Реферат на тему:
Хімічна формула
Хімічна формула- Відображення інформації про склад і структуру речовин за допомогою хімічних знаків, чисел і розділових знаків - дужок.
Склад молекул складних речовин виражається за допомогою хімічних формул.
На підставі хімічної формули можна дати назву речовини.
Хімічна формула позначає:
- 1 молекулу чи 1 моль речовини;
- якісний склад (з яких хімічних елементів складається речовина);
- кількісний склад (кілька атомів кожного елемента містить молекула речовини).
- Формула H N O 3 означає:
- азотну кислоту;
- 1 молекулу азотної кислоти або 1 моль азотної кислоти;
- якісний склад: молекула азотної кислоти складається з водню, азоту та кисню;
- кількісний склад: до складу молекули азотної кислоти входять один атом елементу водню, один атом елемента азоту, три атоми кисню.
Види
В даний час розрізняють такі види хімічних формул:
- Найпростіша формула. Може бути отримана дослідним шляхом визначення співвідношення хімічних елементів в речовині із застосуванням значень атомної маси елементів. Так, найпростіша формула води буде H 2 O а найпростіша формула бензолу CH (на відміну від C 6 H 6 - істинної, див. далі). Атоми у формулах позначаються знаками хімічних елементів, а відносна кількість - числами у форматі нижніх індексів.
- Справжня формула. Може бути одержана, якщо відома молекулярна маса речовини. Справжня формула води Н 2 Про, що збігається із найпростішою. Справжня формула бензолу С 6 Н 6 відрізняється від найпростішої. Справжні формули називають брутто-формулами або емпіричними. Вони відбивають склад, але з структуру молекул речовини. Справжня формула показує точну кількість атомів кожного елемента однієї молекулі. Цій кількості відповідає індекс - маленька цифра після символу відповідного елемента. Якщо індекс дорівнює 1, тобто в молекулі є тільки один атом даного елемента, то такий індекс не вказують.
- Раціональна формула. У раціональних формулах виділяються групи атомів, притаманних класів хімічних сполук. Наприклад, для спиртів виділяється група -ОН. При записі раціональної формули такі групи атомів полягають у круглі дужки (ВІН). Кількість груп, що повторюються, позначаються числами у форматі нижніх індексів, які ставляться відразу за закриваючою дужкою. Квадратні дужки застосовуються для відображення структури комплексних з'єднань. Наприклад, До 4 - гексаціанокобальтоат калію. Раціональні формули часто зустрічаються у напіврозгорнутому вигляді, коли частина однакових атомів показується окремо для кращого відображення будови молекули речовини.
- Структурна формула. У графічному вигляді вказує взаємне розташування атомів у молекулі. Хімічні зв'язки між атомами позначаються лініями. Розрізняють двовимірні (2D) та тривимірні (3D) формули. Двовимірні є відображенням структури речовини на площині. Тривимірні дозволяють найбільш близько до теоретичних моделей будови речовини представляти її склад, взаємне розташування, зв'язки та відстані між атомами.
- Етанол
- Найпростіша формула С 2 Н 6
- Справжня, емпірична, або брутто-формула: С2Н6О
- Раціональна формула: З 2 Н 5 ВІН
- Раціональна формула в напіврозгорнутому вигляді: СН 3 СН 2 ВІН
- Структурна формула (2D):
Існують інші способи запису хімічних формул. Нові методи з'явилися наприкінці 1980-х із розвитком персональної комп'ютерної техніки (SMILES, WLN, ROSDAL, SLN та інших.). p align="justify"> У персональних комп'ютерах для роботи з хімічними формулами також використовуються спеціальні програмні засоби, звані молекулярними редакторами.
Примітки
- 1 2 3 Основні поняття хімії - de.gubkin.ru/chemistry/ch1-th/node6.html
Даний реферат складено на основі статті з російської Вікіпедії. Синхронізацію виконано 10.07.11 17:38:37
Схожі реферати:
· Близькі статті ·
В даний час розрізняють такі види хімічних формул:
- Найпростіша формула. Може бути отримана дослідним шляхом визначення співвідношення хімічних елементів в речовині із застосуванням значень атомної маси елементів. Так, найпростіша формула води буде H 2 O а найпростіша формула бензолу CH (на відміну від C 6 H 6 - істинної, див. далі). Атоми у формулах позначаються знаками хімічних елементів, а відносна кількість - числами у форматі нижніх індексів.
- Емпірична формула. Різні автори можуть використовувати цей термін для позначення найпростішою, істинноюабо раціональноїформули
- Справжня формула. Може бути одержана, якщо відома молекулярна маса речовини. Справжня формула води Н 2 Про, що збігається із найпростішою. Справжня формула бензолу С 6 Н 6 відрізняється від найпростішої. Справжні формули також називають брутто-формулами. Вони відбивають склад, але з структуру молекул речовини. Справжня формула показує точну кількість атомів кожного елемента однієї молекулі. Цій кількості відповідає індекс - маленька цифра після символу відповідного елемента. Якщо індекс дорівнює 1, тобто в молекулі є тільки один атом даного елемента, то такий індекс не вказують.
