Программа элективного курса по химии

«Теоретические основы, механизмы и закономерности протекания реакций в

органической химии» для 10 класса с углубленным изучением химии.

Пояснительная записка
Данный курс предназначен для учащихся 10 класса, проявляющих повышенный интерес к химии и собирающихся продолжить образование в учебных заведениях естественнонаучного профиля. Курс рассчитан на учащихся, обладающих прочными знаниями основных химических законов. Курс не привязан к конкретным классам органических соединений, что позволит учащимся на основе знаний фундаментальных понятий, идей и закономерностей осознанно воспринимать фактологический материал органической химии. В настоящее время целый ряд разделов школьной программы химии рассматривается в рамках основной школы поверхностно. Так, в курсе раздела «Органическая химия», изучаемом в 10-м классе школы, предусмотрено частичное знакомство с одним из важнейших понятий - механизм реакции. Поэтому часто у учащихся возникает непонимание, как можно предсказать свойства вещества и его реакционную активность по его химическому строению. Следовательно, нарушается чёткое понимание взаимосвязи «строение ↔ свойства» и появляются затруднения в определении генетических взаимосвязей между веществами изучаемых классов. Между тем понимание учащимися понятия «механизм реакций» необходимо для успешной сдачи экзаменов, как выпускных, так и вступительных в ВУЗы химического, биологического и медицинского направлений. Успехи в понимании механизма реакций обусловлены в основном использованием электронных теорий в органической химии, которые не только дали возможность систематизировать и объяснить большое количество уже известных фактов, но позволили также предсказать условия успешного проведения новых важных реакций. Знание механизмов органических реакций и закономерностей их протекания необходимо для лучшего усвоения курса органической химии, так как это способствует сознательному усвоению, а не простому запоминанию химических процессов. Использование электронной теории освобождает учащихся от необходимости заучивания большого числа, на первый взгляд, не связанных между собой фактов, что в прошлом было характерно для органической химии. Новый подход не требует от учащихся запоминания нового материала, но помогает им несравненно лучше использовать уже известный материал. Исходя из существования трёх основных классов реагентов - электрофилов, нуклеофилов и радикалов, будут рассматриваться основные особенности поведения каждого из этих реагентов в наиболее важных органических реакциях - замещения, присоединения, отщепления и в перегруппировках. Во всех случаях примеры для данного элективного курса выбирались с таким расчётом, чтобы наиболее существенные особенности процесса не были замаскированы второстепенными деталями и выявлялись в возможно более простой форме. В связи с вышеизложенным, и разработан данный элективный курс химии, предназначенный для учащихся 10-го класса, изучающих систематический курс органической химии и имеющих первоначальные (обзорные) знания о строении и свойствах органических веществ. Этот курс направлен на расширение объёма фактического материала в области органической химии, на формирование понимания пути превращений органических соединений и главное, на обучение учащихся ориентироваться в новых для них ситуациях при решении незнакомых уравнений. Программа рассчитана на 68 часов (2 часа в неделю).
Цели курса
:  формирование более глубокого уровня знаний, умений и навыков по составлению уравнений органических реакций с учетом механизмов их протекания; 1
 углубление и формирование знаний взаимосвязи строения и свойств органических веществ.
Задачи курса
 рассмотреть на более высоком уровне вопросы о классификации химических реакций в органической химии;  показать взаимосвязь строения и свойств органических веществ;  рассмотреть механизмы реакций замещения, присоединения, отщепления;  создать условия для формирования и развития у обучающихся интеллектуальных и практических умений, творческих способностей, умения самостоятельно приобретать и применять знания.
Формы и методы обучения
Элективный курс «Механизмы реакций в органической химии» - это целевой функциональный узел знаний, в котором теоретический материал различных тем по органической химии объединён в единую целостную систему. Данный курс можно рассматривать как программу обучения, предусматривающую систему лекций, семинаров и продуманные индивидуальные занятия дома. Содержание учебного материала подобрано в соответствии с темой и дидактической целью. На каждом занятии выделяются важнейшие научные понятия, теоретические положения, закономерности. Объём материала подобран оптимально, охватывает изучаемые в школьной программе классы органических веществ. Основной формой обучения является лекция, построенная с учётом возрастных особенностей учащихся. Главная задача лекции - вызвать интерес к материалу, возбудить творческую мысль, а не свести всё к сообщению готовых научных истин, которые следует понять и запомнить. Данный элективный курс предусматривает также лекционно-семинарскую и практическую формы работы по темам, перечисленным в программе. В проведении занятий предусматривается использовать учебник, учебные пособия для школ, дополнительные источники, а также дидактические разработки учителя. Все учащиеся обеспечиваются приложениями к курсу в распечатанном или электронном виде.
Содержание программы

