Теорія хімічної будови органічних сполук

До середини XIX століття хіміки знали тисячі органічних речовин, але не мали єдиної теорії, яка б пояснювала, чому атоми сполучаються саме так, а не інакше. У 1858 році Фрідріх Август Кекуле й Арчибальд Купер незалежно один від одного дійшли висновку: Карбон в органічних сполуках завжди чотиривалентний, а його атоми здатні сполучатися між собою, утворюючи ланцюги. Це стало фундаментом для майбутньої теорії.

У 1861 році на з'їзді німецьких природодослідників і лікарів у Шпаєрі Олександр Михайлович Бутлеров виголосив доповідь, у якій уперше ввів поняття «хімічна будова» й сформулював основні положення теорії хімічної будови. Ця теорія стала стрижнем усієї органічної хімії.

Основні положення теорії Бутлерова

Перше положення: атоми в молекулі сполучені в певній послідовності відповідно до їхньої валентності, і ця послідовність називається хімічною будовою. Іншими словами, молекула — не безладний набір атомів, а чітко впорядкована структура. Наприклад, у молекулі пропану C₃H₈ три атоми Карбону розташовані один за одним, і кожен з них має по чотири зв'язки.

Друге положення: властивості речовини залежать не лише від її якісного й кількісного складу, а й від хімічної будови. Це означає, що дві речовини з однаковою молекулярною формулою можуть мати цілком різні властивості — усе залежить від того, як атоми сполучені між собою.

Третє положення: атоми й групи атомів у молекулі взаємно впливають один на одного. Цей вплив визначає реакційну здатність сполуки. Наприклад, гідроксильна група –OH в етанолі й у фенолі поводиться по-різному, бо у фенолі на неї діє бензенове кільце.

Валентність атомів у нейтральних молекулах

Для органічних сполук, які вивчають у шкільному курсі, валентність найпоширеніших елементів у нейтральних молекулах стала:

Атоми Карбону можуть сполучатися між собою простими (C–C), подвійними (C=C) і потрійними (C≡C) зв'язками. За формою карбонового скелета розрізняють нерозгалужені (лінійні), розгалужені й замкнені (циклічні) ланцюги.

Наслідки теорії

З теорії хімічної будови випливає: знаючи будову молекули, можна передбачити її властивості, і навпаки — за властивостями речовини можна встановити її будову. Крім того, теорія пояснила явище ізомерії: чому існує кілька різних речовин з однаковим молекулярним складом (детальніше про ізомерію — в окремому уроці).

Хибні твердження, які часто плутають із теорією

• «Властивості речовини визначає лише її склад» — це хибне твердження; теорія Бутлерова стверджує, що властивості залежать і від складу, і від будови.

• «Атоми в молекулі сполучені в довільному порядку» — неправда; атоми в молекулі сполучені в певній (не довільній) послідовності відповідно до їхньої валентності.

• «Карбон в органічних сполуках двовалентний» — помилка; Карбон завжди чотиривалентний у нейтральних органічних молекулах.

У хімії використовують кілька типів формул, які дають різний обсяг інформації про речовину. Розгляньмо їх на прикладі пропану (C₃H₈).

Молекулярна формула

Молекулярна формула (наприклад, C₃H₈ або C₂H₆O) показує лише якісний і кількісний склад молекули: які елементи входять до її складу й скільки атомів кожного елемента в ній міститься. Вона не дає жодної інформації про те, у якому порядку атоми сполучені між собою.

Повна структурна (графічна) формула

Структурна формула показує порядок сполучення атомів. Кожна риска між символами елементів позначає один ковалентний зв'язок — одну спільну електронну пару. Повна структурна формула зображує всі зв'язки, зокрема зв'язки C–H. Наприклад, для пропану:

Тут видно всі 8 атомів Гідрогену й усі зв'язки.