- Раціональна формула. У раціональних формулах виділяються групи атомів, притаманних класів хімічних сполук. Наприклад, для спиртів виділяється група -ОН. При записі раціональної формули такі групи атомів полягають у круглі дужки (ВІН). Кількість груп, що повторюються, позначаються числами у форматі нижніх індексів, які ставляться відразу за закриваючою дужкою. Квадратні дужки застосовуються для відображення структури комплексних з'єднань. Наприклад, До 4 - гексаціанокобальтат калію. Раціональні формули часто зустрічаються у напіврозгорнутому вигляді, коли частина однакових атомів показується окремо для кращого відображення будови молекули речовини.
- Структурна формула. У графічному вигляді вказує взаємне розташування атомів у молекулі. Хімічні зв'язки між атомами позначаються лініями. Розрізняють двовимірні (2D) та тривимірні (3D) формули. Двовимірні є відображенням структури речовини на площині. Тривимірні дозволяють найбільш близько до теоретичних моделей будови речовини представляти її склад, взаємне розташування, зв'язки та відстані між атомами.
- Етанол
- Найпростіша формула С 2 Н 6
- Справжня, емпірична, або брутто-формула: С2Н6О
- Раціональна формула: З 2 Н 5 ВІН
- Раціональна формула в напіврозгорнутому вигляді: СН 3 СН 2 ВІН
- Структурна формула (2D):
Існують інші способи запису хімічних формул. Нові методи виникли наприкінці 1980-х із розвитком персональної комп'ютерної техніки (SMILES , WLN, ROSDAL, SLN та інших.). p align="justify"> У персональних комп'ютерах для роботи з хімічними формулами також використовуються спеціальні програмні засоби, звані молекулярними редакторами.
Брутто, структурні та електронні формули сполук
Другий постулат Вутлерова. Хімічні реакційні здібності певних груп атомів суттєво залежать від їхнього хімічного оточення, тобто від того, з якими атомами чи групами атомів є сусідами певна група.
Формули сполук, якими користувалися щодо неорганічної хімії, відбивають лише кількість атомів тієї чи іншої елемента в молекулі. Такі формули називають "брутто - формулами", або "молекулярними формулами".
Як випливає з першого постулату Вутлерова, в органічній хімії важлива як кількість тих чи інших атомів у молекулі, а й порядок їх зв'язування, тобто брутто-формули який завжди доцільно використовуватиме органічних сполук. Наприклад, для наочності під час розгляду структури молекули метану ми використовували структурні формули - схематичне зображення порядку зв'язування атомів молекулу. При зображенні структурних формул хімічний зв'язок позначають рисою, подвійний зв'язок - двома рисками і т.д.
Електронна формула (або формула Льюїса) дуже схожа на структурну формулу, але в цьому випадку зображують не утворені зв'язки, а електрони, як утворюють зв'язок, так і ті, що його не утворюють.
Наприклад, вже розглянуту сульфатну кислоту можна записати за допомогою таких формул. Брутто-формула - Н 2 80 4 структурна та електронна формули мають такий вигляд:
Структурні формули органічних сполук
Майже всі органічні речовини складаються з молекул, склад яких виражається хімічними формулами, наприклад, СН 4 , С 4 Н 10 , С 2 Н 4 О 2 . А яку будову мають молекули органічних речовин? Це питання ставили собі в середині XIX століття засновники органічної хімії – Ф. Кекуле та А. М. Вутлеров. Досліджуючи склад та властивості різних органічних речовин, вони дійшли таких висновків:
Атоми в молекулах органічних речовин з'єднані хімічними зв'язками у певній послідовності відповідно до їх валентності. Цю послідовність прийнято називати хімічною будовою;
Атоми Вуглецю у всіх органічних сполуках чотиривалентні, а інші елементи виявляють характерні для них валентності.
Ці положення є основою теорії будови органічних сполук, сформульованої О. М. Бутлеровим у 1861 році.
Хімічну будову органічних сполук наочно подають структурними формулами, у яких хімічні зв'язки між атомами позначають рисками. Загальна кількість рис, що відходять від символу кожного елемента, дорівнює його валентності атома. Кратні зв'язки зображують двома або трьома рисками.
На прикладі насиченого вуглеводню пропану С3Н8 розглянемо, як скласти структурну формулу органічної речовини.
1. Зображаємо карбоновий скелет. У цьому випадку ланцюг складається з трьох атомів Вуглецю:
С-С-З
2. Карбон чотиривалентний, тому від кожного атома Карбону зображуємо недостатні риси таким чином, щоб поряд з кожним атомом було по чотири риси:
3. Дописуємо символи атомів Гідрогену:
Часто структурні формули записують у скороченому вигляді, не зображуючи зв'язку С - Н. Скорочені структурні формули набагато компактніші, ніж розгорнуті:
СН 3 - СН 2 - СН 3 .
Структурні формули показують лише послідовність з'єднання атомів, але не відображають просторової будови молекул, зокрема валентні кути. Відомо, наприклад, що кут між зв'язками в пропані дорівнює 109,5°. Однак структурна формула пропану виглядає так, ніби цей кут дорівнює 180 °. Тому правильніше було б записувати структурну формулу пропану в менш зручному, але більш істинному вигляді:
Професійні хіміки використовують такі структурні формули, в яких взагалі не показані ні атоми Карбону, ні атоми Гідрогену, а зображений лише карбоновий скелет у вигляді сполучених між собою С-З-зв'язків, а також функціональні групи. Для того, щоб кістяк не виглядав однією суцільною лінією, хімічні зв'язки зображують під кутом один до одного. Так, у молекулі пропану С 3 Н 8 всього два зв'язки С-С, тому пропан зображують двома рисками.