Тема 1. Типы химических реакций в органической химии
Типы химических реакций в органической химии: реакции, идущие без изменения состава вещества (изомеризация), с выделением и поглощение тепла, реакции обмена, с участием катализатора, гомо- и гетерогенные. Типы химических реакций в органической химии: реакции соединения (присоединения), разложения, замещения, обратимые и необратимые. Типы химических реакций в органической химии: реакции окисления и восстановления.
Тема 2. Структура и реакционная способность органических соединений
Атомные орбитали. Понятие о гибридизации. Виды гибридизации атомов углерода: sp-, sp 2 -, sp 3 - гибридизация. σ- и π-связи, их сравнительная характеристика. Одинарные и кратные связи. Делокализованная связь. Связи в соединениях углерода: простые С–С связи, двойные С–С связи, тройные С–С связи. С–О и С–Н связи, их сравнительная характеристика (энергия связи, полярность, поляризуемость). Сопряжение и сопряженные связи. Сопряженные системы с открытой и замкнутой цепью. Бензол и ароматичность. Критерии ароматичности. Правило Хюккеля. Условия, необходимые для делокализации. Термодинамическая стабильность молекулы. Энергия делокализации. Геометрия молекулы. 2
Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений. Факторы, влияющие на доступность электронов в связях и в отдельных атомах. Индуктивный эффект, его особенности. Мезомерный эффект или эффект сопряжения, его виды и особенности.
Тема 3. Механизмы реакций в органической химии
Типы разрыва ковалентной связи: гомолитический и гетеролитический разрыв ковалентной связи. Понятие о субстрате и реагенте. Классификация реагентов: радикальные, нуклеофильные, электрофильные. Классификация химических реакций по механизму протекания реакции: замещение - S; отщепление - Е; присоединение - А; электрофuльные, нуклеофuльные, радикальные. Процессы радикального типа - наиболее типичный механизм реакций алканов. Реакции S R - типа: галогенирование (работы Н. Н. Семенова), нитрование по Коновалову, сульфирование, сульфоокисление и сульфохлорирование. Механизм реакции радикального замещения на примере хлорирования алканов (S R ). Относительная устойчивость радикалов различного типа, энергия связи С–Н для первичного, вторичного, третичного атомов углерода. Селективность и стереохимия. Хлорирование и бромирование пропана и бутана. Цепные реакции. Органические соединения, вступающие в реакцию радикального замещения. Примеры уравнений химических реакций с участием алканов, алкенов, гомологов бензола, альдегидов, карбоновых кислот, аминокислот, гетероциклов. Присоединение по двойным С=С связям. Механизм и стереохимия реакции злектрофильного присоединения (А Е ). Правило Марковникова. Теоретическое обоснование правила Марковникова: статический и динамический факторы. Гидрогалогенирование пропилена. Органические соединения, вступающие в реакцию злектрофильного присоединения. Примеры уравнений химических реакций с участием непредельных углеводородов, спиртов, альдегидов и карбоновых кислот. Присоединение против правила Марковникова. Особенности электронного и пространственного строения спряженных диенов. Понятие о π- электронной системе. Особенности химических свойств сопряженных диенов как следствие их электронного строения. Реакции 1,4- и 1,2-присоединения (галогенирование, гидрогалогенирование, гидратация, гидрирование). Диеновый синтез (реакция Дильса-Альдера). Присоединение по тройным С-С связям. Механизм реакции нуклеофильного присоединения (A N ). Правило Эльтекова. Примеры реакций нуклеофильного присоединения с участием алкинов. Реакции электрофильного замещения в ароматических системах. Механизм реакции злектрофильного замещения (S E ). Электрофильная атака бензола: σ- и π- комплексы. Галогенирование и сульфирование бензола. Нитрование, нитрующая смесь веществ. Правила ориентации в бензольном кольце с учетом мезомерии. Влияние уже присутствующих заместителей: индуктивный эффект заместителей, мезомерный