Структурная формула бутана

Строение, изомерия, структурные формулы алканы

Строение, изомерия. Алканы – алифатические углеводороды, в молекуле которых атомы углерода связаны между собой и с атомами водорода одинарной связью (σ-связь). Осюда и другое их название – предельные, или насыщенные, углеводороды. Родоначальник и простейший представитель алканов – метан СН₄. В молекуле метана, как и в молекулах других алканов, атом углерода находится в состоянии sp 3 – гибридизации.

Общая формула соединений этого ряда С_nH_2n+2. Каждый последующий его представитель отличается от предыдущего на группу CH₂ (метиленовая группа, табл. 2). Такой ряд родственных органических соединений с однотипной структурой, близкими химическими и закономерно изменяющимися физическими свойствами называется гомологическим рядом; члены этого ряда – гомологами.

Гомологический ряд алканов по названию его первого представителя часто называют рядом метана. Три первых соединения этого ряда не имеют изомеров. Начиная с бутана, наблюдается явление изомерии, т.е. существование нескольких соединений с одинаковым качественным и количественным составом, с одинаковой молекулярной массой, но различными физическими и химическими свойствами.

Строение бутана С₄Н₁₀ может быть представлено с помощью двух формул:

Такой вид изомерии называют структурной изомерией (в данном случае – изомерия углеродного скелета). Углеводороды с неразветвлённой углеродной цепью называют углеводородами «нормального строения (н-бутан). С увеличением числа углеродных атомов в молекуле алкана число изомеров быстро возрастает; так, для углеводорода С₅Н₁₂ можно написать формулы трёх изомеров:

Гексан (С₆) имеет 5 изомеров; декан (С₁₀) – 75, эйкозан (С₂₀) – 336319.

Приведённые формулы изомеров бутана и пентана называют структурными. Они показывают не только какие атомы и в каком количестве входят в молекулу данного соединения, но и отражают порядок и характер связей между ними. Различают полную, или развёрнутую, структурную формулу:

и краткую, или звеньевую:

В изооктане имеется четыре типа углеродных атомов: атомы 1,5,6,7,8 связаны только с одним углеродным атомом – такие атомы углерода называют первичными, атом 3 с двумя – вторичный атом, атом 4 с тремя – третичный углеродный атом. Углеродный атом 2 называется четвертичным. Соответственно первичными, вторичными и третичными называются связанные с ними атомы водорода.

Существует несколько способов наименования органических соединений: тривиальные (исторические) названия, рациональная и систематические номенклатуры.

Тривиальные названия обычно связаны с источниками, первыми способами получения веществ, именами учёных или являются случайными. Они не говорят о структуре молекулы и в большинстве случаев возникли в начальный период развития химии.

Названия органических соединений по рациональной и систематической номенклатурам указывают не только вид и число атомов, входящих в его состав, но и дают представление о структуре молекулы.

Наиболее удобной, дающей возможность назвать любое соединение, является систематическая номенклатура органических соединений, использующая систему правил, разработанную комиссией по номенклатуре органических соединений при Международном союзе Чистой и Прикладной химии – International Union of Pure and Applied Chemistry – сокращённо IUPAC (ИЮПАК).

Первые четыре представителя алканов имеют случайные названия: метан, этан, пропан, бутан. По существу тривиальными можно считать и названия следующих алканов, хотя они и являются производными греческих числительных, соответствующих числу углеродных атомов в молекуле алкана [за исключением нонана и ундекана, корни названия которых латинские (табл. 2)], общим для всех гомологов является окончание «ан». Эти названия не дают представления о строении алканов (нормальная, разветвлённая цепь и т.д.), и поэтому однозначно могут быть использованы только для наименования алканов нормального строения.

Для наименования алканов с разветвлённой углеродной цепью необходимо знать названия углеводородных радикалов – алкилов, частиц, условно выделенных из молекулы углеводорода отнятием одного атома водорода. Их названия получают заменой окончания «ан» соответствующего алкана на «ил». Отсюда и их групповое название «алкилы». Общая формула алкилов C_nH_2n+1. В формулах органических соединений алкилы в общем виде обозначаются Alk или чаще R.

Физические свойства нормальных алканов

Температура кипения, 0 С

Температура плавления, 0 С

Согласно номенклатуре ИЮПАК названия разветвлённых алканов составляют следующим образом:

1. В молекуле углеводорода выбирают главную цепь – самую длинную:

2. Затем эту цепь нумеруют с того конца, к которому ближе заместитель

(радикал, имеющий меньшее число углеродных атомов):

3. Углеводород называют в таком порядке: вначале указывают место

(цифрой) расположения заместителя, затем этот заместитель, а в конце – добавляют название главной (самой длинной) цепи. Вышеприведённый углеводород может быть назван: 2-метил-4-этилгептан.

Если в главной цепи содержится несколько одинаковых заместителей, то их число обозначают греческим числительным (ди-, три-, тетра- и т. д.), которое ставят перед названием этих радикалов, а их положение указывают одной и той же цифрой, повторенной дважды (или несколько раз – в зависимости от количества одинаковых заместителей). Например:

Приведём ещё примеры:

По рациональной номенклатуре предельные углеводороды рассматриваются как производные метана, в молекуле которых один или несколько атомов водорода замещены на радикалы. Названия строят следующим образом. Называют по старшинству все заместители (указывая и

х количество, если они одинаковые) и основу названия – слово «метан». Приведём примеры углеводородов и назовём их по рациональной и систематической номенклатурам:

Как видно из этих примеров, систематическая номенклатура – более удобная и совершенная.

2.2.3. Физические свойства

Четыре первых представителя ряда метана – газообразные вещества, начиная с пентана (С₅) до гексадекана (С₁₆) углеводороды нормального строения – жидкости, С₁₇ и выше – твёрдые вещества. В ряду метана для алканов нормального строения по мере роста молекулярной массы (см. табл. 2) наблюдается увеличение температур кипения и плавления, а также плотности. Разница в температурах кипения соседних гомологов у нормальных алканов С₅ – С₁₀ составляет 20 – 30 0 С и постепенно она уменьшается до 15 0 С у углеводородов С₁₅ – С₂₀.

Алканы с разветвлённой цепью углеродных атомов кипят при более низких температурах по сравнению с алканами нормального строения; с увеличением числа заместителей, превращением молекул в более разветвлённые разница в температурах кипения алканов нормального и разветвлённого строения возрастает. Эта же закономерность наблюдается и для плотности. Это хорошо видно из табл. 3.

Физические свойства изомерных алканов

Плотность r 20 ₄

Указанные закономерности становятся понятными, если вспомнить, что для перехода жидкого вещества в газообразное необходимо преодолеть межмолекулярные взаимодействия. Форма разветвлённых молекул стремится к сферической, при этом площадь поверхности уменьшается, и в результате уменьшаются межмолекулярные силы, которые теперь преодолеваются при более низкой температуре.

На температуру плавления алканов в кристаллическом состоянии большое влияние оказывает строение молекул, их способность «упаковываться» в кристаллы. Поэтому температура плавления приведённого ниже 2,2–диметилбутана – 99, 7 0 С, а 2,3–диметилбутана – 128,4 0 с.

