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).

Из рисунка 2.2 видно, что:

• первый уровень состоит из одного подуровня -
• второй — из двух подуровней -
• третий — из трёх подуровней -

С увеличением номера энергетического уровня размеры орбиталей увеличиваются, значения энергии электронов, занимающих эти орбитали, возрастают. Сравните размеры 1s- и 2s-орбиталей (рис. 2.3).

Электроны в атоме стремятся занимать состояния с наименьшей энергией.

Расположение электронов на атомных орбиталях отражает электронно-графическая схема.

Приведём электронно-графические схемы некоторых атомов. При этом будем учитывать, что сначала заполняются уровни и подуровни с меньшей энергией (рис. 2.2).

Элемент с атомным номером 1 — водород (Н). Заряд ядра атома водорода равен 1+, поэтому в атоме водорода имеется один электрон, который располагается на орбитали с наименьшей энергией 1s.

Электронно-графическая схема атома водорода:

На практике пользоваться электронно-графической схемой не всегда удобно, проще для отображения строения электронной оболочки атома воспользоваться формулой электронной конфигурации (её также называют электронной конфигурацией).

Например, формула электронной конфигурации водорода:

Элемент с атомным номером 2 — гелий (Не). Формула электронной конфигурации:

Не: l

Первый энергетический уровень в атоме гелия завершён. Завершённая электронная оболочка устойчива, поэтому гелий не образует химических соединений, является благородным газом, существует в виде отдельных атомов (одноатомных молекул). Другие благородные газы — Ne, Аr и т. д. -также имеют устойчивые завершённые электронные оболочки.

Атомы остальных элементов не имеют завершённых оболочек, поэтому они образуют химические соединения. В этих соединениях атомы приобретают завершённые оболочки ближайших благородных газов.

Элемент с атомным номером 3 — литий (Li). Его электронная конфигурация:

Из электронной конфигурации атома лития видно, что, отдав один внешний электрон, атом приобретёт завершённую электронную оболочку, как у атома гелия. Для лития характерны реакции, в которых он отдаёт один электрон, то есть проявляет восстановительные свойства. В образующихся соединениях степень окисления лития равна +1:

Элемент с атомным номером 4 — бериллий (Be). Формула электронной конфигурации:

На первый взгляд может показаться, что строение внешнего энергетического уровня атома бериллия такое же, как у атома гелия, но свойства этих элементов совершенно различны. Бериллий — металл, в то время как гелий — благородный газ.

Рассмотрим электронно-графическую схему атома бериллия. Внутреннюю ls-орбиталь приводить не будем, вместо неё на схеме многоточие. Напомним, что химические свойства атома определяются строением внешнего энергетического уровня. Электронно-графическая схема внешнего энергетического уровня атома бериллия имеет вид:

В отличие от атома гелия, внешний энергетический уровень атома бериллия не завершён. Чтобы приобрести устойчивую завершённую электронную оболочку, атом бериллия должен отдать два электрона, поэтому бериллий проявляет в соединениях степень окисления +2, его оксид имеет формулу ВеО, а гидроксид —

Элемент с атомным номером 5 — бор (В). Его электронная конфигурация: Следующий элемент — углерод (С). Электронно-графическая схема и электронная конфигурация углерода:

Как видно из электронно-графической схемы, электроны в атоме углерода заполняют разные 2р-орбигали. Это объясняется тем, что, находясь на одной орбитали, одноименно заряженные электроны испытывают электростатическое отталкивание, которое уменьшается, если электроны находятся на разных орбиталях.

Приведём электронно-графические схемы и электронные конфигурации атомов остальных элементов второго периода:

Видно, что атому фтора до завершения электронной оболочки не хватает одного электрона, поэтому фтор легко принимает один электрон, проявляя степень окисления -1. Фтор — элемент с самыми ярко выраженными неметаллическими свойствами.

Последний элемент второго периода — неон (Nc) — имеет завершённую электронную оболочку:

Каждая из приведённых электронно-графических схем отражает наиболее энергетически выгодное состояние атома (ему соответствует наименьшая энергия). Такое состояние называется основным.

Поглощая энергию, атом может переходить в возбуждённое состояние, при этом один или несколько электронов переходят с одной орбитали на другую (рис. 1.6). Энергия атома в возбуждённом состоянии выше, чем в основном, поэтому в возбуждённом состоянии атом может находиться очень недолго и быстро возвращается в основное состояние.

Приведём примеры возбуждённых состояний атомов (обозначены*):

Особенности электронного строения атома углерода

В 10-м классе вы будете изучать органическую химию — химию соединений углерода. Уникальность этого элемента заключается в том, что число электронов на внешнем энергетическом уровне углерода (их четыре) равно числу орбиталей (которых также четыре). То есть у атома углерода внешний энергетический уровень заполнен ровно наполовину. В таком случае атому невыгодно как отдавать, так и принимать электроны, а выгодно их обобществлять, образуя ковалентные связи. Поэтому атомы углерода образуют достаточно прочные связи друг с другом, соединяясь в длинные цепи или циклы. При этом каждый атом углерода образует четыре ковалентные связи.

На рисунке 2.4 показаны цепи и циклы из атомов углерода в молекулах органических веществ. Свободные валентности атомов углерода заполнены атомами водорода (белые шарики):

Рис. 2.4. Цепи и циклы из атомов углерода в молекулах органических веществ Неудивительно, что углерод является основой множества органических соединений. Валентность углерода, равная четырём, даёт возможность образования разветвлённых структур и кратных (двойных и тройных) связей, что обусловливает многообразие органических соединений.

Строение электронной оболочки атома отображают при помощи электронно-графической схемы или формулы электронной конфигурации.

При составлении электронно-графической схемы учитывают, что в первую очередь электронами заполняются орбитали с наименьшей энергией и на одной орбитали могут разместиться не более двух электронов с противоположными спинами.

В атоме углерода число электронов на внешнем энергетическом уровне равно числу орбиталей, поэтому атомы углерода способны образовывать достаточно прочные ковалентные связи друг с другом, соединяясь в длинные цепи и циклы.

Типы химической связи

Из курса химии 7-9-го классов вы знаете, что при обычных условиях атомы большинства химических элементов в свободном виде (по отдельности) не существуют. Даже в простых веществах атомы связаны друг с другом химическими связями. Исключением являются лишь благородные газы.

Например, простое вещество водород состоит из молекул в которых два атома водорода связаны одной ковалентной связью: Н—Н.

Химическая связь — взаимодействие, связывающее отдельные атомы в химические соединения (молекулы или кристаллы). Участвовать в образовании химических связей могут только те электроны, которые слабее всего связаны с ядром, то есть электроны внешнего энергетического уровня. Такие электроны называются валентными.

Валентные электроны принято обозначать точками, которые окружают символ химического элемента. Такие формулы называются электронными формулами.

Видно, что атомы водорода и углерода имеют незавершённые электронные оболочки, поэтому отдельные атомы водорода и углерода не могут существовать при обычных условиях. В отличие от них атомы благородных газов, имеющие завершённые электронные оболочки, устойчивы. Электронные формулы атомов благородных газов гелия и неона следующие:

Окружность вокруг электронной формулы указывает на завершённость внешнего слоя. То есть атом гелия имеет завершённую двухэлектронную, а атом неона — восьмиэлектронную внешнюю оболочку. Отсюда следует важный вывод — атомы будут стремиться сформировать стабильные завершённые электронные оболочки за счёт отдачи, присоединения либо обобществления электронов. При этом образуются химические связи.

Пример №9

Образование ионной связи между литием и фтором.

На внешнем электронном слое атома лития находится один электрон, поэтому атом лития легко отдаёт этот электрон, приобретая завершённую электронную оболочку, как у ближайшего благородного газа — гелия. На внешнем слое атома фтора располагается семь электронов, поэтому фтор, наоборот, легко присоединяет один электрон, приобретая завершённую восьмиэлектронную внешнюю оболочку, как у атома неона:

При образовании фторида лития электрон от атома лития переходит к атому фтора. В результате образуются ионы Электронные конфигурации ионов такие же, как у атомов гелия и неона соответственно:

Разноимённо заряженные ионы притягиваются друг к другу. Такая связь называется ионной. Ионная связь образуется между атомами металла и неметалла. Ионная связь имеется в солях (NaCl, KF), оксидах металлов гидроксидах металлов (NaOH, КОН).

Пример №10

Образование ковалентной связи в молекуле водорода

На внешнем слое атома водорода имеется один неспаренный электрон. Поскольку при образовании молекулы водорода между собой взаимодействуют одинаковые атомы, электрон не будет переходить от одного атома к другому и разноимённо заряженные ионы образовываться не будут. Вместо этого неспаренные электроны двух атомов водорода образуют общую электронную пару. При этом каждый атом водорода приобретает завершённую электронную оболочку, как у атома гелия:

Связь, образованную посредством общих электронных пар, называют ковалентной. В формулах ковалентную связь (общую электронную пару) обозначают чёрточкой. Например, формулу молекулы водорода можно записать Н—Н. Такая формула называется структурной. Она показывает не только состав, но и строение молекулы.

Ковалентная связь образуется между атомами неметаллов. Ковалентная связь имеется в простых веществах неметаллов оксидах неметаллов , кислотах (НС1, ).

Мы рассмотрели два типа химической связи — ковалентную и ионную. Ковалентная связь образуется между атомами неметаллов. Посредством ионной связи соединяются металлы с неметаллами.

При взаимодействии атомов металлов друг с другом возникает третий тип химической связи - металлическая связь. Подробно с этим типом связи вы знакомились в курсе химии 9-го класса. Напомним, что металлическая связь имеется в простых веществах, образованных металлами, например Na, К, Fe, и в металлических сплавах.

Существует три типа химической связи: ковалентная, ионная и металлическая.

Ковалентная связь образуется между атомами неметаллов в простых веществах оксидах неметаллов кислотах (HF, HCI, ).

Ионная связь образуется между атомами металла и неметалла в солях (NaCI, KF), оксидах металлов ВаО), гидроксидах металлов (NaOH, КОН).

Металлическая связь образуется между атомами металлов в простых веществах (Na, К, Си) и металлических сплавах.

Ковалентная связь

Основным типом химических связей в органических соединениях является ковалентная связь. Рассмотрим механизм её образования и основные характеристики.

Простейший пример соединения с ковалентной связью — молекула водорода Атом водорода состоит из положительно заряженного ядра и одного неспаренного электрона, занимающего ls-орбиталь. При сближении двух атомов водорода происходит перекрывание их электронных облаков:

В результате в пространстве между ядрами происходит увеличение электронной плотности, то есть в этой области концентрируется отрицательный заряд. Этот отрицательный заряд притягивает положительно заряженные ядра, и между атомами формируется химическая связь. Образуется молекула водорода Н—Н, или Такая связь называется ковалентной. Чем больше перекрываются электронные облака атомов, тем прочнее будет ковалентная связь.

Схему образования ковалентной связи между атомами водорода можно представить следующим образом: или

Из представленной схемы видно, что ковалентная связь осуществляется посредством общей электронной пары. В электронных формулах электронную пару обычно обозначают двумя точками, расположенными между атомами. Если вокруг таких атомов описать окружности, видно, что каждый атом водорода в молекуле имеет завершённую электронную оболочку, как у атома гелия:

В структурных формулах ковалентная связь обозначается чёрточкой: Используя понятие общей электронной пары, можно дать краткое определение ковалентной связи.

Ковалентная связь — химическая связь, образованная посредством общих электронных пар.

В молекуле водорода общая электронная пара формируется за счёт неспаренных электронов двух атомов водорода. Следовательно, можно заключить, что число ковалентных связей, которое может образовать элемент, равно числу неспаренных электронов в его атоме.

Например, в атоме водорода один неспаренный электрон, поэтому водород может образовать только одну ковалентную связь. Число ковалентных связей, которое образует данный атом в химическом соединении, называется его валентностью. Например, поскольку валентность водорода равна единице, то в структурных формулах от символа Н следует рисовать одну чёрточку:

Рассмотрим основные характеристики ковалентной связи. Кратность ковалентной связи

На внешнем слое атома фтора имеется один неспаренный электрон, поэтому валентность фтора в соединениях равна единице. От символа F в структурных формулах следует рисовать одну чёрточку: F—F, H—F.

На рисунке 4.2. показана схема образования ковалентной связи в молекуле фтора:

Рис. 4.2. Схема образования одинарной ковалентной связи в молекуле фтора В молекуле фтора атомы связывает одна общая электронная пара. Такая связь называется одинарной.

На внешнем слое атома кислорода имеется два неспаренных электрона, поэтому валентность кислорода в соединениях равна двум. От символа О в структурных формулах следует рисовать две чёрточки: 0=0, H—О—H.

На рисунке 4.3 показана схема образования ковалентной связи в молекуле кислорода:

Рис. 4.3. Схема образования двойной ковалентной связи в молекуле кислорода

В молекуле кислорода атомы связывают две электронные нары. Такая связь называется двойной. Двойная связь прочнее одинарной.

На внешнем слое атома азота имеется три неспаренных электрона, поэтому валентность азота в соединениях равна трём.

От символа N в структурных формулах следует рисовать три чёрточки: На рисунке 4.4. показана схема образования ковалентной связи в молекуле азота:

Рис. 4.4. Схема образования тройной ковалентной связи в молекуле азота

В молекуле азота атомы связывают три электронные нары. Такая связь называется тройной. Тройная связь прочнее одинарной и двойной.

Двойные и тройные связи имеют общее название кратные.

В основном состоянии на внешнем слое атома углерода имеется два неспаренных электрона. Однако, атом углерода легко переходит в возбуждённое состояние, в котором имеется четыре неспаренных электрона:

В связи с этим валентность углерода может быть равна четырём. В большинстве соединений углерод четырёхвалентен. Поэтому в структурных формулах от символа С следует рисовать четыре чёрточки:

Атомы углерода могут связываться между собой как одинарными, так и кратными связями. Например, в молекуле этана, имеющего состав СгНе, атомы углерода образуют только одинарные связи:

Двойной ковалентной связью атомы углерода соединены между собой в молекуле этилена (): Тройная связь между атомами углерода имеется в молекуле ацетилена

Энергия и длина ковалентной связи

Важнейшими характеристиками ковалентной связи являются её энергия и длина.

Энергия, которую необходимо затратить для разрыва химической связи, называется энергией связи. Энергия связи измеряется в кДж/моль. Чем прочнее связь, тем больше энергии необходимо затратить на её разрыв, следовательно, тем больше энергия связи.

Энергия кратных связей больше, чем одинарных (табл. 4.1). Это вполне понятно, так как для разрушения двух или трёх связей требуется затратить больше энергии, чем для разрыва одной связи.

Атомы, соединённые химической связью, находятся на определённом расстоянии друг от друга. Расстояние между ядрами атомов, образующих связь, называется длиной связи.

Из данных таблицы 4.1 видно, что в ряду этан — этилен — ацетилен, с ростом кратности длина связи углерод-углерод уменьшается. То есть при образовании кратных связей атомы сильнее притягиваются друг к другу.

Полярность ковалентной связи

В молекуле водорода ковалентная связь образуется между атомами одного элемента, поэтому общая электронная пара располагается симметрично (посередине) между ядрами атомов. Такая связь называется ковалентной неполярной.

Пример №11

Ковалентной неполярной связью соединяются между собой атомы неметаллов в простых веществах H—Н, F—F, С1—С1, О=О, N N.

Кроме того, ковалентная неполярная связь образуется между атомами углерода в этане , этилене и ацетилене НССН.

При образовании ковалентной связи между атомами разных химических элементов общая электронная пара смещается к более электроотрицательному атому. Такая связь называется ковалентной полярной.

Напомним, что электроотрицательность — это способность атома в химическом соединении притягивать к себе электроны других атомов. Самый электроотрицательный элемент — фтор (ЭО — 4,1).

Пример №12

Ковалентная полярная связь в молекуле фтороводорода HF.

Молекула Н—F образована атомами водорода и фтора. Электроотрицательность фтора выше, чем водорода, поэтому общая электронная пара будет смещена к более электроотрицательному атому фтора (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Схема образования ковалентной связи в молекуле фтороводорода HF

В результате на атоме фтора возникает частичный отрицательный заряд, на атоме водорода — частичный положительный. Частичные, а не полные заряды возникают вследствие того, что общая электронная пара смещается к атому фтора, но полного перехода электрона от одного атома к другому не происходит. Частичный заряд обозначается греческой буквой (дельта):

Связь между атомами водорода и фтора является ковалентной полярной.

Ковалентная полярная связь возникает между атомами неметаллов с различной электроотрицательностью, например в молекулах хлороводорода, воды, аммиака:

Чем сильнее различаются между собой электроотрицательности атомов, образующих ковалентную связь, тем больше будут частичные заряды на атомах и тем более полярной будет связь.

Пример №13

Ковалентные полярные связи в молекулах фтороводорода HF и хлороводорода НСl. Таблица 4.2. Электроотрицательности и частичные заряды на атомах в молекулах HF и НСl

Из таблицы 4.2 видно, что частичные заряды на атомах в молекуле HF значительно больше, чем в молекуле НСl. Следовательно, связь в молекуле HF более полярна, чем в HCl. Ковалентная связь осуществляется посредством общих электронных пар. В электронных формулах общую электронную пару обозначают двумя точками, расположенными между атомами. В структурных формулах ковалентную связь обозначают чёрточкой.

Ковалентная связь образуется между атомами неметаллов. Между атомами одного и того же неметалла возникает ковалентная неполярная связь. Между атомами разных неметаллов — ковалентная полярная.

Ковалентная связь бывает одинарной, двойной и тройной. Двойная и тройная связи называются кратными.

Чем прочнее связь, тем больше энергия связи. Энергия кратных связей выше энергии одинарных связей. Кратные связи короче одинарных связей.

Предмет органической химии. Теория строения органических веществ

Изучая неорганическую химию, вы познакомились с веществами самого разнообразного состава, многие из которых являются основой минералов, строительных материалов, минеральных удобрений, драгоценных камней и т. д. При этом вы не встречали, чтобы какой-нибудь один химический элемент непременно присутствовал во всех неорганических веществах. Отличительной особенностью органических веществ является то, что в их состав наряду с другими элементами всегда входят атомы углерода. Изучение соединений углерода — их строения, химических свойств, способов получения — и составляет предмет органической химии.

Органическая химия — химия соединений углерода Наряду с углеродом в состав органических веществ чаще всего входят водород (— метан), кислород ( — уксусная кислота) и азот ( — анилин), реже — галогены ( — тетрахлорметан), сера ( — метилмеркаптан) и другие элементы. Отметим, что некоторые соединения углерода относятся к неорганическим веществам. Вы познакомились с ними ранее. Это углекислый газ (), угольная кислота (), её соли — карбонаты и некоторые другие вещества.

Число известных органических соединений значительно превышает число неорганических соединений. Такое многообразие обусловлено способностью атомов углерода соединяться друг с другом с образованием цепей и циклов, включающих сотни и даже тысячи атомов углерода.

Возникновение органической химии как науки

Следует отметить, что органические вещества известны человечеству с древних времён. Применяя сравнительно простые способы переработки растений, люди издавна умели получать тростниковый сахар, природные красители, растительные масла, уксус и т. д. Однако наука о соединениях углерода возникла лишь в начале XIX века, после того как химики научились определять состав веществ и выражать его в виде молекулярных формул. Тогда стало известно, что вещества растительного и животного происхождения содержат углерод.

В 1806 году шведский химик Я. Берцелиус предложил называть вещества, получаемые из живых организмов, органическими, а науку, изучающую их, — органической химией. Наличие углерода в каждом органическом веществе позволило Берцелиусу определить органическую химию как химию соединений углерода. Такое определение является общепринятым и в настоящее время. Вместе с тем Берцелиус ошибочно считал, что принципиальным отличием органических веществ от неорганических является то, что первые не могут быть получены в лаборатории, а создаются только живыми организмами под влиянием особой «жизненной силы». Теория «жизненной силы» получила название «витализм» (от лат. vitalis — жизненный). Этой теории вскоре был нанесён сокрушительный удар, когда в 1824 году из неорганических веществ немецким химиком Ф. 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 путём получил жиры. В настоящее время синтезированы многие органические вещества, не только имеющиеся в природе, но и не встречающиеся в ней, например лекарственные препараты, пластмассы, синтетические каучуки, жидкие кристаллы и многие другие. Таким образом, учение о «жизненной силе» потерпело полное поражение. Тем не менее, разделение химии на органическую (химию соединений углерода) и неорганическую сохранилось и но сей день.

Обнаружение углерода и водорода в составе органических веществ

В состав всех органических веществ входит углерод. Большинство органических соединений содержит также атомы водорода. Доказательством того, что в состав органических соединений входят углерод и водород, является следующий опыт.

В пробирку помещают оксид меди(II) и парафин. Парафин представляет собой смесь твёрдых углеводородов (органических веществ, состоящих из углерода и водорода). Пробирку закрепляют горизонтально в лабораторном штативе (рис. 5.1). На стенку пробирки ближе к горлышку осторожно помещают безводный сульфат меди(II).

Безводный сульфат меди(II) имеет белый цвет, в отличие от голубого медного купороса Закрывают пробирку пробкой с газоотводной трубкой, конец трубки помещают в стаканчик с прозрачной известковой водой (водный раствор гидроксида кальция Пробирку нагревают в пламени спиртовки.

Оксид меди(II) в данном опыте выступает в роли окислителя. Он окисляет углеводороды до и воды, при этом оксид меди(II) восстанавливается до меди. Например для углеводорода входящего в состав парафина, протекающую реакцию можно отразить уравнением:

В ходе эксперимента наблюдаются следующие явления. На стенках пробирки появляются капельки воды, при этом белый сульфат меди(II) приобретает голубой цвет, так как превращается в медный купорос:

Выделяющийся углекислый газ вызывает помутнение известковой воды, так как образуется белый осадок

Остаток реакционной смеси приобретает красный оттенок из-за образования металлической меди. Таким образом, этот опыт доказывает наличие углерода и водорода в молекулах органического вещества.

Теория строения органических веществ

Теория строения органических веществ сформировалась во второй половине XIX века. К этому времени были получены и исследованы многие органические соединения, установлен их качественный и количественный состав, описаны свойства.

Так, в конце XVIII — начале XIX века были выделены важнейшие углеводороды (органические вещества, состоящие только из углерода и водорода) и установлены их молекулярные формулы. Однако оказалось, что знания молекулярных формул, отражающих только состав вещества, явно недостаточно для понимания строения и свойств органических соединений. Приведём примеры некоторых противоречий, заводивших в тупик учёных первой половины XIX века.

Пример №14

Молекулярные формулы простейших углеводородов метана, этана и пропана — соответственно.

К середине XIX века Э. Франкландом уже было предложено понятие валентности атомов, а А. Кекуле предположил, что атомы углерода четырёхвалентны. Если исходить из того, что водород одновалентен, то, рассматривая приведённые молекулярные формулы, можно ошибочно предположить, что только в метане углерод имеет валентность, равную четырём, валентность углерода в этане должна равняться трём, а в пропане углерод должен иметь дробную валентность.

Пример №15

Одинаковую формулу имеют два различных вещества.

Температура кипения, одного из этих веществ равна -0,5 °С, тогда как температура кипения второго более, чем на 11 °С ниже и составляет -12 °С.

Накопление подобных необъяснимых на тот момент фактов стало предпосылкой создания новой теории — теории строения органических соединений. Её основные положения в середине XIX века сформулировал А. М. Бутлеров.

К тому времени было известно, что молекулы состоят из атомов, но учёные ещё не придавали значения тому, как атомы располагаются в молекуле, и считали, что познать это невозможно.

А. М. Бутлеров высказал предположение о том, что атомы в молекуле соединены в определённой последовательности, которую можно установить химическими методами и отразить в структурной формуле.

Сформулируем важнейшие положения теории строения органических соединений А. М. Бутлерова:

1. Атомы, входящие в состав органических соединений, связаны друг с другом в определённой последовательности в соответствии с их валентностью.

2. Свойства вещества зависят не только от того, атомы каких элементов и в каком количестве входят в состав молекул, но и от последовательности соединения атомов в молекулах.

Данная теория открыла путь к широкому распространению структурных формул для отображения строения органических веществ.

Используем положения теории А. М. Бутлерова для объяснения противоречий, описанных в примерах 1 и 2.

Сначала объясним строение молекул простейших углеводородов. Учитывая, что валентность углерода равна четырём, а валентность водорода -единице, структурная формула метана следующая:

В молекуле этана все атомы углерода и водорода входят в состав одной частицы. Для этого два атома углерода должны образовать друг с другом химическую связь. Оставшиеся три единицы валентности каждый атом углерода использует для соединения с тремя атомами водорода. Тогда структурная формула этана:

Аналогичные рассуждения для пропана риводят к структурной формуле:

Как видно, во всех этих углеводородах углерод четырёхвалентен. Рассмотрим теперь, какое влияние на свойства веществ оказывает последовательность связывания атомов в молекуле на примере соединения с молекулярной формулой Можно составить две цепи из четырёх атомов углерода: линейную и разветвлённую:

Таким образом, молекулярную формулу имеют два вещества:

Так как н-бутан (н — сокращённое от нормальный) и изобутан являются разными веществами, они должны иметь различные свойства. Действительно, температура кипения н-бутана равна -0,5 °С, тогда как температура кипения изобутана равна -12 °С. Таким образом, теория Бутлерова позволила объяснить, почему соединения, имеющие совершенно одинаковый состав, могут обладать различными свойствами. Вещества, молекулы которых имеют одинаковый качественный и количественный состав, но разное строение, называются изомерами.

Дальнейшее развитие науки только дополняло и совершенствовало теорию А. М. Бутлерова, показало её 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 дало возможность целенаправленного синтеза новых веществ с заданными свойствами.

Органическая химия — химия соединений углерода.

Органические соединения являются основой живых организмов.

В основе теории строения органических соединений А. М. Бутлерова лежат представления о том, что свойства веществ определяются не только их составом, но и последовательностью соединения атомов в молекуле.

Молекулы различных веществ могут иметь одинаковый состав, но разную последовательность соединения атомов в молекуле.

Углероды

Простейшими но составу органическими соединениями являются углеводороды. Молекулы углеводородов состоят только из двух элементов: углерода и водорода. Простейшим углеводородом является метан. Молекулярная формула метана — . Молекулярная формула отражает только состав молекулы метана. Рассмотрим строение молекулы метана.

Структурные формулы простейших углеводородов. Алканы. Изомерия алканов

Атом углерода имеет четыре валентных электрона, атом водорода -один. Эго можно наглядно отобразить при помощи электронных формул:

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

При этом атомы приобретают завершённые внешние электронные оболочки, углерод — восьмиэлектронную, водород — двухэлектронную.

Приведённая электронная формула отражает строение молекулы метана в которой центральный атом углерода связан с четырьмя атомами водорода посредством четырёх общих электронных пар (четырёх ковалентных связей). На практике при отображении строения молекул органических веществ удобнее пользоваться структурными формулами. Структурная формула метана:

Структурные формулы, в отличие от молекулярных, отражают не только состав, но и последовательность соединения атомов в молекуле.

Метан представляет собой бесцветный горючий газ без запаха, нерастворимый в воде. Температура кипения метана очень низка и составляет -162 °С. Метан является основным компонентом природного газа. Кроме этого, он встречается в месторождениях каменного угля, и его внезапные выбросы бывают причиной пожаров в угольных шахтах. Отсюда происходит название метана «рудничный газ». Выделения метана наблюдаются на торфяных болотах, этим обусловлено ещё одно его название — «болотный газ».

Составим структурную формулу следующего углеводорода — этана. Молекула этана содержит два атома углерода, соединенных одинарной связью. Учитывая, что углерод в органических веществах четырёхвалентен, легко составить электронную и структурную формулы молекулы этана: Молекулярная формула этана — . Этан, как и метан, бесцветный горючий, нерастворимый в воде газ, имеющий температуру кипения -89 °С. Этан встречается в природе в составе природного газа.

В органической химии обычно пользуются структурными, а не молекулярными формулами веществ. Для того чтобы структурные формулы не были слишком громоздкими, отдельные связи С — Н в них, как правило, не указывают. В этом случае структурная формула этана будет выглядеть гораздо компактнее:

Следующий углеводород — пропан. Молекула пропана содержит цепь из трёх атомов углерода, соединённых одинарными связями. Структурные формулы молекулы пропана:

Подсчитав число атомов углерода и водорода в структурной формуле пропана, можно записать его молекулярную формулу — . Пропан гак же, как метан и этан, является бесцветным горючим газом, входит в состав природного газа.

Из четырёх атомов углерода можно построить два вида цепей: нормальную (неразветвлённую) и разветвлённую. Структурные формулы соответствующих углеводородов:

Напомним, что для обозначения углеводородов, имеющих неразветвлённую (нормальную) цепь, в начале названия ставят букву «н» (§ 5).

Как вы уже знаете из § 5, н-бутан и изобутан являются изомерами. Молекулы этих веществ имеют одинаковый качественный и количественный состав (молекулярная формула ), но разное строение.

Изомерные н-бутан и изобутан при нормальных условиях — бесцветные газы без запаха, присутствуют в природном газе. Смесями пропана и изомерных бута-нов, выделенными из природного газа, заполняют газовые баллоны, использующиеся в быту (рис. 6.1).

Из пяти атомов углерода, соединённых одинарными связями, можно построить молекулы трёх углеводородов:

Состав всех трёх углеводородов одинаков и соответствует молекулярной формуле . То есть приведённые углеводороды являются изомерами.

Очевидно, что для углеводородов с большим числом атомов углерода в молекуле число изомеров будет значительным. Так, например, изомерных углеводородов состава насчитывается более 300 000, а число возможных изомерных веществ состава составляет более чем .

Явление изомерии во многом обусловливает многообразие органических соединений, делает органическую химию поистине неисчерпаемой.

Мы рассмотрели строение углеводородов, в которых атомы углерода связаны между собой только одинарными связями, остальные связи углерод образует с атомами водорода. Состав таких углеводородов описывается молекулярными формулами и т. д. Легко видеть, что для этих углеводородов можно предложить общую формулу:

Все углеводороды нециклического строения, в молекулах которых имеются лишь одинарные связи, будут соответствовать данной общей формуле. Такие углеводороды называются алканами.

Атом углерода, связанный в углеродной цепи только с одним атомом углерода, называется первичным. Первичные атомы углерода являются концевыми элементами углеродной цепи. В молекуле этана оба атома углерода первичные.

Вторичный атом углерода связан с двумя атомами углерода. В молекуле пропана первый и третий атомы углерода являются первичными, второй атом — вторичным.

Третичный атом углерода связан с тремя атомами углерода; четвертичный — с четырьмя атомами углерода. Третичные и четвертичные атомы углерода являются точками разветвления углеродной цепи. Такие атомы углерода имеются в молекулах изопентана и неопентана (укажите их самостоятельно).

Углеводороды нециклического строения, в молекулах которых имеются только одинарные связи, называются алканами.

Общая формула алканов

Существуют два изомерных алкана состава и три изомерных алкана состава .

Пространственное строение молекул алканов

Пространственное строение молекул алканов.-Гибридизация

В предыдущем параграфе мы рассмотрели структурные формулы некоторых алканов. Структурные формулы отражают не только состав, но и последовательность соединения атомов в молекуле. В то же время структурные формулы могут не показывать пространственного строения молекулы.

Например, структурную формулу метана часто изображают следующим образом:

Экспериментально установлено, что молекула метана не является плоской, а имеет форму правильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах — атомы водорода:

Рис. 7.1. Пространственное строение молекулы метана

Угол между связями (валентный угол) в молекуле метана равен 109°28'.

В структурной формуле метана связи часто изображают иод углом 90°. Возможны и другие варианты, например: Все эти варианты структурных формул являются правильными, так как верно отображают последовательность соединения атомов в молекуле.

Рассмотрим строение молекулы метана более подробно. Образование связей в молекулах происходит в результате перекрывания атомных орбиталей. Строение электронной оболочки атома углерода в возбуждённом состоянии показывает электронно-графическая схема: В возбуждённом состоянии у атома углерода имеется один электрон на s-орбитали и три электрона на р-орбиталях. При образовании ковалентных связей с атомами водорода возможны два способа перекрывания электронных облаков (рис. 7.2 и 7.3).

Связь, образованная в результате перекрывания 2s-орбитали атома углерода и ls-орбитали атома водорода (рис. 7.2), должна отличаться от трёх других связей, которые образуются в результате перекрывания 2р-орбиталей атома углерода и 1s-орбитали атома водорода (рис. 7.3). В действительности все четыре связи в молекуле метана совершенно одинаковы. Для объяснения этого факта используются представления о гибридизации атомных орбиталей.

При образовании ковалентных связей в молекуле метана четыре валентные орбитали атома углерода смешиваются и образуют четыре орбитали одинаковой формы (гибридные орбитали):

Рассмотрим, как располагаются четыре гибридные орбитали атома углерода в пространстве. Электронные облака имеют отрицательный заряд, следовательно, гибридные орбитали должны располагаться таким образом, чтобы электростатическое отталкивание одноименно заряженных электронов было наименьшим. Данному условию отвечает расположение гибридных орбиталей под углом 109°28' (рис. 7.5):

Эти выводы подтверждаются результатами исследования с помощью физико-химических методов. Действительно, молекула метана имеет тераэ-дрическую форму, угол между связями С — II составляет 109°28' (рис. 7.6).

Из схемы перекрывания электронных облаков в молекуле метана видно, что гибридные электронные облака атома углерода вытянуты к атомам водорода. Такие облака могут сильнее перекрываться с электронными облаками атомов водорода и, следовательно, образовывать более прочные связи.

В -гибридизации участвуют четыре орбитали атома углерода — одна s- и три р-орбитали. -Гибридные орбитали располагаются в пространстве под углом 109°28'. Молекулы других алканов так же, как и молекула метана, построены из -гибридизованных атомов углерода. Каждый -гибридизованный атом углерода образует четыре ковалентные связи. Угол между этими связями приблизительно равен 109° (рис. 7.7).

Пространственное строение молекул органических соединений можно наглядно отобразить с помощью шаростержневых моделей.

Моделями атомов углерода являются шарики серого цвета с четырьмя отверстиями; моделями атомов водорода — шарики белого цвета с одним отверстием. Модели ковалентных химических связей — пластмассовые стержни. На рисунке 7.8 показаны шаростержневые модели молекул метана, пропана и н-бутана.

Рис. 7.8. Шаростержневые модели молекул метана, пропана и н-бутана Видно, что атомы углерода в молекулах пропана и н-бутана не лежат на одной прямой. Например, углеродная цепь молекулы н-бутана имеет форму ломаной линии. Это объясняется тем, что угол между связями С — С — С в молекулах алканов приблизительно равен 109°.

Для изображения структуры алканов и других органических веществ часто используют формулы, в которых вообще не указываются химические символы углерода и водорода. Формулы алканов в этом случае представляют собой ломаные линии, отображающие углеродный скелет молекулы. Такие формулы называются скелетными формулами. Очевидно, что скелетные формулы можно записывать для алканов, начиная с этана, при этом формула этана имеет вид чёрточки, а формула пропана представляет собой ломаную линию, состоящую из двух прямых, и т. д.:

Скелетные формулы органических соединений широко используются, наряду с обычными структурными формулами. Преимущество данных формул — компактность и быстрота написания. Кроме этого, скелетные формулы, в отличие от структурных формул, дают представление о пространственном строении молекул органических соединений. Молекулы алканов построены из -гибридизованных атомов углерода.

Каждый -гибридизованный атом углерода образует четыре ковалентные связи. Угол между этими связями приблизительно равен 109°.

Углеродная цепь молекул алканов имеет форму ломаной линии.

Гомологический ряд и физические свойства алканов

Из материала предыдущих параграфов вы познакомились с органическими соединениями, относящимися к классу алканов. Алканы называют также предельными углеводородами. Название предельные углеводороды обусловлено тем, что молекулы алканов содержат предельно возможное число атомов водорода.

Атомы углерода в молекулах алканов соединены только одинарными связями. Такие вещества называют насыщенными. В отличие от насыщенных углеводородов, в молекулах ненасыщенных соединений имеются атомы углерода, связанные двойными или тройными связями. Примеры ненасыщенных углеводородов: Ненасыщенные углеводороды будем изучать позднее, пока сосредоточим внимание на насыщенных углеводородах — алканах.

Мы пока познакомились лишь с несколькими представителями алканов, однако очевидно, что соединений этого класса может быть огромное число, как за счёт возможности образования углеродных цепей различной длины, так и за счёт изомерии. Состав всех алканов описывается общей формулой

Легко видеть, что состав молекулы этана отличается от состава молекулы метана на один атом углерода и два атома водорода — . Такую же разницу в составе имеют молекулы пропана и этана, н-бутана и пропана:

В то же время состав н-бутана и этана различается на две группы Таким образом, молекулы алканов по составу отличаются друг от друга на одну или несколько групп При этом молекулы алканов имеют сходное строение: связи между атомами углерода одинарные, остальные связи углерод образует с водородом. Поэтому разные алканы имеют похожие химические свойства.

Вещества, сходные по строению и химическим свойствам и отличающиеся по составу молекул на одну или несколько групп называются гомологами и образуют гомологический ряд.

Например, метан, этан и пропан являются гомологами.

Понятие «гомологический ряд» является важным в органической химии. По причине огромного множества органических соединений, изучение химических свойств каждого органического вещества не представляется возможным, поэтому сходные но строению вещества объединяют в гомологические ряды и изучают общие свойства представителей данного гомологического ряда. Мы не будем рассматривать отдельно химические свойства метана, затем свойства этана и т. д. Вместо этого изучим свойства, присущие всем алканам.

Рассмотрим физические свойства алканов. В таблице 8.1 приведены температуры кипения неразветвлённых алканов, молекулы которых содержат от одного до десяти атомов углерода. Таблица 8.1. Температуры кипения неразветвлённых алканов

Из данных таблицы видно, что температуры кипения метана, этана, пропана и н-бутана ниже О °С, следовательно, эти вещества при нормальных условиях должны быть газообразными. Действительно, метан, этан, пропан и н-бутан при комнатной температуре являются бесцветными газами. Алканы с большим числом атомов углерода в молекуле (от 5 до 15) представляют собой жидкости со специфическим запахом. Эти алканы входят в состав бензина, керосина, многих растворителей. Алканы с ещё большим числом атомов углерода в молекуле (от 16 и более) представляют собой твёрдые вещества. Они хорошо знакомы вам — из твёрдых алканов изготавливают парафиновые свечи. Название парафины (от лат. рагит — мало и affinis -имеющий сродство) — ещё одно название алканов. Это название указывает на низкую химическую активность алканов, химические свойства которых будут рассмотрены в дальнейшем.

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

Жидкие и твёрдые алканы имеют плотность менее 1 г/см3, то есть меньше плотности воды. Если поместить в химический стакан воду, а затем до- бавить пентан, то полученная смесь разделится на два слоя, причём пентан соберётся в верхней части, а снизу будет вода (рис. 8.1).

