Corelaţia compoziţie-structură-proprietăţi

Corelaţia compoziţie-structură-proprietăţi * Pe parcursul studierii chimiei organice, însuşind principiile teoriei structurii chimice a compuşilor organici, am ajuns să cunoaştem ce reprezintă compoziţia şi structura lor, care sunt omologii şi izomerii acestora, care este relaţia dintre structură şi proprietăţi. Compuşii asemănători după compoziţie, structură şi proprietăţi, care se deosebesc între ei prin una sau mai multe grupe CH2 sunt numiţi omologi. Cunoscând câteva substanţe de acest fel, putem alcătui şi caracteriza seria omoloagă a clasei respective de compuşi. Relaţia dintre structură şi proprietăţi rezultă şi din definiţia noţiunii de izomer. Substanţele cu aceeaşi compoziţie moleculară, dar cu structură şi proprietăţi diferite se numesc izomeri (vezi şi pag. 8). Primul pas în studierea chimiei organice l-a constituit ordonarea hidrocarburilor în serii omoloage: a) cu catena deschisă şi ciclică; b) saturate, nesaturate şi aromatice. În continuare am înţeles că, prin înlocuirea atomului de hidrogen din aceste tipuri de hidrocarburi cu anumite grupe funcţionale (-X, -OH, -N H 2, -CH=O, -COOH etc.), se obţin clase de compuşi organici monofuncţionali (halogenoderivaţi, alcooli, amine, aldehide, acizi etc.) şi difuncţionali (hidraţi de carbon, aminoacizi etc.). *Luându-se în considerare relaţia dintre proprietăţile şi structura electronică, s-a ajuns, prin determinări indirecte, la conceptul hibridizării complete Csp3 (cu participarea tuturor orbitalilor de valenţă ai atomului de carbon) şi hibridizării parţiale Csp2 şi Csp. Prin întrepătrundere, orbitalii hibridizaţi formează legături a (mai stabile), iar cei nehibridizaţi - legături n (mai slabe). Comportamentul chimic al substanţelor depinde mult de ordinea de legare şi de influenţarea reciprocă a atomilor în moleculă. Însuşind aceste conexiuni, am găsit răspunsul la multe întrebări ce au apărut pe parcurs: • de ce substanţele nesaturate sunt mai active; • de ce benzenul, fiind foarte nesaturat, este mai stabil faţă de agenţii chimici decât compuşii nesaturaţi; • de ce nucleul benzenic din moleculele de toluen, fenol, anilină, este mai activ, în special evidenţiindu-se poziţiile 2, 4, 6; • de ce aminele manifestă proprietăţi de bază (interacţionează cu acizii), iar alcoolii, fenolii, acizii carboxilici au proprietăţi de acid. Legăturile genetice dintre seriile de hidrocarburi şi clasele de compuşi organici, de asemenea, au la bază corelaţia dintre structură şi proprietăţi. De exemplu: Nitroarene < T Aniline *Cicloalcani ---------- Alcani < * Alchene ■*------------ Alchine Arene Halogenoalcani > Alcanoli ^ Alcanali 3.2. Relaţia dintre structura şi proprietăţile compuşilor organici şi anorganici Dacă am face o comparaţie între schemele legăturilor genetice ale claselor de compuşi organici şi ale celor anorganici, am observa o analogie: atât unele, cât şi celelalte reflectă corelaţia dintre structură şi proprietăţi. Din cele studiate anterior, rezultă că acizii interacţionează nu doar cu bazele, ci şi cu alţi agenţi bazici: metalele, oxizii de metale, unele săruri. Bazele, la rândul lor, interacţionează atât cu acizii, cât şi cu alţi agenţi acizi: nemetalele, oxizii lor, unele săruri. Aceeaşi condiţie este valabilă pentru compuşii organici. De exemplu, fenolul C6H5-OH nu este referit la baze, ci la acizi, deoarece interacţionează cu bazele; legătura chimică din grupa hidroxil este polarizată O<^H şi atomul de hidrogen se desprinde uşor: CaHs-O-H + NaOH ^ CaH5-ONa + H2O fenolat de sodiu Analogia dintre clasele de compuşi anorganici şi cei organici ne-a permis să descriem cu uşurinţă proprietăţile acizilor carboxilici, comparându-i cu cei anorganici: Acizii anorganici Acizii organici a) H2SO4 + Mg = MgSO4 + H2Î b) HCl + NaOH = NaCl + H2O c) 2HCl + Na2CO3 = 2NaCl + CO2Î + H2O a) 2HCOOH + Mg ^ (HCOO)2Mg + H2Î b) CH3COOH + NaOH ^ CH3COONa + H2O c) 2CH3COOH + Na2CO3 ^ 2CH3COONa + CO2Î + H2O Identificarea substanţelor organice. Corelaţia structură-proprietăţi este un reper în studierea teoretică şi experimentală a proprietăţilor compuşilor organici. Astfel, cu ajutorul acestei corelaţii este posibilă identificarea substanţelor (a hidrocarburilor sau a claselor de compuşi). De exemplu, compuşii ce decolorează apa de brom sunt calificaţi drept compuşi nesaturaţi (are loc reacţia de adiţie a bromului la legătura dublă): 73Generalizarea cursului de chimie organică 74 o Qro U \ / i i C = C + B r , — ► — C — C — (decolorare) / N I I compus soluţie B r B r nesaturat galbenă Compuşii aromatici fenolul sau anilina, fiind trataţi cu apă de brom, formează un sediment alb de 2,4,6-tribromofenol sau de 2,4,6-tribromoanilină, iar compuşii ce conţin în moleculă grupa aldehidică CH=O (aldehidele, acidul formic, glucoza) se deosebesc prin capacitatea lor de a se oxida uşor, de exemplu: to i CH3—CH=O + Ag2O ■ ■ CH3-COOH + 2Ag EVALUARE Lucru în echipă 1. Scrieţi formulele generale, în care se înscriu următorii reprezentanţi ai seriilor şi claselor de compuşi organici: a) etan; b) etenă; c) etină; d) but-1,3-dienă; e) benzen; *f) nitrobenzen; g) cloroetan; *i) ciclohexan; î) etanol; j) etanal; *k) fenol; l) acid acetic; m) acetat de etil; *n) anilină. 2. Scrieţi câte un omolog mai superior pentru fiecare compus din exerciţiul 1. *3. Scrieţi câte un izomer pentru substanţele din exerciţiul2 (acolo unde este posibil) şi numiţi-i. 4. Arătaţi câte o metodă de obţinere a fiecărei substanţe din exerciţiul 1. 5. Scrieţi câte două ecuaţii ale reacţiilor ce caracterizează substanţele din exerciţiul 1. 6. Care dintre substanţe (din perechile a-g) este mai activă chimic: a) etanul sau etena; *e) anilina sau benzenul; b) acetilena sau fenolul; *f) acidul formic sau acidul stearic; c) benzenul sau fenolul; g) acidul acetic sau acidul clorhidric? d) etanolul sau fenolul; Argumentaţi răspunsul. 7. Trasaţi două legături genetice, în care să fie implicate cât mai multe substanţe din ex. 1. 8. Scrieţi câte un exemplu de ecuaţie pentru fiecare tip de reacţie dintre cele nominalizate: a) hidrogenare; b) halogenare; *c) dehalogenare; d) hidratare; e) deshidratare; f) oxidare; g) reducere; h) hidroliză; i) esterificare; j) polimerizare; *k) depolimerizare. 9. Examinaţi schema legăturii genetice, pag. 73. Divizaţi-o (cu ajutorul profesorului) în trei-patru sectoare. Repartizaţi sarcinile şi completaţi fiecare schemă cu: a) formule generale; b) exemple concrete. 10. Alcătuiţi o schemă a legăturii genetice pentru acidul acetic, făcând analogie cu cea a acidului clorhidric. Scrieţi şi comparaţi ecuaţiile reacţiilor. LUCRAREA PRACTICĂ nr.3 Generalizarea cunoştinţelor din cursul de chimie organica (Amintiţi-vă „Normele de lucru cu substanţele chimice", pag. 20) Lucrările practice de generalizare a cunoştinţelor poartă un caracter divers. Ele sunt concepute ca sarcini imediate, ce ţin de identificarea substanţelor, separarea amestecurilor cu stabilirea părţii de masă a componentelor, obţinerea compuşilor pornind de la anumite substanţe iniţiale ş.a. Pentru efectuarea unor astfel de lucrări practice, sunt necesare toate cunoştinţele acumulate şi aptitudi- nile formate până acum. Aceasta vă va permite să soluţionaţi problemele experimentale propuse, construind anumite raţionamente, printre care: 1) evidenţierea proprietăţilor caracteristice ale unei serii de hidrocarburi sau clase de compuşi, de exemplu, pentru alchene, alchine - proprietăţile de compuşi nesaturaţi, pentru amine - proprietăţile de baze, pentru aminoacizi - proprietăţile amfotere; 2) stabilirea specificului în cadrul unei serii de hidrocarburi sau clase de compuşi (de exemplu, acidul formic, spre deosebire de alţi acizi carboxilici, manifestă şi proprietăţi de aldehidă); 3) compararea diverselor tipuri de hidrocarburi sau clase de compuşi, evidenţiind