Все алканы легче воды, их плотность не превышает 0,8 г∙см -3 .

Алканы практически не растворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях. Метан, этан и высшие гомологи не имеют запаха, средние обладают запахом бензина. В молекулах алканов цепочки углеродных атомов имеют зигзагообразную форму. Угол между валентностями составляет 109 0 28 1 ; центры углеродных атомов расположены друг от друга на расстоянии 0,154 нм, расстояние от центра углеродного атома до центра атома водорода 0,11 нм.

В процессе разработки месторождений физическое состояние и свойства углеводородов с изменением температуры и давления не остаются постоянными. Для правильного установления технологического режима эксплуатации месторождений и систем сбора нефти и газа необходимо знать изменение состояний и свойств углеводородов в широком диапазоне давления и температуры.

2.2.4. Химические свойства и переработка

В молекулах алканов, как известно, все атомы связаны между собой прочными σ-связями, а валентности углеродных атомов полностью насыщены водородом. Поэтому алканы не вступают в реакции присоединения. Они проявляют при обычных условиях чрезвычайно высокую химическую инертность: не взаимодействуют с ионными реагентами (кислотами, щелочами), окислителями, активными металлами (поэтому, например, металлический натрий можно хранить в керосине).

По этой причине предельные углеводороды в своё время получили название парафинов * (от лат. рarum affinis – малое сродство).

Основные химические превращения алканов идут только при сообщении им достаточно высокой энергии (за счёт нагревания или УФ-облучения). При этом может произойти или разрыв связи С-Н с последующей заменой атома водорода на другой атом или группу атомов (реакции замещения), или же разрыв молекулы по связи С-С (реакции расщепления).

* – В нефтяной практике парфинами называют твёрдые углеводороды, содержащиеся в нефтях и нефтепродуктах.

Несмотря на то, что энергии этих связей равны соответственно: 376,8-410,3 и 314-368,4 кДж/моль, разрыв предпочтительнее идёт по связи С-Н. Это связано с большей доступностью связи С-Н для атаки химических реагентов.

Наибольший интерес для нефтехимии представляют следующие реакции:

Галогенирование. Эта реакция идёт сравнительно легко с замещением атомов водорода в алканах на галогены. Из галогенов наиболее широко используется хлор, вследствие его доступности, дешевизны и высокой химической активности.

Как было установлено Н.Н. Семёновым, эта реакция протекает по радикально цепному механизму.

Молекулярный хлор под влиянием света расщепляется на атомный, который инициирует (начинает) радикальную реакцию; он отщепляет водород от метана, образуя радикал – метил и хлористый водород. Метильный радикал взаимодействует с молекулярным хлором и стабилизируется в первый продукт хлорирования метана – хлористый метил, который по аналогичной схеме подвергается дальнейшему хлорированию, образуя последовательно хлористый метилен, хлороформ и тетрахлорметан (четырёххлористый углерод):

Подобно метану могут подвергаться хлорированию и другие алканы. Хлорирование углеводородов проводится в промышленных масштабах в паровой и жидкой фазах различными способами: при нагревании до 400-500 0 С (термическое хлорирование), в присутствии катализаторов (каталитическое хлорирование) при специальном освещении реагирующих компонентов (фотохимическое хлорирование).

Хлорпроизводные метана и других низших алканов являются хорошими растворителями жиров, синтетических смол и каучуков, нитро- и ацетилцеллюлозы. Их можно использовать и для очистки призабойной зоны нефтяных скважин от асфальто-смолистых и парафиновых отложений. Применяют также и при депарафинизации масел.

Хлорпроизводные алканов используют для получения спиртов, в том числе и высших спиртов:

При пропускании хлористого метила (или смеси его с хлорзамещёнными ароматическими углеводородами) над медно-кремниевым сплавом при 300 0 С образуются алкил- и арилхлорсиланы:

Алкил- и арилхлорсиланы являются исходным продуктом в синтезе кремнийорганических соединений, применяемых в производстве силиконовых жидкостей, консистентных смазок, смол и каучуков.

Хлороформ и четырёххлористый углерод используют для получения хлорфтор- и фторпроизводных:

которые применяют в качестве хладоагентов – фреонов.

Полностью фторированные алканы применяют в качестве инертных теплоносителей, в производстве полимеров-фторопластов.

Хлорирование твёрдых парафинов осуществляют для получения присадок, понижающих температуру застывания масел (депрессорные присадки).

Нитрование. Нитрование алканов осуществляют с помощью азотной кислоты при температуре 200-450 0 С. Нитрование всегда сопровождается частичным разложением углеводородов, что приводит к получению нитросоединений с меньшим числом атомов углерода. Из пропана таким путём помимо 1- и 2-нитропропанов образуются нитроэтан и нитрометан:

Нитрометан, нитроэтан, нитропропан являются хорошими растворителями эфиров целлюлозы, полимеров, лаков. Они могут применяться в качестве добавок, снижающих температуру самовоспламенения дизельных топлив.

Восстановлением нитроалканов в кислой среде можно получить амины:

Амины используют для получения ингибиторов коррозии, поверхностно-активных веществ, для очистки газов от сероводорода.

Сульфирование. При слабом нагревании дымящая серная кислота сульфирует алканы, т. е. атом водорода в них замещается на сульфогруппу:

В результате образуются алкансульфокислоты.

Сульфохлорирование. При действии на алканы смеси сернистого газа и хлора идёт реакция сульфохлорирования:

Сульфохлориды легко гидролизуются до сульфокислот:

Взаимодействием сульфохлоридов с избытком аммиака получают сульфамиды:

Сульфокислоты могут быть получены также и реакцией сульфоокисления:

Алкансульфокислоты образуют со щелочами соли – сульфонаты:

Сульфонаты и сульфамиды с 12-18 и выше атомами углерода, получаемые на основе жидких парафинов, выделяемых из дизельных фракций, служат в качестве поверхностно-активных и моющих веществ, эмульгаторов нефти и флотационных реагентов.

Дегидрирование. В присутствии катализатора при нагревании из алканов за счёт разрыва связи С-Н происходит отщепление атомов водорода, что приводит к образованию алкенов. Например, дегидрированием этана можно получить этилен:

В результате дегидрирования бутана образуется бутилен или бутадиен:

Образующаяся смесь изомерных бутиленов широко применяется для получения полимербензинов и в синтезе алкилатов, являющихся высокооктановыми компонентами бензинов.

Особенно важен процесс дегидрирования бутана с целью получения бутадиена, который необходим для синтеза каучуков:

Дегидрированием изопентана, выделяемого из газового бензина и газов нефтепереработки, получают изопрен, также важный полупродукт для синтеза каучуков:

Дегидрирование низших алканов при очень высоких температурах приводит к образованию ацетилена:

Изомеризация. Под влиянием катализаторов при нагревании алканы изомеризуются в углеводороды разветвлённого строения:

Реакция изомеризации используется для повышения октанового числа бензинов.

Окисление. В присутствии большого избытка кислорода (или воздуха) при высокой температуре алканы сгорают полностью до воды и диоксида углерода, например:

Эта реакция используется, главным образом, при получении из природного газа и нефтепродуктов тепловой энергии.

