом кислорода встречается в виде кислорода и озона.

Аудио-определение: “ Аллотропия ”

Аллотропия объ-яс-ня-ет-ся раз-лич-ным со-ста-вом ве-ще-ства или раз-ли-чи-ем в их кри-стал-ли-че-ской ре-шет-ке. Кис-ло-род и озон - ал-ло-троп-ные мо-ди-фи-ка-ции хи-ми-че-ско-го эле-мен-та кис-ло-ро-да. Уг-ле-род об-ра-зу-ет гра-фит, алмаз, фул-ле-рен, кар-бин. Рас-по-ло-же-ние ато-мов в их кри-стал-ли-че-ских ре-шет-ках раз-ное, и по-это-му они про-яв-ля-ют раз-ные свой-ства. У фос-фо-ра ал-ло-троп-ные ве-ще-ства - крас-ный, белый и чер-ный фос-фор. Ал-ло-тро-пия ха-рак-тер-на и для ме-тал-лов. На-при-мер, же-ле-зо может су-ще-ство-вать в виде α, β, δ, γ.

Те-ку-честь аморф-ных ве-ществ

Одним из свойств, по ко-то-рым от-ли-ча-ют-ся аморф-ные тела от жид-ких, яв-ля-ет-ся их те-ку-честь. Если по-ло-жить ку-со-чек смолы на на-гре-тую по-верх-ность, то он по-сте-пен-но рас-те-чет-ся по этой по-верх-но-сти.

Вяз-кость - это спо-соб-ность со-про-тив-лять-ся пе-ре-ме-ще-нию одних ча-стей тела от-но-си-тель-но дру-гих для жид-ко-стей и газов: чем она выше, тем слож-нее из-ме-нить форму тела. Окон-ные стек-ла - это ти-пич-ные аморф-ные ве-ще-ства. Тео-ре-ти-че-ски они долж-ны по-сте-пен-но сте-кать вниз. Но вяз-кость стек-ла вы-со-кая, и его де-фор-ма-ци-ей можно пре-не-бречь. Вяз-кость стек-ла при-мер-но в 1000 раз выше вяз-ко-сти смолы. За год де-фор-ма-ция стек-ла со-став-ля-ет 0,001%. За 1000 лет де-фор-ма-ция стек-ла со-став-ля-ет 1%.

Зависимость агрегатного состояния от дальнего и ближнего порядка расположения

В за-ви-си-мо-сти от дав-ле-ния и тем-пе-ра-ту-ры, все ве-ще-ства могут су-ще-ство-вать в раз-лич-ных аг-ре-гат-ных со-сто-я-ни-ях: твер-дом, жид-ком, га-зо-об-раз-ном или в виде плаз-мы. При низ-ких тем-пе-ра-ту-рах и вы-со-ком дав-ле-нии все ве-ще-ства су-ще-ству-ют в твёр-дом аг-ре-гат-ном со-сто-я-нии. Твер-дое и жид-кое со-сто-я-ние ве-ще-ства на-зы-ва-ют кон-ден-си-ро-ван-ным.

В твер-дых телах ча-сти-цы рас-по-ла-га-ют-ся ком-пакт-но, в опре-де-лен-ном по-ряд-ке. В за-ви-си-мо-сти от сте-пе-ни упо-ря-до-чен-но-сти ча-стиц в твер-дых телах опре-де-ля-ют 2 фа-зо-вых со-сто-я-ния: кри-стал-ли-че-ское и аморф-ное. Если ча-сти-цы рас-по-ла-га-ют-ся таким об-ра-зом, что между со-сед-ни-ми ча-сти-ца-ми есть неко-то-рая упо-ря-до-чен-ность в рас-по-ло-же-нии, а имен-но: по-сто-ян-ное рас-сто-я-ние и углы между ними , такое яв-ле-ние на-зы-ва-ют на-ли-чие ближ-не-го по-ряд-ка в рас-по-ло-же-нии. Рис. а.

A б

Рис. 1. На-ли-чие ближ-не-го и даль-не-го по-ряд-ка в рас-по-ло-же-нии ча-стиц

Если же ча-сти-цы рас-по-ло-же-ны таким об-ра-зом, что упо-ря-до-чен-ность на-блю-да-ет-ся и между бли-жай-ши-ми со-се-дя-ми, и на го-раз-до боль-ших рас-сто-я-ни-ях , это на-зы-ва-ют на-ли-чие даль-не-го по-ряд-ка . Рис. б.

Примеры аморфных веществ

Аморф-ное тело (от греч А - не, morfe - форма) - бес-фор-мен-ные ве-ще-ства. В них су-ще-ству-ет толь-ко ближ-ний по-ря-док и нет даль-не-го по-ряд-ка.

При-ме-ры аморф-ных тел при-ве-де-ны на рис. 2.

Рис. 2. Аморф-ные тела

Это воск, стек-ло, пла-сти-лин, смола, шо-ко-лад.

Свой-ства аморф-ных ве-ществ

• Имеют толь-ко ближ-ний по-ря-док (как в жид-ко-стях).
• Твер-дое аг-ре-гат-ное со-сто-я-ние при нор-маль-ных усло-ви-ях.
• Нет чет-кой тем-пе-ра-ту-ры плав-ле-ния. Пла-вят-ся в ин-тер-ва-ле тем-пе-ра-тур.

