Конспект уроку з хімії у 10 класі на тему: "Теорія будови органічних сполук. Поняття про явище ізомерії та ізомери"

Тема: Теорія будови органічних сполук. Залежність властивостей речовин від складу і хімічної будови молекул. Поняття про явище ізомерії та ізомери.

Мета:Ознайомити учнів з історією створення теорії хімічної будови органічних сполук О.М.Бутлерова, її основними положеннями, значенням для розвитку хімії; Дати поняття «структурна формула», «ізомери», «ізомерія»;  Розвивати логічне мислення учнів, вміння аналізувати, робити висновки.

Обладнання: портрети вчених, таблиця «Види ізомерії».

Тип уроку: вивчення нового матеріалу.

Хід уроку

І. Організаційний етап.

Привітання, налаштування учнів на робочий лад. 

ІІ. Повідомлення теми і мети уроку.

   Сьогодні на уроці ми продовжимо знайомство з органічною хімією і розглянемо теорію, яка є фундаментом цього розділу хімії. Ми ознайомимось  з історією створення теорії хімічної будови органічних сполук О.М.Бутлерова, її основними положеннями, значенням для розвитку хімії.

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності учнів.

   Епіграфом нашого уроку будуть слова М.Зелінського: «Значення Бутлерівської теорії будови в хімії можна порівняти лише зі значенням геніального Менделеєвського періодичного закону; періодичний закон Менделеєва передрікав ще невідомі елементи, а теорія Бутлерова завбачала ще невідкриті наукою органічні сполуки».

ІV. Вивчення нового матеріалу

   Початок ХІХ століття – період бурхливого розвитку органічної хімії. В цей час відкрито і досліджується ряд органічних сполук, створюються нові технологічні процеси. Розвиток промисловості вимагає нових речовин, речовин із заданими властивостями, досконалих методів переробки сировини. Але існував ряд проблем, які потребували наукового пояснення, не були розв’язані і гальмували розвиток хімії. В той час не могли обґрунтувати велику різноманітність органічних речовин, валентність атомів Карбону в органічних речовинах, явище коли різні за властивостями речовини мали однаковий склад молекул. Теорія типів та віталістична теорії, які панували в хімії, не могли дати відповіді.

   Стан в органічній хімії як найкраще описано в листі Ф.Велера до Я.Берцеліуса. «Органічна хімія, - пише він, - може зараз будь кого звести з розуму. Вона уявляється мені дрімучим лісом, сповненим диких речей, безмежною хащею, з якої не можна вибратись, куди не насмілюєшся проникнути».

   В той же час в хімії відбувається ряд відкриттів, які сприяють становленню наукової картини світу.

Передумови створення теорії хімічної будови:

1. Створення атомно-молекулярного вчення
2. Введення англійським вченим К.Франкландом поняття «валентність».
3. Встановлення німецьким хіміком А.Кекуле чотиривалентності Карбону.
4. Гіпотеза А.Купера про те, що атоми Карбону можуть сполучатись між собою утворюючи ланцюги чи кільця.

   Проте це були тільки окремі ідеї. Заслуга російського вченого, професора Казанського університету, Олександра Михайловича Бутлерова полягає в тому, що він проаналізував, узагальнив досягнення інших, об’єднав ці знання в теорію.

   В чому ж суть теорії хімічної будови органічних сполук?

   Уявімо собі, що автомобіль, який стоїть у нашому гаражі, ми розібрали на окремі деталі і їх змішали. Чи буде після цього працювати автомобіль? Ні.

   Тепер уявімо, що ми зібрали автомобіль, але порушили послідовність сполучення деталей. Чи працюватиме наш автомобіль? Ні.

   Отже, автомобіль зможе працювати, якщо всі його деталі будуть сполучені у чітко визначеному порядку. Така умова поширюється на будь-яку матеріальну систему. Властивості матеріальної системи визначаються її складом і зв’язками між елементами системи.