Гомологічні ряди органічних сполук
Розглянемо структурні формули двох сполук одного класу, наприклад спиртів:
Молекули метилового СН 3 ВІН і етилового С 2 Н 5 ВІН спиртів мають однакову функціональну групу ВІН, загальну для всього класу спиртів, але відрізняються довжиною карбонового скелета: в етанолі на один атом Вуглецю більше. Порівнюючи структурні формули, можна помітити, що при збільшенні карбонового ланцюга на один атом Вуглецю склад речовини змінюється на групу СН 2 при подовженні карбонового ланцюга на два атоми - на дві групи СН 2 т.д.
З'єднання одного класу, що мають подібну будову, але відрізняються за складом на одну або кілька груп СН 2 називають гомологами.
Групу СН 2 називають гомологічною різницею. Сукупність усіх гомологів утворює гомологічний ряд. Метанол та етанол відносяться до гомологічного ряду спиртів. Усі речовини одного ряду мають подібні хімічні властивості, які склад можна висловити загальної формулою. Наприклад, загальна формула гомологічного ряду спиртів - n Н 2 n +1 ВОН, де n - натуральне число.
|
Клас з'єднань |
Загальна формула |
Загальна формула із виділенням функціональної групи |
|
Алкани |
З n Н 2 n + 2 |
|
|
Циклоалкані |
З n Н 2 n |
|
|
Алкени |
З n Н 2 n |
|
|
Алкадієні |
З n Н 2 n-2 |
|
|
Алкіні |
З n Н 2 n-2 |
|
|
Одноядерні арени (гомологічний ряд бензену) |
З n Н 2 n-6 |
|
|
Одноатомні спирти насінені |
З n Н 2 n + 2 В |
З n Н 2 n +1 H |
|
Багатоатомні спирти |
З n Н 2 n + 2 Про x |
З n Н 2 n + 2-x (H) x |
|
Альдегіди |
З n Н 2 n |
З n Н 2 n +1 CHO |
|
Одноосновні карбонові кислоти |
З n Н 2 n Про 2 |
З n Н 2 n +1 COOH |
|
Естери |
З n Н 2 n |
З n Н 2 n +1 COOC n H 2n+1 |
|
Вуглеводи |
З n (Н 2 Про ) m |
|
|
Аміни первинні |
З n Н 2 n + 3 N |
З n Н 2 n +1 NH 2 |
|
Амінокислоти |
З n Н 2 n +1 NO |
Н 2 NC n H 2n COOH |
Брутто-формула речовини я його перетворення на толуол свідчать про те, що це метилциклогексадієн. Він здатний приєднувати аллеїновий ангідрид що характерно для сполучених дієнів.
Брутто-формула речовини надійно визначається лише поєднанням елементного аналізу із визначенням молекулярної маси.
Визначення брутто-формули речовини вимагає, таким чином, аналізу гомологічних серій осколкових іонів та характеристичних різниць.
Як встановлюється брутто-формула речовини.
Крім спектру ПМР та брутто-формули речовини для встановлення структурної формули є дані про його природу або походження, без яких однозначна інтерпретація спектра була б неможлива.
На початку кожної статті наведена брутто-формула речовини, її назва та дана структурна формула. Пошук необхідної речовини в довіднику здійснюється за відомою брутто-формулою та формульним покажчиком або за відомою назвою та алфавітним покажчиком, розташованим наприкінці довідника.
У першій графі всіх таблиць наводиться брутто-формула речовини, у наступній графі - його хімічна формула. Потім вказано температуру, при якій проведено вимірювання. Для галогенів (крім йоду) наведено лише дані, отримані при стандартній для ЯКР температурі рідкого азоту (77 К) - Дані для інших температур наводяться у разі відсутності вимірювань при 77 К, що обумовлено у примітках.
Методи мас-спектрометрії використовуються для ідентифікації речовин, визначення брутто-формул речовин та їхньої хімічної будови. Важливими для хімії є такі фізичні характеристики, як потенціал іонізації та енергія розриву хімічних зв'язків.
Для знаходження будь-якої сполуки у формульному покажчику треба попередньо підрахувати брутто-формулу речовини та розмістити елементи за системою Хілла: для неорганічних речовин в алфавітному порядку, наприклад, Н3О4Р (фосфорна кислота), CuO4S (сульфат міді), O7P2Zn2 (пірофосфат цин) .
Для знаходження будь-якої сполуки у формульному покажчику треба попередньо підрахувати брутто-формулу речовини та розмістити елементи за системою Хілла: для неорганічних речовин в алфавітному порядку, наприклад НзО4Р (фосфорна кислота), CuO4S (сульфат міді), O7P2Zn2 (пірофосфат цин) .
Можливості мас-спектрометрії низького дозволу не дозволяють розділити другу і третю стадії групової ідентифікації, і визначення брутто-формули речовини проводять одночасно з обмеженням кількості можливих варіантів віднесення до конкретних гомологічним рядам. За визначенням гомологічна група об'єднує ряди сполук, масові числа яких можна порівняти за модулем 14, у тому числі - ізобарні. У деяких випадках ізобарні сполуки різних рядів мають аналогічні закономірності фрагментації, що проявляється в подібності їх мас-спектрів низького дозволу.
Маса молекулярного іона (1801616) виміряна з високою точністю, що дозволяє відразу визначити брутто-формулу речовини.