asemănările şi deosebirile dintre ele (de exemplu, fenolul şi anilina sunt compuşi aromatici activi, formează cu apa de brom produşi tribromuraţi sub formă de sediment alb, dar se deosebesc după grupele funcţionale, fenolul fiind un acid, iar anilina - o bază, ceea ce permite separarea lor pe cale experimentală). Probleme experimentale (se va lucra sub nişa de ventilaţie) Pentru efectuarea problemelor experimentale, pe fiecare masă se repartizează un set de vase şi reactivi. Elevul urmează să aleagă cele necesare pentru fiecare probă. În laborator trebuie să existe un îndrumar de compuşi organici, care poate fi consultat în caz de necesitate. I. Identificarea compuşilor organici 1. Demonstraţi că zahărul conţine carbon. 2. În trei eprubete numerotate se găsesc soluţii apoase de: a) glicerol; b) aldehidă formică; c) acid formic. Alegeţi un reagent şi un indicator, cu ajutorul cărora să determinaţi conţinutul fiecărei eprubete. Indicaţi condiţiile de efectuare a reacţiilor. 3. Cu ajutorul probelor de identificare, stabiliţi conţinutul eprubetei în care se află una dintre cele trei substanţe indicate: a) carbură de calciu, oxid de calciu, carbonat de calciu; d) fenol (în soluţie), acid formic, acid acetic; b) etanol, glicerol, soluţie de fenol; e) glucoză, zahăr, amidon; c) benzen, anilină, fenol (în soluţie); f) fenol (în soluţie), formalină, glicerol (în soluţie). 4. Demonstraţi, pe cale experimentală, că policlorura de vinil (policloroetena) şi cloroformul CHCl3 conţin clor (amintiţi-vă de proba Beilstein - manualul cl. IX). 5. Adăugaţi într-o eprubetă câte cinci picături de etanol şi soluţie de permanganat de potasiu, apoi o picătură de acid sulfuric concentrat. Încălziţi prin agitare. Ce schimbare de culoare se observă şi ce miros se simte? 11. Separarea amestecurilor şi stabilirea pârtii de masă a componentelor 6. O eprubetă conţine 5 ml de amestec de etanol şi benzen. Separaţi benzenul şi determinaţi partea de masă a acestuia în amestecul iniţial. 7. Se ia un amestec de carbură de calciu şi oxid de calciu. Cum poate fi determinată experimental partea de masă a fiecărei componente? 8. Într-un vas sunt 10 ml de amestec de hexan, fenol şi anilină. Separaţi amestecul în componente. Determinaţi partea de masă a hexanului în amestecul iniţial. Planificarea şi realizarea experimentului 75Generalizarea cursului de chimie organică TEMA: GENERALIZAREA CURSULUI DE CHIMIE ORGANICA Profil real Timp de lucru - 40 min. 1. Notaţi formulele generale, în care se înscriu următorii reprezentanţi ai seriilor de hidrocarburi şi claselor de compuşi organici: a) butan; b) bromoetan; c) propenă; d) etină; e) benzen; f) propan-2-ol; g) etanal; h) acid butanoic. 2. Scrieţi câte un omolog inferior pentru fiecare compus din exerciţiul 1. 3. Indicaţi câte o metodă de obţinere pentru compuşii a-e din exerciţiul 1. 4. Arătaţi câte o ecuaţie a reacţiei caracteristice pentru substanţele a-e din exerciţiul 1. 5. Scrieţi câte un exemplu de ecuaţie pentru fiecare tip de reacţie din cele nominalizate: a) hidrogenare; b) halogenare; c) hidratare; d) deshidratare; e) oxidare; f) reducere. 6. La neutralizarea unui acid alcanoic cu masa de 3,7 g s-au consumat 5 ml de soluţie de KOH de 40% (dens. 1,4 g/ml). Care este formula moleculară a acestui acid? Lucrările (tezele) au drept scop stimularea activităţii creative, dezvoltarea capacităţii de a descoperi corelaţii noi între diferite noţiuni, de a propune soluţii ingenioase pentru anumite probleme. Lucrările pot fi elaborate individual sau în grup. Mai jos este oferită o listă de teme, din care alegeţi una, pentru a o elabora luând în considerare indicaţiile ce urmează cu privire la modalitatea de structurare, de elaborare şi de prezentare a tezei. Tematica lucrărilor de creaţie: 1) Diversitatea compuşilor organici. 2) Nomenclatura sistematică a tipurilor de hidrocarburi. 3) Nomenclatura claselor de compuşi organici. 