Скорочена (напівструктурна) формула

Скорочена структурна формула записує групи атомів (CH₃–, –CH₂–, –CH<) і показує лише зв'язки між атомами Карбону, а також зв'язки з функціональними групами. Зв'язки C–H у ній опускають. Для пропану скорочена формула виглядає так: CH₃–CH₂–CH₃. Для етанолу: CH₃–CH₂–OH.

Кратні зв'язки в скорочених формулах

Простий зв'язок C–C позначають рискою: CH₃–CH₃. Подвійний зв'язок C=C обов'язково показують двома рисками: CH₂=CH₂. Потрійний зв'язок C≡C — трьома рисками: CH≡CH. У скороченій формулі кратний зв'язок між атомами Карбону пишуть завжди — його не можна опускати.

Відгалуження в скорочених формулах

Розгалуження (бічні ланцюги) записують у дужках після атома Карбону, до якого вони приєднані. Наприклад, 2-метилпропан: CH₃–CH(CH₃)–CH₃. Іноді відгалуження зображають рискою вгору або вниз:

Обидва записи — CH₃–CH(CH₃)–CH₃ і варіант з рискою — зображують ту саму молекулу.

Як перевірити правильність структурної формули

Біля кожного атома Карбону сума всіх зв'язків (простих, подвійних і потрійних) має дорівнювати 4. Подвійний зв'язок рахують за 2, потрійний — за 3. Для Оксигену сума зв'язків дорівнює 2, для Нітрогену — 3, для Гідрогену й галогенів — 1.

Важливо: структурна формула показує лише послідовність сполучення атомів, а не кути між зв'язками чи просторову форму молекули. Ланцюг, записаний у рядок, з вигином або прочитаний з іншого кінця, — це та сама речовина.

Щоб визначити молекулярну формулу за скороченою структурною формулою, потрібно порахувати кількість атомів кожного елемента. Найбільше труднощів викликає підрахунок атомів Гідрогену в розгалужених молекулах та молекулах із кратними зв'язками.

Алгоритм підрахунку

1. Полічи всі атоми Карбону (C), зокрема ті, що записані в дужках.

2. Для кожного атома C визнач, скільки зв'язків він утворює з іншими атомами C, O, N або галогенами. Подвійний зв'язок рахуй за 2, потрійний — за 3.

3. Відніми це число від 4 — отримаєш кількість атомів H, безпосередньо сполучених із цим атомом C.

4. Додай атоми H, що входять до складу функціональних груп (наприклад, –OH, –NH₂).

Приклади

Приклад 1: CH₃–CH(CH₃)–CH=CH₂

Атоми C: 5 (CH₃, CH, CH₃ у дужках, CH, CH₂). Рахуємо H біля кожного C:

Сума H: 3 + 1 + 3 + 1 + 2 = 10. Молекулярна формула: C₅H₁₀.

Приклад 2: CH₃–C≡C–CH₃

Атомів C: 4. Крайні CH₃–: по 3 H кожен (4 – 1 = 3). Середні –C≡C–: кожен витрачає три валентності на потрійний зв'язок з іншим C і одну — на зв'язок із крайнім C, тобто 4 – 3 – 1 = 0 атомів H. Отже, H: 3 + 0 + 0 + 3 = 6. Молекулярна формула: C₄H₆ (це бут-2-ин).

Приклад 3: CH₃–C(CH₃)₂–CH₂–OH

Атомів C: 5 (CH₃, C, два CH₃ у дужках, CH₂). Рахуємо H: CH₃– (3), C (0 — сполучений з CH₃, двома CH₃ і CH₂, тобто 4 зв'язки), два CH₃ у дужках (по 3), CH₂– (2), –OH (1). Сума H: 3 + 0 + 3 + 3 + 2 + 1 = 12. Молекулярна формула: C₅H₁₂O.

Швидка перевірка для вуглеводнів без циклу

Для вуглеводнів (сполук, що містять лише C і H) без циклічних структур діє просте правило:

• Якщо всі зв'язки C–C прості, то кількість атомів H дорівнює 2 · C + 2.

