Исторический подход к изучению углеводородов в курсе химии средней школы

Этапы и содержание урока.

Методы и методические

приёмы.

I. Мобилизующее начало урока.

Организация класса, проверка отсутствующих.

II. Актуализация знаний учащихся.

Факты без теории - не наука!

А.М.Бутлеров

III. Изучение нового материала.

С древнейших времен человечеству известны различные соединения углерода растительного и животного происхождения и некоторые способы их получения и переработки. Например:

· сбраживая виноградный сок, получали вино, а при его перегонке - спирт;

· нагревая жир с содой, получали мыло;

· из цветов извлекали эфирные масла;

· в Древней Индии, Финикии, Египте для крашения использовали растительные красители - пурпур, индиго, ализарин.

Однако в тот период, вплоть до начала XIX в., не делали различия между органическими и неорганическими веществами.

В 1807 г. известный уже вам шведский ученый И.Я. Берцелиус предложил выделить изучение веществ растительного и животного происхождения в самостоятельную дисциплину - органическую химию. И.Я. Берцелиуса считают родоначальником органической химии.

И.Я. Берцелиус

В начале XIX века в органической химии царил полный хаос. Ученые умели определять качественный и количественный состав вещества, но не имели представления о том, как атомы соединяются в молекулы, не пользовались привычными для нас формулами, химические реакции описывали словами, а не уравнениями реакций.

К первой половине XIX века в органической химии был накоплен громадный фактический материал, дальнейшее изучение которого тормозилось отсутствием какой-либо систематизирующей основы. Начиная с 20-х годов XIX века стали появляться сменяющие друг друга теории, претендующие на обобщенное описание строения органических соединений.

Доструктурные теории.

Доструктурные теории непосредственно предшествовали теории химического строения и внутри них были выработаны предпосылки для ее возникновения.

Наиболее значимыми теориями были предложенная в 30-е годы немецкими химиками Ю. Либихом и Ф. Велером радикалов, в 40-е заметное место занимала теория типов французских химиков О. Лорана и Ш. Жерара. Как уже было сказано существовали и другие разновидности теорий. Но одни из них не подтверждались (или даже отвергались) экспериментом, другие объявляли «внутреннее строение молекул» принципиально непознаваемым, допускали множественность «рациональных» формул для одного и того же вещества.

Ю. Либих

Ф. Велер

Ш. Жерар

На этом фоне следует выделить успешные попытки синтеза органических веществ, а также введение понятия о валентности английским химиком Э. Франкландом.

Валентность - это способность атома присоединять или замещать определенное число атомов или групп атомов с образованием химической связи.

Представление о валентности было развито немецким химиком Ф. Кекуле. Именно он установил, что в органических соединениях углерод четырехвалентен, а атомы углерода способны соединяться друг с другом в цепочки. Шотландский химик А. Купер предложил вариант написания формул с использованием валентных черточек, на основе которого в дальнейшем был создан современный язык формул.

Объективными предпосылками появления теории химического строения явились:

а). Введение в химию понятий о валентности и особенно, о четырехвалентности атома углерода,

б). Введение понятия об углерод-углеродной связи.

- 1853 год -английский химик К. Э. Франкланд ввел понятие валентность. (Валентность-способность атомов присоединять строго определенное число других атомов)

-1857 год -немецкий химик Ф. А. Кекуле отнес углерод к четырехвалентным элементам( -С-).

в) Идеи о соединении атомов углерода в цепи.

-1858 год- шотландский химик А. Купер предположил, что атомы углерода способны соединяться друг с другом в различные цепи. (С-С-С)

г). Выработка правильного представления об атомах и молекулах.

К. Э. Франкланд

А. Купер

Ф. Кекуле

Важным событием в химии был Международный конгресс химиков ( 1860, г.Карлсруэ), где были четко определены понятия об атоме, молекуле, атомном весе, молекулярном весе. До этого не было общепризнанных критериев для определения этих понятий, поэтому была путаница в написании формул веществ. А.М. Бутлеров считал самым существенным успехом химии за период с 1840 по 1880г. Установление понятий об атоме и молекуле, что дало толчок развитию учения о валентности и позволило перейти к созданию теории химического строения.

Свою теорию химического строения Бутлеров изложил 16 сентября 1861 года на 36-м съезде немецких врачей и естествоиспытателей в Шпейере. Он рассматривал молекулу как единое целое, состоящее из отдельных атомов, каждый из которых принимает определенное участие в ее построении и «действует здесь определенным количеством принадлежащей ему химической силы». Бутлеров сказал: «Я называю химическим строением распределение действия этой силы, вследствие которого химические атомы, посредственно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу». Дополняя правило, согласно которому характер сложной частицы определяется природой, количеством и расположением элементарных составных частей, Бутлеров утверждал: «Химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением». Он обратил также внимание на взаимное влияние атомов в молекуле.

