Органическая химия - основные понятия, что изучает, формулы и определения с примерами

Содержание:

Что изучает органическая химия:

Вещества, изучаемые до сегодняшнего дня, назывались неорганическими веществами. Начиная с сегодняшнего дня, вы будете изучать органические вещества.

В настоящее время известно более 25 миллионов органических веществ, которых, по сравнению с неорганическими веществами численностью около 1 миллиона, намного больше. Рассмотрим одну из особенностей органических соединений.

Состав органических соединений:

Из уроков биологии вы знаете, что вещества, образующие растительные и животные организмы, в основном являются органическими веществами. В огромном количестве органические вещества синтезируются и искусственным путем. В промышленности для производства органических веществ в большинстве случаев в качестве исходного сырья используют нефть, природный газ, каменный уголь, древесину, а также сельскохозяйственные продукты и отходы сельскохозяйственного производства.

Древесина, продукты питания (мясные и мучные изделия, яйца и др.), волокна и ткани, моющие и косметические средства, многие лекарственные препараты, пластмассы, каучуки, топливо, жиры, углеводы, эфирные масла и др. являются органическими веществами или продуктами, материалами и изделиями из органических веществ (а).

(а) Органические вещества, продукты, материалы и изделия из них.

• Состав, строение, свойства и способы получения органических соединений изучает раздел химии, называемый органической химией.

Поскольку органические соединения являются соединениями углерода, то органическую химию можно также назвать химией соединений углерода.

Некоторые соединения углерода - оксиды углерода, угольная кислота и ее соли, карбиды металлов проявляют свойства неорганических соединений; поэтому они изучаются в разделе неорганической химии.

По происхождению органические вещества условно можно подразделить на природные, искусственные и синтетические органические соединения.

• • К природным органическим соединениям относятся растительные и сливочные масла, нефть, природный газ, природный каучук
• и др. Они также входят в состав шерсти, мяса, яйца, сыра, древесины, фруктов и овощей.
• • Искусственные органические соединения получают химической переработкой природных органических веществ; например, ацетатные и вискозные волокна, негорючие кино- и фотоматериалы, бездымный порох - искусственные органические соединения, полученные превращением целлюлозы.
• • Синтетические органические соединения получают синтетическим путем -путем соединения простых молекул в более сложные. Например, резина, моющие средства, лекарственные препараты,синтетический каучук и волокна, пластмасы — синтетические органические соединения.

В состав органических соединений кроме атомов углерода, чаще всего входят атомы водорода и кислорода. Органические соединения могут также содержать азот, фосфор, серу, галогены, металлы и ряд других элементов.

Простейшими по составу органическими соединениями являются углеводороды — соединения, состоящие из углерода и водорода, например, метан

К органическим соединениям, состоящим из углерода, водорода и кислорода, относятся этиловый спирт ацетон уксусная кислота глюкоза и др.

Аминокислоты и белки — органические вещества, содержащие, в основном, 4 элемента — С, Н, О и N.

До XIX века вещества по происхождению подразделяли на неорганические и органические. Считалось, что органические вещества нельзя синтезировать в лаборатории; они образуются в живых организмах под влиянием "жизненной силы" (виталистическая теория). Однако, немецкие ученые - Ф.Велер и Ф.Кекуле, французский химик М.Бертло и русский ученый Ф.Бутлеров, синтезировав из неорганических веществ органические, показали возможность взаимопревращения неорганических и органических веществ, подтвердив идею, что между неорганическими и органическими веществами нет резкой границы.
 

М. Бертлов синтезировал много органических веществ (метан, ацетилен, бензол, этиловый спирт, муравьиную кислоту, жиры и др.). Присоединением водорода к ацетилену получил этилен, а из него этан.

Проводил исследования в области органической и неорганической химии. Открыл цианистую кислоту (HCN), получил алюминий, бериллий и иттрий (Y).

Указал на 4-валентность углерода (совместно с Ф.Кекуле), синтезировал ряд органических кислот, показал возможность получения углеводородов путем электрохимического окисления солей карбоновых кислот.

Органические вещества, в отличие от неорганических, имеют ряд особенностей; некоторые из них приведены внизу:

1. Большинство органических веществ горючи; горение метана, нефти, бензина, свечи, древесины вам хорошо известно.
2. Большинство органических веществ - вещества молекулярного строения, содержащие неполярные и слабо полярные ковалентные связи.
3. В органических соединениях атомы углерода соединяются между собой, образуя линейные (а, b), разветвленные (с) и замкнутые (d)   цепи:

Этот (3-й) пункт является одним из положений теории химического строения органических соединений (стр. 147). Поэтому эта теория, приняв 4-валентность углерода в органических соединениях и возможность атомов углерода образовывать подобные цепи, тем самым объяснила и одну из причин многообразия органических соединений.

4.    Органические соединения образуют гомологические ряды (стр.152).
5.    Для органических соединений характерно явление изомерии (стр.148).

Теория химического строения органических соединений

В середине XIX в. русский ученый А.М.Бутлеров выдвинул теорию химического строения органических соединений. Рассмотрим некоторые из ее положений.

1. Атомы в молекулах органических веществ соединены в определенной последовательности согласно их валентности.

Порядок соединения атомов в молекуле называют химическим строением вещества.

Создатель теории химического строения органических соединений. Исследовал изомерию многих органических веществ, а также осуществил синтез ряда органических соединений.

Например, химическое строение молекул метана пропана и бутана изображается следующим образом:

• полная структурная формула: 
• сокращённая структурная формула:  

Из этого положения теории можно сделать вывод: каждое органическое вещество имеет одно химическое строение.

2. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от химического строения молекул.

Из результатов деятельности следует, что если в углеводороде изменить порядок соединения атомов углерода, то получится два вещества с разными свойствами" - бутан и изобутан. Такие вещества называют изомерами.

То же самое можно сказать относительно этилового спирта и диметилового эфира :

Следовательно, этиловый спирт и диметиловый эфир являются изомерами друг друга.

• Вещества, имеющие одинаковый состав молекул, но разное химическое строение и потому различающиеся друг от друга свойствами, называются изомерами, а само явление - изомерией.

Таким образом, многообразие органических веществ теория химического строения объяснила не только способностью четырехвалентного углерода образовывать линейные, разветвленные и замкнутые цепи, но также и явлением изомерии.

ШВ настоящее время основываясь на 2-е положение теории строения, синтетическими путями — изменяя строение молекул, получают вещества с необходимыми свойствами (лекарства, красители и др.).
 

Классификация органических соединений

Самыми простейшими по составу органическими соединениями являются углеводороды. В зависимости от того замкнута или незамкнута углеродная цепь, углеводороды подразделяются на циклические и ациклические (алифатические) (схема 1).

Ациклические углеводороды, в свою очередь, делятся на предельные и непредельные, а циклические — на алициклические и ароматические. В молекулах предельных углеводородов присутствуют только одинарные С-С связи, а в молекулах непредельных углеводородов - двукратные С=С или трехкратные связи.

Все органические соединения можно рассматривать как углеводороды и их производные. Соединения, образованные замещением атомов водорода на другие атомы или группы атомов, называются производными углеводородов. Например, в последней колонке  таб. 39.1 приведены формулы ряда производных метана - простейшего представителя предельных углеводородов.

Приведенные в таблице атомы и группы атомов называются функциональными группами.

Функциональная группа — атом или группа атомов, которая определяет характерные химические свойства вещества и его принадлежность к определенному классу соединений.

* R (читается радикал) — остаток, образующийся после отщепления атома или атомов Н от молекулы углеводорода; например, метальный радикал -остаток метана

• Класс — совокупность веществ, содержащая в своем составе определенную функциональную группу и потому обладающая характерными химическими свойствами.

В таблице 39.1 приведены основные функциональные группы и соответствующие им классы органических соединений.

Структурные формулы:

Что можете сказать на основании структурных формул 1,2 и 3?

Решение:

- 1,2 и 3 - изомеры углеводорода  так как имеют один и тот же состав.
- В каждой молекуле 4 С-С неполярной и 12 С-Н (слабо-полярной) связей.
- В каждой атомы и группы атомов вращаются вокруг С-С 

Важнейшие органические соединения

Развитие человечества неразрывно связано с органическими веществами, их получением и использованием. С незапамятных времен люди умели извлекать растительное масло из семян подсолнечника и некоторых других растений, позже научились получать сахар из тростника и сахарной свеклы, крахмал из картофеля. Они выпекали хлеб, варили пиво, изготовляли сыр, вино, уксус, неосознанно осуществляя химические реакции с участием органических веществ.

В этом разделе вы ознакомитесь с наиболее важными и распространенными органическими соединениями, узнаете о задачах, которые решают ученые-химики, убедитесь в том, что без многих органических веществ, производимых на химических заводах, невозможно представить жизнь современного человека.

Из курса химии вам известно, что все вещества делят на органические и неорганические (схема 1).

Схема 1

Неорганические вещества очень распространены в природе. Они входят в состав минералов, руд, горных пород, содержатся в воздухе, реках, морях и океанах. Многие соединения такого типа получены в лабораториях. Их образуют почти псе химические элементы.

Вещества, содержащиеся в растениях, организмах животных и человека, а также продуктах их жизнедеятельности, названы органическими. Среди них — белки, жиры, сахар, глюкоза, крахмал, витамины, эфирные масла, красители (рис. 41).

Рис. 41. Органические вещества, выделяемые из растений

Сейчас мы знаем, что органические вещества есть не только в живой природе. Они составляют основу горючих ископаемых — нефти, природного газа, угля. 

Органические вещества — это соединения Карбона. Угарный и углекислый газы, карбонатная кислота и ее соли относятся к неорганическим соединениям.

В состав молекул органических соединений, кроме атомов Карбона, входят атомы Гидрогена, часто — еще и Оксигена, Нитрогена, иногда — Сульфура, Фосфора. Все эти элементы называют элементами-органогенами.

Органических веществ известно намного больше, чем неорганических, — свыше 20 миллионов. Их многочисленность и разнообразие обусловлены способностью атомов Карбона:

• проявлять достаточно высокую валентность (ее значение равно 4);
• соединяться друг с другом простыми или кратными ковалентными связями — двойными , тройными ;
• образовывать неразветвленные, разветвленные и замкнутые цепи.

Пример неразветвленной цепи из атомов Карбона с простыми ковалентными связями:

Почти все органические соединения состоят из молекул. Поэтому они имеют невысокие температуры плавления и кипения, а многие являются летучими. Не случайно цветы, фрукты, ягоды, овощи, пищевые продукты имеют разнообразные запахи.

Рис. 42. Растительное масло не растворяется в воде

Значительное количество органических веществ растворяется в спирте, ацетоне, керосине, бензине, но не растворяется в воде (рис. 42). Это объясняется наличием в их молекулах неполярных или малополярных ковалентных связей.

При нагревании многие органические вещества загораются или разлагаются, а некоторые — обугливаются(рис. 43). Уголь, как известно, состоит в основном из атомов Карбона.

Рис. 43. Обугливание ваты

Долгое время считалось, что получить органические вещества в лаборатории с помощью химических реакций невозможно. Но в 1828 г. немецкий химик Ф. Вёлер доказал, что это не так. Он впервые получил из неорганического вещества органическое — мочевину. Открытие ученого положило начало новому этапу развития химии. Извлечение органических соединений из природного сырья перестало быть для химиков главной целью. Сейчас ученые синтезируют все больше органических веществ, «неизвестных» природе, изучают их свойства, участвуют в подготовке этих веществ к практическому применению.

Область химии, предметом которой является изучение органических соединений и их превращений, называют органической химией.

Благодяря достижениям органической химии современная промышленность выпускает новые материалы, разнообразные полимеры и пластмассы, лекарства, средства защиты растений, другие вещества, которые мы используем в нашей деятельности и повседневной жизни (схема 2).

Схема 2

Исследования в области органической химии способствуют развитию медицины, химической технологии, пищевой и легкой промышленности. Знание возможностей взаимопревращений органических соединений помогает раскрывать тайны, связанныес возникновением и существованием жизни на нашей планете.

Перед учеными, работающими в области органической химии, поставлено немало практических задач. Среди них — прогнозирование методов получения новых органических соединений, создание на их основе материалов с полезными свойствами, синтетических тканей и красителей, эффективных лекарств, пищевых добавок, разработка различных технологических процессов и т. д.

Достижения органической химии используют для решения таких важных экологических проблем, как очистка водоемов (рис. 44), уменьшение загрязнения воздуха выбросами промышленных предприятий и транспортных средств, утилизация химического оружия, переработка бытовых отходов.

Рис 44. Последствия загрязнения воды нефтью

Выводы:

• Органические вещества — соединения Карбона. В состав их молекул, кроме атомов Карбона, входят атомы Гидрогена, Оксигена, Нитрогена, Сульфура, Фосфора. Эти элементы называют элементами-органогенами.
• Органические вещества плавятся и кипят при невысоких температурах, растворяются в органических растворителях. Многие из них горючи.Область химии, которая изучает органические соединения н их превращения, называют органической химией. Она в значительной степени обеспечивает прогресс нашей цивилизации, помогает в осуществлении мер но охране окружающей среды.

Органические вещества

На уроках химии вы узнали, что все вещества делят на органические и неорганические.

Неорганические вещества очень распространены в природе. Они образуют минералы, металлические руды, горные породы, входят в состав почвы, находятся в воздухе, реках, морях и океанах. Многие соединения этого типа получены в лабораториях. Их образуют почти все химические элементы.

Другая, более многочисленная группа веществ содержится в растениях, организмах животных и человека, продуктах их жизнедеятельности. Такие вещества назвали органическими. Среди них — белки, жиры, сахар, глюкоза, крахмал, витамины, эфирные масла, красители (рис. 40). Кроме этого, органические соединения составляют основу горючих ископаемых — нефти, природного газа, угля.

Вместе с тем известны многие органические вещества, которых в природе нет. Их получают ученые в лабораториях, инженеры и технологи на заводах, осуществляя различные химические реакции.

 Угарный и углекислый газы, карбонатная кислота, ее соли относятся к неорганическим соединениям.

В состав молекул органических соединений, кроме атомов Карбона, входят атомы Гидрогена, часто — еще и Оксигена, Нитрогена, иногда — атомы Сульфура, Фосфора, галогенов.

Органических веществ намного больше, чем неорганических, — свыше 20 миллионов. Их многочисленность и разнообразие обусловлены способностью четырехвалентных атомов Карбона соединяться между собой простой ковалентной связью (С-С) или кратными связями — двойной (С=С), тройной (С=С), а также другими факторами.

Примеры химических и структурных формул органических соединений:

Почти все органические соединения состоят из молекул. Поэтому температуры плавления и кипения у них невысокие; некоторые соединения являются летучими. Не случайно цветы, фрукты, ягоды, овощи, пищевые продукты имеют разнообразные запахи.

Значительное количество органических веществ растворяется в спирте, ацетоне, керосине, бензине, но не растворяется в воде (рис. 41). Это объясняется наличием в их молекулах неполярных или малополярных ковалентных связей.

При нагревании многие органические соединения загораются или разлагаются, некоторые — обугливаются (рис. 42).

Химические реакции с участием органических веществ протекают довольно медленно, тогда как, например, реакции обмена между

 Так называют в органической химии графические формулы молекул.
 Уголь, как известно, состоит в основном из атомов Карбона

неорганическими соединениями — щелочами, кислотами, солями — мгновенно. Состав продуктов реакций между органическими веществами часто зависит от условий — температуры, катализаторов, давления, освещения.

Долгое время считалось, что получить органические вещества в лаборатории с помощью химических реакций невозможно. Однако в 1828 г. немецкий химик Ф. Велер доказал, что это не так. Он впервые из неорганического вещества получил органическое вещество — мочевину. С открытием ученого начался новый этап развития химии. Получение органических соединений из природного сырья перестало быть для химиков главной целью. Ныне ученые синтезируют все больше органических веществ, «неизвестных» природе, исследуют их свойства, дают рекомендации по их практическому применению.
 

Область химии, предметом которой является изучение органических соединений и их превращений, называют органической химией.

Используя достижения органической химии, промышленность выпускает новые материалы, разнообразные полимеры и пластмассы, лекарственные препараты, средства защиты растений, многие другие вещества, которые мы применяем в нашей деятельности и повседневной жизни (схема 1).

Схема 1

Исследования в области органической химии способствуют развитию химической технологии, пищевой и легкой промышленности, медицины. Знание возможностей взаимопревращений органических веществ помогает раскрывать тайны, связанные с возникновением и существованием жизни на нашей планете.

Перед учеными, работающими в области органической химии, стоит немало практических задач. Среди них — поиск методов получения новых органических соединений, создание на их основе материалов с необходимыми свойствами, синтетических тканей и красителей, эффективных лекарственных средств, пищевых добавок, разработка различных технологических процессов и пр.

Достижения органической химии используются для решения таких важных экологических проблем, как очистка водоемов (рис. 43), уменьшение загрязнения воздуха выбросами промышленных предприятий и транспортных средств, утилизация химического оружия, переработка бытовых отходов.

Выводы:

Органические вещества — это соединения Карбона. В состав их молекул, кроме атомов Карбона, Гидрогена, могут входить атомы Окси-гена, Нитрогена, некоторых других элементов.

Органические вещества плавятся и кипят при невысоких температурах, растворяются в органических растворителях. Многие из них летучи, легко загораются.

Область химии, предметом которой является изучение органических соединений и их превращений, называют органической химией. Она в значительной мере обеспечивает прогресс нашей цивилизации, помогает в осуществлении природоохранных мероприятий.

Углеводороды

Это — общее название соединений, от которых происходят все органические вещества. Слово «углеводород» состоит из части общего названия простых веществ Карбона — «углерод» — и названия простого вещества Гидрогена — «водород».

Углеводороды — соединения Карбона с Гидрогеном.

Общая формула углеводородов — Углеводороды, в молекулах которых атомы Карбона соединены между собой простой ковалентной связью, называют насыщенными. Такое название вещества получили потому, что каждый атом Карбона в их молекулах Углеводороды соединен с максимально возможным количеством атомов Гидрогена.

►    Составьте формулы насыщенных углеводородов с одним и двумя атомами Карбона в молекулах.

Кроме насыщенных углеводородов, существуют ненасыщенные углеводороды. В молекулах этих соединений атомы Карбона соединены друг с другом не только простой, но и двойной, тройной ковалентными связями.

►    Составьте формулы ненасыщенных углеводородов с двумя атомами Карбона в молекулах.

Углеводороды очень распространены в природе; из них почти полностью состоят нефть и природный газ. Эти соединения служат топливом, благодаря которому люди обеспечивают себя теплом и светом. Их используют в качестве горючего для автомобилей, самолетов, кораблей, как сырье для производства полимерных материалов, средств защиты растений, товаров бытовой химии, лекарственных средств и т. п.

Метан

Простейшим насыщенным углеводородом является метан Это — основной компонент природного газа.

В молекуле метана, как и в молекулах других органических соединений, атом Карбона четырехвалентный. Для того чтобы проявлять такую валентность, он должен иметь четыре неспаренных электрона. Это достигается в результате так называемого возбуждения атома, когда после получения им дополнительной энергии один электрон переходит из 2s-орбитали в свободную 2р-орбиталь:

В итоге во внешних орбиталях возбужденного атома Карбона оказывается по одному электрону.

За счет четырех неспаренных электронов атома Карбона и электронов четырех атомов Гидрогена в молекуле образуются четыре общие электронные пары:

формула    формула

Приведенные формулы не отображают пространственного строения молекулы метана. В соответствии с ними все атомы в молекуле должны находиться в одной плоскости, а углы между соседними черточками-связями — быть равными 90°. На самом деле это не так.

► Вспомните, какие формы имеют s- и р-орби-тали. Как ориентированы в пространстве три 2р-орбитали одного атома?

Рассмотрим, как образуются четыре простые ковалентные связи С-Н в молекуле

При образовании молекулы метана из атомов 2s-орбиталь и три 2р-орбитали атома Карбона (рис. 44) превращаются в четыре одинаковые орбитали, имеющие вид объемных несимметричных восьмерок (рис. 45).

Эти орбитали размещаются в трехмерном пространстве и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга под углами 109,5° (рис. 46).

Больший «лепесток» каждой новой орбитали атома Карбона перекрывается со сферической орбиталью атома Гидрогена. Через участок перекрывания орбиталей проходит линия, соединяющая центры этих атомов.

Если соединить линиями центры всех атомов Гидрогена, получим геометрическую фигуру — (рис. 46). Поэтому говорят, что молекула метана имеет тетраэдрическое строение.

Модели метана изображены на рисунке 47.

Поскольку электроотрицательности Карбона и Гидрогена различаются мало, то ковалентная связь С-Н является малополярной. Однако сама молекула неполярная, так как на ее «поверхности» небольшой положительный заряд распределен равномерно. Этим молекула метана отличается от полярной молекулы воды.

Bыводы:

Углеводороды — соединения Карбона с Гидрогеном. В молекулах насыщенных углеводородов атомы Карбона соединены между собой простой ковалентной связью, а в молекулах ненасыщенных углеводородов — еще и кратными связями (двойной, тройной).

 Слово происходит от греческих слов tetra — четыре и hedra — поверхность. Тетраэдр имеет четыре одинаковые грани, являющиеся правильными треугольниками.
Существуют компьютерные программы, с помощью которых можно создать модель любой молекулы.

— простейший насыщенный углеводород, главный компонент природного газа.

Молекула метана имеет тетраэдрическое строение и является неполярной.

Гомологи метана

Формулы соединений: В предыдущем параграфе речь шла о простейшем насыщенном углеводороде — метане Выведем формулы насыщенных углеводородов, в молекулах которых имеется два и три атома Карбона. Сначала соединим атомы Карбона черточками (простыми ковалентными связями):

Затем от каждого атома Карбона проведем столько дополнительных черточек, чтобы их у него было четыре (атом Карбона четырехвалентный):

После этого допишем к каждой черточке атом Гидрогена и получим формулы соответствующих углеводородов:

Так можно вывести структурные формулы молекул линейного строения других углеводородов с простыми ковалентными связями.

Составленные структурные формулы молекул часто записывают в сокращенном виде, с черточками только между атомами Карбона:

Гомологическим рядом называют ряд органических соединений, молекулы которых имеют подобное строение и различаются по составу на одну или несколько групп атомов

Название группы атомов — гомологическая разность. Соединения и многие другие являются гомологами метана.

Для того чтобы составить химическую формулу гомолога метана с четырьмя атомами Карбона в молекуле, достаточно добавить к формуле группу атомов Получаем: Эту формулу можно также вывести из формулы метана:

Если углеводород гомологического ряда метана содержит n атомов Карбона в молекуле,

то его формула — Вторая формула является общей для углеводородов этого типа.

► Воспользовавшись формулой составьте химические формулы гомологов метана, в молекулах которых содержится 5, 6 и 7 атомов Карбона.

Названия: Четыре простейших по составу углеводорода гомологического ряда метана имеют названия метан, этан, пропан, бутан. Названия остальных соединений этого типа происходят от иноязычных числительных (с. 21), соответствующих количеству атомов Карбона в молекулах углеводородов (табл. 2). В названиях метана и его гомологов имеется суффикс -ан.

Строение молекул. Вам известно, что молекула метана имеет форму тетраэдра. Выясним пространственное строение молекул других углеводородов гомологического ряда метана.

Молекула этана состоит из двух соединенных групп атомов каждая из которых является частью молекулы метана. Легко прийти к выводу, что все атомы в молекуле этана размещены не на плоскости, а в трехмерном пространстве (рис. 48).

В молекулах пропана, бутана (рис. 49) и других гомологов метана центры атомов Карбона находятся на ломаной, зигзагообразной, линии. Поэтому сокращенные структурные формулы молекул пропана и бутана следует изображать так:

В школьном курсе химии для упрощения используют не зигзагообразные, а линейные структурные формулы молекул углеводородов.

Физические свойства: Метан — газ, не имеющий запаха. Он легче воздуха. При охлаждении до температуры -162 °С (при нормальном давлении) этот газ превращается в жидкость. Этан,

пропан и бутан в обычных условиях также являются газами, следующие двенадцать гомологов метана — жидкости (они имеют характерный «бензиновый» запах), а остальные — твердые вещества. Температуры плавления и кипения гомологов метана с увеличением числа атомов Карбона в молекулах возрастают.

Поскольку молекулы метана и его гомологов неполярны, эти соединения нерастворимы в воде (рис. 50), но хорошо растворяются (во многих случаях — неограниченно) в органических растворителях и друг в друге.

Физиологическое действие метана и его гомологов: Метан при длительном вдыхании вызывает отравление, которое может привести к летальному исходу. С целью обнаружения его утечки из плиты, негерметичного или поврежденного трубопровода в газовую магистраль добавляют небольшое количество веществ с очень неприятным запахом (их название — меркаптаны). Пользуясь газом в быту, необходимо чаще проветривать помещение.

Газообразные и жидкие гомологи метана негативно воздействуют на центральную нервную систему. Твердые насыщенные углеводороды нетоксичны используют в лечебных целях).

Парафин — смесь насыщенных углеводородов с количеством атомов Карбона в молекулах от 18 до 35.

Выводы:

Ряд органических соединений, молекулы которых имеют подобное строение и различаются по составу на одну или несколько групп атомов называют гомологическим рядом.

Общая формула метана и его гомологов — . Названия большинства этих соединений происходят от иноязычных числительных; название каждого соединения содержит суффикс -ан.

Молекулы пропана и последующих гомологов метана имеют зигзагообразную карбоновую цепь.

Метан, этан, пропан и бутан — газы, остальные гомологи метана — жидкости или твердые вещества. Все эти соединения не растворяются в воде.

Метан, а также его газообразные и жидкие гомологи негативно влияют на организм.

Каждая формула отвечает определенной молекуле. Поэтому должны существовать два соединения с одинаковыми химическими формулами но с молекулами разного строения — нераз-ветвленного и разветвленного. Эти углеводороды известны и хорошо изучены.

Соединения, молекулы которых имеют одинаковый состав, но разное строение, называют изомерами.

С увеличением числа атомов Карбона в молекулах углеводородов количество изомеров резко возрастает. Одну и ту же формулу

имеют два углеводорода,— девять и т. д.
Существование изомеров — одна из причин разнообразия и многочисленности органических соединений.
Если молекула углеводорода имеет неразветвленное («нормальное») строение, то перед его названием записывают букву н и дефис. Например, соединение с формулой называют н-бутаном. Изомер с формулой получил название
«изобутан».
 

Этилен (этен) и ацетилен (этин)

Формулы этилена и ацетилена: Кроме насыщенных углеводородов, существуют ненасыщенные. В их молекулах атомы Карбона соединены не только простыми, но и кратными (двойными, тройными) связями.

Простейшим углеводородом с двойной связью в молекуле является этилен. Его химическая формула —электронная и структурные формулы молекулы —

Простейший углеводород с тройной связью в молекуле — ацетилен Электронная и структурные формулы молекулы этого соединения —

Названия углеводородов «этилен» и «ацетилен» являются тривиальными (традиционными); их используют в промышленности, технике. Химическое название соединения — этен, а соединения — этин. Эти названия имеют одинаковый корень с названием углеводорода «этан», но разные суффиксы.

Строение молекул: Вы уже знаете, что при образовании молекул органических соединений атомы Карбона переходят в возбужденное состояние; четыре электрона внешнего энергетического уровня атома становятся неспаренными.

В молекуле этилена два неспаренных электрона каждого атома Карбона принимают участие в образовании двух общих электронных пар; возникает двойная связь С=С. Другие два электрона каждого атома Карбона образуют общие электронные пары с двумя атомами Гидрогена, вследствие чего реализуются простые ковалентные связи С-Н. Все атомы молекулы этилена согласно исследованиям ученых, находятся в одной плоскости (рис. 51, а), а углы между линиями, соединяющими центры атомов, равны 120°:

В молекуле ацетиленатройная связь С=С обусловлена тремя общими электронными парами, образованными с участием трех электронов каждого атома Карбона, а простая ковалентная связь С-Н — электронной парой, общей для атома Карбона и атома Гидрогена. Установлено, что центры всех атомов молекулы  находятся на прямой линии (рис. 51, б):

Физические свойства: Этилен по физическим свойствам похож на метан. Это бесцветный газ со слабым запахом, немного легче воздуха, очень плохо растворим в воде. При охлаждении до температуры -104 °С (при нормальном давлении) этилен превращается в жидкость.

Чистый ацетилен — бесцветный газ почти без запаха. Неприятный запах используемого при сварке металлов технического ацетилена обусловлен примесями. Ацетилен, как и эти-

лен, немного легче воздуха и плохо растворяется в воде. При температуре -84 °С и нормальном давлении он переходит в жидкое состояние.
выводы
Этилен (этен) — простейший ненасыщенный углеводород с двойной связью в молекуле. Все атомы молекулы этилена находятся в одной плоскости.

Ацетилен (этин) — простейший ненасыщенный углеводород с тройной связью в молекуле. Атомы в молекуле ацетилена расположены на прямой линии.

В обычных условиях этилен и ацетилен — бесцветные газы со слабым запахом; они немного легче воздуха, плохо растворяются в воде.

Горение углеводородов

Углеводороды, как и большинство органических соединений, являются горючими веществами. Продукты горения углеводородов при достаточном доступе воздуха — углекислый газ и водяной пар.

Метан горит на воздухе голубым пламенем (рис. 52):

Обратите внимание: в уравнениях реакций с участием органических соединений записывают стрелки, а не знаки равенства.

Обнаружить продукты реакции горения метана можно с помощью опыта, изображенного на рисунке 53. Изменение белого цвета безводного купрум (II) сульфата на голубой свидетельствует об образовании при горении метана водяного пара, который взаимодействует с

солью (продукт этой реакции — медный купорос). Помутнение известковой воды вызвано нерастворимым кальций карбонатом, который образуется при реакции углекислого газа с раствором кальций гидроксида.

Если воздуха (кислорода) недостаточно, то при горении метана может образовываться угарный газ или углерод:

► Преобразуйте схемы этих реакций в химические уравнения.

О    недостатке кислорода при горении метана может свидетельствовать увеличение яркости пламени (оно становится желтым благодаря раскаленным мелким частицам углерода) или появление на поверхности предмета (кастрюли, чайника), находящегося в пламени.

Смеси метана и воздуха (или кислорода) взрывоопасны. Достаточно искры, чтобы произошел взрыв. Поэтому нужно быть очень осторожными, пользуясь природным газом в быту.
Рис. 53. Обнаружение продуктов горения метана

или сажа, — вещество, почти полностью состоящее из атомов Карбона.

Взрывы смесей метана с воздухом, несмотря на предпринимаемые меры предосторожности, время от времени случаются в угольных шахтах. Они приводят к гибели шахтеров.

Все гомологи метана также горят с образованием углекислого газа и водяного пара. С увеличением молекулярной массы углеводородов пламя горящего соединения становится ярче. Парафиновая свеча, в отличие от природного газа, горит ярко-желтым пламенем (рис. 54, а). Такой цвет обусловлен свечением раскаленных частиц эти частицы быстро сгорают. Если в пламя свечи внести фарфоровую чашку, ограничив тем самым доступ воздуха, то на поверхности чашки появится копоть (рис. 54, б).

Этилен и ацетилен горят на воздухе более ярким пламенем (рис. 55), чем метан.

► Напишите уравнения реакций горения этилена и ацетилена при достаточном доступе воздуха.

При горении ацетилена в чистом кислороде температура достигает почти 3000 °С.

Углерод образуется при термическом разложении углеводородов.

Смеси этого газа, а также других углеводородов с воздухом или кислородом взрывоопасны.

Поскольку углеводороды — горючие вещества, то при их применении следует соблюдать определенные правила. Необходимо пользоваться только исправными газовыми приборами, баллонами и периодически проветривать помещение, где они находятся. Нельзя оставлять без присмотра плиту или отопительный прибор, в которых горит газ. Запрещается размещать возле газовой плиты емкости с горючими жидкостями, легковоспламеняющиеся предметы.

Если вы почувствовали запах газа, немедленно перекройте кран на газопроводе и хорошо проветрите помещение. В это время нельзя зажигать спички, включать свет и электроприборы, так как искра может вызвать взрыв газовоздушной смеси.
 

Выводы:

• Все углеводороды — горючие вещества. Продуктами горения углеводородов при достаточном количестве кислорода (воздуха) являются углекислый газ и водяной пар. Если доступ воздуха ограничен, возможно образование карбон(П) оксида и углерода.
• Смеси углеводородов с воздухом являются взрывоопасными. При работе с газовыми приборами необходимо соблюдать определенные правила.

Полиэтилен

Полимеризация этилена: В определенных условиях молекулы этилена соединяются друг с другом. Это происходит вследствие

разрушения двойных связей между атомами Карбона и превращения их в простые связи. Такой процесс можно представить следующей схемой:

Продуктом взаимодействия большого количества молекул этилена является полиэтилен. Очень длинные молекулы этого вещества образованы соединенными друг с другом группами атомов (рис. 56).

Реакцию соединения многих одинаковых молекул вследствие разрушения кратных связей называют реакцией полимеризации, исходное вещество — мономером, а продукт — полимером

Полимер — соединение, молекулы которого состоят из большого количества групп атомов одинакового строения.
Сокращенная запись реакции полимеризации этилена:

В полиэтилене существуют молекулы разной длины, т. е. с разными значениями п (от 1500 до 6000).

   В квадратных скобках показаны молекулы с разрушенными двойными связями.
Термины происходят от греческих слов poly — много, monos — один, единственный, meros — часть, доля.

Интервал значений п для образца полимера зависит от условий проведения реакции полимеризации — температуры, давления, катализатора.

Свойства полиэтилена: Полиэтилен — белое или бесцветное вещество (рис. 57). Он легче воды, не растворяется в ней, а при нагревании плавится с образованием бесцветной

Полиэтилен химически инертен. Это соединение, как и многие другие органические вещества, горит на воздухе.

Полиэтилен не растворяется в органических растворителях. Поэтому для их хранения и транспортировки используют полиэтиленовую тару.

Изделия из полиэтилена морозоустойчивы, но не выдерживают нагревания выше 60— 100 °С. При высокой температуре полимер разлагается с образованием этилена:

Применение полиэтилена: Полиэтилен является важнейшим полимерным материалом. Изделия из него мы постоянно используем в повседневной жизни.

Полиэтилен не имеет определенной температуры плавления. В зависимости от условий образования он плавится в интервале температур 103—110 °С или 124—137 °С.

Это — пакеты, упаковочная пленка для пищевых продуктов, различные резервуары, игрушки и др. (схема 2). Поскольку полиэтиленовая пленка хорошо пропускает свет, ею покрывают теплицы для выращивания ранних овощей, цветов, тропических растений. Полиэтилен используют для производства тары, труб, конструкционных деталей, медицинского оборудования, а также в качестве электроизоляционного материала, антикоррозионного покрытия.

Полиэтилен — очень устойчивое вещество, разлагающееся в природных условиях чрезвычайно медленно. Поэтому использованные изделия из полиэтилена, остатки пленки, пакеты нельзя выбрасывать где бы то ни было (рис. 58); их необходимо складывать в специальные контейнеры.

Отходы этого и других полимеров направляют на переработку.
 

Выводы:

Молекулы этилена в определенных условиях могут соединяться друг с другом. Продуктом такого взаимодействия является полиэтилен. Превращение этилена в полиэтилен — пример реакции полимеризации. Эта реакция происходит за счет разрушения двойных связей между атомами Карбона в молекулах этилена с образованием простых связей.

Соединения, молекулы которых состоят из большого количества групп атомов одинакового строения, называют полимерами.

Полиэтилен — один из важнейших полимеров. Он не растворяется в воде, химически инертен. Из полиэтилена производят пленку, тару, различные изделия.

ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ:

Тефлон

В последнее время широкое применение получил полимер, название которого — тефлон. Строение его молекулы такое же, как и молекулы полиэтилена, но вместо атомов Гидрогена в ней имеются атомы Флуора: Соединение образуется в результате реакции полимеризации:

Тефлон внешне напоминает полиэтилен. Он обладает высокой химической и термической устойчивостью, не горит, не растворяется и не набухает ни в одном растворителе. Изделия из тефлона можно использовать в интервале температур от -260 до +260 °С.

Тефлон является основой химически и термически устойчивых пластмасс. Его используют в протезировании, для покрытия поверхности посуды, предназначенной для нагревания (рис. 59). Из тефлона изготовляют детали, различное оборудование для химической промышленности.

Углеводороды в природе. Применение углеводородов

Природные источники углеводородов: Существует несколько природных источников углеводородов (схема 3). Их запасы на нашей планете постепенно уменьшаются.

Нефть является смесью углеводородов, преимущественно жидких, в которых растворены небольшие количества твердых и газообразных углеводородов, а также других органических соединений. В нефти есть вода и некоторые неорганические вещества.

Нефть — темная маслянистая жидкость со специфическим запахом (рис. 60). Она легче воды и нерастворима в ней. В природных условиях нефть образует с водой устойчивую неоднородную смесь — эмульсию. Нефть, как и другие смеси веществ, не имеет постоянных плотности, температуры кипения. Она начинает кипеть уже при слабом нагревании (30— 60 °С), а при высоких температурах этот процесс сопровождается постепенным разложением компонентов нефти.

Нефть — горючая жидкость (рис. 61).

Россия имеет небольшие месторождения нефти. Ежегодно ее добывают в среднем 3 млн тонн, что составляет приблизительно 10 % от общей потребности страны.

Мировые запасы нефти быстро истощаются и могут быть исчерпаны уже в этом столетии. Поэтому ученые разрабатывают технологии производства жидкого горючего из другого сырья, в частности из угля, которого на планете значительно больше.

Природный газ известен вам из повседневной жизни; его используют для отопления жилья, приготовления пищи.

Основной компонент природного газа — метан (объемная доля этого углеводорода составляет 85 — 99 %). Примесями являются этан, несколько других углеводородов, азот, углекислый газ, сероводород.

Свойства природного газа почти такие же, как и метана. Он горюч, а его смеси с воздухом взрывоопасны.

Залежей природного газа в России больше, чем нефти. Ежегодно его добывают в среднем 20 млрд м3, что составляет 1/5 от количества, необходимого для нашей промышленности, энергетики, быта.

Сопутствующий нефтяной газ — смесь газообразных углеводородов, содержащихся вместе с нефтью в ее месторождении. По качественному составу сопутствующий нефтяной газ напоминает природный, но метана в нем меньше (30—40 % по объему), а этана и других углеводородов — больше.

Часть нефтяного газа растворена в нефти. При продвижении нефти из земных недр к поверхности давление падает, растворимость газов уменьшается, и они выделяются из нее.

Горючие ископаемые, из которых производят углеводороды: Углеводороды различного состава получают переработкой угля, горючих сланцев.

Уголь — твердое горючее ископаемое, которое образовалось миллионы лет тому назад в недрах планеты в результате разложения огромного количества растительных масс. Уголь — это смесь многих органических веществ с высоким содержанием Карбона, а также некоторых неорганических соединений. Его используют как топливо (в теплоэнергетике, промышленности, иногда — в быту), для производства кокса, горючих газовых смесей. Взаимодействием угля с водородом при нагревании, повышенном давлении и в присутствии катализаторов получают смеси углеводородов (синтетическое жидкое горючее).

Существует три вида угля — антрацит (рис. 62), каменный и бурый уголь. Массовая доля Карбона в антраците наибольшая (94— 97 %), а в буром угле — наименьшая (после удаления из него воды она равна 64—80 %).

Это интересно:

На уголь приходится приблизительно 80 % массы всех горючих ископаемых.

Россия богата на залежи угля. Наибольшее месторождение каменного угля находится в Донецкой и Луганской областях. Значительно меньше его во Львовско-Волынском бассейне. Бурый уголь сосредоточен преимущественно в Днепровском бассейне, а залежи антрацита — в Донецком.

В угольных пластах имеется и природный газ (метан). Небольшую его часть используют как топливо, а основное количество уходит в атмосферу. Несмотря на контроль содержания метана в шахтах, иногда происходят взрывы газа, которые приводят к гибели шахтеров.

«Угольный» газ — важный резерв для теплоэнергетики России. Объем его ежегодной добычи может составлять несколько миллиардов кубометров.

Горючие сланцы — горная порода, в которой содержатся органические и неорганические вещества (рис. 63). Органический компонент является продуктом длительного превращения растительных и животных остатков в недрах планеты. Горючие сланцы используют в качестве топлива. Кроме того, их подвергают термообработке с целью получения горючих газов, жидкого горючего, смолы.

Это интересно:

Среди органических веществ, входящих в состав пчелиного воска и озокерита (горный воск), есть твердые углеводороды.

По залежам горючих сланцев Россия занимает третье место в Европе.

Применение углеводородов: Метан (природный газ) используют как топливо — в теплоэнергетике, промышленности, быту. Иногда он служит заменителем бензина в автомобильных двигателях. На транспортных средствах устанавливают баллоны с природным газом, который находится в них под высоким давлением (рис. 64). Метан также является ценным химическим сырьем для производства органических веществ.

Этан, пропан и бутан используются в значительно меньших количествах, чем метан. Смесью сжиженных пропана и бутана наполняют баллоны разной емкости (рис. 65), которые используют в быту для газовых плит. Если вентиль такого баллона открыть, из него будет выходить газ, а не жидкость. Пропан-бутановая смесь — один из видов горючего в двигателях внутреннего сгорания.

Это интересно:

Из бутана получают большое количество уксусной кислоты.

Этан используют в некоторых странах для производства этилена.

Гомологи метана с количеством атомов Карбона в молекулах от 5 до 18 являются компонентами бензина и керосина.

Неполное сгорание автомобильного горючего, а также выделение угарного газа из двигателя приводят к существенному загрязнению воздуха в крупных городах и на оживленных автомагистралях. С целью уменьшения вредных выбросов к выхлопной трубе автомобиля присоединяют насадку с катализатором (рис. 66), который способствует превращению угарного газа и остатков горючего в углекислый газ и водяной пар.

Перегонкой нефти, а также ее термическим разложением получают много углеводородов и их смесей. Смеси жидких углеводородов — уайт-спирит, петролейный эфир — служат растворителями для лаков и красок. Разнообразное применение получили вазелин (смесь жидких и твердых насыщенных углеводородов) и парафин.

Этилен используется в качестве сырья в производстве полиэтилена, а также для получения этилового спирта, органических растворителей, других веществ. Добавление небольшого количества этилена в воздух теплиц ускоряет созревание овощей и фруктов.

Большая часть ацетилена расходуется на производство этилового спирта, уксусной кислоты, полимеров, органических растворителей. Благодаря высокой температуре, которая достигается при горении ацетилена в атмосфере кислорода, этот газ применяют при сварке и резке металлов. Ацетилен и кислород подводят в специальную горелку, а пламя направляют на металл (рис. 67). Работая с ацетиленом, следует помнить, что смеси этого газа с воздухом или кислородом взрывоопасны.

Выводы:

• Углеводороды встречаются в природе. Их источники — нефть, природный и сопутствующий нефтяной газы.
• Нефть — смесь преимущественно жидких углеводородов. Основным компонентом природного и сопутствующего нефтяного газов является метан.
• Уголь и горючие сланцы — ископаемые, в которых содержится много органических веществ. Они используются как топливо, а их переработкой получают углеводороды.
• Углеводороды служат топливом, горючим, растворителями, сырьем для производства различных органических соединений. Из этилена производят полиэтилен, а ацетилен используют для сварки и резки металлов.

Соотношения объемов газов в химических реакциях

Закон объемных соотношений: Важнейшие углеводороды — метан, этан, этилен, ацетилен и другие — в обычных условиях существуют в газообразном состоянии.

Газы отличаются от жидкостей и твердых веществ тем, что расстояния между их частицами (молекулами, а в случае инертных газов — атомами) очень большие. Поэтому порции различных газов, содержащие одинаковое количество молекул, занимают одинаковый объем (при одних и тех же температуре и давлении).

Об этом свидетельствует закон Авогадро, с которым вы ознакомились в 8 классе. В соответствии с ним в 1 л метана находится столько молекул, сколько их в 1 л этилена или 1 л ацетилена В 2 л метана (этилена, ацетилена) количество молекул в два раза больше, в 3 л — в три раза больше и т. д.

Рассмотрим реакции, протекающие с участием газов.

При сгорании метана

каждая его молекула взаимодействует с двумя молекулами кислорода. На основании закона Авогадро можно утверждать, что определенный объем метана должен реагировать с удвоенным объемом кислорода (например, 1 л

Метан при высокой температуре разлагается на ацетилен и водород:

Согласно этому химическому уравнению, из каждых двух молекул метана образуются одна молекула ацетилена и три молекулы водорода. Отсюда соотношение объемов продуктов реакции

Анализируя результаты опытов с газами, французский ученый Ж. Гей-Люссак сформулировал в 1808 г. закон объемных соотношений:

• объемы газов, вступающих в реакцию и образующихся в результате реакции, соотносятся как небольшие целые числа.

Со временем выяснилось, что эти числа являются соответствующими коэффициентами в химических уравнениях.

Закон Гей-Люссака распространяется на все газообразные вещества — органические и неорганические.

► Составьте уравнение реакции водорода с азотом, в результате которой образуется газ аммиак и запишите соотношение объемов реагентов и продукта реакции.

Обращаем ваше внимание на реакции между газами, при которых образуется вода. Это вещество, например, является одним из продуктов горения любого углеводорода. При образовании водяного пара закон объемных соотношений газов распространяется и на него. Если же пар конденсируется, то объем вещества уменьшается приблизительно в тысячу раз. В этом случае закон Гей-Люссака по отношению к воде (а также к другим жидким и твердым веществам) не действует.

Рассмотрим, как решают задачи с использованием закона объемных соотношений.

Пример №1

Рассчитать объем ацетилена, который образуется при термическом разложении 0,8 л метана.

Дано: 

 

 Решение

1. Составляем уравнение реакции:

2. Рассчитываем объем ацетилена.

Согласно химическому уравнению и закону объемных соотношений, один объем ацетилена образуется из двух объемов метана. Рассуждаем так: из 2 л метана образуется 1 л ацетилена, из 0,8 л метана — х л ацетилена; 

Пример №2

Смесь, состоящую из 100 мл ацетилена и 400 мл кислорода, подожгли. Полностью ли прореагировали вещества? Если нет, то какое вещество осталось и каков объем его остатка? Считать, что условия (температура и давление) до и после реакции были одинаковыми.

Дано: 

 Решение

1. Составляем уравнение реакции горения

 2. Выясняем, был ли в исходной смеси один

из газов в избытке.

