- •В.И. Вигдорович, с.В. Романцова, н.В. Шель, и.В. Зарапина
- •Оглавление
- •Предисловие
- •Часть I. Основы органической химии
- •Структура органических соединений
- •Теория строения органических соединений а.М. Бутлерова
- •Изомерия органических соединений
- •Индуктивный и мезомерный эффекты
- •Понятие о мезомерном эффекте
- •Типы реакций органических соединений. Понятие о механизме реакции
- •Типы реакций в органической химии
- •Направление и селективность химической реакции
- •Предельные (насыщенные) углеводороды
- •Изомерия алканов.Для алканов характерен один из видов структурной изомерии – изомерия углеродной цепи (строения углеродного скелета). Приведем примеры таких изомеров:
- •Физические свойства алканов
- •Физические характеристики некоторых нормальных углеводородов
- •Влияние разветвления молекул алканов на их физические характеристики
- •Химические свойства алканов
- •Некоторые отдельные представители
- •Экологическая характеристика алканов
- •Задачи по теме
- •Циклоалканы
- •Физические свойства циклоалканов
- •Получение циклоалканов
- •Химические свойства малых циклов
- •Применение циклоалканов
- •Экологическая оценка
- •Непредельные углеводороды Алкены (олефины)
- •Физические свойства олефинов
- •Получение олефиновых углеводородов
- •Химические свойства олефинов
- •Отдельные представители олефинов
- •Экологические характеристики
- •Задачи по теме
- •Алкадиены (диеновые углеводороды)
- •Методы получение диенов
- •Химические свойства диенов
- •Каучуки
- •Экологическая характеристика
- •Задачи по теме
- •Алкины (ацетиленовые углеводороды)
- •Методы получения алкинов
- •Физические свойства алкинов
- •Химические свойства алкинов
- •Экологическая характеристика
- •Задачи по теме
- •Предельные спирты
- •Предельные одноатомные спирты
- •Получение одноатомных спиртов
- •Физические свойства первичных спиртов
- •Химические свойства одноатомных спиртов
- •Отдельные представители
- •Предельные многоатомные спирты
- •Получение двухатомных спиртов
- •Получение трехатомных спиртов
- •Физические свойства многоатомных спиртов
- •Химические свойства многоатомных спиртов
- •Экологическая характеристика
- •Задачи по теме
- •Предельные оксосоединения
- •Альдегиды
- •Получение альдегидов
- •Физические свойства альдегидов
- •Химические свойства альдегидов
- •Отдельные представители
- •Экологическая характеристика
- •Получение кетонов
- •Химические свойства кетонов
- •Отдельные представители
- •Задачи по теме
- •Карбоновые кислоты
- •Электронное строение карбоксильной группы
- •Предельные карбоновые кислоты
- •Физические свойства кислот
- •Получение карбоновых кислот
- •Химические свойства карбоновых кислот
- •Свойства отдельных представителей гомологического ряда
- •Задачи по теме
- •Азотсодержащие органические соединения
- •Нитросоединения
- •Нитрилы и изоцианиды
- •Алифатические амины
- •Физические свойства аминов
- •Получение аминов
- •Химические свойства аминов
- •Отдельные представители
- •Экологическая характеристика
- •Задачи по теме
- •Аминокислоты
- •Физические свойства α-аминокислот
- •Способы получения -аминокислот
- •Способы получения -аминокислот
- •Химические свойства аминокислот
- •Отдельные представители
- •Простые и сложные эфиры Простые эфиры
- •Способы получения простых эфиров
- •Физические свойства простых эфиров
- •Химические свойства простых эфиров
- •Отдельные представители
- •Сложные эфиры карбоновых кислот Получение сложных эфиров карбоновых кислот
- •Химические свойства эфиров карбоновых кислот
- •Физические свойства жиров
- •Химические свойства жиров
- •Сложные липиды
- •Ароматические углеводороды, арены Бензол и его производные
- •Методы получения бензола и его гомологов
- •Получение гомологов бензола
- •Физические свойства аренов
- •Химические свойства
- •Экологиченские характеристики
- •Ароматические оксосоединения Фенолы
- •Некоторые физические и термодинамические характеристики ряда фенолов
- •Получение фенола
- •Некоторые химические свойства фенола
- •Задачи по теме
- •Гетероциклические соединения
- •Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом
- •Химические свойства пиридина
- •Диоксины
- •Физико-химические свойства ксенобиотиков типа диоксинов
- •Источники ксенобиотиков
- •Пестициды
- •Фуллерены. Синтез и свойства соединений на их основе
- •Методы получения гидридов фуллеренов
- •Кислотность фуллеренов
- •Применение фуллеренов
- •Высокомолекулярные соединения
- •Свойства высокомолекулярных соединений
- •Основные химические реакции высокомолекулярных соединений
- •Часть II основы химической термодинамики
- •Понятия и термины химической термодинамики
- •Внутренняя энергия
- •Первое началотермодинамики
- •Следствия из первого начала термодинамики
- •Теплоемкость при постоянном объеме, сv
- •Теплоемкость при постоянном давлении
- •Равновесные процессы. Максимальная работа
- •Термохимия
- •Закон Гесса
- •Следствия из закона Гесса
- •И окончательно
- •Связь h и u химических реакций
- •Зависимость тепловых эффектов от температуры. Закон Кирхгофа
- •Совершенно очевидно, что разности Сi можно выразить через уравнение
- •Средняя теплоемкость
- •Работа тепловой машины. Теорема и цикл Карно
- •Второе начало термодинамики
- •Энтропия как критерий самопроизвольного течения процесса
- •Следовательно, если такой процесс протекает в изолированной системе, то
- •Расчет энтропии
- •Расчет изменения энтропии идеального газа
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Принцип локального равновесия
- •Важно найти функции, определяющие зависимость deSиdiSот экспериментально измеряемых величин.