Неполное окисление метана кислородом воздуха приводит к образованию смеси оксида углерода и водорода, называемой синтез-газом:

Синтез-газ получают также конверсией метана водяным паром или диоксидом углерода:

Синтез-газ используют для получения многих органических продуктов.

Окисление алканов кислородом воздуха в более мягких условиях приводит к получению смеси карбоновых кислот, спиртов, альдегидов, кетонов.

Окислением метана и продуктов его окисления можно получить метиловый спирт, формальдегид, муравьиную кислоту:

Метиловый спирт применяют в качестве горючего, растворителя, для предотвращения образования газовых гидратов в трубопроводах.

Формальдегид применяется во многих органических промышленных синтезах, большое количество его используется для получения пластмасс, пластификаторов, взрывчатых веществ. Применяют также для предотвращения бактериальной коррозии металлов, для борьбы с сульфатвосстанавливающими бактериями.

При неполном окислении этана образуются метиловый СН₃ОН и этиловый С₂Н₅ОН спирты, уксусный альдегид СН₃СНО. Для преимущественного получения спиртов используют воздух, обеднённый кислородом.

Исключительный интерес для промышленности представляет процесс неполного окисления бутана, позволяющий получить большое количество альдегида и уксусной кислоты:

В зависимости от температуры процесса соотношение между продуктами окисления может существенно меняться.

Продукты окисления низших алканов находят применение в качестве готовой продукции или полупродуктов при синтезе присадок, моющих средств, алкилирующих агентов, компонентов ракетного топлива, растворителей.

Важное промышленное значение приобрело каталитическое окисление высших алканов (С₁₂-С₂₅) с целью получения высших жирных спиртов и жирных кислот (ВЖС) (работы акад. С.С. Наметкина).

Сырьём являются парафины, получаемые при депарафинизации нефтепродуктов:

Образующиеся продукты используются для получения поверхностно-активных соединений, моющих средств, пластификаторов.

Комплексообразование. Газообразные алканы образуют твёрдые комплексы с водой. Эти комплексы относятся к так называемым соединениям включения или клатратным соединениям. Комплексы газообразных углеводородов с водой образуются при пониженной температуре (

0 0 С). Иногда в газопроводах они могут быть причиной закупорки. В присутствии молекул газа вода кристаллизуется с образованием клеток, в которых заключены молекулы алкана («гость»). Так, пропан при давлении 0,4 Мпа и температуре 2 0 С образует в воде кристаллическое соединение С₃Н₈·17Н₂О.

Алканы нормального строения, начиная с гептана, образуют при комнатной температуре соединения включения с мочевиной H₂N–CO–NH₂. В этих соединениях молекулы мочевины соединяются между собой с помощью водородных связей и образуют спиралевидные гексагональные каналы диаметром 4,9 А 0 , в которых находятся молекулы алкана.

Диаметр эффективного поперечного сечения молекулы алкана нормального строения 3,8 – 4,2 А 0 . Поэтому молекулы н-алканов умещаются в этом канале в отличие от молекул изоалканов, эффективный диаметр которых значительно больше. Благодаря этому комплексообразованием с мочевиной можно отделить н-алканы от разветвлённых алканов. Однако слаборазветвлённые алканы, молекулы которых имеют участок прямой цепи из 10 атомов углерода, также образуют устойчивые комплексы с мочевиной.

образует соединения включения с изопарафинами. Диаметр гексагонального канала, образованного молекулами тиомочевины в соединении включения, равен 7А 0 ; в этот канал могут быть легко включены молекулы даже сильно разветвлённых алканов. Молекулы углеводородов в соединениях включения мочевины и тиомочевины удерживаются с помощью сил Ван – дер – Ваальса. Возможно также наличие слабых водородных связей.

2.2.5. Алканы нефти

Алканы занимают исключительно важное место среди углеводородов нефти. Так, природные газы представлены почти исключительно алканами.

Общее содержание алканов в нефтях составляет 40-50% (об.), а в некоторых нефтях оно достигает 50-70%. Однако есть нефти, в которых содержание алканов составляет всего 10-15%.

Лёгкие фракции любых нефтей почти целиком состоят из алканов. С повышением средней молекулярной массы фракций нефти содержание в них алканов уменьшается. В средних фракциях, выкипающих в пределах 200-300 0 С, их содержится обычно не более 55-61%, а к 500 0 С количество этих углеводородов снижается до 19-5% и менее.

Газообразные алканы. В зависимости от месторождений и методов добычи углеводородные газы подразделяются на природные, попутные и газы газоконденсатных месторождений.

Природные газы – газы чисто газовых месторождений. Они состоят, в основном, из метана (93-99%) с небольшой примесью этана, пропана, бутанов, пентанов. Во многих природных газах содержится значительное количество диоксида углерода, азота, а также сероводорода и благородных газов (Ar, Ne и др.).

В виду резкого преобладания метана большинство природных газов относят к так называемым сухим газам.

Месторождения природного газа размещаются в различных районах нашей страны. Особенно богата природным газом Западная Сибирь.

Попутные газы. Так принято называть газообразные углеводороды, сопровождающие сырую нефть. В условиях пластового давления эти газы растворены в нефти и в процессе её добычи выделяются вследствие снижения давления. Для этих газов характерно высокое содержание метана и наличие значительных количеств этана, пропана, бутанов и высших углеводородов вплоть до октана. Такие газы в отличие от сухих принято называть жирными или богатыми. Состав газов колеблется в значительных пределах и зависит от типа месторождения и условий добычи нефти. Попутные газы служат источником извлечения из них лёгкого бензина.

Газы газоконденсатных месторождений. Некоторые газовые месторождения с высоким пластовым давлением (до 25-30 МПа) отличаются тем, что газы насыщены жидкими нефтяными углеводородами. При разработке этих месторождений давление снижается, жидкие углеводороды конденсируются и могут быть отделены от газа в виде жидкого конденсата. После отделения конденсата газ приближается по составу к сухим газам, а конденсат содержит бензиновые и керосиновые фракции.

Химический состав газов, полученных из различных месторождений, приведён в табл. 4.

Состав газов некоторых месторождений (% об.)

Природные газы широко используются как бытовое и промышленное топливо, служат ценнейшим сырьём для химической и нефтехимической промышленности. Сжиженные нефтяные газы используют в качестве растворителей для извлечения остаточной нефти из пласта.

Жидкие алканы. Содержание жидких алканов в зависимости от месторождения нефти колеблется от 10 до 70 %. Наиболее богаты ими мангышлакские, сибирские, татарские, башкирские нефти. При фракционной разгонке эти углеводороды попадают в бензиновый (С₅-С₁₀) и керосиновый (С₁₁-С₁₆) дистилляты. В настоящее время в нефтях найдены все возможные изомеры пентана, гексана и гептана.

Обычно нефть содержит, главным образом, два-четыре десятка индивидуальных нормальных и изомерных алканов, остальные присутствуют в незначительных количествах.

Наиболее характерно содержание алканов нормального и слаборазветвлённого строения. Причём из последних наиболее часто встречаются метилзамещённые.

В табл. 5 приведены усреднённые данные о содержании индивидуальных алканов в бензиновых фракциях нефтей.