Кристаллические вещества

В кри-стал-ли-че-ском теле су-ще-ству-ет и ближ-ний, и даль-ний по-ря-док. Если мыс-лен-но со-еди-нить точки, обо-зна-ча-ю-щие линии, по-лу-чит-ся про-стран-ствен-ный кар-кас, ко-то-рый на-зы-ва-ет-ся кри-стал-ли-че-ской ре-шет-кой. Точки, в ко-то-рых раз-ме-ще-ны ча-сти-цы - ионы, атомы или мо-ле-ку-лы - на-зы-ва-ют уз-ла-ми кри-стал-ли-че-ской ре-шет-ки (рис. 3). Ча-сти-цы не жест-ко фик-си-ро-ва-ны в узлах, они могут немно-го ко-ле-бать-ся, не убе-гая из этих точек. В за-ви-си-мо-сти от того, какие ча-сти-цы на-хо-дят-ся в узлах кри-стал-ли-че-ской ре-шет-ки, вы-де-ля-ют её типы (табл. 1).

Рис. 3. Кри-стал-ли-че-ская ре-шет-ка

Зависимость свойств от типа кристаллической решетки

Фи-зи-че-ские свой-ства ве-ществ с раз-лич-ны-ми ти-па-ми кри-стал-ли-че-ских ре-ше-ток

Табл.1. Фи-зи-че-ские свой-ства ве-ществ

Су-ще-ству-ет несколь-ко под-ти-пов кри-стал-ли-че-ских ре-ше-ток, раз-ли-ча-ю-щих-ся рас-по-ло-же-ни-ем ато-мов в про-стран-стве.

В ве-ще-ствах с атом-ной, ион-ной, ме-тал-ли-че-ской кри-стал-ли-че-ской ре-шет-ка-ми нет мо-ле-кул - это немо-ле-ку-ляр-ные ве-ще-ства. Мо-ле-ку-ляр-ные ве-ще-ства - с мо-ле-ку-ляр-ной кри-стал-ли-че-ской ре-шет-кой.

Полиморфизм

По-ли-мор-физм - это яв-ле-ние, при ко-то-ром слож-ные ве-ще-ства оди-на-ко-во-го со-ста-ва имеют раз-ные кри-стал-ли-че-ские ре-шет-ки.

На-при-мер, пирит и мар-ка-зит. Их фор-му-ла - FeS2.Но они и вы-гля-дят по-раз-но-му, и об-ла-да-ют раз-лич-ны-ми фи-зи-че-ски-ми свой-ства-ми. Ана-ло-гич-но, раз-лич-ны-ми фи-зи-че-ски-ми свой-ства-ми об-ла-да-ют ми-не-ра-лы со-ста-ва CaCO3: ара-го-нит, мра-мор, ис-ланд-ский шпат, мел.

Причины многообразия химических веществ

В настоящее время причины многообразия химических веществ принято объяснять двумя явлениями - изомерией и аллотропией.

Вещества, имеющие одинаковый состав, но разное химическое или пространственное строение, а следовательно, и разные свойства, называют изомерами .

Основные виды изомерии :

Структурная изомерия, при которой вещества различаются порядком связи атомов в молекулах: изомерия углеродного скелета

изомерия положения кратных связей:

заместителей

изомерия положения функциональных групп

АЛЛОТРОПИЯ, существование химических элементов в двух или более молекулярных либо кристаллических формах. Например, аллотропами являются обычный кислород O2 и озон O3; в этом случае аллотропия обусловлена образованием молекул с разным числом атомов. Чаще всего аллотропия связана с образованием кристаллов различных модификаций. Углерод существует в двух четко различающихся кристаллических аллотропных формах: в виде алмаза и графита. Раньше полагали, что т.н. аморфные формы углерода, древесный уголь и сажа, - тоже его аллотропные модификации, но оказалось, что они имеют такое же кристаллическое строение, что и графит. Сера встречается в двух кристаллических модификациях: ромбической (a-S) и моноклинной (b-S); известны по крайней мере три ее некристаллические формы: l-S, m-S и фиолетовая. Для фосфора хорошо изучены белая и красная модификации, описан также черный фосфор; при температуре ниже -77° С существует еще одна разновидность белого фосфора. Обнаружены аллотропные модификации As, Sn, Sb, Se, а при высоких температурах - железа и многих других элементов.

Энантиотропные и монотропные формы. Кристаллические модификации химического элемента могут переходить одна в другую по-разному, что можно проиллюстрировать на примерах серы и фосфора. При обычной температуре стабильной является ромбическая модификация серы, которая при нагревании до 95,6° С и давлении 1 атм переходит в моноклинную форму. Последняя при охлаждении ниже 95,6° С вновь переходит в ромбическую форму. Таким образом, переход одной формы серы в другую происходит при одной и той же температуре, и сами формы называются энантиотропными. Другая картина наблюдается для фосфора. Белая его форма может превращаться в красную почти при любой температуре. При температурах ниже 200° С процесс протекает очень медленно, но его можно ускорить с помощью катализатора, например иода. Обратный же переход красного фосфора в белый невозможен без образования промежуточной газовой фазы. Красная форма стабильна во всем диапазоне температур, где она находится в твердом состоянии, тогда как белая нестабильна при любой температуре (метастабильна). Переход из нестабильной формы в стабильную в принципе возможен при любой температуре, а обратный - нет, т.е. определенная точка перехода отсутствует. Здесь мы имеем дело с монотропными модификациями элемента. Две известные модификации олова энантиотропны. Модификации углерода - графит и алмаз - монотропны, причем стабильной является форма графита. Красная и белая формы фосфора монотропны, а две белые его модификации энантиотропны, температура перехода равна -77° С при давлении 1 атм.