Такой же эффект наблюдается при попадании нефти в воду. При этом на поверхности воды образуется плёнка из нефти, что наносит огромный ущерб живым организмам. Поэтому аварии, связанные с разливом нефти, особенно опасны для окружающей среды.

Углеводороды, в молекулах которых атомы углерода соединены только одинарными связями, называются насыщенными.

Алканы являются насыщенными углеводородами.

Алканы называют также предельными углеводородами, поскольку молекулы алканов содержат предельно возможное число атомов водорода.

Молекулы алканов имеют сходное строение и по составу отличаются друг от друга на одну или несколько групп .

Вещества, сходные по строению и химическим свойствам, отличающиеся по составу молекул на одну или несколько групп , называются гомологами и образуют гомологический ряд.

В гомологическом ряду алканов по мере увеличения числа атомов углерода в молекуле растут температуры кипения.

Алканы не растворяются в воде, но растворяются в органических растворителях.

Номенклатура алканов

В молекулах органических веществ атомы углерода, соединённые посредством ковалентных связей, могут образовывать линейные, разветвлённые и циклические структуры. Этим объясняется многообразие органических соединений, число которых намного больше, чем число известных неорганических веществ.

Многие органические вещества имеют одинаковый состав, но разное строение молекул. Вы уже знаете, что такие вещества называются изомерами. В случае алканов явление изомерии проявляется, начиная с четвёртого представителя гомологического ряда — бутана для которого существует два изомера. Пентан имеет три изомера:

Понятно, что название пентан является недостаточным, поскольку оно не показывает, о каком изомере (н-пенгане, изопентане или неопентане) идёт речь.

Для алканов с большим числом атомов углерода в молекуле число изомеров огромно. Например, возможно существование 36 797 588 изомерных алканов состава это почти сорок миллионов веществ! Возникает вопрос: как называть эти вещества? Для решения этой проблемы были разработаны правила составления названий органических соединений (номенклатура). В настоящее время наиболее широко используется номенклатура ИЮПАК (— International Union of Pure and Applied Chemistry).

Рассмотрим основные принципы номенклатуры органических соединений на примере алканов.

Углеродная цепь в молекулах алканов может иметь линейное и разветвлённое строение. Сначала рассмотрим названия неразвегвлённых (нормальных) алканов (табл. 9.1).

Таблица 9.1. Формулы и названия неразветвлённых алканов

Названия первых четырёх представителей гомологического ряда алканов — метана, этана, пропана, бутана — являются исторически сложившимися (тривиальными). Названия последующих алканов состоят из греческого числительного, обозначающего число атомов углерода в молекуле алкана, и суффикса -ан. Обратите внимание, что, начиная с бутана, в начале названия ставят букву «н». Это объясняется тем, что у бутана и последующих алканов имеются изомеры. Буква «н» в начале названия обозначает углеводород с неразветвлённой (нормальной) углеродной цепью.

Составить название разветвлённого алкана несколько сложнее. Будем руководствоваться очевидным принципом: если объект невозможно назвать целиком, разделим его на части и будем называть по частям. При этом логично представить молекулу разветвлённого строения как подобие дерева, имеющего ствол, к которому в определённых местах прикреплены веточки (рис. 9.2). В роли ствола — выступает самая длинная углеродная цепь, такую цепь называют главной цепью. «Веточки», соединённые со «стволом», представляют собой группы атомов и т. д. Такие группы называются алкильными радикалами, или алкильными группами.

Алкильный радикал образуется в результате отрыва от молекулы алкана одного атома водорода. Разветвлённый алкан, представленный на рисунке 9.2, можно рассматривать как продукт замещения атомов водорода в неразветвлённом алкане (н-пентане) на алкильные радикалы ( и ). Поэтому алкильные радикалы называют заместителями.

Название алкильного радикала составляют аналогично названию алкана, заменяя суффикс -ан на -ил (табл. 9.2). Таблица 92. Формулы и названия алкильных радикалов

Перед построением названия атомы углерода в главной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе разветвление:

В названии алкильные заместители перечисляют в алфавитном порядке, указывая цифрами положение каждого заместителя в главной цепи. В соответствии с приведёнными правилами название данного алкана 2-метил-3-этилпентан. Рассмотрим подробнее принципы построения названий алканов на конкретных примерах.

Пример №16

Назовём простейший алкан разветвлённого строения:

Главная цепь данной молекулы состоит из трёх атомов углерода. Алкан с таким числом атомов углерода называется пропан. К этой цепи в положении 2 присоединена метильная группа .

Название вещества 2-метилиронан.

Пример №17

Составим название одного из изомеров пентана:

Находим в структурной формуле самую длинную углеродную цепь. Атомы углерода этой цепи нумеруем, начиная с того конца, к которому ближе разветвление:

Как видно, главная цепь содержит четыре атома углерода. Алкан с четырьмя атомами углерода в молекуле — бутан. К атому углерода под номером 2 главной цепи присоединена метильная группа . Следовательно, углеводород будет называться 2-метилбутан.

Пример №18

Составим название одного из изомеров гептана:

Главная цепь содержит пять атомов углерода. Алкан с пятью атомами углерода — пентан.

Данный пример интересен тем, что к главной цепи присоединены две метальные группы, они связаны со вторым и третьим атомами углерода. Отметим, что при наличии в молекуле нескольких одинаковых алкильных радикалов, их число обозначается дополнительной приставкой, например: Эмэтил-, тирипропил-, пентаметил- и т. д. Поэтому в названии рассматриваемого алкана, перед названием углеводородного радикала {метил-) необходимо поставить приставку ди-. Название соединения 2,3-диметилнентан.

Пример №19

Решим обратную задачу — напишем структурную формулу алкана по его названию. Название алкана: 2,2,3,5,5-пентаметил-3-этилгептан.

Из названия видно, что главная цепь состоит из семи атомов углерода (гептан), к которой в положениях 2, 3 и 5 присоединены пять метальных групп и в положении 3 — одна этильная группа.

Изображая цепь из семи атомов углерода и присоединяя к ней в соответствующих положениях перечисленные группы, получаем формулу вещества:

Как видно, принципы номенклатуры ИЮПАК позволяют дать названия алканам достаточно сложного строения и написать формулу вещества по его названию.

Для построения названий органических веществ используют номенклатуру ИЮПАК.

При построении названия разветвлённый алкан рассматривают как продукт замещения атомов водорода в неразветвлённом алкане на алкильные радикалы.

Название алкана состоит из названия главной цепи и названий заместителей с указанием их положения.

Химические свойства, получение и применение алканов

Существует огромное число различных алканов. Их многообразие объясняется как возможностью образования углеродных цепей различной длины, так и изомерией. В связи с этим изучать химические свойства каждого алкана отдельно не представляется возможным. В то же время молекулы различных алканов имеют сходное строение: атомы углерода соединены между собой и атомами водорода одинарными ковалентными связями. Учитывая это, можно ожидать, что химические свойства различных алканов будут во многом сходными.

Все алканы характеризуются низкой химической активностью. Они не взаимодействуют с растворами кислот, оснований, солей. На них не действует такой сильный окислитель, как и такие сильные восстановители, как щелочные металлы. Вы знаете, что щелочные металлы очень активны и реагируют практически со всеми веществами, с которыми соприкасаются, в том числе легко окисляются кислородом воздуха. Чтобы уберечь щелочные металлы от окисления, их хранят под слоем керосина — смеси, состоящей в основном из насыщенных углеводородов. При этом алканы, входящие в состав керосина, не реагируют со щелочными металлами.

Из-за низкой химической активности алканов реакции с их участием протекают в жёстких условиях (при нагревании или облучении ультрафиолетовым излучением).

Мы изучим реакции алканов с галогенами () и кислородом (), а также превращения, которые они претерпевают при нагревании.

Галогенирование. Взаимодействие с галогенами

Взаимодействие алканов с галогенами — хлором и бромом — протекает при нагревании или облучении ультрафиолетовым излучением.

Если смесью газообразных метана и хлора заполнить стеклянный сосуд и поместить его в тёмное место, реакция протекать не будет. Однако при нагревании смеси или облучении её ультрафиолетовым излучением протекает химическая реакция замещения атомов водорода в молекуле метана на атомы хлора:

В уравнениях реакций, протекающих при облучении, над стрелкой записывают буквы hv. Данная реакция называется реакцией галогенирования и относится к реакциям замещения.

Если только один атом водорода в молекуле замещается на атом галогена, то реакцию называют моногалогенирование. Приведённая выше реакция является реакцией монохлорирования метана. В избытке хлора оставшиеся три атома водорода молекулы метана могут последовательно замещаться на галоген:

Приведём уравнения реакций всех четырёх стадий хлорирования метана с использованием молекулярных формул:

Рассмотрим реакции монохлорирования гомологов метана.

Монохлорирование этана

Для этана уравнение реакции следующее:

Отметим, что в названии «хлорэтан» нет необходимости указывать цифрой положение атома хлора. Это связано с тем, что при замещении любого атома водорода в молекуле этана на атом хлора образуется одно и то же вещество:

Таким образом, при монохлорировании этана так же, как и в случае метана, получается только одно органическое вещество — хлорэтан.

Монохлорирование пропана

При монохлорировании пропана образуется смесь двух органических веществ:

В случае I происходит замещение на галоген атома водорода при первом атоме углерода, продукт реакции 1-хлорпропан. В случае II замещается атом водорода при втором атоме углерода, продуктом реакции является 2-хлорпропан. Обратите внимание на то, что при построении названий нумерацию атомов углерода начинают с того конца углеродной цепи, к которому ближе расположен атом хлора.

В результате реакции монохлорирования пропана образуются два продукта: 1-хлорпропан и 2-хлорпропан, имеющие одинаковые молекулярные формулы . Это неудивительно, ведь 1-хлорпропан и 2-хлорпропан -изомеры.

Если мы запишем уравнение реакции монохлорирования пропана с использованием молекулярных формул, оно будет выглядеть следующим образом:

Уравнение реакции, записанное в таком виде, не только не позволяет определить, какой именно продукт (1-хлорпропан или 2-хлорпропан) имеется в виду, но и приводит к распространённому заблуждению, что при моохлорировании пропана образуется только один органический продукт -, хотя на самом деле их два. Поэтому в органической химии при записи уравнений реакций обычно используют структурные, а не молекулярные формулы веществ.

В результате хлорирования алканов происходит замещение одного или нескольких атомов водорода в молекуле алкана на атомы галогена. Поэтому получающиеся органические вещества называют галогенпроизводными алканов.

Пример №20

Замещение двух атомов водорода хлором в молекуле этана.

Реакция протекает в два этапа.

а) Первая стадия хлорирования этана. На первой стадии происходит замещение одного атома водорода. При этом образуется только одно органическое вещество — хлорэган:

б) Вторая стадия хлорирования этана. На данной стадии происходит взаимодействие молекулы хлора с молекулой хлорэтана, образовавшегося на первой стадии. Очевидно, что при этом могут образоваться два органических вещества:

Действительно, в результате хлорирования этана можно получить смесь двух дихлорпроизводных.

Алканы вступают в реакции замещения также с бромом. Например:

В заключение ещё раз обратим внимание, что реакции алканов с хлором и бромом протекают в жёстких условиях: при облучении или нагревании.

В реакциях галогенирования атомы водорода в молекуле алкана замещаются на атомы галогена, при этом углеродная цепь молекулы сохраняется. В других реакциях алканов их углеродный скелет изменяется или полностью разрушается. Рассмотрим такие реакции.

Пиролиз

При сильном нагревании алканов в их молекулах происходит разрыв связей С — С и С — H. В результате молекулы алканов могут быть полностью разрушены с образованием углерода и водорода. Разложение веществ при высоких температурах называют пиролизом (от греч. пиро -огонь, жар и лизис — разложение, распад). Например:

Общая схема реакции пиролиза алканов (n — число атомов углерода в молекуле алкана):

Эту реакцию используют в промышленности для получения сажи и водорода.

Изомеризация

Ещё 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 разветвлённого строения, например реакция изомеризации н-бутана:

Горение. Взаимодействие с кислородом

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. Смесью пропана и изомерных бутанов наполняют газовые баллоны. Уравнения реакций горения этих алканов:

Последующие члены гомологического ряда алканов также горят при поджигании. Можно записать общее уравнение реакции горения:

Видно, что при горении атомы водорода из молекулы алкана переходят в молекулы воды, а атомы углерода — в молекулы углекислого газа. Если горение алкана происходит в условиях недостатка кислорода, то, наряду с углекислым газом (), может образоваться угарный газ (СО) или углерод (С) в виде сажи:

Отметим, что свойство гореть в кислороде присуще почти всем органическим соединениям. Поскольку все органические вещества содержат углерод, то при их горении могут образовываться оксиды углерода и сажа.

Образование угарного газа (СО) при неполном сгорании органического вещества смертельно опасно из-за высокой токсичности СО. Отравление угарным газом может произойти при неправильной эксплуатации печей и каминов.

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 входят в состав природного газа и нефти, поэтому основной метод их получения — выделение из природных источников (природного газа и нефти).

Вместе с тем, алканы могут быть получены из других органических веществ. Эти реакции мы будем рассматривать по мере дальнейшего изучения органической химии.

При горении алканов выделяется большое количество теплоты. В связи с этим, алканы используются в качестве топлива. Мы уже говорили, что метан является основным компонентом природного газа. Смесью пропана и изомерных бутанов заполняют газовые баллоны. Жидкие алканы входят в состав бензина и дизельного топлива.

Другим направлением использования алканов является получение из них различных веществ. То есть алканы применяются в качестве сырья в химической промышленности. Взаимодействием метана с водяным паром получают водород:

Этот процесс называют конверсией метана. Образующаяся смесь водорода и оксида углерода(II) называется синтез-газом. Из водорода, выделенного из синтез-газа, и азота воздуха получают аммиак. Эти процессы осуществляют в больших масштабах на предприятии ОАО «Гродно Азот».

Из алканов получают углеводороды с двойными и тройными связями (ненасыщенные углеводороды). Эти углеводороды являются химически более активными, и из них синтезируют множество полезных органических веществ. Способы получения и свойства ненасыщенных углеводородов рассмотрим в следующих параграфах.

Молекулы различных алканов имеют сходное строение, поэтому алканы обладают сходными химическими свойствами.

Алканы при повышенной температуре или облучении вступают в реакции замещения с галогенами (хлором и бромом), в результате которых углеродный скелет молекулы алкана сохраняется, а атомы водорода замещаются атомами галогенов.

При сильном нагревании алканов в их молекулах происходит разрыв связей С — С и С — Н. В результате молекулы алканов могут быть полностью разрушены с образованием углерода и водорода (пиролиз).

Нагревая алканы неразветвлённого строения в присутствии катализатора, можно получить разветвлённые алканы (изомеризация).

Алканы сгорают в кислороде. В результате реакции могут образовываться

Алканы содержатся в природном газе и нефти.

Алканы в основном используются в качестве топлива, а также для получения других веществ (водород, ненасыщенные углеводороды).

Установление формулы органического вещества

Установление строения химического соединения является предметом научного исследования. Сложность данной проблемы зависит от сложности строения соединения. Первым этапом исследования, как правило, является определение молекулярной формулы вещества. Рассмотрим некоторые способы установления формул органических веществ на достаточно простых примерах.

Пример №21

Более двух столетий назад химики уже умели определять качественный и количественный состав веществ. Например, было известно, что в состав одного из органических веществ входят углерод и водород, причём массовая доля углерода составляет 75 %, а водорода — 25 %. То есть в 100 г вещества содержится 75 г углерода и 25 г водорода. Используя эти данные, определите формулу органического вещества.

Поскольку неизвестное органическое вещество состоит только из углерода и водорода, то его молекулярную формулу можно представить в виде . Таким образом, решение задачи сводится к нахождению индексов х и у в формуле вещества. Индексы x и у в формуле показывают количества атомов углерода и водорода в молекуле органического вещества, поэтому на первом этапе решения подобных задач необходимо найти простейшее целочисленное соотношение между количеством атомов углерода и водорода в неизвестном веществе:

По условию, масса атомов углерода равна 75 г, водорода — 25 г. Тогда: Точность промежуточных вычислений должна соответствовать точности исходных данных, то есть промежуточные значения должны содержать не меньше значащих цифр, чем данные задачи.

Видно, что полученное соотношение не является целочисленным. Чтобы получить целочисленные значения индексов х и у, выполняют следующие действия: сначала все числа полученного соотношения делят на наименьшее (в одном случае уже будет единица), и при необходимости умножают полученные числа на натуральное число (2, 3 и т. д.) для получения целочисленного соотношения:

Тогда формула соединения — . Это вещество нам хорошо известно, оно называется метан.

Ответ: .

Пример №22

Некоторое органическое вещество состоит из углерода и водорода. Массовая доля углерода в веществе составляет 82,8 %. Установите молекулярную формулу вещества.

Поскольку неизвестное органическое вещество состоит только из углерода и водорода, го его формула —. В условии задачи даны массовые доли элементов в веществе. В таких случаях при решении задачи удобно рассмотреть определённую массу вещества, которую обычно принимают равной 100 г. В этом случае массовые доли элементов будут совпадать по величине с их массами. Тогда простейшее целочисленное соотношение индексов в формуле вещества:

Следовательно, простейшая формула органического вещества — . Устойчивого органического вещества с такой формулой не существует. Действительно, формула соответствует этильному радикалу. Чтобы определить истинную формулу органического вещества, будем учитывать, что удвоение, утроение и т. д. индексов в формуле не изменяет соотношение между ними. Удвоив индексы в простейшей формуле , получим формулу . Эта формула соответствует углеводороду бутану. Таким образом, истинная формула вещества — .

Ответ: .

В рассмотренных примерах для определения формулы органического вещества нам было достаточно знать лишь массовые доли элементов в веществе. В то же время, в некоторых случаях, зная лишь массовые доли элементов в веществе, можно определить только простейшую, но не истинную формулу. В таких случаях для установления истинной формулы необходимы дополнительные данные. Как правило, это сведения о молярной массе соединения.

Пример №23

Молярная масса углеводорода равна 42 г/моль. Массовая доля углерода в углеводороде составляет 85,7 %. Установите молекулярную формулу углеводорода.

Формула углеводорода — Найдём простейшее целочисленное соотношение индексов в формуле вещества:

Следовательно, простейшая формула углеводорода — Удвоив индексы в простейшей формуле получим формулу . Эта формула соответствует углеводороду этилену. Если утроить индексы в простейшей формуле СН2, то получится формула Данная формула соответствует углеводороду пропилену. То есть, найденному соотношению индексов соответствует множество веществ, поэтому в данном случае, используя лишь массовые доли элементов, невозможно установить истинную формулу вещества.

Для установления истинной формулы сравним молярную массу углеводорода с молярной массой простейшей формулы

Следовательно, чтобы получить истинную формулу, необходимо увеличить индексы в простейшей формуле в 3 раза. Тогда истинная формула углеводорода — .

Ответ: .

В составе органических соединений, наряду с углеродом и водородом, часто присутствует кислород. Выведем молекулярную формулу кислородсодержащего соединения.

Пример №24

Установите простейшую формулу вещества, содержащего 37,50 % углерода, 12,50 % водорода и 50,00 % кислорода (по массе).

Простейшее целочисленное соотношение индексов в формуле вещества: Простейшая формула вещества . Этой молекулярной формуле соответствует метиловый спирт

Ответ:

В рассмотренных примерах для установления формул мы использовали сведения о массовых долях элементов в веществе. Формулу органического вещества можно вывести также на основании данных эксперимента но сжиганию определённой массы органического вещества.

Пример №25

В результате сжигания 1,50 г органического вещества получено 2,20 г углекислого газа и 0,90 г воды. Молярная масса вещества равна 60 г/моль. Установите формулу вещества.

Поскольку при сжигании вещества образовались только углекислый газ и вода, то в состав вещества могли входить лишь атомы углерода, водорода и кислорода. Тогда формула вещества — Соотношение индексов в формуле будем находить из условия:

Составим схему реакции:

Из схемы реакции видно, что углерод из органического вещества переходит в , водород — в . Таким образом количества углерода и водорода в и будут такими же, как в органическом веществе.

Найдём количество углерода в

В молекуле воды содержится два атома водорода, следовательно, количество (моль) водорода в два раза больше количества воды:

Определим количество (моль) атомов кислорода в веществе. Для этого рассчитаем массы углерода и водорода в данной порции вещества:

Рассчитаем массу и количество кислорода в веществе:

Простейшее целочисленное соотношение индексов в формуле вещества:

Таким образом, простейшая формула органического вещества —.

Для установления истинной формулы сравним молярную массу вещества с молярной массой простейшей формулы :

Следовательно, чтобы получить истинную формулу, необходимо увеличить индексы в простейшей формуле в два раза. Тогда истинная формула вещества — . Одним из веществ, имеющих такую молекулярную формулу, является уксусная кислота

Ответ: .

Обобщим вышеизложенное. Зная количества (моль) элементов в веществе можно установить простейшую формулу вещества. Для вывода истинной формулы зачастую необходимы дополнительные данные, например сведения о молярной массе вещества. Вывод формулы органического вещества обычно состоит из следующих этапов:

а) вычисление количества (моль) элементов в веществе;

б) определение простейшего целочисленного соотношения между вычисленными количествами элементов — установление простейшей формулы вещества;

в) установление истинной формулы вещества.

Для установления простейшей формулы достаточно знать количества (моль) элементов в веществе.

Для определения истинной формулы часто требуются дополнительные данные, например сведения о молярной массе вещества.

Алкены. Строение молекул

Атомы углерода могут быть связаны между собой не только одинарными, но и двойными связями. Простейшим углеводородом, содержащим двойную связь, является этилен Рассмотрим строение его молекул ы.

Как и в случае алканов, углерод в молекуле этилена четырёхвалентен. Образование четырёх связей происходит за счёт четырёх атомных орбиталей: Напомним, что в молекулах изученных нами алканов каждый атом углерода находится в состоянии -гибридизации (§ 7). То есть одна s- и три р-орбитали атома углерода смешиваются, образуя четыре одинаковые по форме -гибридные орбитали. Эти орбитали располагаются в пространстве на максимальном удалении друг от друга под углом примерно 109°.

Двойная связь в молекуле этилена образуется между атомами углерода, находящимися в состоянии -гибридизации. В -гибридизации принимают участие: одна s- и две р-орбигали (рис. 12.1).

Три -гибридные орбитали располагаются на максимальном удалении друг от друга. Эго достигается, если они находятся в одной плоскости под углом 120° (рис. 12.2).

Одна р-орбиталь атома углерода (рис. 12.3, синего цвета) сохраняет свою первоначальную форму и располагается перпендикулярно плоскости, в которой лежат три -гибридные орбитали.

За счёт перекрывания гибридных орбиталей каждый атом углерода образует три связи — одну с соседним атомом углерода и две — с атомами водорода (рис. 12.4).

Как видно из рисунка 12.4, при образовании этих связей электронные облака перекрываются вдоль линии, соединяющей ядра атомов. Такие связи называются -связями (сигма-связями). Вторая связь между атомами углерода в молекуле этилена образуется за счёт бокового перекрывания негибридных р-орбиталей (рис. 12.5).

Такая связь называется -связъю.

Таким образом, атомы углерода в молекуле этилена связаны двойной связью, одна из которых -связь, а другая — -связь.

Все одинарные связи являются -связями. Двойная связь состоит из одной - и одной -связи. Всего в молекуле этилена имеется пять -связей и одна -связь:

Так как -связь образуется за счёт слабого бокового перекрывания орбиталей, она менее прочная, чем -связь, которая образована за счёт перекрывания орбиталей, вытянутых навстречу друг другу. Тем не менее, атомы углерода, связанные двойной связью, сильнее сближаются друг с другом.

В молекуле этилена расстояние между атомами углерода равно 0,134 нм, что заметно меньше, чем в молекуле этана (0,154 нм).

Строение молекулы этилена может быть отображено с помощью шаростержневой модели (рис. 12.7).

Молекула этилена плоская, валентные углы примерно равны 120°. В плоскости молекулы располагается система -связей, а -связь образуется в результате перекрывания электронных облаков над и под плоскостью молекулы (рис. 12.6).

Как вы уже знаете (§ 7), в молекулах алканов легко происходит вращение вокруг одинарных связей С — С. Вокруг двойной связи подобное вращение невозможно, гак как оно приведёт к тому, что электронные облака -связи разомкнутся, -связь при этом разрушится:

Этилен является простейшим представителем алкенов — нециклических углеводородов, молекулы которых содержат одну двойную связь.

Ближайший гомолог этилена — пропилен Молекулярная формула пропилена 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 — Углеводороды нециклического строения, в молекулах которых имеется одна двойная связь, называются алкенами.

Общая формула алкенов

Атомы углерода, образующие двойную связь, находятся в состоянии -гибридизации.

Ковалентная связь, образованная за счёт перекрывания электронных облаков вдоль линии, соединяющей ядра атомов, называется -связь.

Ковалентная связь, образованная за счёт бокового перекрывания негибридных р-орбиталей, называется -связь.

Двойная связь включает одну - и одну -связь. -Связь менее прочная, чем -связь.

Алкены. Структурная изомерия и номенклатура

Структурная изомерия алкенов

Ранее отмечалось, что многообразие органических соединений во многом обусловлено явлением изомерии — возможностью существования соединений одинакового состава, но различного строения. Соединения, имеющие одинаковую молекулярную, но разную структурную формулу, называются структурными изомерами. Рассмотрим структурную изомерию алкенов.

Очевидно, что не существует алкенов, изомерных этилену и пропилену. Аналогичная ситуация наблюдалась и для алканов с числом атомов углерода, равным два и три — у этана и пропана также нет изомеров. Явление изомерии у алканов проявляется, начиная с бутана. Вспомним строение молекул н-бутана и изобутана:

Изомеры бутана имеют разное строение углеродного скелета: у н-бутана линейное, у изобутана — разветвлённое.

Рассмотрим возможное строение алкенов состава С4Н8. Так же, как и для алканов, для алкенов имеет место изомерия углеродного скелета:

Кроме того, у алкенов появляется новый вид структурной изомерии -изомерия положения двойной связи:

Таким образом, существует три изомерных алкена состава . Напишем структурные формулы этих изомеров:

Соединения 1 и 2 являются изомерами положения двойной связи. Соединение 3 является изомером углеродного скелета но отношению к соединениям 1 и 2.

Как видно, возможности изомерии алкенов более широкие, чем алканов. Это объясняется тем, что наряду с изомерией углеродного скелета, для алкенов возможна изомерия положения двойной связи.

Номенклатура алкенов:

В отличие от алканов, в названии алкенов вместо суффикса -ан используется суффикс -ен, обозначающий двойную связь. Атомы углерода главной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе двойная связь. Положение двойной связи указывают номером атома углерода, от которого она начинается.

Этилен в соответствии с правилами номенклатуры называется этен. Пропилен — пропен. Назовём изомерные алкены состава

Рассмотрим более сложный пример. Назовём алкен, структурная формула которого:

Выберем главную цепь соединения. В данном случае выбор не представляет трудностей, это самая длинная горизонтально расположенная цепь, она включает двойную связь. Пронумеруем атомы углерода. Нумерацию начинаем с того конца, к которому ближе двойная связь:

Главная цепь включает шесть атомов углерода, двойная связь начинается со второго атома углерода, поэтому на конце названия будет суффикс -ен с цифрой 2. Положения двух метальных групп при четвёртом и пятом атомах углерода обозначаются, как и в случае алканов, соответствующими номерами. В итоге, название соединения: 4,5-диметилгексен-2.

Возможности изомерии в ряду алкенов шире, чем у алканов, так как кроме изомерии углеродного скелета возможна изомерия положения двойной связи.

Принципы построения названий алкенов похожи на рассмотренные ранее для алканов. Положение двойной связи указывается номером атома углерода главной цепи, с которого начинается С = С связь. Атомы углерода главной цепи нумеруют с того конца, к которому ближе двойная связь.

Пространственная изомерия алкенов

В предыдущем параграфе мы рассмотрели разновидности структурной изомерии алкенов — изомерию положения двойной связи и изомерию углеродного скелета. Кроме структурной изомерии для алкенов возможна пространственная изомерия. Это связано с тем, что молекулы алкенов, даже имея одинаковую последовательность соединения атомов и одинаковое положение двойной связи, могут различаться расположением атомов в пространстве.

Как мы уже знаем, в молекулах алканов легко происходит вращение вокруг одинарных связей углерод-углерод (лаб. опыт 1, с. 43). Благодаря этому углеродная цепь может принимать различные пространственные формы. Например, для молекулы м-бутана:

В одном из учебников по органической химии совокупность молекул алканов сравнили со скоплением непрерывно извивающихся червячков.

Иначе обстоит дело в случае алкенов. Рассмотрим строение молекулы бутена-2:

Атомы углерода, соединённые двойной связью, находятся в состоянии -гибридизации (§ 12), поэтому для молекулы бутена-2 возможны две плоские структуры:

В структуре 1 метильные группы расположены по одну сторону относительно двойной связи, в структуре 2 — по разные стороны. Из-за невозможности вращения вокруг двойной связи структуры 1 и 2 не могут превращаться друг в друга при обычных условиях и поэтому обозначают различные вещества, то есть изомеры.

Если заместители (в данном случае метильные группы) находятся по одну сторону двойной связи:

соответствующий изомер называется цис-изомером.

В случае расположения заместителей по разные стороны двойной связи:

соответствующий изомер называется транс-изомером.

Следовательно, бутен-2 существует в виде двух изомеров, в молекулах которых последовательность соединения атомов и положение двойной связи совершенно одинаковые, но пространственное расположение атомов различается.

Поскольку цис-бутен-2 и транс-бутен-2 являются разными веществами (изомерами), они имеют различные свойства. Температура плавления цис-бутена-2 составляет -138,9 °С, у транс-бутена-2 она более чем на 33 °С выше (-105,5 °С).

Пространственная изомерия возможна только тогда, когда каждый из атомов углерода, соединённых двойной связью, имеет заместитель или два разных заместителя. Если хотя бы один атом углерода, соединённый двойной связью, не имеет заместителей или имеет одинаковые заместители, то пространственная изомерия невозможна:

Структурными изомерами бутена-2 являются бутен-1 и 2-метилпропен. Рассмотрим строение их молекул на предмет возможности существования пространственных изомеров:

Очевидно, что перестановка местами двух атомов водорода группы не изменяет молекулы ни бутена-1, ни 2-метилпропена. Отсюда следует, что среди изомерных бутенов только бутен-2 может существовать в виде пространственных изомеров.

Таким образом, существует четыре изомерных бутена:

Цис-бутен-2 и транс-бутен-2 являются пространственными изомерами. Для алкенов возможна структурная и пространственная изомерия. Пространственные изомеры имеют одинаковую последовательность соединения атомов и одинаковое положение двойной связи, но различаются пространственным расположением атомов в молекуле.

Возникновение пространственной изомерии у алкенов обусловлено невозможностью вращения вокруг двойной связи.

Алкены, имеющие заместители у атомов углерода, связанных двойной связью, могут существовать в виде пространственных цис- и транс-изомеров.

Физические и химические свойства алкенов

Физические свойства:

По физическим свойствам алкены мало отличаются от алканов с тем же числом атомов углерода в молекуле. Так, алкены с числом атомов углерода в молекуле 2—4 при комнатной температуре являются бесцветными газами. Алкены с числом атомов углерода в молекуле от 5 до 17 — жидкости. Алкены с ещё большим числом атомов углерода в молекуле (от 18 и более) представляют собой твёрдые вещества. Температуры кипения некоторых алкенов неразветвлённого строения приведены в таблице 15.1.

Так же, как и алканы, алкены нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.

Плотность алкенов меньше, чем у воды.

Химические свойства:

Благодаря наличию в молекуле л-связи реакционная способность алкенов намного выше, чем у алканов. Напомним, что для алканов характерны реакции замещения. Для алкенов характерными являются реакции присоединения.

Эти реакции сопровождаются разрывом л-связи, так как она менее прочная, чем ст-связь.

В реакции присоединения алкены вступают в более мягких условиях, чем алканы в реакции замещения. Реакции замещения для алкенов нехарактерны.

Реакции присоединения:

1. Галогенирование. Присоединение галогенов

Алкены так же, как и алканы, взаимодействуют с галогенами. Однако в случае алкенов происходит реакция присоединения, а не замещения. Сравним эти реакции.

Бромирование этилена (реакция присоединения):

Бромирование этана (реакция замещения):

Этилен реагирует с водным раствором брома (бромной водой) при обычных условиях, в то время как реакция этана с бромом возможна только в жёстких условиях — при нагревании или ультрафиолетовом облучении

При пропускании этилена через бромную воду протекает реакция присоединения брома по двойной связи. В результате оранжевый раствор брома обесцвечивается.

В молекуле этана нет двойных связей, поэтому при пропускании этана через бромную воду химическая реакция не протекает и раствор брома остаётся оранжевым.

Следовательно, реакция с бромной водой является качественной реакцией на двойную связь.

Подобно этилену, другие алкены легко присоединяют бром, обесцвечивая бромную воду:

2. Гидрирование. Присоединение водорода

Присоединение водорода к органическому веществу называется реакцией гидрирования. При обычных условиях алкены не присоединяют водород. Для протекания реакции необходим катализатор (Pt или Ni).

В результате гидрирования алкенов образуются алканы. В начале данного параграфа приведено уравнение реакции гидрирования этена. Приведём уравнения реакций гидрирования некоторых других алкенов:

Как вы уже знаете, катализатор ускоряет протекание химической реакции, но сам при этом не расходуется. Роль катализатора в реакции гидрирования заключается в том, чтобы ослабить химическую связь в молекуле водорода и, таким образом, активировать эту молекулу для реакции присоединения:

3. Гидрогалогенирование. Присоединение галогеноводородов

Алкены могут вступать в реакции присоединения не только с простыми,

но и со сложными веществами. Например, этилен легко присоединяет бро-моводород:

Реакции присоединения галогеноводородов к органическим веществам называются реакциями гидрогалогенирования. Эти реакции протекают при обычных условиях.

4. Гидратация. Присоединение воды

Гидратацией называется реакция присоединения воды к органическому веществу. При нагревании в присутствии катализатора этилен присоединяет воду. При этом образуется этиловый спирт:

Реакция полимеризации

За счёт раскрытия двойных связей отдельные молекулы этилена могут соединяться друг с другом, образуя длинные цепи. Схематично этот процесс можно изобразить так:

В результате соединения сотен или даже тысяч молекул этилена образуется одна гигантская молекула — полимер. Протекающая реакция называется реакцией полимеризации.

Более кратко процесс полимеризации этилена можно выразить следующим уравнением:

Полимеризоваться могут и другие алкены, в частности пропилен:

Исходное вещество в реакции полимеризации называется мономером, а продукт — полимером. Молекулы полимера также называют макромолекулами.

Число мономерных звеньев в молекуле полимера называется степенью полимеризации. В формуле полимера степень полимеризации обозначают индексом «n».

Полиэтилен и полипропилен нам хорошо знакомы. Из полиэтилена изготавливают полиэтиленовую плёнку, посуду, предметы домашнего обихода и т. д. Полипропилен очень похож на полиэтилен и отличается от него только повышенной прочностью и термостойкостью. Из полипропилена изготавливают плёнку для теплиц, корпуса автомобильных аккумуляторов и многое другое. Со многими полимерами вы познакомитесь далее.

Реакции окисления

1. Горение. Взаимодействие с кислородом

Так же, как и алканы, алкены горят с образованием углекислого газа и воды:

Приведём уравнение реакции горения алкенов в общем виде:

2. Неполное окисление. Реакция с

Окисление алкенов может протекать и без разрушения углеродного скелета. Так, при пропускании этилена через разбавленный водный раствор перманганата калия фиолетового цвета окраска исчезает. Перманганат калия расщепляет -связь в молекуле этилена, при этом -связь между атомами углерода сохраняется. Протекание этой реакции 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 реагентов, под действием которых происходит превращение органического вещества, принято писать над стрелкой. В данном случае это перманганат калия ( и растворитель (вода).

Из схемы видно, что -связь в ходе данной реакции раскрывается, к атомам углерода присоединяются две кислородсодержащие группы —ОН, то есть этилен окисляется. В результате образуется этиленгликоль, представитель многоатомных спиртов.

Написание схем часто оказывается более удобным, чем уравнений, поэтому их широко используют в органической химии.

Так же, как и реакция с бромной водой, реакция с раствором перманганата калия является качественной реакцией на двойную связь. В результате данной реакции наблюдается обесцвечивание фиолетового раствора перманганата калия.

Качественные реакции на двойную связь Характерными для алкенов являются реакции присоединения по двойной связи. При этом происходит расщепление п-связи. Алкены могут присоединять галогены, водород, галогеноводороды, воду.

Реакция полимеризации — это многократно повторяющаяся реакция присоединения. В результате этой реакции образуются гигантские молекулы полимеров, широко применяемых в нашей жизни.

Низкомолекулярное вещество, из которого синтезируют полимер, называется мономером; число мономерных звеньев в макромолекуле полимера называется степенью полимеризации.

Реакции обесцвечивания бромной воды и раствора перманганата калия являются качественными реакциями на двойную связь. 

Получение и применение алкенов:

Алкены являются химически более активными веществами, чем алканы, поэтому в составе природных источников углеводородов (нефти и природном газе) их содержание невелико.

Основная область применения алкенов — получение полимеров посредством реакции полимеризации. Промышленное производство алкенов и полимеров на их основе занимает важное место в экономике многих стран. В нашей стране полиэтилен и полипропилен получают в Новополоцке (ОАО «Нафтан»),

Рассмотрим способы получения этилена и других алкенов.

1. Дегидратация спиртов

Алкены можно получить в результате реакции отщепления воды от спиртов. Реакция отщепления молекулы воды называется реакцией дегидратации (приставка де- означает отщепление).

Этилен образуется в результате реакции дегидратации этилового спирта. Для этого смесь этилового спирта с концентрированной серной кислотой нагревают в пробирке с газоотводной трубкой (см. видео 15.1, с. 85). При этом от молекулы спирта отщепляется молекула воды и образуется этилен. Уравнение реакции:

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

В предыдущем параграфе мы изучали обратную реакцию — присоединение воды к молекуле этилена с образованием этилового спирта. Катализатором и прямой и обратной реакции является серная кислота, но условия

их протекания различны. Для протекания реакции дегидратации требуется более высокая температура и концентрированная (практически не содержащая воды) серная кислота. Для реакции гидратации алкенов используют избыток воды. Напомним, что условия протекания реакции принято указывать над стрелкой в уравнении реакции. Из приведённого примера видно, что в зависимости от условий реакция может протекать в прямом либо в обратном направлении. Поэтому следует обязательно указывать условия протекания химических реакций.