эффект заместителей, суммарный эффект. Ориентанты 1 и 2 рода, их индуктивный и мезомерный эффекты. Влияние на ориентацию условий проведения реакций. Соотношение орто- и пара-изомеров. Согласованная и несогласованная ориентация. Влияние кольца на алкильный заместитель: активирование альфа-положения. Основы теории резонанса, граничные структуры. Галогенопроизводные предельных углеводородов. Характеристика связи углерод–галоген. Реакции S N (нуклеофильного замещения) у sp 3 -гибридизованного атома углерода: получение спиртов, простых эфиров, нитрилов. Механизм и стереохимия реакции нуклеофильного замещения (S N ). Влияние строения реагирующих соединений и растворителя. Гидролиз 2-бромпропана.Подвижность атома галогена в винилгалогенидах. Протолитическая теория кислот и оснований Бренстеда-Лоури. Кислотные и основновные свойства органических соединений по Бренстеду-Лоури. Примеры органических кислот и оснований. Амфотерные органические соединения. 3
Реакционная способность предельных одноатомных спиртов. Сравнение кислотно-основных свойств органических и неорганических соединений, содержащих ОН–группу: кислот, оснований, амфотерных соединений (вода, спирты). Реакции, подтверждающие кислотные свойства спиртов. Реакции нуклеофильного замещения (S N ) гидроксильной группы (реакции ацилирования спиртов). Механизм реакции этерификации. Электронное и пространственное строение фенола. Взаимное влияние ароматического кольца и гидроксильной группы. Сравнение кислотных свойств фенола и спиртов, неорганических и органических кислот. Реакции замещения ОН–группы. Реакции электрофильного замещения в молекуле фенола. Электронное строение карбонильной группы. Реакционная способность карбонильных соединений. Нуклеофильное присоединение по двойным С=О связям. Реакции гидратации, присоединения спиртов, первичных аминов, циановодорода (-CN), гидросульфита натрия (HSO 3 -). Примеры уравнений химических реакций А N с участием альдегидов, кетонов, моносахаридов. Влияние карбонильной группы на углеводородный радикал (реакции по альфа-углеродному атому). Галогенирование альдегидов, иодоформная реакция на метилкетоны. Электронное и пространственное строение карбоксильной группы. Распределение электронной плотности, сравнение карбоксильной группы с гидроксильной группой в спиртах и карбонильной группой в альдегидах и кетонах. Образование функциональных производных карбоновых кислот. Реакции S E -типа ароматических карбоновых кислот. Гидроксикислоты: реакции межмолекулярной и внутримолекулярной этерификации, реакции элиминирования. Амины – органические основания. Зависимость основности аминов от величины электронной плотности на атоме азота. Стерические факторы, влияющие на основность аминов. Распределение электронной плотности в анилине. Сравнение химических свойств алифатических и ароматических аминов. Реакции с азотистой кислотой. Электрофильное замещение в ароматических аминах. Ароматические диазосоединения, реакция диазотирования. Реакции элиминирования (α- и β-элиминирование): дегидрирование, дегалогенирование, дегидрогалогенирование, дегидратация. Механизм реакций элиминирования (отщепления) – Е. Реакции полимеризации и поликонденсации. Механизм радикальной полимеризации алкенов (A R) .
Тема 4. ОВР в органической химии, их особенности и методика подбора коэффициентов
Процессы окисления и восстановления в органической химии. Реакции деструктирования, окисления и горения. Расстановка коэффициентов в органических окислительно-восстановительных реакциях методом электронного баланса.
Тематическое планирование
№ Название темы Количество часов 1 Типы химических реакций в органической химии 2 2 Структура и реакционная способность органических соединений 14 3 Механизмы реакций в органической химии 46 4 Окислительно-восстановительные реакции в органической химии, их особенности и методика подбора коэффициентов 2 5 Обобщение и систематизация знаний 4
Календарно-тематическое планирование
4