• Кожен подвійний зв'язок зменшує цю кількість на 2.

• Кожен потрійний зв'язок зменшує на 4.

Наприклад, для C₅H₁₀: 2 · 5 + 2 = 12, мінус 2 (один подвійний зв'язок) = 10 — усе збігається.

Пошук помилки в структурній формулі

Формула CH₃–CH=CH₃ неможлива: перший атом C має 3 зв'язки з H і 1 з C (усього 4), але третій атом C (CH₃) має 3 зв'язки з H і 2 з C (подвійний зв'язок рахується за 2) — разом 5, а це перевищує валентність IV. Формула CH₃–CH₂=CH₂ теж хибна: середній атом C має 1 зв'язок з CH₃, 2 з =CH₂ і 2 з H — усього 5. Правильний запис для пропену: CH₃–CH=CH₂.

Одне з найважливіших положень теорії Бутлерова стверджує: властивості речовини залежать не лише від її складу, а й від хімічної будови. Найпереконливіше це демонструють речовини, які мають однакову молекулярну формулу, але різну будову й різні властивості.

Приклад C₄H₁₀: бутан і 2-метилпропан

Молекулярна формула C₄H₁₀ відповідає двом різним речовинам:

Склад однаковий — C₄H₁₀, а будова й фізичні властивості різні. Це прямий доказ другого положення теорії Бутлерова.

Приклад C₂H₆O: етанол і диметиловий етер

Молекулярна формула C₂H₆O теж відповідає двом різним речовинам:

Етанол — рідина, що реагує з натрієм, а диметиловий етер — газ, який з натрієм не взаємодіє. Різниця в будові (де розташований атом Оксигену) кардинально змінює хімічні властивості.

Етери в програмі НМТ окремо не вивчають. Приклад із диметиловим етером наведено лише для ілюстрації теорії — щоб показати, як будова впливає на властивості.

Взаємний вплив атомів: фенол і етанол

Третє положення теорії — про взаємний вплив атомів — добре ілюструє порівняння етанолу й фенолу. В обох сполуках є гідроксильна група –OH, але в етанолі вона сполучена з алкільним радикалом –C₂H₅, а у фенолі — з бензеновим кільцем C₆H₅. У фенолі C₆H₅OH гідроксильна група виявляє кислотні властивості сильніше: фенол реагує з лугами (NaOH), а етанол — ні. Причина — вплив бензенового кільця на групу –OH.

Детальніше порівняння різних класів оксигеновмісних сполук вивчають у курсі «Оксигено- і нітрогеновмісні сполуки та полімери».

Молекулярна будова й властивості

Багато органічних сполук мають молекулярну будову й ковалентні зв'язки. Серед них є леткі й горючі речовини (наприклад, бензин, спирт). Однак молекулярна будова сама по собі не гарантує леткості: полімери (наприклад, поліетилен) мають молекулярну будову, але не леткі. А солі органічних кислот (наприклад, натрій ацетат CH₃COONa) мають йонну будову, тому, як і неорганічні солі, нелеткі й мають високі температури плавлення. Отже, властивості визначаються не лише типом зв'язків, а й усією сукупністю структурних особливостей.

Розгляньмо типові завдання на тему теорії хімічної будови та структурних формул — саме такі можуть трапитися на НМТ.

Приклад 1. Яке твердження відповідає теорії хімічної будови?

Завдання: виберіть одне правильне твердження.

• А) Властивості речовини визначає лише її кількісний склад.

• Б) Атоми в молекулі сполучені в довільній послідовності.

• В) Властивості речовин залежать від складу й хімічної будови молекул.

• Г) В органічних сполуках Карбон двовалентний.

Розв'язання: згадуємо положення теорії Бутлерова. Перше положення — атоми сполучені в певній послідовності (не довільній). Друге — властивості залежать і від складу, і від будови. Третє — атоми взаємно впливають. Карбон у нейтральних молекулах завжди чотиривалентний.