Из 18 изомеров октана обнаружено 17. Из 35 возможных изомеров нонана обнаружено 24.

Декан и его десять изомеров выделены, а большая часть обнаружены спектроскопическим методом.

Из углеводородов С₁₁-С₁₆ найдены ундекан, додекан, три- и тетрадекан, пентадекан и гексадекан.

Относительное содержание алкановых углеводородов

во фракциях различных нефтей

Среднее содержание во фракции, % от суммы алканов

для зарубежных нефтей

Фракция 60-95 0 С

Фракция 95-122 0 С

В некоторых нефтях обнаружены изопреноидные углеводороды -разветвлённые алканы с правильным чередованием метильных заместителей в цепи через три метиленовые группы:

Содержание их в различных нефтях составляет до 9 %.

Изопреноидные углеводороды представляют особенный интерес для геохимии нефти, поскольку обладают специфической структурой, характерной для биохимических компонентов. Особенности их строения и высокая концентрация в различных нефтях свидетельствуют в пользу их биогенной природы.

При изучении распределения в нефтях нормальных алканов и алканов изостроения обнаружены закономерности, связанные с типом нефти. В нефтях метанового типа преобладают нормальные алканы (до 50 %). В нефтях нафтенового типа содержатся преимущественно изоалканы (до 75 % и более). Они могли образоваться в нефтях из фитола – ненасыщенного алифатического спирта растительного происхождения, который является составной частью хлорофилла.

Так как нефти метанового типа относятся к старым нефтям, преобладание в них алканов нормального строения объясняют протеканием реакций отщепления боковых цепей у углеводородов изостроения. Преимущественное содержание изоалканов в нафтеновых нефтях свидетельствует, что они относятся к молодым, не претерпевшим ещё значительных превращений.

Жидкие алканы имеют большое значение в жидких топливах. Установлено, что нормальные алканы являются носителями детонирующих свойств, в результате чего их присутствие в бензинах нежелательно.

Напротив, они желательны в дизельном топливе, т. к. с увеличением длины цепи повышается так называемое цетановое число, которое характеризует способность дизельного топлива к воспламенению.

Алканы разветвлённого строения придают бензинам антидетонационные свойства, характеризуемые октановым числом.

Жидкие алканы, входя в состав бензина, керосина и других продуктов переработки нефти, используют в первую очередь как топлива. Значительное количество нормальных алканов используют для получения синтетических жирных кислот, спиртов и поверхностно-активных веществ. Кроме того, они являются сырьём для микробиологической промышленности, производящей белково-витаминные концентраты.

Твёрдые алканы. Твёрдые алканы присутствуют во всех нефтях. Для всех твёрдых алканов укрепилось техническое название “парафины”. Парафинов в нефтях содержится мало (0,1-5%). Однако встречаются высокопарафинистые нефти с содержанием 7-27% твёрдых парафинов.

Основная их масса содержится в мазуте, при перегонке которого углеводороды с числом углеродных атомов от 17 до 35 попадают в масляные дистилляты, а С₃₆-С₅₅ остаются в гудроне. По химическому составу углеводороды, выделенные из масляных фракций, составляют более 75% нормальных алканов и небольшие количества циклоалканов и разветвлённых углеводородов. Они имеют температуру плавления 45-54 0 С, температуру кипения до 550 0 С, плотность 0,860-0,940 и молекулярную массу 300-500. Твёрдые углеводороды с числом углеродных атомов от 36 до 55 носят название церезины. В состав церезинов входят алканы нормального и изостроения, которые могут содержать в молекуле циклоалкановые и ароматические структуры. Церезины имеют температуру плавления 65-88 0 С, температуру кипения выше 600 0 С, молекулярную массу 500-750. По внешнему виду похожи на воск.

Парафины легко кристаллизуются в виде пластинок и пластинчатых лент. Церезины же кристаллизуются в виде мелких игл, поэтому они не образуют прочных застывающих систем, как парафины.

В нефти парафины находятся в растворённом и взвешенном состоянии. На холоде растворимость их в нефти и нефтяных фракциях невелика, но при нагревании около 40 0 С парафины неограниченно растворяются в них. Так как в недрах Земли повышенная температура, то в нефтях парафины находятся в растворённом состоянии, выделяясь из них в виде твёрдой фазы при подъёме нефти на поверхность. Поэтому при содержании их в нефти в пределах 1,5-2 % парафины отлагаются в скважинах и промысловых нефтесборных трубопроводах, затрудняя эксплуатацию скважин и транспорт нефти.

Парафины и церезины имеют разнообразное применение в химической промышленности, в производстве вазелина, в пропитке древесины, аппретировании тканей, в качестве изолирующего материала в электро- и радиотехнике.

Парафины применяют в качестве загустителя в производстве пластических смазок. Особенно большое значение они имеют, также как и жидкие алканы, для производства синтетических жирных кислот и спиртов.

Явление изомерии. Структурная изомерия, номенклатура насыщенных углеводородов

В органической химии применяют молекулярные, эмпирические, структурные, полуструктурные и электронные формулы. Молекулярная формула показывает качественный и количественный состав атомов в молекуле. Эмпирическая формула показывает относительное число атомов каждого элемента в молекуле. Структурные и электронные формулы отражают порядок соединения атомов в молекуле. В органической химии обычно пользуются полуструктурное формулами, поскольку атомы имеют пространственное размещение в молекуле. Структурные формулы — это язык органической химии.

Каждое вещество имеет свою химическую формулу. Однако, были обнаружены вещества, которые имели одинаковые химические формулы, но проявляли различные свойства. Теория строения объяснила причину существования таких соединений. В насыщенных углеводородов атомы углерода могут соединяться последовательно в цепь, поэтому такие углеводороды называют неразветвлёнными. Но для алканов, содержащих четыре и более атомов углерода, возможны другие структуры, которые состоят из разветвленных цепей атомов углерода. Существуют два бутаны С4Н10, которые отличаются по физическим свойствам: нормальный бутан: СН3-СН2-СН2-СН3, температура кипения которого + 0,6ºС и бутан разветвленного строения (изобутан): бутан разветвленного строения (изобутан), температура кипения которого + 11 7ºС.

Молекула пентана С5Н12 может существовать в виде трех изомеров: СН3-СН2-СН2-СН2-СН3 — нормального строения (н-пентан), и два изопентан, имеющие разветвленный карбоновый скелет: изопентан и изопентан.

Итак, у соединений углерода одна и та молекулярная формула соответствует не одному, а нескольким соединениям, которые отличаются по физическим и химическим свойствам.

Соединения, имеющие одинаковый состав, но различное строение молекул, что вызывает различные свойства, называют изомерами (гр. Isoc — «одинаковый» и meros — «часть»), а явление существования таких соединений — изомерией.

Наличие изомеров обуславливает обилие органических соединений. Чем больше атомов углерода содержит органическое соединение, тем более изомеров она образует. Например, для гексана характерные 5 изомеров, гептана — 9, октана — 18 нонан — 35, декана — 75.

Изомерия в органической химии очень распространена. С ней встречаются при изучении всех классов органических соединений. Изомерию, обусловленную разной последовательностью сообщения атомов в молекулах, а также различным положением кратных связей в них, называют структурной изомерией.