А.М. Бутлеров

Сущность теории химического строения состоит в следующем (основные положения теории):

1. Атомы в молекулах соединены между собой в определенном порядке, в соответствии с их валентностью. Этот порядок соединения атомов называется химическим строением молекулы. Строение молекулы можно установить химическими методами.

2. Атомы углерода могут соединяться друг с другом

а) разными по кратности связями:

одинарной двойной тройной

- C - C - - С = С - - С = С -

б) в цепочки разного вида:

прямые С - С - С - С,

разветвленные

,
замкнутые

Причем разный вид углеродной цепи может сочетаться с наличием различных по кратности химических связей между атомами углерода, а также связей с другими атомами, например, кислородом, азотом, галогенами.

Важный вывод: такая особенность атомов углерода объясняет многообразие органических соединений.

3. Свойства органических соединений зависят:

а) от качественного и количественного состава молекулы

Вещества

Формула

Свойства

Метан

СН₄

Газ без запаха, не растворим в воде

Метиловый спирт

СН₄О

Жидкость с характерным запахом, неограниченно растворим в воде

Качественный состав веществ разный свойства разные.

Вещества

Формула

Свойства

Метан

СН₄

Газ без запаха, не растворим в воде

Бензол

С₆Н₆

Жидкость с характерным запахом, не растворим в воде

Количественный состав веществ разный свойства разные.

б) от химического строения, т.е. порядка связей в молекуле с учетом взаимного влияния атомов.

Вещества

Формула строения

(структурная формула)

Свойства

Этиловый спирт

Жидкость, неограниченно растворим в воде. Взаимодействует с натрием

Диметиловый эфир

Газ, не растворим в воде.
Не взаимодействует с натрием

У этих веществ: состав одинаковый С₂Н₆О, строение разное свойства разные.

Вопрос: Как называют такие вещества? Кто впервые предложил этот термин?

Важный вывод: анализируя строение молекулы вещества, можно предсказать его свойства, и, наоборот, на основании экспериментального изучения свойств соединения определить его химическое строение.

Значение теории и направления ее дальнейшего развития

Значение теории химического строения А.М. Бутлерова для органической химии можно сравнить со значением Периодического закона Д.И. Менделеева для неорганической химии

Теория строения

· объяснила неясности и противоречия в знаниях об органических веществах,

· творчески обобщила достижения в области химии,

· определила качественно новый подход к пониманию строения соединений,

· стала основой для объяснения и прогнозирования свойств органических веществ,

· открыла путь для синтеза новых органических соединений.

Отстаивая свое учение о химическом строении, и показывая его практическую значимость, А.М. Бутлеров не считал это учение абсолютным и неизменным. Действительно, если молекула реальность, построенная из реальных атомов, то она должна представлять собой определенное физическое тело в трехмерном пространстве.

Конкретную гипотезу о пространственном (стереохимическом) строении органических соединений выдвинул в 1874 г. Я.Х. Вант-Гофф. Идея заключалась в том, что четыре атома водорода (или его заместителя) располагаются симметрично в углах воображаемого тетраэдра вокруг четырехвалентного атома углерода.

Я.Х. Вант-Гофф

Стереохимия с развитием науки получила прочную физическую основу - с помощью рентгенографии и электрографии стали определять межатомные расстояния и валентные углы, то есть получать картину реального расположения атомов в молекуле.

В связи с научной революцией в физике в конце XIX - начале XX веков атом предстал перед исследователями уже не просто неизменным "шариком", а сложной системой. Это позволило американским физико-химикам Г. Льюису и И. Ленгмюру заложить основы теории ковалентных связей, на основании которой валентная черточка классической теории представляет пару электронов!

Молекулярная

Полная структурная

Свернутая структурная

Электронная

С₂Н₆

СН₃ - СН₃

Различные формулы этана

Электронная теория позволила объяснить и пространственное строение молекул органических веществ, и взаимное влияние атомов, и механизмы химических реакций.

V. Закрепление.

Тестовая работа (тест раздается каждому ученику в отпечатанном виде).

Тест. Теория строения органических соединений.

1. Что входит в состав всех органических веществ?

а) кислород;
б) водород;
в) углерод;
г) все перечисленные.

2. Ученый, сформулировавший основные положения теории строения веществ:

а) Семенов;
б) Бутлеров;
в) Фредерик;
г) Кекуле.