Виходячи з викладеного, в елементному аналізі органічних сполук запропоновано безнавісні методи визначення стехіометрії молекул, що характеризують брутто-формулу речовини. В основному ці методи призначені для з'ясування стехіометрії елементів-органогенів: вуглецю, водню та азоту. Вони ґрунтуються на порівнянні аналітичних сигналів продуктів-мінералізації проби речовини. Як такі сигнали служать, наприклад, площі хроматографічних піків, об'єми титранта, загального для двох елементів, та ін. Таким чином можлива робота без ваг з мікро- та ультрамікрокількістю.
Кількісний аналіз полімерів включає такі питання: 1) кількісний елементний аналіз, що дозволяє встановлювати брутто-формулу речовини; 2) визначення числа функціональних та кінцевих груп у полімерних ланцюгах; 3) визначення мовляв.
Точні значення молекулярної ваги можуть бути отримані з мас-спектрів і покладені в основу певних альтернативних припущень про брутто-формулу речовини, її якісний і кількісний склади. Так, зокрема, непарна величина молекулярної ваги може бути доказом присутності в молекулі одного (трьох, п'яти, взагалі – непарного числа) атома азоту: азот – єдиний елемент-органоген з непарною валентністю при парному атомі. Навпаки, парна молекулярна вага вказує на відсутність азоту або можливість наявності парного числа його атомів. Таким чином, наприклад, органічна речовина з М 68 може мати лише три брутто-формули: CsHs, 4 6 або СЗН, і їх облік істотно полегшить тлумачення спектральних даних і остаточний вибір структури.
Ще більш цінним джерелом необхідної додаткової інформації є дані кількісного (елементного) аналізу, які в поєднанні з визначенням молекулярної маси дозволяють встановити брутто-формулу речовини.
Ще більш цінним джерелом необхідної додаткової інформації є дані кількісного (елементного) аналізу, які: у поєднанні з визначенням молекулярної ваги дозволяють встановити брутто-формулу речовини. Класичні (хімічні) методи встановлення брутто-формули тепер все частіше замінюються мас-спектрометричними, заснованими на точному вимірі інтенсивності ізотопних ліній молекулярних іонів або дуже точному вимірі масових чисел на спектрометрах високої роздільної здатності.
Ще більш цінним джерелом необхідної додаткової інформації: ції служать дані кількісного (елементного) аналізу, які у поєднанні з визначенням молекулярної маси дозволяють встановити брутто-формулу речовини.
Зауважте, це рідкісний випадок, коли брутто-формула відповідає одній речовині. Зазвичай виходячи з цих даних ми можемо вказати лише брутто-формулу речовини, але з структурну формулу. А часто ми навіть не можемо співвіднести речовину із певним класом. Для отримання структурної формули речовини необхідні додаткові дані про хімічні властивості цієї речовини.
Елементний аналіз використовують для кількісного визначення органічних та елементорганічних сполук, що містять азот, галогени, сірку, а також миш'як, вісмут, ртуть, сурму та інші елементи. Елементний аналіз може бути застосований для якісного підтвердження наявності цих елементів у складі досліджуваного з'єднання або для встановлення або підтвердження брутто-формули речовини.
Останній ряд менш ймовірний, оскільки його ознакою є наявність у спектрах інтенсивних піків 4-ї гомологічної групи, яких у даному випадку немає. Подальшу деталізацію віднесення можна однозначно провести за спектрами іонних серій (див. розділ 5.5), проте, враховуючи високу інтенсивність піків молекулярних іонів у даному спектрі, доцільно уточнити брутто-формулу речовини з використанням ізотопних сигналів.
Поняття гомології одна із найважливіших в органічної хімії, і гомологічні ряди становлять основу сучасної класифікації органічних сполук. Питання належності з'єднань до різних гомологічним рядам дуже важливі і пов'язані, наприклад, з проблемами ізомерії в органічній хімії, зокрема зі створенням ефективних алгоритмів визначення кількості можливих ізомерів за брутто формулою речовини за допомогою ЕОМ.
Схемп щшбора для кількісного елементного аналізу. В елементному аналізі існує тенденція до зменшення ручної праці та збільшення точності визначень. Розвиток приладової техніки дозволило останніми роками розробити прилад для автоматичного елементного аналізу, в якому утворюються при спалюванні зразка діоксид вуглецю, вода і азот струмом гелію направляються в приєднаний до приладу газовий хроматограф, за допомогою якого здійснюється їх одночасне кількісне визначення. З іншого боку, використання мас-спектрометра високого дозволу (див. розділ 1.1.9.3) дозволяє простим способом визначити брутто-формулу речовини без проведення кількісного елементного аналізу.
Розроблено діалоговий режим роботи системи РАСТР. Обмін інформацією між людиною та ЕОМ здійснюється через алфавітно-цифровий дисплей. Програма здійснює опитування працюючого, одночасно вказуючи форму відповіді. Потрібна інформація про види експериментальних спектрів, що є в наявності, про їх ознаки та спектральні параметри. Після введення всієї спектральної інформації та брутто-формули речовини оператор вказує режим побудови імплікацій – логічних співвідношень між ознаками спектра та структурою сполуки. Оператор має можливість вносити і в них будь-які зміни: виключати або додавати відомості до бібліотечних фрагментів, прибирати будь-які імплікації або додавати нові. В результаті рішення системи узгоджених логічних рівнянь на дисплей видаються набори фрагментів, що задовольняють спектри та хімічну інформацію.