- •Статистическая интерпретация энтропии
- •Химический потенциал и химическое сродство
- •Химический потенциал
- •Химическое сродство
- •Уравнение Клапейрона-Клаузиуса
- •Термодинамические потенциалы
- •Свободная энергия Гиббса
- •Для чистого вещества
- •Условия самопроизвольного протекания процесса
- •Уравнение Гиббса-Гельмгольца
- •Тепловая теорема Нернста. Третий закон термодинамики
- •Некоторые аспекты, связанные с достижением химического равновесия
- •Изотерма химической реакции
- •Изобара химической реакции
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Задача 7.Для реакции
- •Задача 8.Для реакции
- •Задача 10.Для реакции
- •Задача 11. Для реакции
- •Литература Основная литература
- •Дополнительная литература
Часть I. Основы органической химии
Введение
Органическая химия представляет собой самостоятельный раздел химической науки, который все шире используется в практике человеческой цивилизации. На ее закономерностях и процессах базируется большое количество технологий, ведущих к получению химических соединений и их производных, без которых немыслима современная жизнь людей.
Органическая химия изучает получение, свойства и применение углеводородов и их функциональных производных. В состав молекул органических соединений входят углерод, водород и элементы-органогены: азот, сера, атомы галогенов, фосфор. Другие химические элементы, в том числе атомы металлов, входят в состав элементорганических соединений.
Органическая химия, естественно, базируется на тех же законах и закономерностях, что и химия вообще. Теоретической базой, определяющей возможность протекания и направления процессов, реализуемых с участием органических соединений, их скоростей, являются химическая термодинамика и химическая кинетика. Вместе с тем, очень важны и специфические закономерности подобных процессов, связанные, в частности, с протеканием электрофильных и нуклеофильных реакций, особенностями и свойствами гомологических рядов широкого количества классов органических соединений.
Особенностью органической химии является наличие как химических процессов, известных из их общехимической классификации – присоединения, замещения, разложения, окисления, так и других, специфических реакций, характерных для отдельных классов химических соединений (гидрирование, гидратация, полимеризация, поликонденсация), специфических именных реакций и правил (Кучерова, Лебедева, Марковникова и многих других). Дело в том, что только с учетом особенностей протекания таких реакций и правил можно сегодня разобраться в огромном количестве методов получения органических соединений (изучаемых студентами химических и смежных специальностей). Особенности химических свойств органических соединений позволяют также установить пути деструкции (разрушения), в частности, высокотоксичных соединений, что важно для химиков-экологов, а также студентов, изучающих инженерные методы защиты окружающей среды. И, конечно, зная их, можно разобраться в безбрежном море технологий, основанных на химических процессах.
Очень важным разделом органической химии является химия высокомолекулярных соединений, которая помимо закономерностей первой и, конечно, своих собственных, широко использует положения коллоидной химии. Ему в пособии, прежде всего в третьей его части, будет отведено вполне достойное место.
Необходимо отметить и еще один аспект. Мало того, что органическая химия интенсивно развивается вширь, в связи с чем ежегодно синтезируются в микро- и миллиграммовых количествах десятки тысяч и даже сотен новых соединений, из которых затем для дальнейших исследований отбираются самые ценные. Она широко развивается вглубь, решая насущные и перспективные проблемы химического материаловедения.