3. Простейший представитель углеводородов:

а) метаналь;
б) метан;
в) метанол;
г) метановая кислота.

4. Углерод в органических веществах имеет валентность:

а) 1;
б) 2;
в) 3;
г) 4.

5. Основной тип химической связи в органических веществах:

а) ковалентная неполярная;
б) ковалентная полярная;
в) водородная;
г) донорно-акцепторная.

6. Кто ввел понятие «изомерия»?

а) И.Берцелиус;
б) А.Бутлеров;
в) Я.Х. Вант-Гофф;
г) Ф. Велер.

7. Термин “органическая химия” ввел:

а) М.Бертло;
б) Г.Кольбе;
в) А.Бутлеров;
г) И.Берцелиус.

8. Структурные формулы показывают:

а) общее количество атомов в молекуле;
б) количество атомов углерода в молекуле;
в) последовательность соединения атомов в молекуле;
г) расположение атомов в пространстве.

9. Понятие «валентность» ввел:

а) А.Кекуле;

б) Э. Франкланд;

в) А. Купер;

г) А.М. Бутлеров.

10.

Критерии оценок:

· “5” - 10 ответов

· “4” - 8-9 ответов

· “3” - 6-7 ответов

· “2” - до 5 ответов

IV. Подведение итогов урока.

V. Домашнее задание. (По учебнику О.С. Габриеляна)

§ 4 выучить, ответить на вопросы с. 24 №1, 4, 5, 6.

Словесный.

Сообщение учащегося

с презентацией портрета учёного.

Запись в тетрадях основных положений теории.

Словесный.

Рассказ учителя с использованием презентации

Словесный.

Объяснение учителя.

Словесный

Беседа.

Наглядный.

Демонстрация слайдов.

Зарисовка таблиц в тетрадях.

Наглядный. Демонстрация слайдов.

Зарисовка таблиц в тетрадях.

Ответы учащихся:

Изомеры. Й. Берцелиус.

Словесный

Беседа.

Словесный.

Объяснения учителя.

Словесный. Наглядный.

Рассказ учителя с демонстрацией слайдов презентации.

Словесный.

Сообщение учащегося

с презентацией портрета учёного.

Словесный.

Рассказ учителя.

Пояснения учителя.

Самостоятельная работа учащихся.

Ответы:

1. в;

2. б;

3. б;

4. г;

5. б;

6. а;

7. г;

8. в;

9. б.

10.

Пояснения учителя.

Запись д/з на доске и в дневниках

Этапы и содержание урока.

Методы и методические

приёмы.

I. Мобилизующее начало урока.

Организация класса, проверка отсутствующих.

II. Актуализация знаний учащихся.

1. Что называется длиной связи?

(Длина связи - это расстояние между центрами

ядер связываемых атомов в молекуле.)

2. Что можно сказать о длине углерод-углеродной связи веществ с одинарной (С-С) и двойной (С=С) связью?

(Длина углерод-углеродной одинарной связи - 0,154 нм

двойной связи - 0,133 нм, двойная связь прочнее и короче одинарной.)

3. Сколько -связей может возникнуть между атомами?

(Одна.)

4. Что можно сказать о прочности р-cвязи?

(Она менее прочная, чем одинарная у-связь.)

5. Какая химическая связь образуется между гибридизированными облаками?

(Сигма.)

6. Сколько валентных электронов у атома углерода?

(Четыре.)

III. Изучение нового материала.

1. Задача. Немецкий алхимик и врач Иоганн Бехер в 1669 г., прибавив к серной кислоте этиловый спирт, наблюдал, как раствор сильно вспенился, выделяя неизвестный газ, похожий на метан. Однако в отличие от метана новый газ горел коптящим пламенем и обладал слабым чесночным запахом. Какой газ открыл Бехер, если в данном соединении массовая доля углерода составляет 85,7%, массовая доля Н - 14,3%, а плотность по водороду данного газа 14? Выведите формулу углеводорода.

Решение:

М(СxHу)=14 * 2=28г/моль

Для 1 моль СxHу m(СxHу)=28г

m(C)=28г * 0,857=24г

n(C)= 24г / 12г/моль=2 моль

m(H)= 28г * 0,143=4г

n(H)=4г / 1г/моль=4 моль

Ответ: СxHу - С₂Н₄ - этилен

Алкены (иначе олефины или этиленовые углеводороды) -- ациклические непредельные углеводороды, содержащие одну двойную связь между атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n.

Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии spІ гибридизации, и имеют валентный угол 120°(Модель молекулы этилена). Простейшим алкеном является этен (C₂H₄).

