Органическая химия - Некоторые основные принципы и техники
Органическая химия изучает соединения углерода, которые являются основой жизни на Земле. Хотя углеродные соединения существуют в человеческой жизни веками, понимание этих соединений требует уникальных методов и принципов, которым посвящена эта глава.
Что такое органическая химия?
Органическая химия занимается структурой, свойствами, составом, реакциями и синтезом соединений, содержащих углерод. Это включает не только углеводороды, но и соединения с многими другими элементами, включая водород, азот, кислород, галогены, фосфор, кремний и серу.
Органические соединения встречаются повсюду вокруг нас — в продуктах питания, лекарствах, пластиках и даже в воздухе, которым мы дышим.
Связь в углероде: ковалентная связь
Атом углерода, имеющий атомный номер 6, имеет четыре электрона на внешней оболочке. Поэтому он образует четыре ковалентные связи с другими атомами. Ковалентная связь предполагает совместное использование электронов между атомами.
Пример: метан ( CH4 )
Атом углерода образует четыре простые ковалентные связи с атомом водорода.
H
,
H -- C -- H
,
H
Совместное использование электронов позволяет образовывать различные органические молекулы с разными свойствами и функциями.
Структурное представление органических соединений
Органические молекулы могут быть представлены несколькими способами. Вот основные типы:
1. Льюисовские структуры
Они включают все атомы в молекуле и их соответствующие связи. Также они четко показывают неподелённые пары электронов.
Пример: Этанол (C 2 H 5 OH)
HH
,
H -- C -- C -- O -- H
,
HH
2. Конденсированные структурные формулы
В них упрощаются метки углерода и водорода, а также связи, что облегчает быстрое понимание молекулы.
Пример: Этанол (C 2 H 5 OH)
CH 3 CH 2 OH
3. Формулы на основе связи
Эти формулы еще больше сокращают представление с помощью линий, обозначающих углерод-углеродные связи. Концы каждой линии представляют углеродный атом, а атомы водорода учитываются.
Пример: Бутан ( C4H10 )
CH 3 CH 2 CH 2 CH 3
В упрощенном виде: //
Каждый конец линии представляет углеродный атом, а атомы водорода не показываются.
Функциональные группы в органических соединениях
Функциональные группы — это определенные группы атомов в молекулах, которые отвечают за специфические химические реакции этих молекул. Вот некоторые примеры:
1. Гидроксильная группа (-OH)
Присутствует в спиртах. Примером этого является этанол, показанный выше.
2. Карбоксильная группа (-COOH)
Удерживается в карбоновых кислотах, таких как уксусная кислота.
Уксусная кислота ( CH3COOH )
3. Аминогруппа ( -NH2 )
Присутствует в аминах и аминокислотах. Примером является глицин, который является аминокислотой.
4. Альдегидная группа (-CHO)
Присутствует в альдегидах. Примером является формальдегид (HCHO).
Номенклатура IUPAC
Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) предоставляет систематический подход к наименованию органических соединений, так что название говорит вам что-то о структуре соединения.
Основные правила
- Назовите самую длинную углеродную цепь и используйте ее в качестве основного названия.
- Определите и назовите заместители.
- Номер цепи должен давать самое низкое число заместителям.
- Скомбинируйте название с его заместителями в алфавитном порядке.
Рассмотрим соединение: 2-метилпентан.
Это имя говорит нам, что самая длинная цепь имеет 5 углеродных атомов, а метильная группа присоединена ко второму углероду.
Конечно, сложные соединения имеют более сложные правила, такие как работа с двойными связями, тройными связями и функциональными группами, но основные принципы остаются прежними.
Изомерия в органических соединениях
Изомеры — это соединения, которые имеют одну и ту же молекулярную формулу, но разное расположение атомов. Существует несколько типов изомерии:
1. Структурная изомерия
Структурные изомеры имеют различные ковалентные расположения своих атомов.
Пример: Бутан ( C4H10 )
Нормальный бутан: CH 3 CH 2 CH 2 CH 3
Изобутан: CH 3 CH(CH 3 )CH 3
2. Геометрическая изомерия
Эти изомеры существуют из-за негибкости двойных связей, что вызывает различные пространственные расположения атомов или групп.
Пример: 2-Бутен (C 4 H 8 )
цис-2-бутен: CH 3 HC=CHCH 3
транс-2-бутен: CH 3 CH=CHCH 3
Методы очистки в органической химии
Чистые соединения необходимы для точного изучения свойств соединений. Таким образом, методы очистки важны в органической химии.
1. Дистилляция
Она используется для разделения смесей на основе разницы в точках кипения. Обычно используется в дистилляции алкоголя.
2. Кристаллизация
Она включает в себя растворение соединения в растворителе, а затем осаждение его в виде кристаллов. Этот метод основывается на разной растворимости соединений.
3. Хроматография
В этой технике смесь растворяется в жидкости и проходит через твердую или вязкую фазу. Различные компоненты смеси движутся с разной скоростью, что приводит к их разделению.
Заключение
Органическая химия — это богатая и сложная область, изучающая углеродные соединения и их взаимодействия. Понимание основных принципов и методов создает основу для дальнейших исследований, включая синтез и механизмы реакции.
Обладая такими основами, как связь, номенклатура, структурное представление, изомерия и методы очистки, можно углубленно изучать конкретные области органической химии и вносить вклад в такие области, как фармацевтика и материаловедение.
По мере того как вы продолжаете изучать органическую химию, помните, что практика и терпение являются ключевыми. Работая с примерами, взаимодействуя с различными соединениями и визуализируя молекулы, вы углубите свое понимание того, как органические молекулы взаимодействуют и ведут себя.
Комментарии