2. Дегидрогалогенирование галогенпроизводных алканов Дегидрогалогенированием называется реакция отщепления галогеноводо-родов от молекул органических веществ. Таким способом можно получить алкены из галогенпроизводных алканов. При действии спиртового раствора щелочи от молекулы галогенпроизводного отщепляется молекула галогено-водорода и образуется алкен:

3. Дегидрирование алканов

Дегидрированием называется реакция отщепления от ор- * Получение алкенов ганического вещества молекулы водорода Два атома водорода отщепляются от двух соседних атомов углерода, при этом образуется алкен. Уравнение реакции дегидрирования этана:

Напомним, что над стрелкой в уравнении принято указывать условия протекания реакции. Большинство органических реакций не могут протекать при обычных условиях, поэтому следует обязательно указывать условия их протекания! Так, реакция дегидрирования алканов протекает при температуре около 500 °С и на катализаторе В предыдущем параграфе

мы изучали обратную реакцию — присоединение водорода к алкенам. Напомним, что эта реакция протекает на платиновом или никелевом катализаторе при 100-200 °С.

Рассмотрим дегидрирование других алканов. В случае пропана реакция протекает согласно уравнению:

В данном случае может получиться только один алкен — пропен. При дегидрировании бутана образуется смесь алкенов:

Алкены получают также в результате переработки нефти. С этой темой вы познакомитесь далее.

Применение алкенов

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

Реакцией гидратации этилена получают этиловый спирт.

В результате присоединения хлора к этилену получают 1,2-дихлорэтан, который применяют в качестве растворителя:

Этилен ускоряет созревание различных плодов (груш, дынь, помидоров и т. д.). С целью лучшего сохранения плоды можно транспортировать неспелыми и доводить их до созревания на месте, вводя в воздух хранилищ этилен.

Кроме этого, алкены применяются для синтеза различных органических веществ.

Яблоки при хранении выделяют этилен, поэтому для ускорения созревания некоторых фруктов, например бананов, в ёмкость, где они хранятся, помещают несколько кусочков яблока. Попробуйте осуществить этот эксперимент дома с зелёными бананами.

В отличие от алканов, содержание алкенов в природных источниках невелико, поэтому их необходимо получать с помощью химических реакций.

Алкены получают дегидратацией спиртов, дегидрогалогенирова-нием галогенпроизводных алканов, дегидрированием алканов.

Алкены используются в качестве мономеров при производстве полимеров и для синтеза различных органических веществ.

Алкадиены

Известны углеводороды с двумя двойными связями в молекуле. Напомним, что наличие двойной связи углерод-углерод обозначается суффиксом -ен, а соответствующий класс соединений называется алкены. Наличие в молекуле двух двойных связей обозначается -диен, а соответствующий класс соединений называется алкадиены.

Выведем общую молекулярную формулу алкадиенов. Напомним, что общая формула алканов Из предыдущего параграфа вы узнали, что молекула алкена образуется в результате отщепления от молекулы алкана двух атомов водорода. Таким образом, образование одной двойной связи приводит к уменьшению содержания водорода в молекуле на два атома, поэтому общая формула алкенов Образование ещё одной двойной связи уменьшит содержание атомов водорода в молекуле ещё на два, следовательно, общая формула алкадиенов

Названия алкадиенов составляются по тем же правилам, как и алкенов, только суффикс -ен заменяется на -диен.

Приведём несколько примеров формул и названий алкадиенов:

Как видно, взаимное расположение двойных связей в молекулах алкадиенов может быть различным.

Наибольший практический интерес представляют алкадиены, в молекулах которых двойные связи разделены одной одинарной связью. Такие алкадиены называются сопряжёнными алкадиенами. Простейшим представителем сопряжённых диенов является бутадиен-1,3:

Это бесцветное газообразное вещество с резким запахом = -4 °С). Рассмотрим его строение подробнее.

Строение бутадиена-1,3

Все четыре атома углерода в молекуле бутадиена-1,3 находятся в состоянии -гибридизации. Три гибридные орбитали каждого атома углерода располагаются в одной плоскости под углами 120°. Соответственно, атомы

в молекуле бутадиена-1,3 также располагаются в одной плоскости, валентные углы примерно равны 120°:

Негибридные р-орбитали каждого атома углерода располагаются перпендикулярно плоскости молекулы. При перекрывании негибридных р-орбиталей образуются -связи:

Из рисунка 17.1, 6 видно, что перекрывание негибридных р-орбиталей происходит между связанными двойными связями атомами углерода С(1)=С(2) и С(3)=С(4). Но, кроме того, в данной молекуле имеется перекрывание р-орбиталей между вторым и третьим атомами углерода. Таким образом, -связи в молекуле бутадиена-1,3 не являются изолированными, они образуют единую сопряжённую систему, охватывающую все четыре атома углерода. Другими словами, -электроны в молекуле бутадиена не принадлежат отдельным связям. В этом случае говорят, что -электроны делокализованы.

Сопряжение приводит к некоторому выравниванию длин двойных и одинарных связей в молекуле бутадиена-1,3.

Из рисунка 17.2 видно, что двойные связи в молекуле бутадиена-1,3 несколько длиннее, чем в молекуле этилена, в то время как связь С(2)—С(3) в молекуле бутадиена-1,3 существенно короче, чем в молекуле этана. Эффект сопряжения оказывает влияние и на химические свойства диенов, о которых пойдёт речь ниже.

Химические свойства сопряжённых алкадиенов

1. Галогенирование. Присоединение галогенов

Так как в молекулах алкадиенов имеются двойные связи, для них, как и для алкенов, характерны реакции присоединения. Алкадиены обесцвечивают бромную воду, присоединяют галогеноводороды, водород и т. д. Однако из-за эффекта сопряжения реакции присоединения здесь имеют свои особенности. Так, в случае присоединения к молекуле бутадиена-1,3 одной молекулы брома могут быть получены два продукта. Один из них образуется в результате присоединения молекулы брома по любой из двойных связей (продукт 1,2-присоединения). В этом случае бутадиен-1,3 ведёт себя подобно алкенам. Другой продукт получается в результате 1,4-присоединения:

Процесс 1,4-присоединения можно схематично представить следующим образом. Атомы брома присоединяются по крайним атомам углерода:

При этом у второго и третьего атомов углерода появляются свободные валентности, за счёт которых образуется я-связь в середине молекулы:

В молекулах продуктов 1,2- и 1,4-присоединения имеется двойная связь, поэтому каждая такая молекула может присоединить ещё одну молекулу брома. При наличии достаточного количества брома образуется вещество, содержащее четыре атома брома в молекуле:

2. Полимеризация

Благодаря наличию двойных связей алкадиены так же, как и алкены, могут вступать в реакцию полимеризации. Полимеризация сопряжённых алкадиенов имеет большое промышленное значение, поскольку на этом процессе основано производство каучуков — полимеров, обладающих высокой эластичностью и имеющих широкое практическое применение.

Кроме синтетических каучуков, получаемых в промышленности по реакции полимеризации сопряжённых диенов, существует натуральный каучук. Натуральный каучук встречается в природе и представляет собой продукт полимеризации 2-метилбутадиена-1,3, или изопрена'.

Натуральный каучук получают из млечного сока некоторых растений, в основном из бразильской гевеи. Для этого на стволах деревьев гевеи делают надрезы. Сок, выделяющийся из надрезов, содержит до 40-50 % растворённого полиизопрена (натурального каучука).

Из-за широкого применения изделий на основе каучука, уже в начале XX века объёмы производства натурального каучука оказались недостаточными, поэтому началась интенсивная разработка методов получения синтетических аналогов. Синтез каучука полимеризацией бутадиена-1,3 в промышленном масштабе впервые в мире был осуществлён в СССР в 1930 году на основе способа, разработанного С. В. Лебедевым.

Рассмотрим реакцию полимеризации бутадиена-1,3, по которой получают синтетический каучук. Процесс полимеризации можно представить, как многократно повторяющуюся реакцию присоединения молекул бутади-ена-1,3 друг к другу. Как вы уже знаете, сопряжённые алкадиены могут вступать в реакции 1,2- и 1,4-присоединения. Свойствами каучука обладают только продукты реакции полимеризации, протекающей как 1,4-присоединение -1,4-полимеризация. Представим этот процесс схематично.

Сначала за счёт разрыва двойных связей, происходит соединение двух молекул бутадиена-1,3:

При этом за счёт свободных валентностей, появившихся у второго и третьего атомов углерода, в середине молекул образуются л-связи.

К образовавшейся частице присоединяется следующая молекула бутадиена-1,3:

В результате многократного повторения процесса 1,4-присоединения образуется молекула полимера. Процесс полимеризации выражается следующим уравнением:

Продукт полимеризации называется 1,4-полибутадиен. Полибутадиен является синтетическим каучуком.

Приведём уравнение реакции полимеризации изопрена:

Свойства каучука: Важнейшим свойством каучука является эластичность, то есть способность растягиваться и сжиматься, а затем восстанавливать прежнюю форму после прекращения действия силы. Высокая эластичность каучука объясняется тем, что его макромолекулы имеют форму спиралей, которые могут растягиваться и сжиматься, подобно пружинам.

Эластичность каучука проявляется только при небольших нагрузках. Если каучук растягивать с достаточно большой силой, произойдёт не только выпрямление макромолекул, но и смещение их относительно друг друга. Последнее приведёт к необратимой деформации образца.

Вулканизация каучука: Натуральный и синтетический каучуки используются преимущественно в вид с резины, так как она обладает значительно более высокой прочностью, эластичностью и рядом других ценных свойств. Для получения резины каучук подвергают вулканизации — нагреванию каучука с серой. При этом сера вступает в химическое взаимодействие со спиралевидными молекулами каучука, как бы «сшивая» их друг с другом (рис. 17.3). «Сшитые» молекулы не могут смещаться относительно друг друга даже при высоких нагрузках, поэтому в результате вулканизации повышается эластичность материала.

Получение сопряжённых алкадиенов

Мономеры для производства каучуков — бутадиен-1,3 и изопрен — в настоящее время синтезируют из продуктов нефтепереработки.

Бутадиен образуется при дегидрировании бутана:

Изопрен получают дегидрированием 2-метилбутана:

Углеводороды нециклического строения, в молекулах которых имеются две двойные связи, называются алкадиенами.

Общая формула алкадиенов

Алкадиены, в молекулах которых двойные связи С = С разделены одной одинарной связью, называются сопряжёнными алкадиенами. В молекулах сопряжённых алкадиенов -электроны делокализованы.

Сопряжённые алкадиены способны вступать в реакции 1,2- и 1,4-присоединения.

В результате реакции полимеризации сопряжённых алкадиенов образуются каучуки — полимеры, обладающие высокой эластичностью и имеющие большое практическое значение.

Нагреванием каучука с серой получают резину. Этот процесс называется вулканизацией.

Бутадиен-1,3 и изопрен получают по реакции дегидрирования бутана и 2-метилбутана соответственно.

Алкины

Атомы углерода могут быть связаны между собой не только одинарными или двойными, но также тройными связями. Простейшим углеводородом, содержащим тройную связь, является этин, или ацетилен, НС = СН. Рассмотрим его строение.

Каждый атом углерода в ацетилене образует четыре химические связи. Образование этих связей происходит за счёт четырёх атомных орбиталей:

Атомы углерода в этой молекуле находятся в состоянии -гибридизации. За счёт -гибридных орбиталей каждый атом углерода образует три -связи: две связи с атомами водорода и одну — с соседним углеродом:

Вторая связь между атомами углерода образуется за счёт бокового перекрывания негибридных р-орбиталей атомов углерода — эго -связъ:

Таким образом, двойная связь состоит из одной - и одной -связи.

В молекуле ацетилена Н — С = С — Н имеется тройная связь. Она состоит из одной - и двух -связей. Так как л-связи образуются за счёт перекрывания негибридных р-орбиталей, то в гибридизации будут принимать участие одна s- и одна р-орбитали атомов углерода. Такой тип гибридизации называется sp-гибридизация

sр-Гибридные орбитали располагаются на одной прямой, под углом 180°. Две не участвующие в гибридизации р-орбитали атома углерода сохраняют свою первоначальную форму и располагаются взаимно перпендикулярно:

За счёт перекрывания гибридных орбиталей каждый атом углерода образует две а-связи — одну связь с атомом водорода и одну — с соседним углеродом:

Орбитали, не участвующие в гибридизации, формируют две я-связи между атомами углерода:

Таким образом, в молекуле ацетилена имеется три -связи и две -связи:

Молекула ацетилена линейная, валентный угол равен 180°. Связь между атомами углерода тройная:

Тройная связь короче двойной и одинарной: в молекуле ацетилена длина связи между атомами углерода равна 0,120 нм. Напомним, что в молекулах этилена и этана длина связи между атомами углерода составляет 0,134 и 0,154 нм соответственно.

Ацетилен является простейшим представителем алкинов — нециклических углеводородов, молекулы которых содержат одну тройную связь.

Ближайший гомолог ацетилена — пропин —С = СН. Молекулярная формула Пронина Так как соседние члены гомологического ряда различаются по составу на группу очевидно, что следующий гомолог должен иметь состав Отсюда легко можно вывести общую формулу алкинов Как вы уже знаете, общую формулу имеют также алкадиены.

Изомерия алкинов

Алкинам так же, как и алкенам, свойственна изомерия положения кратной связи и изомерия углеродного скелета:

Обратите внимание, что у алкинов изомерия углеродного скелета возможна, начиная с вещества, содержащего пять атомов углерода в молекуле.

Как уже упоминалось, алкины и алкадиены имеют одинаковую общую формулу Поэтому алкины могут быть изомерны алкадиенам. Такие изомеры называются межклассовыми. Например, формулу имеют вещества:

Номенклатура алкинов

Названия алкинов строятся гак же, как и названия алкенов, но суффикс -ен в конце названия заменяется на суффикс -ин (он обозначает одну тройную связь). Цифрой в конце названия указывается положение тройной связи.

Приведём несколько примеров формул и названий алкинов:

Обратите внимание:

• а) в названии «пропин» нет необходимости указывать положение тройной связи;
• б) атомы углерода главной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе тройная связь.

Физические свойства:

Физические свойства алкинов подобны свойствам соответствующих ал-кенов. Так, алкины с числом атомов углерода в молекуле 2—4 при комнатной температуре являются бесцветными газообразными веществами. Алкины с числом атомов углерода в молекуле от 5 до 16 — жидкости. Алкины с числом атомов углерода в молекуле больше 16 представляют собой твёрдые вещества. Температуры кипения некоторых алкинов неразветвлённого строения приведены в таблице 18.1.

Алкины нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях.

Плотность жидких и твёрдых алкинов меньше, чем у воды. Химические свойства алкинов

Химические свойства алкинов сходны со свойствами алкенов, так как в молекулах веществ обоих классов имеется кратная связь. Характерными для алкинов являются реакции присоединения по тройной связи, сопровождающиеся

разрывом -связей, так как они менее прочные, чем -связь. Так же, как и алкены, алкины могут присоединять галогены, водород, галогеноводороды, причём одна молекула алкина может присоединить две молекулы указанных веществ. 1. Галогенирование. Присоединение галогенов Алкины, подобно алкенам, обесцвечивают бромную воду:

Образующийся 1,2-дибромэтен содержит двойную связь, поэтому при избытке брома вступает в реакцию присоединения. В итоге образуется тетрабром производное алкана:

В отличие от алкенов, состав продуктов реакции алкинов с бромом зависит от количественного соотношения реагентов. При недостатке брома могут образовываться соединения, содержащие двойную связь, тогда как в избытке образуются насыщенные соединения.

Две предыдущие реакции можно объединить в одну:

Таким образом, при пропускании ацетилена через бромную воду, протекает реакция присоединения брома по тройной связи. В результате оранжевый раствор брома обесцвечивается. Подобное явление наблюдалось и для алкенов.

Следовательно, реакция с бромной водой является качественной реакцией на кратную (двойную или тройную) связь.

Так же, как этилен, ацетилен обесцвечивает водный раствор перманганата калия. Следовательно, реакция с раствором перманганата калия также является качественной реакцией на кратную (двойную или тройную) связь.

2. Гидрирование. Присоединение водорода

В результате гидрирования алкинов сначала образуются алкены, а затем алканы. Для протекания реакции необходим катализатор (Pt или Ni).

Приведём уравнения реакций, протекающих нри гидрировании пропина:

3. Гидрогалогенирование. Присоединение галогеноводородов

Алкины могут присоединять молекулы сложных веществ. В результате присоединения молекулы хлороводорода к молекуле ацетилена образуется хлорэтен:

Углеводородный радикал = СН— имеет тривиальное называние винил. Поэтому хлорэтен часто называют винилхлоридом. Винилхлорид — бесцветный газ со слабым сладковатым запахом, очень ядовит, = -14 °С.

Молекула винилхлорида содержит двойную связь, поэтому он, подобно алкенам, вступает в реакцию полимеризации:

Продукт реакции полимеризации винилхлорида — поливинилхлорид, или сокращенно ПВХ, широко используется для изготовления оконных рам, дверей, линолеума, электроизоляции проводов, искусственной кожи и других изделий.

4. Горение. Взаимодействие с кислородом

Как и все углеводороды, алкины горят. Уравнение реакции горения ацетилена:

При горении ацетилена в кислороде выделяется большое количество теплоты, температура пламени настолько высока, что им можно сваривать и резать металлы. Поэтому ацетиленовое пламя используется при сварке и ремонте металлических изделий. Получение ацетилена

1. Карбидный способ

Ацетилен получают в результате действия воды на карбид кальция СаС2. Чистый карбид кальция представляет собой твёрдое белое вещество без запаха. Технический продукт имеет серый цвет и неприятный запах из-за наличия примесей.

Карбид кальция бурно реагирует с водой, при этом выделяется ацетилен:

Для получения карбида кальция используют известняк при прокаливании которого образуется оксид кальция. Затем оксид кальция спекают с углём в электропечи при температуре примерно 2000 °С:

2. Пиролиз метана

Ещё одним способом получения ацетилена является частичное термическое разложение метана. Вы уже знаете, что если алканы нагреть до высокой температуры (подвергнуть пиролизу), то они разлагаются на углерод и водород . Оказывается, одним из промежуточных продуктов пиролиза метана является ацетилен. Чтобы предотвратить разложение ацетилена, образующегося при высокой температуре (примерно 1500 °С), продукты реакции быстро охлаждают. Протекающий процесс можно отобразить уравнением:

Углеводороды нециклического строения, в молекулах которых имеется одна тройная связь, называются алкинами.

Общая формула алкинов

Тройная связь в молекулах алкинов включает одну - и две -связи.

Характерными для алкинов являются реакции присоединения по тройной связи. При этом происходит расщепление п-связей. Алкины могут присоединять галогены, водород, галогеноводороды.

Реакции обесцвечивания раствора перманганата калия и бромной воды являются качественными реакциями на кратную (двойную и тройную) связь.

Ацетилен получают действием воды на карбид кальция и пиролизом метана.

Алкины изомерны алкадиенам.

Ароматические углеводороды. Бензол, строение молекулы

Название «ароматические соединения» возникло потому, что первые известные представители этого класса, полученные ещё в начале XIX века, обладали приятным запахом. Позднее оказалось, что большинство веществ, которые по строению и химическим свойствам принадлежат к этой же группе, не имеют приятного запаха. Однако исторически сложившееся общее название этих соединений сохранилось.

Простейшим представителем ароматических углеводородов является бензол. Его молекулярная формула

Бензол — легкокипящая = 80 °С), бесцветная, нерастворимая в воде жидкость с характерным запахом. При охлаждении бензол легко застывает в белую кристаллическую массу с температурой плавления 5,5 °С.

Открыл бензол великий английский физик Майкл Фарадей. В 1825 году ему удалось выделить бензол из каменноугольной смолы. Позже были установлены простейшая СН и молекулярная формулы бензола. Однако долгое время не удавалось установить строение молекулы данного вещества. Через сорок лет после открытия бензола немецкий химик Август Ке-куле сделал правильное предположение о циклическом строении молекулы бензола и предложил следующую структурную формулу:

Представленная формула бензола называется формулой Кекуле. Формула Кекуле показывает, что молекула бензола имеет плоское строение, валентные углы равны 120°. Из формулы Кекуле также следует, что для гидрирования молекулы бензола до циклогексана требуются три молекулы водорода:

Все эти выводы подтверждаются экспериментальными данными. Однако формула Кекуле не объясняет ряд особых свойств бензола. Так, бензол не вступает в качественные реакции на двойную С=С связь. Он, в отличие от алкенов, не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия. В присутствии катализатора бензол реагирует с галогенами, однако при этом происходит не присоединение галогена, а замещение атома водорода в молекуле бензола на галоген:

Кроме того, экспериментально установлено, что все связи углерод-углерод в молекуле бензола имеют одинаковую длину. Столь необычные свойства бензола удалось объяснить только в XX веке, используя современную теорию строения вещества.

Пз формулы Кекуле следует, что двойные связи в молекуле бензола являются сопряжёнными. На примере бутадиена-1,3 мы видели, что сопряжение ведёт к некоторому выравниванию длин двойных и одинарных связей. В молекуле бензола сопряжение настолько сильное, что длины всех связей углерод-углерод становятся одинаковыми:

Таким образом, в молекуле бензола нет двойных и одинарных связей. Каждый атом углерода в молекуле бензола, как и в бутадиене-1,3, находится в состоянии -гибридизации. -Электроны делокализованы и образуют не три отдельные -связи, а единую -систему (сопряжённую систему -связей):

Поскольку я-электроны распределяются в молекуле бензола равномерно между всеми атомами углерода, то связи между всеми атомами углерода оказываются совершенно одинаковыми.

Чтобы показать равномерность распределения -электронов в молекуле бензола, его структурную формулу часто изображают в виде шестиугольника с окружностью внутри:

В данной формуле шестиугольник отображает -связи между атомами углерода, а окружность — систему -связей.

Шаростержневая модель молекулы бензола:

Наряду с формулой бензола, в которой показана делокализация я-элек-тронов, нередко пользуются формулой Кекуле, учитывая при этом, что она не совсем точно передаёт строение бензола:

Широко используются также более компактные скелетные формулы бензола:

Делокализация я-электронов придаёт молекуле бензола дополнительную устойчивость. Поэтому для бензола характерны реакции, в которых сопряжённая система -связей в молекуле сохраняется. Такими реакциями являются реакции замещения (см. уравнение реакции с бромом, с. 108).

Как уже отмечалось, бензол является простейшим представителем ароматических углеводородов. Его гомологи могут рассматриваться как продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные радикалы. Формулы и названия некоторых гомологов бензола приведены на рисунке 19.3.

Как видно, для построения названий веществ, в молекулах которых с бензольным кольцом соединено несколько углеводородных радикалов, атомы углерода бензольного кольца нумеруют таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера, и при помощи цифр в названии указывают положение заместителей.

Бензол — простейший представитель класса ароматических углеводородов.

Молекула бензола имеет плоское строение, валентные углы равны 120°, длины всех связей углерод-углерод одинаковы.

-Электроны в молекуле бензола делокализованы и образуют единую сопряжённую систему -связей.

Сопряжённая система -связей придаёт молекуле бензола повышенную устойчивость, поэтому для бензола характерны реакции, в которых сопряжённая система сохраняется.

Химические свойства, получение и применение бензола

Как вы уже знаете, в молекуле бензола имеется устойчивая сопряжённая система -связей. Поэтому для бензола характерны реакции замещения, так как в этих реакциях сопряжённая система сохраняется. Наоборот, реакции присоединения для бензола малохарактерны. Так, бензол не обесцвечивает бромную воду, но в присутствии катализатора он вступает с бромом в реакцию замещения.

1. Галогенирование

Для осуществления этой реакции бензол смешивают с бромом в колбе и добавляют катализатор При этом протекает реакция замещения одного атома водорода на бром:

О протекании реакции можно судить по выделению бромоводорода, изменяющего цвет влажной индикаторной бумажки, помещённой в верхнюю часть колбы. Продукт бромирования бензола называется бромбензол.

Как видно, в этой реакции единая система -электронов сохраняется. Подобным образом проводят и хлорирование бензола:

2. Нитрование

Так называются реакции, в результате которых в молекулу органического соединения вводится группа — называемая нитрогруппой.

Если к смеси концентрированных азотной и серной кислот прибавить бензол, происходит реакция нитрования бензола, в результате которой образуется тяжёлая желтоватая жидкость с запахом горького миндаля — нитробензол:

Данная реакция так же, как и галогенирование, относится к реакциям замещения — один атом водорода в молекуле бензола замещается на группу —

Смесь концентрированных азотной и серной кислот называется нитрующей смесью. В нитрующей смеси азотная кислота выполняет роль нитрующего реагента, а серная кислота является катализатором.

3. Гидрирование

В жёстких условиях бензол может вступать в реакции присоединения.

Примером реакции присоединения с участием бензола является его гидрирование, которое протекает при температуре около 200 °С под давлением в присутствии катализаторов гидрирования (никель или платина). При этом одна молекула бензола присоединяет сразу три молекулы водорода и превращается в циклогексан:

Реакция гидрирования бензола протекает в более жёст- ких условиях, чем гидрирование алкенов, так как в моле- куле бензола в ходе гидрирования разрушается устойчивая сопряжённая система -связей.

4. Горение Подобно всем углеводородам, бензол горит. Уравнение реакции горения бензола:

Получение бензола

Из природных источников:

Благодаря высокой устойчивости сопряжённой системы я-связей, ароматические фрагменты встречаются в составе каменного угля. Поэтому одним из способов получения бензола является переработка каменного угля. При сильном нагревании без доступа воздуха каменный уголь подвергается сложным химическим превращениям. В результате образуется много летучих продуктов, из которых, наряду с другими веществами, извлекают бензол.

Бензол получают также в результате переработки нефти. Эти процессы

В данной реакции из трёх молекул ацетилена образуется одна циклическая молекула бензола, поэтому эта реакция называется реакцией циклотри-меризации. Данная реакция протекает при пропускании ацетилена над нагретым активированным углём.

Применение бензола:

Значительная часть бензола используется для синтеза других веществ. Так, нитрованием бензола получают нитробензол, который является исходным веществом для синтеза анилина (§ 45). Хлорированием бензола получают хлорбензол, который применяется для получения фенола (§ 27), пестицидов и т. д. Из бензола получают этилбензол. Дегидрированием этилбензола синтезируют винилбензол (стирол), который является сырьём для производства полимеров.

Бензол и некоторые его гомологи применяются в качестве растворителей органических веществ, однако из-за высокой токсичности бензола его применение в этом качестве ограниченно.

Для бензола характерны реакции замещения, в которых сопряжённая система -связей сохраняется.

Бензол не обесцвечивает бромную воду, но в присутствии катализатора вступает с бромом в реакцию замещения с образованием бромбензола.

В жёстких условиях бензол вступает в реакцию присоединения с водородом. В результате образуется циклогексан.

Бензол получают в результате переработки нефти и каменного угля. Кроме того, бензол может быть получен по реакции цик-лотримеризации ацетилена.

Природные источники углеводородов и их использование

Изученные нами углеводороды имеют большое практическое значение, так как широко используются в качестве топлива, а также служат сырьём для получения множества органических веществ.

Наиболее важные источники углеводородов — природный газ и нефть.

Природный газ

Основной составной частью природного газа является метан. Кроме метана, в природном газе присутствуют этан, пропан и бутаны. Обычно чем выше молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержание в природном газе. Состав природного газа различных месторождений неодинаков. В таблице 21.1 приведено примерное содержание веществ в природном газе.

Природный газ используется в основном в качестве топлива. Он имеет ряд преимуществ над твёрдым и жидким топливом: при его сгорании выделяется больше тепла, он не оставляет золы, продукты его сгорания более экологически чистые. Природный газ используется на тепловых электростанциях, в качестве горючего для газовых плит, топлива для автомобилей и т. д.

Нефть

Физические свойства и состав нефти

Нефть представляет собой маслянистую жидкость обычно тёмного цвета со своеобразным запахом (рис. 21.1). Она легче воды и в воде не растворяется. Основными компонентами нефти являются жидкие и растворённые в них твёрдые углеводороды. То есть нефть является смесью углеводородов. В основном это алканы, циклоалканы и ароматические углеводороды. Соотношение этих углеводородов в нефти различных месторождений может существенно различаться.

Для того чтобы выделить из нефти полезные для нужд человека продукты, её подвергают переработке.

Первичная переработка нефти

Нефть не имеет определённой температуры кипения, так как является смесью углеводородов, имеющих различные температуры кипения. В процессе нагревания нефти из неё выделяют сначала наиболее лёгкие углеводороды (они имеют низкие температуры кипения), а затем более тяжёлые.

Смесь углеводородов, собранных в процессе перегонки нефти в определённом интервале температур, называется фракцией.

Рассмотрим некоторые фракции нефти.

Бензиновая фракция перегоняется в интервале температур от 40 до 200 °С и содержит углеводороды Как следует из названия, эта фракция используется для получения бензина.

Лигроин перегоняется при температуре от 120 до 240 °С и содержит углеводороды Лигроин применяется для получения бензина и дизельного топлива, а также в качестве растворителя.

Керосин — перегоняется в интервале температур от 180 до 300 °С и содержит углеводороды Он применяется как горючее для реактивных двигателей (авиационный керосин), для бытовых нагревательных приборов, в качестве растворителя и для получения дизельного топлива.

Процесс перегонки нефти не сопровождается изменением структуры образующих её углеводородов, а заключается только в разделении на отдельные компоненты, то есть является физическим процессом. Такой процесс называют первичной переработкой нефти.

Октановое число бензина:

Одной из важнейших характеристик бензина является его детонационная стойкость. Детонационная стойкость показывает способность бензина «сопротивляться» самовоспламенению при сжатии в цилиндре двигателя. Чтобы понять это, рассмотрим, как работает двигатель автомобиля (рис. 21.2).

Смесь паров бензина с воздухом поступает в цилиндр двигателя. Когда поршень цилиндра достигает верхней точки, то есть максимально сжимает смесь, искра свечи зажигания её 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 счёт повышения её температуры при сжатии. Этот процесс называется детонацией. Детонация очень вредна для двигателя, она снижает мощность и приводит к преждевременному износу деталей и даже к поломке двигателя.

Для характеристики детонационной стойкости бензинов используется октановое число. Октановое число изооктана (2,2,4-триметилпентана), обладающего высокой детонационной стойкостью, принято за 100. Октановое число w-гептана, чрезвычайно легко детонирующего, принято за 0. Смесь н-гептана и изооктана имеет октановое число, равное содержанию в ней изооктана (в процентах по объёму). Например, смесь, содержащая 92 % по объёму изооктана и 8 % н-гептана, имеет октановое число равное 92. Если бензин имеет октановое число, равное 92, то это значит, что он допускает такое же сжатие в цилиндре без детонации, как смесь из 92 % изооктана и 8 % н-гептана. Октановые числа фигурируют в названии марки бензина, например АИ-92, АИ-95 и др. Проезжая мимо автозаправочной станции, можно убедиться, что чем выше октановое число, тем дороже бензин.

Оказывается, что наиболее стойкими к детонации являются ароматические углеводороды и углеводороды разветвлённого строения. Эти углеводороды характеризуются высокими октановыми числами, иногда больше 100. Октановые числа неразветвлённых углеводородов, наоборот, низкие (табл. 21.2)

В нефти преобладают углеводороды неразветвлённого строения. Поэтому бензин, получаемый в процессе перегонки нефти, имеет низкое октановое число (обычно ниже 65) и не может использоваться в двигателях современных автомобилей. В связи с этим, фракции нефти, полученные при перегонке, подвергают дальнейшей переработке, связанной с изменением структуры входящих в них углеводородов. Эти процессы называются вторичной переработкой нефти.

Вторичная переработка нефти:

Крекинг:

Бензиновая фракция составляет лишь небольшую долю от всей добываемой нефти, и получаемый в процессе перегонки бензин не может удовлетворить спрос на него. Поэтому одной из задач вторичной переработки нефти является превращение тяжёлых углеводородов в углеводороды бензиновой фракции. Для этого молекулы с большим числом атомов углерода расщепляют на более мелкие. Этот процесс называется крекингом.

При высоких температурах происходит расщепление химических связей углерод-углерод, в результате чего молекулы углеводородов с длинной цепью атомов углерода превращаются в углеводороды с более короткой цепью, например:

Как видно из приведённого примера, из углеводорода составаобразовалась смесь алкана и алкена с числом атомов углерода в молекулах, равным 6, что соответствует бензиновой фракции. Следует отметить, что расщепление молекулы исходного вещества может происходить по любой связи углерод-углерод, например:

В результате образуется смесь предельных и непредельных углеводородов преимущественно неразветвлённого строения. Описанный процесс называется термическим крекингом. Термический крекинг проводится при температурах до 800 °С. Чем выше температура крекинга, тем сильнее дробятся молекулы исходных веществ. Так, при температурах около 800 °С образуется большое количество газообразных алкенов (этена, пропена и бутенов), которые используются для получения полимеров.

Недостатком термического крекинга является большое содержание в его продуктах углеводородов неразветвлённого строения. Поэтому полученный таким способом бензин имеет невысокое октановое число (обычно не выше 70).

Бензин с более высоким октановым числом можно получить в результате каталитического крекинга. Каталитический крекинг осуществляется при более низких температурах (400—500 °С) в присутствии катализаторов. В этих условиях, наряду с расщеплением молекул, происходит изомеризация получающихся углеводородов (§ 10), то есть образуются углеводороды разветвлённого строения.

Риформинг:

Ещё более эффективным способом получения бензина с высоким октановым числом, является риформинг — процесс превращения алканов в ароматические углеводороды при нагревании на катализаторе. Например, при нагревании гексана на платиновом катализаторе он превращается в бензол:

Как видно, в ходе описанных реакций от молекул алканов отщепляются четыре молекулы водорода и образуются циклические ароматические углеводороды, поэтому данные процессы называют дегидроциклизацией, или ароматизацией, алканов. Дегидроциклизация алканов используется не только для повышения октанового числа бензина, но и с целью получения бензола и его гомологов.

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 сырьём для получения полимеров и других продуктов.

Защита окружающей среды

Описанные процессы связаны с переработкой гигантских объёмов нефти, которые составляют несколько миллиардов тонн в год. В связи с этим,

первостепенное значение имеет защита окружающей среды при добыче нефти и её 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 плёнкой участок поверхности моря площадью до тысячи гектаров. 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 её 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. Данную 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 ёмкостей (в основном, танкеров) от остатков нефти во избежание попадания её 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.

В последние годы наметилась тенденция постепенного перехода от автомобилей, работающих на углеводородном топливе, к электромобилям. Это, несомненно, будет способствовать улучшению состояния окружающей среды.

Каждый из нас может внести свою лепту в эту деятельность, просто не забыв выключить свет, 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.

Насыщенные одноатомные спирты. Изомерия, номенклатура, классификация

В предыдущих параграфах мы изучали углеводороды — органические вещества, состоящие из двух химических элементов — углерода и водорода. В состав органических веществ могут входить и другие элементы. В данном разделе мы будем изучать строение и свойства спиртов. В состав спиртов, кроме углерода и водорода, входят атомы кислорода.

Один из представителей класса спиртов — этиловый спирт — имеет молекулярную формулу Попробуем составить структурную формулу этилового спирта. На внешнем электронном слое атома кислорода имеется два неспаренных электрона:

Следовательно, валентность кислорода равна двум, поэтому от символа О в структурных формулах следует рисовать две чёрточки.

Тогда можно предложить два вещества, имеющие молекулярную формулу

Первое соединение относится к классу спиртов. В молекулах спиртов содержится группа —ОН, которая называется гидроксильной группой. Чтобы подчеркнуть, что в молекуле этилового спирта имеется гидроксильная группа, его молекулярную формулу обычно записывают так: Наличие гидроксильной группы в молекулах спиртов обусловливает их характерные химические свойства, поэтому группу —ОН называют функциональной группой. В молекулах спиртов может содержаться не одна, а две и более гидроксильные группы.

Спирты — органические соединения, молекулы которых содержат одну или несколько гидроксильных групп, соединённых с углеводородным радикалом.

Второе соединение относится к классу простых эфиров. В молекулах простых эфиров нет гидроксильной группы. Атом кислорода в молекулах простых эфиров связан с двумя углеводородными радикалами.

Этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одинаковую молекулярную формулу, но разное строение. Следовательно, они являются изомерами.

Строение молекул спиртов

В молекулах насыщенных одноатомных спиртов имеется одна гидроксильная группа —ОН, соединённая с алкильным радикалом.

Простейшим представителем насыщенных одноатомных спиртов является метиловый спирт. Его формула — ОН. Метиловый спирт представляет собой бесцветную жидкость с характерным запахом и температурой кипения 65 °С. Метиловый спирт чрезвычайно ядовит. Попадание в организм человека всего лишь 30 мл метилового спирта может привести к смерти. Ещё меньшее количество метилового спирта приводит к потере зрения.

Ближайший гомолог метилового спирта — этиловый спирт, формула которого

Этиловый спирт — бесцветная жидкость с характерным запахом и температурой кипения 78 °С. Этиловый спирт входит в состав алкогольных напитков. К сожалению, многие люди злоупотребляют алкогольными напитками, нанося непоправимый вред своему здоровью. Злоупотребление этиловым спиртом приводит к тяжёлому заболеванию — алкоголизму.

Метиловый и этиловый спирты практически невозможно различить по внешнему виду и запаху. В то же время метиловый спирт значительно

более токсичен, чем этиловый. В этом состоит особая опасность метилового спирта. Он может присутствовать в различных технических спиртосодержащих жидкостях. Бытовые отравления метиловым спиртом часто связаны с употреблением таких жидкостей.

Составим общую формулу гомологов метилового спирта. В их молекулах группа —ОН соединена с алкильным радикалом. Алкильный радикал образуется в результате отрыва от молекулы алкана одного атома водорода. Общая формула алканов Если удалить из молекулы один атом водорода, получится формула алкильного радикала —. Тогда общая формула гомологов метилового спирта:

Изомерия спиртов

Метиловый спирт не имеет изомеров. Этиловый спирт также не имеет изомеров, относящихся к классу спиртов. Единственный изомер этилового спирта — диметиловый эфир — является простым эфиром.

Следующие представители ряда насыщенных одноатомных спиртов содержат три атома углерода в молекуле В этом случае гидроксильная группа может быть связана с первым или вторым атомом углерода. Структурные формулы изомерных спиртов:

Эти соединения являются изомерами положения функциональной группы.

Спирты, содержащие четыре атома углерода в молекуле (С4Н9ОН), также могут различаться положением функциональной группы:

Кроме того, для них возможна изомерия углеродного скелета:

Учитывая рассмотренные виды изомерии, можно составить формулы четырёх изомерных спиртов состава

Номенклатура спиртов

Название насыщенного одноатомного спирта состоит из названия соответствующего углеводорода и суффикса -ол, обозначающего гидроксильную группу. Атомы углерода главной цепи нумеруют начиная с того конца, к которому ближе гидроксильная группа. В конце названия указывают положение гидроксильной группы в главной цепи.