Схема образования р-связи в молекуле этилена

По номенклатуре IUPAC названия алкенов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ен»; положение двойной связи указывается арабской цифрой.

Впервые этилен был получен в 1669 году немецким химиком и врачом Бехером действием серной кислоты на этиловый спирт. Ученый установил, что его «воздух» более химически активен, чем метан, однако, идентифицировать полученный газ он не смог и названия ему не присвоил.

И.И. Бехер

Биография

Вторично и тем же способом «воздух Бехера» был получен и описан голландскими химиками Дейманом, Потс-ван-Трооствиком, Бондом и Лауверенбургом в 1795 году. Они назвали его «маслородным газом» так как при взаимодействии с хлором, он образовывал маслянистую жидкость -- дихлорэтан (об этом стало известно позднее). По-французски «маслородный» -- olйfiant. Французский химик Антуан Фуркруа ввёл этот термин в практику, а когда были обнаружены другие углеводороды такого же типа, это название стало общим для всего класса олефинов (или, по современной номенклатуре, алкенов).

А. Фуркруа

Биография

В начале XIX века французский химик Ж. Гей-Люссак обнаружил, что этанол состоит из «маслородного» газа и воды. Этот же газ он обнаружил и в хлористом этиле. В 1828 году Ж. Дюма и П. Буллей предположили, что этилен представляет собой основание, способное давать соли подобно аммиаку. Якоб Берцелиус принял эту идею, назвав соединение «этерином» и обозначив буквой E.

Ж.Дюма

Биография

Определив, что этилен состоит из водорода и углерода, долгое время химики не могли выписать его настоящую формулу. В 1848 году Кольбе писал формулу этилена как С₄Н₄, этого же мнения придерживался и Либих. Ж. Дюма правильно определил состав вещества, но его структура по-прежнему была описана неверно: С₂НН₃.

В 1862 году немецкий химик-органик Э.Эрленмейер предположил наличие в молекуле этилена двойной связи, а в 1870 году известный российский ученый А. М. Бутлеров признал эту точку зрения правильной, подтвердив её природу экспериментально.

Э. Эрленмейер

Биография

2. Изомерия и номенклатура алкенов

Кто впервые предложил термин «изомеры»?

Что такое «изомерия»?

Какие виды изомерии вы знаете?

Виды изомерии

1) Рассмотрим структурные формулы линейного и разветвленного алкенов, имеющих одинаковую молекулярную формулу С₄Н₈:

Такой вид изомерии называют изомерией углеродного скелета.

2) Изомерия положения кратной связи:

3) Изомерия разных гомологических рядов. Общая формула С_nH_2n соответствует двум гомологическим рядам: алкенам и циклопарафинам. Например, формула С₄Н₈ может принадлежать соединениям разных классов:

4) Пространственная или геометрическая изомерия. У бутена-2 СН₃-СН=СН-СН₃ каждый углерод при двойной связи имеет разные заместители (Н и СН₃). В таких случаях для алкенов возможна цистрансизомерия. Если элементы главной углеродной цепи находятся по одну сторону от двойной связи в плоскости молекулы, то это цисизомер; если по разные стороны, то это трансизомер:

3. Получение алкенов.

1) Дегидратация спиртов (демонстрационный опыт получения этилена из этилового спирта):

2) Дегидрирование алканов:

3) Пиролиз и крекинг нефти и природного газа:

4) Из галогенопроизводных алканов:

5) Дегидрогалогенирование (отщепление галогенводорода)

При отщеплении галогенводорода образуется смесь изомеров, преобладающий из которых определяется правилом Зайцева: при отщеплении галогенводорода от вторичных и третичных алкилгалогенидов атом водорода отрывается от наименее гидрированного атома углерода.

Зайцев

4. Физические свойства алкенов.

Алкены - этен, пропен и бутен - при обычных условиях (20 °С, 1 атм) - газы, от С₅Н₁₀ до С₁₈Н₃₆ - жидкости, высшие алкены - твердые вещества. Алкены нерастворимы в воде, хорошо растворимы в органических растворителях.

5. Химические свойства.

Какие типы реакций вы знаете?

В органической химии рассматривают три типа химических реакций: замещение, присоединение и разложение.

1) Для алкенов характерны реакции присоединения.

Присоединение водорода (гидрирование):

Присоединение галогенов (лабораторный опыт по обесцвечиванию бромной воды):

Присоединение галогеноводородов:

Правило Марковникова: В реакциях присоединения молекул сложных веществ типа НХ (Х - F, Cl, Br, I, OH- и др.) к несимметричным алкенам атом водорода присоединяется к более гидрированному атому углерода при двойной связи.