Соотношение объемов взаимодействующих газов, в соответствии с химическим уравнением, составляет

а по условию задачи —

Следовательно, кислород был в избытке и часть его осталась после реакции.

3.    Определяем, какой объем кислорода взаимодействует со 100 мл ацетилена.

В соответствии с законом объемных соотношений,

с каждыми 2 мл реагируют 5 мл

4.    Вычисляем объем кислорода, оставшегося после реакции:

Ответ: остаток) = 150 мл.

Пример №3

Какие объемы пропана и кислорода (в пересчете на нормальные условия) вступили в реакцию горения, если после охлаждения продуктов реакции образовалось 36 мл воды?

Дано: 

Решение

1. Составляем уравнение реакции:

2. Определяем количество вещества воды:

3.    Вычисляем объем водяного пара, который образовался бы из 2 моль воды при нормальных условиях:

4.    Находим объемы пропана и кислорода, вступившие в реакцию горения.

Согласно закону объемных соотношений газов,

 

Выводы:
Объемы газов, вступающих в реакцию и образующихся в результате реакции, соотносятся как небольшие целые числа (закон объемных соотношений газов). Эти числа являются соответствующими коэффициентами в химическом уравнении.

Спирты. Этанол

Оксигенсодержащие органические вещества: Существует много органических соединений, молекулы которых содержат, кроме атомов Карбона и Гидрогена, еще и атомы Оксигена. Среди них — этиловый спирт, сахар, крахмал, уксусная кислота, жиры.

Оксигенсодержащие органические соединения делят на классы — класс спиртов, класс карбоновых кислот и др. Общим признаком для веществ каждого класса является наличие в их молекулах определенной группы атомов. Примеры таких групп атомов и их названия:

Эти группы атомов принято выделять в химических формулах органических соединений: (формулы не используют).

«Углеводородную» часть молекулы (группу атомов Карбона и Гидрогена) называют углеводородным остатком. В приведенных выше химических формулах этим остатком является группа атомов -

Ознакомление с оксигенсодержащими органическими соединениями начнем со спиртов.

Спирты: Слово «спирт» известно всем. Так называют в быту бесцветную жидкость с характерным запахом. Спирт является компонентом лекарственных средств, различных настоек, содержится в алкогольных напитках. Химическое название этого органического соединения — этанол, а традиционное — этиловый спирт.

Формула этанола — Она состоит из двух частей — углеводородного остатка - (остаток от молекулы этана и гидроксильной группы -ОН (рис. 68). Известно много органических соединений, молекулы которых имеют аналогичный состав.

Рис. 68.

Шаростержневая модель молекулы этанола.

Красный шарик — атом Оксигена

Спирты — производные углеводородов, молекулы которых содержат одну или несколько гидроксильных групп.

Выясним, какой спирт происходит от простейшего насыщенного углеводорода — метана Если от молекулы метана «отнять» один атом Гидрогена и к углеводородному остатку «присоединить» гидроксильную группу, получим молекулу другого спирта  (рис. 69). Названия этого соединения — метанол, метиловый спирт.

Строение молекулы этанола: Все атомы в молекуле этанола соединены простой ковалентной связью. Электронная и структурная формулы молекулы этого вещества:

Атом Оксигена, как наиболее электроотрицательный среди всех атомов в молекуле спирта, смещает к себе общие электронные пары от двух соседних атомов причем в наибольшей степени — от атома Гидрогена. Вследствие этого на атоме Оксигена возникает небольшой отрицательный заряд, а на атоме Гидрогена — положительный заряд. Следовательно, связь О-Н является полярной.

Свойства этанола: В обычных условиях этанол — бесцветная жидкость с характерным («спиртовым») запахом. Этанол легче воды; его плотность равна Температура кипения этого спирта при нормальном давлении + 78,3 °С; она значительно выше, чем у этана (-89 °С) — углеводорода, от которого происходит этанол.

Значительная разница температур кипения углеводорода и спирта обусловлена тем, что в спирте существуют водородные 

Молекулы спирта с полярными связями:

притягиваются друг к другу, а именно атом одной молекулы к атому другой

молекулы.

Водородные связи также образуются между молекулами спирта и воды:

Благодаря этому этанол неограниченно растворяется в воде.

Этанол растворяет щелочи (LiOH, NaOH, КОН), кислоты, многие органические соединения различного состава.

Этанол — горючая жидкость. При его горении (рис. 70) образуются углекислый газ и водяной пар.

Применение этанола: Этанол используют прежде всего как растворитель, а также для получения органических соединений. Этиловый спирт — известное дезинфицирующее средство (рис. 71). Он применяется для приготовления растворов медицинских препаратов, экстрактов лекарственных растений. Этанол — сырье для производства ликеро-водочных напитков. Смесь бензина с этанолом иногда используется в качестве горючего для городского транспорта (например, в Бразилии). Двигатель, работающий на таком горючем (рис. 72), выбрасывает в воздух значительно меньше вредных веществ, чем бензиновый. Поскольку этиловый спирт для горючего можно производить из зеленой массы растений и отходов древесины, это дает возможность перерабатывать меньше нефти на бензин и шире использовать ее как ценное химическое сырье.

Физиологическое действие этанола: Попадание небольшого количества этилового спирта в организм вызывает опьянение. Это состояние характеризуется нарушением речи и координации движений, потерей памяти и контроля за своими действиями, умопомрачением. Значительные дозы алкоголя вызывают отравление. У людей, постоянно употребляющих спиртные напитки, возникает хроническое заболевание — алкоголизм. Его следствиями являются повышенное давление, поражение нервной и сердечно-сосудистой систем, печени, поджелудочной железы. (Аналогично действует этанол на организмы животных.)

Простейший спирт — метанол — является сильным ядом. По запаху он напоминает этанол. При попадании в организм незначительного количества метанола человек полностью теряет зрение, а большее количество этого соединения приводит к гибели.
 

Выводы:

• Среди органических веществ имеется много оксигенсодержащих соединений. В их молекулах находятся атомы Карбона, Гидрогена и Оксигена.
• Спирты — производные углеводородов, в молекулах которых содержится одна или несколько гидроксильных групп.
• Важнейшим спиртом является этанол Это — бесцветная горючая жидкость с характерным запахом, неограниченно растворимая в воде.
• Этанол используют в химической промышленности как реагент и растворитель, в медицине, для изготовления ликеро-водочных напитков, иногда — как компонент горючего в двигателях внутреннего сгорания.
• Этанол, попадая в организм, вызывает опьянение. При постоянном употреблении спиртных напитков у человека возникает алкогольная зависимость.

Как получают этанол:

Ежегодный объем производства этанола в мире превышает 10 млн т. Лидерами в этой отрасли химической промышленности являются США и Бразилия.

Современный метод получения этанола основан на взаимодействии этилена с водяным паром при температуре 300 °С и повышенном давлении в присутствии катализатора (ортофосфатной кислоты):

Другой метод заключается в превращении глюкозы, сахара или крахмала в спирт при участии особых белковых катализаторов — ферментов дрожжей. Этот биохимический процесс называется спиртовым брожением. Его использовали еще в древности при изготовлении вина из виноградного сока.

Этанол для пищевой промышленности производят из пшеничного или картофельного крахмала, а технический спирт — преимущественно из отходов древесины.

Значительная часть этанола, поступающего на рынок, содержит небольшое количество воды Название этого продукта — спирт-ректификат.

Обнаружить воду в спирте можно, добавив несколько его капель к белому порошку безводного купрум(II) сульфата .При взаимодействии этой соли с водой образуется кристаллогидрат и появляется голубая окраска.
 

Глицерин (глицерол)

Глицерин (глицерол): В повседневной жизни иногда используют спирт, химическое название которого — глицерол, а тривиальное — глицерин

Молекула глицерина, в отличие от молекулы этилового спирта, содержит три атома Карбона и три гидроксильные группы. Для того чтобы вывести формулу этого соединения, запишем структурную формулу молекулы пропана

и заменим в ней три атома Гидрогена (по одному возле каждого атома Карбона) на три ОН-группы (рис. 73). Получим структурную формулу молекулы глицерина

и химическую формулу
Рис. 73. Шаростержневая модель молекулы глицерина

Глицерина в природе нет, но производные этого спирта — жиры — очень распространены в растительном и животном мире.

Свойства: Глицерин — бесцветная вязкая жидкость без запаха (рис. 74), сладкая на вкус. Соединение немного тяжелее воды (плотность глицерина — смешивается с ней в любых соотношениях с образованием раствора.

 Названия происходят от греческого слова glykys — сладкий.

Глицерин может поглощать влагу в количестве до 40 % своей массы. Такое свойство вещества называют гигроскопичностью

Глицерин кипит, разлагаясь, при +290 °С, т. е. при более высокой температуре, чем этанол. Это и понятно, так как водородных связей в глицерине значительно больше: его молекула содержит три гидроксильные группы, а молекула этанола — только одну.

Если небольшое количество глицерина налить в фарфоровую чашку, нагреть и поджечь, то он будет гореть почти бесцветным пламенем (рис. 75).

Обнаружить глицерин в растворе можно с помощью его реакции с купрум(II) гидроксидом (этанол не взаимодействует с этим соединением). Сначала смешивают в стакане растворы купрум(II) сульфата и щелочи, а затем полученную смесь с осадком купрум(II) гидроксида добавляют в пробирку с раствором глицерина. Купрум(II) гидроксид, взаимодействуя с глицерином в щелочной среде, растворяется, и образуется темно-синий раствор продукта реакции (рис. 76).

Это интересно:

Глицерин был впервые получен в 1779 г.

Получение и применение: Глицерин получают в промышленности преимущественно из жиров.

Глицерин является компонентом мыла, зубных паст, косметических средств, лекарственных препаратов (рис. 77). Его добавляют в некоторые пищевые продукты и напитки, чтобы придать им сладкий вкус.

В значительных количествах глицерин используют для производства нитроглицерина — взрывчатого вещества, из которого делают динамит и порох.
 

Выводы:

• Глицерин — один из важных спиртов. Это бесцветная вязкая жидкость со сладким вкусом, не имеющая запаха. Соединение можно обнаружить с помощью реакции с купрум(II) гидроксидом.
• Глицерин получают из жиров. Его используют в производстве косметических средств, лекарственных препаратов, нитроглицерина, иногда — в пищевой промышленности.
   

Карбоновые кислоты. Уксусная (этановая) кислота

Карбоновые кислоты: В этом и следующем параграфах речь пойдет о соединениях класса карбоновых кислот. Они отличаются от спиртов наличием в молекулах карбоксильной группы атомов

Карбоновые кислоты — производные углеводородов, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп.
В растительном мире встречаются различные карбоновые кислоты — муравьиная, уксусная, щавелевая, яблочная, лимонная и др. Тривиальные названия этих соединений большей частью происходят от названий растений, в которых они были найдены (рис. 78, а). Карбоновые кислоты обнаружены также в организмах насекомых (рис. 78, б), млекопитающих, человека.

Уксусная кислота: Жидкость, название которой — уксус, люди умели готовить еще в древности. Ее используют в каждой семье в различных целях, прежде всего — для консервирования, при приготовлении пищи (рис. 79). Уксус — разбавленный водный раствор уксусной кислоты.

Уксусная кислота является важнейшей карбоновой кислотой. Ее химическая формула —Она состоит из двух частей —

углеводородного остатка - (остаток от молекулы метана и карбоксильной группы -СООН.

Химическое название уксусной кислоты — этановая кислота.

Строение молекулы уксусной кислоты:

Структурная формула молекулы этого соединения (рис. 80):

Атом Оксигена, соединенный с атомом Карбона двойной связью, вызывает сильное смещение общей электронной пары в гидроксильной группе

Поэтому связь О-Н в молекуле уксусной кислоты является более полярной, чем в молекулах этанола или глицерина, и соединение проявляет кислотные свойства.

Физические свойства: В обычных условиях уксусная кислота — бесцветная жидкость с резким запахом и плотностью При понижении температуры до +16,7 °С она кристаллизируется, будто замерзает (рис. 81). Поэтому чистую кислоту иногда называют ледяной уксусной кислотой. Температура кипения соединения равна +118,1 °С. Она выше, чем температура кипения этанола (+78,3 °С). Это обусловлено образованием в кислоте большего количества водородных связей (ее молекула содержит два атома Оксигена, тогда как молекула спирта — один атом).

Уксусная кислота смешивается с водой в любых соотношениях с образованием раствора.

Химические свойства: Уксусная кислота, как и неорганические кислоты, диссоциирует в водном растворе на катионы Гидрогена и анионы кислотного остатка:

Этот процесс происходит вследствие разрыва ковалентных полярных связей О-Н. Образующиеся катионы Гидрогена вызывают изменение окраски индикатора.

Уксусная кислота является слабой; в ее растворе находится намного больше молекул кислоты, чем ионов.

Анион называют ацетат-ионом, а соли уксусной кислоты — ацетатами (этано-атами). В формулах солей этой и других органических кислот сначала записывают анионы, затем — катионы: CВа.

Уксусная кислота взаимодействует с активными металлами (с выделением водорода):

Она также реагирует с основными и амфотерными оксидами (рис. 82), основаниями, амфотерными гидроксидами, некоторыми солями слабых кислот (например, с карбонатами):

В ионно-молекулярных уравнениях уксусную кислоту как слабую кислоту записывают в недиссоциированной форме:

Применение: Уксусная кислота — первая из карбоновых кислот, которая стала известна человеку. Ее применяют в химической и пищевой промышленности, при окрашивании тканей, в производстве искусственных волокон, домашнем хозяйстве.
 

Выводы:
Карбоновые кислоты — производные углеводородов, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп —СООН.

Уксусная кислота — важнейшая карбоновая кислота. Это бесцветная жидкость с резким запахом, которая смешивается с водой в любых соотношениях с образованием раствора.

Уксусная кислота является слабой. Она взаимодействует с металлами с выделением водорода, основными и амфотерными оксидами, основаниями, амфотерными гидроксидами, некоторыми солями.

Уксусную кислоту используют в промышленности, быту.

Как получают уксусную кислоту:
Ежегодный объем мирового производства уксусной кислоты достигает 4 млн т. Эту кислоту получают на заводах преимущественно из других органических соединений. Например, в определенных условиях осуществляют реакцию н-бутана с кислородом:

Лабораторный метод получения уксусной кислоты основан на реакции обмена между твердой солью этой кислоты и концентрированной сульфатной кислотой. Взаимодействие веществ осуществляют при нагревании:

Пары уксусной кислоты, выделяющиеся во время реакции, при охлаждении превращаются в жидкость.

Уксусная кислота также образуется в результате окисления этанола в его водном растворе кислородом воздуха при участии особых бактерий. Реакция происходит, если массовая доля спирта в растворе не превышает 10 %, и длится от двух до трех недель. Этот процесс называется уксуснокислым брожением. Таким способом (скисанием вина) в древности получали уксус.

Высшие карбоновые кислоты и их соли (мыла)

Карбоновые кислоты, молекулы которых содержат 10 и более атомов Карбона, называют высшими. Важнейшие кислоты этой группы — пальмитиновая стеариновая и олеиновая (рис. 83). Первые две кислоты — насыщенные соединения, поскольку в их молекулах имеются лишь простые ковалентные связи между атомами Карбона, а олеиновая кислота — ненасыщенная, так как в ее молекуле есть двойная связь С=С.

Высшие карбоновые кислоты ранее получали только из растительных и животных жиров. Поэтому их еще называют жирными кислотами.

Пальмитиновая и стеариновая кислоты — белые твердые вещества, а олеиновая — жидкость. Они практически не растворяются в воде.

По химическим свойствам высшие карбоновые кислоты похожи на уксусную, однако являются очень слабыми кислотами. Эти соединения реагируют со щелочами:

Если к раствору соли высшей карбоновой кислоты добавить разбавленную сульфатную кислоту, то происходит реакция обмена:

Высшие карбоновые кислоты получают, осуществляя в определенных условиях реакции природных жиров с водой, а также окислением некоторых компонентов нефти.

Мыла: Соли щелочных элементов и карбоновых кислот с количеством атомов Карбона в анионах от 10 до 20 называют мылами. (Если атомов Карбона в анионе соли меньше 10, то соединение не проявляет моющего действия, а если больше 20, то соль практически нерастворима в воде.) Соли Натрия и высших карбоновых кислот — твердые вещества, а соли Калия — жидкости.

Традиционный процесс мыловарения заключается в нагревании жиров со щелочью. В результате образуется концентрированный раствор, в котором содержатся соли высших кислот (мыла). При добавлении к нему насыщенного раствора поваренной соли растворимость этих солей уменьшается; они выделяются из раствора и всплывают на поверхность. Этот процесс называют высаливанием. Мыло собирают и заполняют им формы, в которых оно затвердевает. В зависимости от сорта мыла в него при изготовлении добавляют красители, ароматизаторы, экстракты растений (календулы, липы, ромашки и др.).

Моющее действие мыла состоит в отделении частиц загрязнений, например, от поверхности ткани и образовании эмульсии или суспензии. Рассмотрим, как это происходит.

Попадая в воду, мыло растворяется и частично взаимодействует с ней; при этом образуются слабая кислота и щелочь:

Анион состоит из двух частей — полярной () и неполярной ()

(рис. 84). Неполярная часть иона «растворяется» в жировой части загрязнения, а полярная остается в воде (рис. 85), соединяясь с ее молекулами водородными связями. Вследствие такого взаимодействия загрязнение отделяется от поверхности ткани вместе с анионами кислотных остатков в виде маленьких жировых капель или твердых частиц. Они не слипаются, поскольку имеют на своей поверхности одноименный заряд (какой?), а собираются вокруг пузырьков воздуха в пене.

Использование мыла имеет определенные недостатки. Щелочь, небольшое количество которой образуется в водном растворе мыла, медленно разъедает ткани, разрушает некоторые красители.

В настоящее время мыло почти полностью вытеснили из обихода синтетические моющие средства.

Выводы:

• Важнейшие высшие карбоновые кислоты — пальмитиновая, стеариновая и олеиновая. Это очень слабые кислоты. Их натриевые и калийные соли называют мылами.
• Мыло частично реагирует с водой; при этом образуются соответствующие кислота и щелочь. Наличие в анионе кислоты полярной и неполярной частей обуславливает смачивание раствором мыла различных поверхностей и удаление с них загрязнений.

Жиры

В природе широко распространены соединения, общее название которых — жиры. Они хорошо известны нам из повседневной жизни (рис. 86).

Жиры — это производные глицерина и высших карбоновых кислот.
Общая формула жиров —

где R, — углеводородные остатки (обычно они разные, но могут быть и одинаковыми). Чаще всего это остатки насыщенных кислот — пальмитиновой стеариновой а также ненасыщенной олеиновой кислоты (§ 29).

Природные жиры всегда содержат примеси, среди которых — жирные кислоты, витамины, другие биологически важные вещества, вода.

Классификация: В зависимости от происхождения жиры делят на животные и растительные.

Животные жиры (говяжий жир, свиное сало, сливочное масло) содержат преимущественно соединения, являющиеся производными глицерина и насыщенных кислот — стеариновой и пальмитиновой. Молекулы жиров морских млекопитающих и рыб отличаются высоким содержанием остатков ненасыщенных кислот, в которых имеется по меньшей мере четыре двойных связи.

Важнейшими среди растительных жиров являются подсолнечное, оливковое, кукурузное, льняное масло. Они содержат в основном жиры — производные олеиновой и других ненасыщенных кислот. В кокосовом и пальмовом жирах преобладают молекулы с остатками насыщенных кислот.

Свойства: Животные жиры, кроме рыбьего, являются твердыми веществами, а растительные — жидкостями (за исключением кокосового и пальмового).

Запах, цвет и вкус жиров обусловлены, как правило, различными примесями.

Жиры нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в бензине, керосине, других органических растворителях. При встряхивании жидких жиров с водой образуются эмульсии (пример такой эмульсии — молоко).

Температуры плавления жиров зависят от того, какими кислотами они образованы. Жиры, молекулы которых содержат остатки насыщенных кислот, имеют более высокие температуры плавления и в обычных условиях являются твердыми. Жиры, производные ненасыщенных кислот, — жидкости.

Жиры при нагревании до 250—300 °С разлагаются с образованием смесей различных соединений.

Во влажном воздухе жиры медленно окисляются. Продукты соответствующих реакций имеют неприятный запах и горький вкус (вспомните запах и вкус несвежего сливочного масла).

При горении жиров происходит их полное окисление с образованием углекислого газа, водяного пара и выделением значительного количества теплоты:

Жир, смешанный с водой, при нагревании взаимодействует со щелочью. Этот процесс называется омылением жиров. В результате таких реакций образуются глицерин и соли высших карбоновых кислот — мыла.

Получение: Впервые синтез жира осуществил французский ученый М. Бертло в 1854 г., нагревая глицерин с высшей карбоновой кислотой в запаянном сосуде. Позже были изобретены другие методы синтеза жиров. Однако они не получили промышленного применения, поскольку жиры очень распространены в природе и их извлекают из природного сырья.

Производство растительного масла осуществляют двумя способами. По первому способу высушенные и очищенные от примесей семена подсолнечника, других растений измельчают, нагревают и отжимают под прессом. При этом выделяется масло, которое очищают и разливают в разные емкости (рис. 87). Нагревание необходимо для уменьшения вязкости масла, чтобы оно легче извлекалось из семян. Кроме того, при повышенной температуре прекращается действие ферментов, которые разлагают жиры и вызывают их прогоркание.

Это интересно: Россия производит 25 % всего подсолнечного масла в мире и является наибольшим его экспортером.

Второй способ заключается в обработке семян нагретым летучим растворителем (гексаном, этанолом), в котором масло растворяется. Затем растворитель удаляют перегонкой.

Основной процесс при получении твердого жира — вытапливание. Во время этого процесса жир плавится и отделяется от остатков мяса, воды, других веществ. Его очищают и заливают в формы для затвердевания.

Применение: Жиры используют в пищевой промышленности, производстве косметических средств, медицине, технике, для смазки изделий из металла с целью предотвращения коррозии. Переработкой жиров получают глицерин, мыло, олифу, многие другие вещества и материалы. Раньше некоторые жиры использовали как горючие вещества для освещения помещений.

Биологическая роль: Жиры являются одними из важнейших пищевых продуктов. Это — основной источник энергии в организме. При полном окислении 1 г жира в организме выделяется в среднем 39 кДж теплоты, что вдвое превышает энергию, «вырабатываемую» такой же массой белков или углеводов. Образование большого количества воды при окислении жира имеет исключительное значение для животных (например, верблюдов), которые вынуждены длительное время жить без воды.

Высокая пищевая ценность жиров обусловлена также растворимостью в них некоторых витаминов (A, D, Е).

Жиры играют важную роль в терморегуляции живых организмов. Они плохо проводят теплоту и поэтому защищают от переохлаждения пингвинов, китов, моржей, тюленей, других животных.

Это интересно: В растениях жир накапливается в семенах (для питания зародышей).

Выводы:

• Жиры — производные глицерина и высших карбоновых кислот.
• Различают животные и растительные жиры. Животные жиры в основном являются твердыми веществами; это — производные насыщенных кислот. Растительные жиры — преимущественно жидкости; они происходят от ненасыщенных кислот.
• Жиры не растворяются в воде. На воздухе они медленно окисляются, а при нагревании разлагаются.
• Жиры имеют высокую энергетическую ценность и являются неотъемлемой составной частью нашего питания. Их используют в пищевой и химической промышленности, технике, медицине.

Углеводы

В каждом растении есть органическое вещество, название которого — целлюлоза. Она, а также крахмал, сахароза (обычный сахар), глюкоза являются углеводами (название происходит от слов «углерод» и «вода»). Общая формула соединений этого класса — (n и m могут иметь значения 5 и больше). При сильном нагревании без доступа воздуха углеводы разлагаются на углерод и воду (рис. 88).

Рис. 88. Термическое разложение углевода
Одни углеводы состоят из сравнительно небольших молекул, другие — из молекул, содержащих тысячи атомов.

Углеводы

В зеленых растениях и некоторых бактериях углеводы образуются в результате фотосинтеза Это — сложный процесс, протекающий с участием солнечной энергии, при котором органические вещества синтезируются из неорганических — углекислого газа, воды, растворимых солей (рис. 89). Процесс фотосинтеза, происходящий в растениях, сопровождается выделением кислорода.

Схема фотосинтеза углеводов — углекислый газ + водауглеводы + кислород, а общее химическое уравнение —

Углеводы являются одним из источников энергии для организма; она выделяется в химических реакциях с участием этих соединений.

Глюкоза

Это — один из важнейших углеводов. Глюкозу иногда называют виноградным сахаром; она содержится во фруктах (больше всего — в винограде), меде, а в незначительном     количестве — в крови человека и животных.

Глюкоза 

Химическая формула глюкозы —

Глюкоза — белый порошок или бесцветные кристаллы. Вещество хорошо растворяется в воде, имеет сладкий вкус, однако менее сладкое, чем сахар.

Обнаружить глюкозу в растворе можно с помощью купрум(II) гидроксида; соответствующая реакция сопровождается характерным внешним эффектом.
В результате взаимодействия глюкозы с купрум(II) гидроксидом образуется растворимое соединение голубого цвета (рис. 90, а). При нагревании полученного раствора появляется осадок желтого цвета, который быстро превращается в красный (рис. 90, б).

В промышленности глюкозу получают, осуществляя в определенных условиях реакции крахмала или сахарозы с водой.

Глюкоза является сырьем для кондитерской промышленности (рис. 91, а). Из нее получают аскорбиновую кислоту (витамин С), кальций глюконат, другие вещества. Глюкозу также используют в медицине как легкоусвояемое и калорийное вещество при истощении человека (рис. 91, б). Этот углевод входит в состав кровезаменяющих жидкостей (рис. 91, в).

Рис. 91. Применение глюкозы: а — печенье; б — сироп; в — раствор для инъекций

При окислении глюкозы выделяется необходимая для организма энергия:

1 Условным обозначением [О] в органической химии часто заменяют формулу вещества-окислителя.

Сахароза

Сахароза — соединение, известное каждому; это обычный сахар. Наибольшее количество этого вещества содержится в сахарной свекле и сахарном тростнике (рис. 92); массовая доля сахарозы в них может достигать 27 % . Соединение есть также в листьях и соке деревьев, фруктов, овощей. Оно образуется в растениях при фотосинтезе.

Рис. 92. Растения с высоким содержанием сахарозы: а — сахарная свекла; б — сахарный тростник
Формула сахарозы —

Сахароза — белое кристаллическое вещество (рис. 93), сладкое на вкус, очень хорошо растворимое в воде (при 20 °С — 203 г вещества в 100 г воды, а при 100 °С — 487 г). Насыщенный раствор сахара имеет высокую вязкость; его обычно называют сиропом.

При температуре 184 °С сахароза плавится и начинает разлагаться. Расплав приобретает коричневый цвет, и появляется запах подгоревшего сахара.

Такое превращение сахара называют карамелизацией (термин происходит от слова «карамель»).

При действии концентрированной сульфатной кислоты на сахарозу органическое соединение начинает разлагаться: кислота «отбирает»у молекул сахара молекулы воды. Упрощенная схема превращения:

Соответствующий опыт проводят так. В небольшой химический стакан насыпают (на 1/3— 1/4 его объема) растертый сахар-песок, добавляют немного воды и тщательно перемешивают вещества стеклянной палочкой. Затем доливают концентрированную сульфатную кислоту (до половины объема стакана) и быстро перемешивают. Смесь разогревается, темнеет и начинает увеличиваться в объеме (рис. 94). Выделяется водяной пар, а сахар обугливается.

Рис. 94. Разложение сахара под действием концентрированной сульфатной кислоты

В растворе сахарозы (как и глюкозы) растворяется купрум(II) гидроксид. Однако если нагреть полученный раствор, то в нем не будет образовываться красный осадок (отличие от результата опыта с раствором глюкозы).

Производство и применение сахарозы:

Работают десятки сахарных заводов (рис. 95). Ежегодный объем их продукции составляет 1,5—2 млн т.

Производство сахара состоит из нескольких стадий. Сначала сахарную свеклу моют, измельчают и промывают горячей водой. Сахароза и другие растворимые в воде вещества переходят в раствор. Затем к нему добавляют суспензию извести. Кальций гидроксид реагирует с сахарозой с образованием растворимого соединения, а продуктами его реакций с другими органическими веществами являются нерастворимые соединения. Раствор отфильтровывают от осадка и пропускают в жидкость углекислый газ. При этом вновь образуется сахароза и осаждается кальций карбонат. Раствор фильтруют, дополнительно очищают и выпаривают. Из него кристаллизуется сахар.

Сахар — важный пищевой продукт. Он входит в состав кондитерских изделий, напитков. Сахар является консервантом для фруктов и ягод, поэтому его используют для приготовления варенья, джема (при этом соотношение масс сахара и плодов должно быть не менее чем 1: 1).

Сахароза служит сырьем для получения спирта, некоторых других органических соединений.

Это интересно: Около 2/3 всего сахара производят из сахарного тростника, а 1/3 — из сахарной свеклы.

Выводы:

• Углеводы — соединения с общей формулой Они являются одним из основных источников энергии для организма. Эти соединения образуются в зеленых растениях и некоторых бактериях в результате фотосинтеза. Важнейшими углеводами являются глюкоза, сахароза, крахмал и целлюлоза.
• Глюкоза и сахароза -белые кристаллические вещества, имеющие сладкий вкус, хорошо растворимые в воде. Глюкозу можно обнаружить в растворе с помощью реакции с купрум(II) гидроксидом при нагревании.
• Глюкозу и сахарозу получают из природного сырья. Их применяют в пищевой промышленности, а глюкозу — еще и в медицине.

Фруктоза

Фруктоза, или фруктовый сахар, содержится в фруктах, ягодах, меде. Химическая формула фруктозы такая же, что и глюкозы, — но строение ее молекулы иное.

Фруктоза — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Вещество в три раза слаще глюкозы и в 1,5 раза — сахарозы. Это соединение образуется при взаимодействии сахарозы с водой в определенных условиях:

Фруктозу и ее производные используют в медицине, в частности в питании больных сахарным диабетом.

Крахмал

Крахмал и целлюлоза — углеводы, которые, подобно глюкозе и сахарозе, содержатся в растениях. Эти соединения являются природными полимерами. Их молекулы состоят из сотен и тысяч групп атомов — остатков молекулы глюкозы:

Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую общую формулу , но значения п для них разные; молекулы целлюлозы намного длиннее, чем крахмала.

Крахмал    

Это вещество, как и сахар, очень важно для человека, поскольку входит в состав многих пищевых продуктов.

Крахмал — своеобразный аккумулятор энергии в растениях, необходимый прежде всего для развития их зародышей. Он образуется в листьях и стеблях в результате фотосинтеза и взаимопревращения углеводов:

Крахмал накапливается в семенах, клубнях, плодах, корнях растений (рис. 96).

Крахмал — белое зернистое вещество без запаха и вкуса, которое не растворяется в холодной воде, а в теплой воде образует коллоидный раствор. Густой раствор крахмала используют в качестве клея (его название — крахмальный клейстер).

Картофельный крахмал внешне похож на пшеничную муку. Отличить его от муки довольно просто. Растирая крахмал пальцами, можно ощутить поскрипывание вследствие взаимного трения зерен этого вещества.

Если крахмал нагревать, то он не плавится, а разлагается.

Раствор иода дает с крахмалом характерное синее окрашивание (рис. 97), исчезающее при нагревании до 100 °С и появляющееся снова при охлаждении.

Это интересно: Крахмал, полученный из артофеля, называют картофельной мукой.

В отличие от растворов глюкозы и сахарозы в растворе крахмала не растворяется осадок купрум(II)гидроксида.

Крахмал получают в промышленности преимущественно из картофеля и кукурузы. Сырье измельчают, обрабатывают холодной водой, затем зерна крахмала отделяют от жидкости отстаиванием или центрифугированием.

Крахмал — важный пищевой продукт. Его добавляют в вареную колбасу, другие пищевые продукты. Это вещество используют при изготовлении бумаги, текстиля, некоторых пластмасс, клеев, витаминов, в домашнем хозяйстве. Крахмал также является сырьем для получения глюкозы, этилового спирта, глицерина, лимонной кислоты.

Целлюлоза

Это — наиболее распространенный углевод в растительном мире. Целлюлоза выполняет роль «строительного» материала в растениях; она образует оболочки растительных клеток (другое название вещества — клетчатка).

Целлюлоза содержится в хлопке, льне (рис. 98), камыше, других растениях, фруктах, овощах. Она есть также в муке, крупах.
Целлюлоза

Рис. 98.Содержание целлюлозы (по массе) в растениях
Чистая целлюлоза — твердое волокнистое вещество белого цвета, нерастворимое в воде и органических растворителях. В отличие от крахмала целлюлоза не изменяет окраску раствора иода.

В природных условиях целлюлоза медленно разлагается. Этот процесс происходит с участием микроорганизмов. Конечные продукты такого превращения — углекислый газ и вода, а в отсутствии воздуха (например, на дне водоемов) вместо углекислого газа образуется метан.

Для производства целлюлозы используют древесину, некоторые растения. Сырье измельчают, добавляют при нагревании и небольшом давлении растворы различных реагентов для извлечения примесей. Остаток, представляющий собой чистую целлюлозу, высушивают.

Бумага, картон, разнообразные ткани, волокна, лаки, эмали, некоторые пластмассы, целлофан — все это получают из целлюлозы и ее производных. Целлюлозу используют в производстве бездымного пороха, ацетатного шелка.

Волокна из целлюлозы обладают многими ценными качествами. Они прочны, гигроскопичны, их легко окрашивать. Вместе с тем такие волокна недостаточно эластичны, плохо сохраняют форму, горят, разрушаются микроорганизмами. Эти недостатки устраняют, обрабатывая ткани различными веществами.

Это интересно: Целлюлоза, пропитанная кислотой и высушенная, легко рассыпается в порошок.

• Бумага — важнейший материал на основе целлюлозы. Без нее невозможно представить нашу жизнь. Бумагу изобрели в Китае во II в. до н. э. Ее изготавливали из хлопка, бамбука, а в средние века — также из ветоши. В XVIII в. для производства бумаги начали использовать древесину.
• Ныне промышленность выпускает много видов бумаги — газетную, упаковочную, для письма и др. Фильтровальная бумага — почти чистая целлюлоза.
  Выводы

выводы

• Крахмал и целлюлоза — углеводы, являющиеся природными полимерами. Они имеют одинаковую химическую формулу (значения n для целлюлозы больше).
• Крахмал накапливается в картофеле, семенах злаков, других растениях. С водой этот углевод образует коллоидный раствор. Крахмал применяют в пищевой промышленности, а также как сырье для производства спирта, глюкозы.
• Целлюлоза — главная составная часть растений. Это белое волокнистое вещество, нерастворимое в воде. Целлюлозу используют в производстве бумаги, картона, волокнистых материалов, натуральных тканей.

Белки

На нашей планете есть вещества, без которых существование живых организмов было бы невозможным. Это — белки.

Белки — высокомолекулярные органические соединения, которые выполняют особые биологические функции в живых организмах.

Известно много белков. Они осуществляют и регулируют обмен веществ в клетках, являясь в то же время для них «строительным» материалом. Белки реагируют на изменение окружающей среды, приспосабливаясь к новым условиям. Они обеспечивают двигательную деятельность организма, а некоторые (так называемые белки-антитела) защищают его от инородных тел. Все химические реакции в клетках происходят при непосредственном участии белков-ферментов, выполняющих роль катализаторов. Таким образом, белки осуществляют в организме различные функции — энергетическую, строительную, сигнальную, двигательную, защитную, каталитическую.

В организмах животных и человека содержится больше белков, чем в растениях. Они входят в состав мышечной и нервной тканей, кожи, волос, ногтей.

Синтезировать белки (как и углеводы) непосредственно из неорганических веществ могут только растения и некоторые бактерии. Общая схема этого процесса:

В организмы животных и человека белки поступают с пищей. Они расщепляются ферментами на аминокислоты, из которых образуются другие белки, свойственные данному организму.

Аминокислоты — производные карбоновых кислот, в молекулах которых некоторые атомы Гидрогена углеводородных остатков замещены на группы атомов - (аминогруппы). Если аминогруппа соединена с ближайшим к карбоксильной группе атомом Карбона, то соединение принадлежит к а-аминокислотам. Простейшим соединением этого класса является аминоуксусная кислота

Во всех белках содержится пять основных элементов — Карбон (его массовая доля 50— 55 %), Оксиген (21,5 — 23,5 %), Нитроген (15—17 %), Гидроген (6,5—7,3 %), Сульфур (0,3—2,5 %), а также небольшие количества Фосфора, Иода, Феррума, других элементов.

Белки имеют высокие значения молекулярных масс — от десятков тысяч до нескольких миллионов. Химические формулы этих соединений очень сложные.

Каждый белок отличается от других набором аминокислотных остатков, их последовательностью в молекуле, пространственным строением молекул, а также биологическими функциями.

Уникальность белков обусловлена их строением, которого не имеет ни одно из изученных вами соединений. Первый весомый вклад в исследование белков сделал немецкий ученый

Э.    Г. Фишер. Он доказал, что их молекулы построены из остатков молекул а-аминокис-лот, соединенных группами атомов(пептидными группами).

Свойства: Белки не имеют температур плавления и кипения. При нагревании белка разрушается его сложное строение, вследствие чего он теряет способность выполнять биологические функции. Однако пищевые продукты после такого превращения белков легче усваиваются организмом — яичница или сваренное яйцо по сравнению с сырым, кислое молоко по сравнению со свежим.

Эмиль Герман Фишер (1852—1919)

Немецкий химик и биохимик, академик Берлинской академии наук. Исследовал белки и продукты их расщепления. Изучал действие ферментов на различные соединения. Разработал классификацию углеводов и методы их синтеза. Внес значительный вклад в развитие стереохимии. Именем Фишера названы открытая ученым реакция в органической химии, способ изображения структурных формул молекул. Лауреат Нобелевской премии (1902).

При сильном нагревании белки темнеют и начинают разлагаться, распространяя запах жженых перьев.

Некоторые белки растворяются в воде с образованием коллоидных растворов.

При добавлении к раствору белка концентрированных растворов кислот, щелочей, солей Купрума(II), Плюмбума(II) и других «тяжелых» металлических элементов, а также органических растворителей (например, этилового спирта) происходит осаждение белка.

Это интересно: Суточная потребность взрослого человека в белках составляет в среднем 100—110 г.

Практическое значение: Белки являются важнейшей составляющей нашего питания и рациона животных. Их ценность определяется наличием в молекулах белков фрагментов молекул определенных (незаменимых) аминокислот. Недостаток белков в пище отрицательно влияет на организм, вызывает некоторые заболевания. В животноводстве и птицеводстве с целью увеличения пищевой ценности кормов их обогащают искусственными белками, произведенными с помощью микробиологического синтеза.

Вещества и материалы, основу которых составляют белки, имеют широкое применение. Среди них — шерсть, шелк, кожа, меха, клеи, желатин и др. В современные стиральные порошки вводят биодобавки — ферменты, катализирующие распад белковых загрязнений белья и одежды. Белки используют и в медицине.
 

Выводы:

• Белки — высокомолекулярные органические соединения, выполняющие особые биологические функции в живых организмах. Их молекулы состоят из остатков а-аминокислот, соединенных между собой пептидными группами -CO-NH-.
• Белки осуществляют и регулируют обмен веществ в клетках, являются «строительным» материалом для живых организмов. При попадании с пищей в организмы человека или животных белки расщепляются ферментами на аминокислоты, из которых образуются другие белки, свойственные данному организму.
• Материалы с белковой основой широко используются в повседневной жизни.

Структура белков:

Различают четыре типа структуры белков.

Первичная структура белка — это цепь из атомов Карбона и Нитрогена со строго определенной последовательностью аминокислотных остатков:

В приведенной формуле буквами R с различными индексами обозначены углеводородные и другие остатки.

Вторичная структура белка — определенная пространственная форма (обычно — спираль), которую приобретает цепь молекулы за счет реализации водородных связей между ее фрагментами.

Третичная структура белка образуется в результате свертывания спирали цепи в более компактную форму (глобулу).

Четвертичная структура белка является системой очень сложной формы. В ней объединены две или больше глобул. Это — единый комплекс, выполняющий определенную функцию в живом организме. Четвертичную структуру имеют лишь некоторые белки, например гемоглобин; его молекула содержит четыре глобулы.

Определение глюкозы в меде:

Глюкозу обнаруживают в меде с помощью такого эксперимента. Сначала получают купрум(II) гидроксид, смешивая растворы соли Купрума(II) и щелочи, взятой в избытке. Затем 1 мл смеси, содержащей этот гидроксид, добавляют в водный раствор меда и осторожно нагревают. Появление желтого осадка, который постепенно превращается в красный, свидетельствует о наличии в меде глюкозы.

Природные и синтетические органические соединения

В природе встречается много органических соединений. Часть их (преимущественно углеводороды) содержится в горючих ископаемых: нефти, природном и сопутствующих газах — нефтяном и угольном. Другие органические соединения, прежде всего оксигенсодержащие, находятся в живых организмах. Это — карбоновые кислоты, жиры, белки, углеводы, витамины, растительные пигменты, многие другие вещества.

Синтетическими органическими соединениями называют соединения, которых нет в природе; их получают с помощью химических реакций на заводах и в лабораториях. Химическая промышленность выпускает много растворителей, полимеров, синтетических волокон, пластмасс, средств борьбы с вредителями и болезнями растений, клеев, герметиков, лаков, красок. Все эти вещества и материалы содержат органические соединения или состоят только из них. Их производство в мире постоянно возрастает.

Органические соединения и окружающая среда: При отмирании живых организмов органические вещества, содержащиеся в них, подвергаются окислению, разложению, другим превращениям, конечными продуктами которых являются углекислый газ, вода, азот и др. Многие синтетические органические соединения в природных условиях не разлагаются в течение длительного времени. Такие вещества крайне негативно воздействуют на живые организмы; их попадание в окружающую среду, как правило, наносит ей непоправимый вред.

Земная поверхность и гидросфера загрязняются остатками полимеров и пластмасс (рис. 99). От токсичных органических веществ страдают флора и фауна рек и озер. Вещества, образующиеся при сгорании полимеров или горючего, загрязняют воздух (рис. 100), а галогенпроизводные углеводородов разрушают защитный озоновый слой в атмосфере. Даже незначительные количества некоторых органических соединений, попадая в организм, отрицательно влияют на здоровье, вызывают аллергии, отравления, серьезные заболевания.

Среди причин попадания синтетических органических соединений в окружающую

среду — несовершенство технологических процессов на химических предприятиях, недостаток или неэффективность методов переработки и обезвреживания этих веществ, их неправильное использование и хранение.

Проблема стойких органических загрязнителей: Вредные органические соединения, которые не подвергаются химическим превращениям в природных условиях или очень медленно реагируют с веществами окружающей среды, называют стойкими органическими загрязнителями (сокращенное обозначение — СОЗ). К таким соединениям относятся хлор-производные углеводородов (продукты частичного или полного замещения атомов Гидрогена в молекулах углеводородов на атомы Хлора), ядохимикаты для сельского хозяйства, диоксины, фураны, некоторые основные и побочные продукты химических производств. Список СОЗ периодически расширяется.
 

Препарат с сокращенным названием ДДТ еще недавно использовали для борьбы с насекомыми-вредителями. Ныне это вещество отнесено к СОЗ; его производство во многих странах запрещено. То, что соединение очень устойчиво, подтверждают данные ученых об обнаружении его следов в Антарктиде в результате переноса вещества ветрами и водой с разных континентов.

Развитые страны координируют свои усилия, направленные на преодоление негативного воздействия СОЗ на окружающую среду. В 2001 г. на международной конференции в Стокгольме была принята конвенция о стойких органических загрязнителях. Конвенцию подписали свыше 150 стран. В этом документе предусмотрено проведение таких мероприятий:

• •    замена СОЗ другими веществами, которые не наносят ущерб живым организмам, окружающей среде и способны довольно быстро превращаться в безвредные вещества;
• •    ограничение или прекращение производства и использования СОЗ;
• •    удаление СОЗ из промышленных выбросов и стоков, отработанных газовых смесей;
• •    переработка остатков ранее произведенных СОЗ и различных отходов, содержащих эти вещества (рис. 101).

Некоторые СОЗ могут быть компонентами средств «бытовой химии». Каждый человек должен соблюдать правила обращения с такими химикатами; эти правила указаны на упаковках.

Остатки химикатов нельзя выбрасывать где попало, а необходимо тщательно упаковывать и сдавать в специальные пункты.

Выводы:

• Среди органических веществ различают природные и синтетические вещества.
• Многие синтетические органические соединения наносят ущерб окружающей среде, отрицательно влияют на живые организмы. Особую опасность представляют стойкие органические загрязнители (СОЗ).
• Во многих странах принимают меры по ликвидации или ограничению производства и использования СОЗ.
• Очень важным для каждого человека является соблюдение правил обращения с бытовыми химикатами.

Закрепление знаний по органической химии

Изучая химию, вы убедились, что мир веществ чрезвычайно разнообразен. Вещества различаются по составу, строению, физическим и химическим свойствам. Часть веществ распространена в природе, а другие получены в лабораториях в результате химических реакций.

Материал этого раздела поможет вам оптимизировать полученные знания по классификации и строению веществ, их превращениям. Вы также сможете лучше понять роль химии и смежных наук в познании и охране окружающей среды.
 

Многообразие веществ и химических реакций

Вы знаете, что вещества делят на простые и сложные. Каждое простое вещество образовано одним химическим элементом, а сложное вещество (или химическое соединение) — как минимум двумя элементами.

По совокупности характерных свойств среди простых веществ различают металлы и неметаллы. Существуют также простые вещества, по одним свойствам напоминающие металлы, а по другим свойствам — неметаллы.

Некоторые элементы образуют по несколько простых веществ, в частности Оксиген — кислород и озон  Карбон — графит, алмаз (оба вещества обозначают символом С), Фосфор — белый фосфор, красный фосфор (химические формулы — и Р соответственно).

Среди сложных веществ различают неорганические и органические (соединения Карбона).

Вам известны важнейшие классы неорганических соединений — оксиды, основания, кислоты, амфотерные гидроксиды, соли. На классы делят и органические вещества. Многие соединения принадлежат к классу углеводородов; среди них — метан и его гомологи, этилен,ацетилен. Этанол и глицерин — представители класса спиртов, уксусная кислота — соединение класса карбоновых кислот, глюкоза и сахароза — углеводы.