Сегодня чрезвычайно интенсивно разрабатываются проблемы, пожалуй, самой молодой науки, берущей свое начало с 1981 г – наноматериаловедения. Истоки ее связаны с получением фуллеренов С60 и С70, за открытие и синтез которых Р. Смолл, Х. Крото, Р. Керл получили в 1996 г нобелевскую премию. Так, в настоящее время активно изучается химия фуллеренов и фуллеритов вообще и их органическая химия, в частности. Получены многие десятки новых соединений на их основе, успешно изучаются их химические свойства и пути практического использования. В настоящем учебном пособии эти вопросы достаточно глубоко затронуты и прослежены перспективы использования новых веществ подобного рода.
Другой особенностью раздела органической химии предлагаемого читателю учебного пособия является широкий анализ термодинамических параметров органических соединений и их связи с физическими и химическими свойствами.
В целом, вторая часть учебного пособия «Химия» написана с учетом изучения органической химии студентами специальности «Нанотехнология» и «Материалы и технологии», без знания которых немыслима их полноценная подготовка. Отчасти это связано с тем, что наиболее бурно развивающимся разделом наноматериаловедения является изучение синтеза и свойств наноуглеродных материалов. Эта мысль авторов подтверждается тем, что за последние 16 лет две нобелевские премии (1996 г. и 2010 г., А. Гейм и К. Новоселов) присуждены за разработку, получение и изучение свойств именно углеродных наноматериалов. Естественно эти вопросы нашли соответствующее отражение в учебном пособии «Химия», Ч. I и Ч. II.
В последующих разделах 2-й части предлагаемого учебного пособия рассматриваются основы химической термодинамики. Авторам представляется это вполне естественным, так как ранее были изложены вопросы неорганической химии (I-я часть. Тамбов. Изд-во Першина. 2010. 328 с) и органической (настоящая книга) химии. Таким образом, студенты предварительно получают необходимый объем знаний для усвоения этого наиболее абстрактного и, на наш взгляд, сложного для усвоения раздела курса химии. Вместе с тем, без знаний основных положений химической термодинамики, активного владения ее понятийным аппаратом невозможно понимание и эффективное использование критериев самопроизвольного протекания химических реакций и, таким образом, понимания многочисленных проблем материаловедения и его нового быстро развивающегося раздела – наноматериаловедения. С другой стороны, что в научной литературе часто поднимаются вопросы особенностей подчинения взаимодействия веществ в наноразмерном (эффективный размер 1 … 100 нм) состоянии закономерностям химической термодинамики. В настоящем учебном пособии этот момент рассматривается лишь вскользь, так как предполагается его изложение в специальном разделе планируемой к изданию в 2012 г. книги «Физико-химические основы использования наноматериалов».
Одновременно отметим, что в настоящем учебном пособии излагаются положения исключительно равновесной термодинамики. В связи с этим в нем не рассматривается принцип локального равновесия и развитые на его базе понятийный аппарат и термодинамические закономерности процессов, протекающих вдали от равновесия. Однако, читатели, активно усвоившие положения и закономерности равновесной термодинамики и знакомые в достаточной мере с линейной алгеброй, смогут самостоятельно познакомиться с основами и неравновесной термодинамики. Этот ее раздел, чрезвычайно бурно развивающийся в последние 50 – 60 лет Бельгийской термодинамической школы, основателем которой является Теофил Де Донде, а ее очень ярким представителем – лауреат нобелевской премии (1977 г.) Илья Пригожин, конечно же очень важен. Тем более, что большинство реальных процессов протекает в условиях, далеких от равновесия.
Кстати, сказанное относительно термодинамики, в полной мере относится и к органической химии. Изучив ее основы, изложенные в I-й главе настоящего учебного пособия, заинтересованные студенты вполне смогут самостоятельно изучить любые другие ее разделы, касающиеся многочисленных классов химических соединений.
Вместе с тем, учитывая, что курс органической химии будет изучаться студентами специальности «Инженерная защита окружающей среды», в разделах, посвященных изложению физических свойств практически всех рассмотренных классов химических соединений приводятся данные по верхним и нижним пределам взрываемости их смесей с воздухом, специальный параграф посвящается их экологическим характеристикам. Кроме того, в пособии в специальных параграфах достаточно подробно изложены химические свойства и токсикологические характеристики диоксинов, пути их уничтожения, данные о которых обычно отсутствует даже в самых обстоятельных руководствах по органической химии. По той же причине в эту часть пособия включен параграф, посвященный классификации, химическому строению и свойствам пестицидов, в том числе и запрещенных к использованию типа гранозана – продукта 1-го класса опасности, но до сих пор имеющихся на складах сельскохозяйственных предприятий. Помимо сказанного, в первую главу II-й части учебного пособия включен раздел, посвященный органической химии фуллеренов, которая в настоящее время интенсивно развивается. Это связано с бурными исследованиями в области наноматериаловедения углеродных материалов, хотя сегодня не ясно, сами фуллерены следует рассматривать как неорганические (что более вероятно) или органические продукты.