Например:

Реакция идет по ионному механизму.

В.В. Марковников

Биография

Присоединение воды (гидратация):

Задача. В 1854 году французский химик Марселен Бертло открыл способ получения этилового спирта С₂Н₅ОН без брожения пищевого сырья и без гидролиза растительных материалов вроде древесины. Он использовал реакцию получившую его имя - реакцию Бертло:

В этой реакции этилен подвергается гидротации в присутствии серной кислоты и катализатора - ртути. Определить объем этилена, который нужно взять для получения 33,7г этанола с его практическим выходом 78% ?

Решение:

m_т(С₂Н₅ОН)=33,7г / 0,78 = 43,2 г

n(С₂Н₅ОН)= 43,2г / 46г/моль=0,94 моль

По уравнению реакции

n(С₂Н₅ОН)= n(C₂H₄)= 0,94 моль

V(C2H4)=0,94моль * 22,4л/моль = 21л

Ответ: объем этилена 21л

2) Реакции окисления.

Горение:

Предельные углеводороды, как вы знаете, не окисляются водным раствором перманганата калия. Алкены же окисляются с образованием гликолей (двухатомных спиртов), при этом происходит обесцвечивание фиолетового раствора перманганата калия (реакция Вагнера). Схема этой реакции:

Напишите уравнение этой реакции и расставьте коэффициенты:

3CH₂ = CH₂ + 2КМnО₄ + 4H2О 3НОCH₂ - CH₂ОН + МnО₂v+ 2 КОН

Этиленгликоль используется в качестве антифриза, из него получают волокно лавсан, взрывчатые вещества.

Вагнер Е.Е.

Биография

Каталитическое окисление этилена кислородом - промышленный способ получения ацетальдегида:

ацетальдегид

3) Полимеризация (особый тип реакций присоединения, в которых молекулы алкенов соединяются друг с другом с образованием больших длинных молекул, макромолекул)

Инициаторами реакции выступают пероксиды.

Опорная схема «Химические свойства алкенов»

R - CH = CH₂ - формула любого алкена.

6. Применение.

Изучая химические свойства алкенов, вы, очевидно, поняли, что благодаря высокой реакционной способности они являются ценным сырьем для химической промышленности. На их основе получают сотни практически важных продуктов и материалов. Некоторые области применения этилена вы можете увидеть на рисунке:

Применение этилена: 1- в овощехранилищах для ускорения созревания плодов; 2-6 - производство органических соединений (полиэтилена 2, растворителей 3, уксусной кислоты 4, спиртов 5, 6)

IV. Закрепление.

Задача: Относительное количественное содержание углерода и водорода в этилене определил Дальтон в 1805 г., хотя опубликовал свои данные лишь в 1810 г. Исходя из этих данных Дальтона и из плотности паров этилена правильную эмпирическую формулу его предложил Авогадро (1821). Определите молекулярную формулу углеводорода, который также получил опытным путем Авогадро, который содержит 85,7% углерода и имеет плотность по водороду 21.

Решение

M(CxHy) = D(H2)*M(H2) = 21*2 = 42 г/моль.

Для n(CxHy) = 1 моль m(C) = 42*0,857 = 36 г,

n(C) = 36 (г)/12 (г/моль) = 3 моль,

m(Н) = 42 - 36 = 6 г,

n(Н) = 6 (г)/1 (г/моль) = 6 моль.

Формула углеводорода - С₃Н₆ (пропен).

Самостоятельная работа по вариантам (5 мин)

Назвать вещества.

1-вариант:

2-вариант:

3-вариант:

V. Подведение итогов урока.

Запомните главное!

1. Непредельные углеводороды активно вступают в реакции присоединения.

2. Реакционная активность алкенов связана с тем, что р- связь под действием реагентов легко разрывается.

3. В результате присоединения происходит переход атомов углерода из sp² - в sp³- гибридное состояние. Продукт реакции имеет предельный характер.

4. При нагревании этилена, пропилена и других алкенов под давлением или в присутствии катализатора их отдельные молекулы соединяются в длинные цепочки - полимеры. Полимеры (полиэтилен, полипропилен) имеют большое практическое значение.

VI. Домашнее задание. (По учебнику О.С. Габриеляна)

§11 выучить, ответить на вопросы с. 85 №3, 4, 6 (письменно).

Словесный.

Вводное слово учителя.

Словесный

Фронтальный опрос

Решение задачи.

Один из учеников решает у доски.

Словесный

Рассказ учителя.

Наглядный.

Демонстрация модели этилена.

Словесный.

Рассказ учителя.