Важными классами органических соединений являются жиры, белки. В старшей школе вы узнаете об органических веществах других классов.

Учитывая качественный состав органических соединений, различают оксиген-, нитро-ген-, галогенсодержащие и другие соединения. К оксигенсодержащим органическим соединениям относятся, например, спирты,карбоновые кислоты, а к нитрогенсодержащим — аминокислоты, белки (схема 4).

Строение веществ

Вам известно, что простые вещества состоят из атомов или молекул. Атомное строение имеют графит, алмаз, силиций, инертные газы, металлы, а молекулярное — водород, кислород, озон, белый фосфор, сера и др.

Строение сложных веществ более разнообразно. Основные и амфотерные оксиды, основания и соли являются ионными веществами, кислотные оксиды и кислоты состоят из молекул, соединения металлических элементов с Карбоном, Нитрогеном, Фосфором — из атомов, иногда — из ионов.

Подавляющее большинство органических веществ имеет молекулярное строение, а соли карбоновых кислот, некоторые нитрогенсодержащие соединения содержат ионы.

Существуют вещества (среди них — красный фосфор, полиэтилен, целлюлоза, белки), молекулы которых состоят из многих тысяч одинаковых атомов или групп разных атомов, соединенных между собой ковалентной связью. Это — высокомолекулярные вещества. Если группы атомов в таких молекулах имеют одинаковое строение (как, например, в полиэтилене), то соединение называют полимером.

Химическая связь в веществах

Строение вещества определяется типом химической связи, которая в нем реализуется (схема 5).

Ионная связь образуется между противоположно заряженными ионами вследствие их электростатического взаимодействия (взаимного притяжения). Этот тип химической связи существует в основных и амфотерных оксидах, основаниях, солях.

Ковалентная связь возникает между атомами в результате образования общих электронных пар. Связь этого типа имеется в любой молекуле, а также в сложных ионах ( идр.).

Ковалентная связь бывает полярной и неполярной. Полярная связь реализуется между атомами элементов с разной электроотрицательностью, а неполярная — между одинаковыми атомами или атомами элементов с одинаковой электро-отрицательностыо.

В основаниях, а также солях, образованных как минимум тремя элементами, наименьшие частицы веществ соединены химическими связями двух типов. Натрий гидроксид, кальций сульфат содержат ионные связи (между ионами ) и ковалентные связи (между атомами Оксигена и Гидрогена в гидроксид-ионе, между атомом Сульфура и атомами Оксигена в сульфат-ионе).

Необходимым условием для образования водородных связей является наличие в молекулах вещества атомов Гидрогена, соединенных с атомами Флуора, Оксигена, Нитрогена — элементов, имеющих высокую электроотрицательность. Этим типом связи соединяются как одинаковые молекулы, так и разные (например, молекулы воды и спирта, воды и уксусной кислоты). Таким образом, водородные связи существуют не только в веществах, но и в водных растворах. Кроме того, они возникают в молекуле белка между ее фрагментами; благодаря этому молекула приобретает компактную форму.

В металлах реализуется металлическая связь. Она обусловлена наличием в них электронов, которые свободно перемещаются во всем объеме вещества.

Классификация химических реакций

Почти все вещества в зависимости от их природы, внешних условий, других факторов могут вступать в химические реакции.

Вам известно, что химические реакции различают

• •    по количеству и составу реагентов и продуктов (реакции соединения, замещения, разложения, обмена);
• •    по тепловому эффекту (экзотермические и эндотермические реакции);
• •    по направлению протекания (обратимые и необратимые реакции).

Кроме того, выделяют окислительно-восстановительные реакции (в таких превращениях элементы, имеющиеся в реагентах, изменяют степени окисления), каталитические реакции (в них используют катализаторы), реакции полимеризации и др.

Реакции соединения происходят между простыми веществами, оксидами разных типов, при образовании кристаллогидратов.

Химические превращения с участием металлов и хлоридной, разбавленной сульфатной, уксусной и некоторых других кислот, а также растворов солей относятся к реакциям замещения. В то же время эти реакции являются окислительно-восстановительными, так как протекают с изменением степеней окисления элементов.

Реакции разложения характерны как для неорганических соединений (гидроксидов, оксигенсодержащих кислот, некоторых их солей), так и органических; эти химические превращения осуществляют при нагревании.

Реакции обмена происходят в растворах между солями и щелочами, кислотами или другими солями. Некоторые из них получили специальные названия. В частности, реакция нейтрализации — это реакция между основанием и кислотой. С помощью так называемых качественных реакций обнаруживают определенные ионы в растворе.

Химические превращения веществ сопровождаются тепловыми эффектами. При эндотермических реакциях теплота поглощается (среди них — много реакций разложения), а при экзотермических реакциях теплота выделяется (это реакции горения простых и сложных веществ, реакции между щелочами и кислотами и др.).

Химические реакции отличаются друг от друга и по скорости протекания. Если реакции обмена между электролитами в водных растворах происходят мгновенно, реакции горения различных веществ — в течение определенного времени, то многие химические превращения в природе протекают чрезвычайно медленно.
 

Выводы:

• Существуют разные классификации веществ. Все вещества делят на простые и сложные (химические соединения), а также на неорганические и органические.
• Среди неорганических соединений выделяют такие важнейшие классы: оксиды, основания, амфотерные гидроксиды, кислоты, соли, а среди органических соединений — углеводороды, спирты, карбоновые кислоты, углеводы, жиры, белки.
• В неорганических и органических веществах реализуется ионная, ковалентная, водородная связь, а в металлах — металлическая связь.
• Классификацию химических реакций осуществляют, учитывая количество реагентов и продуктов, их состав, направление протекания реакций, тепловой эффект, другие особенности.

Химические превращения с участием металлов 

Вам известно, что металлы могут взаимодействовать с неметаллами, кислотами, растворами солей, а некоторые — еще и со щелочами, водой.

Продуктами большинства реакций металлов с неметаллами являются соли

а если с металлом реагирует кислород, то образуется оксид:

Почти все металлы взаимодействуют с кислотами. Такие реакции с участием хлорид-ной, разбавленной сульфатной, уксусной кислот происходят с образованием солей и выделением водорода:

Пассивные металлы, находящиеся в ряду активности справа от водорода, не реагируют с названными кислотами.

Металлы взаимодействуют с растворами солей; продукты такого превращения — другие металл и соль. Реакции возможны в случаях, когда металл-реагент активнее металла-продукта:

Если металл происходит от элемента, который образует амфотерные соединения (оксид, гидроксид), то он взаимодействует со щелочью:

Наиболее активные металлы (щелочные, щелочноземельные) реагируют с водой:

 

Химические превращения с участием неметаллов

Неметаллы могут взаимодействовать не только с металлами, но и друг с другом:

Среди важных реакций неметаллов со сложными веществами — реакции с участием

В этой реакции, в отличие от реакции железа с хлором, образуется соль , а не , поскольку ионы , имеющиеся в хлоридной кислоте, являются слабым окислителем, а хлор — сильный окислитель.

кислорода, которые часто сопровождаются горением веществ:

Такие превращения характерны для многих органических соединений — углеводородов, спиртов, жиров:

Химические реакции, в которых принимают участие или образуются простые вещества, являются окислительно-восстановительными, поскольку степень окисления элемента в простом веществе равна нулю, а в его соединении имеет положительное или отрицательное значение.

Реакции между оксидами и водой

Оксиды щелочных и щелочноземельных элементов, а также почти все кислотные оксиды взаимодействуют с водой. При этом основные оксиды превращаются в основания

а кислотные оксиды — в кислоты:

Реакции между двумя соединениями, различающимися по свойствам

Движущей силой многих химических превращений является различие веществ по химическим свойствам. Например, основные оксиды и основания взаимодействуют с кислотными оксидами и кислотами

но не реагируют с веществами, имеющими основные свойства.

Если оксид или гидроксид является амфотерным, то это соединение в реакции с основным оксидом (основанием) или кислотным оксидом (кислотой) проявляет противоположные свойства, т. е. кислотные или основные.

Реакции с участием солей

Соли взаимодействуют со щелочами и кислотами. Такие превращения происходят в растворе в том случае, если продукт реакции не растворяется в воде или является слабым электролитом, неустойчивым либо газообразным соединением:

Хотя соли имеют много общих свойств, они могут реагировать друг с другом в водном растворе. При этом образуются две новые соли. Реакция возможна, если один из продуктов нерастворим в воде:

Термическое разложение соединений. Основания (кроме щелочей), амфотерные гидроксиды, оксигенсодержащие кислоты и некоторые их соли разлагаются при нагревании. В результате таких реакций, как правило, образуются оксиды:

Последовательные превращения веществ

Вы знаете, что взаимосвязи между веществами, происходящими от одного элемента, называют генетическими связями. Их используют в химической технологии, в частности при переработке металлических руд, производстве кислот. При получении сульфатной кислоты из природной серы простое вещество сначала сжигают, после чего осуществляют реакцию сульфур(IV) оксида с кислородом, а затем — реакцию сульфур(VI) оксида с водой. Соответствующая схема последовательных превращений веществ:

Для того чтобы получить основание или кислоту из оксида, который не взаимодействует с водой, осуществляют такие превращения:

Схемы последовательных превращений веществ в водных растворах часто представляют в ионно-молекулярной форме:

Эта схема иллюстрирует превращение растворимой соли Цинка, содержащей катионы , при постепенном добавлении водного раствора щелочи.

Схемы превращений приводят и для органических веществ. В схему

заложена реакция термического разложения метана, продуктами которой являются ацетилен и водород, и реакция горения ацетилена.
 

Выводы:

• Неорганические и органические вещества участвуют в различных химических превращениях. Характерными для металлов являются реакции с неметаллами, кислотами, растворами солей, а для оксидов, оснований, кислот — реакции с соединениями, противоположными по химическим свойствам. Амфотерные оксиды и гидроксиды взаимодействуют с веществами, имеющими основные и кислотные свойства. Соли реагируют с растворами щелочей, кислотами, а также друг с другом (в растворе).
• Реакции с участием или с образованием простых веществ являются окислительно-восстановительными.

Взаимопревращения простых веществ химического элемента:

В 7 классе вы узнали о существовании двух простых веществ Оксигена — кислорода и озона . Очень малые количества озона образуются из кислорода в атмосфере под действием электрических разрядов (когда возникают молнии во время грозы) или ультрафиолетовых лучей:

Озон — неустойчивое вещество, которое медленно превращается в кислород:

Обе химические реакции не принадлежат ни к одному известному вам типу реакций.

Не только Оксиген, но и некоторые другие неметаллические элементы образуют по несколько простых веществ. Эти вещества также могут участвовать во взаимопревращениях. Например, белый фосфор, состоящий из молекул , при температуре 300 °С превращается в красный фосфор, в котором содержатся длинные молекулы-цепочки. Алмаз и графит— простые вещества Карбона. Они имеют атомное строение, но различаются размещением атомов в пространстве. При очень высоких температурах и давлении из графита в специальных реакторах получают мелкие кристаллики алмаза. Алмаз можно превратить в графит; для этого его необходимо нагреть до температуры, значительно превышающей 1000 °С. Превращения простых веществ Фосфора и Карбона осуществляют в отсутствие воздуха, поскольку они взаимодействуют с кислородом.

Предмет органической химии

Вы уже познакомились с основами химии – науки о веществах и их превращениях. Из предыдущего изучения химии вы узнали, что все вещества состоят из атомов. Каждый атом относится к определенному виду – химическому элементу. Химический элемент – вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядер. Свойства химических элементов периодически повторяются в соответствии с повторением строения внешнего электронного слоя атомов. Практически все атомы не могут существовать при обычных условиях в свободном состоянии. Исключением являются лишь атомы благородных газов, имеющие завершенный внешний электронный слой. Остальные атомы стремятся завершить внешний электронный слой за счет отдачи либо присоединения электронов, при этом образуются химические соединения, в которых атомы связаны друг с другом химическими связями.
Тенденция отдавать электроны характерна для атомов металлов, принимать их – для атомов неметаллов.

Соответственно, существуют две основные ветви неорганических соединений, родоначальниками которых являются металлы и неметаллы. Металлы преимущественно образуют оснόвные оксиды, соответствующие этим оксидам гидроксиды являются основаниями. Неметаллы образуют кислотные оксиды, соответствующие им гидроксиды являются кислотами. Продуктами нейтрализации веществ, относящихся к разным ветвям, являются соли. Таким образом, просматривается классификация химических соединений на оксиды, основания, кислоты и соли, с которой вы познакомились из курса химии базовой школы.

Оксиды, основания, кислоты и соли являются предметом изучения неорганической химии – области химической науки, которая изучает многие объекты окружающего нас мира: минералы, строительные материалы, воды минеральных источников, полезные ископаемые, минеральные удобрения, драгоценные камни, синтетические неорганические материалы (сплавы, полупроводники) и другие вещества.

В то же время важнейшей частью окружающего нас мира являются объекты живой природы – растения, животные, и конечно, мы, люди. Все эти объекты также состоят из веществ, которые образованы атомами, следовательно, представляют собой предмет изучения химии. Строение объектов живой природы является чрезвычайно сложным. Они, как правило, состоят из множества отдельных веществ, образующих единую систему. Вопросы взаимодействия веществ в живых организмах изучает биологическая химия или биохимия – наука, возникшая на стыке биологии и химии, которая в настоящее время находится на стадии интенсивного развития.

Актуальность задач, стоящих перед биохимией, не вызывает сомнений, поскольку проникновение в тайны процессов жизнедеятельности позволит решить многие в буквальном смысле жизненные задачи – победить болезни, увеличить продолжительность жизни. Для того чтобы подойти к пониманию проблем биохимии, необходимо сначала познакомиться с отдельными веществами, которые входят в состав биологических объектов. Все эти вещества объединяет общее свойство – в их состав входит углерод. Изучением соединений углерода занимается органическая химия.

Органическая химия – это химия соединений углерода.

Отметим, что некоторые соединения углерода относятся к неорганическим веществам. Вы познакомились с ними ранее. Это углекислый газ (), угольная кислота (), ее соли (карбонаты, гидрокарбонаты) и несколько десятков других веществ. В то же время миллионы соединений, содержащих углерод, являются объектами исследования органической химии, а это более 80 % известных на сегодняшний день веществ.

В чем причина такого многообразия органических соединений? Для ответа на этот вопрос вспомним строение атома углерода.

Атомный номер углерода 6. Относительная атомная масса 12. Это значит, что ядро атома углерода содержит шесть протонов и шесть нейтронов, электронная оболочка – шесть электронов. Электроны располагаются на двух энергетических уровнях. Первый включает два электрона и является завершенным. На втором, внешнем энергетическом уровне атома углерода, четыре электрона. Схема заполнения электронами атомных орбиталей следующая:

Формула электронной конфигурации углерода:
С:

Как видно из схемы заполнения электронами атомных орбиталей, электроны в атоме углерода заполняют разные 2р-орбитали в соответствии с правилом Гунда. Это объясняется тем, что, находясь на одной орбитали, одноименно заряженные электроны испытывают электростатическое отталкивание, которое значительно уменьшается, если электроны находятся на разных орбиталях.

Атом углерода может переходить в возбужденное состояние, в котором имеется четыре неспаренных электрона:

Обратите внимание на уникальную особенность возбужденного состояния атома углерода: число электронов на внешнем энергетическом уровне равно числу орбиталей. Кроме углерода, таким же свойством обладает атом только одного химического элемента – водорода.

Так как в атоме углерода в возбужденном состоянии внешний энергетический уровень заполнен ровно наполовину – четыре валентных электрона занимают четыре орбитали, атому невыгодно, как отдавать, так и принимать электроны. Единственный выход – обобществлять их с такими же атомами, то есть образовывать ковалентные связи по обменному механизму.

Известны соединения, которые включают сотни и даже тысячи атомов углерода, связанных между собой ковалентными связями. Поскольку валентность углерода равна четырем, каждый атом может быть, как звеном линейной цепи, так и точкой разветвления, поэтому цепь из атомов углерода (углеродный скелет) может быть, как линейной, так и разветвленной:

Никакой другой элемент не обладает подобным свойством. Для сравнения, цепочки из атомов кремния могут включать только до 10 атомов Si. Одной из причин невысокой устойчивости ковалентных связей между атомами кремния является их бόльшая длина, по сравнению с длиной связи углерод–углерод. Это связано с бόльшим, чем у углерода радиусом атома кремния. Как известно, чем выше длина связи, тем ниже ее прочность. К тому же, на внешнем энергетическом уровне атома Si имеются свободные d-орбитали, поэтому внешняя электронная оболочка кремния не является наполовину заполненной, как в случае углерода.

Атомы углерода, составляющие цепь, могут соединяться между собой двойными и тройными связями, цепочки могут замыкаться в циклы:

Атомы углерода связанные между собой ковалентными связями, способны образовать бесчисленное множество структур, которые можно представить как «каркасы» молекул. В составе этих молекул присутствуют атомы других неметаллов, в первую очередь, атомы водорода, кислорода и азота.

Атом водорода, проявляющий валентность, равную единице, легко образует ковалентную связь с атомом углерода. Соединения углерода с водородом называются углеводородами. Известно огромное число углеводородов. В принципе, возможное число таких соединений даже трудно оценить,  поскольку длина углеродных цепочек весьма значительна, возможны цепочки с двойными и тройными связями между атомами углерода, разветвленные и циклические структуры. В каждой из этих структур свободные валентности заняты атомами водорода, и каждая возможная структура отвечает реальному углеводороду:

Очевидно, что число только углеводородных структур практически неисчерпаемо. Помимо водорода, углерод может образовывать ковалентные связи с атомами других неметаллов, например, кислорода и азота: 

Этот фактор расширяет многообразие соединений на основе соединений углерода и делает это многообразие практически безграничным:
Органические соединения, молекулы которых включают атомы кислорода, называются кислородсодержащими; азота – азотсодержащими.

Таким образом, уникальная способность атомов углерода образовывать ковалентные связи между собой приводит к возможности существования множества соединений, в состав молекул которых входят атомы водорода, кислорода, азота, галогенов, серы, фосфора и других химических элементов.
Предметом органической химии является изучение соединений на основе углерода. В школьном курсе изучаются, в основном, углеводороды, кислородсодержащие и азотсодержащие органические соединения.
 

Структурные формулы простейших углеводородов

Атом углерода имеет четыре валентных электрона, атом водорода – один. Валентные электроны можно наглядно отобразить при помощи электронных формул, в которых валентные электроны изображены в виде точек вокруг атомов:

Очевидно, что один атом углерода может образовать четыре ковалентные связи по обменному механизму с четырьмя атомами водорода:

При этом атомы дополняет свои электронные оболочки до завершенных, углерод – до восьмиэлектронной, водород – до двухэлектронной.

Приведенная электронная формула отражает структуру молекулы метана, в которой центральный четырехвалентный атом углерода связан с четырьмя одновалентными атомами водорода посредством электронных пар. На практике при отображении структуры молекулы гораздо удобнее электронную пару заменять черточной, соединяющей атомы, образующие ковалентную связь. Такие формулы называются структурными формулами.

Структурные формулы – это химические формулы, отражающие последовательность связывания атомов в молекуле химического соединения.
Напомним, что формулы, отражающие только состав соединения, называются молекулярными.

Для метана, молекулярная формула которого , структурная формула выглядит следующим образом:

Структурные формулы не показывают пространственного строения молекулы. В действительности молекула метана представляет собой правильный тетраэдр, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода.

Угол между связями в молекуле метана равен углу между осями правильного тетраэдра и составляет величину 109º28'.

В структурной формуле метана связи обычно изображают под углом 90º. Возможны и другие варианты, например:

Все эти варианты структурных формул являются правильными, так как отображают последовательность соединения атомов в молекуле. Для изображения пространственного строения молекул существуют специальные методы, которые изучаются в более подробных курсах органической химии.
Пространственное строение молекул органических соединений можно моделировать с помощью шаростержневых моделей. Моделями атомов углерода являются шарики черного цвета с четырьмя отверстиями, атомов водорода – шарики белого цвета с одним отверстием. Модели ковалентных химических связей – пластмассовые стержни. На рисунке показаны шаростержневые модели молекул метана и этана.

Итак, мы рассмотрели структурную формулу и пространственное строение молекулы простейшего органического соединения – метана. Метан представляет собой бесцветный горючий газ без запаха, нерастворимый в воде. Температура кипения метана очень низка и составляет –162ºС. Метан является основным компонентом природного газа. Кроме этого, он встречается в месторождениях каменного угля, и его внезапные выбросы бывают причиной пожаров в шахтах. Отсюда происходит название метана «рудничный газ». Выделения метана наблюдаются на торфяных болотах, этим обусловлено еще одно его название – «болотный газ».

В основе химического соединения углерода и водорода может лежать цепочка, включающая два атома углерода, структуру которой можно отобразить следующей электронной формулой:

Электронная и структурная формулы соответствующего углеводорода, этана следующие:

Этан, как и метан, бесцветный горючий, нерастворимый в воде газ, имеющий температуру кипения –89ºС. Этан встречается в природе в составе природного газа.

Молекулярная формула этана . В органической химии используются, в первую очередь, структурные формулы. Для того чтобы они не были слишком громоздкими, отдельные связи С–Н в них не указывают. В этом случае сокращенная структурная формула этана будет выглядеть гораздо компактнее: . Такие сокращенные структурные формулы обычно называют просто структурными формулами.

Цепочка из атомов углерода может включать три атома углерода. Она входит в состав углеводорода, который называется пропаном. Структурная формула пропана: Обратите внимание на то, что второй атом цепочки связан с двумя соседними атомами углерода, поэтому число атомов водорода, связанных с ним, только два. Молекулярная формула пропана . Пропан, также как метан и этан, является бесцветным горючим газом, входит в состав природного газа.

Четыре атома углерода могут образовывать два вида цепочек, линейную и разветвленную. Структурные формулы соответствующих углеводородов:

Легко видеть, что состав обоих соединений одинаков и соответствует молекулярной формуле . Углеводород такого состава называется бутаном. Таким образом, существуют два соединения состава , имеющие разное строение молекул. Эти два вещества различаются свойствами, в частности температурами кипения: соединение линейного строения имеет температуру кипения, равную –0,5ºС, а для соединения разветвленного строения tкип. = –11,7ºС. Различие температур кипения, причем весьма заметное, свидетельствует о том, что это действительно разные вещества.

Вещества, молекулы которых имеют одинаковый качественный и количественный состав, но разное строение, называются изомерами.
Изомеры бутана при нормальных условиях – бесцветные газы, без запаха, присутствуют в природном газе. Пропаном и бутаном, выделенными из природного газа, наполняют газовые баллоны.

На примере бутана мы познакомились с очень интересным и важным явлением – изомерией.

• Изомерия – явление, заключающееся в существовании соединений, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но разное строение молекул.
• Изомерия – явление, заключающееся в существовании соединений, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но разное строение молекул.

Рассмотрим явление изомерии на примере углеводорода, молекулы которого содержат пять атомов углерода. Этот углеводород называется пентаном. Молекулярная формула его . Пентан имеет три изомера, структурные формулы которых следующие:

Очевидно, что для углеводородов с бóльшим числом атомов углерода в молекуле число изомеров будет весьма значительным. Так, например, углеводородов состава насчитывается 336319, а для число возможных изомеров оценивается в астрономическую величину порядка 1012!

Явление изомерии во многом обусловливает многообразие органических соединений, делает органическую химию поистине неисчерпаемой.
Мы познакомились с явлением изомерии на примере простейших углеводородов, в которых атомы углерода связаны между собой только одинарными связями, остальные связи атомы углерода образуют с атомами водорода. Состав таких углеводородов описывается молекулярными формулами и т. д. Легко видеть, что для любого их этих углеводородов с числом атомов углерода, равным n, можно предложить общую формулу: 

Все углеводороды нециклического строения, в молекулах которых имеются линейные, либо разветвленные цепочки из атомов углерода, связанных одинарной связью, будут иметь состав, соответствующий данной общей формуле. Все эти углеводороды относятся к одному классу органических соединений, которые называются алканами.

Алканы – углеводороды нециклического строения, молекулы которых содержат линейные или разветвленные цепочки из атомов углерода, связанных между собой одинарными связями, состав которых отвечает общей формуле .
Из анализа строения молекул алканов видно, что они содержат максимально возможное число атомов водорода. Если бы два атома углерода были связаны двойной связью, в молекуле было бы на два атома водорода меньше. Наличие в молекулах углеводородов с таким же, как у алкана числом атомов углерода, двойных, тройных связей, циклов из атомов углерода, неизбежно приведет к уменьшению содержания атомов водорода в составе молекулы органического соединения. С такими веществами мы познакомимся позднее.

Алканы содержат в составе своих молекул предельно возможное количество атомов водорода, поэтому их называют также предельными углеводородами.
Если атом углерода в молекуле алкана связан с одним атомом углерода, а остальные связи образует с тремя атомами водорода, такой атом углерода называется первичным. Первичные атомы углерода являются концевыми элементами углерод-углеродной цепи. В молекуле этана оба атома углерода являются первичными.

Вторичные атомы углерода в молекуле алкана связаны с двумя атомами углерода и двумя атомами водорода: . Легко видеть, что в молекуле пропана первый и третий атомы углерода являются первичными, второй атом – вторичным.

Третичный атом углерода связан с тремя атомами углерода и одним атомом водорода; четвертичный – с четырьмя атомами углерода. Третичные и четвертичные атомы углерода являются точками разветвления углерод-углеродной цепи. По одному третичному и четвертичному атому углерода имеется в молекулах изомеров пентана, имеющих разветвленное строение (укажите их самостоятельно).

Теория строения органических соединений

Мы рассмотрели строение и структурные формулы молекул простейших алканов. Основой этих молекул являются атомы углерода, проявляющие валентность, равную четырем. Все связи между атомами углерода одинарные, остальные связи атомы углерода образуют с атомами водорода.

Число алканов огромно, как за счет того, что цепочки из атомов углерода могут быть весьма значительной длины, так и за счет изомерии – возможности существования разветвленных структур, когда один и тот же количественный состав могут иметь молекулы разного строения.

Эти важные выводы мы сделали на основе ранее изученного теоретического материала, который позволил объяснить строение атомов углерода и водорода, проявляемые ими валентности в соединениях, а также механизм образования ковалентной связи.

На основании изученных теорий мы имеем возможность судить о строении молекул органических соединений, а также отражать это строение с помощью структурных формул. Структурные формулы показывают последовательность соединения атомов в молекуле.

Подавляющее большинство органических веществ имеет молекулярное строение, поэтому особую важность приобретает понимание основных принципов строения молекул органических соединений.

Эти принципы следующие:

• Валентность атомов углерода в молекулах органических соединений равна четырем.
• Атомы углерода могут соединяться друг с другом посредством одинарных, двойных и тройных ковалентных связей с образованием цепей и циклов. Количество атомов в цепи, в принципе, неограниченно.
• Углеродная цепь может включать атомы других элементов, которые образуют функциональные группы.

Таким образом, четырехвалентные атомы углерода – основа, «кирпичики», из которых строятся молекулы органических соединений.

Цепь углеродных атомов может быть линейной, разветвленной и циклической. Такая особенность углерода дает возможность образования бесчисленного множества структур, в том числе изомерных, что делает органическую химию неисчерпаемой. Никакой другой элемент не обладает подобным свойством. Кроме углерода, в состав органических веществ входит, как правило, водород. Значения электроотрицательности углерода и водорода близки между собой, поэтому связь С–Н является ковалентной малополярной. В целом, молекулы углеводородов, построенные посредством ковалентных неполярных и малополярных связей, не являются полярными, либо имеют очень низкую полярность.

Углерод и водород образуют множество углеводородов, которые можно рассматривать как «каркасы» более сложных органических молекул, в состав которых входят функциональные группы – группы атомов, обусловливающие определенные свойства данной молекулы. Функциональные группы содержат атомы других элементов, например: кислорода (гидроксильная, альдегидная, карбоксильная группы), азота (аминогруппа). Функциональные группы обусловливают многие химические свойства органических соединений, например: кислотные (карбоксильная группа), оснóвные (аминогруппа).

Из указанных принципов следует логическая последовательность изучения курса органической химии: сначала мы будем изучать химию углеводородов, затем – химию веществ, молекулы которых включают функциональные группы.

Наличие двойных, тройных связей, циклических элементов и функциональных групп определяет принадлежность органического соединения к определенному классу. Вам уже знаком класс предельных углеводородов или алканов. Молекулы алканов имеют наиболее простое строение – они не содержат кратных (двойных и тройных) связей, циклов и функциональных групп.

Мы будем изучать органическую химию, начиная с наиболее простого по строению класса алканов, постепенно переходя к веществам более сложного строения, в молекулах которых присутствуют кратные связи, циклы и функциональные группы. В итоге мы придем к аминокислотам, белкам, ДНК – органическим соединениям, лежащим в основе живых организмов. Таким образом, изучение органической химии можно рассматривать как движение вверх по лестнице, каждая ступенька которой – новый класс соединений, а вершина – познание тайны живого.

Для успешного движения по намеченному пути необходимо уверенное владение основами теории строения органических соединений.

Сформулируем основные положения теории строения:

1. Атомы, входящие в состав органических соединений связаны друг с другом в определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Последовательность соединения атомов в составе химического соединения определяет его строение.
2. Свойства вещества зависят не только от качественного и количественного состава, но и от строения. Вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав молекул, но разное строение, называются изомерами. Свойства изомеров различаются.
3. Атомы, входящие в молекулу органического соединения, взаимно влияют друг на друга.

Создание теории строения органических соединений связывают, в первую очередь, с именем выдающегося русского химика Александра Михайловича Бутлерова (1828 – 1886).

Для осознания огромной заслуги Александра Михайловича Бутлерова и его коллег, создавших теорию строения молекул, не имея на вооружении современных методов исследования, которые позволяют буквально «заглянуть» внутрь вещества, совершим небольшую экскурсию в прошлое, в XIX век.
К этому времени из растительных и животных организмов были выделены и изучены многие органические вещества, установлен их качественный и количественный состав. В то же время считалось, что вещества растительного и животного происхождения могут быть синтезированы только в живом организме, а структура их недоступна для понимания. В целом, в первой половине XIX века в области органической химии господствовала теория «жизненной силы» или «витализм», которая проповедовала принципиальную невозможность получения веществ природного происхождения химическими методами.

К середине XIX века основы этой теории сильно пошатнулись, так как химики смогли в своих лабораториях получить ряд веществ природного происхождения. В 1824 году из неорганических веществ немецким химиком Фридрихом Вёлером была синтезирована щавелевая кислота, а в 1828 году – мочевина. В 1845 году была получена уксусная кислота (А. Кольбе, Германия), а в 1854 году французский химик М. Бертло синтетическим путем получил жиры.

Следующий этап – установление структуры веществ – потребовал создания серьезных теоретических предпосылок. Важнейшими из них явились представления о валентности атомов, предложенные английским ученым Эдуардом Франкландом в 1853 году, а также предположение, высказанное примерно в это же время немецким химиком Августом Кекуле о том, что атомы углерода четырехвалентны и могут соединяться друг с другом. Тем не менее, такое, казалось бы, очевидное понятие, как «структурная формула» еще не появилось. Его ввел в обиход Александр Михайлович Бутлеров, он же внес значительный вклад в понимание явления изомерии, получив и исследовав свойства изомеров бутана и других соединений. Бутлеров впервые синтезировал множество органических веществ, среди них уротропин, известный как «сухой спирт», используемый в туристских примусах.

Интересный факт из жизни Александра Михайловича Бутлерова:

 В раннем возрасте, еще будучи учеником школы, он проявил большой интерес к химии. Этот интерес привел к взрыву в помещении школы. В наказание за этот проступок мальчик должен был три дня носить на шее табличку с надписью «Великий химик». Так и получилось…

Годом создания теории строения органических соединений считается 1861, когда А. М. Бутлеров изложил основы созданной им теории в докладе «О химическом строении тел» на съезде естествоиспытателей и врачей в немецком городе Шпейере.

Дальнейшее развитие науки только дополняло и совершенствовало теорию строения вещества, показало ее справедливость не только для органических, но и для неорганических соединений. Структурные формулы, впервые предложенные А. М. Бутлеровым, и сегодня с успехом используются для отображения строения молекул, как органических, так и неорганических соединений.

Значение теории состоит в систематизации огромного фактического материала, что дает возможность целенаправленного синтеза новых веществ с заданными свойствами.

Алканы

Из курса базовой школы и предыдущих параграфов мы познакомились с органическими соединениями, относящимися к классу алканов. Алканы называют также предельными и насыщенными углеводородами.

Название предельные углеводороды обусловлено тем, что молекулы алканов включают предельно возможное число атомов водорода.

Насыщенными углеводородами алканы называют потому, что атомы углерода в их молекулах связаны с максимально возможным числом других атомов – четырьмя. В отличие от насыщенных углеводородов, в молекулах ненасыщенных соединений имеются атомы углерода связанные с меньшим числом соседних атомов, например, в молекуле этилена каждый атом углерода связан с тремя атомами, ацетилена – с двумя:

Электронное облако атомов углерода алканов имеет тераэдрическую форму, поэтому молекулы алканов имеют сложную пространственную форму, состоящую из тераэдрических фрагментов, причем в молекуле этана таких фрагментов два, в молекуле бутана – четыре:

Легко видеть, что углеродная цепь в молекуле бутана является не линейной, а зигзагообразной. Угол между связями углерод–углерод близок к тетраэдрическому.

Наглядное изображение молекул алканов как комбинаций тераэдрических фрагментов, позволило предложить еще одну разновидность структурных формул органических соединений, в которых вообще не указываются химические символы углерода и водорода. Формулы алканов представляют собой ломаные линии, отображающие последовательность соединения атомов углерода в молекуле. Такие формулы называются скелетными формулами. Очевидно, что скелетные формулы можно записывать для алканов, начиная с этана, при этом формула этана будет иметь вид черточки, а формула пропана будет представлять собой ломаную линию, состоящую из двух прямых:

Формулы изомеров бутана при таком изображении выглядят следующим образом:

Скелетные формулы органических соединений в виде ломаных линий широко используются наряду с обычными структурными формулами. Преимущество данных формул – компактность и быстрота написания. Кроме этого, скелетные формулы, в отличие от обычных структурных формул, дают представление о пространственном строении молекул органических соединений.

Несмотря на то, что мы познакомились пока лишь с несколькими представителями алканов, очевидно, что соединений этого класса может быть огромное количество, как за счет возможности образования углеродных цепей неограниченной длины, так и за счет изомерии. Все представители этого класса подчиняются общей формуле

Легко видеть, что состав этана отличается от состава метана на один атом углерода и два атома водорода – Такую же разницу в составе имеют пропан и этан, бутан и пропан. В то же время, отличие в составе между бутаном и этаном составляет или . В общем, различие в составе между двумя любыми представителями алканов составляет где m – разность числа атомов углерода в составе этих алканов.

Таким образом, алканы образуют ряд, в котором, по мере увеличения числа атомов углерода в молекуле, молекулярная формула каждого последующего соединения получается путем прибавления к предыдущей формуле фрагмента Такой ряд соединений называется гомологическим рядом.
Молекулы соединений, образующих гомологический ряд, построены на основе одних и тех же принципов – в случае алканов связи между атомами углерода одинарные, остальные связи углерод образует с водородом. Поэтому можно ожидать, что все эти соединения будут иметь подобные свойства.

Гомологический ряд – ряд соединений, близких по свойствам и отличающихся по составу на одну или несколько групп Члены гомологического ряда называются гомологами.

Гомологи – соединения, близкие по свойствам, и отличающиеся по составу на одну или несколько групп

Понятие «гомологический ряд» является очень важным в органической химии. Гомологические ряды существуют для всех классов органических соединений. В гомологические ряды объединяют соединения, проявляющие сходные свойства, но имеющие разную длину углеводородной цепи. Например, представители класса спиртов метиловый и этиловый спирты. Структурные формулы их состав различается на группу Важнейшие химические свойства этих соединений определяются не длиной углеводородной цепи молекулы, а наличием в ней гидроксильной группы. Учитывая огромное множество органических соединений, изучать их по отдельности, как в неорганической химии, не представляется возможным, поэтому сходные по свойствам вещества объединяют в гомологические ряды и изучают свойства, присущие всем гомологам.

Можно ожидать, что многие свойства алканов, особенно с близкими числами атомов углерода в молекулах, будут подобны. Чтобы в этом убедиться, рассмотрим физические свойства алканов.

Физические свойства алканов:

В таблице приведены температуры кипения алканов, молекулы которых содержат от одного до десяти атомов углерода. Для бутана и последующих гомологов приведены температуры кипения изомеров линейного строения.
Из данных таблицы видно, что температуры кипения метана, этана, пропана и бутана ниже 0 ºС, следовательно, эти вещества должны быть газами при обычных условиях. Действительно, метан, этан, пропан и бутан при комнатной температуре являются бесцветными газообразными веществами. Алканы с бóльшим числом атомов углерода в молекуле (до 15) представляют собой жидкости со специфическим запахом. Этот запах вам хорошо знаком, так как основные компоненты бензина, керосина, многих растворителей – жидкие алканы.

Алканы с еще бóльшим содержанием атомов углерода в молекуле представляют собой твердые вещества. Они также хорошо знакомы вам – из твердых алканов изготавливают парафиновые свечи, так как класс алканов имеет еще одно название – парафины. Это название происходит от латинских слов «парум» – мало и «афинис» – имеющий сродство. Название указывает на низкую химическую активность алканов, химические свойства которых будут рассмотрены ниже.

Алканы нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях. Вспомните правило, известное вам из курса неорганической химии «подобное растворяется в подобном». Это значит, что, как правило, хорошо смешиваются между собой вещества, имеющие сходное строение. Например, вода, молекулы которой являются полярными, хорошо растворяет вещества, атомы в которых связаны ионными и ковалентными полярными связями – кислоты, щелочи, соли. Напротив, вещества, молекулы которых образованы ковалентными неполярными либо малополярными связями, не растворяются в воде, зато растворяются в жидкостях, состоящих из неполярных молекул. Приведем хорошо знакомый вам пример: пятно на ткани от машинного масла практически невозможно удалить с помощью воды, но оно может быть с успехом удалено бензином, поскольку машинное масло и бензин – вещества сходного строения, углеводороды.

Таблица 4.1. Температуры кипения алканов 

n	молекулярная формула	структурная формула	температура кипения (tкип.)
1			–162ºC
2			–89ºC
3			–42ºC
4			–0,5ºC
5			36ºC
6			60ºC
7			98ºC
8			126ºC
9			151ºC
10			174ºC

Жидкие и твердые алканы имеют плотность менее 1 г/см3, то есть их плотность меньше плотности воды. Если поместить в пробирку смесь воды и пентана, смесь расслоится, причем пентан соберется в верхней части, а снизу будет вода. Этим свойством обусловлено образование пленки из нефти и нефтепродуктов при попадании их в воду.

Известно, что одна тонна нефти способна покрыть тонкой пленкой участок моря площадью 1200 га, а это примерно 3000 футбольных полей! Поэтому аварии танкеров наносят значительный ущерб окружающей среде.

Номенклатура алканов:

Органическая химия – химия соединений углерода. В молекулах органических веществ атомы углерода, связанные между собой посредством ковалентных связей, могут образовывать линейные, разветвленные и циклические структуры, число которых, в принципе, неограниченно. Этим объясняется многообразие органических соединений, число которых намного больше, чем число известных неорганических веществ.

Многие органические вещества имеют одинаковый состав, но разное строение молекул. Такие вещества называются изомерами. В случае алканов явление изомерии проявляется, начиная с четвертого представителя гомологического ряда – бутана, для которого существует два изомера. Пентан имеет три изомера, гептан – девять.

Для алканов с большим числом атомов углерода в молекуле число изомеров огромно. Например, алканов состава может быть 36797588, то есть почти сорок миллионов веществ! В связи с этим возникает вопрос, как называть эти вещества? Эта проблема решается с помощью системы составления названий органических соединений. Такая система называется номенклатурой. В настоящее время наиболее широко используется систематическая или международная номенклатура ИЮПАК (IUPAC – International Union of Pure and Apply Chemistry). Основные принципы ее были предложены в 1892 году на Международном съезде химиков в Женеве. С тех пор номенклатура органических соединений неоднократно дополнялась и совершенствовалась.

Рассмотрим основные принципы номенклатуры органических соединений для класса алканов. В дальнейшем, при изучении других классов соединений, наряду с изучением их строения и свойств, мы будем уделять внимание также и их номенклатуре.

Молекулы алканов могут иметь линейное и разветвленное строение. Вначале рассмотрим номенклатуру алканов линейного строения.

Названия первых четырех представителей гомологического ряда алканов – метана, этана, пропана и бутана – являются исторически сложившимися или тривиальными. Названия последующих гомологов состоят из греческого числительного, обозначающего число атомов углерода в молекуле алкана и суффикса –ан. Например:

Назвать молекулу алкана разветвленного строения несколько сложнее. Будем руководствоваться очевидным принципом: если объект невозможно назвать целиком, разобьем его на части, и будем называть по частям. При этом логично представить молекулу разветвленного строения, как подобие «дерева», имеющего «ствол», к которому в определенных местах прикреплены «веточки». Задача сводится к определению в названии длины «ствола», «веточек» и мест соединения «веточек» со «стволом».

Основа нашего «дерева» – ствол, который называется главной цепью. Эта цепь имеет максимальную для данной молекулы длину. «Веточки», соединенные с нашим «стволом», представляют собой группы атомов , и т. д. Такие группы называются углеводородными группами. Углеводородные группы называют также углеводородными радикалами.

Названия углеводородных групп состоят из названия алкана с таким же, как и в углеводородной группе, числом атомов углерода и суффикса -ил. Таким образом, группа называется метил, группа или – называется этил,  – пропил и т. д. То есть название углеводородной группы состоит из корня, показывающего число атомов углерода в ней и суффикса –ил. Используются также названия: метильная, этильная, пропильная и т. п. группы.
Теперь составим название алкана, молекулы которого имеют разветвленное строение. Название будет состоять из нескольких частей: названия углеводорода, соответствующего основной цепи, и названий углеводородных групп.
Для наглядности рассмотрим правила номенклатуры алканов на примерах.

Пример №4

Назовем изомер бутана разветвленного строения:

Молекулу данного соединения можно рассматривать как молекулу пропана, в которой второй атом углерода связан с одним атомом водорода и метильной группой . Очевидно, что выбор главной цепи и порядок нумерации в данном случае однозначен. Атомы углерода нумеруются арабскими цифрами. Название этого углеводорода будет двухкорневым словом, в котором имеется корень, указывающий, что главная цепь соединения включает три атома углерода и суффикс –ан, показывающий, что данное соединение принадлежит к классу алканов. Метильная группа при втором атоме углерода обозначается приставкой 2 и названием группыметил, которое, в свою очередь, состоит из корня –мет– и суффикса –ил. Название цифры-приставки пишется через дефис. Эти номера также называют локантами.

В итоге, название углеводорода:

Части слова в названии (корни, приставка и суффиксы) обозначены так, как это принято в русском языке.

Пример №5

Рассмотрим более сложный случай – составим название изомера пентана разветвленного строения.

Выбираем в молекуле главную цепь, которая должна иметь максимальную длину. Атомы углерода главной цепи нумеруем арабскими цифрами. Нумерацию следует начинать с того конца, к которому ближе находится заместитель:

Как видно, главная цепь содержит четыре атома углерода, что соответствует алкану, название которого бутан.

Углеводородная группа (в данном случае или метил), соединенная с главной цепью, фигурирует в названии углеводорода в качестве отдельной части слова с номером атома углерода главной цепи, с которым она связана. В итоге наш углеводород будет называться 2-метилбутан.

Таким образом, название алкана разветвленного строения представляет собой многокорневое слово, где сначала идут названия углеводородных групп с номерами атомов углерода главной цепи, с которыми они соединены. Далее идет название главной цепи. Оно совпадает с названием углеводорода с таким же числом атомов углерода в молекуле. Заканчиваться название будет суффиксом –ан, одинаковым для всех алканов.

Пример №6

Назовем изомер гептана, имеющий строение:

Главная цепь соединения содержит пять атомов углерода, как у углеводорода пентана. Данный пример интересен тем, что в молекуле имеются две метильные группы, они связаны со вторым и третьим атомами углерода главной цепи.

Отметим, что в случае наличия в молекуле нескольких одинаковых углеводородных групп, их число обозначается дополнительной приставкой, соответствующей греческому числительному, например: диэтил-, трибутил-, пентаметил- и т. д. Таким образом, приставки-цифры укажут на положение углеводородных групп в молекуле, а приставки – греческие числительные на их общее количество. Поэтому перед названием метил– необходимо поставить приставку ди–.

Название соединения:

Возникает вопрос: а можно ли пронумеровать атомы углерода в этой же молекуле с другого конца и назвать соединение 3,4-диметилпентан? Так делать нельзя, следует нумеровать атомы углерода с того конца, к которому ближе находится первый заместитель.

Пример №7

Рассмотрим еще более сложный пример. Назовем алкан следующего строения:

Самая длинная цепь в молекуле углеводорода включает семь атомов углерода. Нумеровать их следует слева направо – с конца, к которому ближе находится первый заместитель. Следует отметить, что цепь, выделенная штрихом, также содержит семь атомов углерода, но эту цепь нельзя выбрать в качестве главной. Если в молекуле имеется несколько цепей атомов углерода одинаковой длины, то в качестве главной выбирают цепь, содержащую наибольшее число заместителей (наиболее замещенную цепь).

В данной молекуле имеются четыре метильные и одна этильная группы. В названии их следует перечислять в алфавитном порядке, то есть сначала метильные, затем этильную группы. Второй атом углерода связан с двумя метильными группами, положение каждой из них должно быть отражено в названии, следовательно, цифра 2 перед частью слова, отражающего положение метильных групп, должна фигурировать дважды.
Название углеводорода: 2,2,4,5-тетраметил-3-этилгептан.

Пример №8

Решим обратную задачу – напишем структурную формулу алкана по его названию. Название алкана:

Проведем разбор слова, так, как это делается на уроках русского языка, обозначив части слова принятыми для этого знаками.

Названия корней слова обозначают длины главной цепи молекулы и цепей углеводородных групп: -мет- – корень названия метильной группы, содержащей один атом углерода; -эт- – корень названия этильной группы, содержащей два атома углерода; -гепт- – корень названия главной цепи, содержащей семь атомов углерода.