Під час обробки мас-спектрів вручну необхідною стадією ідентифікації є визначення класу речовини. Ця стадія у явному чи неявному вигляді включена також у багато складних алгоритмів ідентифікації, призначених для ЕОМ. Подібна операція може бути виконана і в тому випадку, коли мас-спектр визначається речовини раніше не був відомий, але добре вивчені закономірності фрагментації класу сполук, до якого воно відноситься. Це можливо на основі загальних для даного класу чи гомологічного ряду якісних та кількісних закономірностей фрагментації. Якщо для невідомого компонента вдалося зареєструвати такий важливий для ідентифікації пік, як пік молекулярного іона, то в поєднанні з інформацією про клас сполуки молекулярна маса дозволяє визначити брутто-формулу речовини. Слід зазначити, що використання ізотопних піків для визначення брутто-формули при хромато-мас-спектромет-ричному аналізі має обмежене значення і можливе тільки за високої інтенсивності цих піків і піку молекулярного іона. Для окремих груп ізомерів ароматичних та парафінових вуглеводнів розроблено алгоритми індивідуальної ідентифікації, побудовані з урахуванням деяких кількісних особливостей їх мас-спектрів.
Ну і щоб завершити знайомство зі спиртами, наведу ще формулу іншої відомої речовини – холестерину. Не всі знають, що він є одноатомним спиртом!
|`/`\\`|<`|w>`\`/|<`/w$color(red)HO$color()>\/`|0/`|/\<`|w>|_q_q_q<-dH>:a_q|0<|dH>`/<`|wH>`\|dH; #a_(A-72)<_(A-120,d+)>-/-/<->`\
Гідроксильну групу в ньому я позначив червоним кольором.
Карбонові кислоти
Будь-який винороб знає, що вино має зберігатись без доступу повітря. Інакше воно скисне. Але хіміки знають причину – якщо до спирту приєднати ще один атом кисню, то вийде кислота.Подивимося на формули кислот, які виходять із вже знайомих нам спиртів:
| Речовина | Скелетна формула | Брутто-формула | ||
|---|---|---|---|---|
| Метанова кислота (мурашина кислота) |
H/C`|O|\OH | HCOOH | O//\OH | |
| Етанова кислота (оцтова кислота) |
H-C-C\O-H; H|#C|H | CH3-COOH | /`|O|\OH | |
| Пропанова кислота (метилоцтова кислота) |
H-C-C-C\O-H; H|#2|H; H|#3|H | CH3-CH2-COOH | \/`|O|\OH | |
| Бутанова кислота (олійна кислота) |
H-C-C-C-C\O-H; H|#2|H; H|#3|H; H|#4|H | CH3-CH2-CH2-COOH | /\/`|O|\OH | |
| Узагальнена формула | (R)-C\O-H | (R)-COOH або (R)-CO2H | (R)/`|O|\OH |
Відмінною особливістю органічних кислот є наявність карбоксильної групи (COOH), яка і надає таким речовин кислотні властивості.
Всі, хто пробував оцет, знають, що він дуже кислий. Причиною цього є наявність у ньому оцтової кислоти. Зазвичай столовий оцет містить від 3 до 15% оцтової кислоти, а інше (здебільшого) - вода. Вживання оцтової кислоти в нерозбавленому вигляді становить небезпеку для життя.
Карбонові кислоти можуть мати декілька карбоксильних груп. У цьому випадку вони називаються: двоосновна, триосновнаі т.д...
У харчових продуктах міститься багато інших органічних кислот. Ось тільки деякі з них:
Назва цих кислот відповідає тим харчовим продуктам, у яких вони містяться. До речі, зверніть увагу, що тут зустрічаються кислоти, що мають гідроксильну групу, характерну для спиртів. Такі речовини називаються оксикарбоновими кислотами(або оксикислотами).
Внизу під кожною з кислот підписано уточнювальну назву тієї групи органічних речовин, до якої вона відноситься.
Радикали
Радикали - це ще одне поняття, яке вплинуло на хімічні формули. Саме слово, напевно, всім відомо, але в хімії радикали не мають нічого спільного з політиками, бунтівниками та іншими громадянами з активною позицією.
Тут це лише фрагменти молекул. І зараз ми розберемося, в чому їхня особливість і познайомимося з новим способом запису хімічних формул.
Вище за текстом кілька разів згадувалися узагальнені формули: спирти - (R)-OH і карбонові кислоти - (R)-COOH . Нагадаю, що -OH та -COOH - це функціональні групи. А ось R – це і є радикал. Не дарма він зображується у вигляді букви R.
Якщо виражатися більш точно, то одновалентним радикалом називається частина молекули, позбавлена одного атома водню. Ну а якщо відібрати два атоми водню, то вийде двовалентний радикал.
Радикали у хімії отримали власні назви. Деякі з них отримали навіть латинські позначення, схожі на позначення елементів. І крім того, іноді у формулах радикали можуть бути вказані в скороченому вигляді, що більше нагадує брутто-формули.