Запись в тетрадях основных дат.

Словесный.

Сообщение учащегося

с презентацией портрета учёного.

Словесный

Рассказ учителя.

Запись в тетрадях основных дат.

Словесный.

Сообщение учащегося

с презентацией портрета учёного.

Словесный

Рассказ учителя

Запись в тетрадях основных дат.

Словесный.

Сообщение учащегося

с презентацией портрета учёного

Словесный.

Рассказ учителя

Запись в тетрадях основных дат.

Словесный.

Сообщение учащегося

с презентацией портрета учёного

Словесный.

Рассказ учителя с элементами беседы.

Запись формул на доске

Запись формул на доске

Словесный.

Рассказ учителя.

Запись формул на доске

Запись формул на доске.

Словесный

Объяснения учителя

Запись уравнений реакций на доске и в тетрадях.

Запись уравнений реакций на доске и в тетрадях.

ловесный.

Сообщение учащегося

с презентацией портрета учёного

Словесный.

Сообщение учащегося

с презентацией портрета учёного.

Словесный.

Объяснение учителя.

Запись в тетрадях.

Словесный.

Рассказ учителя с элементами беседы.

Наглядный. Демонстрация опытов.

Запись уравнений реакций на доске и в тетрадях.

Словесный.

Рассказ учителя, запись уравнений реакций на доске и в тетрадях.

Решение задачи, один ученик решает у доски.

Запись уравнения на доске.

Наглядный. Демонстрация опыта.

Запись уравнений реакций на доске и в тетрадях.

Написание уравнения. Проверка у доски.

Словесный.

Сообщение учащегося

с презентацией портрета учёного.

Словесный.

Рассказ учителя, запись уравнений реакций на доске и в тетрадях.

Совместное составление опорной схемы.

Зарисовка схемы на доске и в тетрадях.

Словесный

Рассказ учителя с демонстрацией слайда презентации.

Решение задач один ученик решает у доски.

Самостоятельная работа учащихся

Рассказ учителя с элементами беседы.

Пояснения учителя. Запись д/з на доске.

Этапы и содержание урока.

Методы и методические

приёмы.

I.Мобилизующее начало урока.

Организация класса, проверка отсутствующих.

II. Актуализация знаний учащихся.

Какие вещества мы называем углеводородами?

Углеводороды - соединения, состоящие только из атомов основных органогенов - углерода и водорода.

Какие вещества мы называем ароматическими?

III. Изучение нового материала.

1. Определение аренов

Арены - циклические углеводороды, содержащие особую группировку атомов С₆Н₆ и отвечающие общей формуле С_nH_2n-6

Первым представителем аренов является- бензол.

Исторический очерк

История открытия бензола весьма интересна. В 1812 - 1815 годах в Лондоне впервые появилось газовое освещение. Светильный газ, добывавшийся из жира морских животных, доставлялся в железных баллонах. Эти баллоны помещались обычно в подвале дома, из них газ по трубкам распределялся по всему помещению. Вскоре было замечено крайне неприятное обстоятельство - в сильные холода газ терял способность давать при горении яркий свет. Владельцы газового завода в 1825 г. Обратились за советом к Фарадею, который нашёл, что те составные части, которые способны гореть ярким пламенем, собираются на дне баллона в виде прозрачного жидкого слоя. При исследовании этой жидкости Фарадей открыл новый углеводород - бензол. Название этому веществу дал Либих - (суффикс -ол указывает на его маслянистый характер, от латинского oleum - масло).

Задача: При сжигании 2,5 г вещества выделилось 8,46 г углекислого газа и 1,73 г воды. Масса 1 л вещества составляет 3,5 г. Определите молекулярную и возможную структурную формулы вещества.

Решая задачу, учащиеся выводят молекулярную формулу вещества - С₆Н₆. Возникает проблемная ситуация: “Какое строение может иметь молекула бензола?” Опираясь на знание о непредельных углеводородах, учащиеся предлагают возможные структурные формулы для него:

НС С--СН2--СН2-- С СН

Н2С = СН --С С--СН = СН2 и другие.

Учащиеся делают вывод о том, что бензол является сильно ненасыщенным соединением, вспоминают качественные реакции на непредельность.

2. Состав бензола.

Его молекулярная формула - С₆Н₆

В 1865 г. Немецким учёным Кекуле была предложена структура молекулы бензола, которая приснилась ему в виде змеи, укусившей себя за хвост.

Исторический очерк

Фридрих Август Кекуле (1829-1896 гг.)

Немецкий химик-органик. Предложил структурную формулу молекулы бензола.