Відповідь: В.

Чому інші варіанти хибні: А — заперечує залежність властивостей від будови; Б — суперечить першому положенню (послідовність сполучення не довільна); Г — Карбон чотиривалентний, а не двовалентний.

Приклад 2. Скільки атомів Гідрогену в молекулі CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH=CH₂?

Завдання: визначте кількість атомів Гідрогену в цій молекулі.

• А) 14

• Б) 12

• В) 11

• Г) 9

Розв'язання: спочатку полічимо атоми C — їх 6 (CH₃, CH, CH₃ у дужках, CH₂, CH, CH₂). Тепер рахуємо H біля кожного C:

• CH₃– (крайній зліва): 4 – 1 = 3 H

• –CH– (сполучений з CH₃, CH₃ у дужках, CH₂): 4 – 3 = 1 H

• CH₃– (у дужках): 4 – 1 = 3 H

• –CH₂– (сполучений з CH, CH): 4 – 2 = 2 H

• –CH= (подвійний зв'язок, сполучений з CH₂, =CH₂): 4 – 3 = 1 H

• =CH₂ (крайній справа, подвійний зв'язок): 4 – 2 = 2 H

Сума: 3 + 1 + 3 + 2 + 1 + 2 = 12. Молекулярна формула C₆H₁₂.

Відповідь: Б (12).

Чому інші варіанти хибні: 14 — порахували як для алкану C₆H₁₄, не врахувавши подвійний зв'язок; 9 — пропустили групу CH₃ у дужках; 11 — групу =CH₂ порахували як =CH (тобто 1 H замість 2).

Приклад 3. У якій формулі порушено валентність Карбону?

Завдання: знайдіть формулу, у якій валентність Карбону не дорівнює IV.

• А) CH₃–CH=CH–CH₃

• Б) CH₃–CH₂=CH–CH₃

• В) CH₂=CH–CH₂–CH₃

• Г) CH≡C–CH₂–CH₃

Розв'язання: перевіряємо кожну формулу.

• А) CH₃–CH=CH–CH₃: перший C — 4 (3H + 1C), другий C — 4 (1H + 1C + подвійний 2), третій C — 4 (1H + 1C + подвійний 2), четвертий C — 4 (3H + 1C). Усе правильно.

• Б) CH₃–CH₂=CH–CH₃: другий атом C має 2 зв'язки з H + 1 з CH₃ + 2 з =CH (подвійний) = 5. Валентність порушено!

• В) CH₂=CH–CH₂–CH₃: перший C — 4 (2H + подвійний 2), другий — 4 (1H + подвійний 2 + 1C), третій — 4 (2H + 2C), четвертий — 4 (3H + 1C). Правильно.

• Г) CH≡C–CH₂–CH₃: перший C — 4 (1H + потрійний 3), другий — 4 (потрійний 3 + 1C), третій — 4 (2H + 2C), четвертий — 4 (3H + 1C). Правильно.

Відповідь: Б.

Приклад 4. Укажіть молекулярну формулу речовини CH₃–C(CH₃)₂–CH₂–CH₃

Завдання: визначте молекулярну формулу за скороченою структурною.

• А) C₄H₁₀

• Б) C₅H₁₂

• В) C₆H₁₂

• Г) C₆H₁₄

Розв'язання: полічимо атоми C: CH₃ (1), C (2), (CH₃)₂ — два CH₃ у дужках (ще 2, разом 4), CH₂ (5), CH₃ (6). Усього 6 атомів C.

Рахуємо H: CH₃– (3), C (0 — сполучений з CH₃, двома CH₃ і CH₂), два CH₃ у дужках (по 3 = 6), CH₂– (2), CH₃ (3). Сума: 3 + 0 + 6 + 2 + 3 = 14.

Молекулярна формула: C₆H₁₄.

Відповідь: Г.