Усе це демонструється у таблиці.
| Назва | Структурна формула | Позначення | Коротка формула | Приклад спирту | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Мітил | CH3-() | Me | CH3 | (Me)-OH | CH3OH | |
| Етил | CH3-CH2-() | Et | C2H5 | (Et)-OH | C2H5OH | |
| Пропив | CH3-CH2-CH2-() | Pr | C3H7 | (Pr)-OH | C3H7OH | |
| Ізопропіл | H3C\CH(*`/H3C*)-() | i-Pr | C3H7 | (i-Pr)-OH | (CH3)2CHOH | |
| Феніл | `/`=`\//-\\-{} | Ph | C6H5 | (Ph)-OH | C6H5OH | |
Думаю, тут все зрозуміло. Хочу лише звернути увагу на колонку, де наводяться приклади спиртів. Деякі радикали записуються у вигляді, що нагадує брутто-формулу, але функціональна група записується окремо. Наприклад, CH3-CH2-OH перетворюється на C2H5OH .
А для розгалужених ланцюжків на зразок ізопропілу застосовуються конструкції з дужками.
Існує ще таке явище, як вільні радикали. Це радикали, які з якихось причин відокремилися від функціональних груп. У цьому порушується одне з тих правил, з яких розпочали вивчення формул: число хімічних зв'язків не відповідає валентності однієї з атомів. Ну чи можна сказати, що один із зв'язків стає незакритим з одного кінця. Зазвичай вільні радикали живуть короткий час, адже молекули прагнуть повернутися до стабільного стану.
Ознайомлення з азотом. Аміни
Пропоную познайомитись із ще одним елементом, який входить до складу багатьох органічних сполук. Це азот.
Він позначається латинською літерою Nі має валентність, що дорівнює трьом.
Подивимося, які речовини виходять, якщо до знайомих нам вуглеводнів приєднати азот:
| Речовина | Розгорнута структурна формула | Спрощена структурна формула | Скелетна формула | Брутто-формула |
|---|---|---|---|---|
| Амінометан (метиламін) |
H-C-N\H;H|#C|H | CH3-NH2 | \NH2 | |
| Аміноетан (етиламін) |
H-C-C-N\H;H|#C|H;H|#3|H | CH3-CH2-NH2 | /\NH2 | |
| Диметиламін | H-C-N<`|H>-C-H; H|#-3|H; H|#2|H | $L(1.3)H/N<_(A80,w+)CH3>\dCH3 | /N<_(y-.5)H>\ | |
| Амінобензол (Анілін) |
H\N|C\C|C<\H>`//C<|H>`\C<`/H>`||C<`\H>/ | NH2|C\CH|CH`//C<_(y.5)H>`\HC`||HC/ | NH2|\|`/`\`|/_o | |
| Триетиламін | $slope(45)H-C-C/N\C-C-H;H|#2|H; H|#3|H; H|#5|H;H|#6|H; #N`|C<`-H><-H>`|C<`-H><-H>`|H | CH3-CH2-N<`|CH2-CH3>-CH2-CH3 | \/N<`|/>\| |
Як Ви вже напевно здогадалися з назв, всі ці речовини поєднуються під загальною назвою аміни. Функціональна група ()-NH2 називається аміногрупою. Ось кілька узагальнюючих формул амінів:
Загалом ніяких особливих нововведень тут немає. Якщо ці формули Вам зрозумілі, можете сміливо займатися подальшим вивченням органічної хімії, використовуючи який-небудь підручник або інтернет.
Але мені хотілося б ще розповісти про формули в неорганічній хімії. Ви переконаєтеся, як їх легко зрозуміти після вивчення будови органічних молекул.
Раціональні формули
Не слід робити висновок, що неорганічна хімія простіше, ніж органічна. Звичайно, неорганічні молекули зазвичай виглядають набагато простіше, тому що вони не схильні до утворення таких складних структур як вуглеводні. Але доводиться вивчати більше сотні елементів, що входять до складу таблиці Менделєєва. А ці елементи мають схильність поєднуватися за хімічними властивостями, але з численними винятками.
Так от, нічого цього я не розповідатиму. Тема моєї статті – хімічні формули. А з ними якраз усе відносно просто.
Найчастіше в неорганічній хімії використовуються раціональні формули. І ми зараз розберемося, чим вони відрізняються від уже знайомих нам.
Для початку познайомимося з ще одним елементом - кальцієм. Це також дуже поширений елемент.
Позначається він Caі має валентність, що дорівнює двом. Подивимося, які сполуки він утворює з відомими нам вуглецем, киснем та воднем.
| Речовина | Структурна формула | Раціональна формула | Брутто-формула |
|---|---|---|---|
| Оксид кальцію | Ca=O | CaO | |
| Гідроксид кальцію | H-O-Ca-O-H | Ca(OH)2 | |
| Карбонат кальцію | $slope(45)Ca`/O\C|O`|/O`\#1 | CaCO3 | |
| Гідрокарбонат кальцію | HO/`|O|\O/Ca\O/`|O|\OH | Ca(HCO3)2 | |
| Вугільна кислота | H|O\C|O`|/O`|H | H2CO3 |
При першому погляді можна помітити, що раціональна формула є чимось середнім між структурною та брутто-формулою. Але поки що не дуже зрозуміло, як вони виходять. Щоб зрозуміти зміст цих формул, слід розглянути хімічні реакції, у яких беруть участь речовини.
Кальцій у чистому вигляді – це м'який білий метал. У природі не зустрічається. Але його можна купити в магазині хімреактивів. Він зазвичай зберігається у спеціальних баночках без доступу повітря. Тому що на повітрі він вступає у реакцію із киснем. Власне тому він і не зустрічається в природі.
Отже, реакція кальцію з киснем:
2Ca + O2 -> 2CaO
Цифра 2 перед формулою речовини означає, що реакції беруть участь 2 молекули.