Назовём все упомянутые нами спирты. В скобках приведены тривиальные названия некоторых спиртов, которые широко используются наряду с систематическими названиями.

Атомы углерода в молекулах органических веществ бывают первичными, вторичными, третичными и четвертичными (§ 6). Первичный атом углерода соединён только с одним атомом углерода, вторичный — с двумя, третичный -с тремя и четвертичный — с четырьмя атомами углерода. В зависимости от того, к какому атому углерода (первичному, вторичному или третичному) присоединена группа —ОН, различают первичные, вторичные или третичные спирты.

Из вышеперечисленных спиртов первичными являются этанол, про-панол-1, бутанол-1 и 2-метилпропанол-1:

Спирты — органические соединения, молекулы которых содержат одну или несколько гидроксильных групп, соединённых с углеводородным радикалом.

Наличие гидроксильной группы в молекулах спиртов обусловливает их характерные химические свойства. Поэтому группу —ОН называют функциональной группой.

Общая формула насыщенных одноатомных спиртов

В зависимости от того, к какому атому углерода (первичному, вторичному или третичному) присоединена группа —ОН, различают первичные, вторичные или третичные спирты.

Физические свойства спиртов

Водородная связь и её влияние на свойства спиртов

При обычных условиях спирты представляют собой бесцветные жидкости с характерным запахом. Высшие спирты, молекулы которых содержат большое число атомов углерода, — твёрдые вещества, похожие на парафин.

Многие спирты обнаружены в природных объектах. Так, известный сорняк борщевик содержит метанол; к классу спиртов относится холестерин, который при неправильном питании откладывается на стенках сосудов и препятствует кровотоку. Вместе с гем, многие спирты имеют приятный запах, например ментол, содержащийся в листьях, стеблях и корнях мяты:

В таблице 23.1 приведены структурные формулы, названия и температуры кипения насыщенных одноатомных спиртов. Таблица 23.1. Структурные формулы, названия и температуры кипения насыщенных одноатомных спиртов

Из таблицы 23.1 видно, что в отличие от углеводородов, в гомологическом ряду насыщенных одноатомных спиртов отсутствуют газообразные вещества. Даже простейший спирт — метанол — при обычных условиях жидкость с температурой кипения 65 °С.

Изучая физические свойства алканов (§ 8), мы видели, что их температуры кипения растут с увеличением размеров молекул. На рисунке 23.2 изображены шаростержневые модели молекул метана, этана, пропана, и указаны их температуры кипения:

Размеры молекул этана и метанола близки, поэтому можно было бы ожидать, что эти вещества будут иметь близкие температуры кипения. Тем не менее, температуры кипения этана и метанола различаются более чем на 150 °С и составляют -89 и +65 °С соответственно:

В чём же причина аномально высоких температур кипения спиртов? Объяснение этого явления заключается в следующем. Молекулы жидкости находятся близко друг к другу. Это возможно благодаря тому, что молекулы притягиваются, то есть существуют силы, которые удерживают молекулы жидкости вместе. Из курса химии 8-го класса вы знаете, что эти силы называются силами межмолекулярного взаимодействия. Чтобы превратить жидкость в газ, необходимо преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия:

Очевидно, что чем сильнее взаимодействие между молекулами вещества, тем выше его температура кипения.

Силы межмолекулярного взаимодействия имеют электростатическую природу. Очень слабым будет взаимодействие между молекулами, имеющими малые размеры и на атомах которых отсутствуют частичные электрические заряды, то есть между маленькими неполярными молекулами.

Пример №26

Температуры кипения азота и кислорода очень низкие и равны -196 и -183 °С соответственно. Эго объясняется тем, что молекулы этих веществ имеют малые размеры, связи в молекулах неполярные, частичные заряды на атомах отсутствуют, поэтому молекулы очень слабо притягиваются друг к другу.

В ряду «метан — этан — пропан» с ростом размеров молекул увеличивается площадь их соприкосновения и, следовательно, увеличивается межмолекулярное взаимодействие (рис. 23.2). Поэтому в гомологическом ряду алканов по мере увеличения числа атомов углерода в молекуле растут температуры кипения.

Межмолекулярное взаимодействие усиливается при появлении в молекуле полярных связей. В молекулах с ковалентными полярными связями электронная плотность распределена неравномерно. Например, в молекуле хлороводорода НС1 общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому хлора. В результате на атоме хлора возникает частичный отрицательный заряд, на атоме водорода — частичный положительный (§ 4).

Благодаря наличию частичных зарядов атом водорода одной молекулы НС1 будет притягиваться к атому хлора другой молекулы:

Температура кипения хлороводорода равна -61 °С.

Ещё более сильное взаимодействие имеется между молекулами спиртов. Рассмотрим это на примере метилового спирта. Атом водорода гидроксильной группы —О—Н молекулы метанола образует с атомом кислорода сильнополярную связь. Это объясняется тем, что кислород — один из самых электроотрицательных элементов, уступает по электроотрицательности только фтору. Таким образом, атом водорода, соединяясь с кислородом, практически лишается своего электронного облака. Обладая малыми размерами и, в отличие от других атомов, не имея внутренних электронных слоёв, такой атом водорода способен проникать в электронные оболочки атомов других молекул. В результате между молекулами метанола возникает особый тип межмолекулярного взаимодействия — водородная связь:

Водородную связь принято обозначать пунктирной линией. Водородные связи достаточно сильно удерживают молекулы метанола друг возле друга, поэтому температура кипения метанола (+65 °С) значительно выше температуры кипения этана (-89 °С), между молекулами которого водородные связи отсутствуют, несмотря на то, что размеры молекул этих веществ близки.

Энергия водородной связи примерно в 10 раз меньше энергии ковалентной связи, поэтому водородную связь не принято считать отдельным типом химической связи. Это особый вид сильного межмолекулярного взаимодействия.

Молекулы спиртов образуют водородные связи не только между собой, но и с молекулами воды (рис. 23.7).

Растворимость спиртов в воде

Рассматривая растворимость спиртов, снова вспомним принцип «подобное растворяется в подобном». В отличие от углеводородов, в молекулах спиртов имеется полярная группа —ОН. Полярная группа —ОН придаёт спиртам растворимость в воде, молекулы которой являются полярными. Углеводородный радикал, напротив, «мешает» спиртам растворяться в воде:

Действительно, метанол, этанол и изомерные пропанолы смешиваются с водой в любых соотношениях, с увеличением числа атомов углерода в молекуле спирта растворимость в воде уменьшается.

Как видно, наличие гидроксильных групп в молекулах спиртов придаёт этим веществам свойства, отличные от свойств углеводородов. Спирты имеют высокие температуры кипения, низшие спирты хорошо растворяются в воде. Химические свойства спиртов также имеют ряд особенностей, об этом пойдёт речь в следующем параграфе.

При переходе вещества из жидкого состояния в газообразное преодолеваются силы межмолекулярного взаимодействия. Поэтому, чем сильнее взаимодействие между молекулами вещества, тем выше его температура кипения.

Особым видом межмолекулярного взаимодействия является водородная связь.

Химические свойства, получение и применение спиртов

Многие химические свойства спиртов определяются наличием в их молекулах гидроксильной группы, поэтому гидроксильную группу называют функциональной.

Рассмотрим химические свойства насыщенных одноатомных спиртов

1. Взаимодействие со щелочными металлами

Если в стакан с этиловым спиртом поместить кусочек натрия, начнётся бурная реакция, сопровождающаяся выделением водорода:

В этой реакции происходит замещение атома водорода гидроксильной группы атомом металла.

Так же реагируют с натрием и другие спирты. Приведём уравнение реакции пропанола-1 с натрием:

При взаимодействии с активными металлами спирты проявляют кислотные свойства. Кислотные свойства спиртов выражены очень слабо (слабее, чем у воды!), поэтому спирты не изменяют окраску индикаторов, не реагируют со щелочами и могут взаимодействовать только с самыми активными металлами, например со щелочными металлами натрием и калием.

Продукты замещения атома водорода гидроксильной группы спирта атомом металла называются алкоголятами. Приведём названия некоторых алкоголятов:

Алкоголяты представляют собой твёрдые солеподобные вещества. Они разлагаются водой с образованием спирта и щёлочи:

2. Взаимодействие с галогеноводородами

Спирты взаимодействуют с галогеноводородами (НС1, HBr, HI). При этом гидроксильная группа замещается на галоген. Приведём уравнение реакции этилового спирта с бромоводородом:

Так же реагируют с галогеноводородами и другие спирты. Например, при взаимодействии пропанола-2 с хлороводородом происходит замещение гидроксильной группы и образуется 2-хлорпропан:

3. Дегидратация. Отщепление воды

При нагревании с сильными водоотнимающими средствами, такими как концентрированная серная кислота, от спиртов отщепляется молекула воды. Реакция отщепления молекулы воды называется реакцией дегидратации (§ 16).

Приведём уравнения реакций дегидратации этанола и пропанола-2:

В данных реакциях от одной молекулы спирта отщепляется одна молекула воды. Такая реакция называется внутримолекулярной дегидратацией. В результате внутримолекулярной дегидратации спиртов образуются алкены.

При менее сильном нагревании одна молекула воды может отщепляться от двух молекул спирта:

Эта реакция называется межмолекулярной дегидратацией.

В результате межмолекулярной дегидратации спиртов образуются простые эфиры. Строение простых эфиров можно выразить следующей формулой: R — О — R'. Углеводородные радикалы в молекуле простого эфира могут быть одинаковыми или различными. Простые эфиры изомерны спиртам (§ 22).

Продукт реакции межмолекулярной дегидратации этилового спирта -диэтиловый эфир — представляет собой бесцветную жидкость со специфическим запахом и низкой температурой кипения = 35 °С). Он используется в медицинской практике для наркоза и дезинфекции кожи при проведении инъекций.

Приведём уравнение реакции межмолекулярной дегидратации метанола:

При этом образуется диметиловый эфир — газообразное при нормальных условиях вещество с температурой кипения -25 °С.

Обратите внимание, что температуры кипения простых эфиров намного ниже, чем изомерных спиртов. На рисунке 24.1 изображены шаростержневые модели молекул этанола и диметилового эфира и указаны их температуры кипения.

Этанол и диметиловый эфир являются изомерами, их молекулы имеют примерно одинаковые размеры, поэтому, казалось бы, температуры кипения должны быть близки. Тем не менее, температура кипения этанола более чем на 100° С выше температуры кипения диметилового эфира. Напомним, что высокие температуры кипения спиртов объясняются образованием водородных связей между их молекулами. Водородная связь образуется между атомом водорода гидроксильной группы одной молекулы спирта и атомом кислорода другой молекулы. Между молекулами простых эфиров водородные связи не образуются, так как в молекулах простых эфиров нет гидроксильных групп.

4. Окисление

Спирты горят при поджигании, в этом мы можем убедиться, зажигая спиртовку:

В результате образуются углекислый газ и вода. Такая реакция называется полным окислением.

Возможно и неполное окисление спиртов. Его можно осуществить следующим образом. Нагреем в пламени спиртовки медную проволоку до красного каления. При этом блестящая поверхность проволоки покроется чёрным налётом оксида меди вследствие окисления меди:

После этого раскалённую проволоку быстро поместим в стакан с небольшим количеством этилового спирта. Проволока при этом опять становится блестящей (видео 24.1). Это свидетельствует о том, что из чёрного оксида медиобразовалась медь. То есть произошло восстановление оксида меди. Восстановителем является этиловый спирт. В ходе реакции он окисляется до уксусного альдегида:

 

Уксусный альдегид имеет яблочный запах, который ощущается при проведении описанного эксперимента.

Получение и применение спиртов

Некоторые реакции, в результате которых образуются спирты, вы уже знаете (§ 15).

1. Гидратация алкенов

Спирты образуются в результате присоединения воды к алкенам. Эта реакция называется реакцией гидратации:

2. Взаимодействие галогеналканов с водным раствором щёлочи Спирты можно получить из галогеналканов, действуя на них водным раствором щёлочи:

В результате реакции атом галогена замещается на гидроксильную группу. В свою очередь, галогенпроизводные алканов могут быть получены из углеводородов. Например, хлорэтан образуется при взаимодействии этана с хлором:

Хлорэтан можно получить также из этилена путём присоединения к нему хлороводорода:

Таким образом, можно синтезировать спирты, используя в качестве исходных веществ углеводороды.

Метанол и этанол применяются в качестве растворителей.

Кроме того, они используются в химической промышленности в качестве реагентов для получения многих органических веществ. Этанол используется в пищевой промышленности.

Спирты реагируют со щелочными металлами, при этом атом водорода гидроксильной группы замещается атомом металла.

Спирты взаимодействуют с галогеноводородами, при этом гидроксильная группа замещается на галоген.

Спирты вступают в реакции внутримолекулярной и межмолекулярной дегидратации с образованием алкенов и простых эфиров.

Спирты вступают в реакции окисления. При полном окислении спиртов образуются углекислый газ и вода. Неполным окислением первичных спиртов могут быть получены альдегиды.

Спирты получают взаимодействием галогеналканов с водным раствором щёлочи и присоединением воды к алкенам.

Многоатомные спирты

В молекулах многоатомных спиртов, в отличие от одноатомных, содержится не одна, а несколько гидроксильных групп. Приведём формулы простейших двухатомного и трёхатомного спиртов:

Обратите внимание, что в молекулах многоатомных спиртов гидроксильные группы находятся у разных атомов углерода. Вещества, в которых две гидроксильные группы соединены с одним и тем же атомом углерода, неустойчивы и не могут быть получены в свободном виде. Такие вещества сразу же отщепляют молекулу воды:

В связи с этим молекула двухатомного спирта должна содержать не менее двух атомов углерода, трёхатомного — трёх и т. д.

Простейший двухатомный спирт называется этиленгликоль, трёхатомный — глицерин. Эти вещества похожи друг на друга но физическим свойствам и представляют собой бесцветные вязкие жидкости. Между молекулами многоатомных спиртов, как и между молекулами одноатомных спиртов, образуются водородные связи, поэтому этиленгликоль и глицерин имеют высокие температуры кипения: 198 °С и 290 °С соответственно. Полярные гидроксильные группы придают многоатомным спиртам растворимость в воде. Этиленгликоль и глицерин смешиваются с водой в любых соотношениях.

Названия многоатомных спиртов строят так же, как и названия одноатомных. Наличие в молекуле двух гидроксильных групп обозначается сочетанием -диол, трёх -триол и т. д. Назовём этиленгликоль и глицерин по номенклатуре ИЮПАК:

Состав молекул этиленгликоля и глицерина различается на группу СП—ОН, а не

То есть этиленгликоль и глицерин не являются гомологами. Ближайшим гомологом этиленгликоля является пропандиол-1,2:

Ближайший гомолог глицерина — бутантриол-1,2,3:

Химические свойства многоатомных спиртов

Молекулы многоатомных спиртов содержат гидроксильные группы. Поэтому многоатомные спирты могут вступать в те же химические реакции, что и одноатомные спирты.

1. Взаимодействие со щелочными металлами

Так же, как и одноатомные, многоатомные спирты реагируют со щелочными металлами. В ходе реакции атомы водорода гидроксильных групп замещаются на атомы металла:

2. Взаимодействие с галогеноводородами

При взаимодействии с галогеноводорородами гидроксильные группы в молекулах многоатомных спиртов замещаются на атомы галогена. Приведём уравнение реакции этиленгликоля с бромоводородом:

Замещение второй гидроксильной группы протекает труднее, чем первой.

3. Взаимодействие с азотной кислотой

При взаимодействии многоатомных спиртов с азотной кислотой в молекулу спирта вместо атомов водорода гидроксильных групп вводятся группы

Реакция протекает в присутствии концентрированной серной кислоты, которая является катализатором. Приведём уравнение реакции глицерина с азотной кислотой:

Продукт реакции — нитроглицерин — бесцветная маслянистая жидкость. Он легко взрывается (склонен к детонации), поэтому в чистом виде не используется. Нитроглицерин является сосудорасширяющим средством, поэтому он входит в состав лекарственных препаратов.

Со щелочными металлами, галогеноводородами и азотной кислотой реагируют не только многоатомные, но и одноатомные спирты. В то же время многоатомные спирты могут вступать в реакции, которые не протекают в случае одноатомных спиртов. Такой реакцией является взаимодействие многоатомных спиртов с гидроксидом меди(

4. Взаимодействие с гидроксидом меди

Для проведения этой реакции в пробирку наливают раствор щёлочи, затем немного раствора сульфата медиПри этом выпадает голубой осадок гидроксида меди

Затем в пробирку с осадком добавляют водный раствор этиленгликоля. При этом гидроксид медирастворяется и образуется прозрачный раствор васильково-синего цвета. Растворение гидроксида меди при взаимодействии с этиленгликолем происходит вследствие образования комплексного соединения:

Аналогично в реакцию с гидроксидом меди вступает глицерин. С помощью этой реакции легко отличить водные растворы многоатомных спиртов от растворов других органических веществ, поэтому взаимодействие с гидроксидом меди является качественной реакцией на многоатомные спирты.

Применение этиленгликоля и глицерина:

Несмотря на внешнее сходство и подобие химических свойств, физиологическое действие этиленгликоля и глицерина совершенно разное. Этиленгликоль ядовит, тогда как глицерин нетоксичен и даже используется в качестве пищевой добавки (Е422).

Водные растворы этиленгликоля имеют очень низкую температуру замерзания (до -70 °С). Благодаря этому этиленгликоль применяется в качестве компонента незамерзающих жидкостей — антифризов, использующихся в системах охлаждения автомобильных двигателей.

Глицерин хорошо поглощает влагу (обладает свойством гигроскопичности). Поэтому он используется в качестве увлажняющего компонента при производстве различных мазей, кремов и других косметических средств. Так же, как и этиленгликоль, глицерин применяется в производстве антифризов.

Кроме того, этиленгликоль и глицерин используются в химической промышленности в качестве реагентов для получения других органических веществ.

Многоатомные спирты, в отличие от одноатомных, содержат в молекуле несколько гидроксильных групп. Простейший двухатомный спирт — этиленгликоль; трёхатомный — глицерин.

Как и одноатомные спирты, этиленгликоль и глицерин взаимодействуют со щелочными металлами и галогеноводородами.

В результате реакции между глицерином и азотной кислотой образуется нитроглицерин. Нитроглицерин является сосудорасширяющим средством, поэтому он входит в состав лекарственных препаратов.

Качественной реакцией на многоатомные спирты является образование раствора васильково-синего цвета при взаимодействии со свежеосаждённым гидроксидом меди

Взаимосвязь между углеводородами и спиртами

В органической химии вещества классифицируют в зависимости от строения их молекул.

Простейшими по составу органическими соединениями являются углеводороды. Молекулы углеводородов состоят только из двух элементов: углерода и водорода. К углеводородам относятся алканы, алкены, алкадиены, алкины и арены. В молекулах алканов содержатся только одинарные связи. В молекулах алкенов имеется одна двойная связь, в молекулах алкадиенов — две двойные связи. Молекулы алкинов содержат одну тройную связь. Ароматические углеводороды содержат в молекулах бензольное кольцо (табл. 26.1).

Знание химических свойств органических веществ позволяет предложить способы получения соединений одного класса из соединений другого класса. Например, алканы можно получить из алкенов и алкинов при помощи реакции гидрирования:

Приведём примеры задач, которые можно решить, используя знания о взаимосвязи соединений различных классов.

Пример №27

Предложите способ получения этилового спирта из этана. Напишите уравнения соответствующих реакций, укажите условия их протекания.

Рассмотрим структурные формулы этана и этилового спирта:

Видно, что этиловый спирт можно рассматривать как продукт замещения атома водорода в молекуле этана на гидроксильную группу —ОН. Однако мы не знаем химических реакций, позволяющих непосредственно заместить атом водорода в молекуле углеводорода на гидроксильную группу. Следовательно, для получения этанола из этана потребуется несколько стадий.

На первой стадии получим из этана бромэтан:

В отличие от атома водорода, атом брома в молекуле бромэтана может быть замещён на группу —ОН действием водного раствора щёлочи:

Пример №28

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно получить этиловый спирт из метана.

Рассмотрим структурные формулы метана и этилового спирта:

В молекуле этилового спирта содержится два атома углерода, в то время как в молекуле метана — только один. Следовательно, сначала необходимо

превратить метан в органическое вещество, содержащее два атома углерода в молекуле. Такое превращение происходит при пиролизе метана:

В результате реакции образуется ацетилен. В молекуле ацетилена имеется два атома углерода. Однако мы не знаем способов получения этилового спирта непосредственно из ацетилена, поэтому на следующей стадии осуществим гидрирование ацетилена до этилена:

Присоединением воды к этилену получим этиловый спирт:

Пример №29

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно получить 1,2-дихлорпропан из пропанола-2.

Рассмотрим структурные формулы пропанола-2 и 1,2-дихлорпропана:

1,2-Дихлопропан можно получить присоединением хлора к пропилену. Пропилен можно получить отщеплением молекулы воды от пропанола-2. Таким образом на первой стадии получаем из пропанола-2 пропилен:

На следующей стадии получаем 1,2-дихлорпропан присоединением хлора к пропилену:

Знание химических свойств органических веществ позволяет предложить способы получения соединений одного класса из соединений другого класса.

Насыщенные спирты можно рассматривать как продукты замещения атомов водорода в молекулах алканов на гидроксильные группы —ОН. Однако осуществить непосредственное замещение атома водорода в молекуле алкана на гидроксильную группу довольно трудно.

На практике получение спиртов из алканов можно осуществить через галогенпроизводные или через ненасыщенные углеводороды.

Фенолы

Мы познакомились с насыщенными одноатомными и многоатомными спиртами. Эти соединения можно рассматривать как продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекулах алканов на гидрок-

Если в молекуле бензола один атом водорода заменить на гидроксильную группу, то получим соединение, которое называется фенол:

Фенол представляет собой бесцветные кристаллы с характерным запахом и температурой плавления 41 °С. Фенол умеренно растворим в воде. При комнатной температуре в 100 г воды можно растворить примерно 6,5 г фенола.

Обратите внимание на то, что в молекуле фенола гидроксильная группа непосредственно связана с бензольным кольцом. Органические соединения, молекулы которых содержат одну или несколько гидроксильных групп, непосредственно связанных с бензольным кольцом, называются фенолами. Одноатомные фенолы содержат в молекуле одну гидроксильную группу:

При построении названий изомерных метилфенолов нумерацию начинают с атома углерода, с которым связана гидроксильная группа.

Многоатомные фенолы содержат в молекуле несколько гидроксильных групп:

Фенолы следует отличать от ароматических спиртов. В молекулах ароматических спиртов, в отличие от фенолов, гидроксильные группы присоединены не к бензольному кольцу, а к боковой цепи:

Бензиловый спирт представляет собой жидкость с температурой замерзания -15 °С и температурой кипения 205 °С. Несмотря на то, что состав молекул фенола и бензилового спирта различается на группу они не являются гомологами, поскольку относятся к разным классам соединений -фенолов и спиртов. Как мы увидим позднее, химические свойства фенолов и спиртов заметно различаются.

Фенолы — органические соединения, молекулы которых содержат одну или несколько гидроксильных групп, непосредственно связанных с бензольным кольцом.

Одноатомные фенолы содержат в молекуле одну гидроксильную группу, многоатомные — несколько гидроксильных групп.

Фенолы следует отличать от ароматических спиртов. В молекулах ароматических спиртов, в отличие от фенолов, гидроксильные группы присоединены не к бензольному кольцу, а к боковой цепи.

Химические свойства, получение и применение фенола:

В молекуле фенола имеется гидроксильная группа, следовательно, можно ожидать, что фенол будет проявлять химические свойства, присущие спиртам. В то же время из-за влияния бензольного кольца на гидроксильную группу некоторые свойства фенола отличаются от химических свойств спиртов.

1. Взаимодействие со щелочными металлами

Подобно спиртам, фенол реагирует со щелочными металлами. Если в расплавленный фенол пометить кусочек металлического натрия, наблюдается выделение водорода (температура плавления фенола невысока и составляет всего 41 °С). В ходе реакции атом водорода гидроксильной группы замещается на атом натрия: В результате образуется фенолят натрия. Феноляты, подобно алкоголя-там, представляют собой твёрдые солеподобные вещества.

Реакция фенола со щелочными металлами свидетельствует о том, что фенол, как и спирты, проявляет слабые кислотные свойства.

2. Взаимодействие со щелочами (отличие фенола от спиртов)

Кислотные свойства фенола выражены сильнее, чем у спиртов. Это проявляется в том, что в отличие от спиртов, фенол взаимодействует со щелочами:

Образующийся фенолят натрия хорошо растворяется в воде. Таким образом фенол умеренно растворим в воде, но хорошо растворяется в растворе гидроксида натрия, так как при этом образуется растворимый фенолят натрия.

Усиление кислотных свойств фенола по сравнению со спиртами обусловлено влиянием бензольного кольца, которое приводит к уменьшению прочности связи О—Н. В результате атом водорода гидроксильной группы молекулы фенола может замещаться на атом металла не только при взаимодействии со щелочными металлами, но и со щелочами.

По кислотным свойствам фенол превосходит не только спирты, но и воду. Поэтому феноляты, в отличие от алкоголятов, не разлагаются водой. Наличие у фенола кислотных свойств отражает его тривиальное название -карболовая кислота.

Тем не менее фенол — очень слабая кислота. Даже угольная кислота сильнее фенола и поэтому вытесняет его из фенолята натрия: Эту реакцию можно осуществить следующим образом. Через раствор фенолята натрия пропускают углекислый газ, при этом наблюдается помутнение раствора, гак как образующийся фенол выпадает в осадок.

3. Взаимодействие с бромной водой (отличие фенола от бензола)

В молекуле фенола содержится бензольное кольцо, следовательно, можно ожидать, что фенол будет проявлять химические свойства, присущие ароматическим углеводородам, например бензолу. Как вы уже знаете, для бензола характерны реакции замещения атомов водорода. Так, бензол в присутствии катализатора реагирует с бромом. При этом протекает реакция замещения одного атома водорода на бром:

Бромную воду бензол не обесцвечивает!

В молекуле фенола гидроксильная группа влияет на свойства бензольного кольца, облегчая замещение атомов водорода, поэтому взаимодействие фенола с бромом легко протекает и без катализатора. Так, при смешивании разбавленного раствора фенола с бромной водой наблюдается обесцвечивание бромной воды и выпадение белого осадка. Уравнение протекающей реакции:

В результате реакции происходит замещение трёх атомов водорода бензольного кольца атомами брома и образуется 2,4,6-трибромфенол. Отметим, что замещение атома водорода бензольного кольца атомом брома возможно и для бензола, но условия протекания реакции гораздо более жёсткие, чем для фенола. Для этого требуется бром, а не бромная вода, а также катализатор.

Бромирование фенола протекает в мягких условиях, что свидетельствует о повышенной реакционной способности бензольного кольца фенола. Это обусловлено влиянием гидроксильной группы, которая облегчает замещение атомов водорода в положениях 2, 4, 6 бензольного кольца молекулы фенола.

4. Взаимодействие с азотной кислотой

При взаимодействии фенола со смесью концентрированных азотной и серной кислот можно заместить три атома водорода бензольного кольца на группы —

В результате реакции образуется 2,4,6-тринитрофенол. Кислотные свойства 2,4,6-тринитрофенола выражены значительно сильнее, чем у фенола. Тривиальное название 2,4,6-тринитрофенола — пикриновая кислота. Пикриновая кислота и её соли являются взрывчатыми веществами.

Рассмотренные химические свойства фенола демонстрируют взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений: бензольное кольцо усиливает кислотность гидроксильной группы молекулы фенола, в свою очередь, гидроксильная группа влияет на бензольное кольцо, облегчая замещение атомов водорода в положениях 2, 4, 6.

Применение фенола:

Основная часть фенола используется для получения различных полимеров, из которых изготавливают пластмассы, волокна и другие полезные материалы.

Фенол используется также для получения лекарственных препаратов, красителей и других веществ.

Фенол является ядовитым веществом. Ещё более опасными являются хлорпроизводные фенола. Учитывая, что хлор используется при очистке воды, загрязнение питьевой воды фенолом представляет огромную опасность. Поэтому важной проблемой является охрана окружающей среды от промышленных отходов, содержащих фенол.

В молекуле фенола имеется гидроксильная группа и бензольное кольцо, поэтому фенол проявляет некоторые свойства, присущие спиртам и ароматическим углеводородам.

Под влиянием бензольного кольца происходит уменьшение прочности связи О — Не молекуле фенола по сравнению со спиртами, поэтому кислотные свойства фенола выражены сильнее, чем у спиртов.

В отличие от спиртов, фенол взаимодействует со щелочами.

Гидроксильная группа молекулы фенола влияет на бензольное кольцо, облегчая замещение атомов водорода в положениях 2, 4,

6, поэтому, в отличие от бензола, фенол обесцвечивает бромную воду.

Фенол используется для получения пластмасс, волокон, лекарств, красителей и других веществ.

Альдегиды

Строение альдегидной группы:

Вы уже знаете, что атомы кислорода в молекулах органических соединений могут выступать в качестве «мостиков» между алкильным радикалом и атомом водорода (спирты):

либо между двумя алкильными группами (простые эфиры):

Кроме этого, атом кислорода может быть связан с атомом углерода двойной связью:

Данная формула отражает строение новой функциональной группы, которая входит в состав множества органических соединений. Эта группа называется карбонильной группой.

Как видно, атом углерода карбонильной группы образует две связи с атомом кислорода. Две оставшиеся связи атом углерода может образовывать с углеводородными радикалами:

Такие органические соединения относятся к классу кетонов.

Углеводородные радикалы в молекулах кетонов могут быть как одинаковыми, так и различными. В молекуле простейшего кетона оба радикала -метальные группы. Этот кетон называется ацетон:

Ацетон представляет собой легкокипящую жидкость с характерным запахом, неограниченно смешивающуюся с водой. Используется в качестве растворителя и в органическом синтезе. 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 её характерный запах. Синтетический кетон малины применяется в качестве добавки к пищевым продуктам и косметическим средствам. Если соединить карбонильную группу с атомом водорода, то получится альдегидная группа: Соединения, содержащие альдегидную группу, относятся к классу альдегидов. В молекуле простейшего представителя этого класса соединений альдегидная группа связана с атомом водорода:

Эго соединение называется муравьиный альдегид, или формальдегид, и представляет собой бесцветный ядовитый газ с резким запахом, который хорошо растворяется в воде. 40%-й водный раствор формальдегида называется формалин и используется для консервации биологических тканей.

Атом углерода альдегидной группы находится в состоянии-гибридизации. Из одной s- и двух p-орбиталей формируются три гибридные орбитали, за счёт которых атом углерода образует три -связи. Негибридная р-орбиталь атома углерода участвует в образовании -связи с атомом кислорода:

Молекула фомальдегида плоская, валентные углы близки к 120°. Шаростержневая модель молекулы формальдегида:

В молекуле ближайшего гомолога формальдегида альдегидная группа связана с метальным радикалом:

Название этого соединения — уксусный альдегид, или ацетальдегид. Уксусный альдегид при н. у. представляет собой бесцветную жидкость с запахом яблок. Температура кипения уксусного альдегида 21 °С. Шаростержневая модель молекулы уксусного альдегида:

обусловливает их характерные химические свойства.

Поэтому альдегидную группу называют функциональной группой. Таким образом, альдегиды — органические соединения, в молекулах которых содержится группа —СНО, соединённая с атомом водорода или углеводородным радикалом.

Составим общую формулу гомологов уксусного альдегида. В молекулах таких альдегидов группа —СНО соединена с алкильным радикалом или водородом. Как вы уже знаете, алкильный радикал образуется в результате отрыва от молекулы алкана одного атома водорода. Общая формула алкильных радикалов — • Тогда общая формула гомологов уксусного альдегида:

Обратите внимание, что для муравьиного альдегида n = 0. Изомерия альдегидов

Для альдегидов возможна изомерия углеродного скелета. Этот вид изомерии появляется начиная с вещества, содержащего четыре атома углерода в молекуле:

Так как альдегидная группа всегда располагается в начале молекулы, то изомерия, связанная с положением альдегидной группы, невозможна. Однако альдегиды могут быть изомерны кетонам:

Нетрудно убедиться, что оба приведённых вещества имеют одинаковую молекулярную формулу то есть являются изомерами. Номенклатура альдегидов

Муравьиный альдегид и уксусный альдегид — тривиальные, то есть исторически сложившиеся, названия. По систематической номенклатуре названия альдегидов образуются путём прибавления к названию соответствующего алкана суффикса -алъ, который обозначает альдегидную группу. Нумерацию атомов углерода главной цепи всегда начинают с атома углерода альдегидной группы.

Назовём все упомянутые выше альдегиды:

Рассмотрим более сложный случай. Назовём альдегид следующего строения:

Главная цепь состоит из шести атомов углерода. Соответствующий алкан называется гексан. Третий, четвёртый и пятый атомы углерода главной цепи связаны с алкильными радикалами, названия которых перечисляются в алфавитном порядке. Принадлежность соединения к классу альдегидов указываем при помощи суффикса -аль. Тогда название альдегида -4,5-диметил-З-этилгексаналь.

Физические свойства альдегидов:

В таблице 29.1 приведены формулы, названия и температуры кипения некоторых альдегидов.

Как видно из таблицы, температуры кипения альдегидов значительно ниже, чем спиртов с таким же числом атомов углерода в молекуле. Так, температура кипения метанола равна +65 °С, метаналя —20 °С. Это свидетельствует о том, что взаимодействие между молекулами альдегидов слабее, чем между молекулами спиртов.

Напомним, что причиной высоких температур кипения спиртов является наличие между их молекулами водородных связей. Водородные связи достаточно сильно удерживают молекулы спиртов друг возле друга, затрудняя переход в газообразное состояние. Между молекулами альдегидов, в отличие от спиртов, водородные связи не образуются, так как в альдегидах отсутствуют атомы водорода, связанные с атомом кислорода.

Связь С—Н альдегидной группы является малополярной, поэтому положительный заряд на атоме водорода альдегидной группы не достаточен, для образования водородной связи с атомом кислорода соседней молекулы. Вследствие этого температуры кипения альдегидов ниже, чем у спиртов с тем же числом атомов углерода.

Простейшие альдегиды — метаналь, этаналъ, пропаналъ — хорошо растворяются в воде. С увеличением размера углеводородного радикала раство- римость в воде уменьшается.

Альдегиды, молекулы которых содержат неразветвлённую цепь из 8-12 атомов углерода, имеют приятные запахи при сильном разбавлении (в чистом виде — очень резкие) и входят в состав известнейших парфюмерных композиций. Точный состав этих композиций является коммерческой тайной, известно лишь, что духи Chanel № 5, Lancome Climat, Givenchy L'Interdit содержат октаналь но-наналь лауриновый альдегид (рис. 29.2).

Мы познакомились с органическими соединениями, молекулы которых содержат карбонильную группу — альдегидами и кетонами. В следующем параграфе рассмотрим химические свойства альдегидов, их получение и применение.

Альдегиды — органические соединения, молекулы которых содержат альдегидную группу, соединённую с атомом водорода или углеводородным радикалом.

Общая формула гомологов уксусного альдегида

Названия альдегидов образуются путём прибавления суффикса -аль, обозначающего альдегидную группу, к названию соответствующего алкана.

Температуры кипения альдегидов ниже, чем у спиртов, вследствие невозможности образования водородных связей между их молекулами.

Химические свойства, получение и применение альдегидов:

Химические свойства альдегидов прежде всего обусловлены наличием в их молекулах альдегидной группы. По месту двойной связи альдегидной группы могут протекать реакции присоединения.

1. Гидрирование. Присоединение водорода

Молекула альдегида может присоединить по двойной связи молекулу водорода. Такая реакция сопровождаются разрывом -связ и в молекуле альдегида, так как она менее прочная, чем -связь:

Условия протекания данной реакции схожи с реакцией гидрирования алкенов: смесь водорода с парами альдегида пропускают над нагретым никелевым катализатором.

Продуктом присоединения водорода к альдегиду является первичный спирт.

В результате присоединения водорода молекула альдегида восстанавливается, поэтому реакцию с водородом также называют реакцией восстановления альдегидов.

2. Окисление

Альдегидная группа легко окисляется. В качестве окислителей могут выступать ионы металлов, расположенных в ряду активности правее водорода — ионы серебра

Окисление альдегидов аммиачным раствором оксида серебра

Если к разбавленному раствору нитрата серебра приливать раствор аммиака, то выпадает белый осадок оксида серебра:

Этот осадок сразу же растворяется в избытке аммиака. Образующийся прозрачный раствор называется аммиачным раствором оксида серебра. Если к этому раствору прибавить раствор уксусного альдегида и смесь осторожно нагреть, то вскоре на стенках пробирки образуется блестящий зеркальный налёт серебра, благодаря чему эта реакция называется реакцией «серебряного зеркала».

В протекающей реакции уксусный альдегид окисляется до уксусной кислоты, а оксид серебра восстанавливается с образованием металлического серебра:

Реакция «серебряного зеркала» является качественной реакцией на альдегиды.

Окисление альдегидов гидроксидом меди

В качестве окислителя альдегидов до соответствующих кислот может быть использован также гидроксид меди. Для проведения такой реакции в пробирку помещают раствор сульфата меди затем прибавляют раствор щёлочи. При этом выпадает голубой осадок гидроксида меди:

Затем в пробирку с осадком добавляют водный раствор альдегида и смесь нагревают. В процессе нагревания изначально голубой осадок становится жёлтым, а при дальнейшем нагревании — красным. Уравнение протекающей реакции:

Как видно из приведённого уравнения реакции, в результате восстановления гидроксида меди образуется жёлтый осадок гидроксида меди, который при нагревании разлагается с образованием красного оксида меди

Как и в случае реакции «серебряного зеркала», продуктом окисления альдегида является карбоновая кислота.

Реакция окисления альдегидов гидроксидом медитак же, как и реакция «серебряного зеркала», является качественной реакцией на альдегиды.

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.

Получение альдегидов:

1. Неполное окисление спиртов

Как вы уже знаете, альдегиды могут быть получены при неполном окислении первичных спиртов оксидом меди(II) (§ 24). Так, при окислении этилового спирта образуется уксусный альдегид:

Для проведения реакции медную проволоку прокаливают в пламени спиртовки, в результате поверхность проволоки покрывается чёрным оксидом меди(II). Затем проволоку погружают в этиловый спирт, при этом оксид меди(II) окисляет спирт до уксусного альдегида и образуется медь, поэтому проволока снова становится блестящей (видео 24.1, с. 141). 2. Гидратация ацетилена

Уксусный альдегид можно получить по реакции присоединения воды к ацетилену в присутствии солей ртути и серной кислоты: Эта реакция носит имя русского химика Михаила Григорьевича Кучерова. Рассмотрим подробнее, как протекает данная реакция. Сначала молекула воды присоединяется по одной я-связи молекулы ацетилена. При этом образуется неустойчивый виниловый спирт:

Напомним, что радикал — имеет тривиальное называние винил. Спирты, у которых гидроксильная группа находится при двойной связи С —— С, неустойчивы, поэтому виниловый спирт сразу же превращается в уксусный альдегид:

Наибольшее применение имеют муравьиный и уксусный альдегиды.