Структурные изомеры разделяют на группы:

а) соединения, которые отличаются между собой строением карбонового скелета. Примером могут служить изомеры бутана. При наличии в молекуле органического соединения четырех атомов углерода возможна изомерия в результате различного размещения атомов углерода. С4Н10 бутан существует в виде двух изомеров;

б) изомерия положения кратной связи: СН3-СН = СН-СН3 бут-2-ен и СН2 = СН-СН2-СН3 бут-1-ен;

в) изомерия положения функциональной группы: СН3-СН-СН2-СН3 бутан-2-ол и СН2ОН-СН2-СН2-СН3 бутан-1-ол;

г) изомерия состава углеводородного радикала: C2p-Nh3 Этамин (этиламин) и Cp-NH-Cp диметиламин;

д) межклассовая изомерия: алкены-циклоалканы, алкины-алкадиены, одноатомные спирты-эфиры, альдегиды-кетоны, одноосновные карбоновые кислоты — эфиры. Например, формуле С2Н6О соответствуют две разные по свойствам вещества: этиловый спирт С2Н5ОН, что относят к классу спиртов и метоксиметан (диметиловый эфир) СН3-О-СН3 из класса эфиров.

Структурная изомерия в насыщенных углеводородов связана с изомерией карбонового скелета.

С ростом числа атомов углерода в молекуле возрастает число возможных изомеров. Поэтому недостаточно называть только, например, изогексан, которых может быть пять для гексана. Название изомеров должна быть составлена ​​так, чтобы она не только указывала на число атомов, входящих в состав вещества, но и давала представление о структуре его молекулы, чтобы можно было легко и точно написать ее структурную формулу. С этой целью ученые разработали правила составления индивидуальных названий веществ — номенклатуру. В органической химии для наименования соединений существует несколько номенклатур: историческая или тривиальная, рациональная, систематическая (международная, ИЮПАК, замисникова система названий органических соединений) номенклатура.

Историческая номенклатура возникла в древности, когда органическим соединениям присваивали случайные названия. В основном эти названия указывали на происхождение веществ. Например, муравьиная, щавелевая, яблочная, винная кислоты, древесный спирт и др. Эта номенклатура не дает возможности называть изомеры.

Наиболее удобной является международная номенклатура, в основу которой положен названия насыщенных углеводородов. Для того, чтобы называть изомеры по этой номенклатуре нам сначала необходимо познакомиться с радикалами и заместителями.

При отрыве атома водорода от молекул алканов образуются одновалентные частицы, называемые свободными радикалами.

Радикал — частица, имеющая неспаренный электрон и способна к самостоятельному существованию

Названия одновалентных радикалов происходят от названий соответствующих углеводородов с заменой окончания -ан на -ил, -ил. Одновалентен радикал выражается общей формулой СnН2n + 1-.

-СН3 Метил, -С4Н10 бутил, -С2Н5 этил, -С6Н5 фенил, -С3Н7 пропил, -СН = СН2 винил и др.

Заместитель — атом или группа атомов, является ответвлением в карбоновом цепи. Заместителями могут быть атомы галогенов, нитрогруппа, аминогруппа и др

Ознакомимся с номенклатурой насыщенных углеводородов. Первые четыре члена ряда насыщенных углеводородов получили тривиальную название: СН4 — метан, С2Н6 — этан, С3Н8 — пропан, С4Н10 — бутан. Начиная с пентана эта номенклатура предусматривает выделение главной цепи, в котором произошло замещение атомов водорода на заместители, функциональные группы, атомы других элементов или группы атомов, которые обозначаются с помощью префиксов и суффиксов.

Названия насыщенных углеводородов разветвленного строения составляют по таким правилам:

В структурной формуле алкана разветвленного строения выбирают самый длинный цепь атомов углерода и нумеруют атомы углерода арабскими цифрами с того конца, к которому ближе стоит заместитель (радикал). Если различные заместители находятся на одинаковом расстоянии от обоих концов цепи, то нумерацию осуществляют с того конца, у которого находится заместитель, который называют первым по алфавиту. Если одинаковые заместители находятся на одинаковом расстоянии от обоих концов цепи, то нумерацию осуществляют с того конца, где больше ответвлений.

структурная формула алкана

Определяют название каждого заместителя. Названия заместителей размещают по алфавиту. Перед названием каждого заместителя через дефис указывают номер атома углерода с которым соединен заместитель и его название: 3-этил-5-метил …

Если у одного и того же атома углерода есть два одинаковых заместители, то номер атома углерода повторяют дважды: 2,2- …

структурная формула алкана

При наличии нескольких одинаковых заместителей указывают их количество, добавляя к названию заместителя префикс ((2) ди- или ди-, (3) трех (4) тетра (5) пента- и т.д.), а перед ним указывают номера соответствующих атомов углерода, распределены запятой, а от словесных частей названия отделяются дефисом: 3 этил-2,3-диметил …

структурная формула алкану3. В конце называют алкан по количеству атомов углерода в пронумерованном карбоновом цепи: 3 этил-2,3-диметилпентан.

Важно научиться сопоставлять между собой структуры и видеть среди них принципиально разные и тождественны.

В молекуле вокруг простых карбон-карбоновых связей при нормальных условиях возможно свободное вращение. В результате молекула может принимать различные формы:

Следует помнить, какой бы формы не получил карбоновый цепь, последовательность сообщения атомов во всех случаях остается прежним, что и выражается структурной формуле.

Часто приходится проводить обратную процедуру — по названию алкана написать его структурную формулу. Например, нам необходимо написать структурную формулу 3-этил-2,4,4-триметилгексану.

Записываем цепь из шести атомов углерода и нумеруем их: цепь из шести атомов углерода.

К третьему атома углерода присоединяем радикал этил, ко второму один, а к четвертому два радикалы метила: К третьему атома углерода присоединяем радикал этил.

Дописываем к атомам углерода главной цепи необходимое количество атомов водорода и получаем формулу алкана: получаем формулу алкана.

Из пластилина одного цвета изготовьте четыре шарика одинакового размера. Из пластилина другого цвета изготовьте шарик, диаметр которой в 1,5 раза больше диаметра предыдущих. На поверхности большей шарики («атом углерода») примерно на одинаковых расстояниях сделайте четыре пометки. В этих местах вставьте стержни (спички), к концам которых присоедините маленькие шарики («атомы водорода»). Вы получили кулестержневу модель молекулы метана.

Сделай полусферическую модель метана. Для этого сделайте на атоме углерода четыре срезы под тетраэдрических углами. Сделайте по одному срезу на четырех атомах водорода. Приложите срезами атомы водорода в срезов атома углерода.

Модель молекулы пропана

Из пластилина одного цвета сделай восемь шариков одинакового размера («атомы водорода»). Из пластилина другого цвета сделай три шарика, диаметр которых в 1,5 раза больше диаметра предыдущих. Три шарики большего диаметра («атомы углерода») с помощью спичек (химические связи) соедините последовательно между собой под углом 1090. Согласно структурной формулы пропана в больших шариков с помощью стержней (спичек) присоедините восемь меньших шариков, которые условно изображают атомы водорода.