С целью проверки гипотезы о равноценности всех шести атомов водорода в молекуле бензола получил его галоген-, нитро-, амино-и карбоксипроизводные.

Но формула, предложенная Кекуле, соответствуя элементарному составу бензола, не отвечает многим его особенностям:

· бензол не даёт качественных реакций на непредельность;

· для бензола характерны реакции замещения, а не присоединения;

· формула Кекуле не в состоянии объяснить равенства расстояний между углеродными атомами, что имеет место в реальной молекуле бензола.

Чтобы выйти из этого затруднения, Кекуле допустил, что в бензоле происходит непрерывное перемещение двойных связей.

И только использование современных физических и квантовых методов исследования дало возможность создать исчерпывающее представление о строении бензола.

3. Строение бензола

Атомы углерода в молекуле бензола находятся во втором валентном состоянии (sp²). Каждый атом углерода образует -связи с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода, лежащими в одной плоскости. Валентные углы между тремя -связями равны 120°. Таким образом, все шесть атомов углерода лежат в одной плоскости, образуя правильный шестиугольник (s -скелет молекулы бензола).

Каждый атом углерода имеет одну негибридную р-орбиталь. Шесть таких орбиталей располагаются перпендикулярно плоскости -связей и параллельно друг другу(рис.а) Все шесть р-электронов взаимодействуют между собой, образуя единое -электронное облако(рис б).Таким образом, в молекуле бензола осуществляется круговое сопряжение(рис в). Наибольшая -электронная плотность в этой сопряженной системе располагается над и под плоскостью кольца (s -скелета)

В результате такого равномерного перекрывания 2р-орбиталей всех шести углеродных атомов происходит “выравнивание” простых и двойных связей - длина связи составляет 0,139 нм. Эта величина является промежуточной между длиной одинарной связи в алканах (0,154 нм) и длиной двойной связи в алкенах (0,133 нм). То есть, в молекуле бензола отсутствуют классические двойные и одинарные связи.

Равноценность связей принято изображать кружком внутри цикла (см. рис. В). Круговое сопряжение дает выигрыш в энергии 150 кДж/моль. Эта величина составляет энергию сопряжения -- количество энергии, которое нужно затратить, чтобы нарушить ароматическую систему бензола.

В настоящее время нет единого способа графического изображения молекулы бензола с учётом его реальных свойств. Но, чтобы подчеркнуть выравненность -электронной плотности в молекуле бензола, прибегают к помощи следующих формул:

4. Номенклатура.

Основой названия ароматического углеводорода с небольшими заместителями является слово «бензол». Атомы в ароматическом кольце нумеруют от старшего заместителя к младшему. Если заместители одинаковы, то нумерацию проводят по самому короткому пути.

5. Физические свойства бензола.

Бензол - это жидкость, может находиться и в парообразном состоянии.

Бензол является сильно токсичным веществом. Вдыхание его паров вызывает головокружение и головную боль. При высоких концентрациях бензола возможны случаи потери сознания. Его пары раздражают глаза и слизистую оболочку.

Жидкий бензол легко проникает в организм через кожу, что может привести к отравлению. Поэтому работа с бензолом и его гомологами требует особой осторожности.

6. Химические свойства бензола.

А) Реакция горения:

2С₆Н₆ +15О₂ = 12 СО₂ +6Н₂О

Содержание углерода в бензоле около 92%. В обычных условиях полного сгорания не происходит. При неполном сгорании образуется много копоти. Бензол легко загорается и горит ярким пламенем. Копоть - это несгоревшие частицы углерода, при горении они раскаляются и увеличивают светимость пламени.

Б) Реакции замещения:

Для разрыва ароматической системы аренов необходимо затратить большую энергию, поэтому арены вступают в реакции присоединения только в жестких условиях: при значительном повышении температуры или в присутствии очень активных реагентов. В связи с этим, наиболее характерными для них будут реакции замещения атомов водорода, протекающие с сохранением ароматической системы.

Галогенирование. Бензол не взаимодействует с хлором или бромом в обычных условиях. Реакция может протекать только в присутствии катализаторов -- безводных АlСl₃, FeСl₃, АlВr₃. В результате реакции образуются галогенозамещенные арены:

Нитрование. Бензол очень медленно реагирует с концентрированной азотной кислотой даже при сильном нагревании. Однако при действии так называемой нитрующей смеси (смесь концентрированных азотной и серной кислот) реакция нитрования проходит достаточно легко:

В) Реакции присоединения

n С₆Н₆ + 3Н₂ ^t,Ni С₆Н₁₂

n С₆Н₆ + 3Cl₂ ^свет С₆Н₆Cl₆

7. Получение

• Арены получают главным образом при сухой перегонке каменного угля. При нагревании каменного угля в ретортах или коксовальных печах без доступа воздуха при 1000 - 1300 0С происходит разложение органических веществ каменного угля с образованием твердых, жидких и газообразных продуктов.