Некоторые области использования муравьиного альдегида основаны на его свойстве свёртывать белки. Он используется в медицине в качестве консерванта биологических тканей. Формальдегид широко применяется в кожевенном производстве, так как, оказывая влияние на белки кожи, он делает последнюю более твёрдой и устойчивой к гниению.

В результате взаимодействия формальдегида с аммиаком получают лекарственное средство — уротропин.

Кроме того, формальдегид используется в производстве фенолформальдегидных пластмасс. Основу таких пластмасс составляет высокомолекулярное соединение — фенолформальдегидная смола. Она образуется при нагревании фенола с формальдегидом в присутствии катализатора. Механизм образования фенолформальдегидной смолы достаточно сложен и представлен схематически:

Как видно из приведённой схемы, в результате реакции образуется линейный полимер, в котором молекулы фенола соединены группами —— через положения 2 и 6 бензольного кольца. Кроме этого, некоторые остатки фенола содержат в положении 4 бензольного кольца группы —

За счёт групп — при нагревании до 130—150 °С такой полимер «сшивается», образуя очень твёрдую и прочную фенолформальдегидную смолу с «сетчатой» структурой:

Материалы на основе фенолформальдегидных смол обычно изготавливают, смешивая расплавленный полимер линейного строения с наполнителем (древесная мука, стружки, асбест и др.). Далее полученный материал прессуют при нагревании. При этом расплавленный полимер хорошо заполняет форму, а затем затвердевает, образуя «сетчатую» структуру. В результате получается монолитное твёрдое изделие. Некоторые материалы, в которых фенолформальдегидная смола выступает в качестве связующего, вам хорошо знакомы. Например, некоторые виды ДСП (древесностружечная плита) представляют собой смесь древесных стружек, скреплённых между собой фенолформальдегидным полимером.

В процессе образования фенолформальдегидной смолы из низкомолекулярных веществ — фенола и формальдегида в результате отщепления воды образуется высокомолекулярное вещество. Такой процесс называется поликонденсацией. Следует различать процессы поликонденсации и полимеризации. В процессе поликонденсации наряду с высокомолекулярным соединением образуется побочный низкомолекулярный продукт. В рассмотренной реакции поликонденсации фенола с формальдегидом этим продуктом является вода.

В процессе полимеризации высокомолекулярное вещество (полимер) образуется в результате многократно повторяющейся реакции присоединения. Поэтому, в отличие от поликонденсации, процесс полимеризации не сопровождается образованием побочных низкомолекулярных продуктов.

Уксусный альдегид в больших количествах используется для производства уксусной кислоты, а также других органических веществ.

Альдегиды вступают в реакции присоединения по месту двойной связи С=0. В результате присоединения водорода альдегиды восстанавливаются, образуя первичные спирты.

Альдегиды окисляются гидроксидом меди(II) и аммиачным раствором оксида серебра до карбоновых кислот. Эти реакции являются качественными реакциями на альдегидную группу.

Альдегиды могут быть получены окислением первичных спиртов оксидом меди(II).

Уксусный альдегид можно получить присоединением воды к ацетилену в присутствии солей ртути и серной кислоты.

Альдегиды используются для получения пластмасс, лекарственных препаратов, для синтеза органических веществ, а также в парфюмерии.

Карбоновые кислоты

Вы уже знакомы со спиртами и альдегидами — органическими соединениями, молекулы которых содержат гидроксильные и альдегидные группы. Наличие этих групп обусловливает характерные химические свойства указанных классов соединений, поэтому данные группы называют функциональными.

В молекулах карбоновых кислот содержится карбоксильная функциональная группа:

Как видно, карбоксильная группа сочетает в себе карбонильную и гидроксильную группы:

Название «карбоксильная группа» также является сочетанием названий этих двух групп.

Формула карбоксильной группы в сокращённом виде: —СООН.

В молекуле простейшей карбоновой кислоты, карбоксильная группа связана с атомом водорода:

Это соединение называется муравьиная кислота. Шаростержневая модель молекулы муравьиной кислоты:

В молекуле ближайшего гомолога муравьиной кислоты карбоксильная группа связана с метальным радикалом:

Название этого соединения вам хорошо знакомо — это уксусная кислота. Шаростержневая модель молекулы уксусной кислоты:

Составим общую формулу гомологов уксусной кислоты. В молекулах таких кислот группа —СООН соединена с алкильным радикалом или водородом. Общая формула алкильных радикалов — • Тогда общая формула гомологов уксусной кислоты.

Обратите внимание, что для муравьиной кислоты n = 0.

В рассмотренных кислотах углеводородный радикал не содержит кратных связей. Такие карбоновые кислоты называются насыщенными.

Углеводородный радикал карбоновых кислот может содержать одну или несколько кратных связей. Такие кислоты называются ненасыщенными карбоновыми кислотами. Простейшая ненасыщенная карбоновая кислота -акриловая. Её структурная формула:

Карбоновые кислоты, в молекулах которых имеются бензольные кольца, называются ароматическими карбоновыми кислотами. Простейшим представителем таких кислот является бензойная кислота:

Шаростержневая модель молекулы бензойной кислоты:

Молекулы карбоновых кислот могут содержать не только одну, но и несколько карбоксильных групп. Число карбоксильных групп в молекуле карбоновой кислоты определяет её основность. Кислоты, содержащие одну карбоксильную группу, являются одноосновными — это муравьиная, уксусная, акриловая, бензойная и другие кислоты.

Простейшим представителем двухосновных карбоновых кислот является щавелевая кислота:

Щавелевая кислота содержится в листьях щавеля и поэтому получила такое название.

Ароматической двухосновной карбоновой кислотой является терефтале-вая кислота:

Терефталевая кислота используется в производстве синтетического волокна лавсан.

Примером трёхосновной кислоты является лимонная кислота:

Она содержится в лимонах.

Многие карбоновые кислоты присутствуют в продуктах природного происхождения, этим обусловлены и их названия (рис. 31.1).

Карбоновые кислоты — органические соединения, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп — СООН, соединённых с углеводородным радикалом или атомом водорода.

Число карбоксильных групп в молекуле карбоновой кислоты определяет её основность.

Общая формула гомологов уксусной кислоты

Карбоновые кислоты могут быть насыщенными, ненасыщенными, ароматическими, одноосновными и многоосновными.

Насыщенные одноосновные карбоновые кислоты

В молекуле первого представителя гомологического ряда насыщенных одноосновных карбоновых кислот карбоксильная группа связана с атомом водорода:

Как вы уже знаете, эго соединение называется муравьиная кислота. Муравьиная кислота впервые была выделена из лесных муравьёв, чем и обусловлено её название. В природе муравьиная кислота встречается также в крапиве, некоторых фруктах, едких выделениях медуз и т. д. Муравьиная кислота при комнатной температуре представляет собой бесцветную жидкость с резким запахом, температура кипения 101 °С.

Формула следующего представителя гомологического ряда насыщенных одноосновных карбоновых кислот:

Это соединение называется уксусная кислота. Уксусная кислота гак же, как и муравьиная, при комнатной температуре — бесцветная жидкость с резким запахом. Температура кипения уксусной кислоты составляет 118 °С.

Молекулы гомологов уксусной кислоты отличаются от неё на одну или несколько групп и имеют общую формулу

Известны гомологи уксусной кислоты, углеводородный радикал которых включает достаточно длинную цепь из атомов углерода. Важнейшими представителями таких кислот являются пальмитиновая —СООН и стеариновая— СООН.

В молекулах пальмитиновой и стеариновой кислот углеводородные радикалы имеют неразвегвлённое строение. Шаростержневая модель молекулы пальмитиновой кислоты:

Пальмитиновая и стеариновая кислоты выделены из продуктов переработки жиров и имеют название высшие жирные кислоты.

Эти кислоты представляют собой твёрдые бесцветные вещества, нерастворимые в воде. Температуры плавления пальмитиновой и стеариновой кислот составляют 63 и 70 °С соответственно. Изомерия

Для карбоновых кислот возможна изомерия углеродного скелета. Этот вид изомерии так же, как и в случае альдегидов, появляется, начиная с вещества, содержащего четыре атома углерода в молекуле:

Так как карбоксильная группа всегда располагается в начале молекулы, то изомерия, связанная с положением карбоксильной группы, невозможна.

Номенклатура:

Названия муравьиная и уксусная кислоты являются исторически сложившимися, или тривиальными, названиями. По систематической номенклатуре карбоксильная группа обозначается сочетанием «-овая кислота». Название кислоты состоит из названия алкана с тем же, что и у кислоты, числом атомов углерода в молекуле и окончания «-овая кислота». Нумерацию атомов углерода главной цепи всегда начинают с атома углерода карбоксильной группы.

Назовём все упомянутые выше карбоновые кислоты:

Используя правила систематической номенклатуры, можно назвать карбоновые кислоты, молекулы которых имеют более сложное строение, например:

Главная цепь состоит из семи атомов углерода. Соответствующий алкан называется гептан. Третий и пятый атомы углерода главной цепи связаны с алкильными радикалами, названия которых перечисляются в алфавитном порядке. Принадлежность соединения к классу карбоновых кислот указываем при помощи сочетания «-овая кислота». Тогда название карбоновой кислоты -5-метил-З-этилгентановая кислота.

Физические свойства:

В таблице 32.1 приведены формулы, названия и температуры кипения некоторых карбоновых кислот.

Как видно из данных таблицы, температуры кипения карбоновых кислот значительно выше, чем у альдегидов с тем же числом атомов углерода

в молекуле. В отличие от альдегидов, среди карбоновых кислот нет газообразных при комнатной температуре веществ. Отсутствие газообразных веществ мы уже встречали в гомологическом ряду одноатомных спиртов (§ 23). В параграфе 23 указана причина высоких температур кипения спиртов — образование между их молекулами водородных связей. Образование водородных связей между молекулами спиртов возможно благодаря наличию полярных групп —ОН.

В молекулах карбоновых кислот, как и в спиртах, имеется группа —ОН: Поэтому между молекулами карбоновых кислот также образуются водородные связи:

Водородные связи достаточно сильно удерживают молекулы карбоновых кислот друг возле друга, затрудняя переход в газообразное состояние, поэтому карбоновые кислоты имеют высокие температуры кипения.

Простейшие представители карбоновых кислот при обычных условиях представляют собой жидкости с резким запахом. С увеличением размера углеводородного радикала температуры кипения карбоновых кислот увеличиваются. Высшие карбоновые кислоты — пальмитиновая и стеариновая -твёрдые вещества.

Муравьиная, уксусная и пропановая кислоты смешиваются с водой в любых соотношениях, то есть можно приготовить водные растворы этих кислот любого состава. По мере увеличения числа атомов углерода в углеводородном радикале растворимость карбоновых кислот в воде уменьшается. Высшие карбоновые кислоты — пальмитиновая и стеариновая — в воде нерастворимы.

По систематической номенклатуре карбоксильная группа обозначается сочетанием «-овая кислота».

В соответствии с систематической номенклатурой название карбоновой кислоты состоит из названия углеводорода с тем же, что и у кислоты, числом атомов углерода в молекуле и окончания «-овая кислота». Нумерацию атомов углерода главной цепи начинают с атома углерода карбоксильной группы.

Между молекулами карбоновых кислот образуются водородные связи, что обусловливает их высокие температуры кипения.

Химические свойства насыщенных одноосновных карбоновых кислот:

Химические свойства карбоновых кислот во многом обусловлены наличием в их молекулах карбоксильной группы.

1. Кислотные свойства

Кислотные свойства карбоновых кислот выражены значительно сильнее, чем у спиртов и фенола. В водном растворе молекулы карбоновых кислот диссоциируют на катион водорода и анион кислотного остатка

В таблице 33.1 приведены формулы и названия кислотных остатков некоторых карбоновых кислот.

При диссоциации карбоновых кислот образуются ионы Н+, поэтому растворы карбоновых кислот изменяют окраску индикаторов и имеют кислый вкус. От слова «кислый» и происходит название «кислоты». Действительно, присутствие карбоновых кислот во многих овощах и фруктах придаёт им кислый вкус (рис. 31.1, с. 180).

Для обнаружения ионов в лаборатории используют индикаторы. Растворы карбоновых кислот изменяют окраску лакмуса с фиолетовой на розовую, а метилоранжа с оранжевой на красную. Растворы спиртов и фенола на индикаторы не действуют.

Карбоновые кислоты являются слабыми кислотами, то есть диссоциируют на ионы в незначительной степени. Например, в растворе уксусной кислоты с массовой долей равной 6 %, только одна из примерно 250 молекул диссоциирует на катион водорода и анион кислотного остатка. Поскольку в растворе карбоновой кислоты преобладают молекулы, а не ионы, в ионных уравнениях реакций формулы карбоновых кислот следует записывать в молекулярном виде.

Образование ионов водорода в результате диссоциации обусловливает проявление карбоновыми кислотами свойств, общих с неорганическими кислотами. Рассмотрим их и сравним со свойствами неорганических кислот.

Взаимодействие с металлами:

Карбоновые кислоты взаимодействуют с активными металлами, например, с Mg, Al, Zn. В результате образуется соль карбоновой кислоты и выделяется водород:

Сравните приведённое уравнение реакции с уравнением, описывающим взаимодействие цинка с соляной кислотой:

Следует отметить, что при взаимодействии цинка с сильной соляной кислотой наблюдается более интенсивное выделение водорода, чем при взаимодействии со слабыми карбоновыми кислотами.

Взаимодействие с гидроксидами металлов:

Как и неорганические кислоты, карбоновые кислоты реагируют с гидроксидами металлов, при этом образуется соль карбоновой кислоты и вода:

Подобным образом с гидроксидом натрия реагирует и соляная кислота: НС1 + Взаимодействие с аммиаком

Карбоновые кислоты вступают в реакцию с аммиаком с образованием солей аммония:

Сравните приведённое уравнение реакции с уравнением, описывающим взаимодействие аммиака с соляной кислотой:

Взаимодействие с оксидами металлов:

Карбоновые кислоты взаимодействуют с оксидами металлов, при этом образуется соль и вода:

При нагревании в пробирке чёрного порошка с бесцветным раствором уксусной кислоты наблюдается постепенное растворение осадка и

окрашивание раствора в голубой цвет (рис. 33.1). Голубую окраску раствору придают ионы меди . Процесс перехода ионов в раствор наглядно отражает ионное уравнение данной реакции:

Взаимодействие с солями угольной кислоты Карбоновые кислоты сильнее угольной кислоты, поэтому вытесняют её из солей. Напомним, что угольная кислота неустойчива и сразу же распадается на воду и углекислый газ:

Поэтому при действии карбоновых кислот на соли угольной кислоты наблюдается выделение газа:

Взаимодействие с солями угольной кислоты — качественная реакция на карбоновые кислоты.

Эту реакцию часто осуществляют в быту. Во многих кулинарных рецептах так описывается приготовление разрыхлителя для теста: «берём соду, погашенную уксусом». Формула питьевой соды — Приведём уравнение реакции, которая при этом происходит: 2. Взаимодействие со спиртами. Этерификация Помимо проявления типичных кислотных свойств, карбоксильная группа карбоновой кислоты может участвовать в других химических реакциях. Одной из таких реакций является образование сложных эфиров при взаимодействии со спиртами:

На практике данную реакцию проводят следующим образом. В пробирку помещают по концентрированной уксусной кислоты и этилового спирта, затем добавляют 1—2 капли концентрированной серной кислоты (она является катализатором). После непродолжительного нагревания смеси чувствуется специфический приятный запах. Этот запах свидетельствует об образовании нового вещества — сложного эфира.

Протекающая реакция носит название реакция этерификации. Подробнее сложные эфиры будут рассмотрены в следующем разделе. 3. Замещение атома водорода в углеводородном радикале на галоген Важным свойством карбоновых кислот является способность вступать в реакцию замещения атомов водорода углеводородного радикала на галоген (хлор или бром):

Эту реакцию проводят в присутствии красного фосфора.

Следует отметить, что в подобных реакциях происходит замещение атома водорода при соседнем с карбоксильной группой атоме углерода. В результате образуются галогензамещённые карбоновые кислоты, которые широко используются в органическом синтезе. Появление атома галогена рядом с карбоксильной группой приводит к усилению кислотных свойств. Так, бромуксусная кислота примерно в 70 раз сильнее уксусной.

Карбоновые кислоты являются слабыми кислотами. В водном растворе они обратимо диссоциируют на катион водорода и анион кислотного остатка

Образование ионов водорода в результате диссоциации обусловливает проявление карбоновыми кислотами свойств, общих с неорганическими кислотами: они изменяют окраску индикаторов, реагируют с активными металлами, оксидами и гидроксидами металлов, аммиаком, вытесняют угольную кислоту из солей.

Карбоновые кислоты в присутствии серной кислоты реагируют со спиртами с образованием сложных эфиров. Такая реакция называется реакцией этерификации.

Атом водорода в углеводородном радикале карбоновой кислоты может замещаться на атом галогена.

Получение и применение насыщенных одноосновных карбоновых кислот:

1. Окисление альдегидов и спиртов

Как вы уже знаете, карбоновые кислоты образуются при окислении альдегидов: . В органической химии в схемах процессов окисления часто используют символ кислорода в квадратных скобках [О]. Тогда приведённые выше уравнения реакций можно записать в виде схемы:

В свою очередь, альдегиды получаются при окислении спиртов:

Поэтому кислоты могут быть получены при окислении спиртов без выделения альдегида как промежуточного продукта реакции:

При этом в качестве окислителя обычно используют перманганат калия КМпО^ в присутствии серной кислоты.

2. Каталитическое окисление бутана

Уксусную кислоту можно получить в результате окисления бутана кислородом воздуха на катализаторе: а

Как видно из уравнения реакции, из одной молекулы бутана образуются две молекулы уксусной кислоты.

Применение:

Наиболее широкое применение имеет уксусная кислота.

Вам наверняка известно, что разбавленный водный раствор уксусной кислоты, который называется столовый уксус, широко используется в быту как приправа к пище и консервант. Кроме этого, уксусная кислота используется для получения ацетатного шёлка (§ 44) и синтеза лекарств. Так, аспирин является сложным эфиром уксусной кислоты.

Сложные эфиры карбоновых кислот применяются в качестве растворителей и душистых веществ.

Натриевые и калиевые соли пальмитиновой и стеариновой кислот обладают моющими свойствами и являются составной частью моющих средств.

Карбоновые кислоты могут быть получены окислением альдегидов и спиртов.

Уксусную кислоту получают окислением бутана кислородом на катализаторе.

Ненасыщенные одноосновные карбоновые кислоты

Ранее упоминалось, что простейшей ненасыщенной карбоновой кислотой является акриловая кислота:

Акриловая кислота представляет собой бесцветную жидкость с резким запахом, хорошо растворимую в воде, температура её кипения равна 141 °С.

Так как наряду с карбоксильной группой акриловая кислота содержит двойную связь С = С, то она проявляет свойства, характерные и для кислот, и для алкенов. Действительно, акриловой кислоте присущи все свойства карбоновых кислот — она реагирует с металлами, оксидами металлов, щелочами, образует сложные эфиры со спиртами. Так же, как и алкены, акриловая кислота вступает в реакции присоединения по двойной связи С С. Например, акриловая кислота обесцвечивает бромную воду:

Подобно алкенам, акриловая кислота и её производные вступают в реакцию полимеризации:

Полимеры на основе акриловой кислоты широко используются для получения органического стекла, синтетических волокон и др.

Среди ненасыщенных одноосновных карбоновых кислот особый интерес представляют олеиновая — СООН, линолевая — СООН и линоленовая — СООН кислоты, углеводородные радикалы которых содержат одну, две и три двойные связи соответственно.

Все эти кислоты имеют неразветвлённое строение, их структурные формулы:

Остатки данных кислот входят в состав жиров. Поэтому так же, как пальмитиновая и стеариновая кислоты, они называются высшими жирными кислотами.

Так же, как пальмитиновая и стеариновая кислоты, ненасыщенные высшие жирные кислоты нерастворимы в воде.

Олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты, подобно ненасыщенным углеводородам, могут вступать в реакции присоединения по связям С^С. Например, в результате присоединения водорода, олеиновая кислота превращается в стеариновую:

Ненасыщенные высшие жирные кислоты обесцвечивают бромную воду (видео 35.1).

Линоленовая кислота является одной из так называемых омега-3 кислот, так как содержит двойную связь в омега-3 позиции:

Польза таких кислот для организма человека в настоящее время не вызывает сомнений. Эти кислоты не синтезируются нашим организмом, поэтому большое значение имеет употребление в пищу продуктов, богатых этими веществами: жирных сортов рыбы, авокадо, льняного масла и т. д.

Ненасыщенные карбоновые кислоты проявляют химические свойства, характерные для карбоновых кислот и ненасыщенных углеводородов.

Как и другие карбоновые кислоты, ненасыщенные кислоты реагируют с металлами, оксидами и гидроксидами металлов, вступают в реакцию этерификации.

Подобно ненасыщенным углеводородам, ненасыщенные карбоновые кислоты вступают в реакции присоединения по связям С = С.

Остатки ненасыщенных высших карбоновых кислот входят в состав жиров.

Вычисления по уравнениям реакций, протекающих в растворах

Решение расчётных задач, в которых фигурируют не индивидуальные вещества, а их растворы, принципиально не отличается от решения обычных задач, требующих расчёта по уравнению химической реакции. В этом случае необходимо предварительно вычислить содержание реагирующих веществ в растворе (это может быть масса либо количество), затем следует выполнить расчёт по уравнению протекающей химической реакции. Рассмотрим примеры таких задач и их решение.

Пример №30

Имеется 50 г водного раствора муравьиной кислоты с массовой долей НСООН, равной 10 %. Рассчитайте массу 5%-го раствора NaOH, который потребуется для нейтрализации кислоты.

Решение:

Уравнение протекающей реакции:

Рассчитаем массу кислоты:

Рассчитаем количество кислоты: Из уравнения реакции следует, что для нейтрализации кислоты потребуется 0,109 моль щёлочи.

Рассчитаем массу щёлочи:

Рассчитаем массу 5%-го раствора NaOH: Ответ: потребуется 87,2 г 5%-го раствора щёлочи.

Пример №31

Какой объём 6%-го раствора уксусной кислоты плотностью потребуется для того, чтобы «погасить» 3 г питьевой соды? Какой объём углекислого газа (н. у.) при этом выделится?

Решение:

Уравнение реакции взаимодействия питьевой соды с уксусной кислотой: Рассчитаем количество соды: Рассчитаем объём 6%-го раствора уксусной кислоты плотностьюкоторый потребуется для взаимодействия с гидрокарбонатом натрия количеством 0,0357 моль:

Рассчитаем объём 0,0357 моль углекислого газа (н.у.), который выделится в результате данной реакции:

Ответ: потребуется кислоты, выделится углекислого газа.

Пример №32

Для полной нейтрализации уксусной кислоты, растворённой в воды, потребовалось раствора гидроксида натрия с молярной концентрацией Рассчитайте массовую долю уксусной кислоты в исходном растворе.

Решение:

Уравнение протекающей реакции:

Рассчитаем количество гидроксида натрия, израсходованного на нейтрализацию уксусной кислоты:

Из уравнения реакции следует, что в растворе уксусной кислоты содержалось 0,0117 моль вещества. Масса уксусной кислоты: лг(к-ты) = = 0,0117 моль 60 r/моль = 0,702 г.

Рассчитаем массовую долю уксусной кислоты в исходном растворе. Напомним, что общая масса раствора является суммой масс растворителя

и растворённого вещества. Плотность воды равна . Ответ: 2,29 %

Вычисления по уравнениям реакций, протекающих в растворах, принципиально не отличаются от обычных расчётов по уравнениям химических реакций.

Для решения задач такого типа следует, используя данные по составу растворов, рассчитать количества реагирующих веществ, затем выполнить расчёт по уравнению реакции.

Взаимосвязь между углеводородами, спиртами, альдегидами, карбоновыми кислотами

В ходе изучения органической химии вы могли убедиться, что между отдельными классами органических соединений существует взаимосвязь, позволяющая осуществлять синтез одних соединений из других. Приведём примеры задач, которые можно решить, используя знания о взаимосвязи соединений различных классов.

Пример №33

Предложите способ получения уксусной кислоты из ацетилена.

Рассмотрим структурные формулы ацетилена и уксусной кислоты:

Мы не знаем химической реакции, позволяющий непосредственно получить уксусную кислоту из ацетилена. Следовательно, для осуществления этого превращения потребуется несколько стадий.

Общим способом получения карбоновых кислот является окисление соответствующих альдегидов. Таким образом, сначала необходимо получить из ацетилена уксусный альдегид:

Далее окисляем уксусный альдегид до уксусной кислоты:

Пример №34

Предложите способ получения уксусной кислоты из этилена.

Рассмотрим структурные формулы этилена и уксусной кислоты:

Для осуществления этого превращения вновь потребуется несколько стадий.

Вспомним, что карбоновые кислоты можно получить при окислении не только альдегидов, но и спиртов (без выделения промежуточно образовавшегося альдегида). В частности, уксусную кислоту можно получить окислением этанола растворомв присутствии серной кислоты. Следовательно, нам необходимо получить из этилена этанол:

Далее окисляем этанол до уксусной кислоты:

Пример №35

Приведите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: Каждое из указанных превращений можно осуществить в одну стадию. Приведём уравнения соответствующих реакций:

Существует взаимосвязь между углеводородами, спиртами, альдегидами и карбоновыми кислотами, благодаря чему можно получать из соединений одного класса соединения других классов.

Альдегиды получают окислением спиртов, восстановление альдегидов приводит к спиртам.

Карбоновые кислоты получают окислением спиртов и альдегидов.

Сложные эфиры

Изучая карбоновые кислоты, мы познакомились с реакцией этерификации — образованием сложного эфира при взаимодействии карбоновой кислоты со спиртом:

Название сложного эфира составляют из названий спирта и кислоты, из которых он образуется. Например, приведённый выше сложный эфир образовался из метилового спирта и уксусной кислоты, поэтому его название -метиловый эфир уксусной кислоты. Существует другой способ построения названий сложных эфиров. В этом случае исходят из названия соответствующего кислотного остатка (табл. 33.1, с. 187) и связанного с ним радикала. В приведённом выше сложном эфире остаток уксусной кислоты (ацетат) связан с метальным радикалом. Такой сложный эфир называется метил-ацетатом.

Пример №36

Дадим название сложному эфиру:

Как видно, данный эфир образован остатками этилового спирта и муравьиной кислоты. Название данного эфира — этиловый эфир муравьиной кислоты, или этилформиат.

Физические свойства:

Сложные эфиры простейших карбоновых кислот и спиртов представляют собой жидкости, часто имеющие приятный запах фруктов или цветов.

Например, пентиловый эфир уксусной кислоты имеет запах груш, пентило-вый эфир бутановой кислоты — запах абрикосов, бутиловый эфир бутановой кислоты — ананасов и т. д. Действительно, приятные запахи цветов и фруктов часто обусловлены наличием в их составе сложных эфиров.

Получение:

Сложные эфиры получают по уже известной вам реакции этерификации. Например, этиловый эфир уксусной кислоты можно получить из этанола и уксусной кислоты:

Серная кислота выступает в роли катализатора. Для проведения данной реакции используют концентрированные (практически не содержащие воду) растворы этилового спирта, уксусной и серной кислот. В результате нагревания смеси исходных веществ сложный эфир удаляется из реакционной смеси в виде газа и затем конденсируется в пробирке-приёмнике:

Удаление этилового эфира уксусной кислоты из реакционной смеси объясняется тем, что среди всех участвующих в реакции веществ этиловый эфир уксусной кислоты имеет наименьшую температуру кипения Сравнительно невысокая температура кипения сложного эфира обусловлена тем, что в его молекуле отсутствуют полярные группы —ОН, следовательно, между молекулами эфира не могут образовываться водородные связи. В молекулах воды, этанола, уксусной и серной кислот содержатся группы — ОН, поэтому в этих веществах имеются водородные связи и их температуры кипения выше, чем у этилового эфира уксусной кислоты.

Химические свойства:

Кислотный гидролиз

Важное химическое свойство сложных эфиров — взаимодействие их с водой в присутствии серной кислоты, приводящее к образованию карбоновой кислоты и спирта. Эта реакция называется кислотным гидролизом сложного эфира: Как видно, гидролиз сложного эфира является реакцей, обратной реакции этерификации. Если для проведения реакции этерификации использовались концентрированные (практически не содержащие воду) растворы исходных веществ, то гидролиз, наоборот, проводят в избытке воды.

Щелочной гидролиз:

Для того чтобы предотвратить обратную реакцию — взаимодействие получающихся спирта и кислоты с образованием эфира — можно проводить гидролиз в присутствии щёлочи {щелочной гидролиз). В таком случае, щёлочь будет превращать карбоновую кислоту в соль и тем самым устранять возможность протекания обратной реакции:

Применение:

Благодаря приятному запаху сложные эфиры применяются в производстве фруктовых вод, кондитерских изделий, косметики. Некоторые сложные эфиры, например этиловый эфир уксусной кислоты, применяют в качестве растворителей.

Синтетическое волокно лавсан является сложным эфиром полимерного строения. Его получают в результате взаимодействия терефталевой кислоты и этиленгликоля:

Как видно, вещества взаимодействуют между собой по типу многократно повторяющейся реакции этерификации, в результате образуются макромолекулы лавсана и низкомолекулярный продукт — вода. Напомним, что процессы в результате которых из низкомолекулярных веществ образуется высокомолекулярное соединение и побочный низкомолекулярный продукт, называются поликонденсацией (§ 30). Так как лавсан является продуктом многократно повторяющейся реакции этерификации, его можно назвать полиэфиром, поэтому лавсан относится к синтетическим полиэфирным волокнам. В нашей стране лавсан получают на ОАО «Могилёвхимволокно».

Сложные эфиры образуются при взаимодействии карбоновых кислот со спиртами — реакция этерификации. Названия сложных эфиров составляют из названий спирта и кислоты, из которых они образуются.

Сложные эфиры простейших карбоновых кислот и спиртов — жидкости с приятными запахами.

Сложные эфиры взаимодействуют с водой с образованием соответствующей карбоновой кислоты и спирта.

Синтетическое полиэфирное волокно лавсан получают в результате реакции поликонденсации между терефталевой кислотой и этиленгликолем.

Жиры

Жиры широко распространены в природе. Наряду с углеводами и белками, они входят в состав всех живых организмов.

Основу жиров составляют сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и карбоновых кислот. Такие сложные эфиры называются триглицеридами. Общая формула триглицеридов:

Символами обозначены углеводородные радикалы, которые входили в состав карбоновых кислот. Углеводородные радикалы в составе молекулы триглицерида могут быть одинаковыми или разными. Например, если триглицерид образован остатками стеариновой кислоты, то он называется тристеарат глицерина:

Приведём формулу триглицерида, содержащего два остатка пальмитиновой и один остаток олеиновой кислоты:

Жир является смесью различных триглицеридов. Таким образом, свойства жира во многом зависят от строения карбоновых кислот, остатки которых входят в состав триглицеридов, а также от относительного содержания этих остатков в жире. Чаще всего в состав жиров входят остатки следующих кислот: пальмитиновой, стеариновой, олеиновой, линолевой, линоленовой. В таблице 39.1 приведены формулы и температуры плавления этих кислот.

Таблица 39.1. Формулы, названия и температуры плавления высших жирных карбоновых кислот

Как видно из данных таблицы, ненасыщенные кислоты имеют более низкие температуры плавления, чем насыщенные. Поэтому жиры, содержащие большое количество остатков ненасыщенных карбоновых кислот, будут жидкими. Такие жиры имеют растительное происхождение и называются растительными маслами. Жиры, содержащие большое количество остатков насыщенных карбоновых кислот, — твёрдые. Это животные жиры.

В таблице 39.2 приведено примерное содержание остатков насыщенных и ненасыщенных карбоновых кислот в различных жидких и твёрдых жирах. Таблица 39.2. Примерное содержание остатков карбоновых кислот (в % по массе) в составе жиров

Как видно из таблицы 39.2, в оливковом и подсолнечном масле (растительные жиры) большое содержание остатков ненасыщенных кислот — более 85 %. Содержание остатков насыщенных кислот в этих жирах невелико — менее 10%. В говяжьем и бараньем жире (животные жиры), наоборот, большое содержание остатков насыщенных кислот — более 50 %.

Наличие большого количества остатков ненасыщенных кислот в растительных жирах обусловливает особую ценность их в качестве компонентов здорового питания. В живом организме присутствие этих веществ блокирует вредные процессы с участием свободных радикалов за счёт наличия реакционно-способных двойных связей С^С. Это препятствует преждевременному старению и предотвращает развитие многих болезней. Поэтому один из принципов здорового питания — употребление в пищу преимущественно не животных, а растительных жиров (оливкового, подсолнечного и др. масел).

Жиры нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях.

Химические свойства:

1. Гидрирование

Жидкие жиры можно превратить в твёрдые, осуществив реакцию присоединения водорода по двойным связям С=С остатков ненасыщенных кислот. Этот процесс, который называется гидрированием жиров, широко используется в промышленности для получения твёрдых жиров — исходных веществ для производства моющих средств и маргарина.

В качестве примера приведём уравнение реакции гидрирования триглицерида олеиновой кислоты до триглицерида стеариновой кислоты:

2. Гидролиз

Так как триглицериды являются сложными эфирами, они подвергаются кислотному и щелочному гидролизу.

Кислотный гидролиз

При нагревании в присутствии кислот жиры гидролизуются до глицерина и соответствующих карбоновых кислот. Приведём уравнение реакции кислотного гидролиза на примере триглицерида пальмитиновой кислоты:

Так как жир является смесью триглицеридов, то при гидролизе жира образуется смесь карбоновых кислот и глицерин.

Щелочной гидролиз:

Процесс щелочного гидролиза имеет особое значение, потому что в результате наряду с глицерином образуются соли карбоновых кислот. Например, при гидролизе триглицерида стеариновой кислоты раствором гидроксида натрия образуется натриевая соль стеариновой кислоты — стеарат натрия:

Натриевые и калиевые соли высших жирных кислот являются основой мыла. В связи с этим реакцию щелочного гидролиза иногда называют омылением.

Из реакционной смеси, образовавшейся в результате щелочного гидролиза жира, соли высших карбоновых кислот извлекают путём добавления хлорида натрия при перемешивании. По мере насыщения раствора хлоридом натрия растворимость солей высших карбоновых кислот уменьшается, раствор начинает мутнеть и, наконец, соли высших жирных кислот всплывают над прозрачной жидкостью в виде творожистых хлопьев, которые отделяют, промывают водой, добавляют красители, отдушки и прессуют в обычные куски мыла.

Мыла и онятие о синтетических моющих средствах

Рассмотрим, как проявляется моющий эффект мыла. В воде калиевые и натриевые соли карбоновых кислот диссоциируют на ионы:

Анион высшей карбоновой кислоты представляет собой длинный углеводородный радикал, связанный с группой — Эти два фрагмента обладают противоположными по отношению к воде свойствами. Практически неполярный углеводородный радикал не растворяется в воде — является гидрофобным. Полярная группа — наоборот, сильно взаимодействует с водой — является гидрофильной'.

Так как гидрофобная часть стремится вытолкнуться из воды, анионы высших карбоновых кислот располагаются на поверхности воды следующим образом:

За счёт находящейся над поверхностью гидрофобной части анионы карбоновых кислот взаимодействуют с частицами загрязнителя, например жира, которые также обладают малой полярностью («подобное растворяется в подобном»). При этом образуются капельки, в которых гидрофильные части мыла направлены наружу и взаимодействуют с водой, а гидрофобные части взаимодействуют с загрязнителем, находящимся внутри капли. То есть мыло является своеобразным переносчиком нерастворимого в воде загрязнения в раствор. Описанный процесс можно наглядно отобразить в следующем виде:

Моющее действие мыла снижается в воде, содержащей ионы и , такая вода называется жёсткой. Причина в том, что ионы и образуют с анионами кислотных остатков высших карбоновых кислот нерастворимые соли:

При этом анион кислотного остатка связывается в нерастворимое соединение, выводится из раствора, и мыло утрачивает моющее действие.

В настоящее время разработаны синтетические моющие средства, которые обладают моющим действием даже в жёсткой воде, так как не образуют осадков с ионами и . Примером такого соединения является лау-рилсульфат натрия

Современные моющие средства представляют собой многокомпонентные смеси, в состав которых входят соли карбоновых кислот и синтетические моющие средства, а также ароматизаторы, антислеживающие компоненты, вещества, регулирующие ценообразование и др.

Основу жиров составляют триглицериды — сложные эфиры, образованные трёхатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами.

В твёрдых жирах большое содержание остатков насыщенных жирных кислот, в жидких жирах преимущественно содержатся остатки ненасыщенных жирных кислот.

В результате гидрирования жидких жиров получают твёрдые жиры.

Продуктами кислотного гидролиза жиров являются глицерин и карбоновые кислоты, щелочного гидролиза — глицерин и соли карбоновых кислот.

Натриевые и калиевые соли высших жирных кислот являются компонентами моющих средств.

Углеводы

Органические соединения, относящиеся к классу углеводов, широко распространены в природе. Они содержатся в живых организмах. Со многими из них мы часто встречаемся в повседневной жизни, это хорошо известные всем сахароза (обычный сахар), глюкоза, крахмал.

Состав большинства углеводов подчиняется общей формуле Концентрированная серная кислота, являясь сильным водоотнимающим средством, способна отнимать воду от молекул углеводов. Приведём схему реакции, протекающей при действии концентрированной серной кислоты на сахарозу:

Данную реакцию можно провести следующим образом.

В узкий химический стакан помещают 4—5 г сахарной пудры. Затем в стакан добавляют примерно 10 концентрированной серной кислоты и содержимое перемешивают стеклянной палочкой. Через короткое время смесь темнеет, затем чернеет и превращается в «чёрную змею», выползающую из стакана. «Змея» представляет собой уголь, вспененный выделяющимися парами воды.

Несмотря на то, что состав многих углеводов подчиняется общей формуле и они обугливаются при действии сильных водоотнимающих средств, углеводы не являются гидратами углерода, то есть не являются соединениями углерода с водой.

Рассмотрим строение и свойства одного из представителей класса углеводов — глюкозы.

Глюкоза

Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. Молекулярная формула глюкозы —Эту формулу можно представить, как то есть она подчиняется общей формуле при n= m = 6.