Цифры-приставки обозначают, что второй и пятый атомы главной цепи связаны с двумя метильными группами, третий атом – с метильной и этильной группами. Общее число метильных групп в молекуле – пять – показывает приставка -пента- (от греческого пять) перед первым корнем.

Суффиксы -ил- указывают на то, что соответствующие фрагменты молекулы являются углеводородными группами: метил, этил. Суффикс –ан на конце слова свидетельствует о принадлежности углеводорода к классу алканов.
Теперь можно написать формулу:

Из приведенных примеров видно, что возможности систематической номенклатуры практически неограниченны и позволяют называть углеводороды самого сложного строения, так как в основе формирования названий органических соединений лежат обычные принципы словообразования.

Название углеводорода разветвленного строения представляет собой многокорневое слово, корни которого обозначают длины главной цепи и цепей углеводородных групп. Суффиксы –ил фигурируют в названиях углеводородных групп. Суффикс –ан на конце слова указывает на принадлежность соединения к классу алканов. Система приставок показывает местоположение углеводородных групп и их количество.
 

Химические свойства алканов:

Из материалов предыдущих параграфов вы познакомились со строением молекул алканов, их изомерией, физическими свойствами и номенклатурой. Число алканов, в принципе, неограниченно, поэтому может показаться, что их химических свойств будет также много. Но, как известно из теории строения химических соединений, свойства вещества определяются его строением, а строение молекул алканов однотипно: атомы углерода связаны между собой неполярными ковалентными одинарными связями, атомы водорода связаны с атомами углерода одинарными малополярными связями. Исходя из этого можно ожидать, что свойства различных алканов будут во многом сходными.
Важнейшее свойство алканов – горение. Алканы воспламеняются при поджигании. Уравнение реакции горения метана:

Эта реакция вам хорошо знакома, она протекает при поджигании газа в кухонной газовой плите, ведь метан – основной компонент природного газа. В газе, которым наполняют газовые баллоны, основными компонентами являются пропан и бутан. Уравнения реакций их горения:

Обратите внимание на то, что в уравнениях химических реакций с участием органических веществ не принято ставить знак равенства (=). Это делается во избежание путаницы с символом двойной связи, имеющим аналогичное написание. Использование стрелки вместо знака равенства в уравнениях химических реакций не освобождает от необходимости уравнивания левой и правой частей уравнения, то есть расстановки коэффициентов.

Последующие члены гомологического ряда алканов также горят при поджигании. Можно записать общее уравнение реакции горения алканов с образованием углекислого газа и воды (n – число атомов углерода в молекуле алкана):

Если горение углеводорода происходит в условиях недостатка кислорода, углерод может окисляться не полностью – не до (углекислого газа), а до СО (угарного газа) и углерода (сажи, формула которой С).

Отметим, что свойство гореть в кислороде присуще всем органическим соединениям, так как в состав их молекул входят атомы углерода и водорода, которые окисляются с образованием оксидов углерода, сажи и воды. Если водород может окисляться с образованием только одного продукта – воды, то углерод может давать углекислый газ, угарный газ и сажу.

В случае горения в условиях недостатка кислорода в продуктах окисления будут присутствовать СО и С. Если сажа – просто копоть, образование которой может привести только к определенным неудобствам, то образование угарного газа при неполном сгорании органического вещества смертельно опасно из-за высокой токсичности СО, поэтому его и называют угарным газом. С этой опасностью можно столкнуться при топке печей и каминов. При преждевременном закрывании печной заслонки горение топлива может протекать в условиях недостатка кислорода с образованием угарного газа. О его образовании свидетельствуют языки пламени голубого цвета в топке – это горит СО. Чтобы избежать опасности отравления, нельзя перекрывать печную заслонку до тех пор, пока в топке появляется пламя голубого цвета.

Как следует из предыдущего свойства, в присутствии кислорода алканы сгорают при нагревании. Если алканы нагревать до высокой температуры в отсутствие кислорода, их молекулы подвергаются термическому разложению с образованием простых веществ, из которых образованы углеводороды, то есть углерода и водорода. Такое свойство веществ называется пиролизом, что в переводе с греческого означает «разложение при нагревании». Общая схема реакции пиролиза алканов:

Еще одним химическим свойством алканов является изомеризация, то есть превращение одного изомера в другой. Это свойство возможно для алканов, начиная с бутана, так как метан, этан и пропан изомеров не имеют. Реакция изомеризации протекает при пропускании алкана через реактор, нагретый до высокой температуры, в присутствии катализатора. При этом молекулы алканов линейного строения превращаются в молекулы разветвленного строения, например, реакция изомеризации бутана:

 

Обратите внимание на то, что при написании уравнений реакций структурных превращений органических веществ, в уравнениях должны присутствовать структурные, а не молекулярные формулы соединений.

В результате химических реакций горения, пиролиза и изомеризации алканов, происходит полное либо частичное разрушение молекул. В то же время, можно ожидать, что алканам должны быть присущи свойства, проявление которых не сопровождается разрушением углеродного скелета молекулы, а заключается лишь в замене атомов водорода другими атомами. Действительно, такие свойства характерны для алканов, а химические реакции, в которых эти свойства проявляются, называются реакциями замещения.

Рассмотрим реакцию замещения на примере взаимодействия метана с хлором. Если смесь газообразных метана и хлора поместить в стеклянный сосуд, и поместить его в темное место, реакция протекать не будет. Взаимодействие происходит только в результате освещения смеси, причем реакция может быть настолько бурной, что возможен взрыв. В результате атомы водорода молекул метана замещаются на атомы хлора:

В результате замещения одного атома водорода молекулы метана атомом хлора, образуется хлорметан который является представителем класса органических соединений, которые называются хлорпроизводными алканов. Другим продуктом реакции является хлороводород.

Хлорпроизводные алканов являются представителями большого класса веществ, которые называются галогенпроизводными углеводородов. В молекулах этих веществ вместо одного или несколько атомов водорода присутствуют атомы галогена. Со многими из этих соединений мы будем встречаться в процессе дальнейшего изучения органической химии.
Взаимодействие метана с хлором не ограничивается замещением только одного атома водорода атомом хлора. Протекает также замещение двух, трех и даже всех четырех атомов водорода атомами хлора:

При обычных условиях хлорметан – газообразное вещество, дихлорметан, трихлорметан, и тетрахлорметан – жидкости со сладковатым запахом, используются в органическом синтезе. Раньше трихлорметан (хлороформ) использовался в медицине как средство для наркоза, сейчас он в этом качестве не применяется, так как для этого найдены менее токсичные вещества.

Как видно, химические свойства алканов не отличаются большим разнообразием. Для них характерны, в основном, реакции окисления (в частности, горения), разложения и изомеризации при высокой температуре, а также реакции замещения, в результате которых получают галогенпроизводные алканов.

Получение и применение алканов:

Алканы широко распространены в природе. О нахождении в окружающей среде метана говорилось ранее. Добавим, что кроме вхождения в состав болотного и рудничного газов, метан – основной компонент природного газа (до 98 %). В небольших количествах метан входит в состав попутного нефтяного газа, основными компонентами которого являются его ближайшие гомологи – этан, пропан и бутан, газообразные при обычных условиях. Жидкие и твердые алканы содержатся в нефти. Установлено, что значительную часть атмосферы Урана (3%) и Нептуна (2%) составляет метан.

Получение алканов:

В промышленности алканы выделяют из природных источников – природного газа, нефти и каменного угля.

Одним из лабораторных методов получения алканов является пиролиз (то есть разложение при нагревании) солей карбоновых кислот в присутствии щелочи. Метан образуется при сильном нагревании твердой смеси натриевой соли уксусной кислоты (ацетата натрия) с гидроксидом натрия. Уравнение реакции:

Метан можно получить из карбида алюминия путем разложения его водой:

Карбид алюминия образуется при прокаливании оксида алюминия с углем при очень высокой температуре:

Еще одним методом получения алканов являются реакции присоединения водорода к углеводородам, молекулы которых содержат двойные либо тройные связи между атомами углерода. Такие реакции называются реакциями гидрирования:

Гидрирование осуществляют пропусканием смеси алкана и водорода через нагретый реактор, заполненный катализатором. Катализаторами реакции гидрирования являются никель, палладий и платина.

Применение алканов:

При горении алканов выделяется очень большое количество теплоты. Этим обусловлено основное направления использования алканов – в качестве источников энергии.

В настоящее время основным источником энергии для современной цивилизации является нефть, точнее углеводороды, из которых она состоит. Этот источник энергии, к сожалению, невозобновляемый. Поэтому поиск возобновляемых источников энергии является одной из важнейших задач, стоящих перед человечеством, так как алканы можно использовать с гораздо большей пользой в качестве ценного сырья для химической промышленности.
Одним из важнейших направлений химической переработки метана является получение из него водорода путем конверсии с водяным паром:

Образующаяся смесь водорода и оксида углерода(II) называется синтез-газом. Его используют для получения метилового спирта. Из водорода, выделенного из синтез-газа, и азота воздуха получают аммиак. Все эти процессы осуществляют в больших масштабах на Гродненском НПО «Азот».

Из алканов путем реакций дегидрирования в больших масштабах получают углеводороды с двойными связями в молекулах:

Реакция дегидрирования, то есть отщепления водорода, является реакцией, обратной реакции гидрирования. Ее осуществляют пропусканием алканов через нагретый реактор, заполненный катализатором. Катализаторы те же, что используются в реакции гидрирования. Напомним, что в случае обратимых реакций (у нас это гидрирование–дегидрирование) катализаторы ускоряют как прямую, так и обратную реакции. Реакции дегидрирования имеют особое значение потому, что в результате их протекания образуются исходные вещества для синтеза пластмасс и каучуков. Подробнее об этом речь будет идти в последующих параграфах.

Из метана в больших масштабах получают также ацетилен. Для этого метан подвергают пиролизу при очень высокой температуре (примерно 1500 °С):

Как видно, алканы занимают важное место в нашей жизни. Без них было бы невозможно обогреть дома, приготовить пищу, обеспечить движение транспорта, получить многие важные для нас вещества.

Установление молекулярной формулы алкана:

Более двух столетий назад химики уже умели определять качественный и количественный состав веществ. Было известно, что в состав метана входят углерод и водород, причем массовая доля углерода составляет 75 %, водорода – 25 %. То есть в 100 граммах метана 75 граммов приходится на углерод, а 25 граммов – на водород. В то же время известно, что относительная атомная масса водорода равна 1, а углерода – 12. Используя эти данные, можно определить, сколько атомов водорода приходится на один атом углерода в метане. Для этого массу углерода в порции вещества массой 100 г следует отнести к массе одного атома, то же сделаем для водорода. Соотношение полученных величин и будет искомым соотношением чисел атомов углерода и водорода:

Таким образом, в молекуле метана на один атом углерода приходится четыре атома водорода, состав молекулы отвечает формуле . Напомним, что по определению, отношение массы к молярной массе есть число моль атомов, молекул и т. д. То есть в метане на один моль атомов углерода приходится четыре моля атомов водорода.

Валентность водорода принималась равной единице, отсюда валентность углерода в метане равна четырем, строение молекулы следующее:

Ближайший гомолог метана – этан – содержит 80 % углерода и 20 % водорода по массе. Расчет числа атомов водорода, приходящихся на один атом углерода, показывает, что это соотношение равно 3 (выполните этот расчет самостоятельно). Таким образом, состав этана отвечает формуле углерод должен был быть трехвалентным! Результаты химического анализа пропана дали даже дробное соотношение числа атомов водорода к числу атомов углерода – 2,67 (81,8 % углерода и 18,2 % водорода). На основании этих данных невозможно было судить о валентности атомов углерода, образующих молекулу пропана. То есть вопрос о валентности атомов углерода в составе молекул простейших углеводородов казался неразрешимым.

Для бутана ситуация оказалась еще более сложной вследствие его существования в виде двух изомеров – соединений, имеющих абсолютно одинаковый состав, но различные физические свойства, что было совершенно необъяснимым. Причиной этого было отсутствие представлений о строении даже простейших органических соединений

Давайте попробуем объяснить экспериментальные результаты, полученные химиками XIX века о составе и физических свойствах простейших углеводородов с позиций современной науки.

Состав этана, в молекуле которого на один атом углерода приходится три атома водорода, отражает формула Такая формула называется простейшей.
Установление истинной, то есть молекулярной формулы газообразного вещества может быть осуществлено на основании сопоставления результатов химического анализа этого вещества со значением его плотности, которую можно измерить экспериментально. Поясним это на примере этана.
Плотность этана при нормальных условиях (0 ºС, 101,3 KПа) равна 1,34 г/дм3. То есть 1 дм3 или 1 л этана при н. у. имеет массу 1,34 г. Отсюда легко найти значение молярной массы этана, поскольку, в соответствии с первым следствием из закона Авогадро, один моль газа при нормальных условиях занимает объем, равный 22,4 дм3. Умножим массу одного дм3 на 22,4:

Молярная масса этана равна 30 г/моль. Выведем молекулярную формулу этана. Для этого определим, сколько раз простейшая формула вещества укладывается в его истинную, то есть молекулярную формулу. Молярная масса простейшего фрагмента этана равна 15 г/моль(). Отсюда:

Таким образом, мы установили, что молекулярная формула этана или . Структурная формула:

Для пропана, как было сказано выше, простейшая формула выглядит довольно необычно: . Плотность пропана при нормальных условиях равна 1,88 г/см3. Для получения целочисленного соотношения атомов в молекуле необходимо утроить простейшую формулу (выполните соответствующие вычисления самостоятельно). Молекулярная формула пропана .

Структурная формула пропана:

Как видно, представления о том, что атомы углерода в составе молекул органических соединений проявляют валентность, равную четырем и могут образовывать химические связи между собой, позволяют сегодня легко объяснить экспериментальные факты, заводившие в тупик ученых прошлого.
Мы рассмотрели вывод молекулярных формул алканов по массовым долям углерода и водорода в веществе. Эти данные получают на основании эксперимента по определению масс оксида углерода и воды, образующихся при сжигании определенной массы (навески) углеводорода. Для этого навеску исследуемого вещества сжигают в печи в струе кислорода, образовавшиеся СО2 и пары воды улавливают с помощью специальных приемников, которые взвешивают до и после сжигания. Увеличение массы приемников и есть массы поглощенных углекислого газа и воды, образовавшихся в результате сжигания органического вещества.

А теперь представим себя на месте исследователя, получившего в результате сжигания 0,504 г неизвестного алкана 1,540 г углекислого газа и 0,756 г воды.
Сначала необходимо определить мольное соотношение атомов углерода и водорода в молекуле алкана, то есть вывести простейшую формулу соединения. Для этого можно было бы рассчитать массу углерода в углекислом газе и водорода в воде, затем вычислить массовые доли углерода, водорода и выполнить расчет, аналогичный описанному в начале параграфа. Но мы сделаем это значительно проще. Рассчитаем число моль углекислого газа и воды, образовавшихся в результате сжигания:

Уравнение реакции, протекающей при сжигании алкана:

На основании закона сохранения массы можно утверждать, что весь углерод, содержавшийся в исходном алкане «перекочевал» в а весь водород – в . Таким образом, число моль атомов углерода в исходной навеске алкана равно числу моль углерода в

Число моль атомов водорода в исходной навеске алкана будет в два раза больше, чем число моль воды, образовавшейся в результате сжигания алкана, так как в одной молекуле воды содержится два атома углерода. Чтобы было понятнее, представим себе одинаковые коробочки, в каждой из которых помещено по два шарика. Очевидно, что число шариков будет в два раза больше числа коробочек. В нашем случае «коробочкой» является молекула воды, «шариком» – атом водорода.

Отсюда:

Теперь нетрудно определить мольное соотношение атомов углерода и водорода в молекуле алкана и вывести его простейшую формулу:

Простейшая формула

Для вывода истинной формулы в данном случае необязательно знание плотности паров нашего вещества – ведь оно может быть не только газообразным, но жидким и даже твердым при нормальных условиях (вспомните физические свойства алканов). Дополнительная информация, которой мы располагаем – принадлежность вещества к классу алканов, то есть соответствие его истинной формулы общей формуле . Соотношение числа атомов углерода и водорода, равное 1 : 2,4, должно подчиняться общему соотношению n/(2n+2). Составим уравнение:

2,4n = 2n+2 ⇒ 0,4n = 2 ⇒ n = 5

Углеводород – пентан

Обобщим вышеизложенное. На основании количественного состава соединения и относительных атомных масс атомов, входящих в его состав, мы можем вычислить мольное соотношение атомов в молекуле соединения. Данные по количественному составу могут представлять собой, как массовые доли химических элементов, так и результаты химического анализа, в частности, массы углекислого газа и воды, измеренные в результате сжигания определенной навески вещества.

Мольное соотношение атомов позволяет вывести простейшую формулу соединения, то есть определить, сколько атомов водорода приходится на один атом углерода. Для вывода истинной, то есть молекулярной формулы необходимы дополнительные данные. Мы рассмотрели, как можно вывести молекулярную формулу газообразного углеводорода на основании значения его плотности, а также на основании принадлежности его к классу алканов.
В дальнейшем мы будем использовать описанные представления для вывода формул более сложных соединений, в том числе природного происхождения.

Циклоалканы

Вы уже знаете, что атомы углерода способны соединяться между собой ковалентными связями с образованием цепей, которые могут включать десятки и даже тысячи звеньев. Наиболее простой вариант такого соединения атомов углерода в линейные и разветвленные цепи познакомил нас с классом алканов, в молекулах которых четырехвалентные атомы углерода связаны между собой ковалентными одинарными связями. Атомы углерода, связанные между собой, формируют углеродный скелет, остальные связи они образуют с одновалентными атомами водорода. Зная такую особенность атомов углерода, можно предположить, что, помимо линейных и разветвленных цепей, могут существовать и циклические структуры, в которых имеется замкнутая цепь из атомов углерода.

Интересно знать:

Одним из первых идею о том, что атомы углерода могут образовывать циклы, высказал выдающийся немецкий химик Август Кекуле (1829 – 1896), разгадывая загадку строения молекулы бензола, с которым мы познакомимся немного позже. Существует версия, что к этой идее ученого подтолкнул вид нескольких обезьян в зоопарке, схвативших друг друга за лапы и хвост. Другие историки считают, что Кекуле приснилась углеродная цепь как извивающаяся змея, которая ухватила себя за хвост, и так замерла… Это напоминает легенду о том, что Периодическую таблицу Дмитрий Иванович Менделеев также увидел во сне. Но не думайте, что великие ученые только и делали, что спали. Этим «вещим снам» предшествовала огромная работа, которая не прекращалась даже во сне.

В дальнейшем было установлено, что соединения, имеющие циклическое строение, существуют. В простейшем случае их молекулы включают цикл из атомов углерода, связанных между собой одинарными ковалентными связями, эти соединения называются циклоалканами.

Примеры циклоалканов:

Структурные формулы циклоалканов, как правило, пишут в сокращенном виде посредством скелетных формул:

Молекулярная формула циклопропана , циклобутана – циклопентана – циклогексана – Молекулы этих циклоалканов состоят из фрагментов замкнутых в циклы. Таким образом, состав циклоалканов отвечает общей формуле , где n – число атомов углерода в молекуле.
Молекулы циклоалканов могут включать углеводородные группы, связанные с циклом:

Молекулярные формулы этих циклоалканов также соответствуют общей формуле (убедитесь в этом самостоятельно). Если сравнить молекулярные формулы циклоалканов с формулами алканов, видно, что в молекуле циклоалкана на два атома водорода меньше, чем в молекуле алкана с таким же числом атомов углерода. Вспомним общую формулу алканов: . У циклоалканов на два атома водорода меньше, отсюда их общая формула

Циклоалканы – органические соединения, молекулы которых содержат цикл из атомов углерода, связанных между собой одинарными ковалентными связями, состав которых соответствует общей формуле

Циклоалканы относятся к так называемым карбоциклическим соединениям, то есть соединениям, молекулы которых содержат цикл из атомов углерода.

Изомерия циклоалканов:

Циклоалканам, также, как и алканам, свойственна изомерия. Например, могут существовать два циклоалкана состава :

Отметим, что возможности существования изомеров у циклоалканов более широкие, чем у алканов, так как помимо изомерии углеродного скелета у циклоалканов могут существовать структурные изомеры, различающиеся числом атомов углерода в цикле, строением и положением заместителей. Например, у пентана, как известно, три изомера: пентан, 2-метилбутан и 2,2-диметилпропан. Определим число возможных циклоалканов с тем же числом атомов углерода в молекуле, то есть состава . Во-первых, это собственно циклопентан:

В молекуле циклоалкана состава четыре атома углерода могут образовывать цикл, а один – боковую цепь:

 

Соединение такого строения называется метилциклобутан.
Существуют также изомерные циклоалканы состава , молекулы которых включают цикл из трех атомов углерода. В этом случае с циклом связаны либо две метильные группы, причем метильные группы могут находиться как у одного атома углерода, так и у соседних, либо одна этильная:

Таким образом, очевидно, что возможности изомерии циклоалканов значительно шире, чем таковые для алканов. В связи с этим возникает вопрос о номенклатуре этих многочисленных соединений.

Номенклатура циклоалканов:

Основные принципы номенклатуры такие же, как и в случае алканов, только вместо цепи наибольшей длины (главной цепи) в качестве основы названия выбирают цикл. Принадлежность соединения к классу циклоалканов указывает приставка цикло- перед корнем, который показывает число атомов углерода в цикле. Для обозначения положения заместителей атомы углерода цикла нумеруют, и названия заместителя фигурирует в названии соединения в виде соответствующей приставки с номером атома углерода, с которым связан данный заместитель. Используя эти правила, назовем изомерные замещенные циклопропаны состава :

Как видно, принципы систематической номенклатуры можно с успехом использовать для составления названий циклоалканов.

По своим физическим свойствам циклоалканы похожи на алканы. При комнатной температуре циклопропан и циклобутан – газы, – бесцветные жидкости со специфическим запахом, высшие циклоалканы являются твердыми веществами. Циклоалканы практически нерастворимы в воде.

Рассмотрим химические свойства циклоалканов.

Подобно алканам, циклоалканы горят при поджигании. Уравнение реакции в общем виде:

Так же, как и алканы, циклоалканы не реагируют с кислотами и щелочами, химическая инертность обусловливает еще одно название этих соединений – циклопарафины.

В то же время, наличие цикла в молекуле обусловливает возможность его раскрытия с образованием молекулы линейного строения. Для образования устойчивого продукта, по месту раскрытия цикла должны присоединиться одновалентные атомы, например атомы водорода. Действительно, при пропускании смеси циклопропана с водородом над нагретым катализатором образуется пропан:

Аналогично протекает реакция для смеси циклобутана с водородом, при этом образуется бутан.

Реакции такого типа называются реакциями присоединения. В частности, знакомая нам реакция присоединения водорода, называется реакцией гидрирования.

Забегая несколько вперед, отметим, что присоединение водорода возможно не только за счет раскрытия цикла, как у циклоалканов, но также и за счет раскрытия двойных и тройных связей. Углеводороды, в молекулах которых имеются кратные связи, мы будем изучать в дальнейшем.

Циклоалканы встречаются в природе. Они входят в состав нефти, этим обусловлено еще одно название данного класса углеводородов – нафтены.

Алкены

Мы продолжаем изучать удивительную науку – органическую химию. Давайте вспомним, с чего мы начинали. Простейшее органическое соединение – метан Его молекула представляет собой правильный тетраэдр, в центре которого находится четырехвалентный атом углерода, связанный с четырьмя одновалентными атомами водорода одинарными ковалентными связями:

В молекулах других алканов каждый четырехвалентный атом углерода одну, две, три и даже четыре связи образует с другими атомами углерода:

Все связи в молекулах одинарные. Такая же картина и у циклоалканов – все ковалентные связи одинарные, только углеводородная цепь в молекулах этих соединений замкнута в цикл:

Вы уже знаете, что атомы могут быть связаны между собой не только одинарными, но двойными и даже тройными связями. Двойные и тройные ковалентные связи называются кратными.

Кратные связи имеются в молекулах неорганических соединений, например, две двойные – в молекуле диоксида углерода тройная – в молекуле азота

Рассмотрим, как образуются молекулы органических веществ, содержащие двойную связь C=C. Простейшим таким веществом является этилен .
У атома углерода четыре валентных электрона. При образовании этилена три электрона располагаются на орбиталях, лежащих в одной плоскости и образующих фигуру, напоминающую трехлопастный пропеллер:

Углы между осями орбиталей равны 120º. В молекуле этилена два таких атома углерода образуют ковалентную связь между собой и четыре связи с атомами водорода, причем все шесть атомов будут располагаться в одной плоскости:

Как видно, области перекрывания электронных облаков лежат на линиях, соединяющих ядра атомов. Такие связи называются σ-связями.
Но у атома углерода имеется еще один неспаренный электрон. Орбиталь, которую он занимает, расположена вдоль оси х, перпендикулярной к плоскости, на которой лежит трехлопастный «пропеллер»:

Такие орбитали образуют две области перекрывания, расположенные сверху и снизу плоскости молекулы:

Поскольку имеет место перекрывание электронных облаков, очевидно, что образовалась еще одна ковалентная связь между атомами углерода. Несмотря на то, что областей перекрывания две, связь только одна, так как ее образуют по одному электрону от каждого атома. Связи, для которых области перекрывания электронных облаков не лежат на линии, соединяющей ядра атомов, называются π-связями.

В структурных формулах σ и π-связи обозначаются одинаковыми черточками:

С=С

В электронной формуле двойная связь обозначается следующим образом:

С::С

Подробно рассмотрев механизм образования двойной связи между атомами углерода, мы уже можем судить о строении молекулы этилена. Молекула имеет плоскостное строение, то есть все атомы лежат в одной плоскости:

В этой плоскости располагается система σ-связей, а две области перекрывания электронных облаков π-связи находятся по обе стороны плоскости.
Этилен является простейшим представителем алкенов – углеводородов, молекулы которых содержат одну двойную связь. Алкены называют также олефинами.

Этилен при нормальных условиях представляет собой бесцветный газ почти без запаха, немного легче воздуха, температура кипения -104 ºС.

Ближайший гомолог этилена – пропилен. В молекуле пропилена имеется одна метильная группа: Пропилен при нормальных условиях газ с температурой кипения -48 ºС.

Молекулярная формула пропилена . Как видно, соседние члены гомологического ряда, как и в случае алканов, различаются по составу на группу Совершенно очевидно, что следующий гомолог должен иметь состав Отсюда легко можно вывести общую формулу алкенов – – и дать определение этому классу соединений.

Алкены – углеводороды общей формулы молекулы которых содержат одну двойную связь.

Изомерия алкенов:

Ранее отмечалось, что многообразие органических соединений во многом обусловлено явлением изомерии – возможностью существования соединений одинакового состава, но разного строения. Рассмотрим изомерию алкенов.
Очевидно, что не существует алкенов, изомерных этилену и пропилену. Аналогичная ситуация наблюдалась и для алканов – у этана и пропана также нет изомеров. Явление изомерии проявлялось в ряду алканов, начиная с бутана. Вспомним строение молекул бутана и изобутана:

Рассмотрим возможное строение алкенов состава Простейший вариант – линейная (неразветвленная) цепь атомов углерода и двойная связь в ее начале:

Следующий вариант – двойная связь между вторым и третьим атомами углерода:

Возможен еще один вариант: разветвленная цепь из трех атомов углерода, одна связь между которыми двойная, и метильная группа у второго атома углерода:

Запишем структурные формулы изомеров в виде скелетных:

Следует различать изомеры положения двойной связи, в данном случае это соединения 1 и 2. Соединение 3, в свою очередь, является изомером углеродного скелета по отношению к соединениям 1 и 2.

Как видно, возможности изомерии соединений класса алкенов более широкие, чем в случае алканов. Существует два изомерных алкана состава тогда как алкенов состава уже три. Как вы помните, существует девять изомерных алканов состава, алкенов с семью атомами углерода в молекулах тридцать пять. С увеличением числа атомов углерода в молекулах число изомерных алкенов стремительно увеличивается. Алкенов состава сто пятьдесят четыре, тогда как алканов «всего лишь» тридцать пять.
Мы изучили возможности изомерии алкенов, но сразу возникает проблема с их номенклатурой. Как же называть каждое соединение из этого огромного множества?

Номенклатура алкенов:

Основные принципы номенклатуры органических соединений мы рассмотрели ранее на примере алканов. Расширим эти представления для алкенов.
В молекуле алкена следует выбрать цепь максимальной длины (главную цепь). Эта цепь должна включать двойную связь (иначе как мы ее обозначим?). Далее, как и в случае алкана, называются углеводородные группы, присоединенные к главной цепи. Вместо суффикса –ан в конце слова ставится суффикс –ен с номером атома углерода, с которого начинается двойная связь. С какого конца цепи начинать нумерацию? Следует учитывать, что атом углерода, с которого начинается двойная связь, должен получить наименьший номер.

А теперь, используя изученные правила, назовем алкены, формулы которых приведены выше.

Этилен в соответствии с правилами систематической номенклатуры называется этен. Пропилен – пропен.

Общее название алкенов состава – бутены. Назовем каждый из них:

Пример:

Назовем алкен следующего строения:

Выберем главную цепь соединения. В данном случае выбор не представляет трудностей, это самая длинная горизонтально расположенная цепь, она включает двойную связь. Пронумеруем атомы углерода:

Главная цепь включает шесть атомов углерода, двойная связь начинается со второго атома углерода, поэтому на конце названия будет суффикс –ен с цифрой 2, Две метильные группы при четвертом и пятом атомах углерода будут обозначаться, как и в случае алканов, соответствующими номерами. В итоге, название соединения: 4,5-диметилгексен-2.

Пространственная изомерия алкенов:

Теперь, когда мы изучили основные особенности строения молекул алкенов и научились их называть, рассмотрим еще один возможный для них вид изомерии.

Известные нам изомерия углеродного скелета и изомерия положения двойной связи являются разновидностями структурной изомерии. Структурной изомерией не ограничиваются возможности существования соединений, одинаковых по составу, но разных по строению молекул. Сейчас мы увидим, что даже при одинаковой последовательности соединения атомов могут образовываться разные молекулы.

Рассмотрим строение молекулы гомолога этилена с четырьмя атомами углерода в молекуле – бутена-2:

Орбитали атомов углерода, образующие σ-связи между ними, лежат в одной плоскости:

Ось двойной связи показана на рисунке пунктирной линией. Метильные группы расположены по разные стороны оси.

Казалось бы, метильные группы можно расположить по одну сторону оси, повернув один фрагмент на 180º и получив следующую структуру:

В случае одинарных С–С связей возможно свободное вращение вокруг оси связи, поэтому при обычных условиях молекулы алканов могут принимать различные формы, для молекулы пентана они могут быть следующими:

Несмотря на разную пространственную форму, которую могут принимать молекулы алкана, все они являются молекулами одного и того же вещества. Компоненты с молекулами определенной формы выделить из смеси невозможно, так как они практически не зафиксированы и постоянно переходят одна в другую. В одном из учебников по органической химии совокупность молекул алканов сравнили со скоплением непрерывно извивающихся червячков.

Свободное вращение вокруг одинарной связи углерод-углерод наглядно можно продемонстрировать с помощью шаростержневых моделей молекул. На рисунке приведены модели молекулы этана, в которых метильные группы повернуты вокруг оси связи С–С на разные углы:

Совершенно другая ситуация в случае наличия двойной связи между атомами углерода. Напомним, что двойная связь состоит из σ-связи и π-связи. Области перекрывания электронных облаков π-связи лежат над плоскостью молекулы и под ней. Эти области перекрывания препятствуют свободному вращению вокруг оси двойной связи.

За счет отсутствия свободного вращения, части молекулы, находящиеся по разные стороны связи С=С зафиксированы, и для того, чтобы поменять их местами нужно разорвать π-связь, повернуть часть молекулы на 180º и опять восстановить π-связь. То есть по существу, речь идет о синтезе нового соединения. Поэтому молекулы алкенов, в которых заместители могут занимать различное положение относительно оси двойной связи, являются молекулами разных веществ.

Вернемся к рассмотрению строения молекулы бутена-2. Скелетная формула молекулы, в которой метильные группы находятся по разные стороны оси двойной связи следующая:

Такое расположение заместителей называется транс-расположением, а соответствующий изомер – транс-изомером.

В случае расположения метильных групп по одну сторону двойной связи скелетная формула выглядит следующим образом:

Расположение заместителей по одну сторону двойной связи называется цис-расположением, изомер – цис-изомером.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что бутен-2 существует в виде двух изомеров, в молекулах которых последовательность связывания атомов совершенно одинаковая, но пространственное расположение их различается.

Об индивидуальности этих веществ свидетельствуют различные температуры их кипения. Температура кипения транс-бутена-2 составляет 0,9ºС, у цис-бутена-2 она более чем на 2º выше (3,5ºС). Еще значительнее различаются температуры плавления этих веществ: –106ºС и –139ºС для транс- и цис- изомеров соответственно.

Такие изомеры называются пространственными изомерами, а соответствующий вид изомерии – пространственной изомерией.

Пространственная изомерия – возможность существования соединений, имеющих одинаковую последовательность соединения атомов в молекулах, но различное их пространственное расположение.

Пространственная изомерия возможна только для алкенов, имеющих заместители у обоих атомов углерода, образующих двойную связь. Например, изомеры бутена-2 не могут существовать в виде двух пространственных изомеров. Изомерами бутена-2 являются бутен-1 и 2-метилпропен. Рассмотрим строение их молекул:

Очевидно, что поворот группы = на 180º не изменяет молекулы ни бутена-1, ни 2-метилпропена. Отсюда следует, что среди изомерных бутенов только бутен-2 может существовать в виде пространственных изомеров.
Мы познакомились с частным случаем пространственной изомерии – цис-, транс-. Этот вид изомерии называется также геометрической изомерией. Более сложные виды пространственной изомерии изучаются в курсах химии высшей школы.

Химические свойства алкенов:

Рассмотрим химические свойства алкенов. Начнем с реакций окисления.
Так же, как и все углеводороды, они горят при поджигании:

Уравнение реакции горения алкенов в общем виде:

В результате сжигания алкенов, также как и алканов, углерод может окисляться до углекислого газа (), угарного газа (СО) и сажи (С).

Окисление алкенов может протекать и без разрушения связи углерод–углерод. Так, при пропускании этилена через разбавленный водный раствор перманганата калия () фиолетового цвета, окраска исчезает. Перманганат калия расщепляет π-связь в молекуле этилена, при этом σ-связь между атомами углерода сохраняется. Протекание этой реакции мы отобразим не с помощью уравнения, а упрощенно в виде схемы. Схема реакции окисления этилена водным раствором перманганата калия выглядит следующим образом:

В схемах обычно изображают формулы исходного органического вещества и продукта его превращения. При этом легче проследить за изменениями органического вещества в ходе реакции. В схемах, как правило, ставят коэффициенты только перед формулами органических веществ. Формулы веществ, под действием которых происходит превращение органического вещества, принято писать над стрелкой. В данном случае это перманганат калия () и растворитель (вода).

Из схемы видно, что π-связь в ходе данной реакции раскрывается, к атомам углерода присоединяются две кислородсодержащие ОН - группы, то есть этилен окисляется. В результате образуется этиленгликоль, представитель многоатомных спиртов, которые мы будем изучать в дальнейшем.
Написание схем реакций часто оказывается более удобным, чем уравнений, поэтому мы будем в дальнейшем использовать этот способ отображения протекания химических реакций.

В результате пропускания этилена водный раствор перманганата калия обесцвечивается. В связи в этим данную реакцию используют для качественного обнаружения двойных связей в органических соединениях.

Важнейшее свойство алкенов, молекулы которых содержат двойную связь – способность присоединять многие вещества. При этом происходит разрыв π-связи, прочность которой меньше, чем σ-связи.

Такие реакции называются реакциями присоединения. Вы уже познакомились с ними, изучая циклоалканы. Очевидно, что алканы не могут вступать в них, ведь они являются предельными углеводородами. Алкены относятся к непредельным или ненасыщенным углеводородам, следовательно, могут вступать в реакции присоединения.

Алкены присоединяют водород, галогены, галогеноводороды:

Напомним, что реакция присоединения водорода называется реакцией гидрирования. Реакции присоединения хлора и других галогенов называются реакциями галогенирования, присоединения галогеноводородов – гидрогалогенирования. Реакция гидрирования протекает в присутствии катализатора (никель, палладий, платина), тогда как галогенирование и гидрогалогенирование не требуют катализа.

При пропускании этилена через растворы брома в воде или других растворителях (четыреххлористый углерод, хлороформ ), имеющие коричневую окраску, растворы обесцвечиваются вследствие взаимодействия этилена с бромом. Эта реакция, наряду с реакцией обесцвечивания водного раствора перманганата калия, является качественной реакцией на соединения, молекулы которых содержат двойную связь.

Качественные реакции на двойную связь:

Обесцвечивание водного раствора брома вследствие взаимодействия этилена с бромом и с реакция обесцвечивания водного раствора перманганата калия
Алкены могут присоединять воду. Такая реакция называется реакцией гидратации. Катализатором этой реакции являются минеральные кислоты, такие как серная и фосфорная:

При гидратации этилена образуется этиловый спирт. Так получают технический этиловый спирт в промышленности.

Алкенам присуще еще одно интереснейшее свойство. За счет раскрытия двойных связей отдельные молекулы могут «объединяться» в гигантские молекулы, в образовании каждой из которых участвуют сотни и даже тысячи молекул алкенов. Такие реакции называются реакциями полимеризации:

Полимеризоваться могут и другие алкены, в частности, пропилен:

Название продуктов реакций вполне очевидны и хорошо известны – полиэтилен и полипропилен. Эти вещества вам хорошо знакомы. Из полиэтилена изготавливают полиэтиленовую пленку, посуду, предметы домашнего обихода и многое другое. Полипропилен очень похож на полиэтилен и отличается от него только повышенной прочностью и термостойкостью. Из полипропилена изготавливают пленку для теплиц, корпуса автомобильных аккумуляторов и многое другое. Полиэтилен и полипропилен – представители полимеров, синтетических материалов, значение которых в нашей жизни невозможно переоценить. Со многими полимерами вы познакомитесь в дальнейшем, изучая органическую химию.

Как видно из уравнений реакций, из n моль этилена и пропилена образуются полимеры, содержащие в каждой молекуле n фрагментов молекул алкена. Это число называется степенью полимеризации. Вещества, из которых синтезируют полимер, называются мономерами. Образующиеся в результате реакции полимеризации большие молекулы полимера называются макромолекулами.
Свойство вступать в реакцию полимеризации обусловливает важнейшее значение алкенов в нашей жизни. Если алканы используются, в основном как источники энергии, то есть их просто сжигают для получения теплоты, алкены – сырье для получения полимеров и других веществ. В следующем параграфе мы рассмотрим получение и применение алкенов.

Получение и применение алкенов:

В отличие от алканов и циклоалканов, в природе в больших количествах алкены не встречаются вследствие высокой химической активности. Для получения алкенов и полимеров на их основе созданы целые отрасли промышленности, занимающие важное место в экономике многих стран. В Республике Беларусь полиэтилен и полипропилен получают в Новополоцке на производственном объединении «Полимир».

Среди всех органических веществ, получаемых в промышленности, этилен занимает первое место по объемам производства. Рассмотрим способы получения этилена и других алкенов.

Получение алкенов:

В лаборатории алкены можно получить в результате реакции отщепления воды от спиртов. Реакция отщепления молекулы воды называется реакцией дегидратации.

Этилен можно получить в результате реакции дегидратации этилового спирта. Для этого смесь этилового спирта с концентрированной серной кислотой нагревают в пробирке с газоотводной трубкой. При этом выделяется этилен. Уравнение реакции:

Выделяющийся этилен легко обнаружить с помощью качественных реакций на алкены. Если его пропустить через бромную воду либо разбавленный водный раствор перманганата калия, они обесцветятся.

Помимо реакции дегидратации спиртов, в лаборатории алкены получают из галогенпроизводных. При действии спиртового раствора щелочи от молекулы галогенпроизводного отщепляется галогеноводород, в результате образуется молекула алкена:

Такие реакции называются реакциями дегидрогалогенирования.
Вышеописанные способы получения алкенов дегидратацией спиртов и дегидрогалогенированием галогенпроизводных используются только в качестве лабораторных методов.

Для получения алкенов в промышленных масштабах требуется дешевое сырье, которым являются алканы. В связи с этим основным промышленным способом получения алкенов является дегидрирование алканов. Cырьем для получения этилена является этан, пропилена – пропан:

Этан и пропан выделяют из попутного нефтяного газа.

Кроме этого, этилен получают путем расщепления других алканов, в частности, бутана при высокой температуре в присутствии катализаторов:

Расщепление молекул высших алканов на более мелкие называется крекингом (от английского to crack – расщеплять). Процессы крекинга широко используются в промышленности при переработке нефти.

Применение алкенов:

Основная область применения алкенов – получение полимеров посредством реакции полимеризации. Из этилена и пропилена получают полиэтилен и полипропилен, из которых изготавливают самые разнообразные изделия, используемые в быту и промышленности.

Реакцией гидратации этилена получают технический этиловый спирт, в качестве катализатора используют фосфорную кислоту.
В результате присоединения хлора к этилену получают 1,2-дихлорэтан, который применяют в качестве растворителя:

Этилен ускоряет созревание различных плодов, что обусловливает его использование в этом качестве. Кроме этого, алкены применяются для синтеза различных органических веществ.

Алкадиены

Следующий класс органических соединений, с которым нам предстоит познакомиться – алкадиены. Как следует из названия класса, молекулы этих соединений содержат в составе молекул две двойные связи углерод–углерод. Эта особенность строения отражена в названии класса –диены. Алкадиены называют также диеновыми углеводородами или просто диенами.

Выведем общую молекулярную формулу класса. Напомним, что общая формула класса алканов , Образование одной двойной связи либо цикла приводит к уменьшению содержания водорода в молекуле на два атома, поэтому общая формула алкенов и циклоалканов . Образование двух двойных связей между атомами углерода сократит содержание атомов водорода в молекуле еще на два, следовательно, общая формула будет .

Алкадиены – углеводороды общей формулы , молекулы которых содержат две двойные связи.

Изомерия и номенклатура алкадиенов:

Вспомним, какие простейшие представители имелись в ранее изученных классах углеводородов. Ряд алканов начинался с метана , то есть в составе молекулы простейшего алкана один атом углерода. Для образования двойной связи требуются два атома углерода, поэтому молекула простейшего представителя алкенов – этилена содержит два атома углерода.
Для образования двух двойных связей молекула углеводорода должна включать, как минимум, три атома углерода, следовательно, структурная формула простейшего алкадиена, . Его состав соответствуют общей молекулярной формуле алкадиенов .

Назовем это соединение, пользуясь известными нам правилами номенклатуры. В составе молекулы три атома углерода, название соответствующего алкана пропан. Суффикс –ан в окончании названия заменяем на –ен, перед ним ставим еще один суффикс –ди–, обозначающий наличие двух двойных связей. Название соединения пропадиен (дополнительный суффикс –а– введен для благозвучия названия).

У пропадиена имеется ближайший гомолог – углеводород следующего строения:

Назовем его по правилам химической номенклатуры. Пронумеруем атомы углерода, начиная с атомов, образующих двойные связи. В молекуле четыре атома углерода, следовательно, корень названия бут-, Суффиксы –ди– и –ен, указывают на наличие двух двойных связей. Если в предыдущем случае положения двойных связей были однозначными, для данного соединения их необходимо указать. Поступаем, как и в случае алкенов – в конце названия указываем положения двойных связей с номерами атомов углерода, с которых они начинаются:

бутадиен-1,2

У бутадиена-1,2 имеется изомер – бутадиен-1,3, в молекуле которого двойные связи не следуют одна за другой, а чередуются с одинарной связью углерод – углерод:

бутадиен-1,3

Как видно, бутадиен-1,2 и бутадиен-1,3 являются изомерами положения двойных связей. Оба они имеют состав . Этими двумя структурными изомерами ограничивается число диенов с четырьмя атомами углерода в молекуле. Отметим, что пропадиен является единственным диеном состава .

Для диеновых углеводородов возможна также изомерия углеродного скелета, для этого молекула диена должна содержать число атомов углерода больше четырех. Алкадиены с пятью атомами углерода в молекуле, имеющие состав могут иметь разветвленный углеродный скелет:

Алкадиен состава имеет также изомеры с линейным углеродным скелетом:

пентадиен-1,3

пентадиен-1,4

Рассмотрим пространственное строение диеновых углеводородов на примере бутадиена-1,3. σ-Cвязи в молекуле бутадиена-1,3 располагаются в одной плоскости. Углы между связями близки к 120º. Четыре таких атома будут образовывать изогнутую цепочку, углы между связями в которой также примерно 120º:

В молекуле имеются две двойные связи. Напомним, что двойная связь состоит из одной σ-связи и одной π-связи. π-Связь образуется за счет бокового перекрывания орбиталей. Области перекрывания электронных облаков находятся над плоскостью, в которой лежат атомы углерода и под ней:

Посмотрим внимательнее на схему электронного строения молекулы бутадиена-1,3, то есть на своеобразный «вид сверху»:

В молекуле имеется боковое перекрывание орбиталей между первым и вторым, а также третьим и четвертым атомами углерода, что отражено в структурной формуле соединения – двойные связи между соответствующими атомами углерода. Но, вместе с тем, в данной молекуле имеется боковое перекрывание между вторым и третьим атомами углерода. То есть π-связывание охватывает не просто первую и последнюю пары, а все четыре атома углерода. Это согласуется с тем, что длина связи между вторым и третьим атомами углерода в молекуле бутадиена-1,3 (0,146 нм) несколько меньше длины одинарной связи (0,154 нм в молекуле этана).

Диеновые углеводороды, в молекулах которых двойные связи чередуются с одной одинарной, называются сопряженными диенами. Главная особенность строения сопряженных диенов заключается в том, что двойные связи в молекулах этих соединений не являются изолированными, они образуют единую, «сопряженную» систему π-связей, охватывающую все четыре атома углерода. Такие π-связи называют также делокализованными, поскольку они не локализуются на одной паре атомов углерода. В структурных формулах эту особенность строения отражают пунктирной линией между атомами, между которыми имеются сопряженные связи:

Если в молекуле диенового углеводорода двойные связи разделены двумя и более одинарными связями, сопряженная система π-связей образоваться не может, так как невозможно перекрывание электронных облаков разных π-связей. Такие диеновые углеводороды называются диенами с изолированными двойными связями, например, пентадиен-1,4:

пентадиен-1,4

Сопряженным диеном является его изомер 2-метилбутадиен-1,3, тривиальное название которого изопрен:

Углеводородом с сопряженными или делокализованными двойными связями является также бензол, который мы будем изучать в дальнейшем. В следующем параграфе мы рассмотрим физические и химические свойства диеновых углеводородов. Основное внимание уделим сопряженным диенам.

