ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Эмпирическая, молекулярная и структурная формулы из "Курс физической органический химии" Одной из наиболее важных характеристик любого органического вещества является его структурная формула. Каждое соединение имеет свою собственную и уникальную структурную формулу, которая отражает следующие факты 1) набор элементов, имеющихся в данном соединении 2) число атомов каждого элемента, входящих в состав молекулы 3) относительное расположение каждого атома в молекуле 4) типы связей между атомами. Если с веществом проводятся какие-либо реакции, то, как правило, для этого вещества известна структурная формула в противном случае эти реакции составляют часть систематического исследования по установлению строения этого вещества. [c.13] Как правило, прежде чем удается написать структурную формулу вещества, необходимо проделать значительную экспериментальную работу. Для того чтобы можно было достичь желаемого результата наиболее эффективным и быстрым образом, вся требуемая работа должна проводиться согласно плану, который на своих ранних стадиях почти одинаков для очень многих случаев, а на последних стадиях может меняться от соединения к соединению в зависимости от обстоятельств, которые привели к возникновению данной структурной проблемы, и от степени полноты информации, полученной в результате предварительной работы. [c.13] Вторая часть предварительного исследования вещества — качественный элементарный анализ, который показывает, какие из элементов содержатся в этом веществе. Органическое вещество, естественно, содержит углерод и обычно водород. Присутствие последнего легко подтверждается окислением вещества сухой окисью меди (II), в ходе которого весь имеющийся водород превращается в воду. Из других неметаллов, которые могут иметься в веществе, чаще всего встречаются галогены, азот, фосфор, сера и кислород. Присутствие кислорода может быть иногда подтверждено по пробе окисления солей железа(П1). Для этого из хлорида железа (III) и роданистого калия готовят реагент, содержащий комплексную соль Ге +[Ре(8СМ)е] . Если работать с бензольным или толуольным раствором реагента, то он дает темно-крас-ное окрашивание со многими (хотя и не со всеми) кислородсодержащими веществами. В основе всех качественных реакций на другие элементы лежит принцип превращения их в ионные формы, которые можно идентифицировать методами неорганического анализа. Так, например, в пробе плавления с натрием по Лассеню небольшое количество органического вещества сплавляют с натрием. Если в веществе имеется азот, то в растворе после обработки расплава он появляется в виде цианид-иона, сера — в виде сульфид-иона, а галоген — в виде галоген-иона, причем идентификация всех этих ионов воз-мон на с использованием общих методов анализа анионов. Фосфор обнаруживается в виде фосфата. [c.14] Дальнейшее исследование структуры может развиваться в направлении более детального качественного анализа, цель которого состоит в обнаружении функциональных групп, присутствующих в молекуле. Функциональные группы — это элементы структуры (отдельные атомы, группы атомов, кратные связи), которые могут быть введены в молекулы насыщенных углеводородов, причем свойства этих молекул изменяются определенным образом в зависимости от характера групп, что позволяет классифицировать вещества по этому признаку (ср. разд. 3). Подобную классификацию вещества можно провести с помощью совокупности методов химического качественного анализа, основанных на том принципе, что функциональная группа будет участвовать в тех реакциях, которые более или менее специфичны для нее. Умело манипулируя совокупностью этих методов, удается отбросить одну задругой альтернативные структуры и в конце концов показать, что вещество относится к определенному классу. Анализ завершают тем, что сравнивают простейшие физические и химические свойства неизвестного вещества с соответствующими свойствами молекул известного строения. Однако подобная последовательность операций весьма трудоемка и может требовать большого расхода вещества, и химики сейчас все более и более полагаются на гораздо более экономные методы инструментального анализа, такие, как хроматография и различные варианты спектроскопии (гл. 7). [c.14] Определение процентного состава неизвестного вещества проводится с целью выяснения его эмпирической, а в конце концов и молекулярной формулы. Эмпирическая формула выражает в простейшей форме относительное количество атомов каждого из элементов, входящих в состав одной молекулы вещества. Молекулярная формула вещества указывает на истинное число атомов каждого из элементов, входящих в состав одной молекулы вещества. Для данного вещества эти две формулы могут совпадать или не совпадать, что зависит от свойства вещества, называемого молекулярным весом. Его легко определить с помощью одного из стандартных физических методов — измерением плотности пара, депрессии температуры плавления, вязкости раствора, скорости седиментации и т. д. [c.15] Ниже приведен пример, показывающий, каким образом данные, получаемые методами химического количественного анализа, можно использовать для получения молекулярной формулы соединения. [c.15] В сумме получаем 99,82%, т. е. почти 100% этого и следовало ожидать из такого факта, что лишь три элемента содержатся в X. [c.15] Для того чтобы получить эмпирическую формулу для вещества X, необходимо каждое из чисел, отвечающих процентному содержанию элемента, разделить на атомный вес этого элемента и сократить получопиые числа так, чтобы получить простейшие отношения целых чисел. [c.15] Отсюда следует эмпирическая формула X — СНгС1. Поскольку сумма атомных весов для этой формулы равна 49,5, а истинный молекулярный вес X равен 99, то молекулярная формула будет С2Н4С12. [c.15] Почему же получается та что из молекулярной формулы совсем не обязательно удается вывести структурную формулу вещества Ответ на этот вопрос состоит в том, что молекулярная формула не содержит никаких сведений относительно расположения атомов в молекуле, а во всех случаях, за исключением самых простых, набор атомов, представленный в молекулярной формуле, может располагаться более чем одним способом без нарушения правил валентности, выражающих способность атомов связываться друг с другом. Так, если взять молекулярную формулу из вышеприведенного примера, т. е. С2Н4С12, то можно написать две различные структурные формулы (рис. 1.2, й и б), причем обе они соответствуют молекулярной формуле С2Н4С1г и правилам четырехвалентности углерода и одновалентности водорода и хлора. Эти две структуры в действительности соответствуют двум реально существующим и различным веществам, обладающим неодинаковыми физическими и химическими свойствами. О таких веществах говорят, что они являются изомерами друг друга. Изомерия, смысл которой заключается в том, что несколько отличных друг от друга веществ обладают одной и той же молекулярной формулой, очень широко распространена в органической химии, и это обстоятельство резко ограничивает полезность молекулярной формулы. Поэтому для вещества обычно необходимо приводить структурную формулу (иначе называемую графической или формулой строения), иногда в сжатом виде. В сжатой формуле изображаются не все связи между атомами, но приводятся все необходимые детали для однозначного изображения расположения атомов. Так, например, приведенные ниже формулы являются сжатыми формулами изомеров, представленных в виде полных формул на рис. 1.2, и они полностью отображают разницу между этими изомерами. [c.16] Вопрос О изомерии будет более подробно обсужден в гл. 4. [c.16] Вернуться к основной статье