Попробуем теперь определить, какие функциональные группы содержатся в молекуле глюкозы. Хорошая растворимость глюкозы в воде может быть связана с наличием в молекуле гидроксильных групп (вспомним, что многоатомные спирты этиленгликоль и глицерин неограниченно смешиваются с водой). Проверим, вступает ли глюкоза в качественную реакцию на многоатомные спирты. В пробирку нальём 1—2 раствора щёлочи, затем немного раствора сульфата меди(II). При этом выпадает голубой осадок гидроксида меди(II):

Затем в пробирку с осадком добавим водный раствор глюкозы. При этом гидроксид меди(II) растворяется и образуется прозрачный раствор васильково-синего цвета. Растворение гидроксида меди(II) при взаимодействии с глюкозой происходит вследствие образования растворимого в воде комплексного соединения, подобно тому, как это происходило в случае глицерина (видео 25.1, с. 147). Опыт доказывает, что в молекуле глюкозы имеется несколько гидроксильных групп. Установлено, что молекула глюкозы содержит пять гидроксильных групп. Тогда шестой атом кислорода входит в состав другой функциональной группы. Можно предположить, что этой функциональной группой является альдегидная группа.

Проверим, вступает ли глюкоза в качественные реакции на альдегидную группу. В пробирку поместим 1—2 раствора глюкозы, затем добавим примерно столько же аммиачного раствора оксида серебра и нагреем смесь. Через некоторое время стенки пробирки покроются тонким слоем серебра. Реакция «серебряного зеркала» является качественной реакцией на альдегидную группу, следовательно, в молекуле глюкозы имеется альдегидная группа (видео 30.1, с. 170).

Таким образом, глюкоза является одновременно многоатомным спиртом и альдегидом. Структурная формула глюкозы:

Представленная форма называется линейной формой глюкозы. Установлено, что в водном растворе глюкозы, помимо линейной формы, присутствуют также циклические формы глюкозы.

Циклические формы глюкозы:

Свойство молекулы глюкозы замыкаться в цикл обусловлено присутствием в ней реакционно-способных функциональных групп — гидроксильных и альдегидной, способных взаимодействовать друг с другом. Мы уже знаем, что для альдегидов характерны реакции присоединения по двойной связи С=О. На схеме показано, как такая реакция протекает в молекуле глюкозы:

Из схемы видно, что с альдегидной группой взаимодействует гидроксил, соединённый с пятым атомом углерода. При этом -связь между атомами углерода и кислорода альдегидной группы разрывается, к атому углерода присоединяется атом кислорода гидроксильной группы, образуя цикл, состоящий из шести атомов (пяти атомов углерода и одного атома кислорода). К атому кислорода альдегидной группы присоединяется атом водорода гидроксильной группы. В итоге образуется циклическая форма глюкозы.

В циклической форме глюкозы, как и в линейной форме, имеется пять гидроксильных групп. В го же время в циклической форме глюкозы нет ал ьде гид но й группы.

Процесс циклизации обратим. Поэтому в водном растворе глюкозы одновременно содержатся и линейная и циклические формы.

Приведённая схема циклизации глюкозы наглядно показывает, за счёт взаимодействия каких атомов молекулы происходит образование цикла. Рассмотрим теперь пространственное расположение атомов в циклической форме глюкозы. Для этого представим процесс внутримолекулярной циклизации более детально.

За счёт вращения вокруг одинарных связей С — С углеродная цепь линейной формы глюкозы может принимать различные пространственные формы (§ 7, лабораторный опыт 1, с. 43). В одной из таких форм гидроксильная группа пятого атома углерода оказывается пространственно сближенной с альдегидной группой:

Рис. 40.1. Схема внутримолекулярной циклизации глюкозы Из схемы видно, что циклизация может произойти либо в момент, когда атом кислорода альдегидной группы находится внизу, либо в момент, когда за счёт вращения вокруг связи С1—С2 альдегидная группа развернётся на 180° и атом кислорода альдегидной группы окажется вверху. В зависимости от этого при циклизации глюкозы могут образоваться две циклические формы (), которые различаются между собой пространственным расположением гидроксильной группы у первого атома углерода. В циклической а-форме эта гидроксильная группа находится под циклом, а в циклической форме -над циклом (рис. 40.1). Пространственное расположение остальных заместителей относительно цикла в -формах глюкозы одинаковое.

Так, группа —у пятого атома углерода располагается над циклом, гидроксильная группа четвёртого атома углерода — под циклом, гидроксильная группа третьего — над циклом, второго — под циклом:

Рис. 40.2. Чередование положения заместителей относительно цикла в молекуле а-глюкозы Таким образом, в циклических формах глюкозы у атомов углерода с номерами 2—5 положения заместителей относительно цикла чередуются (рис. 40.2).

Поскольку процесс циклизации глюкозы обратим, то в водном растворе глюкозы одновременно присутствуют линейная и циклические а- и формы. При этом примерно 65 % молекул глюкозы находится в-форме, 34 % — в a-форме и менее 1 % в линейной форме. Между различными формами глюкозы в растворе существует динамическое равновесие, то есть постоянно происходит образование и раскрытие циклов (рис. 40.1).

Реакция «серебряного зеркала» может быть использована для изготовления новогодних ёлочных игрушек. Для этого в стеклянную заготовку игрушки заливают смесь аммиачного раствора оксида серебра и глюкозы, затем заготовку нагревают. Если нагреванию подвергалась одна сторона заготовки, посеребрённой оказывалась соответствующая часть игрушки, при нагревании со всех сторон вся игрушка становилась посеребрённой (рис. 40.3). Сейчас эта технология используется редко.

Глюкоза является представителем класса углеводов.

Молекулярная формула глюкозы

Глюкоза может существовать в линейной и циклической формах. В водном растворе глюкозы одновременно присутствуют линейная и циклические а- и -формы. Между различными формами глюкозы в растворе существует динамическое равновесие, то есть постоянно происходит образование и раскрытие циклов.

В линейной форме глюкозы имеется одна альдегидная и пять гидроксильных групп. Поэтому глюкоза вступает в качественные реакции на альдегиды («серебряного зеркала») и многоатомные спирты (образование раствора васильково-синего цвета с гидроксидом меди(II)).

Химические свойства глюкозы:

В молекуле глюкозы имеются альдегидная и гидроксильные группы, поэтому для неё характерны химические свойства как альдегидов, так и многоатомных спиртов.

Сначала рассмотрим реакции с участием альдегидной группы молекулы глюкозы. Поскольку альдегидная группа имеется только в линейной форме глюкозы, в уравнениях реакции будем записывать формулу глюкозы в линейной форме.

1. Присоединение водорода. Восстановление

Альдегидная группа глюкозы может присоединить молекулу водорода. Эта реакция сопровождается разрывом л-связи между атомами углерода и кислорода альдегидной группы:

Образующийся шестиатомный спирт называется сорбит. Он имеет сладкий вкус и используется в качестве заменителя сахара.

В результате присоединения водорода молекула глюкозы восстанавливается, поэтому реакцию с водородом также называют реакцией восстановления.

2. Окисление аммиачным раствором оксида серебра

Глюкоза даёт качественную реакцию на альдегиды, восстанавливая серебро из аммиачного раствора оксида серебра (реакция «серебряного зеркала»), При этом альдегидная группа молекулы глюкозы окисляется до карбоксильной:

В результате реакции образуется глюконовая кислота.

3. Взаимодействие с гидроксидом меди(II)

Взаимодействие с гидроксидом меди(II) является качественной реакцией как на многоатомные спирты, так и на альдегиды. Глюкоза проявляет свойства как многоатомных спиртов, так и альдегидов. Рассмотрим, что будет наблюдаться при взаимодействии глюкозы с гидроксидом меди(II). Смешаем в пробирке растворы щёлочи и сульфата меди(II). При этом выпадает голубой осадок гидроксида меди(II):

При добавлении в пробирку водного раствора глюкозы происходит растворение гидроксида меди(II) и образуется прозрачный раствор васильковосинего цвета. Такой же эффект наблюдается при действии многоатомных спиртов на свежеосаждённый гидроксид меди(II). Как и в случае многоатомных спиртов, растворение гидроксида меди(II) при взаимодействии с глюкозой происходит вследствие образования растворимого в воде комплексного соединения (§ 25). Эта реакция является качественной реакцией на многоатомные спирты.

В то же время взаимодействие глюкозы с гидроксидом меди(II) 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 ведёт себя совершенно иначе. При нагревании в пробирке сначала образуется жёлтый осадок, который затем краснеет. Образующаяся смесь напоминает морковный сок. Уравнение протекающей реакции:

Красный осадок представляет собой оксид меди(I) В данной реакции гидроксид меди(II) восстанавливается до оксида меди(I), а глюкоза окисляется до глюконовой кислоты.

В описанном эксперименте глюкоза сначала проявляет свойства многоатомного спирта, растворяя свежеосаждён-ный гидроксид меди(II). При нагревании смеси происходит реакция уже с альдегидной группой глюкозы — ионы меди(II) окисляют её до карбоксильной группы.

4. Спиртовое брожение

Некоторые микроорганизмы, например дрожжи, обладают способностью преобразовывать глюкозу в этиловый спирт. Этот процесс называется спиртовым брожением глюкозы:

5. Молочнокислое брожение

Молочнокислые бактерии обладают способностью преобразовывать глюкозу в молочную кислоту. Этот процесс называется молочнокислым брожением глюкозы: 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 обусловлен кислый вкус этих продуктов. Молочная кислота образуется также в процессах квашения капусты, мочения яблок, силосования зелёных кормов, она препятствует про-теканию процессов гниения и позволяет сохранять продукты долгое время.

Глюкоза широко встречается в природе в составе многих овощей и фруктов. Особенно много её в винограде, поэтому глюкозу часто называют виноградным сахаром.

Глюкоза используется в медицине как лекарственный препарат, в частности при ослаблении и интоксикации организма.

В природе глюкоза образуется в зелёных растениях в процессе фотосинтеза: свет

В промышленности глюкозу получают из целлюлозы и крахмала, подробнее об этом — в следующих параграфах. В молекуле глюкозы имеются альдегидная и гидроксильные группы, поэтому для неё характерны химические свойства как альдегидов, так и многоатомных спиртов.

Глюкоза даёт качественную реакцию на многоатомные спирты — образование раствора васильково-синего цвета при взаимодействии со свежеосаждённым гидроксидом меди(II).

Глюкоза даёт качественные реакции на альдегидную группу, окисляясь до глюконовой кислоты при нагревании с гидроксидом меди(II) или аммиачным раствором оксида серебра.

Как и альдегиды, глюкоза присоединяет водород. При этом происходит восстановление глюкозы и образуется шестиатомный спирт сорбит.

Под действием бактерий глюкоза подвергается спиртовому брожению с образованием этанола и молочнокислому брожению с образованием молочной кислоты.

Фруктоза

Ещё один углевод, с которым нам предстоит познакомиться, — фруктоза. Фруктоза представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Фруктоза примерно в два раза слаще глюкозы, она входит в состав пчелиного мёда.

Молекулярная формула фруктозы такая же, как и у глюкозы, - то есть она является изомером глюкозы. Вы уже знаете, что в молекуле глюкозы содержится альдегидная группа. В молекуле фруктозы, в отличие от глюкозы, имеется кетонная группа:

Кроме кетонной группы, в молекуле фруктозы содержится пять гидроксильных групп. Таким образом, фруктоза является одновременно многоатомным спиртом и кетоном.

Как и глюкоза, фруктоза образует циклические а- и -формы:

Эти формы различаются между собой пространственным расположением гидроксильной группы у второго атома углерода. Из схемы видно, что, в отличие от глюкозы, для фруктозы характерно образование пятичленных циклов.

Сахароза

Остатки глюкозы и фруктозы входят в состав хорошо известного углевода — сахарозы, то есть обычного сахара.

Сахароза — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. Молекулярная формула сахарозы Процесс образования молекулы сахарозы из глюкозы и фруктозы можно представить следующей схемой:

Приведённая схема показывает, что молекула сахарозы состоит из остатков двух углеводов — глюкозы и фруктозы. Поэтому сахароза относится к дисахаридам. Соответственно, глюкоза и фруктоза являются моносахаридами.

Остатки глюкозы и фруктозы в составе молекулы сахарозы связаны между собой кислородным мостиком, образовавшимся в результате отщепления одной молекулы воды от двух молекул моносахаридов: глюкозы и фруктозы.

Химические свойства сахарозы:

В молекуле сахарозы связь между остатками глюкозы и фруктозы осуществляется за счёт гидроксильной группы первого атома углерода молекулы глюкозы. В связи с этим в молекуле сахарозы циклическая форма глюкозы зафиксирована, и образование линейной формы, содержащей альдегидную группу, невозможно. Поэтому сахароза не проявляет свойств, характерных для альдегидов. Например, сахароза не даёт реакцию «серебряного зеркала».

1. Взаимодействие сахарозы с гидроксидом меди(II)

Взаимодействие с гидроксидом меди(II) является качественной реакцией

на многоатомные спирты. При добавлении раствора сахарозы к свежеосаж-дённому гидроксиду меди(II) образуется прозрачный раствор васильковосинего цвета. Эта реакция доказывает, что сахароза является многоатомным спиртом.

При нагревании полученного раствора красный осадок гидроксида меди(I) не образуется. Это доказывает, что, в отличие от глюкозы, сахароза не проявляет свойств, характерных для альдегидов.

2. Гидролиз сахарозы

Наличие в молекуле сахарозы остатков глюкозы и фруктозы может быть доказано экспериментальным путём. Если к раствору сахарозы добавить несколько капель серной кислоты и раствор прокипятить, произойдёт гидролиз сахарозы, и в растворе образуются глюкоза и фруктоза:

Наличие в продуктах гидролиза глюкозы подтверждается с помощью качественных реакций на альдегидную группу.

Получение сахарозы:

Сахароза содержится в сахарном тростнике и сахарной свёкле. Поэтому получение сахарозы сводится к её выделению из сока этих растений.

Для получения сахара из сахарного тростника его прессуют, выделившийся сок очищают и выпаривают.

В Беларуси сахар получают из сахарной свёклы. Крупнейшие в нашей стране сахарные заводы расположены в Скиделе, Городее и Слуцке. Для получения сахара вымытую сахарную свёклу измельчают и обрабатывают горячей водой. В результате сахароза из сахарной свёклы переходит в водный раствор. Кроме сахарозы, в раствор переходит и много других веществ, содержащихся в сахарной свёкле, поэтому полученный раствор подвергают многократной очистке. Очищенный сахарный сироп упаривают, выпавшие кристаллы сахарозы отфильтровывают и получают сахар.

Молекулярная формула фруктозы

Фруктоза и глюкоза являются изомерами.

В линейной форме фруктозы имеется кетонная группа и пять гидроксильных групп.

Молекулярная формула сахарозы

Сахароза является дисахаридом и состоит из остатков глюкозы и фруктозы, связанных кислородным мостиком.

Сахароза вступает в качественную реакцию на многоатомные спирты, образуя со свежеосаждённым гидроксидом меди(II) раствор васильково-синего цвета.

Сахароза не даёт качественных реакций на альдегидную группу.

В результате гидролиза сахарозы образуются глюкоза и фруктоза.

Сахарозу получают из сахарного тростника и сахарной свёклы.

Крахмал

Крахмал представляет собой белый порошок. В отличие от глюкозы, фруктозы и сахарозы, он не имеет сладкого вкуса и не растворяется в холодной воде. При смешивании с горячей водой крахмал образует вязкий, клейкий коллоидный раствор — клейстер. При помощи этого раствора можно приклеить бумагу к различным поверхностям.

Крахмал широко распространён в природе, он образуется в результате фотосинтеза и накапливается в семенах, клубнях и плодах растений (рис. 43.1). Наиболее богаты крахмалом зёрна кукурузы, пшеницы и риса (содержание крахмала достигает 70—80 %), а также клубни картофеля (более 20 %).

Состав и строение крахмала:

Рассмотрим состав и строение крахмала. Молекулярная формула крахмала (, то есть крахмал является полимером. Установлено, что макромолекулы крахмала состоят из остатков а-глюкозы. Тогда процесс образования крахмала из глюкозы можно представить следующей схемой:

или

Таким образом, крахмал является продуктом поликонденсации глюкозы. Макромолекула крахмала состоит из большого числа остатков моносахарида глюкозы. Поэтому крахмал является полисахаридом.

Макромолекулы крахмала могут быть линейными или разветвлёнными, то есть крахмал представляет собой смесь двух полимеров, которые называются амилоза и амилопектин.

Амилоза — неразветвлённый полимер (рис. 43.2). Макромолекулы амилозы имеют форму спирали. Внутри спирали могут разместиться некоторые молекулы, например молекула иода. При этом образуется так называемое соединение включения, в котором молекула иода «включена» внутрь спиралевидной макромолекулы амилозы. Это соединение имеет ярко-синий цвет. Образование ярко-синего соединения включения при взаимодействии с иодом является качественной реакцией на крахмал, и наоборот, с помощью крахмального раствора можно обнаружить даже небольшие количества иода.

Крахмал содержит также разветвлённые макромолекулы. Разветвлённый полимер называется амилопектин (рис. 43.2).

Подобно растениям, в животных организмах также содержится полисахарид, состоящий из остатков а-глюкозы. Он называется гликоген. Гликоген похож по строению на амилопектин, но является ещё более разветвлённым (рис. 43.2).

Химические свойства крахмала:

В макромолекуле крахмала циклические формы глюкозы зафиксированы, поэтому крахмал не проявляет свойства, характерные для альдегидов. Крахмал не даёт реакцию «серебряного зеркала» и не образует красный осадок оксида меди(I) при нагревании с гидроксидом меди(II).

В то же время крахмал проявляет некоторые химические свойства, присущие сахарозе. Мы уже знаем, что, в отличие от моносахаридов, дисахарид сахароза подвергается гидролизу. При этом происходит расщепление молекулы сахарозы, и образуются две молекулы моносахаридов: глюкозы и фруктозы (§ 42). Будучи полисахаридом, крахмал также подвергается гидролизу. Если нагреть крахмальный клейстер с несколькими каплями серной кислоты, то происходит постепенное расщепление макромолекул крахмала. При этом сначала образуются продукты частичного расщепления макромолекул, имеющие молекулярную массу меньше, чем у крахмала, -декстрины. При дальнейшем расщеплении молекул может образоваться дисахарид мальтоза. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза:

Применение и получение и крахмала:

Крахмал является одним из наиболее распространённых углеводов в рационе питания человека. Под действием пищеварительных ферментов макромолекулы крахмала гидролизуются до глюкозы. В клетках происходит окисление глюкозы до углекислого газа и воды. Этот процесс сопровождается выделением большого количества энергии, необходимой для функционирования организма. Излишки глюкозы накапливаются «про запас» в клетках в виде гликогена.

Крахмал используется для приготовления разнообразных продуктов питания: киселей, муссов, желе, кондитерских и кулинарных изделий. Его применяют для обработки тканей и получения клеевых составов. В химических лабораториях крахмал используют как чувствительный индикатор на наличие иода.

Частичным гидролизом крахмала получают патоку — густую сладкую массу, представляющую собой смесь декстринов, мальтозы и глюкозы. Патока используется в пищевой промышленности при производстве кондитерских изделий и др.

Полным гидролизом крахмала получают глюкозу. Реакции брожения глюкозы используют для производства этилового спирта, молочной кислоты и других веществ.

Получают крахмал выделением из природных источников (зёрна злаков, клубни картофеля).

Крахмал является природным полисахаридом, он образуется в результате фотосинтеза и накапливается в растениях.

Молекулярная формула крахмала

Макромолекулы крахмала состоят из остатков а-глюкозы, связанных между собой кислородными мостиками.

Крахмал представляет собой смесь двух полимеров — амилозы и амилопектина.

Качественной реакцией на крахмал является образование яркосинего соединения включения при взаимодействии с иодом.

В результате полного гидролиза крахмала образуется глюкоза.

Крахмал получают выделением из природных источников — картофеля, риса, пшеницы, кукурузы.

В животных организмах также имеется полисахарид, состоящий из остатков а-глюкозы. Он называется гликогеном.

Целлюлоза

Молекулярная формула целлюлозы то есть целлюлоза, как и крахмал, является полисахаридом. В то же время, строение целлюлозы и крахмала различается. В отличие от крахмала, макромолекулы целлюлозы состоят из остатков глюкозы. Процесс образования целлюлозы из глюкозы представлен на схеме:

Есть ещё одно важное отличие в строении целлюлозы и крахмала. Макромолекулы крахмала могут быть линейными или разветвлёнными, в го время как макромолекулы целлюлозы имеют линейное строение. Линейные макромолекулы целлюлозы могут располагаться параллельно друг другу и образовывать между собой множество водородных связей. Благодаря этому целлюлоза имеет высокую механическую прочность и не растворяется в воде и органических растворителях.

Макромолекулы целлюлозы содержатся в клеточных стенках растений. Целлюлозу (от лат. cellula — клетка) ещё называют клетчаткой.

Древесина содержит около 50 % целлюлозы. Ещё больше целлюлозы (более 90 %) содержится в волокнах льна и хлопка (рис. 44.1).

В волокнах льна и хлопка макромолекулы целлюлозы ориентированы в одном направлении — вдоль оси волокна (рис. 44.2, а). В древесине макромолекулы целлюлозы расположены менее упорядоченно (рис. 44.2, б).

Химические свойства целлюлозы:

1. Гидролиз

Так же, как и крахмал, целлюлоза подвергается гидролизу. Конечным продуктом гидролиза целлюлозы является глюкоза:

2. Образование ацетатов целлюлозы

Макромолекулы целлюлозы содержат гидроксильные группы, поэтому целлюлоза проявляет свойства, характерные для спиртов. Например, целлюлоза образует сложные эфиры при взаимодействии с уксусной кислотой (уравнение реакции приведено для одного структурного звена макромолекулы целлюлозы):

Эфиры целлюлозы с уксусной кислотой называются ацетатами целлюлозы. Если в реакцию вступают все гидроксильные группы молекулы целлюлозы, образуется триацетат целлюлозы. Из схемы видно, что в макромолекулах триацетата целлюлозы отсутствуют гидроксильные группы. Следовательно, между этими молекулами нет водородных связей, поэтому макромолекулы триацетата целлюлозы не так прочно связаны друг с другом, как молекулы целлюлозы. Это приводит к тому, что, в отличие от целлюлозы, её ацетаты растворяются в некоторых органических растворителях. Это используется при получении искусственных волокон.

Как мы уже говорили, в древесине макромолекулы целлюлозы расположены менее упорядоченно, чем в волокнах хлопка и льна (рис. 44.2). Следовательно, для получения волокон из целлюлозы, выделенной из древесины, необходимо расположить макромолекулы целлюлозы вдоль одного направления — вдоль оси волокна. Для этого следует придать молекулам целлюлозы подвижность, например, путём перевода их в раствор. Поскольку сама целлюлоза не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях, для перевода её в растворимое состояние из целлюлозы получают ацетаты целлюлозы.

Ацетаты целлюлозы растворяют в органических растворителях. При этом образуется вязкий раствор.

Затем этот раствор продавливают через узкие отверстия. При этом макромолекулы выстраиваются вдоль одного направления (рис. 44.3).

Ацетатное волокно состоит из модифицированных молекул природного полимера — целлюлозы.

Такие волокна называются искусственными волокнами. Их следует отличать от синтетических волокон, макромолекулы которых получены синтетическим путём по реакции поликонденсации. Примером синтетических волокон является полиэфирное волокно лавсан (§ 38).

3. Образование нитратов целлюлозы

Подобно спиртам, целлюлоза образует сложные эфиры с азотной кислотой. При действии на целлюлозу смесью концентрированных азотной и серной кислот происходит постепенное превращение гидроксильных групп в сложноэфирные:

Эфиры целлюлозы с азотной кислотой называются нитратами целлюлозы. В случае превращения всех гидроксильных групп в сложноэфирные образуется тринитрат целлюлозы. Он является взрывчатым веществом и используется для изготовления бездымного пороха.

Применение целлюлозы

Волокна льна и хлопка, в основном состоящие из целлюлозы, используют для изготовления нитей и тканей.

Сложные эфиры целлюлозы с уксусной кислотой используют для получения искусственного ацетатного волокна (ацетатного шёлка).

Целлюлоза, выделенная из древесины, используется для изготовления 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 путём вычерпывания бумажной массы формой с сетчатым дном и сушкой отдельных листов, но в конце XVIII — начале XIX века появились бумагоделательные машины, которые формировали бумагу на непрерывно движущейся конвейерной сетке и наматывали её в 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 стоят довольно дорого.

В организме человека нет ферментов, способных расщеплять связи между остатками глюкозы. Поэтому, в отличие от крахмала, целлюлоза не может быть питательным веществом для человека. Однако жвачные животные содержат в желудке микроорганизмы, способные расщеплять молекулы целлюлозы, поэтому для жвачных животных целлюлоза является источником энергии.

Целлюлоза является природным полисахаридом, она содержится в клеточных стенках растений.

Молекулярная формула целлюлозы

Макромолекулы целлюлозы состоят из остатков глюкозы, связанных между собой кислородными мостиками.

В отличие от крахмала, макромолекулы целлюлозы имеют неразветвлённое строение, поэтому могут располагаться параллельно друг другу и образовывать между собой множество водородных связей. Этим объясняется высокая прочность целлюлозы.

В результате полного гидролиза целлюлозы образуется глюкоза.

Целлюлоза образует сложные эфиры с уксусной и азотной кислотами.

Целлюлозу используют для получения волокон, бумаги, бездымного пороха.

Азотосодержащие органические соединения

Изучая предыдущие параграфы, вы многое узнали о строении и свойствах спиртов, альдегидов, карбоновых кислот, сложных эфиров, углеводов. Молекулы всех этих соединений содержат кислород, поэтому они относятся к кислородсодержащим органическим веществам. В то же время существует большое количество органических соединений, содержащих азот. Этими соединениями являются белки, нуклеиновые кислоты и многие другие. Прежде чем приступить к изучению азотсодержащих органических веществ, рассмотрим строение и свойства известного вам неорганического вещества аммиака.

Строение молекулы аммиака и иона аммония. Донорно-акцепторная связь

Формула аммиака — . Рассмотрим, как образуются ковалентные связи в молекуле аммиака. На внешнем электронном слое атома азота имеется три неспаренных электрона: В атоме водорода — один неспаренный электрон:

Тогда схему образования ковалентных связей в молекуле аммиака можно представить следующим образом:

Из схемы видно, что три неспаренных электрона атома азота участвуют в образовании трёх ковалентных связей N — Н. В то же время на внешнем слое атома азота остаётся электронная пара. Такая электронная пара называется неподелённой электронной парой. Структурная формула аммиака:

Благодаря наличию неподелённой электронной пары атом азота молекулы аммиака может образовать ещё одну ковалентную связь. Например, молекула аммиака способна присоединять катион водорода образуя ион аммония:

Из рисунка 45.2 видно, что все четыре ковалентные связи N — H в ионе аммония одинаковы. Они образованы посредством общих электронных пар между атомами азота и водорода. Однако механизм образования этих связей различается. Три связи N — H образуются за счёт неспаренных электронов атомов азота и водорода (рис. 45.1). Такой способ образования ковалентной связи называется обменным. Четвёртая связь N — Н в ионе аммония образуется за счёт неподелённой электронной пары атома азота и свободной орбитали катиона (рис. 45.2). Такой способ образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным. При этом атом азота, предоставляющий электронную пару, называется донором, а катион водорода, принимающий электронную пару на свою свободную орбиталь, — акцептором.

Вещества, способные присоединять катион водорода , являются основаниями. Следовательно, аммиак — основание. Основные свойства аммиака проявляются в реакциях с кислотами. В этих реакциях образуются соли аммония:

Видно, что в реакции с HCI молекула присоединяет катион и превращается в ион аммония В ионе аммония атом азота образует четыре ковалентные связи N — Н, поэтому валентность азота равна IV. В хлориде аммония кроме ковалентных связей N — Н имеется ионная связь между катионом и анионом

Аммиак проявляет основные свойства не только при взаимодействии с кислотами, но и с водой. Так, при растворении аммиака в воде протекает обратимая реакция:

Видно, что при взаимодействии с водой молекула аммиака присоединяет катион водорода. При этом образуются ион аммония и гидроксид-ион Наличие ионов обусловливает щелочную реакцию водных растворов аммиака.

Перейдём к рассмотрению строения органических азотсодержащих веществ — аминов.

Строение молекул аминов:

Амины можно рассматривать как производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородные радикалы.

Например, заместим один атом водорода молекулы аммиака на метальный радикал:

Такое соединение называется метиламин. Метиламин представляет собой бесцветный газ () с резким запахом, напоминающим запах аммиака.

Метиламин является простейшим представителем аминов. Его формулу можно записать следующим образом: Видно, что в молекуле метиламина имеется группа —которая называется аминогруппой.

Если заместить два атома водорода молекулы аммиака на метальные радикалы, го получится диметиламин:

Наконец, при замещении всех трёх атомов водорода молекулы аммиака на метальные радикалы получим триметиламин:

В зависимости от числа замещённых атомов водорода амины делят на первичные (замещён один атом водорода), вторичные (замещены два атома водорода) и третичные (замещены три атома водорода):

Метиламин является первичным амином. Учитывая, что общая формула алкильных радикалов —, легко получить общую формулу гомологов метиламина:

В молекулах аминов, как и в молекуле аммиака, у атома азота имеется неподелённая электронная пара. Благодаря этому амины, как и аммиак, могут присоединять катион водорода То есть амины являются органическими основаниями.

Названия аминов состоят из названий углеводородных радикалов, связанных с атомом азота, и окончания -амин. Приведём названия некоторых аминов:

Кроме алкильных радикалов, молекулы аминов могут содержать и другие заместители. Примером такого амина является анилин

В молекуле анилина группа —связана с радикалом —который называется фенил. Поэтому анилин называют также фениламином.

Анилин представляет собой бесцветную маслянистую жидкость, плохо растворимую в воде, с температурой кипения 184 °С. Анилин ядовит.

Изомерия аминов:

Метиламин не имеет изомеров.

Следующие представители алкиламинов содержат два атома углерода в молекуле. В этом случае возможно существование двух изомеров:

Физические свойства аминов:

В таблице 45.1 приведены структурные формулы, названия и температуры кипения некоторых насыщенных аминов.

Таблица 45.1. Структурные формулы, названия и температуры кипения насыщенных аминов

Из данных таблицы видно, что только метиламин имеет температуру кипения ниже О °С, следовательно, при нормальных условиях только метиламин является газом.

Более высокие, по сравнению с углеводородами, температуры кипения аминов обусловлены образованием водородных связей между их молекулами:

Полярность связи N — Н ниже, чем связи О — Н. Поэтому температуры кипения аминов ниже, чем у спиртов с тем же числом атомов углерода.

Подобно аммиаку, низшие амины хорошо растворимы в воде. С ростом углеводородных радикалов растворимость аминов в воде уменьшается. Например, анилин малорастворим в воде. В 100 г воды при комнатной температуре можно растворить примерно 3,5 г анилина.

Амины можно рассматривать как производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородные радикалы.

В зависимости от числа замещённых атомов водорода амины делят на первичные (замещён один атом водорода), вторичные (замещены два атома водорода) и третичные (замещены три атома водорода).

В молекулах аминов, как и в молекуле аммиака, у атома азота имеется неподелённая электронная пара. Поэтому амины могут присоединять катион водорода и являются органическими основаниями.

Благодаря наличию полярных связей N — Н между молекулами аминов могут образовываться водородные связи. Поэтому температуры кипения аминов выше температур кипения алканов с таким же числом атомов углерода в молекулах.

Низшие амины хорошо растворимы в воде. С ростом углеводородных радикалов растворимость аминов в воде уменьшается.

Химические свойства, получение и применение аминов

1. Основные свойства

В молекулах аминов у атома азота имеется неподелённая электронная пара, поэтому они могут присоединять катион водорода

То есть так же, как и аммиак, амины обладают основными свойствами. Так, при растворении метиламина в воде протекает обратимая реакция:

Видно, что при взаимодействии с водой молекула метиламина присоединяет катион водорода. При этом образуются ион мегиламмония и гидроксид-ион . Наличие ионов обусловливает щелочную реакцию водного раствора метиламина, поэтому раствор метиламина в воде окрашивает фенолфталеин в малиновый цвет.

Основные свойства аминов проявляются также в реакциях с кислотами. Например, при взаимодействии метиламина с соляной кислотой образуется соль — хлорид метиламмония:

Как и все соли, хлорид метиламмония имеет ионное строение. Он состоит из катиона метиламмония и хлорид-аниона. Хлорид метиламмония -твёрдое, хорошо растворимое в воде вещество.

Аналогично протекают реакции метиламина и с другими кислотами:

Эти реакции заключаются в присоединении катиона водорода к молекуле метиламина.

Мы рассмотрели взаимодействие метиламина с водой и кислотами. Очевидно, подобным образом эти реакции будут протекать и для других аминов:

Соли аминов — твёрдые, хорошо растворимые в воде вещества. Щёлочи вытесняют амины из солей:

Подобную реакцию вы встречали при изучении неорганической химии, когда рассматривали вытеснение аммиака из солей аммония под действием щелочей.

2. Горение

Как и большинство органических соединений, амины горят в кислороде. При этом образуются углекислый газ, вода и азот:

Химические свойства анилина

Структурная формула анилина:

Из-за влияния бензольного кольца на аминогруппу некоторые свойства анилина отличаются от химических свойств насыщенных аминов. С другой стороны, аминогруппа в молекуле анилина оказывает влияние на свойства бензольного кольца.

Реакции по аминогруппе

Из-за влияния бензольного кольца на аминогруппу основные свойства анилина выражены слабее, чем у насыщенных аминов. Так, в отличие от насыщенных аминов, водный раствор анилина не изменяет окраску индикаторов. В го же время, подобно насыщенным аминам, анилин образует соли при взаимодействии с кислотами:

Реакции замещения в бензольном кольце

В молекуле анилина аминогруппа влияет на свойства бензольного кольца, облегчая замещение атомов водорода. Так, при смешивании раствора анилина с бромной водой наблюдается её обесцвечивание и выпадение белого осадка. Уравнение протекающей реакции: В результате реакции происходит замещение трёх атомов водорода бензольного кольца атомами брома и образуется 2,4,6-триброманилин. Отметим, что замещение атома водорода бензольного кольца атомом брома возможно и для бензола, но условия протекания реакции гораздо более жёсткие, чем для анилина. Напомним, что подобное влияние на бензольное кольцо оказывает гидроксильная группа в молекуле фенола (§ 28).

Получение аминов

Амины можно получить из нитросоединений, с которыми вы познакомились при изучении нитрования бензола (§ 20). Сущность реакции получения аминов из нитросоединений становится понятной, если рассмотреть формулы нитросоединений и аминов:

Как видно, чтобы получить амин из нитросоединения, необходимо в молекуле нитросоединения «заменить» атомы кислорода на атомы водорода, то есть восстановить вещество. Приведём схему такой реакции:

Приведённая схема не показывает, какое вещество используется для восстановления нитросоединения, восстановитель здесь условно обозначен [Н].

Рассмотрим, какие вещества используют на практике для восстановления нитросоединений.

Восстановление нитросоединений водородом в присутствии катализатора.

Восстановление нитросоединений водородом в момент выделения. Для получения анилина таким методом в колбу помещают нитробензол, концентрированную соляную кислоту и железные опилки. Железо взаимодействует с соляной кислотой с образованием водорода, который в первый момент выделяется в атомарном виде:

Атомарный водород обладает высокой реакционной способностью, и, не успев соединиться в менее активные молекулы восстанавливает нитрогруппу молекулы нитробензола:

Получающийся при этом анилин взаимодействует с соляной кислотой, образуя соль:

Суммарное уравнение реакции восстановления нитробензола водородом в момент выделения:

Из полученной соли действием щёлочи вытесняют анилин:

Таким образом, процесс получения анилина путём восстановления нитробензола водородом в момент выделения можно отразить схемой:

Реакция получения аминов восстановлением нигро-соединений носит имя выдающегося русского химика Николая Николаевича Зинина (1812-1880). Он не только внёс значительный вклад в развитие органической химии, но и создал блестящую школу русских химиков-органиков. Его учениками были Александр Михайлович Бутлеров, основоположник теории строения органических соединений, и Александр Порфирьевич Бородин, Рис. 46.1. Николай выдающийся химик и композитор — автор онеры «Князь Николаевич Зинин Игорь».

Амины широко используются в органическом синтезе.

Они являются исходными веществами для получения красителей, лекарственных препаратов и многих других веществ.

Амины так же, как и аммиак, обладают основными свойствами. Водные растворы насыщенных аминов имеют щелочную реакцию и поэтому изменяют окраску индикаторов. Амины образуют соли при взаимодействии с кислотами.

Амины горят в кислороде. При этом образуются углекислый газ, вода и азот.

Основные свойства анилина выражены слабее, чем у насыщенных аминов. Водный раствор анилина не изменяет окраску индикаторов. В то же время анилин, как и насыщенные амины, образует соли при взаимодействии с кислотами.

Аминогруппа молекулы анилина влияет на бензольное кольцо, облегчая замещение атомов водорода в положениях 2, 4, 6, поэтому, в отличие от бензола, анилин обесцвечивает бромную воду.

Амины получают восстановлением нитросоединений.

Аминокислоты

В молекулах аминокислот содержатся одновременно аминогруппа —и карбоксильная группа —СООН. Попробуем сконструировать такую молекулу. Для этого к атому углерода присоединим карбоксильную группу и аминогруппу: Получилась простейшая аминокислота — аминоуксусная, или глицин. Ближайшим гомологом глицина является аминокислота аланин.

Номенклатура аминокислот:

Названия аминокислот состоят из названия соответствующей карбоновой кислоты с приставкой амина-, перед которой указано положение аминогруппы:

Иногда при построении названий аминокислот положение аминогруппы обозначают не цифрами, а буквами греческого алфавита:

Некоторые аминокислоты имеют тривиальные названия, например, ами-ноэтановая кислота называется глицин, а 2-аминопропановая — аланин.

Физические свойства аминокислот:

Аминокислоты — бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, многие из них имеют сладкий вкус. Температуры плавления аминокислот достаточно высоки, так, аминоуксусной кислоты равна 233 °С. Это указывает на то, что между молекулами аминокислот имеется очень сильное взаимодействие.

Химические свойства аминокислот:

Молекулы аминокислот содержат одновременно аминогруппу —и карбоксильную группу —СООН, поэтому им присущи свойства как аминов, так и карбоновых кислот.

1. Взаимодействие с кислотами

Подобно аминам, аминокислоты образуют соли при взаимодействии с кислотами:

Часто в инструкциях но применению лекарств, купленных в аптеке, можно прочитать длинное название действующего вещества лекарства и приписку «гидрохлорид». Что эго значит? Молекулы многих лекарственных препаратов содержат аминогруппы, которые легко окисляются даже кислородом воздуха. Если же аминогруппу перевести в солевую форму, она окажется намного устойчивее к окислению, при этом, как правило, увеличивается растворимость лекарственного препарата. На практике нейтрализация аминогрупп осуществляется взаимодействием с хлороводородом HCl. Отсюда и название «гидрохлорид».