Свойства, получение и применение алкадиенов:

Физические свойства диеновых углеводородов подобны таковым для алканов и алкенов. Низшие представители – пропадиен (tкип.= –32ºС) и бутадиен-1,3 (tкип.= –4ºС) представляют собой бесцветные, газообразные при комнатной температуре вещества с резким запахом. С увеличением молекулярной массы температуры кипения повышаются. Температура кипения изопрена составляет (tкип.= +34ºС).

Химические свойства диенов, наряду со свойствами, характерными для алкенов, имеют некоторые особенности.

Подобно другим углеводородам, диены горят. При полном сгорании образуются углекислый газ и вода. Уравнение реакции горения в общем виде:

Наличие двойных связей в молекулах диеновых углеводородов обусловливает наличие химических свойств, общих со свойствами алкенов. Напомним, что для алкенов важнейшими реакциями, связанными с наличием в молекуле двойной связи, были реакции присоединения и полимеризации. Рассмотри эти реакции для алкадиенов.

Алкадиены вступают в реакции присоединения по двойной связи, причем присоединение может осуществляться как по одной, так и по двум двойным связям.

При нагревании в присутствии катализатора один моль диена может присоединить два моля водорода:

Это случай полного гидрирования диена. Продуктом полного гидрирования бутадиена-1,3 является бутан.

Гидрирование может протекать не полностью, то есть один моль диена может присоединить только один моль водорода:

В этой реакции атомы водорода присоединяются к первому и второму атомам углерода.

Реакция неполного гидрирования сопряженных диенов имеет интересную особенность. При неполном гидрировании бутадиена-1,3, наряду с бутеном-1, образуется бутен-2. Это объясняется присоединением атомов водорода к первому и четвертому атомам углерода с последующим образованием двойной связи между вторым и третьим атомами углерода:

Такой вид присоединения к диеновым углеводородам называется 1,4-присоединение. Предыдущая реакция присоединения, которая приводит к образованию бутена-1, называется реакцией 1,2-присоединения.
Подобным образом алкадиены присоединяют бром. В результате образуются продукты 1,2-, 1,4-присоединения, а также тетрабромпроизводное.
Реакция бромирования бутадиена-1,3 приводит к следующим продуктам:

Подобные схемы, отражающее параллельное протекание реакций одного вещества с образованием разных продуктов часто используются в органической химии.

Реакция присоединения брома, так же, как и в случае алкенов, является качественной реакцией на двойные связи – алкадиены обесцвечивают бромную воду и раствор брома в четыреххлористом углероде.

Алкадиены вступают в реакцию полимеризации. Рассмотрим ее на примере бутадиена-1,3. При раскрытии одной двойной связи возможно образование следующего полимера:

Этот вариант полимеризации называется 1,2-полимеризация. Но наибольшее значение имеет полимеризация, при которой макромолекула образуется через положения 1,4 молекулы диена. При этом в главной цепи макромолекулы формируются двойные связи:

Такой вид полимеризации называется 1,4-полимеризация. В результате 1.4-полимеризации алкадиенов образуются каучуки – важнейшие полимеры, значение которых трудно переоценить.

Каучуки – полимеры, способные к упругой (обратимой) деформации. То есть образец каучука деформируется при механическом воздействии, но после прекращения воздействия он принимает первоначальную форму.
Одной из основных причин наличия упругих, то есть эластичных свойств каучуков является наличие двойных связей в их макромолекулах. Как видно из рассмотрения строения и химических свойств диеновых углеводородов, такие полимеры могут быть получены в результате 1,4-полимеризации сопряженных диенов. Поэтому получение сопряженных диенов имеет важное практическое значение.

Алкадиены, так же, как и алкены в природе в больших количествах не встречаются вследствие высокой химической активности, но в составе многих растений присутствуют продукты их полимеризации. Так, в млечном соке тропического растения гевеи содержится продукт полимеризации изопрена – изопреновый или натуральный каучук, он называется также латекс. Изопреновый каучук образуется в результате 1,4-полимеризации изопрена (2-метилбутадиена-1,3):

В начале ХХ столетия добыча натурального каучука имела большое значение, но в дальнейшем с развитием промышленности потребовался поиск новых источников сырья для получения каучуков.

Мономеры для производства каучуков – бутадиен-1,3 и изопрен в настоящее время синтезируют из продуктов нефтепереработки. В больших количествах их получают в результате каталитического дегидрирования бутана и 2-метилбутана:

Полимеризацию мономеров для синтеза каучука осуществляют на особых катализаторах, позволяющих регулировать пространственное строение макромолекул каучука. В результате получают каучуки, эксплуатационные свойства которых значительно превосходят свойства натурального каучука. Подробнее каучуки рассматриваются в разделе, посвященном высокомолекулярным соединениям.

Как следует из изученного материала, молекулы углеводородов могут включать две двойные связи. Такие соединения называются диеновыми углеводородами. Как и алкены, диеновые углеводорода вступают в реакции присоединения и полимеризации.

В молекулах сопряженных диенов двойные связи разделены одной одинарной связью, что обусловливает реакции 1,4-присоединения и 1,4-полимеризации этих соединений. Продуктами реакций 1,4-полимеризации являются каучуки – важнейшие полимеры, способные к эластичной деформации. Сырьем для производства каучуков являются бутадиен-1,3 и 2-метилбутадиен-1,3, которые получают дегидрированием продуктов нефтепереработки.
 

Алкины

Вы уже познакомились с алканами, циклоалканами, алкенами и алкадиенами – углеводородами, в основе молекул которых лежат цепи или циклы из атомов углерода, связанных между собой одинарными и двойными связями, остальные связи углерод образует с одновалентными атомами водорода. Возникает вопрос, а возможны ли еще какие-либо структуры на основе четырехвалентных атомов углерода и одновалентных атомов водорода? Исчерпали ли мы возможности «химического конструктора»?

Очевидно, что возможно связывание атомов углерода между собой тройной связью, ведь в молекуле азота атомы связаны именно так: N≡N. Два атома углерода, соединенные тройной связью, могут присоединить еще два атома водорода: Н–С≡С–Н. Вещество, молекулы которого имеют такое строение, называется ацетилен. Молекулярная формула ацетилена .

Рассмотрим механизм образования тройной связи и строение молекулы ацетилена.

Две орбитали атома углерода, образующие σ-связи, имеют форму асимметричных восьмерок и располагаются по отношению друг к другу под углом 180º вдоль оси х. Эти орбитали обозначены на рисунке синим цветом. Две другие орбитали, участвующие в образовании π-связей, имеют форму симметричных восьмерок, они располагаются вдоль осей y и z, перпендикулярных направлению х:

При взаимодействии двух таких атомов вдоль оси х образуется σ-связь между атомами углерода и σ-связи между атомами углерода и водорода. Орбитали, располагающиеся вдоль осей y и z дают две π-связи, которым соответствуют четыре области перекрывания электронных облаков:

Схема перекрывания электронных облаков в молекуле ацетилена
Таким образом, молекула ацетилена имеет линейное строение, все валентные углы в которой равны 180º:

Ацетилен представляет собой бесцветный газ (tкип.=-84ºС), без запаха, легче воздуха, малорастворимый в воде.

Подобно тому, как метан и этилен являются родоначальниками классов алканов и алкенов, ацетилен является первым представителем класса алкинов – углеводородов, молекулы которых содержат одну тройную связь.
У ацетилена имеются гомологи: и т. д. Отсюда легко вывести общую формулу алкинов:

Алкины – углеводороды общей формулы молекулы которых содержат одну тройную связь.

Обратите внимание на то, что общая формула алкинов такая же, как и алкадиенов.
Алкинам свойственна изомерия углеродного скелета и положения тройной связи:

Назовем эти алкины. Очевидно, что принципы составления названий будут такими же, как в случае алканов и алкенов, только у алкинов название будет заканчиваться суффиксом –ин с номером атома углерода, с которого начинается тройная связь.

Рассмотрим основные химические свойства ацетилена и других алкинов. Как и все углеводороды, они горят:

При горении ацетилена в кислороде выделяется большое количество теплоты, температура пламени настолько высока, что им можно сваривать и резать металлы. Такая сварка называется автогенной. С ней вы сталкиваетесь, когда в доме проводятся сварочные работы, связанные с прокладкой водопроводных и газовых труб.

За счет наличия в молекуле тройной связи ацетилен является непредельным углеводородом, способным, как и этилен, присоединять многие вещества, например, водород, галогены, галогеноводороды, причем одна молекула ацетилена может присоединить две молекулы указанных веществ, реакция идет в две стадии:

Суммарное уравнение:

Ацетилен легко присоединяет хлороводород. Практическое значение имеет реакция присоединения одного моля хлороводорода:

В результате образуется хлорэтен, тривиальное название которого винилхлорид. Такое название обусловлено тем, что углеводородная группа, =CH– называется винил. Молекула винилхлорида, содержит двойную связь. Как вы уже знаете, соединения с двойной связью способны полимеризоваться. Этим свойством обладает и винилхлорид:

Продукт реакции полимеризации винилхлорида – поливинилхлорид, или сокращенно ПВХ, широко используется для изготовления оконных рам, дверей, линолеума, электроизоляции проводов, искусственной кожи и других изделий.
Очень интересна еще одна реакция с участием ацетилена – его тримеризация с образованием бензола , когда из трех молекул образуется одна молекула .

Эта реакция протекает при пропускании ацетилена над нагретым активированным углем, она была открыта выдающимся русским химиком Николаем Дмитриевичем Зелинским и носит его имя. Если использовать молекулярные формулы веществ, уравнение реакции Зелинского следующее:

Эту реакцию мы подробнее рассмотрим в следующем параграфе, посвященном бензолу.
Как видно, ацетилен, обладает многими интересными свойствами, которые обусловливают его широкое практическое использование. В природе ацетилен не встречается, поэтому большое значение имеют промышленные методы его получения.
Ацетилен получают в результате взаимодействия с водой карбида кальция:

Для получения карбида кальция используют известняк (), при прокаливании образуется оксид кальция. Затем оксид кальция спекают с углем при температуре примерно 2000ºС в электропечи:

Еще одним методом промышленного получения ацетилена является частичное термическое разложение метана. Для этого метан пропускают через реактор, нагретый до температуры примерно 1500ºС. После прохождения горячей зоны реактора продукты пиролиза попадают в холодную зону, в которой образуется ацетилен:

Как было сказано выше, ацетилен применяется для получения высокотемпературного пламени при сварке и резке металлов, а также для синтеза многих органических веществ.

Ароматические углеводороды

В предыдущем параграфе в качестве одного из химических свойств ацетилена упоминалась его тримеризация с образованием бензола, вещества, имеющего состав С6Н6. Бензол – легендарное вещество в истории химии. Он представляет собой бесцветную жидкость со специфическим запахом, tпл = 6 ºС, tкип = 80 ºС. Бензол открыл великий английский физик Майкл Фарадей в 1825 году, но строение его молекулы было установлено только через сорок лет немецким химиком Августом Кекуле, о котором мы уже упоминали. Именно Август Кекуле предложил циклическую формулу бензола, в которой шесть атомов углерода образуют шестиугольник, в котором чередуются одинарные и двойные связи:

или в виде скелетной формулы:

Как видно, в молекуле бензола имеются три двойные связи. Можно предположить, что это вещество будет легко вступать в реакции присоединения и давать качественную реакцию на двойную связь, однако это далеко не так. На бензол не действуют бромная вода, раствор перманганата калия и галогеноводороды, с которыми легко реагируют этилен и ацетилен. Эту загадку бензола удалось разгадать только в ХХ веке, используя современную теорию строения вещества. Воспользуемся этой теорией.

Посмотрим внимательно на структурную формулу бензола. Каждый атом углерода участвует в образовании трех σ-связей и одной π-связи. Три σ-связи, располагаются в одной плоскости, углы между их осями равны 120º. Этой величине, кстати, равен угол между сторонами правильного шестиугольника. Можно предположить, что шесть таких атомов углерода «идеально приспособлены» для образования плоского шестичленного цикла. Так и есть на самом деле. С помощью современных физико-химических методов исследования установлено, что в молекуле бензола атомы углерода образуют плоский шестичленный цикл, в котором все связи углерод – углерод имеют одинаковую длину, а углы между ними составляют 120º. В целом, система σ-связей выглядит следующим образом:

σ-Связи в молекуле бензола
Четвертый электрон каждого атома углерода участвует в π-связывании с каждым из двух соседних атомов. То есть π-электроны образуют общее электронное облако, форма которого напоминает два кольца. Одно кольцо располагается над плоскостью шестиугольника, а второе – под этой плоскостью:

π-Связи в молекуле бензола
Образование общей π-системы приводит к равноценности всех связей между атомами углерода в бензольном кольце. Кратность каждой связи оказывается меньше двух, но больше единицы, что согласуется с их длиной, которая составляет 0,140 нм и одинакова для всех шести связей. Это значение больше длины двойной связи (0,133 нм) и меньше длины одинарной (0,154 нм). Такие связи называются сопряженными или делокализованными. Мы уже познакомились с ними, изучая сопряженные диены.

Изобразить такую связь с помощью черточек невозможно, поэтому для бензола была предложена следующая структурная формула:

В данной формуле шестиугольник отображает систему σ-связей, а вписанная в него окружность – систему π-связей. Наряду с этой формулой, используется классическая формула бензола, предложенная Кекуле:

Каждый вариант написания структурной формулы бензола имеет свои достоинства и недостатки. Современная формула отражает главную особенность строения молекулы бензола – делокализацию π-связей, тогда как вторая формально соответствует валентностям атомов этой молекулы.

Бензол

Бензол – простейший представитель углеводородов, которые называются ароматическими. Происхождение этого названия связано с тем, что бензол и многие его производные имеют запах. Но название «ароматические» обычно связывают с соединениями, в молекулах которых присутствует фрагмент молекулы бензола – бензольное кольцо или ядро.

Углеводороды, молекулы которых содержат бензольное кольцо, называются ароматическими углеводородами.

Бензол является родоначальником гомологического ряда. Его ближайшие гомологи – метилбензол (тривиальное название толуол) и этилбензол:

Изомерами этилбензола являются диметилбензолы, их тривиальное название ксилолы. Диметилбензол имеет три изомера, так как возможно присоединение двух метильных групп к ароматическому кольцу разными способами:

Из приведенных названий изомерных диметилбензолов очевидны основные правила номенклатуры ароматических углеводородов. В их молекулах в качестве главной цепи выступает бензольное кольцо. Заместители получают наименьшие номера. Наряду с правилами систематической номенклатуры, здесь также широко используются названия изомеров, в которых относительное положение двух заместителей обозначается приставками орто- (1,2-положения), мета- (1,3-положения) и пара- (1,4-положения). Это правило иллюстрируется названиями изомерных ксилолов.

Физические свойства ароматических углеводородов:

При комнатной температуре бензол, толуол, этилбензол и ксилолы – бесцветные жидкости с характерными запахами.

Бензол замерзает при температуре +6ºС, то есть при нормальных условиях он представляет собой твердое вещество, его ближайшие гомологи при этих условиях жидкие. Температура кипения бензола 80ºС, у толуола, ксилолов и этилбензола она выше 100ºС. Как видно, среди ароматических углеводородов нет веществ, газообразных при обычных условиях.

Наличие запаха у многих ароматических углеводородов обусловило их соответствующее название. Тем не менее, некоторые ароматические углеводороды могут иметь неприятный запах или вовсе не иметь запаха. Поэтому соединения принято считать ароматическими, если в составе их молекул имеется бензольное кольцо.

Ароматические соединения могут быть твердыми при обычных условиях, например, нафталин, молекула которого содержит два бензольных кольца:

Раньше нафталин использовался в быту как средство отпугивания моли, сейчас он в этом качестве не применяется, так как для этого имеются менее токсичные вещества.

Ароматические углеводороды нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в жидких углеводородах («подобное растворяется в подобном»). В свою очередь, жидкие ароматические углеводороды хорошо растворяют различные органические вещества, что обусловливает их использование в качестве растворителей.

Химические свойства, получение и применение ароматических углеводородов:

Рассмотрим химические свойства ароматических углеводородов. Как и все углеводороды, они горят. Но нас больше интересуют свойства, связанные с наличием в молекулах данных соединений бензольного кольца. В бензольном кольце нет локализованных двойных связей, поэтому бензол и другие ароматические углеводороды обладают меньшей химической активностью по сравнению с алкенами и алкинами. При обычных условиях ароматические углеводороды не реагируют с бромной водой и раствором перманганата калия, то есть не дают качественных реакций на двойную связь.

Делокализация двойных связей в бензольном кольце приводит к повышению его стабильности, поэтому для бензола и других ароматических углеводородов характерны реакции замещения, в результате которых происходит замещение атома водорода одновалентной группой, например, галогеном, а бензольное кольцо переходит в состав продукта. Примером такой реакции является бромирование бензола:

Для осуществления этой реакции в пробирке бензол смешивают с бромом и добавляют катализатор . Реакция идет даже без нагревания. О ее протекании можно судить по выделению бромоводорода, изменяющего цвет влажной индикаторной бумажки, помещенной в верхнюю часть пробирки. Продукт бромирования бензола называется бромбензол.

Как видно, в результате этой реакции бензольное кольцо «перекочевало» в бромбензол с сохранением системы делокализованных π-связей.
Разновидностью реакций замещения являются реакции нитрования ароматических углеводородов. Нитрование осуществляют смесью равных объемов концентрированных азотной и серной кислот. Такая смесь называется нитрующей смесью. В нитрующей смеси азотная кислота выполняет роль нитрующего реагента, а серная кислоты является катализатором. Уравнение реакции нитрования бензола:

Продукт этой реакции нитробензол представляет собой желтоватую жидкость с запахом горького миндаля.

Нитробензол является представителем нитросоединений – органических веществ, молекулы которых содержат одну или несколько нитрогрупп –NO2.
Примером нитросоединения с несколькими нитрогруппами в молекуле является продукт нитрования ближайшего гомолога бензола – толуола. При этом три атома водорода бензольного кольца замещаются на нитрогруппы:

Как видно, на нитрогруппы замещаются атомы водорода 2,4,6-положений бензольного кольца (напомним, что эти положения называются орто- и пара-). Название продукта – 2,4,6-тринитротолуол, его часто называют просто тринитротолуолом или ТНТ. Это вещество известно тем, что является основой одного из распространенных взрывчатых веществ – тола или тротила.

Реакция нитрования органических веществ является одним из основных способов получения взрывчатых веществ. Взрыв или детонация – это реакция окисления, протекающая за очень малый промежуток времени. В результате атомы углерода и водорода органического вещества окисляются кислородом. Для быстрого окисления кислород должен входить в состав молекулы. Нитрогруппы выполняют роль источника кислорода для детонации взрывчатого вещества.

Кроме реакций замещения, бензол может вступать и в реакции присоединения, только условия проведения этих реакций гораздо более жесткие, чем для алкенов и алкинов.

Примером реакции присоединения с участием бензола является его гидрирование, которое протекает при температуре около 200 ºС, под давлением в присутствии катализаторов гидрирования (никель, палладий, платина). Один моль бензола присоединяет три моля водорода с образованием циклогексана.

Молекула бензола может присоединить три молекулы хлора. Реакция протекает при облучении ультрафиолетовым светом:

Образуется 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан или гексахлоран. Это вещество долгое время использовалось в качестве инсектицида. Сейчас оно не применяется ввиду высокой токсичности.

Обобщая сведения о химических свойствах ароматических углеводородов, отметим, что для них, как и для алканов, характерны реакции замещения. Это обусловлено повышенной стабильностью бензольного кольца с делокализованными π-связями. Качественных реакций на двойные связи с бромной водой и раствором перманганата калия ароматические углеводороды не дают. В то же время ароматические углеводороды являются ненасыщенными соединениями, и в жестких условиях систему π-связей ароматической системы можно нарушить, проведя реакции присоединения. В продуктах реакций присоединения имеется циклогексановое кольцо, в котором атомы углерода связаны сохранившимися σ-связями.

Получение ароматических углеводородов:

В лаборатории бензол можно получить из ацетилена:

В данной реакции из трех молекул ацетилена образуется одна молекула бензола, поэтому эта реакция называется реакцией тримеризации. Напомним, что она была открыта выдающимся русским химиком Н. Д. Зелинским.
В промышленности из ацетилена бензол, конечно не получают, поскольку ацетилен синтезируют для других целей. Гораздо проще получать бензол из природных источников углеводородов – из нефти и каменного угля.

Низкая химическая активность бензола и других ароматических углеводородов обусловливает их наличие в составе нефти и каменного угля. Поэтому основной способ их промышленного получения – переработка природных источников.
Ароматические углеводороды в промышленности получают также дегидрированием алканов. Эти процессы называются ароматизацией, их проводят при высокой температуре в присутствии катализатора. При этом из гексана образуется бензол, из гептана – толуол:

 

Применение ароматических углеводородов:

Наряду с алканами и циклоалканами, ароматические углеводороды входят в состав продуктов нефтепереработки и используются в качестве топлива. Кроме этого, отдельные ароматические углеводороды выделяют в виде индивидуальных веществ с целью получения полимеров, лекарственных препаратов, лакокрасочных материалов, растворителей, средств защиты растений, взрывчатых веществ и многого другого. С некоторыми продуктами химической переработки ароматических углеводородов мы познакомимся в дальнейшем.

Взаимосвязь между углеводородами различных классов:

В заключение, обобщим информацию об изученных классах углеводородов на основе теории строения органических соединений.
Линейную или разветвленную углерод-углеродную цепь имеют молекулы алканов. Если линейная цепь замкнута в цикл, мы имеем дело с циклоалканами. Углеводороды с двойной и тройной связью называются алкены и алкины, с двумя двойными связями – алкадиены. Особый случай – ароматические углеводороды, содержащие бензольное кольцо.

Как видно, структурные элементы не отличаются большим разнообразием, но благодаря замечательной способности атомов углерода образовывать линейные и разветвленные цепи практически неограниченной длины, способности их замыкаться в циклы, из этих структурных элементов, как и из элементов конструктора, можно собрать множество молекул.

Отметим основные химические свойства углеводородов. Все они являются горючими веществам, что обусловливает их использование в качестве топлива.
Для наиболее устойчивых углеводородов – алканов и ароматических углеводородов характерны реакции замещения, в которых атомы водорода могут быть заменены другими атомами или группами. Так можно получить галогенпроизводные и нитросоединения.

Углеводороды с двойными и тройными связями отличаются высокой химической активностью. Для них характерны реакции полимеризации и присоединения по кратной связи. Гидрированием из алкенов и алкинов можно получать алканы, из ароматических углеводородов – циклоалканы. Реакцией дегидрирования из алканов получают алкены, из циклоалканов–ароматические углеводороды. То есть с помощью химических реакций можно из углеводородов одного класса синтезировать представителей другого. Таким образом, мы изучили строение и свойства углеводородов – органических веществ, молекулы которых содержат только атомы углерода и водорода.

Следующий шаг в изучении органической химии – включение в состав молекул, помимо атомов углерода и водорода, других атомов, в первую очередь, кислорода и азота. Но, прежде чем мы это сделаем, познакомимся с практической стороной химии углеводородов – природными источниками этих соединений и их использованием.

Природные источники углеводородов и их использование:

Каждый человек знает, что без нефти и природного газа современному обществу не обойтись. Известно, что цена барреля нефти (один нефтяной баррель – 159 л) определяет благополучие мировой экономики, из-за нефти разгораются межгосударственные конфликты, как когда-то из-за золота. Страны, богатые нефтью, поражают богатством и роскошью. Природный газ часто является в политике своеобразным «яблоком раздора». Что же представляют собой природный газ и нефть с точки зрения химии?
 

Природный газ – смесь газов, образовавшихся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ. Природный газ состоит, в основном, из метана (до 98 %), а также содержит небольшие количества этана, пропана, бутана и других газообразных веществ ( и др.). Природный газ используется, в основном, в качестве топлива.

Остановимся подробнее на нефти, поскольку ее использование более многообразно.
 

Нефть – это природная смесь, основными компонентами которой являются жидкие и растворенные в них твердые углеводороды. Она представляет собой темную маслянистую жидкость со специфическим запахом. Нефть легче воды и в ней нерастворима. В состав нефти входят алканы, начиная с пентана (первые четыре гомолога – газы, они растворяются в нефти при повышенном давлении, но выделяются из нее при извлечении нефти на поверхность земли), циклоалканы и ароматические углеводороды. Алкены и алкины не содержатся в нефти вследствие высокой химической активности. В сыром виде нефть не используется. Вся добываемая нефть подвергается переработке. Переработка нефти бывает первичная и вторичная.

Первичная переработка нефти (перегонка или ректификация) заключается в разделении ее на отдельные части, которые различаются температурами кипения. Поскольку нефть является смесью многих веществ, она не имеет определенной температуры кипения. В процессе нагревания из нефти постепенно выделяются отдельные углеводороды, сначала легкие, с малым количеством атомов углерода в молекуле, затем тяжелые. Смесь углеводородов, собранных в процессе перегонки нефти в определенном интервале температур кипения, называется фракцией.

Перегонку нефти в промышленности осуществляют в непрерывном режиме. Нефть подогревается в трубчатой печи до температуры около 400ºС и подается в ректификационную колонну, представляющую собой трубу, высотой около 30 м, разделенную перегородками, снабженными специальными отверстиями (тарелками). На разной высоте колонны происходит конденсация углеводородов, соответствующих отдельным фракциям. В верхней части конденсируются самые легкие углеводороды, соответствующие бензиновой фракции, в нижней части собирается мазут.

Таблица 19.1 Основные фракции, выделяемые при первичной переработке нефти 

Название фракции	Интервал температур кипения, ºС	Число атомов углерода
Бензин	50 – 180
Лигроин	120 – 240
Керосин	180 – 300
Газойль, соляровое масло	200 – 300
Мазут	выше 350

Применение продуктов первичной переработки нефти: бензиновая фракция – получение бензина; лигроин – моторное топливо, сырье для химической промышленности, растворитель; керосин – горючее для реактивных двигателей, для бытовых нужд; соляровая фракция – дизельное топливо, получение смазочных масел; мазут – котельное топливо. Из мазута путем вакуумной перегонки (при пониженном давлении) выделяют отдельные фракции, используемые для получения смазочных масел. Процессы первичной переработки нефти не сопровождаются изменением структуры образующих ее углеводородов, а заключаются только в разделении на отдельные компоненты, т.е. являются физическими процессами.

Вторичная переработка нефти связана с изменением структуры углеводородов, входящих в состав нефти, то есть это химический процесс.

Изменение структуры углеводородов заключается в следующем:

1. Молекулы с большим числом атомов углерода расщепляются на более мелкие. Этот процесс называется крекинг (от английского to crack – расщеплять);
2. В результате протекания реакций изомеризации, циклизации и ароматизации повышается содержание разветвленных, циклических и ароматических углеводородов.

В целом, процессы вторичной переработки нефти используются для повышения выхода бензина и улучшения его эксплуатационных качеств.

Крекингу подвергают, в основном, мазут. Различают термический и каталитический крекинг. 

Термический крекинг (пиролиз) проводят при температурах до 800ºС. Время нахождения углеводородов в горячей зоне составляет 1 с и менее. За это время молекулы тяжелых углеводородов успевают расщепиться на более легкие, соответствующие бензиновой фракции, например:

Кроме этого, в процессе пиролиза образуется значительное количество алкенов (этен, пропен, бутены), которые используются для получения полимеров.

Каталитический крекинг осуществляется при более низких температурах (450ºС-500ºС) в присутствии катализаторов. В этих условиях, наряду с расщеплением молекул, происходит изомеризация образовавшихся углеводородов, в результате чего улучшается качество получаемых бензинов.

Использование процессов вторичной переработки нефти позволяет довести выход бензина с 15 % (первичная переработка) до примерно 60 %. Кроме этого, в процессах вторичной переработки образуется большое число ценных веществ, которые являются сырьем для получения полимеров и других продуктов (растворителей, карбоновых кислот, синтетических моющих средств и др).
Из описания процессов нефтепереработки видно, что основная их цель – получение топлива для двигателей, в первую очередь бензина. Многие технологические процессы, в которые вкладываются огромные средства, имеют конечной целью повышение качества получаемого бензина. Качество бензина определяется, в первую очередь, величиной его октанового числа. Эти числа фигурируют в названии марки бензина, например, Нормаль-80, АИ-92, АИ-95 и др. Проезжая мимо автозаправочной станции, вы можете убедиться, что чем выше октановое число, тем дороже бензин.

Октановое число характеризует так называемую детонационную стойкость бензина. Представим, как работает двигатель внутреннего сгорания. Смесь паров бензина с воздухом впрыскивается в камеру сгорания цилиндра двигателя. Когда поршень цилиндра достигает верхней точки, то есть максимально сжимает смесь, искра свечи зажигания ее воспламеняет. Образовавшиеся газы толкают поршень вниз, он совершает работу, в результате которой автомобиль движется. Это описание касается нормальной работы двигателя. Но возможна ситуация, когда бензиново-воздушная смесь воспламенится в цилиндре до поджигания за счет повышения ее температуры при сжатии. Этот процесс называется детонацией. Детонация очень вредна для двигателя, она резко снижает мощность и приводит к преждевременному износу деталей и даже к поломке двигателя.

Понятно, что для того, чтобы избежать детонации, необходимо, чтобы бензиново-воздушная смесь не воспламенилась преждевременно. Оказывается, что наиболее стойкими к детонации являются ароматические углеводороды и углеводороды разветвленного строения. Углеводороды линейного строения легко детонируют, автомобиль на таком топливе далеко не уедет.

Чтобы количественно измерить детонационную стойкость топлив, введена шкала октановых чисел. Октановое число, равное нулю, принято для гептана неразветвленного строения, который очень легко детонирует. Октановое число, равное 100 единицам, принято для изомера октана разветвленного строения – 2,2,4-триметилпентана, который часто называют просто изооктаном. Октановое число может быть больше 100, например, у бензола оно равно 112.

Октановое число бензина равно объемной доле изооктана в эталонной смеси, состоящей из гептана и изооктана, которая обладает такой же детонационной стойкостью, как и бензин данной марки. То есть бензин АИ-95 имеет такую же детонационную стойкость, как и эталонная смесь, состоящая из 95 % изооктана и лишь 5 % гептана. Такой бензин используется в современных автомобилях, и, судя по величине его октанового числа, в нем содержатся, в основном, углеводороды разветвленного строения и ароматические углеводороды.
Так как в сырой нефти преобладают углеводороды линейного строения, очевидно, что процессы ее вторичной переработки имеют огромное значение.

Эти процессы связаны с обработкой гигантских объемов нефти, которые составляют более 3,5 миллиардов тонн в год. В связи с этим, первостепенное значение имеет защита окружающей среды при добыче нефти и ее переработке.
Попадание нефти и нефтепродуктов в окружающую среду чрезвычайно опасно. Это связано как с пожаро- и взрывоопасностью углеводородов, так и с токсичностью компонентов нефти и продуктов их превращений. Загрязнение нефтью может достигать очень больших масштабов. Так, одна тонна нефти способна покрыть тонкой пленкой участок поверхности моря площадью 1200 га. Поэтому в настоящее время актуальны вопросы, связанные не только с эффективностью добычи и переработки нефти, но и с безопасностью этих процессов. Кроме этого, большое внимание приходится уделять проблемам безопасности при транспортировке и использовании нефти и нефтепродуктов, а также разработке методов ликвидации последствий аварийных ситуаций, связанных с попаданием этих веществ в окружающую среду.

Как видно, проблем очень много, поэтому охрана окружающей среды должна обеспечиваться в целом ряде отраслей промышленности, связанных как с добычей нефти, так и с ее транспортировкой, переработкой и использованием.
На стадии добычи в настоящее время актуальна задача повышения эффективности использования существующих месторождений с целью наиболее полного извлечения нефти из недр. Чтобы повысить нефтеотдачу, применяются методы подачи в нефтяные пласты воды и различных растворов. Это позволяет обеспечивать высокий уровень добычи без необходимости освоения новых месторождений.

Экологически безопасная переработка нефти должна быть безотходной. Это касается, в первую очередь, глубокой переработки всех компонентов нефти в необходимые продукты. Эту проблему во многом решает совершенствование технологии производства. Кроме этого, нефтеперерабатывающие предприятия оснащаются системами очистки (отстаивание, фильтрация, микробиологическая и химическая очистка сточных вод и др.).

Охрана окружающей среды на стадии транспортировки нефти связана с совершенствованием правил техники безопасности и разработкой методов очистки нефтяных емкостей (в основном, танкеров) от остатков нефти во избежание попадания ее в окружающую среду. Ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций в случае загрязнения нефтью осуществляется с применением новейших научно-технических достижений (локализация зон загрязнения и последующий сбор нефти).

Большое значение для охраны окружающей среды имеет также разработка прогрессивных энергосберегающих технологий, позволяющих сократить потребление нефтепродуктов, и тем самым снизить опасность и ущерб для окружающей среды.

Каждый из нас может внести свою лепту в эту деятельность, просто не забыв выключить свет, когда он не нужен, отменив неактуальную поездку на автомобиле и т. д. Осознавая масштабы деятельности человека, в том числе в использовании нефти, важно понять, что сохранение нашей замечательной планеты – дело каждого из нас.

Одноатомные спирты

Рассмотрев углеводороды, мы переходим к изучению химии органических соединений, в состав молекул которых входят атомы других элементов. Начнем с кислорода. Как можно включить двухвалентный атом кислорода в состав органического соединения? Напрашиваются два способа: поместить атом кислорода между двумя атомами углерода или между атомами углерода и водорода:

Первое соединение относится к классу простых эфиров. В молекулах простых эфиров две углеводородные группы связаны между собой через атом кислорода. Представителем этого класса соединений является известный вам медицинский эфир который называется диэтиловый эфир (объясните происхождение этого названия самостоятельно). Диэтиловый эфир – бесцветная жидкость с характерным запахом, имеет температуру кипения, равную 34ºС. Используется в медицине для местной анестезии.

Мы уделим основное внимание соединениям второго типа, которые называются спиртами. Запишем еще раз формулу простейшего спирта:

Легко видеть, что молекула данного спирта состоит из метильной группы и группы –ОН, которая называется гидроксильной группой. Углеводородные группы могут быть и более сложного строения, но принадлежность соединения к классу спиртов определяется наличием в его молекуле именно гидроксильной группы. В молекуле спирта может быть и несколько гидроксильных групп. В связи с этим различают одно- и многоатомные спирты. Рассмотрим сначала одноатомные спирты, в молекулах которых гидроксильная группа связана с предельным углеводородным радикалом. Такие спирты называются предельными одноатомными спиртами. Напишем общую формулу гомологического ряда таких спиртов:

Формула простейшего представителя предельных одноатомных спиртов Его название – метиловый спирт. Он представляет собой бесцветную жидкость с характерным спиртовым запахом и температурой кипения 65ºС. Метиловый спирт чрезвычайно ядовит. Смертельной дозой является примерно 30 г. Гораздо меньшего количества метилового спирта вполне достаточно для потери зрения. Но мы знаем, что есть вещества гораздо более ядовитые, смертельная доза которых составляет доли грамма. Особая опасность метилового спирта заключается в том, что он очень похож на свой ближайший гомолог – этиловый спирт, формула которого

Скелетная формула этилового спирта:

Этиловый спирт входит в состав алкогольных напитков. Это бесцветная жидкость с характерным запахом и температурой кипения 78ºС. Самый известный алкогольный напиток – водка – является 40 % водным раствором этилового спирта. К сожалению, многие люди злоупотребляют алкогольными напитками, нанося непоправимый вред своему здоровью. Но если злоупотребление этиловым спиртом приводит к тяжелому заболеванию – алкоголизму, то даже незначительная доза метилового спирта приводит к смерти или слепоте. А различить эти жидкости на глаз и по запаху невозможно – ведь это ближайшие гомологи, вещества, близкие по свойствам. Поэтому работа с метиловым спиртом требует особых мер предосторожности во избежание его попадания в руки, а затем и в организм случайных людей.

Изомерия и номенклатура спиртов:

Этиловый и метиловый спирты не имеют изомеров. Изомерия предельных одноатомных спиртов начинается с третьего представителя гомологического ряда – пропилового спирта При таком составе гидроксильная группа может быть связана с первым или вторым атомом углерода. Структурные формулы изомеров:

Очевидно, что эти соединения являются по отношению друг к другу изомерами положения функциональной группы.

Для спиртов состава возможны четыре изомера:

В соединениях I и II неразветвленный углеродный скелет, в соединениях III и IV – разветвленный. Очевидно, что с увеличением числа атомов углерода в молекуле число изомеров будет возрастать.

Названия предельных одноатомных спиртов формируются на основе основных принципов систематической номенклатуры. Выбирают углеродную цепь максимальной длины. Она должна включать атом углерода, с которым связана гидроксильная группа. Этот атом должен получить наименьший номер. Название спирта состоит из названия соответствующего предельного углеводорода и суффикса –ол с номером атома углерода, к которому присоединена гидроксильная группа. Назовем все упомянутые нами спирты. В скобках приведены тривиальные названия некоторых спиртов, которые широко используются, наряду с систематическими.

Метиловый и этиловый спирты:

Пропиловые спирты или пропанолы:

Бутиловые спирты или бутанолы:

В таблице приведены структурные формулы, названия и значения температур кипения всех рассмотренных нами спиртов. Об индивидуальности этих соединений свидетельствуют различные значения температур кипения каждого вещества.

Таблица 20.1 Структурные формулы и физические свойства предельных одноатомных спиртов 

№ п/п	n	Формула	Название	tкип, ºС
1	1		метанол (метиловый спирт)	65
2	2		этанол (этиловый спирт)	78
3	3		пропанол-1 (пропиловый спирт)	97
4	3		пропанол-2 (изопропиловый спирт)	82
5			бутанол-1 (бутиловый спирт)	118
6	4		бутанол-2	100
7	4		2-метилпропанол-1	105
8	4		2-метилпропанол-2	83

Обращают на себя внимание высокие значения температур кипения. Они значительно выше, чем температуры кипения соответствующих углеводородов. Напомним: значения температур кипения метана, этана и пропана: –162ºС, –89ºС и –42ºС соответственно. Для метанола, этанола и пропанолов эти температуры более чем на 100 градусов выше. Это свидетельствует о сильном межмолекулярном взаимодействии спиртов. Природу этого взаимодействия можно объяснить, рассмотрев строение их молекул.

В гидроксильной группе молекул спиртов ковалентная химическая связь О–Н является полярной вследствие высокой электроотрицательности кислорода. На атоме кислорода имеется частичный отрицательный заряд, на атоме водорода гидроксильной группы – частичный положительный, вследствие чего этот атом водорода приобретает особые свойства:

В отличие от атомов водорода углеводородных групп, водород гидроксильной группы может принимать участие в образовании водородных связей:

Образование водородных связей является основной причиной сильного межмолекулярного взаимодействия молекул спиртов. Поэтому при обычных условиях все спирты – жидкие или твердые вещества. Спиртов, газообразных при обычных условиях, не существует.

Молекулы спиртов образуют водородные связи не только между собой, но и с молекулами воды, поэтому некоторые спирты, в отличие от углеводородов, растворимы в воде. Метанол, этанол и пропанолы неограниченно смешиваются с водой, с увеличением числа атомов углерода в молекуле растворимость в воде падает. Спирты хорошо растворимы в органических растворителях.

Как видно, наличие гидроксильных групп в молекулах спиртов придает этим веществам свойства, отличные от свойств углеводородов. Спирты имеют высокие температуры кипения, многие хорошо растворимы в воде. Химические свойства спиртов также имеют ряд особенностей, с которыми мы познакомимся из материалов следующего параграфа.

Химические свойства, получение и применение спиртов:

Рассмотрим важнейшие химические свойства спиртов.

Реакции окисления: Спирты горят, в этом мы убеждаемся, зажигая спиртовку:

В результате сгорания спирты образуют продукты полного окисления атомов углерода и водорода, входящих в состав их молекул, то есть горение – это полное окисление спирта. Возможно и неполное окисление. Его можно наблюдать следующим образом. Нужно нагреть в пламени спиртовки медную проволоку до красного каления. При этом блестящая поверхность проволоки покроется черным налетом вследствие окисления меди:

После этого раскаленную проволоку быстро помещают в стакан с небольшим количеством этилового спирта. Проволока с шипением охлаждается и при этом становится опять блестящей, то есть произошло восстановление оксида меди. Восстановителем является этиловый спирт. Он окисляется до альдегида – вещества, относящегося к новому для нас классу органических соединений. Уравнение реакции:

В пламени спиртовки прокаливаем медную проволоку. Медь окисляется. Проволоку погружаем в стаканчик с этанолом. Оксид меди восстанавливается этанолом,

Альдегид, образующийся при неполном окислении этилового спирта, называется уксусным альдегидом. Он имеет приятный яблочный запах, который легко почувствовать. Альдегиды более подробно мы будем скоро изучать, а на примере этой реакции мы еще раз убедились, что все классы органических соединений связаны между собой, что делает возможным синтез самых разнообразных веществ.
 

Реакции замещения атома водорода гидроксильной группы: Многие химические свойства спиртов определяются наличием в их молекулах гидроксильной группы, атом водорода которой может замещаться на активный металл. В этом состоит отличие атома водорода гидроксильной группы от атомов водорода углеводородных групп.

Если в стаканчик со спиртом поместить кусочек натрия, начнется бурная реакция, сопровождающаяся выделением водорода:

Реакция протекает настолько бурно, что натрий плавится, с шипением двигается по поверхности спирта как капля воды по раскаленной сковородке. Выделяющийся водород может даже воспламеняться.

В этой реакции происходит замещение атома водорода гидроксильной группы атомом металла. Спирт при этом проявляет слабые кислотные свойства, но они настолько слабы (слабее, чем у воды!), что спирты не изменяют окраску индикаторов, а взаимодействие происходит только с самыми активными металлами – щелочными и щелочноземельными.

Продукты реакции замещения атома водорода гидроксильной группы спирта на атом металла называются алкоголятами, так как одно из названий спиртов – алкоголи. Алкоголяты металлов представляют собой твердые солеподобные вещества, расплывающиеся на воздухе. Алкоголят натрия, образованный этиловым спиртом, называется этилатом натрия.

Соответствующий алкоголят метанола называется метилатом натрия.
Подчеркнем еще раз, что алкоголяты образуются за счет наличия у спиртов слабых кислотных свойств, но они настолько слабы, что со щелочами спирты не реагируют. Атом водорода гидроксильной группы замещается на металл только при взаимодействии спиртов с наиболее активными металлами – щелочными и щелочноземельными.

У спиртов замещению может подвергаться не только атом водорода гидроксильной группы, но и вся гидроксильная группа.

Реакции замещения гидроксильной группы: Спирты взаимодействуют с галогеноводородами (HCl, HBr, HI). При этом гидроксильная группа замещается на галоген:

В результате этой реакции образуется галогенпроизводное. Этот метод используется в органическом синтезе для получения галогенпроизводных.
Под действием сильных водоотнимающих веществ, таких как концентрированная серная кислота, молекулы спиртов могут отщеплять воду. Эти реакции называются реакциями дегидратации. Реакции дегидратации бывают внутримолекулярными и межмолекулярными.

Реакция внутримолекулярной дегидратации спиртов. Рассмотрим ее на примере этилового спирта. Если нагреть в пробирке с газоотводной трубкой смесь этилового спирта и концентрированной серной кислоты, наблюдается выделение газа, обесцвечивающего бромную воду. Мы уже знаем, что выделяющийся газ – этилен. Об этой реакции говорилось при рассмотрении способов получения алкенов в § 13:

Как видно из уравнения реакции, от молекулы этилового спирта отщепляется молекула воды, при этом образуется алкен, в данном случае этилен. Для образования молекулы алкена в молекуле спирта должно быть не менее двух атомов углерода. Очевидно, что для метилового спирта внутримолекулярная дегидратация невозможна.

Под действием концентрированной серной кислоты молекула воды может отщепляться от двух молекул спирта:

Поскольку молекула воды отщепляется от разных молекул спирта, эта реакция называется реакцией межмолекулярной дегидратации.

В результате реакции межмолекулярной дегидратации спиртов образуются простые эфиры, общая формула которых R–O–R. В молекулах простых эфиров два углеводородных радикала связаны между собой через атом кислорода. Этот класс соединений изомерен классу одноатомных спиртов (§ 20). Углеводородные радикалы в молекуле простого эфира могут быть одинаковыми и различными.
Реакция межмолекулярной дегидратации не требует такого сильного нагревания как реакция внутримолекулярной дегидратации. Так, если этиловый спирт нагревать с концентрированной серной кислотой до температуры примерно 140ºС, преимущественно будет происходить образование диэтилового эфира. Более сильное нагревание приводит к выделению этилена.

Продукт реакции межмолекулярной дегидратации этилового спирта – диэтиловый или медицинский эфир представляет собой бесцветную жидкость со специфическим (медицинским) запахом и очень низкой температурой кипения (tкип = 34ºС). Он используется в медицинской практике для наркоза и дезинфекции кожи при проведении инъекций.

Как говорилось выше, метиловый спирт не может вступать в реакцию внутримолекулярной дегидратации, но реакция межмолекулярной дегидратации для него вполне осуществима. При этом образуется диметиловый эфир – газообразное вещество с температурой кипения –24ºС.
Обращают на себя внимание очень низкие температуры кипения простых эфиров. Они намного ниже, чем у соответствующих спиртов (tкип метанола и этанола равны 65ºС и 78ºС соответственно). Напомним, что высокие температуры кипения спиртов связаны с образованием водородных связей между их молекулами. Водородная связь образуется между атомом водорода гидроксильной группы одной молекулы спирта и атомом кислорода другой молекулы. То есть атом водорода полярной группы (в данном случае –О–Н) – обязательный участник водородной связи. Между молекулами простых эфиров образование водородных связей невозможно, так как гидроксильные группы в них отсутствуют.