№

урока

Название урока

Часы (пл

ан.)
1, 2 Классификация реакций в органической химии. Реакции присоединения, замещения, разложения, изомеризации. 2 3, 4 Понятие о гибридизации. Типы гибридизации атомов углерода в органической химии. 2 5, 6 σ- и π-связи, их сравнительная характеристика. Одинарные и кратные связи. Делокализованная связь. 2 7, 8 С–С и С–Н связи, их сравнительная характеристика и реакционная способность. Реакции, протекающие за счет разрыва С–С и С–Н связей. 2 9, 10 Сопряженные системы с открытой и замкнутой цепью. Критерии ароматичности. Правило Хюккеля Бензол и ароматичность. 2 11, 12 Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений. Индуктивный эффект, его особенности. 2 13, 14 Мезомерный эффект, его виды и особенности. 2 15, 16 Решение упражнений по теме «Индуктивный и мезомерный эффекты, их влияние на реакционную способность органических соединений и направление протекания реакций». 2 17, 18 Способы разрыва ковалентной связи. Классификация реагентов: радикальные, нуклеофильные, электрофильные. 2 19, 20 Механизм реакции радикального замещения (S R ). Примеры уравнений химических реакций, протекающих по механизму радикального замещения. 2 21, 22 Присоединение по двойным С=С связям. Механизм реакции электрофильного присоединения (А Е ). 2 23, 24 Правило Марковникова. Теоретическое обоснование правила Марковникова. Присоединение против правила Марковникова. 2 25, 26 Понятие о π-электронной системе. Особенности химических свойств сопряженных диенов как следствие их электронного строения. Реакции 1,4- и 1,2-присоединения (галогенирование, гидрогалогенирование, гидратация, гидрирование). Диеновый синтез (реакция Дильса-Альдера). 2 27, 28 Присоединение по тройным С-С связям. Механизм реакции нуклеофильного присоединения (A N ). 2 29, 30 Примеры органических реакций, протекающих по механизмам электрофильного и нуклеофильного присоединения. Составление уравнений реакций и определение механизма реакции. 2 5

Литература
1. Артеменко А.И. Органическая химия. Теоретические основы. Углубленный курс. – М.: Просвещение, 2001. 2. Органическая химия / Под ред. Н. А. Тюкавкиной. – М: Дрофа, 2002 г. – Кн. 1: Основной курс. 3. Травень В.Ф. Органическая химия. Т. 1 и 2. Издательство ИКЦ «Академкнига», 2004. 4. Грандберг И.И. Органическая химия. - 4-е изд., перераб. и доп. – М: Дрофа, 2001. 5. Потапов В.М. Органическая химия: Пробное учебное пособие для 10-11 классов школ с углубленным изучением химии. – М: Просвещение, 1996. 6. Потапов В.М., Чертков И.Н. Строение и свойства органических соединений. – Москва, Просвещение, 1984. 7. Чертков И.Н. Методика формирования у учащихся основных понятий органической химии. М.: Просвещение, 1991. 8. Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии. – Изд. 3-е – М.: Химия, 1977. 6
7