   Матеріальна система = елементи системи + зв’язки між ними

   Якщо розглядати молекули органічних речовин як матеріальні системи, то властивості речовин будуть визначатися набором хімічних елементів в молекулі та зв’язками між ними.

   Молекула = атоми + хімічні зв’язки між ними

   Саме цю залежність першим встановив О.М.Бутлеров, він поклав її в основу своєї теорії.

Основні положення теорії будови органічних речовин:

1. Усі атоми в молекулах органічних речовин сполучені в певній послідовності відповідно до їх валентності.
2. Властивості речовин залежать не тільки від того, які атоми і в якій кількості входять до складу молекули, а й від порядку їх сполучення в молекулі.
3. За властивостями даної речовини можна визначити будову її молекули, а за будовою молекули – передбачити властивості речовини.
4. Атоми і групи атомів в молекулах речовин взаємно впливають один на одного.

   Теорія хімічної будови зробила переворот в хімії, пояснивши і систематизувавши вже відомі факти та передбачила існування та відкриття нових речовин і їх властивостей.

   Ця теорія і нині є компасом в органічній хімії, який допомагає орієнтуватись у величезній кількості органічних сполук. Вона базується на досягненнях багатьох вчених. Але для її створення необхідний був геній О.М.Бутлерова, як для відкриття Періодичного закону знадобився геній Д.І.Менделєєва.

Поняття про будову молекул.

   Теорію назвали хімічною, тому що в часи О.Бутлерова велися дослідження будови молекул лише хімічним шляхом. Тепер для цього використовують і фізичні методи, які дають змогу одержувати інформацію про особливості будови молекул. Однак опис будови не завжди чітко відображує цю будову.

   Коли О.Бутлеров говорив про хімічну будову, він розумів, що з розвитком науки буде визначено дійсне просторове розміщення атомів у молекулах. І час це підтвердив.

   Нині ми знаємо, що матеріальними носіями хімічного зв’язку між атомами в молекулах є електрони, і розрізняємо хімічну, електронну і просторову будову молекул.

1.Хімічна будова – це порядок сполучення атомів у молекулах хімічними зв’язками. Цей порядок відображений у структурних формулах.

       Н Н

        | |

Н―С ―Н С ― Н―Н

        | |

                                                                      Н 

2.Електронна будова – це природа конкретних хімічних зв’язків у тій чи іншій молекулі.

3.Просторова будова – це реальне розміщення атомів відносно один одного в тримірному просторі, воно зображується за допомогою просторових формул.

Структурні формули речовин.

В органічній хімії поряд з молекулярними формулами широко використовують структурні формули.

Структурні формули – хімічні формули, у яких відображений порядок сполучення атомів у молекулах.

Під час складання структурних формул символи хімічних елементів сполучають рисками. Кількість яких дорівнює валентності атома елемента у сполуці.

Кожна речовина має лише одну структурну формулу.

Наприклад,

Ізомерія.

   Вивчаючи будову молекул вуглеводнів, О.Бутлеров дійшов висновку, що в молекулах цих речовин, починаючи з бутану, можливий різний порядок сполучення атомів при тому самому складі молекул.

   Так, у бутані С4Н10 можливе двояке розміщення атомів Карбону у вигляді прямого й розгалудженого ланцюга.

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃                                   СН₃ – СН – СН₃

                                                                             |

                                                                                    СН₃

   У першому випадку кожний атом Карбону сполучений з одним або з двома атомами Карбону; у другому випадку один атом сполучений з трьома атомами Карбону. Різному порядку взаємозв’язку атомів при однаковому якісному і кількісному складі молекул повинні відповідати, як учить теорія хімічної будови, різні речовини. Якщо ця теорія правильна, повинні існувати два бутани, які різняться між собою будовою і властивостями. Оскільки на той час був відомий тільки один бутан, то О.Бутлеров зробив спробу синтезувати бутан іншої будови. Добута ним речовина мала той самий склад С4Н10, але інші властивості, зокрема нижчу температуру кипіння. Нова речовина дістала назву «ізобутан».