Рассмотрим еще одно химическое свойство спиртов – взаимодействие с карбоновыми кислотами. Эту реакцию можно рассматривать как реакцию межмолекулярной дегидратации, в которой участвуют молекулы карбоновой кислоты и спирта:

Приведено уравнение реакции взаимодействия этилового спирта с уксусной кислотой. Реакция протекает при нагревании смеси этих веществ с небольшим количеством серной кислоты. Образующийся сложный эфир имеет приятный запах, отличающийся от запахов исходных этилового спирта и уксусной кислоты. Эта реакция носит название реакция этерификации (от английского ether – эфир). Подробнее с этой реакцией мы познакомимся, когда будем изучать классы карбоновых кислот и сложных эфиров.

Получение спиртов:

В лаборатории спирты можно получить из галогенпроизводных, действуя на них водным раствором щелочи:

В результате атом галогена замещается на гидроксильную группу, образующийся спирт выделяют из реакционной смеси перегонкой.
В свою очередь, галогенпроизводные могут быть получены из углеводородов. Например, хлорэтан образуется из этана путем реакции замещения с хлором, либо из этилена реакцией гидрохлорирования:

С помощью этих реакций можно синтезировать спирты, используя в качестве исходных веществ углеводороды, но не напрямую, а через галогенпроизводные. Эти реакции лежат в основе лабораторных методов синтеза спиртов.
Спиртами, получаемыми в промышленности, являются, в основном, этанол и метанол. Этанол в промышленных масштабах получают путем реакции присоединения воды к этилену. Катализатором является фосфорная кислота:

Для нужд пищевой промышленности и медицины этиловый спирт получают из природного сырья с помощью реакции брожения. Эта реакция заключается в расщеплении природных углеводов до этанола, происходящем под действием некоторых микроорганизмов, в частности, дрожжевых грибков. Уравнение реакции спиртового брожения природного углевода глюкозы, имеющей состав

Метанол раньше получали нагреванием древесины без доступа воздуха, так называемой сухой перегонкой древесины, отсюда его название – древесный спирт. Современный метод промышленного получения метанола – взаимодействие оксида углерода(II) с водородом. Реакцию проводят при высоком давлении (7 Мпа) при температуре 250ºС в присутствии катализатора (оксиды цинка и меди):

Метанол и этанол применяются как растворители, а также реагенты в органическом синтезе при получении различных веществ. Этанол используется в пищевой промышленности. Метанол имеет октановое число более 100, поэтому его применяют в качестве топлива для гоночных мотоциклов и автомобилей.

Многоатомные спирты

Мы изучили одноатомные спирты, то есть спирты, в состав молекул которых входила одна гидроксильная группа. Эти соединения можно рассматривать как производные углеводородов, в молекулах которых один атом водорода замещен гидроксильной группой. В принципе, в молекуле углеводорода гидроксильными группами можно заместить несколько атомов водорода. В этом случае соответствующие соединения будут представлять собой многоатомные спирты. Напишем формулы простейших двухатомного и трехатомного спиртов:

Двухатомные спирты называются также гликолями.
Казалось бы, что к одному атому углерода можно присоединить несколько гидроксильных групп. На самом деле это невозможно, так как соединения, в которых две гидроксильные группы связаны с одним атомом углерода, крайне неустойчивы. Поэтому молекула двухатомного спирта должна включать не менее двух атомов углерода, трехатомного – трех и т. д.

Простейший двухатомный спирт называется этиленгликоль, трехатомный – глицерин. Эти вещества похожи друг на друга и представляют собой бесцветные вязкие жидкости с высокими температурами кипения, неограниченно смешивающиеся с водой. Температуры кипения этиленгликоля и глицерина составляет 198ºС и 290ºС соответственно. Такие высокие температуры кипения свидетельствуют о значительной ассоциации молекул за счет водородных связей, как и в случае одноатомных спиртов. В случае многоатомных спиртов этот эффект проявляется еще сильнее, так как число водородных связей, образованных каждой молекулой многоатомного спирта будет больше, чем в случае одноатомных спиртов. Этим обусловливается и высокая вязкость гликолей, так как образование водородных связей затрудняет движение молекул друг относительно друга.

Номенклатура многоатомных спиртов:

Названия многоатомных спиртов формируются также, как и названия одноатомных спиртов: это название соответствующего углеводорода с суффиксом –ол, только перед ним ставится еще один суффикс (–ди; -три и т. д), показывающий количество гидроксильных групп в молекуле многоатомного спирта. В конце названия указываются номера атомов углерода, с которыми связаны гидроксильные группы. Назовем этиленгликоль и глицерин по номенклатуре IUPAC:

Молекулярная формула этиленгликоля глицерина – Эти молекулы различаются по составу на а не на , то есть их нельзя считать гомологами. Ближайшим гомологом этиленгликоля является пропандиол-1,2, глицерина – бутантриол-1,2,3:

Рассмотрим химические свойства многоатомных спиртов. Можно ожидать, что они будут похожи на химические свойства одноатомных спиртов. Это действительно так, в то же время свойства гликолей имеют некоторые особенности.

Так же, как и одноатомные, многоатомные спирты реагируют со щелочными металлами, которые вытесняют из них водород:

Из уравнения реакции видно, что один моль этиленгликоля может прореагировать с двумя молями натрия. Легко догадаться, что для полного замещения водорода гидроксильных групп в одном моле глицерина потребуется три моля натрия (напишите уравнение реакции самостоятельно).
При взаимодействии с галогеноводородами гидроксильные группы многоатомных спиртов могут замещаться на галоген, но, как правило, реакция ограничивается замещением только одной гидроксильной группы:

Многоатомные спирты обладают и другими химическими свойствами, но мы рассмотрим одно из наиболее интересных из них – качественную реакцию на гликоли при помощи свежеосажденного гидроксида меди(II). Для проведения этой реакции в пробирку наливают 1-2 см3 раствора щелочи, затем немного раствора медного купороса. Выпадает голубой осадок гидроксида меди(II):

Если теперь в пробирку прилить водный раствор глицерина или этиленгликоля, гидроксид меди растворяется и образуется прозрачный ярко-синий раствор. Это объясняется связыванием ионов меди с анионами многоатомного спирта, образовавшимися в растворе под действием щелочи. Продукт реакции представляет собой комплекс, в центре которого находится ион меди, окруженный «оболочкой» из двух анионов многоатомного спирта:

Каждый анион этиленгликоля связан двумя ковалентными связями с катионом меди. Ковалентные связи образуются по донорно-акцепторному механизму, при этом донором электронной пары является атом кислорода этиленгликоля, акцептором – ион меди(II). В уравнении реакции формула комплексного аниона заключена в квадратные скобки. Катионами комплексной соли являются ионы натрия. Таким образом, образующееся соединение относится к классу солей.
С помощью этой реакции легко отличить водные растворы гликолей от растворов других органических веществ.

Наливаем в пробирку водный раствор щелочи. Добавляем раствор медного купороса. Выпадает голубой осадок гидроксида меди II. Затем добавляем в пробирку раствор глицерина. Гидроксид меди постепенно растворяется. Раствор приобретает василького-синий цвет.

С этиленгликолем и глицерином мы часто сталкиваемся в быту. Но нужно помнить, что, несмотря на внешнее сходство и подобие физических, а также химических свойств, физиологическое действие этих веществ совершенно разное. Этиленгликоль ядовит, тогда как глицерин нетоксичен и даже входит в состав некоторых напитков. Помимо этого, глицерин используется в составе различных мазей, кремов и других косметических средств. Этиленгликоль применяется в качестве компонента незамерзающих жидкостей – антифризов, использующихся в системах охлаждения автомобильных двигателей. Поэтому при хранении и использовании этих веществ, содержащих этиленгликоль, следует быть особенно осторожными.

Фенолы

Мы познакомились со спиртами – органическими соединениями, молекулы которых содержат гидроксильные группы, связанные с углеводородным радикалом. Спирты можно рассматривать также как производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов углерода замещены гидроксильными группами, то есть как гидроксильные производные углеводородов. Гидроксильные производные углеводородов не ограничиваются только спиртами. Если в качестве углеводородной группы выступает бензольное кольцо, то такие гидроксильные производные относятся к классу фенолов.

Фенолы – органические соединения, молекулы которых содержат одну или несколько гидроксильных групп, непосредственно связанных с бензольным кольцом.

Структурная формула простейшего фенола:

Это соединение называется – фенол, его название совпадает с названием класса. Чистый фенол представляет собой бесцветные кристаллы с характерным запахом и температурой плавления 41ºС. Обратите внимание на то, что в молекуле фенола гидроксильная группа непосредственно связана с бензольным кольцом. Для сравнения рассмотрим формулу другого соединения:

В молекуле этого вещества гидроксильная группа связана с бензольным кольцом через группу , оно относится к классу ароматических спиртов, а не фенолов и называется бензиловый спирт. Несмотря на то, что составы фенола и бензилового спирта различаются на группу , они не являются гомологами по отношению друг к другу, поскольку относятся к разным классам соединений – фенолов и спиртов. Заметно различаются физические свойства этих веществ, если фенол при обычных условиях твердое вещество, бензиловый спирт – жидкость, температура замерзания которой –15ºС. Как мы увидим позднее, химические свойства фенолов также заметно отличаются от химических свойств спиртов.

Изомерия и номенклатура фенолов:

Бензольное кольцо в молекуле фенола может содержать заместители, например, метильную группу. При этом возможно существование трех изомеров с различным расположением гидроксильной и метильной групп в кольце. Изомерные метилфенолы называются крезолами, их формулы и названия:

На примере изомерных крезолов рассмотрим особенности номенклатуры фенолов. В соответствии с номенклатурой IUPAC, как и в случае названий производных бензола, атомы углерода бензольного кольца нумеруются, начиная с атома, с которым связана гидроксильная группа. Общее названия всех трех соединений – метилфенолы, цифра указывает номер атома углерода бензольного кольца, с которым связана метильная группа. Нумеруют атомы углерода так, чтобы заместитель получил наименьший номер.

Для метилфенолов приведены также тривиальные названия: орто-, мета- и пара-крезолы. Напомним, что приставка орто- указавает на положение заместителей при соседних атомах углерода бензольного кольца, приставка мета- на то, что их разделяет один атом углерода, приставка пара- – два атома.

Молекулы фенолов могут содержать несколько гидроксильных групп. Такие фенолы называются многоатомными фенолами. Приведем формулы и названия двухатомных фенолов:

Как видно, класс фенолов насчитывает значительное число соединений. Мы рассмотрим особенности их химических свойств на примере простейшего представителя – фенола.

Химические свойства фенола:

В молекуле фенола имеется гидроксильная группа, следовательно, можно ожидать от него проявления химических свойств, присущих спиртам. Характерным свойством спиртов было взаимодействие со щелочными металлами с выделением водорода. Это свойство проявляет и фенол. Если в расплавленный фенол пометить кусочек металлического натрия, наблюдается выделение водорода:

В результате образуется фенолят натрия – продукт замещения атома водорода гидроксильной группы на атом металла.

На примере этой реакции мы видим, что атом водорода гидроксильной группы фенола обладает кислотными свойствами. Кислотные свойства имели и атомы водорода гидроксильных групп спиртов. В случае фенола кислотные свойства являются более сильными. Это проявляется в том, что в отличие от спиртов, фенол взаимодействует со щелочами:

Усиление кислотных свойств фенола по сравнению со спиртами обусловлено влиянием бензольного кольца, которое увеличивает полярность связи –О–Н, в результате чего атом водорода может замещаться на атом металла даже при взаимодействии со щелочью. Повышенная кислотность фенола нашла отражение в его тривиальном названии – карболовая кислота.
Продукт замещения атома водорода натрием – фенолят натрия – обладает бóльшей растворимостью в воде по сравнению с фенолом. Этим можно объяснить хорошую растворимость фенола в растворах щелочей – при этом образуется растворимый фенолят натрия. Если через раствор фенолята натрия пропустить углекислый газ, наблюдается помутнение, так как при этом образуется менее растворимый в воде фенол:

Можно сделать вывод о том, что, несмотря на усиление кислотных свойств по сравнению со спиртами, фенол является слабой кислотой, слабее угольной, которая вытесняет его из соли – фенолята натрия.

На примере реакции замещения атома водорода гидроксильной группы атомом натрия мы увидели, что бензольное кольцо влияет на свойства гидроксильной группы, усиливая ее кислотность. Гидроксильная группа, в свою очередь, влияет на свойства бензольного кольца. Рассмотрим это на примере взаимодействия фенола с бромной водой. Известно, что бензол с бромной водой не взаимодействует. При смешивании разбавленного раствора фенола с бромной водой наблюдается выпадение белого осадка, то есть налицо признак химического взаимодействия между фенолом и бромом. Уравнение протекающей реакции:

В результате образуется 2,4,6-трибромфенол – продукт реакции замещения атомов водорода бензольного кольца атомами брома. Отметим, что реакция замещения атома водорода ароматического кольца атомом брома протекала и для бензола, но условия ее проведения были гораздо более жесткими, чем для фенола. Для этого требовался бром, а не бромная вода, а также катализатор. В случае бромирования фенола условия гораздо более мягкие, что свидетельствует о повышенной реакционной способности бензольного кольца фенола. Это обусловлено влиянием гидроксильной группы, которая повышает активность 2,4,6-положений бензольного кольца фенола в реакции с бромом.

Качественные реакции на фенол:

1. Наливаем в пробирку раствор фенола. Добавляем бромную воду. Выпадает белый осадок 2,4,6-трибромфенол.
2. Наливаем в пробирку раствор фенола и добавляем - раствор FeCl3. Происходит окрашивание раствора в фиолетовый цвет.

Рассмотренные химические свойства фенола демонстрируют взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений: бензольное кольцо усиливает кислотность гидроксильной группы фенола, в свою очередь, гидроксильная группа повышает реакционную способность бензольного кольца фенола в реакции бромирования.

Получение и применение фенола:

Одним из источников фенола для нужд промышленности является каменноугольная смола. Фенол получают также из хлорбензола обработкой его щелочью при повышенных температурах и давлении:

Но основным методом получения фенола в настоящее время является так называемый кумольный метод. Заключается он в следующем: сначала из бензола и пропена получают изопропилбензол, тривиальное название которого кумол:

В ходе этой реакции в молекулу бензола вводится углеводородная (алкильная) группа, поэтому эту реакцию называют реакцией алкилирования бензола.
Изопропилбензол легко окисляется кислородом воздуха с образованием гидропероксида кумола:

Затем гидропероксид кумола разлагают под действием серной кислоты:

Кроме фенола при этом образуется ацетон – представитель класса кетонов, о которых речь пойдет в следующем параграфе. Кумольный метод получения фенола и ацетона был разработан в 30-40 годы прошлого столетия российскими химиками Рудольфом Юрьевичем Удрисом и Петром Гавриловичем Сергеевым.
Основная область применения фенола – производство пластмасс. Продукт взаимодействия фенола с формальдегидом, фенолформальдегидная смола, является связующим компонентом многих конструкционных материалов – древесностружечных и древесноволокнистых плит, стеклотекстолита. Подробнее об этом веществе будет сказано далее.

Фенол используется в процессах получения синтетических волокон, красителей, присадок для смазочных масел, средств защиты растений, лекарственных и других веществ.

Фенол обладает эффективным обеззараживающим действием, в небольших количествах его добавляют в гуашевые краски во избежание размножения в них микробов, благодаря чему краски имеют характерный запах фенола. В этом качестве его применяют в кожевенном производстве при дублении кож.
Фенол является ядовитым веществом. Опасность фенола заключается как в его собственной токсичности, так и в возможности образования с его участием высокотоксичных веществ, в частности, диоксинов. Для предотвращения попадания фенола в окружающую среду фенол из отходов производства извлекают растворителями, в отдельных случаях отходы подвергают окислению озоном и другими окислителями. Ведется разработка более перспективных методов очистки.

Альдегиды

Продолжим изучение кислородсодержащих органических веществ. Напомним, что атомы кислорода в молекулах спиртов и простых эфиров выступали в качестве «мостиков» между углеводородной группой и атомом водорода (спирты) либо между двумя углеводородными группами (простые эфиры):

спирты	простые эфиры

Но, в принципе, атом кислорода может образовывать двойную ковалентную связь с атомом углерода, при этом образуется следующая структура:

Данная формула отражает строение новой функциональной группы, которая входит в состав множества органических соединений. Эта группа называется карбонильной группой или кетогруппой.

Как видно, две связи атом углерода в карбонильной группе образует с атомом кислорода. Еще две связи углерод может образовывать с атомами водорода либо углеводородными группами. В последнем случае общая структурная формула соответствующих соединений выглядит так:

Органические соединения, молекулы которых содержат карбонильную группу, связанную с двумя углеводородными радикалами, называются кетонами.

Углеводородные группы в молекулах кетонов могут быть как одинаковыми, так и различными. В молекуле простейшего кетона имеются две метильные группы. Этот кетон вам хорошо известен, он называется ацетон:

Ацетон представляет собой легкокипящую жидкость (tкип = 56 ºС) с характерным запахом, неограниченно смешивающуюся с водой. Используется в качестве растворителя и в органическом синтезе. Ацетон получают в процессе синтеза фенола кумольным методом (см. предыдущий параграф).

Интересно знать: Еще один известный кетон – кетон малины, также имеет в составе молекулы карбонильную группу, это соединение более сложного строения:

Кетон малины содержится, естественно, в малине, обусловливает ее характерный запах. Синтетический кетон малины применяется в качестве добавки к пищевым продуктам и косметическим средствам.

Этими веществами ограничивается наше знакомство с кетонами, их свойства изучаются в более подробных курсах органической химии. Наша задача – рассмотреть соединения, в молекулах которых карбонильная группа образует одну связь с углеводородной группой, а вторую – с атомом водорода:

Соединения такого строения называются альдегидами. В составе молекулы альдегида можно выделить углеводородную группу и альдегидную группу – функциональную группу, состоящую из карбонильной группы, связанной с атомом водорода:

Дадим определение классу альдегидов:

Альдегиды – органические соединения, в состав молекул которых входит альдегидная группа, связанная с углеводородным радикалом.
Если углеводородный радикал (т. е. углеводородная группа) в составе альдегида является насыщенной, такие альдегиды называются насыщенными или предельными, а их состав отражает формула:

Эта общая формула соответствует целому ряду соединений, представляющих собой гомологический ряд насыщенных альдегидов. Рассмотрим, что собой представляют наиболее важные гомологи.
Для первого представителя альдегидов n = 0. То есть карбонильная группа в его составе связана с двумя атомами водорода:

Это соединение называется формальдегид и представляет собой бесцветный ядовитый газ с резким запахом, который хорошо растворяется в воде. Водный раствор формальдегида называется формалин и используется для консервации биологических тканей.
Структурная формула ближайшего гомолога формальдегида:

Название этого соединения – уксусный альдегид или ацетальдегид. Уксусный альдегид представляет собой бесцветную жидкость с запахом яблок. Температура кипения уксусного альдегида весьма низка (tкип.= 21ºС), поэтому его хранят в запаянных ампулах, так как из недостаточно плотно закрытой бутылки он просто испарится.

Формальдегид и уксусный альдегид – тривиальные, то есть исторически сложившиеся названия простейших альдегидов. Очевидно, что для названий последующих гомологов, которые могут быть достаточно сложного строения, необходима соответствующая номенклатура.

Рассмотрим номенклатуру альдегидов. Основные правила следующие. Название альдегида состоит из названия углеводорода с тем же, что и у альдегида числом атомов углерода в молекуле. Оканчивается название суффиксом –аль. Нумерацию атомов углерода главной цепи следует начинать с атома углерода альдегидной группы.

В соответствии с этими правилами систематическое название формальдегида – метаналь, уксусного альдегида – этаналь и т. д.

Рассмотри более сложный случай. Назовем по правилам номенклатуры IUPAC альдегид следующего строения (приведена скелетная формула):

Перепишем ее в виде обычной структурной формулы и пронумеруем атомы углерода главной цепи, начиная с атома углерода альдегидной группы:

Главная цепь состоит из шести атомов углерода, поэтому название будет включать такой же корень, как и название соответствующего углеводорода, гексана. Третий, четвертый и пятый атомы углерода главной цепи связаны с углеводородными группами. Называем их так, как и в случае алканов. Принадлежность соединения к классу альдегидов указывает суффикс –аль. Название альдегида: 4,5-диметил-3-этилгексаналь.

Приведем формулы и названия первых шести гомологов предельных альдегидов с неразветвленной углеродной цепью. В данные таблицы включены также температуры кипения этих соединений.

Таблица 24.1 Формулы, названия и температуры кипения предельных альдегидов 

	Формула	Тривиальное название	Номенклатура IUPAC	tкип, ºС
1	HCHO	муравьиный, формальдегид	метаналь	–20
2		уксусный, ацетальдегид	этаналь	21
3		пропионовый	пропаналь	49
4		масляный	бутаналь	75
5		валериановый	пентаналь	103
6		капроновый	гексаналь	131

Как видно, в таблице приведены данные для альдегидов с неразветвленной углеродной цепью. Углеродный скелет альдегидов может иметь и разветвленное строение. Для альдегидов возможна только изомерия углеродной цепи. Изомерия положения функциональной группы, имевшая место в случае спиртов, для них невозможна, так как главная цепь альдегида начинается всегда с атома углерода альдегидной группы, поэтому его номер в названии указывать не принято (он всегда будет первым). Например, для альдегида состава возможны два изомера:

Отметим еще одну особенность свойств альдегидов. Температуры кипения их значительно ниже, чем температуры кипения спиртов с таким же числом атомов углерода в молекуле: у метанола tкип. = +64ºС, соответствующий параметр для формальдегида более, чем на 80ºС ниже (табл.24.1). Это свидетельствует о более слабом межмолекулярном взаимодействии между молекулами альдегидов по сравнению со спиртами.

Напомним, что сильное взаимодействие между молекулами спиртов обусловлено наличием водородных связей. Для образования водородной связи необходимы два условия: наличие в молекуле атома с высокой электроотрицательностью и частичным отрицательным зарядом (обычно это атомы кислорода, азота и фтора), а также атома водорода, имеющего частичный положительный заряд. В случае спиртов оба эти фактора выполняются. В молекулах альдегидов из компонентов водородной связи имеется только атом кислорода с частичным отрицательным зарядом, положительный заряд – на соседнем атоме углерода, поэтому водород альдегидной группы не может участвовать в образовании водородной связи:

Мы познакомились с органическими соединениями, молекулы которых содержат карбонильную группу – альдегидами и кетонами. В следующем параграфе мы рассмотрим химические свойства альдегидов, их получение и применение.

Химические свойства, получение и применение альдегидов:

Альдегиды являются весьма реакционноспособными веществами и обладают разнообразными химическими свойствами, что обусловливает их широкое использование в органическом синтезе. Мы рассмотрим лишь важнейшие из этих свойств.

Альдегиды легко окисляются. В качестве окислителей могут выступать соединения металлов, расположенных в ряду активностей правее водорода – серебра(I) и меди(II).

Окисление альдегидов соединениями серебра. В пробирку помещают примерно 1 см3 5 % раствора нитрата серебра. Затем приливают 1 – 2 см3 разбавленного раствора аммиака. При этом выпадает белый осадок, который сразу же растворяется. К прозрачному раствору добавляют примерно 1 см3 раствора формальдегида и нагревают пробирку, при этом выпадает черный осадок серебра. При дальнейшем нагревании серебро осаждается на стенках пробирки в виде блестящего зеркального слоя, благодаря чему эта реакция называется «реакция серебряного зеркала».
Уравнение реакции серебряного зеркала в общем виде:

Формулу окислителя в упрощенном виде представляют в виде оксида серебра Ag2O, часто его так и называют «аммиачный раствор оксида серебра».
Реакция серебряного зеркала является качественной реакцией на альдегиды.

Реакция серебряного зеркала:

Наливаем в пробирку раствор формальдегида. Добавляем амиачный раствор оксида серебра. Нагреваем пробирку. Образуется черный осадок серебра, который осаждается на стенках пробирки в виде зеркала.

Помимо металлического серебра, продуктом реакции является карбоновая кислота. Карбоновые кислоты, важнейший класс органических соединений, мы рассмотрим в следующем параграфе.

Окисление альдегидов соединениями меди(II). В пробирку помещают примерно 1 см3 очень разбавленного раствора медного купороса бледно-голубого цвета, затем приливают 2 – 3 см3 разбавленного раствора щелочи. Выпадает голубой осадок . Далее добавляют 1 – 2 см3 раствора формальдегида и нагревают пробирку. Осадок бледно-голубого цвета становится желтым, при дальнейшем нагревании – оранжево-красным. Уравнения реакций:

В ходе этого превращения сначала выпадает желтый осадок гидроксида меди(I), который при нагревании разлагается с образованием оранжево-красного оксида меди(I)  Для успешного проведения реакции следует избегать избытка медного купороса, так как после добавления щелочи может образоваться слишком большое количество гидроксида меди(II), который при нагревании разлагается до CuO черного цвета. Поэтому процесс восстановления меди альдегидом может остаться незамеченным.

Как и в случае реакции серебряного зеркала, продуктом окисления альдегида является карбоновая кислота. Реакция окисления альдегидов соединениями меди(II) также является качественной реакцией на альдегиды.

Помимо реакций окисления, для альдегидов характерны реакции восстановления. Восстановителем может выступать водород. Для протекания реакции восстановления водородом необходим катализатор. Обычно в качестве катализатора используется никель. Реакцию осуществляют пропусканием смеси водорода с парами альдегида над нагретым катализатором. Упрощенно эту реакцию можно рассматривать как реакцию присоединения водорода по двойной связи С=О карбонильной группы. Уравнение реакции:

Продуктом восстановления альдегида является спирт.
Способность альдегидов окисляться до карбоновых кислот и восстанавливаться до спиртов особенно наглядно демонстрирует взаимосвязь между классами органических соединений, благодаря которой вещества одного класса могут быть получены из представителей других классов веществ. Понимание этих связей открывает неограниченные возможности для синтеза новых соединений с определенными, практически значимыми свойствами.

Получение и применение муравьиного и уксусного альдегидов:

В промышленности формальдегид получают каталитическим окислением метанола и метана:

Формальдегид используется в производстве пластмасс. Известный всем материал ДСП (древесностружечная плита) представляет собой смесь древесных стружек, скрепленных между собой фенолформальдегидным полимером. В упрощенном виде схема реакции образования полимера следующая:

Эту реакцию можно рассматривать как реакцию межмолекулярной дегидратации, в которой молекулы формальдегида «сшивают» молекулы фенола с образованием трехмерной структуры.

Формальдегид также используется в медицине в качестве консерванта биологических тканей, для дубления кожи и протравливания семян.
О получении уксусного альдегида в лаборатории мы упоминали при рассмотрении химических свойств спиртов (§ 21). Уксусный альдегид образуется, если в этиловый спирт опустить раскаленную медную проволоку. При прокаливании в пламени спиртовки поверхность проволоки покрывается черным оксидом меди(II), который является в этой реакции окислителем. Этиловый спирт окисляется до альдегида, восстанавливая медь. После погружения в этанол проволока опять становится блестящей, при этом чувствуется характерный яблочный запах уксусного альдегида. Уравнение реакции:

В более значительных количествах уксусный альдегид может быть легко получен в лабораторных условиях.

Для этого в пробирку с газоотводной трубкой помещают 0,5 г дихромата калия, 2 см3 разбавленной серной кислоты и 2 см3 этанола, смесь встряхивают. Наблюдается разогревание смеси и изменение ее окраски.

Пробирку закрепляют наклонно и опускают газоотводную трубку почти до дна другой пробирки, содержащей 2 см3 холодной воды и помещенной в стакан воды со льдом. Осторожно нагревают реакционную смесь. В течение 2-3 минут объем смеси увеличивается почти вдвое, после этого нагревание прекращают и разбирают прибор. Присутствие альдегида определяется по характерному яблочному запаху. С ним можно также провести качественные реакции на альдегидную группу с соединениями серебра(I) и меди(II). Схема реакции получения уксусного альдегида:

В промышленности уксусный альдегид ранее получали гидратацией ацетилена в присутствии солей ртути:

В ходе этой реакции вода присоединяется по тройной связи ацетилена и сначала образуется ненасыщенный виниловый спирт. Он называется так, потому что в его молекуле радикал винил () связан с гидроксильной группой. Такие соединения неустойчивы и сразу же изомеризуются в соединения с карбонильной группой, в данном случае в уксусный альдегид. Эта реакция носит имя российского химика Михаила Григорьевича Кучерова.

В настоящее время уксусный альдегид получают посредством, так называемого Вакер-процесса, который заключается в окислении этилена кислородом воздуха а присутствии хлоридов палладия и меди:

Уксусный альдегид необходим для получения уксусной кислоты, для этого его окисляют кислородом воздуха в присутствии катализаторов, уксусный альдегид также используется в процессах синтеза различных органических веществ.

Карбоновые кислоты

Из материала предыдущих параграфов вы познакомились со спиртами, фенолами и альдегидами – органическими соединениями, молекулы которых включают гидроксильные и альдегидные группы. Эти группы придали соединениям новые свойства. Напомним, что группы, которые придают веществам определенные химические свойства, называются функциональными группами. То есть гидроксильная группа в составе спиртов и фенолов, а также альдегидная в составе альдегидов являются функциональными группами.

В составе молекул органических соединений присутствуют и другие функциональные группы. Одна из важнейших – карбоксильная, в ее состав входят два атома кислорода:

Как видно, карбоксильная группа состоит из двух более простых групп – карбонильной и гидроксильной:

Формула карбоксильной группы в сокращенном виде –СООН.
Органические вещества, в состав молекул которых входят карбоксильные группы, называются карбоновыми кислотами. Число карбоксильных групп в молекуле карбоновой кислоты называется ее основностью.
Общая формула предельных одноосновных карбоновых кислот:

Символом R в органической химии принято обозначать углеводородную группу.
Первые представители гомологического ряда предельных одноосновных карбоновых кислот – муравьиная НСООН и уксусная . Муравьиная и уксусная кислоты представляют собой бесцветные жидкости с резким запахом, которые смешиваются с водой в любых соотношениях. Название муравьиной кислоты обусловливается ее присутствием в едком секрете, который выделяют муравьи.

Уксусная кислота вам хорошо известна, ее водный раствор, который называется столовый уксус, широко используется в быту как приправа к пище и консервант. Массовая доля в столовом уксусе составляет 6-9 %.

Концентрированный раствор с массовой долей уксусной кислоты, равной 80 %, называется уксусная эссеснция, его используют для приготовления столового уксуса путем добавления воды. Следует помнить, что с растворами уксусной кислоты, особенно концентрированными, следует обращаться очень осторожно, так как попадание их на кожу, и особенно на слизистые оболочки пищеварительного тракта может привести к ожогам.

Номенклатура и физические свойства карбоновых кислот:

Правила построения названий карбоновых кислот вытекают из общих принципов химической номенклатуры. Название кислоты состоит из названия углеводорода с тем же, что и у кислоты числом атомов углерода в молекуле, и окончания «-оваякислота». Так, муравьиная кислота по систематической номенклатуре называется метановая кислота, уксусная – этановая и т. д. В таблице приведены формулы, названия и температуры кипения первых шести представителей гомологического ряда предельных одноосновных карбоновых кислот.

Таблица 26.1 Формулы, названия и температуры кипения предельных одноосновных карбоновых кислот 

	Формула	Тривиальное название	Номенклатура IUPAC	tкип, ºС
1	HCООН	муравьиная	метановая	101
2		уксусная	этановая	118
3		пропионовая	пропановая	141
4		масляная	бутановая	163
5		валериановая	пентановая	186
6		капроновая	гексановая	205

Из данных таблицы видно, что температуры кипения карбоновых кислот довольно высоки. В отличие от альдегидов, среди карбоновых кислот нет веществ, газообразных при обычных условиях. Это же явление наблюдалось и в случае спиртов, что объяснялось образованием водородных связей между их молекулами (§ 20). Молекулы карбоновых кислот также, как и молекулы спиртов, участвуют в образовании водородных связей. Установлено, что в растворах, и даже в парáх существуют димеры, в которых две молекулы карбоновой кислоты связаны между собой двумя водородными связями:

Водородное связывание молекул карбоновых кислот обусловливает высокие температуры кипения данных соединений, которые даже выше, чем у спиртов.
Муравьиная, уксусная и пропионовая кислоты смешиваются с водой во всех соотношениях. Хорошая растворимость обусловливается образованием водородных связей между молекулами карбоновых кислот и воды. По мере увеличения углеводородного радикала в молекуле кислоты ее растворимость в воде снижается.

Химические свойства карбоновых кислот:

Рассмотрим важнейшие химические свойства карбоновых кислот. Связь О–Н в карбоксильной группе –СООН намного полярнее, чем в молекулах спиртов, поэтому в водных растворах молекулы карбоновых кислот диссоциируют на катион водорода и анион кислотного остатка. Катион водорода является носителем кислотных свойств:

Карбоновые кислоты являются слабыми электролитами, процесс их электролитической диссоциации обратим.

Образование ионов водорода в результате диссоциации обусловливает проявление карбоновыми кислотами свойств, характерных для неорганических кислот. Эти свойства вам хорошо знакомы. Рассмотрим их и сравним со свойствами неорганических кислот.

В отличие от спиртов водные растворы карбоновых кислот изменяют окраску индикаторов: лакмус в растворах карбоновых кислот изменяет окраску с фиолетовой на розовую, метилоранж – с оранжевой на красную.
Как и неорганические кислоты, карбоновые кислоты вступают в реакцию нейтрализации с основаниями, образуется соль карбоновой кислоты и вода:

Карбоновые кислоты взаимодействуют с активными металлами, расположенными в ряду напряжений до водорода:

В результате образуется соль карбоновой кислоты и выделяется водород. Соли уксусной и муравьиной кислот называются ацетатами и формиатами соответственно. Название формиат для солей муравьиной кислоты происходит от латинского названия муравья – formica.

Для карбоновых кислот характерно взаимодействие с оксидами металлов, при этом образуются соль и вода. Особенно наглядно это заметно на примере взаимодействия карбоновой кислоты с оксидом меди(II). В результате бесцветный раствор кислоты синеет вследствие образования растворимой соли меди(II). Как известно, большинство солей меди(II) имеют голубой цвет:

Как и обычные кислоты, карбоновые кислоты реагируют с солями более слабых кислот. Взаимодействие с карбонатами – качественная реакция на карбоновые кислоты (выделение ):

Эту реакцию часто осуществляют в быту. Во многих кулинарных рецептах так описывается приготовление разрыхлителя для теста: «берем соду, погашенную уксусом». Формула питьевой соды – . Уравнение реакции, которая при этом происходит:

 

Взаимодействие уксусной кислоты с содой:

Наливаем раствор уксусной кислоты в пробирку. Затем добавляем раствор карбоната натрия. Наблюдается бурное выделение углекислого газа.
Как видно, нахождение в составе молекулы органического соединения карбоксильной группы придает ему свойства настоящей кислоты. Несмотря на определенную специфику, органическая химия имеет много общего с неорганической, поэтому знания, полученные при изучении неорганической химии, еще не раз помогут нам.

Помимо типичных кислотных свойств, у карбоновых кислот имеются и другие химические свойства, одно из которых – взаимодействие со спиртами. Это взаимодействие можно осуществить на практике. Для этого в пробирку помещают по 2-3 см3 концентрированной уксусной кислоты и этилового спирта, затем добавляют 1-2 капли концентрированной серной кислоты (она является катализатором). После непродолжительного нагревания пробирки чувствуется специфический приятный запах. Этот запах свидетельствует об образовании нового вещества – сложного эфира:

Реакцию образования сложного эфира можно упрощенно рассматривать как межмолекулярную дегидратацию карбоновой кислоты (от ее молекулы отщепляется гидроксильная группа) и спирта (от его молекулы уходит атом водорода). Подробнее сложные эфиры будут рассмотрены далее.
Отметим свойство, присущее только первому представителю класса карбоновых кислот – муравьиной кислоте. Она вступает в реакцию «серебряного зеркала». Рассмотрим внимательно ее формулу:

Мы видим, что в молекуле муравьиной кислоты, по существу, присутствует альдегидная группа, поэтому вполне логично, что она дает качественную реакцию на альдегиды:

В результате окисления муравьиной кислоты образуется угольная кислота, которая разлагается на углекислый газ и воду.

Мы познакомились с новым классом органических соединений – карбоновыми кислотами, молекулы которых содержат карбоксильную группу –СООН. Новый структурный элемент обусловил ряд особенностей физических и химических свойств карбоновых кислот. Это образование водородных связей между молекулами, благодаря чему карбоновые кислоты имеют высокие температуры кипения.

Химические свойства карбоновых кислот во многом похожи на свойства неорганических кислот: они изменяют окраску индикаторов, вступают в реакции нейтрализации, реагируют с металлами, оксидами металлов и солями более слабых кислот. Карбоновые кислоты реагируют также со спиртами, образуя сложные эфиры. Кроме этого, муравьиной кислоте присущи свойства альдегида, что отличает ее от остальных карбоновых кислот.

Карбоновые кислоты имеют большое значение в нашей жизни, многие из них играют важную роль в обмене веществ в живых организмах. Со многими представителями карбоновых кислот и их производными мы имеем дело в быту. Изучению некоторых известных вам представителей карбоновых кислот, их получению и применению посвящен следующий параграф.

Представители карбоновых кислот. Получение карбоновых кислот:

Класс карбоновых кислот является весьма многочисленным и, конечно, не ограничивается рассмотренными в предыдущем параграфе веществами.
Карбоновые кислоты часто встречаются в составе природных объектов. Само название кислот связано со словом «кислый», потому что большинство кислот имеют кислый вкус, они придают его объектам, в которых содержатся. Ощущение кислотности связано с наличием в пробе ионов водорода, которые образуются в результате диссоциации карбоксильных групп кислот.

Ранее упоминалось, что кислый вкус секрету муравьев придает содержащаяся в нем муравьиная или метановая кислота. Уксусная кислота образуется при неправильном хранении вина, «винный уксус» – это продукт переработки прокисшего вина.

Кислый вкус имеют многие дары природы – лимоны, яблоки, клюква, щавель и др. Все они содержат в своем составе карбоновые кислоты. Познакомимся с некоторыми их них.

В листьях щавеля содержится простейший представитель двухосновных карбоновых кислот – щавелевая кислота:

Особенно много ее в старых листьях щавеля. В больших количествах щавелевая кислота ядовита. Вдобавок, с ионами кальция она образует нерастворимую соль, которая называется щавелевокислый кальций или оксалат кальция (уравнение реакции напишите самостоятельно). Этот процесс может происходить в организме человека, вызывая образование камней в почках и желчном пузыре.
В лимонах и многих других фруктах содержится лимонная кислота:

Молекула лимонной кислоты содержит три карбоксильные и одну гидроксильную группы. Еще одним примером природной кислоты, содержащей в молекуле карбоксильную и гидроксильную группы, является молочная кислота, образующаяся в молоке при его скисании:

Молочная кислота является прекрасным природным консервантом, благодаря которому мы имеем замечательные кисломолочные продукты: простоквашу, кефир, творог, сыр и др.
Известна яблочная кислота, которая содержится, конечно, в яблоках:

В винограде содержится виноградная или винная кислота, молекула которой содержит на одну гидроксильную группу больше по сравнению с яблочной кислотой:

Клюква, по-белорусски "журавiнка", отличающаяся кислым вкусом, содержит, нет, не клюквенную, а бензойную кислоту:

Бензойная кислота, в молекуле которой бензольное кольцо связано с карбоксильной группой, относится к ароматическим карбоновым кислотам. Она, как и молочная, является очень хорошим природным консервантом. Известно, что варенье из клюквы можно варить без сахара, оно не испортится, благодаря бензойной кислоте, содержащейся в клюкве.

Бензойная кислота является простейшим представителем ароматических карбоновых кислот. Двухосновная ароматическая карбоновая кислота – терефталевая – синтезируется в промышленности в больших масштабах, так как является исходным сырьем для получения полимеров:

Молекулы карбоновых кислот могут содержать кратные связи. Простейший представитель непредельных карбоновых кислот – акриловая кислота:

Акриловая кислота и ее производные используются при производстве полимеров, лакокрасочных материалов, строительных смесей и клеев.
Еще одна группа карбоновых кислот – высшие жирные кислоты. Их получают при переработке жиров (отсюда и название). Важнейшими высшими жирными кислотами являются пальмитиновая, стеариновая и олеиновая кислоты:

Высшие жирные кислоты являются одноосновными. Их молекулы имеют неразветвленное строение и содержат 16 (пальмитиновая) и 18 атомов углерода (стеариновая и олеиновая). Пальмитиновая и стеариновая кислоты – предельные, тогда как олеиновая непредельная. В молекуле олеиновой кислоты двойная связь образована между девятым и десятым атомами углерода (убедитесь в этом самостоятельно). Молекула олеиновой кислоты представляет собой цис- изомер.

Пальмитиновая, стеариновая и олеиновая кислоты входят в состав природных жиров. Важное значение имеют натриевые и калиевые соли пальмитиновой и стеариновой кислот. Соли этих кислот называются пальмитатами и стеаратами. Они представляют собой основу известного всем моющего средства – мыла. Пальмитаты и стеараты калия и натрия растворимы в воде. Известно, что в водных растворах соли являются сильными электролитами, полностью и необратимо диссоциируют на катион металла и анион кислотного остатка:

Анион карбоновой кислоты представляет собой длинный углеводородный радикал, связанный с анионной группой –COO-. Эти два фрагмента обладают различными свойствами. Наличие полярной группы –COO- предполагает хорошую растворимость всего вещества в воде. Эта часть аниона называется гидрофильной. Углеводородный радикал представляет собой остаток молекулы предельного углеводорода, которые, как известно, не растворяются в воде. Эту часть аниона называют гидрофобной:

За счет гидрофобной части мыло взаимодействует с частицами загрязнителя, которые имеют углеводородную природу и в воде не растворяются («подобное растворяется в подобном»). При этом образуются капельки, в которых гидрофильные части мыла направлены наружу капелек и взаимодействуют с водой. То есть мыло является своеобразным переносчиком нерастворимого в воде загрязнения в раствор.

Известно, что мыло обладает моющим действием только в мягкой воде. В жесткой и морской воде мыло утрачивает свои ценные свойства. Почему это происходит? Известно, что в жесткой и морской воде присутствуют растворенные соли, в частности, соли магния и кальция, которые вступают в реакцию ионного обмена с натриевыми и калиевыми солями жирных кислот с образованием нерастворимых пальмитатов и стеаратов магния и кальция. Приведем ионное уравнение реакции на примере образования нерастворимого стеарата кальция:

При этом анион высшей жирной кислоты связывается в нерастворимое соединение, выводится из раствора и мыло утрачивает моющее действие.
В настоящее время разработаны синтетические моющие средства (СМС), которые обладают моющим действием в жесткой и даже морской воде. Для этого СМС не должны образовывать с ионами магния и кальция нерастворимых соединений.
На примере изучения строения и свойств мыла мы познакомились с примером того, как знание теоретических основ явления позволяет целенаправленно получать вещества с необходимыми свойствами.

Как видно, карбоновые кислоты являются веществами, имеющими практическое значение. В связи с этим вопросы их получения представляют большое значение.

Получение карбоновых кислот:

Основной метод получения карбоновых кислот – окисление органических соединений. При изучении свойств альдегидов мы познакомились с реакцией их окисления соединениями серебра(I) и меди(II), в результате которой образуются карбоновые кислоты. Для промышленного получения эти способы, конечно, не годятся, так как такие реагенты, как соединения серебра очень дороги. В промышленности уксусный альдегид окисляют до уксусной кислоты кислородом воздуха в присутствии катализатора – соединений марганца:

Для получения уксусной кислоты используется еще более дешевое сырье – бутан, который окисляют кислородом воздуха на катализаторе – соединениях кобальта:

Как видно из уравнения реакции, из одной молекулы бутана образуется две молекулы уксусной кислоты.

Некоторые карбоновые кислоты выделяют из природных объектов, в частности, из жиров получают высшие жирные кислоты и их соли. Разработаны методы синтеза многих природных карбоновых кислот, которые получают с целью использования в качестве пищевых добавок, а также исходных веществ для синтеза многих других полезных органических соединений.

Мы познакомились с карбоновыми кислотами – важнейшим и обширным классом органических соединений. Карбоновые кислоты являются веществами, которые присутствуют во многих живых организмах и участвуют в их жизнедеятельности. Так мы постепенно подходим к познанию «тайны жизни», к веществам, из которых построены живые организмы. Вы скоро увидите, какую роль играют карбоновые кислоты и их производные в объектах живой природы.

Сложные эфиры

Изучая карбоновые кислоты, мы познакомились с одним из их интересных свойств: образованием сложных эфиров при взаимодействии со спиртами в присутствии серной кислоты:

Реакция образования сложного эфира из карбоновой кислоты и спирта называется реакцией этерификации (от английского слова ester – сложный эфир).

Сложный эфир, образованный уксусной кислотой и этиловым спиртом, так и называется: этиловый эфир уксусной кислоты. Сокращенно его можно называть также этилацетат. Напомним, что ацетатами обычно называют производные уксусной кислоты. Согласно номенклатуре IUPAC, уксусная кислота называется этановой кислотой, поэтому систематическое название ее этилового эфира этилэтаноат.

Очевидно, что различные карбоновые кислоты и спирты могут образовывать разнообразные сложные эфиры, общую формулу которых можно представить следующим образом:

В молекуле сложного эфира присутствуют две углеводородные группы: R1 «перекочевала» из молекулы карбоновой кислоты, R2 – из молекулы спирта. Группа –COO- называется сложноэфирной группой. Сложноэфирная группа соединяет между собой отдельные части молекулы, в связи с этим, такие группы часто называют мостиковыми. Сложноэфирная группа входит в состав молекул ряда полимеров, отсюда их название – полиэфиры, полиэфирные волокна.

Следует отличать сложные эфиры от простых эфиров, с которыми мы познакомились, изучая спирты. Напомним, что общая формула простых эфиров

Как видно из общей формулы, состав сложного эфира определяется составом образующих его карбоновой кислоты и спирта.

Используя известные нам представления теории строения органических соединений, попытаемся предсказать физические свойства сложных эфиров.
Молекулы сложных эфиров имеют довольно значительные молекулярные массы, в них присутствуют электроотрицательные атомы кислорода, что, очевидно, сделает молекулы полярными.

В данном случае можно ожидать, что межмолекулярное взаимодействие между полярными молекулами с довольно большими значениями молекулярной массы будет значительным. В то же время, образование водородных связей между молекулами сложных эфиров невозможно – отсутствует атом водорода полярной группировки. Можно ожидать, что сложные эфиры будут представлять собой жидкости с невысокими температурами кипения. Так оно и есть на самом деле. Например, этиловый эфир уксусной кислоты представляет собой бесцветную жидкость с приятным запахом и температурой кипения 77ºС.