З кальцію та кисню виходить оксид кальцію. Ця речовина теж не зустрічається в природі, тому що він вступає в реакцію з водою:
CaO + H2O -> Ca(OH2)
Виходить гідроксид кальцію. Якщо придивитися до його структурної формули (у попередній таблиці), то видно, що вона утворена одним атомом кальцію та двома гідроксильними групами, з якими ми вже знайомі.
Такими є закони хімії: якщо гідроксильна група приєднується до органічної речовини, виходить спирт, а якщо до металу - то гідроксид.
Але й гідроксид кальцію не зустрічається у природі через наявність у повітрі вуглекислого газу. Думаю, що всі чули про цей газ. Він утворюється при диханні людей і тварин, згорянні вугілля та нафтопродуктів, при пожежах та виверженнях вулканів. Тому він завжди присутній у повітрі. Але ще він досить добре розчиняється у воді, утворюючи вугільну кислоту:
CO2 + H2O<=>H2CO3
Знак<=>говорить про те, що реакція може проходити в обидві сторони за однакових умов.
Таким чином, гідроксид кальцію, розчинений у воді, вступає в реакцію з вугільною кислотою і перетворюється на малорозчинний карбонат кальцію:
Ca(OH)2 + H2CO3 -> CaCO3"|v" + 2H2O
Стрілка вниз означає, що в результаті реакції речовина випадає в осад.
При подальшому контакті карбонату кальцію з вуглекислим газом у присутності води відбувається оборотна реакція утворення кислої солі - гідрокарбонату кальцію, який добре розчинний у воді
CaCO3 + CO2 + H2O<=>Ca(HCO3)2
Цей процес впливає жорсткість води. При підвищенні температури гідрокарбонат обернено перетворюється на карбонат. Тому в регіонах із жорсткою водою у чайниках утворюється накип.
З карбонату кальцію значною мірою складаються крейда, вапняк, мармур, туф та багато інших мінералів. Також він входить до складу коралів, раковин молюсків, кісток тварин тощо.
Але якщо карбонат кальцію розжарити на дуже сильному вогні, то він перетвориться на оксид кальцію та вуглекислий газ.
Ця невелика розповідь про кругообіг кальцію в природі має пояснити, для чого потрібні раціональні формули. Так ось, раціональні формули записуються так, щоб було видно функціональні групи. У нашому випадку це:
З іншого боку, окремі елементи - Ca, H, O(в оксидах) - теж є самостійними групами.Іони
Думаю, що настав час знайомитися з іонами. Це слово, напевно, всім знайоме. А після вивчення функціональних груп нам нічого не варто розібратися, що ж являють собою ці іони.
Загалом, природа хімічних зв'язків зазвичай у тому, що одні елементи віддають електрони, інші вони отримують. Електрони – це частинки з негативним зарядом. Елемент із повним набором електронів має нульовий заряд. Якщо він віддав електрон, його заряд стає позитивним, і якщо прийняв - то заперечним. Наприклад, водень має лише один електрон, який він досить легко віддає, перетворюючись на позитивний іон. Для цього існує спеціальний запис у хімічних формулах:
H2O<=>H^+ + OH^-
Тут ми бачимо, що в результаті електролітичної дисоціаціївода розпадається на позитивно заряджений іон водню та негативно заряджену групу OH. Іон OH^- називається гідроксид-іон. Не слід плутати його з гідроксильною групою, яка є не іоном, а частиною якоїсь молекули. Знак + або – у верхньому правому кутку демонструє заряд іона.
А ось вугільна кислота ніколи не існує у вигляді самостійної речовини. Фактично, вона є сумішшю іонів водню та карбонат-іонів (або гідрокарбонат-іонів):
H2CO3 = H^+ + HCO3^-<=>2H^+ + CO3^2-
Карбонат-іон має заряд 2-. Це означає, що до нього приєдналися два електрони.
Негативно заряджені іони називаються аніони. Зазвичай до них належать кислотні залишки.
Позитивно заряджені іони - катіони. Найчастіше це водень та метали.
І ось тут, напевно, можна повністю зрозуміти зміст раціональних формул. У них спочатку записується катіон, а за ним – аніон. Навіть якщо формула не містить жодних зарядів.
Ви, напевно, вже здогадуєтеся, що іони можна описувати не лише раціональними формулами. Ось скелетна формула гідрокарбонат-аніону:
Тут заряд вказаний безпосередньо біля атома кисню, який отримав зайвий електрон, і тому втратив одну рису. Простіше кажучи, кожен зайвий електрон зменшує кількість хімічних зв'язків, що зображуються у структурній формулі. З іншого боку, якщо у якогось вузла структурної формули стоїть знак +, то він з'являється додаткова паличка. Як завжди, подібний факт слід продемонструвати на прикладі. Але серед знайомих нам речовин не зустрічається жодного катіону, який складався б із кількох атомів.
А такою речовиною є аміак. Його водний розчин часто називається нашатирний спиртта входить до складу будь-якої аптечки. Аміак є сполукою водню та азоту і має раціональну формулу NH3. Розглянемо хімічну реакцію, яка відбувається при розчиненні аміаку у воді:
NH3 + H2O<=>NH4^+ + OH^-
Те саме, але з використанням структурних формул:
H|N<`/H>\H + H-O-H<=>H|N^+<_(A75,w+)H><_(A15,d+)H>`/H + O`^-#-H
У правій частині ми бачимо два іони. Вони утворилися через те, що один атом водню перемістився з молекули води в молекулу аміаку. Але це атом перемістився без свого електрона. Аніон нам уже знайомий – це гідроксид-іон. А катіон називається амоній. Він виявляє властивості, схожі на метали. Наприклад, може об'єднатися з кислотним залишком. Речовина, утворена сполукою амонію з карбонат-аніоном називається карбонат амонію: (NH4)2CO3.