Модель молекулы хлорпропан

С одной стержня модели молекулы пропана снимите одну маленький шарик («атом водорода»). Вместо нее прикрепите шарик другого цвета («атом хлора»), диаметр которой примерно в 2 раза больше диаметра меньшей шарики.

Структурная Формула Бутадиена

Выступление по профилю юриспруденция? Отчет по производственной практике на автосервисе?

Принимая к сведению новые курсы, структурная формула бутадиена, очень может быть, будет для мира многообещающим открытием.

Данную публикацию лично сдают в Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, Московский пограничный институт Федеральной службы безопасности Российской Федерации, Московский государственный строительный университет, Курский институт менеджмента, экономики и бизнеса, Балтийский государственный технический университет ВОЕНМЕХ им. Д.Ф. Устинова.

Учебные заведения

• Новочеркасская государственная мелиоративная академия
• Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
• Филиал Санкт-Петербургского государственного университета культуры и искусств в г. Великий Новгород
• Воркутинский филиал Ухтинского государственного технического университета
• Дзержинский политехнический институт (филиал) Нижегородского государственного технического университета
• Новосибирский государственный университет
• Ачинский филиал Красноярского государственного аграрного университета
• Филиал Московского государственного университета приборостроения и информатики в г. Лыткарино
• Ставропольский государственный аграрный университет
• Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров

Концепция, Учеба и Знания

• Социальная работа
• Метрология, стандартизация и сертификация
• Физика конденсированного состояния вещества
• Режиссура кино и телевидения
• Наноматериалы
• Бурение нефтяных и газовых скважин
• Информационная безопасность телекоммуникационных систем
• Товароведение и экспертиза товаров (по областям применения)
• Технологические машины и оборудование
• Машины и оборудование лесного комплекса

Структурная формула бутана

Урок 3. Строение органических соединений.
Теория А.М.Бутлерова (2-3 часа)

В ходе изучения данной темы продолжаем краткий экскурс в историю развития науки, показывая развитие представлений о строении органических соединений. Важно, чтобы учащиеся четко осознали, что вплоть до конца XIX века, когда формировалась теория химического строения, не то что никаких понятий о строении атома и электронной природе химической связи еще не существовало, но и существование атомов и молекул было далеко не очевидно. Кроме того, в ходе урока вводятся понятия гомологические ряды и гомологическая разность, структурная формула, изомеры, изомерия, виды изомерии (структурной).

В середине XIX века ученые определили состав и изучили свойства большого числа органических соединений, обнаружив при этом много удивительного. Оказалось, что десятки совершенно различных веществ содержат в своем составе атомы одних и тех же элементов: различно лишь их соотношение. Можно привести примеры знакомых учащимся веществ, различных по своим свойствам, но состоящих из атомов одних и тех же элементов: винный спирт – С₂H₆O, уксусной кислоты – С₂H₄O₂, глицерина – С₃H₈O₃, сахар С₁₂H₂₂O₁₁ и т.д. Более того, было установлено, что существуют разные по физическим и химическим свойствам соединения, у которых одинаков не только качественный, но и количественный состав! Например, одинаковый количественный состав имеют два разных вещества: глюкоза и фруктоза. Шведский химик Йенс Берцелиус предложил такие соединения называть изомерами (от греческих изос – равный и мерос – часть, доля).

Теории, объясняющей, почему возможно существование разных веществ совершенно одинакового состава, тогда не было. Ф. Велер в 1835 г писал: ” . органическая химия в настоящее время может кого хочешь свести с ума. Она представляется мне дремучим лесом, полным чудесных вещей, огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть. “

Для того чтобы органическая химия могла развиваться дальше, необходимо было систематизировать все это множество соединений, навести порядок в знаниях о них. Было замечено, что органические вещества можно сгруппировать по классам соединений с похожими химическими свойствами. По способности вступать в химические реакции их относили к определенным типам. Причем «родоначальниками» этих типов были неорганические вещества. Так, химикам были известны классы спиртов, некоторые химические свойства которых были похожи на воду и, таким образом, спирты относились к типу воды, амины – типу аммиака, углеводороды – к типу водорода и т. д.

Формулы веществ, употреблявшиеся в теории типов , выражали не ” внутреннее строение веществ” , а лишь их способы образования и способности вступать в реакции. В зависимости от того, в какую реакцию вступает вещество, формула его записывалась по-разному.

Как выяснилось, у соединений одного класса похожи не только свойства, но есть общее и в составе. Например, многие свойства соединений класса спиртов напоминают свойства воды. Более того, состав спиртов тоже напоминает состав воды. Спирты можно рассматривать как воду H₂O, в молекуле которой один из атомов водорода заменен на группу, состоящую из нескольких атомов углерода и водорода – CH₃ (CH₃-ОH), C₂H₅(C₂H₅-ОН), C₃H₇(C₃H₇-ОH) и т.д. Такую группу атомов назвали органическим радикалом. Считалось, что радикал – это часть молекулы, которая в химических реакциях, как правило, остается неизменной.

Было обнаружено, что в состав радикалов не может входить произвольное число атомов углерода и водорода. Так, если в радикале содержится один атом углерода, то атомов водорода в его составе должно быть три. Поэтому, формула спирта с одним атомом углерода в молекуле может быть только: СН₃ОН. А состав “соседних” представителей класса спиртов, да и всех других классов органических соединений отличается друг от друга на группу -CH₂-, которую назвали гомологической разностью. Член класса спиртов с двумя атомами углерода должен иметь радикал состава (СН₃ + СН₂), т.е. С₂Н₅, и действительно, формула такого спирта – С₂Н₅OH. Следующий представитель класса спиртов имеет состав (С₂Н₅5 + СН₂)ОН, то есть C₃H₇OH. Такие вещества с похожими свойствами, состав которых отличается на одну или несколько групп -CH₂-, назвали гомологическими рядами. Члены гомологических рядов по отношению друг к другу – это гомологи. Но каково строение органических радикалов, химикам оставалось неясно.

Возможность описать строение органических молекул появилась после того, как английский химик Э. Франкланд в 1852 г ввел понятие “валентность”.

Для развития теории строения органических веществ очень плодотворным было предположение немецкого ученого Ф.Кекуле, что атомы углерода в органических соединениях всегда образуют четыре связи, т.е. четырехвалентны. Четырехвалентные атомы углерода могут соединяться друг с другом и образовывать цепочки.

Однако многие химики того времени считали, что с помощью химических формул нельзя отразить строение соединения, и тем более невозможно на основании формулы предсказать свойства вещества.

Для того чтобы разобраться в многообразии органических веществ, был необходим критический взгляд на господствовавшие в химии представления. Молодой российский ученый А.М.Бутлеров выступил на конгрессе с основными положения теории строения органических соединений. Сущность теории Бутлерова состоит в следующем: свойства молекулы определяются свойствами атомов, составляющих ее, их числом и расположением в молекуле.

Бутлеров ввел понятие “химическое строение молекулы”, под которым он понимал порядок соединения атомов в молекуле.

Формулы, отражающие последовательность атомов в молекуле, называют структурными. Каждую ковалентную связь в них изображают черточкой.