• Альтернативным источником получения аренов служит древесина. В самой древесине аренов нет, однако при ее пиролизе они образуются и могут быть выделены.

• В странах богатых нефтью арены получают при ее переработке. Нефтяные продукты нагревают при температуре 700 ⁰С, в результате чего из продуктов разложения нефти удается получить 15-18% аренов.

Также бензол можно получить реакцией тримеризации (реакция Зелинского):

И реакцией дегидрирования гексана

С₆Н₁₂ С₆Н₆ + 4Н₂

Зелинский

Биография.

8. Применение.

Бензол входит в десятку важнейших веществ химической промышленности. Большую часть получаемого бензола используют для синтеза других продуктов:

около 50 % бензола превращают в этилбензол (алкилирование бензола этиленом);

около 25 % бензола превращают в кумол (алкилирование бензола пропиленом);

приблизительно 10--15 % бензола гидрируют в циклогексан;

около 10 % бензола расходуется на производство нитробензола;

2--3 % бензола превращают в линейные алкилбензолы;

приблизительно 1 % бензола используется для синтеза хлорбензола.

В существенно меньших количествах бензол используется для синтеза некоторых других соединений. Изредка и в крайних случаях, ввиду высокой токсичности, бензол используется в качестве растворителя. Кроме того, бензол входит в состав бензина. Ввиду высокой токсичности его содержание новыми стандартами ограничено введением до 1%.

IV. Домашнее задание.

Параграф №15 стр.116 №1, 3,4 (письменно)

n Какие свойства бензола лежат в основе его применения?

n Для любознательных

Узнайте названия растворителей и внимательно изучите состав растворителей по этикеткам. Как соотносится токсичность бензола с использованием в качестве компонента бытовых растворителей?

V. Подведение итогов урока.

В 1855 году Шарль Адольф Вюрц предложил общий способ (позже названный именем Вюрца) синтеза насыщенных углеводородов действием металлического натрия на алкилгалогениды(обычно бромиды или иодиды). Вильгельм Рудольф Фиттиг распространил реакцию Вюрца на область ароматических углеводородов (реакция Вюрца -- Фиттига). Напишите уравнения реакций:

А) Бромистого этила и йодистого бутила с натрием.

Б) Образования метилбензола и бутилбензола по методу Вюрца -- Фиттига .

Решение:

А) 2CH3-CH2Br(бромистый этил) + 2Na --> CH3-CH2-CH2-CH3(бутан) + 2NaBr

Б)

C₆H₅Br + 2Na + ВrC₄H₉ > С₆Н₅-С₄Н₉+ 2NaВr

Словесный.

Вводное слово учителя.

Слайд 1 «Ароматические углеводороды»

Словесный.

Беседа

Словесный метод

Рассказ учителя

С использованием электронной презентации

Наглядный метод

Демонстрация слайда 2 презентации

Использование исторического подхода.

Демонстрация слайда 4 презентации

Демонстрация слайда 5 презентации

Демонстрация слайда 6 презентации

Использование исторического подхода

Опыт «Отношение бензола к бромной воде и перманганату»

Демонстрация слайда 7 презентации

Наглядный метод

Демонстрация шаростержневой модели молекулы бензола и Демонстрация слайда 8 презентации

Демонстрация слайда 9 презентации

Наглядный метод

Демонстрация слайда 10 презентации

Словесный метод

Рассказ учителя

Запись определения учащимися в тетради.

Демонстрация слайда 11 презентации

Наглядный метод

Демонстрация слайда 12 презентации

Демонстрация слайда 13 презентации

Демонстрационный опыт

«Физические свойства бензола».

Демонстрация слайда 14 презентации

Демонстрационный опыт «Горение брома»

Демонстрация слайда 15 презентации

Демонстрация слайда 16 презентации

Демонстрационный опыт «Бромирование бензола»

Демонстрация слайда 17 презентации

Демонстрационный опыт «Нитрование бензола»

Демонстрация слайда 18 презентации

Демонстрационный опыт «Хлорирование бензола на свету»

Сообщение ученика по предварительной работе.

Демонстрация слайда 19 презентации

Сообщение ученика по предварительной работе.

Сообщение ученика по предварительной работе.

Демонстрация слайда 20 презентации

Демонстрация слайда 21 презентации

Запись в дневниках

Демонстрация слайда 22 презентации