   Розглянувши можливу будову пентану С5Н12, О.Бутлеров дійшов висновку, що повинні існувати три вуглеводні такого складу. Усі ці речовини було добуто. Явище існування різних речовин однакового складу, відоме давно. Та тільки теорія хімічної будови дала йому переконливе пояснення. Речовини, які мають однаковий склад молекул, але різну хімічну будову і тому різні властивості, називаються ізомерами. Явище існування таких речовин називається ізомерією.

   Існує структурна і просторова ізомерія, кожна з яких у свою чергу поділяється на кілька видів:

ІЗОМЕРІЯ

           Структурна                                                        Просторова

1.ізомерія карбонового скелета                               1.геометрична

2.ізомерія положення замісників                             2.оптична

3.ізомерія класів

   Взаємний вплив атомів у молекулах органічних речовин.

     СН₃-ОН     метанол не взаємодіє з лугами.

 ОН    під впливом бензольного кільця атом гідрогену стає більш рухливим. Фенол проявляє слабко виражені кислотні властивості, тому взаємодіє з лугами.

   З кожним роком у науці нагромаджувалися підтвердження істинності теорії хімічної будови. Поступово вона завоювала загальне визнання вчених і ось уже понад століття є основною теорією органічної хімії. Наукове значення цієї теорії полягає в тому, що вона поглибила наші уявлення про речовину, вказала шлях до пізнання внутрішньої будови молекул, дала можливість зрозуміти нагромаджені в хімії факти, передбачити існування нових речовин і знайти способи їх синтезу.

   До ХІХ століття вважали, що всі органічні речовини можуть бути синтезовані тільки в живих організмах.  Думали, що вони утворюються тільки під дією особливої “життєвої сили”, яка існує лише в живій природі: в організмах тварин і  рослин.

   Спростували ці уявлення такі події:

Німецький дослідник Фрідріх Велер  (1828 р) вперше синтезував сечовину.

Німецький хімік Кольбе (1845 р) синтезував оцтову кислоту.

Француз Бертло (1851 р)  синтезував бензол, фенол, нафталін, тваринний  жир.

Росіянин Олександр Бутлеров (1961) синтезував цукристу речовину.

Ці синтези стали початком бурхливого розвитку органічної хімії.

   Розробивши теорію і підтвердивши її правильність синтезом нових сполук О.М.Бутлеров не вважав теорію абсолютною і незмінною. Він стверджував, що теорія повинна розвиватися, і передбачив, що це відбуватиметься внаслідок розв’язання суперечностей між теоретичними знаннями і новими фактами.

   Подальший розвиток теорії відбувався у двох взаємопов’язаних напрямах.

   Перший з них передбачив сам О.М.Бутлеров. Він вважав, що наука в майбутньому зможе встановлювати не тільки порядок зв’язку атомів у молекулі, а і їх просторове розміщення. Учення про просторову будову молекул, яке називається стереохімією, увійшло в науку у 80-х роках минулого століття. Воно дало можливість пояснювати і передбачати нові факти, які виходили за рамки попередніх теоретичних уявлень.

   Другий напрям пов’язаний із застосуванням  в органічній хімії вчення про електронну будову атомів, розвинутого у фізиці ХХ ст. Це вчення дало можливість зрозуміти природу хімічного зв’язку між атомами, з’ясувати суть їх взаємного впливу, пояснити, чому певна речовина проявляє ті чи інші хімічні властивості.

V.Закріплення вивченого матеріалу.

1. У чому суть теорії хімічної будови? Поясніть на прикладах, як ви розумієте положення цієї теорії про порядок сполучення атомів у молекулах.

2. Складіть структурні формули пентану, гексану, сірководню, вуглекислого газу, ортофосфорної кислоти..

3. Які наукові положення та ідеї були передумовою створення теорії хімічної будови? Які вчені їх висловили?

VІ. Домашнє завдання.

Опрацювати конспект, вивчити визначення

Підготувати повідомлення про життя та діяльність О.М.Бутлерова.