Тут полезно записать вместе с учащимися несколько структурных формул сначала неорганических (вода, аммиак, углекислый газ, серная кислота), а затем простейших органических веществ (метан, этан, хлорэтан, метанол, этилен, ацетилен),заодно вспомнив, сколько связей могут в соединениях образовать атомы водорода, кислорода, углерода, хлора, азота. Важно, чтобы школьники четко усвоили, что подобные формулы можно записать для всех ковалентно построенных соединений, неважно, органических или неорганических. Очень хорошо, если в ходе работы школьники сами напишут формулы с двойной и тройной связью, если не догадаются – необходимо подсказать. После того, как будут написаны структурные формулы, очень полезно продемонстрировать трехмерные модели соответствующих веществ
этан ] ,
пропан ] ,
хлорэтан ,
метанол ,
этилен ,
ацетилен .
Хорошо, чтобы учащиеся сравнили, какую информацию о строении молекул несет формула, а какую – модель, и сами пришли к выводу, что структурные формулы не отражают всей информации о строении молекул. Они не передают пространственного расположения атомов в молекуле, так как не учитывают соотношение длин связей и реальные углы между ними.

На примере формул все тех же веществ можно показать, что coкращенные структурные формулы, в которых не указаны черточки-связи между атомами С и Н, несут ту же информацию о веществе, но при этом намного удобнее.

Пример, иллюстрирующий различные варианты написания структурной формулы бутана приведен здесь: .

Строение вещества устанавливают, изучая его химические свойства с помощью так называемых качественных реакций

Попросите учащихся привести известные им из неорганической химии примеры качественных реакций. Существуют качественные реакции на разные классы органических соединений.

В настоящее время строение молекул изучают и с помощью различных физических методов.

Имеет смысл после обсуждения суммировать основные положения теории строения органических соединений:

2. Свойства веществ зависят не только от их состава (вида и числа атомов, входящих в молекулу), но и от строения молекул. Атомы в молекуле оказывают друг на друга взаимное влияние, от которого зависят физические и химические свойства веществ.

3. Строение вещества можно установить экспериментально, изучая его химические и физические свойства, и выразить химической формулой.

На основании теории строения А.М.Бутлеров объяснил явление изомерии – существования различных по свойствам веществ, с одинаковым составом. Он предположил, что такие вещества – изомеры – различаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением своих молекул.

Следует отметить, что теория строения получила признание научного мира далеко не сразу. Научная теория получает признание лишь тогда, когда с ее помощью можно не только объяснить известные факты, но и предсказать ранее не известные явления. А.М.Бутлеров доказал справедливость своей теории так. В то время было известно одно вещество состава С₄H₁₀ – бутан. Ученый предсказал существование двух изомеров с таким составом и синтезировал изобутан. Попросите учащихся нарисовать два возможных варианта структурных формул и покажите трехмерные модели
бутана
и изобутана .
Если школьники затрудняются в написании структурных формул изомеров, можно сделать наоборот – показать модель и попросить по ней написать структурную формулу.

Бутлерову удалось синтезировать изобутан – вещество, изомерное бутану, существование которого было предсказано на основании теории строения.

Учащиеся не всегда четко представляют себе, что изомеры – это разные вещества, этому иногда способствуют нечеткие формулировки некоторых задач. Поэтому, следует особенно подчеркнуть, что изомеры – это разные вещества, обладающие одинаковым составом, но разным строением, и их физические и химические свойства могут сильно различаться. Например, у бутана и изобутана отличаются температуры плавления и кипения, (у бутана Т.кип. -0,5oС, а изобутан Т.кип. -11,7oC).

Число изомеров с увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода быстро возрастает. Например, для соединения состава С₅H₁₂ возможно существование трех изомеров, С₆H₁₄ – пяти, С₁₀H₂₂ – 75, а число возможных веществ состава С₂₀Н₄₂ огромно и составляет 366319.

Далее следует дать понятие о том, что бывают различные виды изомерии – изомерия углеродного скелета (показать пример бутана и изобутана), изомерия положения заместителя
(1-хлорпропан и
2-хлорпропан ,
межклассовая изомерия (этанол
и диметиловый эфир .
Необходимо сказать, что мы рассмотрели далеко не все возможные виды изомерии и будем их постепенно изучать в дальнейшем.

И конечно, в ходе занятия обязательно надо найти хоть немного времени для личностей А. М. Бутлерова и Ф.Кекуле .

В ходе семинарского занятия на ту же тему школьники составляют структурные формулы веществ, определяют число изомеров данного состава, продолжают решать задачи на определение состава веществ.

Очень важно, чтобы учащиеся уверенно отвечали на вопросы типа: сколько веществ изображено следующими формулами (можно записать в различном виде структурную формулу одного и того же вещества, например, хлорэтана, у которого атом хлора расположен слева или справа, сверху или сбоку). Если учащиеся затрудняются отвечать на подобные вопросы, следует как можно больше использовать компьютерные или пластмассовые трехмерные модели веществ.

Примеры заданий для семинара:

1. Напишите структурные формулы соединений: С₂H₅Cl, CH₄O, CH₅N, СН₄S.
2. Напишите все возможные структурные формулы для изомеров состава С₅Н₁₂ и С₆Н₁₄.
3. Сколько может существовать изомеров состава C₄H₉Br и С₃Н₆Сl₂? Напишите их структурные формулы.
4. Известно семь соединений состава С₄Н₁₀О. Напишите их структурные формулы.

Когда учащиеся достаточно уверенно будут составлять структурные формулы, можно попросить их обсудить, например, подобные вопросы:
Может ли существовать устойчивое соединение с молекулярной формулой С₃H₅?
Возможно ли существование углеводородов с нечетным числом атомов водорода в молекуле?
Можно попробовать вывести общую формулу насыщенных углеводородов (обычно, если класс сильный, формулу C_nH_2n+2 выводят довольно легко).

И, конечно, необходимо продолжать решать задачи на определение состава органических веществ, дополнив их заданием: по найденной молекулярной формуле написать возможные структурные формулы.

В ходе занятия, работая с формулами и моделями, очень важно кратко комментировать, что за вещества описывают данные формулы, зачем они применяются.

Это необходимо для того, чтобы учащиеся понимали, что за химической формулой всегда стоит конкретное вещество, чтобы химия из науки о веществе не превращалась в науку манипулирования формулами.

Метатеория

Метатеория — это логическая теория, в которой производится рассмотрение структуры, методов и свойств некоторой другой теории, в том числе её точное описание (то есть определение правил образования и преобразования) и исследование относящихся к ней результатов. Теория, исследование которой проводится в рамках метатеории, называется предметной, или объектной теорией, в качестве которой может выступать любая теория, подвергаемая строгому логическому анализу (см. Теория). В узком смысле метатеория понимается как теория, изучающая синтаксические, семантические и логические (специальные правила вывода) свойства систем с формализованным языком методами аксиоматизации, алгоритмизации, конструктивизации и другими. Основная задача построения метатеории состоит в уточнении (экспликации) соответствующих предметных теорий и анализе их свойств. При этом в рамках общей программы проведения метатеоретических исследований на предметные теории и метатеории не накладывается никаких ограничений: они могут быть содержательными, дедуктивными, частично или полностью формализованными и могут использовать любые логические средства. Метатеория представляет собой одно из наиболее важных понятий современной логики (см. Логика), математики, философии (см. Философия) и методологии науки (см. Методология науки).