4) Tipuri de izomerie caracteristice hidrocarburilor. 5) Tipuri de izomerie specifice claselor de compuşi organici. 6) Reacţii de substituţie în chimia organică. 7) Reacţii de adiţie în chimia organică. 8) Reacţii de oxidare în chimia organică. 9) Legătura genetică între hidrocarburile aciclice şi clasele de compuşi organici. 10) Reacţii de hidroliză şi de hidratare în chimia organică. 11) Reacţii de halogenare în chimia organică. 12) Particularităţi în comportamentul compuşilor organici. 13) Surse naturale de compuşi organici. 14) Rolul grăsimilor în organism. 16) Relaţii între structura şi proprietăţile compuşilor organici. 17) Probe de identificare a compuşilor organici. 18) Demonstrarea proprietăţilor chimice ale compuşilor organici cu ajutorul experienţelor de laborator. Elaborarea lucrării (tezei): Chimia organică în creaţia liceenilor Q. ro 15) Esenţe şi parfumuri. 19) Utilizarea compuşilor organici bazată pe proprietăţile lor fizice. 20) Utilizarea compuşilor organici bazată pe proprietăţile lor chimice şi activitatea biologică. 21) Măsuri de protecţie a mediului înconjurător împotriva poluării cu substanţe organice. 22) Relaţii între chimia organică şi chimia anorganică (interdisciplinaritate). 23) Relaţii între chimia organică şi celelalte discipline studiate în liceu (informaţie utilă vezi şi la pag. 42, 47, 61). Structura tezei: a) foaia de titlu; b) introducere (obiectivul, importanţa, actualitatea); c) investigaţii (conţinutul propriu-zis); d) concluzii; e) bibliografie. Surse bibliografice. Informaţia pentru elaborarea tezei poate fi selectată din manual, din alte cărţi, reviste, ziare şi din internet. Pentru a accesa informaţia din internet, pot fi utilizate site-urile: www.chemheritage.org www.google.com (cu scrierea ulterioară a cuvântului-cheie din temă) www.wikipedia.org www.portal.acs.org www.xMMHa.ru Conţinutul lucrării. Teza trebuie să conţină informaţia obligatorie, structurată pe capitole, şi să explice noţiunile de bază, completate cu informaţii tangenţiale din alte domenii. Autorul tezei poate formula anumite întrebări, probleme, propunând totodată căi de soluţionare a acestora. La tema Diversitatea compuşilor organici vor fi menţionate fenomenele ce condiţionează această diversitate: varietatea catenelor carbonice, a tipurilor de legături chimice, de hibridizare a atomilor de carbon. Tot aici vor fi descrise: fenomenul omologiei (în cadrul diverselor tipuri de hidrocarburi şi al claselor de compuşi), fenomenul şi tipurile izomeriei (de catenă, de poziţie, cis-trans, funcţională). Dacă alegeţi tema Particularităţi în comportamentul compuşilor organici, trebuie să indicaţi compuşii care manifestă proprietăţi deosebite (de exemplu, alchinele marginale dau reacţii de substituţie, acidul formic se manifestă şi ca aldehidă), să explicaţi mai întâi care sunt proprietăţile lor caracteristice (alchinele au proprietăţi de compus nesaturat, acidul formic - de acid carboxilic), iar apoi, prin comparaţie, să demonstraţi particularităţile compuşilor studiaţi, aducând pentru aceasta argumentele necesare cu referire la relaţia: structură - proprietăţi. Aţi putea întâmpina mai multe dificultăţi la tratarea temei Relaţii între chimia organică şi celelalte discipline studiate. În acest caz, alegeţi un domeniu oarecare, de exemplu, Surse naturale de hidrocarburi. Stabiliţi legătura chimiei organice cu: a) geografia, indicând regiunile cu rezerve de petrol, ţările, populaţia acestora; b) fizica, explicând că gazul, petrolul sunt amestecuri de hidrocarburi, arătând starea lor de agregare, temperaturile de fierbere, fracţiile şi proprietăţile fizice etc.; c) limba de comunicare (nomenclatura); d) istoria (informaţia din Antichitate şi din secolele XVIII-XX); e) matematica (rezolvarea de probleme); f) informatica (modelarea structurilor, căutarea informaţiei despre combustibili etc.); g) desenul, arhitectura (construirea fo