2. Взаимодействие со щелочами

Подобно карбоновым кислотам, аминокислоты реагируют со щелочами с образованием солей:

Следовательно, аминокислоты образуют соли и с кислотами, и со щелочами. То есть аминокислоты являются амфотерными органическими соединениями.

Растворы аминокислот не изменяют окраску индикаторов. Это объясняется тем, что амино- и карбоксильная группы в аминокислотах нейтрализуют друг друга.

3. Образование сложных эфиров

Как и карбоновые кислоты, аминокислоты образуют сложные эфиры при взаимодействии со спиртами. Катализаторами данной реакции являются неорганические кислоты (например, НСl):

Обратите внимание, что в ходе реакции НСl не только выполняет роль катализатора, но и взаимодействует с аминогруппой, образуя соль.

4. Образование пептидов

При определённых условиях молекулы аминокислот могут реагировать друг с другом: В ходе реакции от карбоксильной группы одной молекулы аминокислоты отщепляется группа —ОН, а от аминогруппы другой молекулы -атом водорода. В результате формируется ковалентная связь между двумя аминокислотными остатками, и образуется молекула воды. Группа атомов называется пептидной, или амидной, группой, а связь между аминокислотными остатками — пептидной, или амидной, связью.

При взаимодействии двух молекул аминокислот образуется дипептид. Дипептид может взаимодействовать со следующей молекулой аминокислоты с образованием трипептида и т. д.

Получение аминокислот:

а-Аминокислоты могут быть получены из соответствующих карбоновых кислот. Для этого сначала атом водорода а-углеродного атома карбоновой кислоты замещают на галоген (§ 33):

Затем, атом галогена в молекуле а-галогензамещённой карбоновой кислоты замещают аминогруппой:

Выделяющийся в ходе реакции хлороводород взаимодействует с молекулами аммиака:

поэтому для реакции с 1 моль хлоруксусной кислоты требуется 2 моль аммиака:

Применение аминокислот

В живых организмах, в том числе в организме человека, из аминокислот образуются белки. Некоторые аминокислоты используют в качестве лекарственных средств и пищевых добавок. Аминокислоты применяются для получения высокомолекулярных соединений, из которых изготавливают волокна и пластмассы.

Рассмотрим получение синтетического волокна капрон. Образование полимера, из которого получают волокно, можно представить следующей схемой:

Остатки 6-аминогексановой кислоты в капроне связаны амидными связями, поэтому волокно капрон относится к полиамидным. Поскольку макромолекулы капрона получают синтетическим путём, то капрон — синтетическое волокно. В нашей стране капрон получают на филиале «Завод Химволокно» ОАО «Гродно Азот». Ещё одним примером синтетических волокон является полиэфирное волокно лавсан.

Аминокислоты — органические соединения, молекулы которых содержат аминогруппу —и карбоксильную группу —СООН.

Аминокислотам присущи свойства как аминов, так и карбоновых кислот.

Аминокислоты образуют соли при взаимодействии и с кислотами, и со щелочами. Следовательно, аминокислоты — амфотерные органические соединения.

Растворы аминокислот не изменяют окраску индикаторов, поскольку амино- и карбоксильная группы в аминокислотах нейтрализуют друг друга.

Молекулы аминокислот могут реагировать друг с другом, образуя пептиды.

Поликонденсацией 6-аминогексановой кислоты получают синтетическое волокно капрон.

Белки

Молекулы белков построены из остатков а-аминокислот:

Образование молекулы белка из а-аминокислот можно представить следующей схемой:

Видно, что в молекулах белков аминокислотные остатки соединены пептидными связями, следовательно, белки являются полипептидами.

Молекулы белков обычно содержат сотни и даже тысячи аминокислотных остатков. При этом наиболее часто в составе белков встречаются остатки 20 разных аминокислот (табл. 48.1). Таблица 48.1. Некоторые аминокислоты, остатки которых входят в состав белков

Остатки этих аминокислот расположены в макромолекуле белка в строго определённой последовательности (рис. 48.1).

Из рисунка 48.1 видно, что молекула белка инсулина состоит из двух полипептидных цепей, соединённых двумя дисульфидными мостиками (—S—S—). Каждая полипептидная цепь характеризуется строго определённой последовательностью аминокислотных остатков, причём остатки многих аминокислот встречаются в молекуле инсулина несколько раз. Например, из рисунка 48.1 видно, что остаток глицина (гли) встречается в молекуле инсулина четыре раза.

На первый взгляд может показаться, что использование 20 разных аминокислот для построения молекул белков существенно ограничивает разнообразие белковых структур. На самом деле количество комбинаций, которое можно составить, используя для построения полипептидных цепей 20 разных аминокислот, практически бесконечно. Например, если полипептидная цепь будет состоять из 100 аминокислотных остатков, то, используя для её построения 20 различных аминокислот, можно составить комбинаций!

Свойства белков:

Как мы уже убедились, возможно существование огромного множества различных белков. В зависимости от строения аминокислотных остатков и их последовательности в полипептидной цепи, свойства белков могут существенно различаться. Например, белок куриного яйца альбумин растворяется в воде, в то же время белки кератины, входящие в состав волос и ногтей, нерастворимы в воде. Рассмотрим некоторые химические свойства белков.

1. Гидролиз

Белки подвергаются гидролизу. При этом происходит постепенное расщепление молекулы белка. Сначала образуются продукты частичного расщепления — пептиды, имеющие молекулярную массу меньшую, чем у исходного белка. Конечными продуктами гидролиза являются а-аминокислоты, из которых построена молекула белка. Рассмотрим реакцию гидролиза на примере трипептида, состоящего из остатков фенилаланина, аланина и глицина:

При гидролизе происходит разрыв пептидных связей в молекуле белка. В качестве катализаторов реакции гидролиза белка можно использовать кислоты или щёлочи. В живых организмах гидролиз белков катализируют ферменты.

2. Денатурация

Под действием различных факторов (нагревание, действие кислот, щелочей и др.) может произойти нарушение пространственной структуры молекулы белка (рис. 48.2). Такой процесс называется денатурацией. Например, денатурация белка происходит при варке яиц. В результате денатурации белок утрачивает присущие ему биохимические свойства.

3. Биуретовая реакция (качественная реакция на белки)

Биуретовая реакция является качественной реакцией на белки. Если к водномy раствору белка, содержащему немного щёлочи, добавить раствор сульфата меди(II), то образуется сложное комплексное соединение, и раствор приобретает красно-фиолетовую окраску. В биуретовую реакцию вступают вещества, содержащие пептидные связи.

4. Ксантопротеиновая реакция

Ксантопротеиновая реакция позволяет обнаружить в белках остатки аминокислот, содержащих бензольное кольцо, например, фенилаланинаи тирозина (табл. 48.1). При действии концентрированной азотной кислоты происходит нитрование бензольных колец молекул таких аминокислот:

В результате реакции атомы водорода в бензольных кольцах фенилаланина и тирозина замещаются на нитрогруппы —, и появляется жёлтая окраска.

В белках кожи содержится большое число остатков ароматических аминокислот. Поэтому при попадании азотной кислоты на кожу на ней появляются жёлтые пятна.

Белки в живом организме выполняют множество функций. Из белков состоят ткани органов. Катализаторами и регуляторами биохимических процессов выступают ферменты и гормоны — белковые молекулы, каждый вид которых регулирует отдельный процесс. Высокая избирательность фермента обусловлена его уникальным строением.

Белок инсулин выполняет важную роль в обмене веществ — он регулирует углеводный обмен. Недостаточная выработка этого белка поджелудочной железой приводит к тяжелому заболеванию — сахарному диабету.

Белки — важнейший компонент пищи. Если основными источниками энергии для живого организма являются жиры и углеводы, белковый компонент служит в первую очередь источником аминокислот для биосинтеза белков. При этом белки пищи расщепляются на отдельные аминокислоты, из которых затем осуществляется биосинтез. В связи с этим различают заменимые и незаменимые аминокислоты. Заменимые аминокислоты могут быть синтезированы в организме человека из других компонентов пищи, незаменимые не могут быть синтезированы, поэтому обязательно должны поступать в организм с пищей. Примеры заменимых аминокислот — глицин и аланин; незаменимых — фенилаланин (табл. 48.1).

В заключение отметим, что, осуществляя знакомство с органической химией, мы прошли путь от простейших органических веществ — углеводородов — к белкам. Дальнейшее изучение органической химии и биологии позволит приоткрыть ещё много тайн живого мира. Молекулы белков построены из остатков а-аминокислот, соединённых пептидными связями.

Молекулы белков обычно содержат сотни и даже тысячи аминокислотных остатков. При этом наиболее часто в составе белков встречаются остатки только 20 разных аминокислот.

Белки подвергаются гидролизу. Конечными продуктами гидролиза являются о-аминокислоты, из которых построена молекула белка.

При нагревании, действии кислот, щелочей и под действием других факторов происходит денатурация белка. В результате денатурации белок утрачивает присущие ему биохимические свойства.

Качественной реакцией на белки является биуретовая реакция.

Белки, содержащие остатки ароматических аминокислот, дают жёлтое окрашивание с азотной кислотой (ксантопротеино-вая реакция).

Различают заменимые и незаменимые аминокислоты белков.

Справочный материал по органической химии

Органическая химия изучает состав, строение, свойства и применение органических соединений.

У всех органических соединений есть одно общее свойство: они обязательно содержат атомы углерода. Кроме углерода, в состав молекул органических соединений входят водород, кислород, азот, реже — сера, фосфор, галогены.

В настоящее время известно более двадцати миллионов органических соединений. Это многообразие возможно благодаря уникальным свойствам углерода, атомы которого способны образовывать прочные химические связи как друг с другом, так и с другими атомами.

Резкой границы между неорганическими и органическими соединениями не существует. Некоторые соединения углерода, такие, как оксиды углерода, соли угольной кислоты, по характеру свойств относят к неорганическим.

Простейшими по составу органическими соединениями являются углеводороды, содержащие только атомы углерода и водорода. Другие органические соединения можно рассматривать как производные углеводородов.

Органическая химия — это наука, изучающая углеводороды и их производные.

Различают органические соединения природного происхождения (крахмал, целлюлоза, природный газ, нефть и др.) и синтетические (получающиеся в результате синтеза в лабораториях и на заводах).

К органическим соединениям природного происхождения относятся также вещества, образующиеся в живых организмах. Это, например, нуклеиновые кислоты, белки, жиры, углеводы, ферменты, витамины, гормоны. Строение и свойства этих веществ, их биологические функции изучают биохимия, молекулярная биология и биоорганическая химия.

Подавляющее большинство лекарственных препаратов представляют собой органические соединения. Созданием лекарств и изучением их действия на организм занимается химия лекарственных веществ.

Большое число синтетических органических соединений получают в результате переработки нефти (рис. 1), природного газа, угля и древесины.

Достижения органической химии используются в производстве строительных материалов, в машиностроении и сельском хозяйстве, медицине, электротехнической и полупроводниковой промышленности. Без синтетического топлива, синтетических моющих средств, полимеров и пластмасс, красителей и т. д. невозможно представить современную жизнь.

Воздействие получаемых человеком органических веществ на живые организмы и другие объекты природы различно. Использование некоторых органических соединений в ряде случаев приводит к серьезным экологическим проблемам.

Например, ранее применявшийся для борьбы с вредными насекомыми хлорсодержащий инсектицид ДДТ из-за накапливания в живых организмах и медленного разложения в природных условиях в настоящее время запрещен для использования.

Предполагается, что фторхлоруглеводороды (фреоны) (например, дифтор-дихлорметан ) способствуют разрушению озонового слоя атмосферы, защищающего нашу планету от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. По этой причине фреоны заменяются на менее опасные насыщенные углеводороды.

Методы изучения органических веществ.

Изучение органических веществ начинается с установления их качественного и количественного состава.

Органические вещества, которые встречаются в природе или получаются синтетически, как правило, являются смесями. Для изучения строения и свойств органических соединений необходимы чистые, без примесей, вещества, поэтому очень важными являются методы очистки органических веществ.

Чаще всего для очистки применяются перегонка, перекристаллизация и хроматография. С перегонкой и перекристаллизацией вы уже знакомились. Хроматография используется для очистки органических веществ, а также разделения сложных смесей на отдельные компоненты.

Хроматография представляет собой метод разделения компонентов смеси между неподвижной и подвижной фазами. В зависимости от характера неподвижной фазы хроматография разделяется на адсорбционную (например, на силикагеле) и распределительную (например, на бумаге). По характеру подвижной фазы хроматография подразделяется на газовую и жидкостную.

В лабораториях чаще применяется адсорбционная хроматография, основанная на различной адсорбции веществ на твердом носителе (силикагель) и последующем вымывании их подходящим растворителем.

Одним из вариантов адсорбционной хроматографии является тонкослойная. Типичная тонкослойная хроматограмма показана на рисунке 2.

Менее полярный компонент смеси, который плохо адсорбируется па силикагеле, активнее перемещается с растворителем и находится вверху пластинки. Компонент, который хорошо адсорбируется, перемещается значительно медленнее.

После получения чистого вещества или отдельного компонента смеси приступают к определению его качественного состава — наличия углерода, водорода, кислорода, азота и других элементов.

Качественное обнаружение углерода и водорода в органических соединениях легко осуществить (рис. 3) при их окислении оксидом меди(ІІ) до углекислого газа и воды.

Выделяющаяся при этом вода обнаруживается по превращению безводного сульфата меди(ІІ) в гидрат голубого цвета, а образующийся С0₂ — по помутнению известковой воды:

Следующим этапом исследования вещества является определение его количественного состава.

Продукты окисления органических соединений улавливают в специальных поглотителях, которые взвешивают до и после реакции, и по разности масс находят массы образовавшихся в реакции воды и углекислого газа. На основании полученных данных определяют простейшую (эмпирическую) формулу вещества, а если известна относительная молекулярная масса, — то и молекулярную формулу.

Одним из важных методов определения строения молекул и относительной молекулярной массы является масс-спектрометрия. На вещество, предварительно приведенное в газообразное состояние, действуют пучком быстро движущихся электронов:

При этом, наряду с показанной ионизацией, происходит фрагментация (разрыв связей) образовавшихся ионов на частицы с неспаренными электронами (радикалы) и положительно заряженные фрагменты молекул. Образовавшиеся первоначально ионы и положительно заряженные фрагменты подвергаются действию магнитного поля, изменяя которое, можно изменять траекторию частиц в зависимости от массы иона. Определяя таким образом массы фрагментов и первоначального иона, можно установить строение молекулы и определить ее относительную молекулярную массу.

Определение качественного и количественного состава, а затем молекулярной формулы органических соединений является необходимым этапом изучения вещества. Самая главная задача — установление химического строения вещества, т. е. порядка соединения атомов в молекулах.

Действительно, если установлена молекулярная формула вещества, например такого, как , существующего в виде двух структурных изомеров, то еще неизвестно, химическое строение которого из них соответствует найденной молекулярной формуле:

¹ Молекулярный ион содержит одновременно неспаренный электрон и положительный заряд.

Химическое строение органических молекул устанавливается химическими и физическими методами, среди последних одним из важнейших является протонный магнитный резонанс (ПМР)

(рис. 5).

Ядра некоторых атомов, например атомов водорода, имеют магнитный момент (спин). Другие атомы, например ,    не имеют спина, а значит, и магнитного момента.

В присутствии сильного магнитного поля энергии, связанные с вращением ядер водорода по часовой стрелке (спиновое состояние І) и против нее (спиновое состояние II), не одинаковы, т. е. возникает разность энергий . Если теперь на молекулу подействовать излучением с частотой, соответствующей энергии , это вызовет поглощение энергии (резонанс), и будут происходить переходы ядер из одного спинового состояния в другое. Так как электронная плотность вокруг ядер каждого типа влияет на , то для достижения резонанса необходимы различные частоты излучений. Поэтому, изучая распределение частот, необходимых для резонанса различных ядер в молекуле, можно получать спектры, отражающие структуру данной молекулы.

На рисунке 6 приведены спектры ПМР двух различных органических веществ, имеющих одну и ту же молекулярную формулу . Как видно из приведенных данных, изомеры имеют отличающиеся друг от друга спектры. (Описание данного метода приведено только для иллюстрации, но не для запоминания.)

Органическая химия, в отличие от многих научных дисциплин, обладает уникальной особенностью: она характеризуется многообразием соединений и разнообразием их химических свойств. Каждый год химики-органики выделяют из природных источников или синтезируют несколько сотен тысяч новых органических веществ. Вся эта огромная работа ведется не для удовлетворения любопытства ученых, а для решения конкретных задач: разделение на компоненты сложных природных смесей или синтез индивидуальных соединений, установление их химического и пространственного строения, реакционной способности с целью их практического использования.

Органическая химия изучает состав, строение, свойства и применение органических соединений.

Химическое строение органических соединений устанавливают химическими и физическими методами.

Теория химического строения органических соединений

Органические вещества были известны еще в далекой древности. С давних пор человек применял экстракты из растений для лечения болезней, а природные красители — для окраски тканей. Из жира получали мыло, а способы приготовления спиртных напитков и уксуса знали многие народы.

Период до XVIII в. называют алхимическим: алхимики искали некий философский камень, способный превращать любые металлы в золото (алхимия) или излечивать все болезни (ятрохимия). В течение этого периода были разработаны различные лабораторные приборы, усовершенствованы методы очистки органических веществ (кристаллизация, перегонка), расширено практическое использование химии.

Фридрих Велер(1800—1882). Немецкий химик. Работал как в неорганической, так и в органической химии. Впервые получил природное органическое соединение из неорганических веществ.

Как отдельная наука органическая химия сложилась в начале XIX в., когда ученые начали систематическое изучение органических веществ, выделяемых в то время из живых организмов. Вначале считали, что органические вещества можно получать только из объектов живой природы под влиянием особой «жизненной силы». Это учение о «жизненной силе» называют витализмом. Долгое время химики не могли получить органические соединения из неорганических веществ. Одним из первых такой синтез осуществил немецкий химик Ф. Велер. В результате превращения неорганического соединения (цианата аммония) он получил органическое — мочевину:

В последующие годы синтезы органических соединений из неорганических осуществили Г. Кольбе, М. Бертло и А. Бутлеров.

К началу XIX в. было проведено большое число исследований, выделено в чистом виде и изучено много органических веществ, входящих в состав человеческого организма, растений, продуктов питания. Число изученных веществ приближалось к нескольким сотням, но никакой связи между их строением и свойствами установлено не было. Тем не менее, стало известно, что в состав большинства органических веществ входят элементы углерод, водород, кислород, а некоторые из них содержат атомы азота и др.

Александр Михайлович Бутлеров (1828—1886). Русский химик. Один из создателей теории химического строения органических соединений. Осуществил первый синтез глюкозы из формальдегида в присутствии гидроксида кальция.

В первой половине XIX в., с ростом числа экспериментальных исследований, начался процесс преобразования органической химии из науки описательной в науку, стремящуюся вскрыть подлинную сущность органических веществ, причины их своеобразия, закономерности их превращений.

К тому времени основным требованием при исследовании состава любого вещества являлось не только его разложение, но и получение из более простых веществ. Многие химики считали, что в области синтеза органических веществ химия абсолютно бессильна.

Особенно трудно было во многих случаях объяснить существование изомерных соединений и классифицировать их. Единственно разумное объяснение, которое можно было дать явлению изомерии, это признать, что молекулы изомеров имеют различное строение. Термины «строение», «структура» ввел русский ученый А. М. Бутлеров. Он утверждал, что всякое изменение в структуре молекул неизбежно влечет за собой изменение их свойств.

К этому времени уже были сделаны серьезные предпосылки для создания теории химического строения. Благодаря исследованиям А. Кольбе и А. Купера было показано, что углерод является четырехвалентным, а его атомы способны соединяться друг с другом с образованием устойчивых веществ. Немецкий химик А. Кекуле предложил циклическое строение молекулы бензола.

А. М. Бутлеров заявил о своей работе во время доклада на съезде немецких естествоиспытателей в 1861 г.: «Способность атомов соединяться друг с другом различна. Особенно интересен углерод, который, по мнению Августа Кекуле, является четырехвалентным. Если представить валентность в виде щупальцев, с помощью которых атомы связываются между собой, то нельзя не отметить, что способ связи отражается на свойствах соответствующих соединений».

А. М. Бутлеровым было доказано, что, основываясь на химических реакциях, характерных для определенного вещества, можно узнать подлинное химическое строение этого вещества. Это возможно потому, что атомы в молекуле оказывают друг на друга влияние, которое проявляется не только в физических, но и в химических свойствах.

Теорию химического строения органических соединений можно кратко сформулировать в следующих основных положениях.

1.Атомы в молекулах органических веществ соединяются друг с другом в определенной последовательности, согласно их валентности.

Валентность углерода в молекулах органических соединений всегда равна 4, водорода — 1, кислорода — 2 (табл. 1).

Последовательность соединения атомов в молекулах А. М. Бутлеров назвал структурой или химическим строением. Обычно скелетом органических веществ являются атомы углерода. Они соединяются друг с другом, образуя цепи (углеродный скелет). Углеродные цепи могут быть линейными и замкнутыми (циклическими). Для изображения строения органических веществ используют структурные формулы:

2.Свойства веществ зависят не только от качественного и количественного состава, но и от порядка соединения атомов в молекулах.

Существуют вещества, имеющие одинаковый состав, но различное строение и в силу этого различные свойства. Например, строение веществ состава можно выразить двумя различными структурными формулами:

Вещества, имеющие одинаковый состав, но различное строение, называют изомерами.   

3.В молекулах органических веществ атомы и группы атомов взаимно влияют друг на друга.

Взаимное влияние бензольного кольца и аминогруппы в молекуле анилина отражается на химических свойствах анилина. Под влиянием бензольного кольца неподеленная электронная пара атома азота - группы перекрывается с - электронным облаком бензольного кольца (рис. 7).

Это приводит к ослаблению основных свойств анилина по сравнению с основными свойствами метиламина. Такое смещение электронной плотности от атома кислорода аминогруппы, в свою очередь, облегчает реакции замещения атомов водорода в положениях 2, 4, 6 бензольного кольца.   

Теория химического строения органических веществ не является неизменным и догматическим постулатом. В настоящее время теория химического строения, опирающаяся на успехи в области изучения механизмов химических реакций и физико-химических методов исследования органических соединений, представляет собой фундамент дальнейшего развития и углубления наших представлений в органической химии.

Основные направления развития теории химического строения на современном этапе:

• •изучение связи строения и реакционной способности органических соединений методами квантовой химии;
• •изучение связи пространственного строения молекул и их биологической активности;
• •изучение механизмов нековалентного связывания неорганических и органических соединений.

В молекулах органических соединений атомы соединяются в определенной последовательности в соответствии с их валентностью.

Свойства веществ зависят не только от качественного и количественного состава, но и от порядка соединения атомов в молекулах.

Атомы и группы атомов взаимно влияют друг на друга.

Химические связи в органических соединениях

Образование химической связи.

Вы уже знакомились с типами и способами образования химической связи, поэтому в начале параграфа кратко повторим основные положения.

Основным типом химической связи в органических соединениях является ковалентная связь.

Ковалентная связь в неорганических и органических соединениях возникает в результате обобществления электронов с образованием общих электронных пар между двумя атомами. Распределение электронной плотности при перекрывании -орбиталей и образовании ковалентной связи в молекуле водорода показано на рисунке 8.

При сближении двух атомов водорода и образовании химической связи между ними сила отталкивания ядер друг от друга уменьшается, поскольку их разделяет область с повышенной вероятностью нахождения электронов. Возникают электростатические силы, удерживающие ядра на определенном расстоянии друг от друга за счет кулоновского взаимодействия положительно заряженных ядер и отрицательно заряженного электронного облака в межъядерной области.

Электронная пара образовавшейся химической связи принадлежит одновременно обоим ядрам.

Аналогично образованию связи в молекуле водорода происходит образование связей в органических соединениях, например в молекуле этана. Образование связи между атомами углерода происходит при перекрывании атомных орбиталей. Перекрывание атомных орбиталей происходит вдоль межъядерной оси, проходящей через центры двух атомов (рис. 9).

Такого типа связи в органических соединениях называют

-связями.

Особенностью -связи является не только электронная плотность в области между двумя ядрами, но и цилиндрическая симметрия ее относительно межъядерной оси.

Обобществленную пару электронов ковалентной связи С — С изображают двумя точками в электронной формуле. Например, электронная формула молекулы этана:

В графической формуле этана химическую связь между двумя атомами углерода изображают в виде черточки: 

Для упрощения графических формул химическую связь между атомами углерода и водорода часто не изображают.

Другой тип химической связи — -связь (рис. 10), которая образуется за счет бокового перекрывания р-орбиталей.

Электронное облако - связи расположено по разные стороны от плоскости, в которой расположена  - связь.

-Связь образуется между атомами, уже связанными -связью, поэтому связь такого типа называют двойной, и такие связи характеризуются повышенной электронной плотностью.

Двойные связи бывают в алкенах, диенах, а также карбонильных соединениях:

Образование -связей наблюдается и в молекулах, содержащих бензольные кольца.

Существуют также органические соединения, в молекулах которых между соседними атомами есть одна -связь и две -связи. Связь такого типа, например в молекуле ацетилена, называют тройной:

Образование тройной связи и химических связей в молекуле бензола будут рассмотрены позже в соответствующих параграфах.

Если ковалентная связь образуется между одинаковыми атомами, например между атомами углерода в молекуле этана, вероятность нахождения электронной пары в области пространства между ядрами приблизительно одинакова для каждого из этих атомов. Образующуюся ковалентную связь называют неполярной.

Если связь образована между атомами различной электроотрицательности (А—В) (рис. 11), то электронная плотность смещается в сторону атома с большей электроотрицательностью (атом В). 

Ковалентную связь такого типа называют полярной. Атом В приобретает частичный отрицательный заряд , а атом А — частичный положительный заряд , при этом молекула остается электронейтральной. Большей электроотрицательностью по сравнению с углеродом обладают, например, атомы азота, кислорода и фтора (табл. 2).

Полярность ковалентной связи является только одной из многих причин неравномерного распределения электронной плотности в органических соединениях. Влияние атомов (или групп атомов) на распределение электронной плотности может проявляться в виде электронных эффектов.

Для органических соединений характерны в основном ковалентные химические связи. Электронная пара химической связи принадлежит одновременно обоим ядрам.

В органических соединениях существуют и  связи.

Классификация органических соединений и особенности их реакций

Органические соединения в зависимости от строения углеродной цепи можно классифицировать на алифатические (ациклические) и циклические (рис. 12).

К алифатическим относят органические соединения с открытой цепью атомов, чаще всего атомов углерода, однако в цепи могут быть атомы других элементов. Например, сокращенные структурные формулы представителей разных классов алифатических соединений:

Циклические соединения разделяют на карбоциклические и гетероциклические. В карбоциклических соединениях углеродный скелет построен только из атомов углерода. Карбоциклические, в свою очередь, подразделяют на алициклические, например циклогексан:

и ароматические, например бензол:

В гетероциклических соединениях в цикле вместо атомов углерода могут находиться один или несколько атомов других элементов (гетероатомов). Например, гетероциклические соединения, содержащие в циклах атомы азота, кислорода и серы:

В зависимости от наличия функциональных групп органические соединения можно классифицировать на углеводороды и функциональные производные углеводородов. Углеводороды, являясь родоначальниками всех органических соединений, подразделяются на отдельные классы (табл. 3).

В зависимости от типа химической связи между атомами углерода соединения разделяют на насыщенные, ненасыщенные и ароматические.

Например, углеводороды, имеющие в углеродной цепи только одинарные связи, называют насыщенными. К ним относятся алканы и циклоалканы. Углеводороды, имеющие в составе молекул двойные или тройные (кратные) связи, называют ненасыщенными: алкены, алкины, диены.

Соединения, содержащие функциональные группы, приведены в таблице 4.

Функциональная группа — это атом или группа атомов, определяющие принадлежность и характерные химические свойства данного класса органических соединений.

Химические связи и реакционная способность органических соединений.

Возникает вопрос — по каким фрагментам молекулы данного органического вещества будет идти химическая реакция? Ответ чаще всего однозначен: в молекулах органических соединений химические свойства (реакционную способность) определяет функциональная группа. Например, в случае карбонильных соединений происходит разрыв двойной связи:

¹ Названия даны по международной номенклатуре (в скобках приведены тривиальные названия).

В более сложных случаях, например при наличии нескольких функциональных групп, место разрыва связей может определять не только субстрат, но и реагент, а также катализатор.

Очень важно понимать, как и почему функциональная группа участвует в той или иной реакции. В большинстве случаев образование новых химических связей определяют электростатические взаимодействия, например между группами атомов с отрицательным зарядом и атомами молекул, имеющими частичный положительный заряд.

Группы атомов, обладающие отрицательным зарядом, образуют новую химическую связь с атомами молекул, имеющими частичный положительный заряд.

Рассмотрим в качестве примера взаимодействие галогеналканов с водными растворами щелочей. В реакции между хлорэтаном и гидроксидом натрия образуется этанол:

В данном примере наличие группы атомов с отрицательным зарядом () приводит к образованию новой связи с атомом углерода, имеющим частичный положительный заряд, и к разрыву связи С—С1.

Ароматические соединения характеризуются повышенной электронной плотностью ароматического кольца, и поэтому реакции замещения атомов водорода кольца проходят с участием частиц с положительным зарядом.

Органические соединения в зависимости от строения углеродной цепи можно разделить на углеводороды и их функциональные производные.

При химических реакциях разрыв старых связей и образование новых связей определяются электростатическими взаимодействиями.

Классификация и номенклатура органических соединений

Классификация органических соединений.

Органические соединения в зависимости от состава и строения разделяют на углеводороды и их производные, в которых атом водорода замещен на функциональную группу.

Органические соединения в зависимости от строения углеродной цепи делят на алифатические (ациклические) и циклические. К алифатическим относят органические соединения с открытой цепью атомов углерода. Углеводороды в зависимости от типа углерод-углеродных связей подразделяют на насыщенные (с одинарными связями), ненасыщенные (с кратными связями) и ароматические (табл. 36).

Номенклатура углеводородов.

1.Названия насыщенных углеводородов с неразветвленной цепью, начиная с пяти углеродных атомов (углеводороды С₁—С₄ имеют тривиальные названия), по систематической номенклатуре образуют из греческих названий чисел с добавлением суффикса -ан. Присутствие двойной связи указывается изменением суффикса -ан на -ен; тройной связи — изменением суффикса -ан на -ин. Цифру, указывающую атом углерода, за которым следует кратная связь, по номенклатуре ИЮПАК записывают после суффикса.

2.Общее название углеводородов с одинарными связями — алканы или циклоалканы; с двойными — алкены, с тройными — алкины.

3.Соединения с разветвленной цепью углеродных атомов рассматривают как производные углеводорода с неразветвленной цепью. Основу названия определяет наиболее длинная цепь атомов углерода, которая обязательно должна содержать кратную связь.

4.Цепь нумеруют арабскими цифрами, начиная с того конца, ближе к которому находится заместитель; при наличии кратных связей наименьший номер должен получить атом углерода, за которым следует кратная связь.

5.Во всех случаях записи названий веществ предпочтительнее использовать заместительную номенклатуру ИЮПАК, а название заместителей приводить в алфавитном порядке с указанием их положения.

6.Основу названия ароматических соединений составляет слово «бензол», к которому в виде префикса добавляют название заместителя. Наличие в кольце бензола нескольких заместителей указывают цифрами, причем нумерацию атомов углерода кольца производят таким образом, чтобы при выборе из нескольких вариантов первая отличающаяся цифра положения заместителя была наименьшей.

Соединения, содержащие функциональные группы, приведены в таблице 37.

Номенклатура соединений, содержащих функциональные группы.

1.Названия соединений образуют добавлением к названию соответствующего насыщенного углеводорода суффикса функциональной группы:

• карбоксильная группа — -овая кислота;
• альдегидная группа — -аль;
• гидроксильная группа — -ол;
• аминогруппа — -амин.

2.Нумерацию углеродных атомов начинают с атома углерода функциональной группы, в других случаях атом углерода, к которому примыкает функциональная группа, должен получить наименьший номер.

3.В приведенной таблице функциональные группы расположены по старшинству сверху вниз: карбоксильная группа является самой старшей. Поэтому, если в соединении присутствуют две различные функциональные группы, в суффиксе должна быть только старшая функциональная группа, другая функциональная группа должна находиться в префиксе как заместитель (префикс для альдегидной группы — формил, гидроксильной группы — гидрокси, аминогруппы — амино). Например, соединение

называют 2-бром-4-гидроксипентановой кислотой.

Органические соединения в зависимости от строения углеродной цепи можно разделить на алифатические и циклические; в зависимости от наличия функциональных групп — на углеводороды и функционально замещенные углеводородов.
Во всех случаях записи названий веществ предпочтительнее использовать заместительную номенклатуру.
 

Многообразие органических соединений. Изомерия

В настоящее время известно более 20 млн органических соединений природного и синтетического происхождения, что намного превышает число неорганических веществ. Одной из причин, объясняющих такое численное превосходство органических соединений, является существование изомеров.

Изомерами называют вещества, имеющие одинаковый состав молекул, но различное химическое строение и поэтому обладающие разными свойствами.

Изомеры имеют одну и ту же молекулярную формулу, поэтому для их обозначения часто используют структурные формулы (или формулы строения), отражающие порядок соединения атомов, а иногда и их пространственное расположение, чтобы можно было определить, о каком конкретно веществе идет речь.

Например, молекулярная формула С₄Н₈ соответствует не только веществам, имеющим одинаковую химическую природу (табл. 38, примеры 1—4), но и веществам, принадлежащим к разным классам органических соединений (табл. 38, примеры 5, 6).

Существование органических соединений, имеющих одинаковый молекулярный состав, но различный порядок соединения атомов в молекулах или различное расположение атомов в пространстве, называется изомерией (греч. іsоs — равный и meros — доля, часть). Термин «изомерия» ввел в химию Й. Берцелиус в 1830 г., а подлинное объяснение этот термин получил во второй половине XIX в. на основе теории химического строения А. М. Бутлерова и стереохимического учения Я. Г. Вант-Гоффа.

Различают изомерию структурную и пространственную.

Структурная изомерия — это результат различий в химическом строении веществ. К этому типу относят (рис. 88):

1)изомерию углеродного скелета (или цепи), обусловленную различным порядком связи атомов углерода;

2)изомерию положения, обусловленную различным положением функциональных групп или кратных связей при одинаковом углеродном скелете.

Пространственная изомерия (или стереоизомерия) возникает в результате различий в пространственной конфигурации молекул, имеющих одинаковое химическое строение.

Рассмотрим на конкретных примерах изомеры структурные и пространственные, а также и вид изомерии, в результате которого возникают те или иные изомеры.

Изомерия углеродной цепи:

Изомерия цепи (или углеродного скелета) характерна для любых классов органических соединений алифатического ряда. Явление изомерии обусловлено разветвлением цепи атомов углерода.

В таблице 39 приведены для примера изомеры алканов, алкинов, спиртов, карбоновых кислот, сложных эфиров.

Изомерия положения функциональных групп или кратных связей.

Изомерия положения функциональных групп характерна для спиртов, фенолов, аминов. Например, для соединения состава С₅Н₁₂0 такими изомерами являются:

Примерами изомеров двухатомных фенолов состава С₆Н₆O₂ являются:

Изомерия положения кратных связей характерна для алкенов и алкинов, диенов. Например:

Примерами изомерии взаимного положения функциональных групп являются: -аминопропановая кислота (1) -аминопропановая кислота (2):

Пространственная изомерия.

В школьном курсе химии вы познакомились только с двумя примерами пространственной изомерии, характерной для соединений, содержащих двойные связи, и циклических соединений.

Первый пример относится к соединениям, имеющим разные заместители около двойной связи. В этом случае изомеры отличаются друг от друга пространственным расположением заместителей относительно плоскости двойной связи (чаще всего

С = С). Заместители могут располагаться либо по одну сторону плоскости двойной связи (цис-положение), либо по разные стороны (транс-положение). Например:

Другим примером пространственных изомеров являются - и -формы глюкозы, различающиеся положением гидроксильных групп у первого атома углерода:

Существуют и другие виды стереоизомерии, изучение которых предусмотрено в высших учебных заведениях.

Явление изомерии в значительной степени способствует росту числа известных и потенциально возможных соединений. Например, возможное число структурных изомерных деци-ловых спиртов более пятисот, а пространственных изомеров здесь более тысячи пятисот.

Изомерия — существование соединений, одинаковых по составу и молярной массе, но различных по физическим и химическим свойствам.

Различают изомерию структурную и пространственную.

Явление изомерии в огромной степени способствует росту числа известных и еще в большей степени числа потенциально возможных изомеров.

Классификация органических реакций, закономерности их протекания

Классификация органических реакций.

В органической химии реакции классифицируют в зависимости от характера изменения строения реагирующих молекул и характера изменения связей.

В зависимости от характера изменения строения молекул и конечного результата реакций их разделяют на реакции замещения, присоединения и отщепления.

1.Реакции замещения.

В реакциях замещения атом или группа атомов в исходной молекуле замещается на другой атом или группу атомов.

Такие реакции характерны для алканов, ароматических соединений, галогенуглеводородов, спиртов, фенолов, карбоновых кислот и углеводов, хотя и протекают по различным механизмам.

2.Реакции присоединения.

В реакциях присоединения происходит разрыв -связи и присоединение к атомам углерода атомов галогенов или фрагментов реагентов.

Реакции присоединения характерны для углеводородов с кратными связями, альдегидов, моносахаридов и в жестких условиях возможны для ароматических соединений.

3.Реакции отщепления.

Реакции отщепления характерны в основном для галогенуглеводородов и спиртов. Среди реакций присоединения особым видом являются реакции полимеризации, а среди реакций замещения — реакции поликонденсации.

4. Реакции полимеризации.

5. Реакции поликонденсации.

6. С участием кислорода или водорода проходят реакции окисления и восстановления, которые характеризуются изменением степени окисления реагирующих атомов и приводят в большинстве случаев к образованию практически важных продуктов. Например:

Понятие о механизмах реакций

Любую химическую реакцию можно рассматривать как процесс разрыва химических связей в исходных соединениях и образования новых связей в конечных продуктах. В ходе этого процесса обычно затрагивается не вся молекула, а только ее часть — реакционный центр, которым упрощенно можно считать функциональную группу.

В зависимости от типа разрыва связей органические реакции подразделяют на радикальные и ионные, причем реакции одного типа могут проходить по разным механизмам. Например, замещение атомов водорода в алканах при действии галогенов и облучения (реакция замещения) происходит с промежуточным образованием радикалов, а замещение атома водорода в бензоле на атом галогена в присутствии хлорида алюминия (реакция замещения) происходит с ионным типом разрыва связей.