В метатеории синтаксис анализируемой теории описывается на так называемом синтаксическом языке (см. Синтактика), а семантика — на семантическом (см. Семантика). Дедуктивные средства предметной теории формулируются в виде метааксиом и метатеорем, к которым следует относить не только исходные и производные правила вывода, но также синтаксические и семантические теоремы. Синтаксический и семантический языки вместе с метааксиомами и метатеоремами составляют метаязык. В метаязыке формулируются специальные аксиомы и теоремы, касающиеся синтаксических, семантических и дедуктивных свойств формализма. Как правило, метаязык включает в себя определённый фрагмент естественного языка, если все пояснения, относящиеся к формальной теории, ведутся на этом языке. Собственной частью синтаксического языка могут быть названы, например, переменные по пропозициональным функциям. Собственной частью семантического языка являются переменные по выражениям различных синтаксических категорий. Зачастую семантический язык включает в себя язык синтаксический, хотя в ряде случаев они могут и совпадать. Введение производных логических констант посредством дефиниций осуществляется в семантическом языке. На метаязыке строится теория моделей того или иного логического исчисления. На этом языке формулируются все теоремы о свойствах логических формализмов. Наиболее распространённой метаязыковой теорией является теория семантических категорий (см. Теория семантических категорий). Более специализированное рассмотрение метатеории имеет место в разделе математической логики — теории моделей, в которой прослеживается связь между дедуктивными и семантическими (алгебраическими) понятиями.

Понятие метатеории возникло в начале XX века в исследованиях по основаниям математики и логики применительно к изучению математического и логического формализма (Д. Гилберт, К. Гёдель, А. Тарский, Р. Карнап, А. Чёрч, С. Клини и другие), результатом чего явились программы построения оснований математики (метаматематики) и логических теорий (металогики). Сам термин «метатеория» был первоначально введён в 1904 году Д. Гилбертом в связи с выдвинутой им программой обоснования математики. Гилберт предложил сделать доказательство в аксиоматической теории предметом специальной математической дисциплины, названной им метаматематикой или теорией доказательств. Возникновение и развитие неклассических логик, стимулировавшее вначале сдвиг логических исследований в сторону металогических исследований, в дальнейшем привело к появлению и метаметалогических исследований. О металогике (см. Металогика) говорит в своей статье, опубликованной в 1913 году, Н. А. Васильев. Общее понятие метаязыка и метатеории было введено А. Тарским в 1933 году в работе «Понятие истины в языках дедуктивных наук», где он чётко формулирует необходимость различать язык, о котором говорим, и язык (метаязык), на котором говорим, а также теорию (науку), служащую предметом исследования, и теорию (метанауку), в которой мы проводим исследование.

Одной из исходных посылок метаматематической программы Гилберта послужило утверждение о том, что в качестве предметной теории, для которой будет строиться соответствующая метатеория, следует брать не некую содержательную теорию (например, содержательную математику), а её формализованное представление в виде исчисления или формальной системы (теории). Такая формальная система строится по явно сформулированным, чётким правилам; она может состоять из неинтерпретированных знаков и знакосочетаний (формул, выражений) — в этом случае она является синтаксической, или её элементам приписывается определённая интерпретация, то есть фиксируется их смысл или значение, — и в этом случае она является семантической. Метатеория, которая строится по отношению к таким образом представленной предметной теории, является содержательной теорией, то есть она состоит из содержательно понимаемых элементов естественного языка. В ней формулируются метатеоремы (теоремы о теоремах), которые описывают синтаксические и семантические свойства соответствующей предметной (формализованной) теории.

Для того, чтобы метаматематика выполнила свою основную функцию — обоснования содержательной математики, она, согласно Гилберту, должна пользоваться только так называемыми финитными методами, то есть использовать лишь конечные конструкции и конструктивные доказательства, не допускающие применения абстракции актуальной бесконечности, которая играет важную роль в содержательной математике и в её формализованном представлении. В рамках этой программы был получен ряд важных метатеоретических результатов. Так, была доказана синтаксическая метатеорема о дедукции, которая устанавливает связь между понятием выводимости (доказуемости) в данной предметной теории (например, в исчислении высказываний или исчислении предикатов) и логической операцией импликации, входящей в алфавит данной предметной теории. Примером семантической метатеоремы является теорема о полноте классического исчисления высказываний, согласно которой для этого исчисления понятия доказуемой формулы (формальной теоремы) и формулы, истинной при некоторой его интерпретации, совпадают. Некоторые понятия метаматематики носят смешанный — синтаксически-семантический характер. Таково, например, понятие непротиворечивости, которое синтаксически определяется как невыводимость в предметной теории противоречия, то есть конъюнкции некоторой формулы и её отрицания, а в семантическом плане означает соответствие данной предметной теории некоторой её интерпретации. Эквиваленность этих определений является нетривиальным метатеоретическим фактом.

Несмотря на указанные и многие другие метатеоретические результаты, впоследствии оказалось, что метаматематическая программа Гилберта, и прежде всего его финитистская установка, не могут быть реализованы. Это убедительно показал К. Гёдель (1931), доказав свои две широко известные теоремы. Согласно его первой теореме, любая формализованная система, достаточно богатая для того, чтобы включать в себя арифметику натуральных чисел, неполна, так как в ней имеются правильно построенные формулы (выражения), которые не доказуемы и не опровержимы в её рамках. Вторая теорема утверждает, что если арифметическая формальная система непротиворечива, то невозможно построить доказательство её непротиворечивости, проведённое средствами, формализуемыми в этой системе. Эти теоремы, имеющие несомненное философско-методологическое значение, свидетельствуют об ограниченности метода формализации теорий, который лежит в основе гилбертовской метаматематической программы, и о том, что с помощью финитных методов нельзя доказать непротиворечивость не только классической математики, но даже и классической арифметики. Вслед за результатами Гёделя были раскрыты и другие ограниченности формализмов: Чёрч доказал неразрешимость проблемы разрешения для узкого исчисления предикатов, Тарский показал невыразимость предиката истинности для какого-либо исчисления средствами этого же исчисления и так далее. В связи с этим потребовалась определённая модификация программы Гилберта — необходимо было найти новые, более сильные, чем финитные, но также достаточно убедительные методы метатеоретических рассуждений. Значительный прогресс в этом отношении был получен в середине и во второй половине XX века Г. Генценом, В. Аккерманом, П. С. Новиковым, К. Шютте, А. С. Есениным-Вольпиным и другими исследователями.

Метаматематические и металогические исследования остаются актуальной задачей и в настоящее время. Метатеоретическая направленность исследований в настоящее время становится характерной чертой не только логики и математики, но и других дисциплин. При этом часто сами исследователи не квалифицируют свои исследования как метатеоретические. Результатами таких исследований явились попытки построения метабиологии, метахимии, метатеории физического знания, метатеории теорий систем и далее метанауки, однако в них пока не получены значительные метатеоретические достижения, сравнимые с теми, которые имеются в метаматематике и металогике.