Ось рівняння реакції взаємодії амонію з карбонат-аніоном, записане у вигляді структурних формул:
2H|N^+<`/H><_(A75,w+)H>_(A15,d+)H + O^-\C|O`|/O^-<=>H|N^+<`/H><_(A75,w+)H>_(A15,d+)H`|0O^-\C|O`|/O^-|0H_(A-15,d-)N^+<_(A105,w+)H><\H>`|H
Але у такому вигляді рівняння реакції дано у демонстраційних цілях. Зазвичай рівняння використовують раціональні формули:
2NH4^+ + CO3^2-<=>(NH4)2CO3
Система Хілла
Отже, можна вважати, що ми вже вивчили структурні та раціональні формули. Але є ще одне питання, яке варто розглянути докладніше. Чим же все ж таки відрізняються брутто-формули від раціональних?
Ми знаємо, чому раціональна формула вугільної кислоти записується H2CO3, а не якось інакше. (Спочатку йдуть два катіони водню, а за ними карбонат-аніон). Але чому брутто-формула записується CH2O3?
В принципі, раціональна формула вугільної кислоти цілком може вважатися справжньою формулою, адже в ній немає елементів, що повторюються. На відміну від NH4OH або Ca(OH)2.
Але до брутто-формулам дуже часто застосовується додаткове правило, що визначає порядок прямування елементів. Правило досить просте: спочатку встановлюється вуглець, потім водень, а далі інші елементи в алфавітному порядку.
Ось і виходить CH2O3 – вуглець, водень, кисень. Це називається системою Хілла. Вона використовується практично у всіх хімічних довідниках. І у цій статті теж.
Трохи про систему easyChem
Замість укладання мені хотілося б розповісти про систему easyChem. Вона розроблена для того, щоб усі формули, які ми тут обговорювали, можна було легко вставити в текст. Власне, усі формули в цій статті намальовані за допомогою easyChem.
Навіщо взагалі потрібна якась система для виведення формул? Справа в тому, що стандартний спосіб відображення інформації в інтернет-браузерах - це мова гіпертекстової розмітки (HTML). Він спрямований на обробку текстової інформації.
Раціональні та брутто-формули цілком можна зобразити за допомогою тексту. Навіть деякі спрощені структурні формули можуть бути записані текстом, наприклад спирт CH3-CH2-OH . Хоча для цього довелося б у HTML використовувати такий запис: CH 3-CH 2-OH.
Це, звичайно, створює деякі труднощі, але з ними можна змиритися. Але як зобразити структурну формулу? В принципі, можна використовувати моноширинний шрифт:
H H | | H-C-C-O-H | | H H Виглядає звичайно не дуже красиво, але теж можна здійснити.
Дана проблема виникає при спробі зобразити бензольні кільця та при використанні скелетних формул. Тут немає іншого шляху, крім підключення растрового зображення. Растри зберігаються в окремих файлах. Браузери можуть підключати зображення у форматі gif, png або jpeg.
Для створення таких файлів потрібний графічний редактор. Наприклад, Фотошоп. Але я більше 10 років знайомий із Фотошопом і можу сказати точно, що він дуже погано підходить для зображення хімічних формул.
Набагато краще з цим завданням справляються молекулярні редактори. Але при великій кількості формул, кожна з яких зберігається в окремому файлі, досить легко заплутатися в них.
Наприклад, число формул у цій статті дорівнює . З них виведені у вигляді графічних зображень (інші за допомогою засобів HTML).
Система easyChem дозволяє зберігати всі формули прямо в HTML-документі у текстовому вигляді. На мою думку, це дуже зручно.
Крім того, брутто-формули у цій статті обчислюються автоматично. Тому що easyChem працює в два етапи: спочатку текстовий опис перетворюється на інформаційну структуру (граф), а потім із цією структурою можна виконувати різні дії. Серед них можна відзначити такі функції: обчислення молекулярної маси, перетворення на брутто-формулу, перевірка на можливість виведення у вигляді тексту, графічне та текстове відмальовування.
Таким чином, для підготовки цієї статті я скористався лише текстовим редактором. Причому мені не довелося думати, яка з формул буде графічною, а яка - текстовою.
Ось кілька прикладів, що розкривають секрет підготовки тексту статті: Описи з лівого стовпця автоматично перетворюються на формули у другому стовпці.
У першому рядку опис раціональної формули дуже схоже на результат, що відображається. Різниця лише тому, що числові коефіцієнти виводяться підрядковим.
У другому рядку розгорнута формула задана у вигляді трьох окремих ланцюжків, розділених символом; Я думаю, неважко помітити, що текстовий опис багато в чому нагадує ті дії, які були б потрібні для зображення формули олівцем на папері.
У третьому рядку демонструється використання похилих ліній за допомогою символів \/. Значок (зворотний апостроф) означає, що лінія проводиться праворуч наліво (або знизу вгору).
Тут є набагато докладніша документація щодо використання системи easyChem.
На цьому дозвольте закінчити статтю та побажати успіхів у вивченні хімії.