Многие другие сложные эфиры также являются жидкостями и обладают чудесными запахами. Это свойство обусловливает применение природных и синтетических сложных эфиров в качестве ароматизаторов, отдушек и компонентов парфюмерных и косметических составов. Этиловый эфир уксусной кислоты применяют в качестве растворителя.

Получают природные сложные эфиры извлечением из содержащих их природных объектов. Синтетические сложные эфиры получают с помощью реакции этерификации.

В таблице представлены формулы, названия и запахи некоторых сложных эфиров.

Таблица 28.1 Сложные эфиры 

R2	R1	Формула сложного эфира	Название	Запах
-H			этиловый эфир муравьиной кислоты,  этилформиат,  этилметаноат	ром
			изоамиловый эфир уксусной кислоты	груша
			этиловый эфир масляной кислоты	абрикос
			изоамиловый эфир масляной кислоты	ананас
			изоамиловый эфир изовалериановой кислоты	жасмин

Основное химическое свойство сложных эфиров – взаимодействие их с водой в присутствии серной кислоты, приводящее к получению карбоновой кислоты и спирта. Эта реакция называется гидролизом сложного эфира (гидролиз – разложение под действием воды). Реакция сложного эфира является реакцией, обратной реакции этерификации. То есть реакция этерификации – обратимая химическая реакция, в ходе которой одновременно протекает образование сложного эфира и его гидролиз. Приведем уравнение реакции гидролиза сложного эфира в присутствии серной кислоты на примере этилацетата:

Жиры

Мы рассмотрели сложные эфиры, образованные одноосновными карбоновыми кислотами и одноатомными спиртами. Этими соединениями не ограничивается класс сложных эфиров. Существуют сложные эфиры, образованные многоатомными спиртами, в частности, трехатомным спиртом глицерином и одноосновными карбоновыми кислотами. Такие сложные эфиры называются жирами. Общая формула жиров:

Как видно, молекула жира состоит из фрагмента молекулы трехатомного спирта глицерина и трех остатков карбоновой кислоты, углеводородная группа которой обозначена R. Углеводородные группы молекулы жира могут быть одинаковыми и разными. Какие же карбоновые кислоты образуют жиры? Мы познакомились с ними из предыдущего параграфа – это высшие жирные кислоты: пальмитиновая, стеариновая и олеиновая. В состав жиров могут входить и некоторые другие кислоты, в частности, масляная (отсюда и ее название).

Жиры являются сложными эфирами глицерина, поэтому их принято называть триглицеридами. Например, если в молекуле жира все три кислотных остатка стеариновой кислоты, такой жир называется триглицеридом стеариновой кислоты.

Физические свойства жиров хорошо известны, так как они являются продуктами питания. Жиры бывают жидкими и твердыми. Жидкие жиры, как правило, растительного происхождения, это оливковое, подсолнечное, кукурузное и другие масла. Твердые жиры обычно животного происхождения: свиной, говяжий жир, сливочное масло. Жиры нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях.

Твердые жиры образованы преимущественно предельными высшими жирными кислотами – пальмитиновой и стеариновой, тогда как жидкие жиры содержат много углеводородных групп ненасыщенных жирных кислот. Так, в составе оливкового масла примерно 80 % углеводородных групп R являются группами олеиновой кислоты, в подсолнечном масле таких групп примерно 36 %. Если немного оливкового масла встряхнуть в пробирке с бромной водой, она обесцветится, подтверждая наличие двойных связей в молекуле жидкого жира.
Жидкие жиры являются природными антиоксидантами. Общеизвестна особая польза оливкового масла.

За счет высокой химической активности двойных связей молекулы ненасыщенных жиров нейтрализуют в организме свободнорадикальные частицы, которые являются причинами вредных мутаций, приводят к заболеваниям и преждевременному старению. Поэтому одним из принципов здорового питания является сокращение в рационе твердых жиров и замена их жидкими.

На основе анализа строения и свойств жиров можно предположить, что ненасыщенные жидкие жиры можно перевести в твердые, осуществив реакцию присоединения водорода по двойной связи радикала кислоты. Действительно, этот процесс, который называется гидрированием жиров широко используется в промышленности для получения твердых жиров – исходных веществ для синтеза моющих средств, а также синтетического пищевого жира – маргарина.

На заводе по производству маргарина процесс гидрирования проводят в автоклавах, куда загружают жидкое масло и катализатор (обычно никель). Затем через нагретый автоклав пропускают водород. Продукт гидрирования расфасовывают, после охлаждения он представляет собой известный нам твердый маргарин. Уравнение реакции гидрирования на примере получения триглицерида стеариновой кислоты из триглицерида олеиновой кислоты:

Основным химическим свойством сложных эфиров является гидролиз. Это справедливо и для жиров. При нагревании в присутствии кислот жиры гидролизуются до глицерина и соответствующих карбоновых кислот. Приведем уравнение реакции кислотного гидролиза жира на примере триглицерида пальмитиновой кислоты:

Гидролиз сложных эфиров может протекать в присутствии щелочей. Процесс щелочного гидролиза имеет особое значение, потому что в результате образуется не только глицерин, но и соль карбоновой кислоты, а не сама кислота. Известно, что натриевые и калиевые соли высших жирных кислот являются основой мыла. В связи с этим реакцию гидролиза сложных эфиров называют также реакцией омыления. Уравнение реакции щелочного гидролиза для триглицерида стеариновой кислоты:

Образование соли карбоновой кислоты объясняется тем, что в присутствии щелочи кислота нейтрализуется и дает соответствующую соль.
Реакция щелочного гидролиза жиров широко используется в промышленности для производства мыла.

Из реакционной смеси, образовавшейся в результате щелочного гидролиза жира, мыло извлекают путем добавления сухого хлорида натрия при перемешивании. По мере насыщения раствора солью растворимость мыла уменьшается, раствор начинает мутнеть и, наконец, натриевое мыло всплывает над прозрачной жидкостью в виде творожистых хлопьев, которые отделяют, промывают водой, добавляют красители, отдушки и прессуют в известные нам куски мыла. Этот процесс называют высаливанием, его часто применяют в лабораторной практике и в промышленности при выделении органических веществ из водных растворов.

Сложные эфиры могут образовывать не только карбоновые кислоты но и кислородсодержащие минеральные кислоты. В частности, известен сложный эфир, который образуется при взаимодействия глицерина с азотной кислотой в присутствии серной кислоты. Этот сложный эфир называется триглицерид азотной кислоты или нитроглицерин. Он является взрывчатым веществом и входит в состав динамита:

Вы познакомились со сложными эфирами – продуктами реакции этерификации карбоновых кислот и спиртов. Это, как правило, жидкости с приятными запахами. Они присутствуют во многих растительных организмах. Сложными эфирами являются также жиры, они образованы трехатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами.

При нагревании с серной кислотой сложные эфиры подвергаются гидролизу с образованием исходных спирта и карбоновой кислоты. Гидролиз сложных эфиров протекает и под действием щелочей, в этом случае продуктами являются спирт и соль карбоновой кислоты. При щелочном гидролизе жиров получают мыла – соли высших жирных кислот.

Углеводы

Углеводы – органические соединения, которые широко распространены в природе. Они входят в состав всех живых организмов. Со многими из них мы часто встречаемся в повседневной жизни, это хорошо известные всем сахароза (обычный сахар), глюкоза, крахмал и многие другие. Как видно из перечисленных названий, некоторые углеводы имеют сладкий вкус, отсюда происходит еще одно название этого класса соединений – сахара.
Ранее, приступая к изучению нового класса органических соединений, мы начинали с написания общей формулы класса, далее рассматривали строение функциональной группы, имеющейся в молекулах, затем связанные с ней свойства вещества. Для углеводов такой подход не используется, так эти соединения более разнообразны по составу, строению и свойствам, чем ранее изучавшиеся нами органические вещества. Мы начнем знакомство с классом углеводов с одного из его представителей – глюкозы, затем рассмотрим строение и свойства других углеводов.

Глюкоза

Глюкоза – порошок белого цвета, хорошо растворим в воде, сладкий на вкус. Температура плавления глюкозы 146ºС. Молекулярная формула глюкозы Эту формулу можно представить как В целом, состав большинства углеводов может быть отражен общей формулой Отсюда общее название класса углеводов: углерод плюс вода. Для глюкозы n=6.

В молекуле глюкозы шесть атомов кислорода, очевидно, что они входят в состав нескольких функциональных групп. Попробуем предположить, какие это группы. Учитывая сладкий вкус глюкозы, карбоксильной группы в ее молекуле нет, в противном случае она имела бы кислый вкус. Хорошая растворимость в воде, очевидно, связана с наличием в молекуле гидроксильных групп (вспомним, что многоатомные спирты этиленгликоль и глицерин неограниченно смешиваются с водой). Действительно, установлено, что в молекуле глюкозы присутствуют пять гидроксильных групп. То есть пять атомов кислорода глюкозы образуют ОН- группы.

Для установления природы шестого атома кислорода проведем небольшой эксперимент. В пробирку поместим 1-2 см3 раствора глюкозы, затем добавим примерно столько же аммиачного раствора оксида серебра и нагреем пробирку. Через некоторое время на стенках пробирки появляется «серебряное зеркало». Реакция «серебряного зеркала» является качественной реакцией на альдегидную группу, следовательно, она имеется в молекуле глюкозы.

Теперь мы можем сделать вывод о строении молекулы глюкозы. Если в молекуле пять гидроксильных групп и одна альдегидная, связанные с шестью атомами углерода, то соединение является пятиатомным альдегидоспиртом:

Химические свойства глюкозы:

На примере глюкозы мы впервые встретились с органическим соединением, в молекуле которого имеются функциональные группы различного типа. Такие соединения называются полифункциональными. Глюкоза, в частности, является бифункциональным соединением. Очевидно, что для нее будут характерны химические свойства, как альдегидов, так и многоатомных спиртов.

Глюкоза дает качественную реакцию на альдегиды, восстанавливая серебро из аммиачного раствора оксида серебра (реакция «серебряного зеркала»). Как вам уже известно, при окислении альдегидов образуются карбоновые кислоты, при окислении глюкозы ее альдегидная группа также окисляется до карбоксильной:

Образующаяся при этом карбоновая кислота называется глюконовой. Ее кальциевая соль – глюконат кальция, используется в качестве кальцийсодержащего препарата в медицине для профилактики и лечения ряда заболеваний, в том числе рахита.

Другое известное вам свойство альдегидов – восстановление до спиртов, также характерно для глюкозы. Альдегидную группу глюкозы можно восстановить до спиртовой водородом на катализаторе:

Образующийся шестиатомный спирт называется сорбит. Он имеет сладкий вкус и используется в качестве заменителя сахара для больных сахарным диабетом.

Как видно, свойства альдегидов вполне присущи глюкозе. А как же обстоят дела со свойствами, характерными для многоатомных спиртов? Чтобы ответить на этот вопрос проведем небольшой эксперимент. В пробирку поместим 1-2 см3 раствора щелочи, затем примерно столько же раствора медного купороса. Выпадает голубой осадок гидроксида меди. Добавим в пробирку раствор глюкозы. При этом осадок растворяется, и цвет содержимого пробирки изменяется от голубого до васильково-синего. Такой же эффект наблюдается при действии многоатомных спиртов на свежеосажденный гидроксид меди. Эта реакция является качественной реакцией на многоатомные спирты – этиленгликоль и глицерин.

Данная реакция с глюкозой имеет интересную особенность, которая позволяет легко отличить глюкозу от многоатомных спиртов. Нагреем содержимое пробирки на пламени спиртовки. В случае многоатомного спирта васильково-синий раствор закипит, но окраска его не изменится. Проба с глюкозой ведет себя совершенно иначе. Сначала содержимое пробирки мутнеет, появляется зеленый осадок, который затем желтеет, и, наконец, краснеет. Образующаяся смесь напоминает морковный сок. Красный осадок представляет собой оксид меди(I)  В данной реакции медь восстанавливается. Восстановителем является альдегидная группа молекулы глюкозы:

В этом эксперименте глюкоза сначала выступает в качестве многоатомного спирта, растворяя свежеосажденный гидроксид меди, затем проявляет себя альдегидная группа – медь восстанавливается с Cu(II) до Cu(I). Напомним, что восстановительные свойства альдегидной группы проявляются также в реакции «серебряного зеркала».

Качественная реакция на глюкозу:

Наливаем в пробирку водный раствор щелочи. Добавляем раствор медного купороса. Выпадает голубой осадок гидроксида меди (II). Затем добавляем в пробирку раствор глюкозы. Гидроксид меди постепенно растворяется, а раствор приобретает васильково-синий цвет. Нагреваем пробирку. За счет восстановления меди глюкозой содержимое пробирки приобретает оранжево-красный цвет.

Внутримолекулярная циклизация глюкозы: Глюкозе присуще еще одно интересное свойство. Ее молекула может легко замыкаться в цикл. Это свойство обусловлено присутствием в молекуле глюкозы реакционноспособных функциональных групп – гидроксильных и альдегидной, способных взаимодействовать между собой. На атоме кислорода гидроксильной группы имеется частичный отрицательный заряд, что позволяет ему взаимодействовать с атомом углерода альдегидной группы, на котором частичный положительный заряд.

Возникает вопрос, атом кислорода какой из пяти гидроксильных групп глюкозы будет взаимодействовать с альдегидной группой? В принципе, все эти атомы практически одинаковы, но размеры циклов в каждом случае будут разными. Очевидно, что оптимальным является образование наиболее стабильных циклов. Самыми стабильными являются циклы, состоящие из шести атомов, поэтому с углеродом альдегидной группы преимущественно взаимодействует атом кислорода гидроксильной группы при пятом атоме цепи:

Между этими атомами образуется связь, замыкающая цикл. Атом водорода гидроксильной группы переходит к атому кислорода альдегидной группы. В итоге образуется циклическая молекула, в которой имеется пять гидроксильных групп, одним из элементов цикла является атом кислорода:

В образующейся циклической молекуле уже нет альдегидной группы. Процесс циклизации обратим. Одновременно с циклизацией идет и размыкание цикла.
В вышеприведенной схеме цепочка атомов углерода молекулы глюкозы записана в линейном виде. Для циклической формы такая формула, конечно, не отражает пространственного расположения атомов. Цель приведения этой схемы – показать, за счет взаимодействия каких атомов молекулы происходит образование цикла. В циклической молекуле длины связей, конечно, будут примерно одинаковыми. Схема внутримолекулярной циклизации глюкозы, в которой геометрия молекул более близка к реальной, выглядит следующим образом:

Обратите внимание, что в результате внутримолекулярной циклизации глюкозы образуются два вида циклических молекул, которые различаются между собой положением гидроксильной группы у первого атома углерода (в формулах выделены жирным шрифтом). Эти гидроксильные группы образовались за счет присоединения атома водорода к кислороду альдегидной группы. Все остальные гидроксильные группы ориентированы относительно кольца одинаково в обеих формах.

Циклическая форма молекулы глюкозы, в которой ОН группы первого и второго атомов углерода располагаются по одну сторону кольца, называется α-формой, в случае расположения этих групп ОН по разные стороны кольца, циклическая форма называется β-формой:

Отметим еще одну особенность циклических форм глюкозы. Положения ОН- групп относительно кольца у атомов углерода с номерами 2 – 5 чередуются. Гидроксильная группа при пятом атоме углерода располагается над кольцом (в составе СН2ОН-группы), при четвертом – под кольцом, при третьем – опять над кольцом, при втором – под ним. Положение ОН- группы при первом атоме углерода определяет какой формой – α- или β- является данная молекула. Благодаря этой особенности расположения ОН- групп в формулах циклических форм глюкозы легко запомнить.

Следует отметить, что возможно и другое расположение ОН- групп относительно кольца. Эти варианты структуры имеются в молекулах пространственных изомеров глюкозы (маннозы, галактозы и др.). Пространственную изомерию сахаров изучают в более подробных курсах органической химии.

Чередование положения ОН- групп относительно кольца в молекуле глюкозы делает расстояние между электроотрицательными атомами кислорода наибольшим, в результате электростатическое взаимодействие между ними будет минимальным, следовательно, глюкоза будет более стабильна, чем ее пространственные изомеры. По-видимому, наибольшая стабильность молекулы глюкозы по сравнению с ее пространственными изомерами позволяет именно ей образовываться в процессе фотосинтеза:

Установлено, что циклизации в водном растворе подвергается примерно 99 % молекул глюкозы, 65 % из них существуют в β-форме, 34 % – в α-форме и только менее 1 % молекул глюкозы в растворе находятся в нециклической форме, то есть представляют собой молекулы пятиатомного альдегидоспирта. Между различными формами молекул глюкозы в растворе существует динамическое равновесие, то есть постоянно происходит образование и разрушение циклов, но образование циклов преобладает. В то же время примерно 1 % нециклической формы, имеющей альдегидную группу вполне достаточно для реакций «серебряного зеркала» и восстановления меди(II). При этом нециклическая форма расходуется на образование глюконовой кислоты, а для поддержания равновесия между различными формами глюкозы новые порции циклических молекул образуют линейную форму с альдегидной группой.

Для глюкозы характерны реакции брожения – превращения в другие органические соединения под действием ферментов. Фермент, содержащийся в дрожжах, катализирует спиртовое брожение глюкозы, при этом образуется этиловый спирт и выделяется углекислый газ:

Еще один вид реакций брожения, известный для глюкозы – молочнокислое брожение, протекающее под действием фермента молочнокислых бактерий:

В результате образуется молочная кислота – карбоновая кислота, в молекуле которой, наряду с карбоксильной группой, имеется гидроксильная группа. С ней мы познакомились из материала § 27.

Молочная кислота является замечательным природным консервантом. Она образуется при скисании молока и содержится в кисломолочных продуктах (простокваша, кефир, творог и др.) которые, в отличие от свежего молока, могут храниться достаточно долго. Наличием молочной кислоты обусловливается кислый вкус этих продуктов. Молочная кислота образуется также в процессах квашения капусты, мочения яблок, силосования зеленых кормов, она препятствует протеканию процессов гниения и позволяет сохранять продукты долгое время.

Мы познакомились с классом углеводов на примере глюкозы. В последующих параграфах будет продолжено изучение углеводов и показано, что эти соединения занимают заметное место в окружающем нас растительном и животном мире.

Рибоза

Глюкоза, представляющая собой пятиатомный альдегидоспирт, является одним из наиболее распространенных в природе углеводов. Следующий углевод, с которым мы познакомимся, также имеет большое биологическое значение. Это рибоза, которая, как и глюкоза, представляет собой белый порошок, сладкий на вкус, хорошо растворимый в воде. Молекулярная формула рибозы Она так же, как и глюкоза, является альдегидоспиртом, только в отличие от глюкозы не пятиатомным, а четырехатомным. Молекула рибозы имеет следующую структуру:

Подобно глюкозе, рибоза также образует циклические формы, причем для нее более устойчивы пятичленные циклы:

В форме пятичленного цикла рибоза входит в состав рибонуклеиновых кислот (РНК). Еще одним углеводом, имеющим важное биологическое значение, является дезоксирибоза. Структурная формула дезоксирибозы следующая:

В отличие от рибозы, в молекуле дезоксирибозы отсутствует гидроксильная группа при втором атоме углерода, отсюда и название – дезоксирибоза («рибоза без кислорода»). Молекулярная формула дезоксирибозы не подчиняется общей формуле которая отражает состав большинства углеводов. Соответственно, в циклической форме дезоксирибозы, в отличие от рибозы, на одну гидроксильную группу меньше:

В такой форме дезоксирибоза входит в состав дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК).
Еще один углевод, с которым мы познакомиться – фруктоза. Фруктоза представляет собой белый кристаллический порошок, хорошо растворимый в воде, температура плавления 102ºС оС. Фруктоза примерно в два раза слаще глюкозы, она входит в состав пчелиного меда. Молекулярная формула фруктозы такая же, как и у глюкозы то есть она изомер глюкозы. Мы уже знаем, что в молекуле глюкозы имеется альдегидная группа. Структурным элементом альдегидной группы является карбонильная группа (С=О) , которая в альдегидах связана с концевым атомом углерода. В молекуле фруктозы карбонильная группы связана со вторым атомом углерода цепи:

Ранее мы говорили о том, что соединения, в состав молекул которых входит карбонильная (или кето-группа), называются кетонами (§ 24). Кроме карбонильной группы, в молекуле фруктозы имеются пять гидроксильных групп. Таким образом, фруктоза является пятиатомным кетоноспиртом.
Фруктоза растворяет свежеосажденный гидроксид меди(II), но, в отличие от глюкозы, при нагревании полученного раствора изменений окраски не происходит, так как в молекуле фруктозы нет альдегидной группы. По этой же причине фруктоза не дает реакции «серебряного зеркала».
Фруктоза образует циклическую форму, но для нее более устойчив пятичленный цикл:

Чем же еще фруктоза привлекла наше внимание? Дело в том, что молекула фруктозы является составной частью наиболее известного нам углевода – сахарозы, то есть обычного сахара.

Сахароза – белое кристаллическое вещество, хорошо растворима в воде, температура плавления 185ºС, сладкая на вкус. Состав сахарозы отвечает молекулярной формуле То есть в молекуле в два раза больше атомов углерода, чем в молекулах глюкозы и фруктозы. Установлено, что молекула сахарозы образуется из молекул глюкозы и фруктозы в результате отщепления от них одной молекулы воды, то есть за счет межмолекулярной дегидратации глюкозы и фруктозы:

Вам уже знакомы циклические формулы углеводов. Приведем схему образования молекулы сахарозы из глюкозы и фруктозы, используя эти формулы:

Молекула сахарозы состоит из остатков молекул двух сахаров – глюкозы и фруктозы. Такие сахара называются дисахаридами. Соответственно, глюкоза, фруктоза, рибоза и дезоксирибоза называются моносахаридами.

Остатки глюкозы и фруктозы в составе молекулы сахарозы связаны между собой кислородным мостиком, образовавшимся в результате межмолекулярной дегидратации двух гидроксильных групп. Напомним, что соединения, молекулы которых включают структурный элемент –О–, называются простыми эфирами. Вам знаком диэтиловый, или медицинский эфир – продукт межмолекулярной дегидратации двух молекул этилового спирта (§ 20):

В молекуле сахарозы также присутствует кислородный мостик –О–, связывающий остатки молекул глюкозы и фруктозы.

Обратите внимание на то, что в образовании молекулы сахарозы участвует гидроксильная группа первого атома углерода молекулы глюкозы. Именно эта гидроксильная группа образуется в результате внутримолекулярной циклизации глюкозы. В растворе глюкозы циклические формы находятся в динамическом равновесии с открытой формой, в которой имеется альдегидная группа, поэтому глюкоза дает реакцию «серебряного зеркала». В молекуле сахарозы циклическая форма глюкозы зафиксирована, и образование открытой формы, содержащей альдегидную группу, невозможно. Поэтому сахароза не проявляет свойства, характерные для альдегидов, в частности, не дает реакцию «серебряного зеркала».

Наличие в молекуле сахарозы остатков глюкозы и фруктозы может быть доказано экспериментальным путем. Если к раствору сахарозы добавить несколько капель серной кислоты, раствор прокипятить, затем нейтрализовать щелочью, полученная смесь растворяет свежеосажденный гидроксид меди и при нагревании образует оранжево-красный осадок, что свидетельствует о присутствии в растворе глюкозы:

Сахароза (сахар) – важнейший пищевой продукт. Основными источниками сахарозы для пищевой промышленности являются сахарный тростник и сахарная свекла.

Для получения сахара из сахарного тростника его прессуют, выделившийся сок очищают и выпаривают.

В нашей республике сахар получают из сахарной свеклы. Содержание сахарозы в сухом веществе сахарной свеклы достигает 20 %. Крупнейшие в нашей стране сахарные заводы расположены в Скиделе, Городее и Слуцке. Для получения сахара вымытую сахарную свеклу измельчают и обрабатывают горячей водой. Полученный раствор коричневого цвета подвергают многократной очистке. Очищенный сахарный сироп упаривают, выпавшие кристаллы сахарозы отфильтровывают и получают сахарный песок.

Крахмал

Крахмал представляет собой белый порошок, в отличие от ранее изученных углеводов, он не имеет сладкого вкуса и не растворяется в воде. Зато при смешивании с горячей водой он образует крахмальный клейстер – гель. Каждый из нас не раз употреблял его в пищу в составе обычного киселя. Как видно, крахмал не очень похож на ранее изученные нами углеводы, тем не менее, он также является углеводом. Рассмотрим состав и строение крахмала.
Состав крахмала соответствует формуле в которой величина n составляет от нескольких десятков до нескольких тысяч. Таким образом, крахмал – природный полимер, состоящий из молекул, имеющих относительную молекулярную массу от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Из ранее изученного материала известно, что молекула сахарозы является продуктом межмолекулярной дегидратации молекул глюкозы и фруктозы. Таким образом, сахароза – дисахарид. Возникает вопрос, если две молекулы моносахаридов могут образовывать дисахарид, возможно ли взаимодействие бóльшего числа молекул моносахаридов с образованием более сложной структуры? Такие процессы имеют место в природе, именно так образуется крахмал. Крахмал является продуктом межмолекулярной дегидратации глюкозы. Так же, как и при образовании сахарозы, глюкоза находится в циклической α-форме. Схему образования макромолекулы крахмала из глюкозы можно представить следующим образом:

Углеводы, макромолекулы которых включают большое число остатков моносахаридов, называются полисахаридами. Крахмал – полисахарид.
Число остатков глюкозы в макромолекулах крахмала может сильно различаться, кроме этого, макромолекулы могут иметь линейное и разветвленное строение. Неразветвленные макромолекулы крахмала содержат несколько десятков остатков глюкозы и имеют форму спирали. Такая разновидность крахмала называется амилоза. Внутренний диаметр спирали амилозы равен 0,5 нм.

Примерно такой же диаметр у молекулы иода. Иод может легко попадать во внутреннюю полость макромолекулы крахмала, в результате чего образуется так называемое соединение включения или клатрат, в котором молекула иода «включена» внутрь спиралевидной макромолекулы крахмала. Это соединение имеет ярко-синий цвет. Реакция образования ярко-синего соединения включения с иодом является качественной реакцией на крахмал, и, наоборот, с помощью крахмального раствора можно обнаружить даже небольшие количества иода.

Крахмал содержит также разветвленные макромолекулы, включающие тысячи остатков глюкозы. Такая разновидность крахмала называется амилопектин. Амилопектин не дает синего окрашивания с иодом, но именно он с горячей водой образует знакомый нам гель. Крахмал, образующийся в животных организмах, называется гликоген. Он имеет разветвленное строение.

Будучи полимером, в котором циклические формы глюкозы зафиксированы кислородными мостиками, крахмал не проявляет восстановительных свойств, он не дает реакции «серебряного зеркала» и не восстанавливает гидроксид меди(II). Напомним, что по этой причине таким же свойством обладает сахароза.
Важнейшим свойством крахмала является его гидролиз, то есть расщепление макромолекул сначала на фрагменты, включающие несколько остатков глюкозы, и в итоге, до глюкозы. Гидролиз крахмала можно провести так же, как и гидролиз сахарозы. Если нагреть крахмальный клейстер с несколькими каплями серной кислоты, и затем нейтрализовать раствор, полученная смесь будет давать «реакцию серебряного зеркала», растворять и восстанавливать гидроксид меди(II). То есть при гидролизе крахмала образуется глюкоза.

Процесс гидролиза крахмала происходит ступенчато. Первоначальные продукты частичного расщепления, содержащие довольно большие макромолекулы называются декстрины. Декстрины образуются при термической обработке продуктов, например, жарке картофеля, выпечке хлеба, благодаря им образуется золотистая корочка. Декстрины содержатся в патоке – сиропообразном продукте частичного гидролиза крахмала, который используется в хлебопечении и производстве кондитерских изделий.

Гидролиз декстринов приводит к продуктам дальнейшего расщепления макромолекул, в итоге, продуктом гидролиза на предпоследней стадии является дисахарид (он называется мальтоза) и, наконец, на последней стадии сама глюкоза.

Крахмал широко распространен в природе, он образуется в результате фотосинтеза и накапливается в семенах, клубнях и плодах растений. Наиболее богаты крахмалом зерна риса, пшеницы и кукурузы (70 – 80 %), а также клубни картофеля (более 20 %).

Крахмал, наряду с сахарозой, является одним из основных углеводов в нашем рационе питания. Под действием пищеварительных ферментов макромолекулы крахмала гидролизуются до глюкозы, которая поступает в клетки и, окисляясь до углекислого газа и воды, служит источником энергии, необходимой для функционирования живого организма. В животных организмах излишки глюкозы накапливаются «про запас» в печени в виде животного крахмала гликогена.

Крахмал используется для приготовления разнообразных продуктов питания: киселей, муссов, желе, кондитерских и кулинарных изделий, колбас. Его применяют в текстильной промышленности для обработки тканей, в производстве бумаги, картона, клеевых составов. В химических лабораториях крахмал используют как чувствительный индикатор на наличие иода.
В промышленности осуществляется процесс гидролиза крахмала, в результате которого получают патоку и глюкозу. Реакции брожения глюкозы используют для производства этилового спирта, молочной кислоты и других веществ.
Получают крахмал выделением из природных источников (семена злаков, кукурузы, клубни картофеля).
 

Целлюлоза

Мы познакомились с крахмалом – природным полисахаридом, макромолекулы которого состоят из остатков молекул глюкозы в циклической α-форме. Целлюлоза также является природным полисахаридом, только ее макромолекулы состоят из остатков молекул глюкозы в β-форме. Схема образования целлюлозы из остатков молекул β-глюкозы выглядит следующим образом:

Как видно, структурные звенья крахмала и целлюлозы очень похожи друг на друга, только в крахмале эфирная связь между остатками глюкозы осуществляется через α-положение первого атома углерода цикла, а в целлюлозе – через β-положение. Оба полимера различаются также величиной степени полимеризации, у целлюлозы она выше и достигает примерно 104.

Макромолекулы целлюлозы имеют неразветвленное строение. Различаются физические свойства обоих полисахаридов, если крахмал представляет собой порошок, целлюлоза – белое волокнистое вещество. Наиболее чистая целлюлоза встречается в природе в коробочках хлопчатника (хлопок), из нее изготавливают медицинскую вату.

Хлопок является сырьем для изготовления текстильных материалов. Как известно, изделия из хлопчатобумажных тканей хорошо впитывают влагу, не раздражают кожу, являются наиболее гигиеничными. Несмотря на широкое распространение синтетических тканей, хлопок вряд ли станет менее значимым для нас.

Помимо хлопчатника, целлюлоза присутствует практически во всех растительных организмах. Она является важнейшей составной частью древесины. Больше всего ее содержится в древесине лиственных пород – до 70 %. В древесине хвойных пород целлюлозы меньше – примерно 50%. Волокнистая структура древесины повторяет линейную форму макромолекул целлюлозы.

Второй по содержанию компонент древесины – лигнин, представляет собой полимер, формулу которого в упрощенном виде можно представить следующим образом:

Лигнин выполняет роль связующего между молекулами целлюлозы и обеспечивает прочность древесины.

Древесина является важнейшим природным материалом, который используется людьми с древнейших времен. Из древесины изготавливают строительные материалы, предметы домашнего обихода, различные изделия. Древесина также используется как топливо.

Производство бумаги:

Важнейшее значение древесина имеет как сырье для производства бумаги. Для получения бумаги измельченную древесину варят в присутствии кислотных или щелочных реагентов. Получаемую после варки техническую целлюлозу очищают и отбеливают. До начала XIX века листы бумаги изготавливали вручную путем вычерпывания бумажной массы формой с сетчатым дном и сушкой отдельных листов, но в 1806 году была запатентована первая бумагоделательная машина, которая формировала бумагу на непрерывно движущейся бесконечной сетке и наматывала ее на огромные рулоны.

Бумага из чистой целлюлозы слишком пористая, чернила и краски на ней расплываются. Таким материалом является фильтровальная бумага, имеющаяся в кабинете химии. При получении высококачественной бумаги для письма и копировальной техники в бумажную массу вводят специальные добавки (мел и другие наполнители, отбеливатели, клей). Поверхность бумаги для копировальной техники подвергают специальной обработке во избежание накапливания на ней статического электричества. Поэтому неудивительно, что некоторые сорта бумаги довольно дороги.

Эфиры целлюлозы:

Целлюлоза используется не только в том виде, в котором встречается в природе. Ее макромолекулы могут быть видоизменены или, как принято говорить, модифицированы, при этом она приобретает неожиданные и весьма ценные свойства.
Структурное звено макромолекулы целлюлозы имеет следующее строение:

Как видно, звено содержит три спиртовые группы. Спирты вступают в реакцию этерификации с карбоновыми кислотами, при этом образуются сложные эфиры. Не являются исключением спиртовые группы целлюлозы. Целлюлоза образует сложный эфир с уксусной кислотой. Для этерификации используют не собственно уксусную кислоту, а ее ангидрид. Молекулу уксусного ангидрида можно рассматривать как продукт межмолекулярной дегидратации двух молекул уксусной кислоты:

На этерификацию одного структурного звена целлюлозы расходуется три молекулы уксусного ангидрида, при этом выделяется три молекулы уксусной кислоты:

Эфиры целлюлозы с уксусной кислотой называется ацетатами целлюлозы. В случае этерификации всех трех спиртовых групп образуется триацетат целлюлозы, продукты неполной этерификации – моноацетат и диацетат целлюлозы.

В отличие от целлюлозы, ее ацетаты растворяются в некоторых растворителях (ацетон, этанол). Пропусканием этого раствора через тонкие отверстия (фильеры) формируют нити, из которых изготавливают ткань. Ткань, полученная их ацетата целлюлозы, называется ацетатный шелк.

Перевести целлюлозу в растворимое состояние с целью получения волокна можно и другими способами. В частности, обработкой сероуглеродом с последующим растворением в разбавленном растворе щелочи и формованием нити получают вискозу – основу для многих текстильных материалов. Из вискозы получают также целлофановую пленку.

Целлюлоза растворяется в растворе медного купороса, содержащем аммиак. Из этого раствора получают медноаммиачный шелк.

Все перечисленные текстильные материалы (ацетатное волокно, вискозный и медноаммиачный шелк) состоят из модифицированных молекул природного полимера – целлюлозы. Такие волокна, состоящие из модифицированных макромолекул природных полимеров, называются искусственными волокнами. Их следует отличать от синтетических волокон, макромолекулы которых получены синтетическим путем (капрон, нейлон, лавсан). С синтетическими волокнами мы познакомимся позже.

Целлюлоза образует сложные эфиры с минеральными кислотами, в частности, с азотной. Этерификации могут быть подвергнуты все три гидроксильные группы структурного звена макромолекулы целлюлозы:

Образуется тринитрат целлюлозы. Он является взрывчатым веществом и используется для изготовления бездымного пороха. Нитраты целлюлозы растворимы в ацетоне. Раньше это свойство использовали для получения пленочных материалов, в частности, кинопленок. Эти кинопленки были чрезвычайно огнеопасными, что неудивительно, ведь они имели такой же состав, что и порох! Полимер на основе нитроцеллюлозы называется целлулоид, из него изготавливали различные изделия, даже детские игрушки. Сейчас кинопленки на основе нитратов целлюлозы и целлулоид не используются, так как имеется множество безопасных материалов.

Мы познакомились с классом углеводов. Простейшие моносахариды, такие как глюкоза, фруктоза, рибоза представляют собой многоатомные альдегидо- и кетоноспирты, способные к внутримолекулярной циклизации.

Межмолекулярная дегидратация циклических моносахаридов дает дисахариды (сахароза) и полисахариды (крахмал и целлюлоза). Углеводы являются составной частью живых организмов и участвуют в процессах их жизнедеятельности.

Амины

Изучение кислородсодержащих органических соединений выявило многообразие их химических свойств. В отличие от углеводородов, химические свойства которых ограничивались, в основном реакциями окисления, замещения и присоединения, кислородсодержащие органические соединения, такие как спирты и карбоновые кислоты, имели достаточно выраженные кислотные свойства.

У спиртов эта кислотность проявлялась лишь в результате взаимодействия с активными металлами, такими как натрий, в то время как карбоновые кислоты являются самыми настоящими кислотами, которые вступают в реакцию нейтрализации, реагируют с солями, оксидами металлов и солями. То есть кислотность органическим соединениям отнюдь не чужда.
Возникает вопрос, а возможно ли проявление органическими веществами оснóвных свойств? Обычно основность ассоциируется со щелочами, диссоциирующими в водных растворах на катионы металла и гидроксид-ионы:

Казалось бы, в органике аналога основаниям найти нельзя, но вспомним об одном веществе, которое, само по себе не являясь щелочью, будучи растворенным в воде, проявляет заметные оснóвные свойства. Это аммиак. Раствор аммиака окрашивает фенолфталеин в малиновый цвет. Это происходит потому, что молекулы аммиака в водном растворе образуют катионы аммония, в результате чего в водном растворе аммиака, наряду с катионами , появляются гидроксид-ионы – носители оснóвных свойств:

Наличие ионов OH- обусловливает щелочную реакцию водных растворов аммиака и изменение ими окраски индикаторов.

Катион аммония – продукт присоединения иона водорода к молекуле аммиака (протонирования атома азота аммиака). Он образуется по донорно-акцепторному механизму за счет частичного переноса неподеленной электронной пары атома азота аммиака (донора) на свободную орбиталь иона водорода (акцептора):

Еще лучше, чем с водой аммиак взаимодействует с кислотами, так как в их растворах присутствуют «готовые» ионы водорода. При этом образуются соли аммония, в которых катионом является ион :

Мы повторили свойства неорганического соединения – аммиака. Но как это связано с органической химией? Вспомним строение молекулы аммиака: 

В молекуле аммиака один или несколько атомов водорода могут быть замещены углеводородными группами. В простейшем случае получим соединение, формула которого следующая:

Такое соединение действительно существует, оно называется метиламин и представляет собой бесцветный газ (tкип = –7,6ºС) с резким запахом, напоминающим запах аммиака.

Метиламин является простейшим представителем азотсодержащих органических соединений. Его формулу можно записать следующим образом:

Видно, что в состав молекулы входит углеводородный радикал метил и группа –NH2, которая называется аминогруппой.
Органические соединения, в состав молекул которых входит аминогруппа, связанная с углеводородной группой, называются аминами.
В молекуле аммиака углеводородными радикалами могут быть замещены два или все три атома водорода:

В зависимости от числа углеводородных групп, связанных с атомом азота, амины делятся на первичные, вторичные и третичные:

Углеводородные группы R в молекулах вторичных и третичных аминов могут быть одинаковыми и различными.

Названия аминов формируются вполне очевидно: они состоят из названий углеводородных радикалов, связанных с атомом азота и окончания –амин.

Примеры:

В состав молекулы амина может входить ароматическое кольцо, такие амины называются ароматическими. Простейший представитель ароматических аминов – анилин или фениламин:

Анилин представляет собой бесцветную, маслянистую, темнеющую на воздухе жидкость с температурой кипения 184ºС.
 

Химические свойства мы рассмотрим для первичных аминов.
Как и большинство органических соединений, амины горят в кислороде. При этом образуются углекислый газ, вода и азот:

Амины являются производными аммиака, поэтому так же, как и аммиак обладают оснóвными свойствами. Раствор метиламина в воде окрашивает фенолфталеин в малиновый цвет, он так же, как и аммиак образует соли при взаимодействии с кислотами:

При растворении аммиака в воде образуется катион аммония, в случае метиламина аналогичный катион называется катионом метиламмония.
Подобно аммиаку, амины реагируют с кислотами. Продукты этих реакций – соли аминов, похожие на соли аммония:

Соли аминов являются ионными соединениями, состоящими из катионов аммония, в которых атом водорода замещен углеводородным радикалом и анионов кислот. В отличие от аминов, являющимися при обычных условиях газообразными и жидкими веществами, соли аминов – кристаллические вещества ионного строения, как правило, растворимые в воде.

Анилин так же, как и метиламин, проявляет оснóвные свойства, но они намного слабее, чем у метиламина и аммиака. В отличие от аммиака и метиламина, анилин не изменяет окраску индикаторов, но реагирует с кислотами, образуя соли фениламмония:

Можно сделать вывод о том, что бензольное кольцо ослабляет оснóвные свойства аминогруппы. В свою очередь, аминогруппа влияет на свойства бензольного кольца молекулы анилина, в результате кольцо легко бромируется бромной водой с образованием белого осадка 2,4,6-триброманилина:

Напомним, что такое же влияние на бензольное кольцо оказывала гидроксильная группа в молекуле фенола (§ 23). Как видно, в молекуле анилина проявляется взаимное влияние атомов: бензольное кольцо ослабляет оснóвные свойства вещества, с другой стороны, аминогруппа повышает реакционную способность бензольного кольца в реакции бромирования.

Получение аминов:

Существует много методов получения аминов. Мы рассмотрим некоторые из них.
Амины могут быть получены из спиртов реакцией замещения гидроксильной группы спирта на аминогруппу в результате взаимодействия с аммиаком:

Важным промышленным методом получения аминов является реакция восстановления нитросоединений, открытая выдающимся русским ученым Николаем Николаевичем Зининым. Сущность этой реакции понятна из рассмотрения формул нитросоединений и аминов:

Как видно, чтобы получить амин из нитросоединения, необходимо в молекуле нитросоединения «заменить» атомы кислорода на атомы водорода, то есть восстановить вещество. В качестве восстановителей могут быть использованы различные соединения. Реакцию восстановления нитробензола до анилина можно осуществить следующим образом. В колбу помещают нитробензол, железные стружки и концентрированную соляную кислоту. Смесь нагревают. Сначала железо взаимодействует с соляной кислотой:

Продуктом взаимодействия является водород, который в первый момент реакции выделяется в атомарном виде. Атомарный водород обладает высокой реакционной способностью, и именно он выступает в качестве восстановителя нитрогруппы молекулы нитробензола:

Реакция получения аминов восстановлением нитросоединений носит имя выдающегося русского химика Николая Николаевича Зинина (1812 – 1880). Н. Н. Зинин не только внес значительный вклад в развитие органической химии, но и создал блестящую школу русских химиков-органиков. Учениками Н. Н. Зинина являлись Александр Михайлович Бутлеров – основоположник теории строения органических соединений и Александр Порфирьевич Бородин, великий русский композитор, автор оперы «Князь Игорь».

Амины широко используются в органическом синтезе. Они являются исходными веществами для синтеза красителей, лекарственных препаратов и многих других веществ.

Аминокислоты

Нам уже знакомо многообразие свойств органических соединений, среди которых имеются как кислоты, так и основания. А если включить в состав органической молекулы группы, обладающие диаметрально противоположными свойствами, то есть и кислотными и оснóвными? Попробуем сконструировать такую молекулу. Для этого к атому углерода присоединим карбоксильную группу и аминогруппу:

Получился «гибрид» карбоновой кислоты и амина. Такие соединения называются аминокислотами.

Аминокислоты – это органические вещества, молекулы которых содержат аминогруппу и карбоксильную группу. Общая формула аминокислот:

Номенклатура аминокислот. Название аминокислоты состоит из названия соответствующей кислоты с приставкой «амино», перед которой указан номер атома углерода главной цепи, у которого находится аминогруппа:

Кроме этого, используется номенклатура, в которой атомы углерода, обозначаются буквами греческого алфавита. При этом используется тривиальное название соответствующей карбоновой кислоты. Например, пропановая кислота называется пропионовая. Обозначение греческими буквами ведут от ближайшего к карбоксильной группе атома углерода:

Некоторые аминокислоты имеют индивидуальные тривиальные названия, например: аминоуксусная кислота – глицин; α–аминопропионовая кислота – аланин.

Физические свойства: Аминокислоты – бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, многие из них имеют сладкий вкус. Температуры плавления аминокислот очень высоки, так, аминоуксусная кислота имеет tпл = 292ºС. У других аминокислот они еще выше. Температур кипения у аминокислот нет – они разлагаются до перехода в парообразное состояние. То есть между молекулами аминокислот имеется очень сильное взаимодействие, обусловливающее такие высокие температуры плавления и невозможность перехода в парообразное состояние. Это объясняется особенностями строения молекул аминокислот. Карбоксильная группа аминокислоты обусловливает ее кислотные свойства, в то же время аминогруппа – оснóвные свойства. То есть протон, образующийся в результате электролитической диссоциации карбоксильной группы присоединяется к атому азота аминогруппы:

В результате образуется частица, на одном конце которой имеется положительный заряд, на другом – отрицательный. Такая частица называется биполярным ионом. Другие названия биполярного иона – цвиттер-ион или бетаин. Твердые аминокислоты состоят из биполярных ионов. Этим обусловлено их ионное строение, растворимость в воде, высокие температуры плавления.

Рассмотрим важнейшие химические свойства аминокислот. Поскольку молекулы аминокислот содержат одновременно карбоксильную и аминогруппу, им присущи свойства кислот и оснований, то есть аминокислоты являются амфотерными органическими соединениями.

Растворы аминокислот не изменяют окраску индикаторов, так как кислотные и основные свойства взаимно компенсируются: карбоксильная и аминогруппы нейтрализуют друг друга. Образуется биполярный ион:

В форме биполярного иона аминокислоты находятся не только в твердом состоянии, но и в водном растворе. Очевидно, раствор, содержащий такие ионы, будет нейтральным. Несмотря на то, что аминокислоты в твердом состоянии и в водном растворе существуют в виде биполярного иона, их формулы, как правило, записывают упрощенно:

Будучи амфотерными соединениями, аминокислоты взаимодействуют со щелочами и кислотами.
Взаимодействие со щелочами:

В результате образуется соль аминокислоты по карбоксильной группе.

Взаимодействие с кислотами. Кислоты нейтрализуют оснóвную группу аминокислоты – аминогруппу. На практике для этого твердую аминокислоту обрабатывают газообразным хлороводородом:

Образуется соль аминокислоты по аминогруппе. Эти соединения похожи на соли аммония и аминов. Формулы солей аминокислот по аминогруппе часто представляют следующим образом:

Из формулы видно, что данная соль формально является продуктом присоединения хлороводорода к аминокислоте, поэтому такие соли называют гидрохлоридами аминокислот.

Таким образом, аминокислоты представляют собой амфотерные соединения, которые реагируют с кислотами и щелочами, образуя два ряда солей – по карбоксильной и аминогруппе.