Чому інші варіанти хибні: C₄H₁₀ — не врахували дві групи CH₃ у дужках; C₅H₁₂ — урахували лише одну групу CH₃ у дужках; C₆H₁₂ — приписали подвійний зв'язок, якого немає.

На НМТ учні часто втрачають бали через кілька типових помилок. Ось найпоширеніші з них.

• Зображати п'ятивалентний Карбон. Формули на кшталт CH₃–CH=CH₃ або CH₃–CH₂=CH₂ неможливі — у них один з атомів C має 5 зв'язків. Завжди перевіряй суму зв'язків біля кожного атома C: вона має дорівнювати 4.

• Пропускати атоми в дужках. Коли рахуєш склад за скороченою формулою, не забувай про групи, записані в дужках. Наприклад, у CH₃–C(CH₃)₂–CH₃ є два додаткових CH₃, приєднаних до середнього атома C.

• Вважати, що молекулярна формула однозначно визначає речовину. C₄H₁₀ — це і бутан, і 2-метилпропан. C₂H₆O — етанол і диметиловий етер. Склад може бути однаковим, а властивості — різними.

• Вважати різні записи того самого ланцюга різними речовинами. CH₃–CH₂–CH₂–CH₃, записаний у рядок, з вигином або прочитаний з іншого кінця, — це та сама молекула бутану.

• Плутати структурну формулу з просторовою формою молекули. Риска на папері не показує кута між зв'язками. Структурна формула — це лише схема сполучення атомів, а не їхнє просторове розташування.

• Пропускати в скороченій формулі подвійний чи потрійний зв'язок. Якщо між атомами C є кратний зв'язок, його обов'язково треба писати. CH₃CH₂CH₃ — це пропан, а CH₃CH=CH₂ — пропен; пропуск риски змінює речовину.

Тема «Теорія хімічної будови» (пункт 3.1 програми НМТ) вимагає вміння пояснювати залежність властивостей від будови й прогнозувати реакційну здатність через взаємний вплив атомів.

У демоваріанті НМТ-2026 окремого завдання, присвяченого виключно теорії будови, немає. Однак ця тема є супутньою в завданнях 14, 16, 18 і 21.2. Структурні формули фігурують у завданнях 14, 16 і 21. Зокрема, у № 16 треба дібрати фрагмент структурної формули речовини за описом її властивостей і застосування.

Формат завдань

Завдання на цю тему зазвичай мають форму вибору однієї відповіді з чотирьох (А–Г). Оцінюють їх у 0 або 1 бал. Можливі варіанти:

• вибрати правильне твердження теорії хімічної будови;

• визначити молекулярну формулу за скороченою структурною;

• знайти формулу з помилкою валентності.

Стратегія виконання

Перепиши скорочену структурну формулу в чернетку. Над кожним атомом Карбону постав кількість його зв'язків з іншими атомами (C, O, N, галогенами) — вона має дорівнювати 4. Потім порахуй атоми Гідрогену. Пам'ятай: розв'язання в чернетці не перевіряють, оцінюють лише вибрану відповідь, тому працюй уважно.

• Хімічна будова — це послідовність сполучення атомів у молекулі відповідно до їхньої валентності.

• У нейтральних органічних молекулах Карбон — IV, Гідроген — I, Оксиген — II, Нітроген — III, галогени — I. Заряджені йони перевіряють окремо.

• Властивості речовини залежать і від складу, і від будови. Атоми в молекулі взаємно впливають один на одного.

• Молекулярна формула показує склад, структурна — порядок сполучення атомів. Скорочена структурна формула не показує зв'язків C–H.

• Атоми H рахуй так: біля кожного атома C кількість H = 4 мінус кількість його зв'язків з іншими атомами (C, O, N, галогенами). Подвійний зв'язок — 2, потрійний — 3.

• Однаковий склад ще не означає ту саму речовину: C₄H₁₀ — це бутан і 2-метилпропан; C₂H₆O — етанол і диметиловий етер.