Получение аминокислот:

α-Аминокислоты могут быть получены из соответствующих карбоновых кислот. Сначала атом водорода при α-углеродном атоме замещают на галоген, образуется α-галогензамещенная карбоновая кислота. Катализирует реакцию красный фосфор. Уравнение реакции хлорирования уксусной кислоты:

Далее α-галогензамещенную карбоновую кислоту обрабатывают аммиаком, при этом атом галогена замещается на аминогруппу:

В случае избытка аммиака происходит нейтрализация выделяющегося хлороводорода и карбоксильной группы аминокислоты. Образуются аммониевая соль аминокислоты и хлорид аммония:

Реакция пептизации:

Важнейшим свойством аминокислот является их способность образовывать пептиды. Аминокислоты взаимодействуют между собой c отщеплением молекулы воды от двух молекул аминокислот:

В результате образуется дипептид – вещество, молекула которого содержит два аминокислотных остатка, связанных между собой пептидной связью –CO–NH–. Дипептид может взаимодействовать со следующей молекулой аминокислоты с образованием трипептида и т.д.

Важность этого свойства связана с тем, что взаимодействие большого числа молекул аминокислот приводит к образованию белков, которые по своей химической принадлежности являются полипептидами.

Белки

Белки – вещества, из которых построены ткани живых организмов, молекулы гормонов, ферментов и других биологически активных веществ. Белки – это полипептиды, образованные некоторыми α-аминокислотами. Насчитывается двадцать основных аминокислот, образующих белки. Примеры:

Полипептидная цепь белков может включать многие тысячи аминокислотных остатков, причем каждый белок имеет строго определенную их последовательность. Последовательность аминокислотных остатков в макромолекуле белка называется первичной структурой белка:

Построение белковой молекулы из остатков α–аминокислот предполагает значительное насыщение полипептидной цепи пептидными группами, включающими электроотрицательные атомы азота и кислорода. Связь N–H пептидной группы полярная, следовательно, атом водорода данной группы может образовывать водородную связь с электроотрицательным атомом, в первую очередь, с атомом кислорода группы С=О другой пептидной связи. Это предполагает возможность формирования пространственной структуры полипептидной цепи за счет многочисленных водородных связей между пептидными группами. Так образуется вторичная структура белка – полипептидная цепь принимает форму спирали, витки которой фиксируются водородными связями. Каждый виток включает три пептидные связи, которые образуют такое же число водородных связей с соседними витками.

Полипептидная спираль может образовывать структуру еще более высокого порядка – третичную – за счет связывания отдельных фрагментов молекулы через взаимодействие функциональных групп радикалов R. Это могут быть как химические, так и водородные связи.

В образовании вторичной и третичной структур белка значителен вклад сил межмолекулярного взаимодействия. Эти силы намного слабее, чем химические связи, обеспечивающие первичную структуру. Но именно вторичная и третичная структуры придают белкам те свойства, которые делают их составляющими живых организмов. Вторичную и третичную структуры белка можно легко разрушить, просто нагревая белок, даже не очень сильно, или действуя на него растворами кислот или щелочей. Разрушение вторичной и третичной структур белка называется денатурация. Этот процесс мы осуществляем, жаря яичницу либо отваривая яйца. Денатурированный, свернувшийся белок после этого можно лишь использовать в пищу, но цыпленок из такого яйца уже не появится.

Цветные реакции белков:

1. Биуретовая реакция. Разбиваем куриное яйцо и помещаем раствор его белка в пробирку. Добавляем раствор щелочи. Затем раствор медного купороса. Содержимое пробирки приобретает фиолетовый цвет.
2. Ксантопротеиновая реакция. Помещаем немного куриного белка в пробирку и добавляемя концентрированную азотную кислоту. Белок сворачивается, появляется желтое окрашивание.

В заключение хочется отметить, что, осуществляя знакомство с органической химией, мы прошли путь от простейших органических веществ – углеводородов к белкам – объектам, структура которых включает несколько порядков сложности. В то же время эта структура весьма хрупкая, может быть легко разрушена, поэтому очень важно бережно относиться к чуду, название которому жизнь. Дальнейшее изучение органической химии и биологии позволит приоткрыть еще много тайн в изучении живого мира, но жизнь настолько удивительна и многообразна, что познание ее тайн так же бесконечно, как и она сама.

Высокомолекулярные соединения

Высокомолекулярные соединения или полимеры имеют огромное значение в нашей жизни. Из полимеров изготавливают множество изделий. Это предметы домашнего обихода, детали различных механизмов, упаковочные материалы, разнообразные волокна, резинотехнические изделия и многое другое.

Высокомолекулярные соединения – это соединения, имеющие относительные молекулярные массы свыше 1000, молекулы которых состоят из одинаковых, многократно повторяющихся звеньев.

Многие биологически активные вещества, в частности ферменты, также имеют большие молекулярные массы, однако их не относят к полимерам, так как их молекулы имеют очень сложное строение, которое не является совокупностью многократно повторяющихся одинаковых звеньев.

Таким образом, молекула полимера, или макромолекула состоит из одинаковых, многократно повторяющихся звеньев. Звено, повторяющееся в макромолекуле полимера, называется структурным звеном. Примеры структурных звеньев полимеров:

Как видно, полипропилен и поливинилхлорид образуются в результате полимеризации пропилена и винилхлорида:

Исходные низкомолекулярные вещества, из которых синтезируют полимеры, называются мономерами.

То есть пропилен и винилхлорид являются мономерами для получения полипропилена и поливинилхлорида (ПВХ).
Особое место в этой классификации занимает полиэтилен, который получают полимеризацией этилена (§ 13):

Структурным звеном полиэтилена принято считать удвоенную метиленовую группу –СН2–СН2–, так как именно этот фрагмент образуется при полимеризации молекул этилена.

Число структурных звеньев в макромолекуле полимера называется степенью полимеризации, его обычно обозначают латинской буквой n. Из уравнения реакции полимеризации этилена видно, что из n молекул этилена образуется макромолекула полиэтилена, включающая n структурных звеньев, то есть степень полимеризации равна n. Значения степени полимеризации полимеров достигают и выше.

Получение полимеров

В общем виде формулу макромолекулы полимера можно записать в следующем виде:

где М – структурное звено полимера
n – степень полимеризации

Макромолекулы полимеров могут быть синтезированы в результате реакции полимеризации за счет раскрытия двойных связей в молекулах мономеров:

Примеры:

Возможен и другой способ синтеза макромолекулы полимера. В молекуле мономера структурное звено М может быть «закрыто» функциональными группами А и В, то есть формула мономера A–М–B. При этом, наряду с молекулой мономера, будут образовываться молекулы низкомолекулярного продукта А–В:

Такой процесс называется поликонденсация. То есть, в отличие от полимеризации поликонденсация сопровождается образованием низкомолекулярного продукта, как правило, воды. Из ранее изученного материала можно сделать вывод, что к «сшивке» фрагментов молекул мономера в макромолекулу полимера с выделением воды могут привести реакции межмолекулярной дегидратации. Мы знаем примеры таких реакций. Это реакции этерификации и пептизации, в случае образования полимеров это полиэтерификация и полипептизация.

Реакция этерификации – это взаимодействие карбоновой кислоты со спиртом с образованием сложного эфира:

Очевидно, что для образования макромолекулы карбоновая кислота должна быть двухосновной, а спирт – двухатомным. Примером поликонденсации двухосновной карбоновой кислоты и двухатомного спирта является взаимодействие между двухосновной терефталевой кислотой и этиленгликолем:

Продуктом этой реакции является полимерный сложный эфир или полиэфир, который широко известен как лавсан.
Реакция пептизации – это взаимодействие между молекулами аминокислот с образованием пептидов:

В случае взаимодействия двух молекул аминокислот образуется дипептид, содержащий одну пептидную связь (–CO–NH–). Три молекулы аминокислоты дают трипептид с двумя пептидными связями и т. д. Молекула полипептида образуется в случае взаимодействия между собой многих молекул аминокислот:

Напомним, что пептидная связь называется также амидной. Поэтому полипептиды называются также полиамиды.

Пример образования полиамида – поликонденсация ε-амино-капроновой кислоты с образованием широко известного полимера капрона:

Приведем еще один пример реакции полипептизации с образованием полиамида. Это поликонденсация гексаметилендиамина (амина, в молекуле которого имеются две аминогруппы и шесть метиленовых –СН2– групп) с адипиновой кислотой, в молекуле которой две карбоксильные и четыре метиленовые группы. При этом образуется нейлон – полимер, из которого изготавливают очень прочные волокна:

Мы познакомились с основными понятиями химии высокомолекулярных соединений: макромолекула, структурное звено, степень полимеризации. Макромолекулы полимеров могут быть получены в результате реакций полимеризации алкенов и алкадиенов. Таким методом получают полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, полибутадиен и многие другие полимеры.
В отличие от реакций полимеризации, в реакциях поликонденсации образуется не только полимер, но и низкомолекулярный продукт, как правило, вода. Реакцией поликонденсации является реакция полиэтерификации терефталевой кислоты и этиленгликоля. Продукт этой реакции – полиэфир лавсан.

Реакции полипептизации приводят к полиамидам. Полипептизацией ε-аминокапроновой кислоты получают капрон. Полипептизация гексаметилендиамина с адипиновой кислотой дает нейлон. Капрон и нейлон являются полиамидами, так как их макромолекулы содержат много амидных (пептидных) связей.

Далее мы познакомимся с общей классификацией полимеров, важнейшими представителями этих соединений и их применением.

Классификация полимеров

Полимеры обладают многими ценными свойствами, которые обусловливают их практическое использование. Несмотря на большое разнообразие полимеров, их можно разделить на три большие группы: пластмассы, каучуки и волокна.

Рассмотрим каждую из этих групп.

Пластмассы

Пластмассы – это конструкционные материала на основе полимеров. Пластмассы могут состоять практически из одного только полимера, например, полиэтиленовая пленка.

Как правило, полимеры бесцветны, поэтому для получения изделий, имеющих красивый цвет, в полимерную массу добавляют красители.

Приведем примеры полимеров, из которых изготавливают многие предметы домашнего обихода, а также различные технические изделия (детали машин, трубы, покрытия и т. д.):

Полиэтилен – продукт полимеризации этилена:

Из полиэтилена изготавливают пленку для теплиц, скотч, тару, электроизоляцию, трубы. Полиэтиленовый порошок используют как термоклей. Этот материал отличается высокой химической стойкостью, не растворяется в воде, кислотах, щелочах.

Существует множество марок полиэтилена. Наиболее распространен полиэтилен высокого давления. Его получают при температуре 200ºС–260ºС и давлении 150–300 мПа. Катализатором служит кислород воздуха. Средняя относительная молекулярная масса продукта составляет 80000 – 500000. Еще большие значения молекулярной массы полиэтилена (до 3000000) можно достичь в процессе его полимеризации при низком давлении (0,1 – 2 мПа, t=120ºС – 150ºС) на специальных катализаторах. Этот материал применяется, в частности, в медицине для протезирования хрящевой ткани суставов.

Полипропилен образуется при полимеризации пропилена (пропена):

Полипропилен обладает бóльшей термостойкостью, чем полиэтилен, он устойчив до температуры 140ºС, используется для изготовления пленок, труб, деталей машин, предметов домашнего обихода, в строительстве и т. д.
Поливинилхлорид (ПВХ). Получают ПВХ полимеризацией винилхлорида, один из методов получения которого – гидрохлорирование ацетилена:

Поливинилхлорид применяется для изготовления искусственных кож, линолеума, оконных рам и дверей, грампластинок, электроизоляции проводов.

Полистирол – продукт реакции полимеризации стирола:

Полистирол, благодаря невысокой стоимости и хорошим эксплуатационным качествам, широко используется для изготовления предметов, с которыми мы ежедневно встречаемся. Это одноразовые посуда и медицинские комплекты, детские игрушки, корпуса бытовой техники, облицовочные и декоративные материалы, пенопласты и др.

Политетрафторэтилен или тефлон. Его получают реакцией полимеризации тетрафторэтилена

Российское название полимера – фторопласт. Полимер обладает уникальной термостойкостью, изделия из него устойчивы до температуры 300ºС. Им покрывают поверхности сковород, кастрюль, форм для выпечки. Поверхность тефлона жирная на ощупь, она не смачивается водой и другими жидкостями, по вертикальной поверхности тефлона не могут ползти насекомые, поэтому нелетающих насекомых можно содержать в открытых коробках с тефлоновыми стенками. Высокая химическая стойкость тефлона обусловливает его использование для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах. Он применяется также для электроизоляции проводов, особенно высоковольтных.

Фенолформальдегидная пластмасса. Этот полимер, в отличие от предыдущих, образуется в результате реакции поликонденсации фенола и формальдегида:

Молекулы фенола «сшиваются» молекулами формальдегида через орто- и пара- положения. В результате образуется трехмерная структура, которая является связующим для других компонентов.

Фенолформальдегидная пластмасса, как правило, помимо полимера, содержит значительные количества других материалов. Широко известный пример таких пластмасс – древесностружечные плиты или ДСП. Древесностружечная плита состоит из древесных стружек, скрепленных между собой полимером – продуктом поликонденсации фенола и формальдегида. Для ее изготовления мономеры смешивают с древесными стружками, помещают между листами шпона или других материалов, формирующих поверхность, и проводят горячее прессование. При этом образующийся полимер прочно скрепляет поверхностную пленку и древесные стружки, образуется монолит – древесностружечная плита. В настоящее время плиты ДСП являются основными материалом для изготовления мебели.
На примере древесностружечных плит мы видим, что пластмасса, кроме полимера, может содержать довольно много наполнителя – вещества, придающего пластмассе определенные свойства и снижающего расход полимера.

Наполнителем фенолформальдегидной смолы может быть стекловолокно, эта пластмасса называется стеклотекстолит, из нее изготавливают печатные платы – важнейшие детали современной электроники.

Пластмассы, помимо красителей и наполнителей могут содержать и другие компоненты, которые снижают их хрупкость, повышают пластичность, увеличивают долговечность.

На примере рассмотренных соединений мы познакомились с некоторыми распространенными пластмассами и увидели, какое заметное место они занимают в нашей жизни.

Каучуки

Каучуки – полимеры, способные к упругой (обратимой) деформации. Они применяются там, где от изделия требуются высокоэластичные свойства, то есть способность восстанавливать свою первоначальную форму после механического воздействия. Способность к упругой деформации появляется у полимера в том случае, если его макромолекулы содержат двойные связи и имеют определенную пространственную форму. Двойные связи могут содержать продукты полимеризации диеновых углеводородов, например, бутадиена-1,2 (дивинила) и 2-метилбутадиена-1,3 (изопрена). Свойства диеновых углеводородов, в том числе их способность вступать в реакцию полимеризации, рассмотрены в параграфе 15.
Каучук, в макромолекулах которого двойные связи входят в полимерную цепь, должен быть продуктом 1,4-полимеризации сопряженного диена, например, 2-метилбутадиена-1,3 (изопрена):

Рассмотрим подробнее строение структурного звена макромолекулы изопрена. Его основой является фрагмент, содержащий двойную связь углерод-углерод:

Группы продолжения цепи в макромолекуле могут располагаться как по одну сторону от двойной связи, так и по разные стороны, то есть иметь цис- и транс- расположение. Соответственно, структурное звено макромолекулы полиизопрена может иметь цис- и транс- строение:

Напомним, что у цис- изомеров одинаковые заместители располагаются по одну сторону от оси двойной связи, у транс- изомеров по разные стороны. Существование цис- и транс- изомеров обусловлено невозможностью свободного вращения вокруг оси двойной связи (§ 11).

Оказывается, высокоэластичными свойствами обладают полимеры, в макромолекулах которых преобладают цис- звенья. Так, в натуральном каучуке, который является полимером изопрена, более 90 % структурных звеньев имеют цис- строение.

Существует природная разновидность полиизопрена, в которой преобладают транс- звенья. Этот материал называется гуттаперча, он не обладает высокоэластичными свойствами.

На основе каучука изготавливают резину – материал, обладающий гораздо большей механической прочностью и износоустойчивостью, чем каучук. Это достигается в процессе вулканизации – нагревания каучука с серой. При этом циклы молекул серы (S8) раскрываются и сшивают между собой макромолекулы каучука в трехмерную структуру. В результате повышается прочность, износоустойчивость, растворимость в органических растворителях.

Упрощенная схема вулканизации каучука:

Из резины – вулканизированного каучука изготавливают автомобильные покрышки и многие другие изделия.

Вулканизация каучука с большим количеством серы (свыше 30% по массе) приводит к утрате им эластичных свойств, образуется эбонит – твердый прочный материал, обладающий высокими диэлектрическими свойствами.
До 20-х годов ХХ столетия единственным источником сырья для получения каучука служил млечный сок тропических растений, в основном, гевеи, содержащий 2-метилбутадиен-1,3. Из него изготавливали натуральный каучук.

Увеличение потребности в каучуке и резине потребовало поисков новых источников мономеров и разработке методов их полимеризации. Первый промышленный метод получения синтетического каучука был создан в 20-30-е годы ХХ столетия в СССР под руководством российского химика С. В. Лебедева.
Мономером первого синтетического каучука служил бутадиен-1,3, который получали путем отщепления воды и водорода от этилового спирта при температуре 400ºС – 450ºС на катализаторе из оксидов цинка и алюминия:

Эта реакция называется реакцией дегидрирования-дегидратации.
Полимеризация бутадиена-1,3 осуществлялась в присутствии металлического натрия в качестве катализатора:

В результате был получен первый синтетический бутадиеновый каучук.
В настоящее время бутадиен-1,3 и изопрен получают, в основном, каталитическим дегидрированием бутана и 2-метилбутана (§ 15):

Полимеризация мономеров в процессе синтеза каучука проводится на особых катализаторах, которые ориентируют надлежащим образом каждую следующую молекулу мономера и встраивают ее в растущую макромолекулу как кирпич в стену. Этим достигается необходимое пространственное цис- строение структурных звеньев каучука. В результате получаемые синтетические каучуки по своим свойствам не только не уступают натуральному, но и во многом превосходят его. Современные синтетические каучуки обладают высокой эластичностью, устойчивостью к действию высоких температур, агрессивных сред, органических растворителей, а также другими ценными свойствами.

Волокна

Волокна – это текстильные материалы, из них изготавливают нити, из которых, в свою очередь, производят ткани.

Волокна природного происхождения называются натуральными волокнами. К ним относятся хлопок, льняное волокно, шерсть, натуральный шелк.
Имеющиеся знания в области органической химии позволяют нам судить о природе этих веществ. Так, основу хлопкового и льняного волокон составляет целлюлоза – природный полимер, макромолекулы которого имеют линейное строение:

Линейное строение имеют также макромолекулы шерсти и натурального шелка. Они представляют собой полипептиды, то есть шерсть и натуральный шелк являются белками:

Нам хорошо знакомы ценные свойства натуральных волокон, которые хорошо впитывают влагу, не раздражают кожу, в изделиях из натуральных волокон не жарко в жару и не холодно в мороз. Казалось бы, что еще нужно? Но одними только природными волокнами невозможно удовлетворить потребности людей в текстиле. Есть у натуральных тканей и другие недостатки, например, ткани из чистой шерсти не отличаются высокой прочностью, многие из них легко мнутся, обладают невысокой химической стойкостью. Эти проблемы решают с помощью химии, получая полимерные материалы, имеющие необходимые свойства и волокнистую структуру.

Синтетические волокна – текстильные материалы на основе химически полученных полимеров.

Макромолекулы полимеров, из которых изготавливают синтетические волокна, должны иметь линейное строение, только тогда из этого полимера можно сформировать нить. Мы уже рассмотрели способы получения таких полимеров в параграфе 35. Макромолекулы линейного строения получаются в результате реакций полиэтерификации двухосновных кислот с многоатомными спиртами. Пример такой реакции – взаимодействие терефталевой кислоты и этиленгликоля:

В результате этой реакции образуется сложный эфир полимерного строения – лавсан. Назван полимер в честь лаборатории, в которой он был получен ЛАборатория Высокомолекулярныых Соединений Академии Наук. Существуют и другие названия этого материала, например, терилен, дакрон. Химическое название лавсана – полиэтилентерефталат. Так как лавсан является продуктом реакции полиэтерификации, его можно назвать полиэфиром.

Из смеси лавсана с хлопком, льном и шерстью получают ткани, которые сочетают в себе ценные качества природных волокон с высокой прочностью, износоустойчивостью, стойкостью к действию неблагоприятных условий.
Кроме того, полиэтилентерефталат является сырьем для изготовления пластиковой тары, в частности, пластиковых бутылок. Стойкость материала создает серьезную экологическую проблему загрязнения окружающей среды пластиковыми отходами, поэтому утилизации этих отходов в настоящее время уделяется большое внимание.

Макромолекулы, имеющие линейное строение образуются также в результате реакции полипептизации. Нам известны два примера таких реакций: полипептизация ε-аминокапроновой кислоты с образованием капрона и поликонденсация адипиновой кислоты с гексаметилендиамином, приводящая к получению нейлона (§ 35).

Получение капрона:

Получение нейлона:

Из капроновых и нейлоновых волокон изготавливают ткани и трикотажные изделия, нити, веревки, канаты, которые обладают высокой прочностью и долговечностью. Капрон и нейлон являются также ценными конструкционными материалами, из которых делают различные детали машин – втулки, вкладыши подшипников, герметизирующие прокладки и др.

Еще одну группу волокон составляют искусственные волокна – материалы природного происхождения, модифицированные химическим путем.
Исходным материалом для получения искусственных волокон служит целлюлоза. Главная задача химической обработки целлюлозы – перевести ее в растворимое состояние с целью получения возможности формирования волокна. В параграфе 32 описаны такие процессы. Напомним их суть.
Из обычного жизненного опыта мы знаем, что целлюлоза ни в чем не растворяется (попробуйте подобрать растворитель для бумаги или древесины!). Свойство растворяться в некоторых растворителях появляется у продуктов химической обработки (модификации) целлюлозы. Уксуснокислые эфиры целлюлозы, или ацетаты, растворяются в органических растворителях. Для получения ацетатов целлюлозы ее обрабатывают уксусным ангидридом, при этом получаются сложный эфир целлюлозы и уксусная кислота:

Из раствора ацетата целлюлозы в органических растворителях формируют ацетатные волокна – ацетатный шелк. Ткани из ацетатных волокон довольно дешевы, они приятны на ощупь, легки, несминаемы, обладают способностью пропускать ультрафиолетовые лучи, хорошо окрашиваются. Их недостаток – невысокая прочность, низкие химическая и термостойкость.

Ацетатный шелк является разновидностью искусственного шелка. Другой вид искусственного шелка – вискозный шелк – получают путем перевода целлюлозы в растворимое состояние обработкой щелочью и сероуглеродом. При этом получается вязкий раствор вискозы (от латинского viscosus – вязкий), из которого продавливанием через мельчайшие отверстия (фильеры) формируют нить. Продавливают вискозу в раствор серной кислоты, при этом из вискозы вновь образуется целлюлоза, то есть вискозный шелк состоит из целлюлозы, правда до того как стать шелком, целлюлоза прошла серьезную химическую переработку.

Вискозные волокна при невысокой стоимости обладают хорошим внешним видом, легко окрашиваются. Поскольку вискозное волокно состоит из натурального материала – целлюлозы, оно намного гигиеничнее тканей из синтетических волокон.

Продавливанием раствора вискозы через узкую щель получают тонкую пленку – целлофан, которую используют как упаковочный материал. В отличие от синтетических пленок, например полиэтиленовой, целлофан легко подвергается микробиологической утилизации и не загрязняет окружающую среду.
Еще один метод растворения целлюлозы – обработка раствором медного купороса, содержащим аммиак. Из этого раствора получают медноаммиачный шелк, который, как и вискозный шелк, представляет собой целлюлозу.

Медноаммиачный шелк обладает красивым внешним видом, хорошо впитывает влагу и пропускает воздух. Из него изготавливают такие ткани, как парча, велюр, подкладочные и мебельные ткани.

В целом, общую классификацию волокон можно представить следующим образом:

Рассмотрением волокон мы завершаем изучение химии высокомолекулярных соединений. Даже краткое знакомство с полимерами показывает, насколько важное место в нашей жизни занимают эти вещества. Из полимеров и материалов на их основе изготавливают одежду, обувь, предметы домашнего обихода, детали различных механизмов и многое другое.

Производство полимеров и изделий из них представляет собой важную отрасль промышленности. В Республике Беларусь имеются предприятия, производящие продукцию из полимерных материалов. Крупнейшими из них являются «Могилевхимволокно» «Гроднохимволокно» Борисовский завод пластмассовых изделий, Светлогорское производственное объединение «Химволокно». Технологии производства полимеров постоянно совершенствуются, что позволяет увеличивать объемы выпуска продукции, снижать ее стоимость, и, что немаловажно, обеспечивать сохранение окружающей среды. Без преувеличения можно сказать, что у химии полимеров большое будущее.

Значение органической химии

Мы завершили изучение курса органической химии. Подведем краткий итог. Органическая химия – химия соединений углерода. Благодаря уникальному строению атома, в котором валентный уровень заполнен ровно наполовину, атомы углерода легко соединяются между собой достаточно прочными ковалентными связями с образованием линейных, разветвленных цепей и циклов. Эти структуры могут состоять из одинарных связей, а также включать кратные (двойные и тройные) связи. Особый случай представляют собой ароматические соединения содержащие циклы с чередующимися одинарными и двойными (сопряженными) связями. Если углеродный скелет дополняется атомами водорода, мы имеем дело с углеводородами, которых неисчерпаемое множество.

Несмотря на огромное разнообразие структур углеводородов, свойства их довольно немногочисленны. Углеводороды горят, этим обусловлено их практическое применение в качестве энергоносителей. Наиболее устойчивые углеводороды – алканы и арены вступают в реакции замещения, в результате которых углеродный скелет сохраняется, а атомы водорода могут быть замещены на другие атомы, в частности на атомы галогенов. Молекулы алканов при высоких температурах и давлениях могут быть расщеплены на молекулы углеводородов с меньшими молекулярными массами. Эти процессы широко используются при переработке природного углеводородного сырья.

В отличие от алканов и аренов, углеводороды, молекулы которых содержат двойные и тройные связи (алкены, алкадиена и алкины) легко вступают а реакции присоединения, приводящие к получению алканов (гидрирование), галогенпроизводных (галогенирование, гидрогалоге-нирование), спиртов (гидратация), полимеров (полимеризация). Ароматические углеводороды также вступают в реакции присоединения, образуя циклоалканы и их производные.
Этими свойствами на данном этапе изучения органической химии ограничивается химия углеводородов. Значительно многообразнее химические свойства органических соединений, молекулы которых включают, помимо атомов углерода и водорода, атомы других элементов. Атомы кислорода в составе органических соединений являются составной частью функциональных групп: гидроксильной –ОН, альдегидной –СНО, карбоксильной –СООН. Спирты и фенолы, молекулы которых содержат гидроксильные группы, проявляют слабые кислотные свойства, позволяющие им взаимодействовать со щелочными металлами (спирты) и даже щелочами (фенолы).

Самыми настоящими кислотами являются карбоновые кислоты, молекулы которых содержат карбоксильные группы. Они изменяют окраску индикаторов, реагируют со щелочами, активными металлами, солями, основными оксидами. Кислоты также вступают в реакцию этерификации со спиртами с образованием сложных эфиров. Представителями сложных эфиров являются жиры, они образованы трехатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами, важнейшие из которых пальмитиновая, стеариновая и олеиновая.
Альдегиды, молекулы которых содержат группу –СНО, являются важным классом органических соединений, но на данном этапе изучения органической химии мы ограничились знакомством со способностью альдегидов окисляться до карбоновых кислот («реакция серебряного зеркала») и восстанавливаться до спиртов. Альдегидную группу содержат молекулы многих углеводов, в частности, глюкозы.

Углеводы – бифункциональные органические соединения, их молекулы включают, наряду с альдегидной, гидроксильные группы. Глюкоза является пятиатомным альдегидоспиртом и проявляет химические свойства, присущие многоатомным спиртам и альдегидам. На этом примере видно, что знание строения молекул органических соединений позволяет объяснять и даже предсказывать их свойства, что делает возможным целенаправленный синтез веществ.

Молекулы простейших углеводов (моносахаридов) легко подвергаются внутримолекулярной циклизации. Циклы, в свою очередь, за счет межмолекулярной дегидратации образуют молекулы дисахаридов (мальтоза, сахароза) и макромолекулы полисахаридов (целлюлоза, крахмал).

Изучая кислородсодержащие органические соединения, мы увидели среди них вещества, входящие состав живых организмов. Это карбоновые кислоты, жиры и, наконец, углеводы, являющиеся основой растительного мира. Расширило рамки знакомства с «химией живого» изучение азотсодержащих органических соединений, которое привело нас к белкам – веществам, из которых построены объекты животного мира, в том числе мы сами. Мы увидели, что атом азота в составе аминогруппы придает веществам оснóвные свойства. Аминокислоты – органические амфотерные соединения, молекулы которых содержат оснóвную – и кислотную –СООН группы. Межмолекулярная дегидратация аминокислот приводит к пептидам, которыми являются белки.

Знание основ органической химии позволило нам разобраться с основами химии высокомолекулярных соединений, которые образуются в результате реакций полимеризации и поликонденсации органических веществ.
Краткий обзор изученного материала показывает, что органическая химия занимает особое место не только среди химических, но и среди всех естественных наук. Она позволяет нам судить о строении и свойствах веществ, из которых состоит окружающий нас мир живой природы, а также понять значение достижений химической науки для удовлетворения потребностей современного общества в веществах, без которых оно просто не сможет существовать.

История органической химии

Начиная с XIX века все известные к тому времени вещества в зависимости от происхождения были разделены на минеральные и органические. Многие ученые придерживались мнения о том, что органические вещества происходят только от живых организмов. Несмотря на становление органической химии как отдельной науки, многие ученые относились к ней скептически.

Ф. Вёлер в своем письме к И. Берцелиусу (1835 год) пишет: «Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она представляется мне дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть». В развитии органической химии как самостоятельной науки сыграли важную роль ряд открытий.

 В 1824 году немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал из дициана щавелевую кислоту, встречающуюся в природе в составе растений;

 Образующаяся в органе человека и животных мочевина была синтезирована в лабораторных условиях из цианата аммония в 1828 году;

 В 1842 году русским ученым Н.Н. Зининым был синтезирован анилин из бензола;

 Синтез немецким химиком А.В. Кольбе уксусной кислоты, английским ученым Э. Франклендом пропионовой кислоты;

 В 1854 году французский химик Бертло синтетическим путем получил жир;

В 1861 году русский ученый A.M. Бутлеров получил из муравьиного альдегида сахаристое вещество.

Подобные достижения в науке поставили под сомнение животное и растительное происхождение органических веществ и доказали возможность получения их синтетическим путем.

Органическая химия - это большой и независимый раздел химии, изучающий строение, методы получения, свойства и практическое применение углеводородов и их производных.

Характерные особенности органических соединений

К особенностям органических соединений можно отнести следующие:

1. Наличие атомов углерода в составе органических соединений и их способность образовывать длинные углеродные цепи, соединяясь посредством ковалентной связи с другими элементами, а также с другими атомами углерода;

2. Из-за наличия в составе органических соединений атомов углерода и водорода, при их горении образуется углекислый газ и вода

3. Значительно низкие температуры плавления и кипения по сравнению с неорганическими соединениями;

4. В отличие от неорганических соединений имеют относительно нестабильную структуру, под действием температуры легко видоизменяются;

5. Органические соединения в отличие от большинства неорганических соединений не диссонируют на ионы и относятся к неэлектролитам;

6. Реакции между органическими веществами протекают относительно медленно. Причиной тому является ковалентная связь между их атомами.

7. В органических соединениях встречается явление изомерии.

Например,

Теория строения органических веществ

Русский ученый A.M. Бутлеров предложил теорию строения органических веществ. Она формулируется следующим образом:

Свойства сложного вещества определяется природой, количеством и химическим строением частиц, образующих его состав.

Из этой теории вытекают следующие положения:

1. Атомы, образующие молекулу органического вещества, соединяются друг с другом строго по своей валентности. Соединение атомов молекулы в такой последовательности называется химическим строением молекулы.

В органических соединениях атомы углерода проявляют валентность  атомы водорода -  атомы кислорода - 

2.Свойства веществ зависят не только от того какие атомы и в каком количестве находятся в составе их молекулярной, а от того в какой последовательности они соединены друг с другом. Данное положение теории строения объясняет суть часто встречаемой в органической химии явления изомерии.

3. Зная свойства определенного вещества, можно установить его молекулярное строение, а зная строение молекулы, можно предвидеть ее свойства.

До выдвижения А. М. Бутлеровым данной теории считалось невозможным определение строения молекулы. Большинство ученых даже отрицали существование атомов. А. М. Бутлеров же доказал неверность таких суждений. Он на практике доказал возможность предсказания свойства вещества, установив строение его молекулы.

4 Атомы и группы атомов в молекуле вещества взаимно влияют друг на друга.

Известны молекулы, в составе которых имеются одинаковые группы атомов, но имеющие разные химические свойства. К примеру, в молекулах  имеется гидроксильная группа.

Несмотря на это, они обладают разными свойствами:  нейтрален,  - сильное основание,  проявляет кислотные свойства. Причиной тому является различный характер взаимного влияния атомов в молекулах.

5. В химической реакции участвуют только определенные атомы или группы атомов, а не все атомы, образующие состав молекулы.

В качестве примера можно привести взаимодействие этилового спирта с металлическим натрием.

В этой реакции только атом водорода в составе гидроксильной группы  замещается натрием, на остальные атомы водорода в спирте натрий не действует.

Степень окисления атома углерода в органических соединениях.

В органических соединениях степень окисления атома углерода не всегда соответствует числу образованных им связей, т.е. не равняется валентности этого элемента. В составе органических веществ углерод всегда IV валентен, однако значение его степени окисления может быть различным, а именно от -4 до +4.

Из темы химической связи курса общей химии (8 класс) нам известно, что при образовании химической связи между двумя атомами общая электронная пара смещается в сторону более электроотрицательного атома. Например, при образовании связи между атомом углерода и атомом водорода  общая электронная пара  смещается в сторону атома углерода  поскольку значение его электроотрицательности равно 2,5, а атома водорода 

По этой причине более электроотрицательный атом при образовании связи заряжается частично отрицательно, а второй атом при этом - частично положительно, 

В случае образования связи между атомами углерода подобного смещения электронной пары не происходит. Причиной тому является одинаковое значение электроотрицательности атомов углерода. 

И поэтому, только при образовании связи между атомами углерода их степени окисления равны нулю.

Для наглядного объяснения смещение электронной плотности в сторону какого-либо атома указывают стрелкой, при этом она направляется в сторону более электроотрицательного элемента. Условно, каждая линия или стрелка показывает приближение или отдаление электрона соседнего атома. Арифметическим вычислением всего этого устанавливается степень окисления атомов.

Например, у метана  степень окисления атома углерода равно -4; у метанола  у метаналя ; у муравьиной кислоты  углокислого газа 

В итоге, в органической химии понятие валентности и степени окисления у атома углерода принимает разное значение. Валентность атома углерода в возбужденном состоянии всегда равняется IV, т.е. он способен образовывать четыре ковалентные связи.

Изомерия и ее виды

Второе правило теории химического строения гласит, что свойства веществ зависят не только от состава их молекулы, но и последовательностью соединения атомов в ней. Данное положение раскрывает суть часто встречаемого явления изомерии в органической химии. Понятие изомерии ввел в науку шведский ученый И. Берцелиус в 30-х годах XIX века.

A.M. Бутлеров при изучении строения насыщенных углеводородов пришел к заключению, что начиная с молекулы бутана, атомы углерода в составе молекул могут связываться друг с другом в разной последовательности.

В молекуле бутана, с общей формулой  атомы углерода могут располагаться в двух разных последовательностях, а именно образовывать прямую и разветвленную цепь.

Молекулы, имеющие одинаковый элементный состав, но с разной последовательностью соединения атомов в них, т.е. имеющие разное строение, рассматриваются как отдельные вещества и будут обладать разными свойствами. Например, у вышеприведенных веществ разная температура кипения.

Изучив структуру пентана  A.M. Бутлеров предположил существование трех разных веществ, отличающихся друг от друга строением.

С увеличением числа атомов в молекуле также возрастает число изомеров (у гексана - 5, у гептана - 9)

В дальнейшем были изучены и введены в науку другие виды изомерии. Мы ознакомимся со следующими ее видами:

1. Изомерия углеродной цепи;
2. Изомерия положения;
3. Межклассовая изомерия;
4. Геометрическая изомерия.

1. С изомерией углеродной цепи ознакомились в вышеприведенных примерах с бутаном и пентаном. Отметим, что в этом случае атомы углероды, связываясь друг с другом, могут образовывать разветвленную или неразветвленную цепь.

2. Изомерия положения возможна в результате перемещения заместителей (галогенов) или функциональных групп по углеродной цепи насыщенных углеводородов.

Еще один вид изомерии положения наблюдается у ненасыщенных углеводородов, в которых свое положение в цепи меняет двойная или тройная связь.

3. Межклассовая изомерия, или изомерия функциональных групп. Такой вид изомерии наблюдается у веществ с одинаковой общей формулой, т.е. составом, но принадлежащим к разным классам веществ. Вещество, с общей формулой 

4. Геометрическая (цис-, транс-) изомерия наблюдается у веществ, в составе которых имеются атомы углерода, соединенные двойной связью.

Классификация органических соединений

1. Органические соединения: 
2. Углеводороды - соединения образованные только из атомов углерода и водорода.
3. Кислотосодержащие органические соединения- соединения, в состав которых входят так же атомы кислорода.
4. Азотосодержащие органические соединения- соединения, в состав которых входят так же атомы азота.

По составу органические соединения подразделяются на следующие классы:

1. Углеводороды. Это соединения в состав которых входят только атомы углерода и водорода.
2. Если в составе вещества помимо атомов углерода и водорода встречаются также атомы кислорода, такие соединения называются кислородсодержащими органическими соединениями.
3. Соединения, в состав которых помимо атомов углерода и водорода входят атомы азота, называются азотсодержащими органическими соединениями. В составе азотсодержащих органических соединений могут встречаться также атомы кислорода.

В зависимости от характера связей, образующихся между атомами углеродов в цепи, углеводороды разделяются на предельные и непредельные.

К предельным углеводородам относятся алканы и циклоалканы, к непредельным углеводородам - алкены, алкадиены, алкины и ароматические углеводороды.

К тому же, углеводороды могут быть с открытой и замкнутой цепью.

К углеводородам с открытой цепью относятся алканы, алкены, алкадиены и алкины.

К углеводородам с замкнутой цепью относятся циклоалканы и ароматические углеводороды.
Вещества, в состав которых входит гидроксильная группа, образуют спирты и фенолы. При этом если гидроксильная группа соединена с углеводородным радикалом, вещество считается спиртом. Если гидроксильная группа соединена с бензольным кольцом, то вещество считается фенолом. Сами спирты и фенолы, в зависимости от числа гидроксильных групп, входящих в их состав, могут разделяться на одноатомные и многоатомные. 

Вещества, содержащие карбонильную группу  называются оксосоединениями. К оксосоединениям отнесятся альдегиды и кетоны.    

Вещества, содержащие карбоксильную группу  считаются карбоновыми кислотами.

Жиры считаются сложными эфирами, в них трехатомный спирт - глицерин связан с тремя остатками карбоновых кислот.

Углеводы по строению разделяются на моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Кислородсодержащие органические соединения

1) Спирты 

• одноатомные  метанол.
• многоатомные  этандиол -1.2.

2) Фенолы

3) Оксосоединения 

• Альдегиды 
• Кетоны 

4)Карбоновые кислоты

5) Жиры

6) Углеводы

• Моносахариды
• Дисахариды
• Полисахариды

К азотсодержащим органическим соединениям относятся нитросое-динения, амины, ароматические амины и аминокислоты.

Соединения содержащие -  группу считаются нитросоединениями. Если в молекуле аммиака заменить один или несколько атомов водорода на углеводородные радикалы, то образуются амины. Амины могут быть первичными, вторичными и третичными.

Азотсодержащие органические соединения:

1) Нитросоединения 

2) Амины 

3) Ароматические амины

4) Аминокислоты, Белки.

В результате замещения атомов водорода в молекуле аммиака на ароматические радикалы образуются ароматические амины.

Аминокислоты представляют с собой вещества, в состав которых входят карбоксильная группа и аминогруппа  Аминокислоты являются мономерами белков.

Виды реакций, характерные для органических соединений

Виды реакций как замещение, соединение, разложение, характерные для неорганических веществ, свойственны и к органическим веществам.

1) Реакциями замещения считаются такие реакции, в которых определенное количество атомов в составе органического вещества заменяются атомами другой молекулы.

Например, один атом водорода в бензольном кольце заменяется на один атом хлора или на нитрогруппу  азотной кислоты. В таких реакциях, кроме основных продуктов реакции (хлорбензол, нитробензол), выделяются и другие вещества (соляная кислота и вода, соответственно).

2) Реакции, протекающие с присоединением органических веществ с другими молекулами, называются реакциями присоединения.

Например, присоединение воды, брома или водорода к этилену:

3) Если в ходе реакции из одного органического вещества получают несколько веществ, такая реакция будет называться реакцией разложения.

Например, этан при высокой температуре разлагается на этилен и водород:

При нагревании этилбромида в высокой температуре образуется бромоводород и этилен.

Однако существуют виды реакций, характерные только органическим веществам. Это реакции полимеризации и поликонденсации.

Введение в органическую химию

Из курса химии 7-9-го классов вы уже знаете, что вещества состоят из атомов. Например, молекулы воды состоят из атомов кислорода и водорода (рис. 1.1).

Состояние электрона в атоме. Атомная орбиталь

В центре атома находится положительно заряженное ядро. Заряд ядра равен атомному номеру элемента в периодической системе. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны, образуя электронную оболочку. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов, поэтому атом электро-нейтрален.

Например, атом водорода состоит из ядра, заряд которого равен 1+, и одного электрона. Заряд ядра атома гелия равен 2+, поэтому в атоме гелия два электрона (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Модели атомов: а — водорода; б — гелия Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов

Если атом отдаёт электрон, то образуется положительно заряженный ион — катион. Если атом присоединяет электрон, то образуется отрицательно заряженный ион — анион (рис. 1.3).

Глядя на рисунки 1.2 и 1.3, можно ошибочно предположить, что электроны вращаются вокруг атомного ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. В действительности траекторию движения электрона в атоме определить невозможно. Каждый электрон образует вокруг ядра облако отрицательного заряда определённой формы и размера — электронное облако. Например, единственный электрон в атоме водорода образует облако сферической формы (рис. 1.4).

Чтобы лучше представить электронное облако, проведём мысленный эксперимент. Допустим, у нас есть возможность фотографировать атом водорода в различные моменты времени, тогда на фотографиях мы будем видеть электрон в различных положениях относительно ядра (рис. 1.5). Если сделать много таких снимков и наложить фотографии друг на друга, по густоте точек мы увидим, насколько часто электрон оказывается в данной области пространства.

Из рисунка 1.4 видно, что электрон в атоме водорода чаще всего находится в непосредственной близости от ядра, по мере удаления от ядра вероятность обнаружить электрон резко снижается.

У электрона есть ещё одна особенность. В атоме водорода электрон может иметь не любые, а только определённые значения энергии. Эти значения энергии электрона в атоме водорода называются энергетическими уровнями. Энергетические уровни обозначаются номерами.

На рисунке 1.6 показаны энергетические уровни атома водорода.

Электрону наиболее выгодно занимать первый уровень с наименьшей энергией, при этом он находится ближе к ядру.

Электрон может переходить с одного энергетического уровня на другой. При переходе с первого уровня на второй он поглощает порцию энергии, равную при обратном переходе он излучает такую же порцию энергии.

Теперь мы можем уточнить понятие орбиталь, которое было введено в курсе химии 8-го класса. Вы уже знаете, что электрон в атоме может находиться только в определённых состояниях. Каждому состоянию соответствует определённое значение энергии и определённая форма электронного облака. Электронное состояние называется орбиталью.

Атомная орбиталь — состояние электрона в атоме, характеризующееся определённым значением энергии и формой электронного облака.

Электронное облако не имеет чётких границ, поэтому при изображении формы орбитали приводят не всё электронное облако, а лишь ту область пространства, внутри которой вероятность обнаружить электрон достаточно большая.

Орбитали могут иметь различную форму. Орбитали сферической формы называются s-орбиталями (рис. 1.7).

• Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
• Каждый электрон в атоме находится в состоянии с определённой энергией (занимает определённую атомную орбиталь).
• Орбиталь характеризуется энергией и формой электронного облака

Строение электронных оболочек атомов

Электроны в атомах занимают состояния с определёнными энергиями (орбитали). Чтобы это показать, орбитали изображают в виде клеток а электроны — в виде стрелок Последнее позволяет отобразить такую характеристику электрона, как спин (от англ, spin — вращение). Чтобы понять, что такое спин, представим, что электрон в атоме не только движется вокруг ядра, но и вращается вокруг собственной оси. В зависимости от того, в какую сторону происходит вращение вокруг собственной оси (по часовой стрелке либо против), возможны два значения спина электрона. Электроны с противоположными спинами обозначают стрелками, направленными в разные стороны.

На одной орбитали могут разместиться не более двух электронов с противоположными спинами. Такие электроны называются спаренными. Два спаренных электрона образуют электронную пару.

— заполненная орбиталь (электронная пара).

Если на орбитали имеется один электрон, то орбиталь называется частично или наполовину заполненной, а электрон — неспаренным:

- частично или наполовину заполненная орбиталь (неспаренный электрон).

Орбитали с одинаковыми значениями энергии образуют энергетический подуровень. Энергетические подуровни обозначаются буквами s, р, d.

s-Подуровень состоит из одной орбитали имеющей сферическую форму (рис. 1.7).

p-Подуровень состоит из трёх орбиталей, имеющих форму объёмных восьмёрок и ориентированных вдоль трёх координатных осей (рис. 2.1).

d-Подуровень состоит из пяти орбиталей имеющих ещё более сложную форму.

Орбитали с близкими значениями энергии образуют энергетический уровень. На каждом энергетическом уровне имеется строго определённое число подуровней и, следовательно, орбиталей,причём их число увеличивается с возрастанием номера энергетического уровня (рис. 2.2).