Химические свойства каждого конкретного класса органических соединений определяет функциональная группа. В ряде реакций углеводородная группа, связанная с функциональной группой, обычно не подвергается изменениям в процессе реакций, протекающих при умеренных температурах, и переходит без изменения в конечный продукт. Например:

В других реакциях функциональная группа сильно влияет на реакционную способность присоединенных углеводородных групп. Например, бензол не реагирует с бромной водой, однако гидроксильная группа, связанная с ароматическим кольцом, активирует к реакциям замещения атомы водорода бензольного кольца в положениях 2, 4, 6:

Бензольное кольцо, в свою очередь (взаимное влияние), влияет на свойства гидроксильной группы: фенол обладает кислотными свойствами (отщепление водорода в виде протона).

В химических реакциях, кроме реагирующих веществ, принимает участие также и растворитель. Рассмотрим взаимодействие галогеналканов с гидроксидами щелочных металлов. В водных растворах образуются соответствующие спирты, в спиртовых растворах — алкены:

Реакции органических соединений подразделяют на следующие типы: замещения, присоединения и отщепления.

Химические свойства каждого конкретного класса органических соединений определяет функциональная группа и условия проведения реакции.

Взаимосвязь между органическими соединениями различных классов

Изучив курс органической химии, вы познакомились со строением, химическими свойствами и способами получения веществ различных классов органических соединений, относящихся к углеводородам, кислородсодержащим и азотсодержащим органическим веществам. При этом вы, очевидно, отметили, что органические соединения тесно связаны между собой, так как возможно получение веществ одного класса из другого. Знания о возможностях превращения органических соединений имеют важное значение для эффективного практического использования органического сырья.

Рассмотрим последовательно схемы взаимных превращений углеводородов, кислородсодержащих и азотсодержащих соединений.

На рисунке 89 показана схема взаимного превращения углеводородов.

Анализ схемы (см. рис. 89) показывает, что реальны самые разнообразные переходы одних углеводородов в другие. Варианты получения продукта в данном случае могут состоять из разного числа химических реакций в зависимости как от исходного сырья, так и от знаний химии. В этом вы сможете убедиться, выполняя самостоятельные задания. В схеме указаны не только возможные взаимные переходы углеводородов, но и условия осуществления реакций. В данном случае практически все переходы между классами углеводородов осуществляются в процессе реакций гидрирования или дегидрирования.

На рисунке 90 отражена связь между галогенпроизводными углеводородов и углеводородами.

Превращения из галогеналканов с разным числом атомов галогенов в молекуле можно осуществить в процессе реакций замещения, присоединения, отщепления. Например:

Взаимные переходы кислородсодержащих органических соединений представлены на рисунке 91.

Здесь же приведены примеры взаимосвязи галогенуглеводородов и кислородсодержащих соединений.

Первичные спирты, альдегиды, карбоновые кислоты можно получить в реакциях щелочного гидролиза различных галогенпроизводных углеводородов:

Взаимные превращения спиртов, альдегидов, карбоновых кислот и эфиров осуществляются в реакциях окисления, восстановления, отщепления, гидролиза.

Взаимные переходы возможны также между углеводородами и кислородсодержащими соединениями, а также между кислородсодержащими и азотсодержащими соединениями, что и отражено на рисунке 92.

Составить уравнения реакций согласно данной схеме вам предлагается самостоятельно, исходя из алкана этана. При записи уравнений реакций необходимо указывать условия их протекания и тип химической реакции.

На основе ароматических углеводородов возможны такие переходы, которые показаны на рисунке 93 на примере бензола.

Анализ всех схем, отражающих взаимные переходы веществ одних классов в вещества других классов, показывает, что фундаментальной основой органических веществ являются углеводороды. Природными источниками углеводородов служат нефть и фракции ее переработки. Используются также природный газ и попутные нефтяные газы.

• Органические вещества взаимосвязаны друг с другом взаимными переходами.
• Фундаментальной основой органических веществ являются углеводороды.
• Знание химических свойств веществ позволяет выбирать более короткие пути получения новых органических веществ.

Промышленный органический синтез

В учебном пособии, как и в другой учебной литературе, при описании синтезов органических веществ их разделяют на промышленные и лабораторные. Рассмотрим более подробно промышленный органический синтез.

Промышленный синтез должен обеспечивать получение экономически выгодных органических веществ в больших количествах. Лабораторные способы обычно применяют для получения от нескольких граммов до нескольких сот граммов веществ. Кроме того, стоимость получаемого вещества часто не является таким важным фактором по сравнению со временем, затраченным на синтез этого вещества. В промышленных синтезах часто применяют или получают смеси веществ. В лабораториях химики наоборот стремятся получить индивидуальные вещества и выбирают такие способы и такие реакции, которые приводят к единственному продукту и минимальным побочным реакциям.

Большинство крупных химических производств основано на химической переработке нефти и продуктов ее перегонки — это нефтехимическая промышленность. Приблизительно 95 % добываемой нефти используется для получения различных видов топлива: дизельного, высокооктанового бензина, а также смазочных материалов; оставшаяся часть является сырьем для промышленного органического синтеза.

Основное направление переработки нефти связано с получением из нефти исходных веществ для синтеза высокомолекулярных веществ: полиэтилена, поливинилхлорида, синтетических каучуков, полиэфирных и полиамидных волокон.

Другое направление связано с переработкой нефти для получения ароматических соединений: бензола, толуола (метилбензола), изопропилбензол и использования этих соединений для дальнейшего промышленного синтеза (рис. 94).

В меньшей степени нефть служит источником исходных веществ для получения спиртов, альдегидов и карбоновых кислот.

Одно из крупнейших химических производств в нашей республике расположено в Новополоцке. Его продукцией являются: полиэтилен, полиакрилонитрил, бензин, керосин, дизельное топливо, смазочные материалы, парафины, битумы, бензол, толуол, ксилолы, присадки для минеральных масел.

Сведения о промышленных синтезах некоторых органических веществ приведены в таблице 40.

Проблемы охраны здоровья людей.

Наиболее опасными для здоровья людей и загрязнителями окружающей среды являются:

1)сырая нефть и продукты ее переработки в результате аварий при их транспортировке;

2)оксид углерода(ІІ), который образуется при неполном сгорании различных видов горючего, а также оксиды азота и серы;

3)токсичные    отходы промышленных предприятий (ненасыщенные углеводороды, формальдегид, фенолы, производные кислот и др.).
С целью защиты здоровья людей и охраны окружающей среды установлены санитарные нормы содержания вредных веществ в окружающей среде — предельно допустимая концентрация (ПДК). ПДК вредного вещества указывает на то, что данная концентрация вещества в атмосфере, воде или почве практически не влияет на здоровье человека (табл. 41).

На каждом промышленном предприятии существуют установки для улавливания и обезвреживания токсичных отходов: улавливание золы и копоти; очистка сточных вод микробиологическим способом; замкнутое водоснабжение; сжигание токсичных веществ.

В современных условиях очень важной задачей является проектирование и внедрение безотходных производств.

Для уменьшения возможности отравления выхлопными газами рекомендуется строить шоссе вдали от населенных пунктов.

Большинство крупных химических производств основано на химической переработке нефти и продуктов ее перегонки. Основная часть промышленного синтеза касается получения высокомолекулярных веществ: полиэтилена, поливинилхлорида, синтетических каучуков, полиэфирных и полиамидных волокон.

Теория химического строения органических соединений

В настоящее время известно более 60 млн органических соединений. Это многообразие является следствием уникальных свойств углерода. Атомы углерода способны образовывать прочные химические связи — одинарные, двойные и тройные — как друг с другом, так и с другими атомами.

Из органических веществ состоит весь животный и растительный мир нашей планеты. Формы существования живых организмов разнообразны, но их строение и энергия, которая поддерживает их существование, основаны на свойствах органических соединений.

Например, взяв в руки эту книгу, вы затратили энергию. Она была получена в результате расщепления в вашем организме органического соединения, например углевода глюкозы (рис. 1, а).

Вы читаете эти строчки, следовательно, в ваших глазах произошло превращение энергии видимого света в нервные импульсы, приводящие к появлению изображения этой страницы. Это превращение происходит с помощью зрительного пигмента, в состав которого входит органическое соединение — альдегид ретиналь (рис. 1, б).

Органическая химия и её структура

Органическую химию определяют как химию углеводородов и их производных.

Углеводородами называют простейшие органические соединения, содержащие в составе молекул только атомы углерода и водорода. Производные углеводородов, в состав которых входят функциональные группы, представляют собой более сложные молекулы.

Все органические соединения обязательно содержат углерод. Кроме углерода, в состав молекул органических соединений входят водород, азот, кислород, реже — сера, фосфор и галогены, например:

— этан (углеводород);

— этанол (спирт);

— глицин (аминокислота).

Некоторые соединения углерода, такие как оксиды углерода(II) и (IV), соли угольной кислоты, по характеру свойств не относят к органическим.

Органическая химия изучает состав, строение, свойства и применение органических соединений.

Различают органические соединения природного происхождения и синтетические.

К соединениям природного происхождения относят органические вещества, содержащиеся в растительных и животных организмах. Например, углеводы (глюкоза, крахмал), жиры (растительные и животные), белки, нуклеиновые кислоты и др.

К синтетическим органическим соединениям относят такие, которые синтезируют в лабораториях или на химических заводах, например:

Методы изучения органических соединений

Для того чтобы изучить состав, строение и свойства органического вещества, необходимо синтезировать и получить его в чистом виде, без примесей других веществ. 

В природных объектах (растениях, животных, природном газе, нефти) и полученные синтетически исследуемые вещества, как правило, содержатся в виде смеси с другими веществами. Поэтому первым этапом является выделение их из смеси веществ. Химиками разработаны специальные методы, позволяющие получать чистые вещества. Это перегонка (рис. 2), перекристаллизация и хроматография. С первыми двумя из перечисленных методов вы уже знакомились при изучении неорганической химии.

Рассмотрим кратко, что собой представляет метод хроматографии. Один из видов хроматографии основан на различной адсорбции веществ на твердом носителе (силикагель) и вымывании их подходящим растворителем, который называют элюентом. Например, типичная тонкослойная хроматограмма показана на рисунке 3. Один из компонентов смеси, который плохо адсорбируется на силикагеле, активнее перемещается с элюентом и находится вверху пластинки. Компонент, который хорошо а асорбируется, перемещается значительно медленнее.

После получения чистого органического вещества проводится работа по определению его качественного состава.

Вам, очевидно, будет интересно узнать, как можно определить, что в состав органического вещества входят углерод и водород, даже в школьной лаборатории. Для этого используется прибор, изображенный на рисунке 4.

Органическое вещество при нагревании окисляют оксидом меди(II)до углекислого газа и воды. Выделяющаяся при этом вода обнаруживается но превращению безводного сульфата меди(II) в кристаллогидрат голубого цвета, а образующийся углекислый газ — по помутнению известковой воды:

Следующим этапом является определение количественного состава соединения, который обычно представляют в виде молекулярной формулы.

Качественный и количественный состав органических соединений в настоящее время устанавливают с помощью приборов, называемых хромато-масс-спектрометрами (рис. 5).

После установления качественного и количественного состава основным этапом изучения вещества является установление химического строения вещества, т. е. порядка соединения атомов в молекулах.

Например, в процессе исследования установлено, что молекулярная формула вещества Данной формуле соответствуют два вещества разного химического строения:

Для того чтобы установить химическое строение исследуемого вещества, используется такой современный физический метод исследования, как протонный магнитный резонанс (ПМР) (рис. 6).

Ядра некоторых атомов, например атомов водорода, имеют магнитный момент (спин). Другие атомы, например не имеют спина, а значит, и магнитного момента. В присутствии сильного магнитного поля энергии, связанные с вращением ядер водорода по часовой стрелке (спиновое состояние I) и против нее (спиновое состояние II), не одинаковы, т. е. возникает разность энергий Если теперь на молекулу подействовать излучением с частотой, соответствующей энергии это вызовет поглощение энергии (резонанс), и будут происходить переходы ядер из одного спинового состояния в другое. Так как электронная плотность вокруг ядер каждого типа влияет на то для достижения резонанса необходимы различные частоты излучении. Поэтому, изучая распределение частот, необходимых для резонанса различных ядер в молекуле, можно получать спектры, отражающие структуру данной молекулы.

На рисунке 7 приведены спектры ПМР двух различных органических веществ, имеющих одну и ту же молекулярную формулу Как видно из приведенных данных, изомеры имеют отличающиеся друг от друга спектры.

Каждый год химики-органики выделяют из природных источников или синтезируют несколько сотен тысяч новых органических соединений. Вся эта огромная работа ведется не для удовлетворения любопытства ученых, а для решения конкретных задач: разделения на компоненты сложных природных смесей или синтеза индивидуальных соединений, установления их химического и пространственного строения, реакционной способности с целью их практического использования.

Органические соединения используются в производстве строительных материалов, в машиностроении и сельском хозяйстве, медицине, электротехнической и полупроводниковой промышленности. Без синтетического топлива, моющих средств, полимеров и пластмасс, красителей и т.д. невозможно представить современную жизнь.

Действие органических веществ на живые организмы и другие объекты природы неодинаково. Возросшая средняя продолжительность жизни человека является в том числе и результатом широкого применения различных синтетических лекарственных веществ, большинство из которых представляют собой органические соединения.

В ряде случаев неграмотное использование органических соединений приводит к серьезным экологическим проблемам. Например, ранее применявшийся для борьбы с вредными насекомыми хлорсодержащий инсектицид ДДТ (рис. 8)

из-за накапливания в живых организмах и медленного разложения в природных условиях оказался очень токсичным. По этим причинам препарат в настоящее время запрещен для использования.

Предполагается, что фторхлоруглеводороды (фреоны), например дифтордихлорметан способствуют разрушению озонового слоя атмосферы, защищающего нашу планету от жесткого ультрафиолетового излучения солнца. По этой причине фреоны заменяются на менее опасные летучие насыщенные углеводороды.

Органическая химия изучает состав, строение, свойства и применение органических соединений.

Основными этапами исследования органических веществ являются: синтез, установление химического строения и изучение свойств с целью практического применения.
 

Теория химического строения органических соединений

Органические вещества были известны еще в далекой древности. С давних пор человек применял экстракты из растений для лечения болезней, а природные красители — для окраски тканей. Из жира получали мыло, а способы приготовления уксуса и спиртных напитков знали во всех древних странах.

Период до XVIII в. называют алхимическим: алхимики искали некий философский камень, способный превращать любые металлы в золото (алхимия) или излечивать все болезни (ятрохимия). В течение этого периода были разработаны основные лабораторные приборы, усовершенствованы методы очистки органических веществ (кристаллизация, перегонка), расширено практическое использование химии.

Как отдельная наука органическая химия сложилась в начале XIX в., когда ученые начали систематическое изучение органических веществ, выделяемых в то время из живых организмов. Вначале считали, что органические вещества можно получать только из объектов живой природы под влиянием особой «жизненной силы». Это учение о «жизненной силе» называют витализмом. Долгое время химики не могли получить органические соединения из неорганических веществ. Одним из первых такой синтез осуществил немецкий химик Ф. Велер.

   Фридрих Велер

      (1800—1882)

Немецкий химик. Работал как в неорганической, так и в органической химии. Впервые получил природное органическое соединение из неорганических веществ.

В результате превращения неорганического соединения (цианата аммония) он получил органическое вещество — мочевину:

В последующие годы синтезы органических соединений из неорганических осуществили А. Кольбе, М. Бертло и А. М. Бутлеров.

К началу XIX в. было проведено большое число исследований, выделено в чистом виде и изучено много органических веществ, входящих в состав человеческого организма, растений, продуктов питания. Число изученных веществ приближалось к нескольким сотням, но никакой связи между их строением и свойствами установлено не было. Тем не менее стало известно, что в состав большинства органических веществ входят элементы углерод, водород, кислород, а некоторые из них содержат атомы азота и др.

В первой половине XIX в. с ростом числа экспериментальных исследований начался процесс преобразования органической химии из науки описательной в науку, стремящуюся вскрыть подлинную сущность органических веществ, объяснить причины их своеобразия, закономерности их превращений.

Особенно трудно было во многих случаях объяснить существование изомерных соединений и классифицировать их. Единственно разумное объяснение, которое можно было дать явлению изомерии, — это признать, что молекулы изомеров имеют различное строение. Термины «строение», «структура» ввел русский ученый А. М. Бутлеров. Он утверждал, что всякое изменение в структуре молекул неизбежно влечет за собой изменение их свойств.

К этому времени уже были сделаны серьезные предпосылки для создания теории химического строения. Благодаря исследованиям А. Кольбе и А. Купера было показано, что углерод является четырехвалентным, а его атомы способны соединяться друг с другом с образованием устойчивых веществ. Немецкий химик Ф. Кекуле предложил циклическое строение молекулы бензола.

А. М. Бутлеров заявил о своей работе во время доклада на съезде немецких естествоиспытателей в 1861 г.: «Способность атомов соединяться друг с другом различна. Особенно интересен углерод, который, по мнению Кекуле, является четырехвалентным. Если представить валентность в виде щупальцев, с помощью которых атомы связываются между собой, то нельзя не отметить, что способ связи отражается на свойствах соответствующих соединений».

Александр Михайлович Бутлеров

                    (1828—1886)

Русский химик. Один из создателей теории химического строения органических соединений. Осуществил первый синтез глюкозы из формальдегида в присутствии гидроксида кальция.

В знаменитом учебнике «Введение к полному изучению органической химии» (1864 г.) А. М. Бутлеров систематизировал и развил свои обоснования и выводы, которые в последующие годы нашли полное признание у химиков всего мира.

В настоящее время теорию химического строения органических соединений можно кратко сформулировать в следующих основных положениях.

1. Атомы в молекулах органических веществ соединяются друг с другом в определенной последовательности, согласно их валентности. Валентность углерода в молекулах органических соединений всегда равна 4, водорода и галогенов — 1, кислорода — 2 (табл. 1).

Основой скелета органических веществ являются атомы углерода. Они соединяются друг с другом с помощью одинарных или кратных (двойных или тройных) углерод-углеродных химических связей, образуя цепи (углеродный скелет). Углеродные цепи могут быть линейными и циклическими, например:

2. Свойства веществ зависят не только от качественного и количественного состава, но и от порядка соединения атомов в молекулах.

Порядок, или последовательность, соединения атомов в молекулах А. М. Бутлеров назвал структурой или химическим строением. Для изображения химического строения органических веществ используют структурные формулы.

Существуют вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но различный порядок соединения атомов и в силу этого различные свойства. Например, строение веществ состава можно выразить двумя различными структурными формулами:

Вещества, имеющие одинаковый состав, но различное строение, называют изомерами.

3. В молекулах органических веществ атомы и группы атомов взаимно влияют друг на друга.

Взаимное влияние бензольного кольца и аминогруппы в молекуле анилина отражается на химических свойствах анилина. Происходит ослабление основных свойств анилина по сравнению с основными свойствами метиламина из-за перекрывания р-орбитали (свободной электронной пары атома азота) с -электронным облаком бензольного кольца (рис. 9). Такое смещение электронной плотности от атома азота аминогруппы, в свою очередь, облегчает реакции замещения атомов водорода в положениях 2, 4, 6 бензольного кольца.

Теория химического строения органических веществ не является неизменным и догматическим постулатом. В настоящее время теория химического строения, опирающаяся на успехи в области изучения механизмов химических реакций и физико-химических методов исследования органических соединений, является фундаментом дальнейшего развития и углубления наших представлений в области органической химии.

Основные положения теории химического строения органических соединений:

• в молекулах органических соединений атомы соединяются в соответствии с их валентностью;

• свойства веществ зависят от их химического строения;

• атомы и группы атомов взаимно влияют друг на друга.

Химические связи в органических соединениях

Образование химической связи:

Вы уже знакомились с типами и способами образования химической связи, поэтому в начале параграфа кратко повторим основные положения.

Основным типом химической связи в органических соединениях является ковалентная связь.

Ковалентная связь в химических соединениях возникает в результате обобществления электронов с образованием общей электронной пары между двумя атомами. Распределение электронной плотности при перекрывании s-орбиталей и образовании ковалентной связи в молекуле водорода показано на рисунке 10.

При сближении двух атомов водорода и образовании химической связи между ними сила отталкивания ядер друг от друга уменьшается, поскольку их разделяет область с повышенной вероятностью нахождения электронов. Возникают электростатические силы, удерживающие ядра на определенном расстоянии друг от друга за счет кулоновского взаимодействия положительно заряженных ядер и отрицательно заряженного электронного облака в межъядерной области.



Электронная пара образовавшейся химической связи принадлежит одновременно обоим ядрам.

Аналогично образованию связи в молекуле водорода происходит образование углерод-углеродных связей в органических соединениях, например в молекуле этана. Перекрывание орбиталей в молекуле этана происходит по межъядерной оси, проходящей через условные центры двух атомов. Такого типа связи в органических соединениях называют сигма-связями (-связь) (рис. 11). Особенностью строения -связи является повышенная электронная плотность в области между двумя ядрами.

Обобществленную пару электронов ковалентной связи изображают двумя точками в электронной формуле. Например, электронная формула молекулы этана:

В графической (структурной) формуле этана пару электронов между двумя атомами углерода или между атомами углерода и водорода изображают в виде черточки:

Теория химического строения органических соединений

Часто используют сокращенные структурные формулы, в которых химическую связь между атомами углерода и водорода не изображают, а иногда не изображают и связь между атомами углерода, как это видно на примере формул этана:

Последний способ изображения химической связи в молекуле этана не должен ввести вас в заблуждение: показана связь между двумя атомами углерода!

Другой тип химической связи — пи-связь (-связь) (рис. 12). Химическая связь такого типа образуется за счет бокового перекрывания р-орбиталей. Перекрывание происходит не вдоль оси, соединяющей условные центры атомов, а по обе стороны от нее.

-Связь образуется между атомами, уже связанными -связью, поэтому связь такого типа называют двойной. Такие связи характеризуются повышенной электронной плотностью.

Двойные связи содержатся в алкенах, диенах, а также в карбонильных соединениях:

Образование -связей происходит и в молекулах, содержащих бензольные кольца:

Существуют также органические соединения, в молекулах которых между соседними атомами имеется одна -связь и две -связи. Связь такого типа, например в молекуле ацетилена, называют тройной:

Образование тройной связи и химических связей в молекуле бензола будет рассмотрено позже, в соответствующих параграфах.

Если ковалентная связь образуется между одинаковыми атомами, например между атомами углерода в молекуле этана, вероятность нахождения электронной пары в области пространства между ядрами приблизительно одинакова для каждого из этих атомов. Образующуюся ковалентную связь называют неполярной.

Если связь образована между атомами различной электроотрицательности (рис. 13), то электронная плотность смещается в сторону атома с большей электроотрицательностью (атом В).

Ковалентную связь такого типа называют полярной. В этом случае атом В приобретает частичный отрицательный заряд а атом А — частичный положительный заряд  при этом молекула остается электронейтральной (греческая буква (дельта) обозначает заряд меньше единицы). Большей электроотрицательностью по сравнению с углеродом обладают, например, атомы азота, кислорода и фтора (табл. 2).

Полярные ковалентные связи характерны, например, для галогеналканов:

Различная электроотрицательность атомов является только одной из многих причин неравномерного распределения электронной плотности в органических соединениях.

Химические связи и реакции органических соединений

В реакциях органических соединений происходит разрыв старых химических связей и образование новых. Например, в случае реакций присоединения брома к алкенам происходит разрыв -связи в молекуле алкена и образование двух новых -связей

Аналогично происходит разрыв двойной связи альдегидной группы в случае карбонильных соединений:

В большинстве случаев образование новых химических связей определяют электростатические взаимодействия. Например, группы атомов, имеющие частичный отрицательный заряд (избыток электронов), предпочтительно взаимодействуют с атомами молекул, имеющими частичный положительный заряд (недостаток электронов).

Рассмотрим в качестве примера взаимодействие галогеналканов с водными растворами щелочей. В реакции между хлорэтаном и гидроксидом натрия образуется этанол:

В данном примере взаимодействие частицы с отрицательным зарядом () приводит к образованию новой связи с атомом углерода молекулы хлорэтана, имеющим частичный положительный заряд, и к одновременному разрыву связи

Ароматические соединения характеризуются повышенной электронной плотностью бензольного кольца, поэтому реакции замещения атомов водорода кольца проходят с участием частиц с положительным зарядом.

Например:

Для органических соединений характерны в основном ковалентные химические связи. В органических соединениях существуют одинарные и кратные (двойные и тройные) ковалентные химические связи.

При химических реакциях образование новых связей часто определяется электростатическими взаимодействиями.
 

Классификация органических соединений

Органические соединения в зависимости от строения углеродной цени можно классифицировать на ациклические и циклические (рис. 14).

К ациклическим (алифатическим) относят органические соединения с открытой цепью атомов, чаще всего атомов углерода, однако в цепи могут быть атомы других элементов. Например, сокращенные структурные формулы представителей разных классов алифатических соединений:

Циклические соединения разделяют на карбоциклические и гетероциклические. В карбоциклических соединениях углеродный скелет построен только из атомов углерода. Карбоциклические, в свою очередь, подразделяют на али-циклические, например циклогексан:

и ароматические, например бензол:

В гетероциклических соединениях в цикле вместо атомов углерода могут находиться один или несколько атомов других элементов (гетероатомов), например:

В зависимости от наличия или отсутствия функциональных групп органические соединения можно классифицировать на углеводороды (табл. 3) и функциональные производные углеводородов.

В зависимости от типа химической связи между атомами углерода соединения разделяют на насыщенные, ненасыщенные и ароматические.

Углеводороды, имеющие в углеродной цепи только одинарные С—С-связи, называют насыщенными. К ним относятся алканы и циклоалканы. Углеводороды, имеющие в составе молекул двойные или тройные (кратные) связи, называют ненасыщенными: алкены, алкины, диены.

Соединения, содержащие функциональные группы, приведены в таблице 4.

Функциональная группа — это атом или группа атомов, определяющие наиболее характерные химические свойства и принадлежность к данному классу органических соединений.

Органические соединения в зависимости от строения углеродной цепи можно разделить на ациклические и циклические, в зависимости от присутствия или отсутствия функциональной группы — на углеводороды и их функциональные производные.

Органические соединения и их классификация

Органические соединения в зависимости от состава и строения разделяют на углеводороды и их производные, в которых атом водорода замещен на функциональную группу.

В зависимости от строения углеродного скелета органические соединения разделяют на ациклические (алифатические) и циклические. К ациклическим относят органические соединения с открытой цепью атомов углерода.

Углеводороды в зависимости от типа углерод-углеродных связей разделяют на насыщенные (с одинарными связями), ненасыщенные (с кратными связями) и ароматические (табл. 37).

Таблица 37. Классификация углеводородов

Номенклатура углеводородов:

1. Названия насыщенных углеводородов с неразветвленной цепью от и выше но систематической номенклатуре образуют из греческих названий чисел и добавлением суффикса -ан. Присутствие двойной связи указывается изменением суффикса -ан на -ен; тройной связи — изменением суффикса -ан на -ин. Цифру, указывающую атом углерода, за которым следует кратная связь, по номенклатуре ИЮПАК записывают после суффикса.

2. Названия классов углеводородов с одинарными связями — алканы и циклоалканы. с двойными — алкены, с тройными — алкины.

3. Соединения с разветвленной цепью углеродных атомов рассматривают как производные углеводородов с неразветвленной цепью. Основу названия определяет наиболее длинная цепь атомов углерода, а для ненасыщенных углеводородов эта цепь должна содержать кратную связь.

4. Цепь нумеруют арабскими цифрами, начиная с того конца, ближе к которому находится заместитель; при наличии кратных связей наименьший номер должен получить атом углерода, за которым следует кратная связь.

5. Во всех случаях записи названий веществ предпочтительнее использовать заместительную номенклатуру ИЮПАК, а названия заместителей приводить в алфавитном порядке с указанием их положения.

6. Основу названия ароматических соединений составляет слово «бензол», к которому в виде префикса добавляют название заместителя. Наличие в кольце бензола нескольких заместителей указывают цифрами, причем нумерацию атомов углерода кольца производят таким образом, чтобы при выборе из нескольких вариантов первая отличающаяся цифра положения заместителя была наименьшей.

Соединения, содержащие функциональные группы, приведены в таблице 38.

Номенклатура соединений, содержащих функциональные группы:

1. Названия соединений образуют добавлением к названию соответствующего насыщенного углеводорода суффикса, характеризующего функциональную группу:

• карбоксильная группа — -овая кислота;
• альдегидная группа — -аль;
• гидроксильная группа — -ол;
• аминогруппа — -амин.

2. Нумерацию углеродных атомов в случае альдегидов и карбоновых кислот начинают с атома углерода функциональной группы; в других случаях атом углерода, с которым связана функциональная группа, должен получить наименьший номер.

3. В приведенной таблице функциональные группы расположены по старшинству, начиная с карбоксильной группы, которая является самой старшей. Самая младшая группа — аминогруппа.

Если в соединении присутствуют две различные функциональные группы, в суффиксе должно быть название только старшей функциональной группы; название другой функциональной группы должно находиться в префиксе как название заместителя (префикс для гидроксильной группы — гидрокси; аминогруппы — амино). Например, соединение называют 2-бром-4-гидроксипентановой кислотой.

Органические соединения в зависимости от строения углеводородной цепи можно разделить на ациклические и циклические; в зависимости от наличия функциональных групп — на углеводороды и функциональные производные углеводородов.

Во всех случаях записи названий веществ предпочтительнее использовать заместительную номенклатуру.

Многообразие органических соединений

Многообразие органических соединений. В настоящее время известно более 60 млн органических соединений природного и синтетического происхождения, что намного превышает число неорганических веществ. Многообразие органических соединений объясняется существованием большого числа различных классов органических соединений и явлением изомерии.

Изучая углеводороды — вещества, образованные только двумя элементами, вы познакомились с несколькими классами углеводородов (алканами, алкенами, алкинами, алкадиенами, аренами), представленными большим числом соединений. Многообразие углеводородов не исчерпывается только изученными примерами. Например, в молекулах ненасыщенных углеводородов могут содержаться несколько тройных связей или содержаться одновременно двойные и тройные связи. Существуют также разнообразные карбоциклические, ароматические соединения и др. Существование разнообразных углеводородов обусловлено, прежде всего, свойством атомов углерода образовывать цепи, циклы, различные химические связи — одинарные, кратные.

Кроме углеводородов, в природе существуют различные функциональные производные углеводородов, в состав функциональных групп которых входят атомы кислорода или азота. Это спирты, альдегиды, карбоновые кислоты, амины и др. Представители этих классов органических соединений могут быть так же, как и углеводороды, насыщенными, ненасыщенными, ароматическими. Они могут содержать в молекуле одну или несколько функциональных групп, одинаковых для монофункциональных (спирты, карбоновые кислоты) или различных для бифункциональных соединений (аминокислоты), и т. д. В живой природе содержится большое число разнообразных углеводов, белков, жиров.

В настоящее время число органических соединений увеличивается за счет синтеза веществ, которые не существуют в живой природе. К ним относятся многие лекарственные препараты, полимеры, красители и др.

Многообразие органических веществ также обусловлено существованием изомеров.

Изомерами называют вещества, имеющие одинаковый состав молекул, но различное химическое строение и поэтому обладающие различными физическими и химическими свойствами.

Изомеры имеют один и тот же молекулярный состав, поэтому для их обозначения часто используют структурные формулы, отражающие порядок соединения атомов, а иногда и их пространственное расположение.

Существование органических соединений, имеющих одинаковый молекулярный состав, но различный порядок соединения атомов в молекулах или различное расположение атомов в пространстве, называется изомерией (от греч. isos — равный и meros— доля, часть). Термин «изомерия» ввел в химию И. Берцелиус в 1830 г., а подлинное объяснение этот термин получил во второй половине XIX в. на основе теории химического строения А. М. Бутлерова и стереохимического учения Я. Вант-Гоффа.

Различают изомерию структурную и пространственную.

Структурная изомерия: Структурная изомерия — результат различий в химическом строении веществ. К структурной изомерии относят (рис. 106):

• изомерию углеродного скелета, обусловленную различным порядком связи атомов углерода;

• изомерию положения, обусловленную различным положением функциональных групп или кратных связей при одинаковой углеродной цепи.

Рассмотрим на конкретных примерах изомеры веществ различных классов органических соединений.

Изомерия углеродного скелета характерна для любых классов органических соединений алифатического ряда. Явление изомерии в алифатическом ряду обусловлено разветвлением углеродного скелета. В таблице 39 приведены изомеры алканов, алкинов, спиртов, карбоновых кислот, сложных эфиров.

Таблица 39. Изомерия углеродного скелета

Шаростержневые модели молекул бутана и 2-метилпропана приведены на рисунке 107.

Изомерия положения функциональных групп характерна для спиртов, аминов. Например, для соединения состава такими изомерами являются:

Примерами изомеров первичных насыщенных аминов состава  являются амины:

Примерами изомерии взаимного расположения функциональных групп являются аминокислоты:


Изомерия положения кратных связей характерна для алкенов, алкинов, диенов. Например:


К структурной изомерии также относят изомерию, обусловленную различным положением и сочетанием атомов в молекулах веществ, имеющих одинаковую молекулярную формулу, но принадлежащих к разным классам органических соединений. К таким изомерам относятся бутин-1 и бутадиен-1,3 (алкины и диены), этановая кислота и метилметаноат (насыщенные одноосновные карбоновые кислоты и сложные эфиры), нециклические формы молекул глюкозы и фруктозы (углеводы).

Пространственная изомерия: Пространственная изомерия (стереоизомерия) возникает в результате различий в пространственной конфигурации молекул, имеющих одинаковое химическое строение.

Одним из видов пространственной изомерии, характерной для соединений, содержащих двойные связи, является цис-транс-изомерия.

К цис-транс-изомерам относятся соединения, содержащие разные заместители у каждого из атомов углерода, образующих двойную связь. В этом случае изомеры отличаются друг от друга пространственным расположением заместителей относительно плоскости двойной связи. Заместители могут располагаться либо по одну сторону плоскости двойной связи (цис-положение), либо по разные стороны (транс-положение). Например:

Масштабные модели молекул цис-транс-изомеров бутена-2 представлены на рисунке 108.

Другим примером пространственных изомеров являются циклические и формы глюкозы, различающиеся положением гидроксильных групп у первого атома углерода:

Существуют и другие виды пространственной изомерии, изучение которых предусмотрено в высших учебных заведениях.

Явление изомерии в значительной степени способствует росту числа известных и потенциально возможных соединений. Например, возможное число структурных изомерных дециловых спиртов более пятисот, а пространственных изомеров здесь более тысячи пятисот.

Многообразие органических соединений объясняется существованием веществ различных классов органических соединений и явлением изомерии.

Явление изомерии в значительной степени способствует росту числа известных и еще в большей степени числа потенциально возможных изомеров.

Различают изомерию структурную и пространственную.

Классификация органических реакций

Классификация органических реакций. В органической химии реакции классифицируют в зависимости от изменения строения реагирующих молекул и характера изменения связей.

В зависимости от изменения строения реагирующих молекул и конечного результата реакции разделяют на реакции замещения, присоединения и отщепления.

1. Реакции замещения. В реакциях замещения атом или группа атомов в исходной молекуле замещается на другой атом или группу атомов.

Такие реакции характерны для алканов, ароматических соединений, гало-генуглеводородов, спиртов, фенолов, карбоновых кислот и углеводов, хотя и протекают по различным механизмам.

2. Реакции присоединения. В реакциях присоединения происходит разрыв -связи и присоединение к атомам углерода и гетероатомам фрагментов реагентов.

Реакции присоединения характерны для углеводородов с кратными связями, альдегидов, кетонов, моносахаридов и в жестких условиях возможны для ароматических соединений.

3. Реакции отщепления.

Реакции отщепления характерны в основном для галогенуглеводородов и спиртов.

Особым видом органических реакций являются реакции полимеризации и реакции поликонденсации.

4. Реакции полимеризации.

5. Реакции поликонденсации.

6. С участием кислорода или водорода проходят реакции окисления и восстановления, которые характеризуются изменением степени окисления атомов реагирующих веществ и приводят в большинстве случаев к образованию практически важных продуктов. Например:

Понятие о механизмах реакций.

Любую химическую реакцию можно рассматривать как процесс разрыва химических связей в исходных соединениях и образования новых связей в конечных продуктах. В ходе этого процесса обычно затрагивается не вся молекула, а только ее часть — реакционный центр, которым упрощенно можно считать функциональную группу или кратные связи.

В зависимости от типа разрыва связей органические реакции подразделяют на радикальные и ионные, причем реакции одного типа могут проходить по разным механизмам. Например, замещение атомов водорода в алканах на галоген при облучении (реакция замещения) происходит с промежуточным образованием радикалов, а замещение атома водорода в бензоле на атом галогена в присутствии хлорида алюминия (реакция замещения) происходит с промежуточным образованием ионов.

Химические свойства каждого конкретного класса органических соединений определяет функциональная группа. Углеводородная группа, связанная с функциональной группой, обычно не подвергается изменениям в процессе реакций, протекающих при умеренных температурах, и переходит без изменения в конечный продукт. Например:

В других реакциях функциональная группа сильно влияет на реакционную способность связанных с ней углеводородных групп. Например, бензол не реагирует с бромной водой, однако у фенола гидроксильная группа, связанная с ароматическим кольцом, активирует к реакциям замещения атомы углерода бензольного кольца в положениях 2, 4, 6:

Бензольное кольцо, в свою очередь (взаимное влияние), влияет на свойства гидроксильной группы: фенол обладает более сильными по сравнению со спиртами кислотными свойствами (отщепление водорода в виде протона).

В химических реакциях, кроме реагирующих веществ, — принимает участие также и растворитель. Рассмотрим взаимодействие галогеналканов с гидрок-сидами щелочных металлов. В водных растворах образуются соответствующие спирты, в спиртовых растворах — алкены:

Реакции органических соединений подразделяют на следующие типы: замещения, присоединения и отщепления.

Химические свойства каждого конкретного класса органических соединений определяет функциональная группа и условия проведения реакции.

Взаимосвязь между органическими соединениями различных классов

Изучив курс органической химии, вы познакомились со строением, химическими свойствами и способами получения веществ различных классов органических соединений, относящихся к углеводородам и кислород- и азотсодержащим функциональным производным углеводородов. При этом вы узнали, что органические соединения различных классов связаны между собой взаимными переходами. Знания о взаимных превращениях органических соединений необходимы для поиска рациональных и экономически выгодных путей получения заданных и новых веществ.

Рассмотрим последовательно схемы взаимных превращений углеводородов, кислородсодержащих и азотсодержащих соединений.

На рисунке 109 представлена схема взаимных превращений углеводородов. Анализ схемы показывает, что реальны самые разнообразные переходы одних углеводородов в другие. Пути получения продукта могут состоять из разного числа химических реакций в зависимости как от исходного вещества, взятого для синтеза, так и знаний химических свойств веществ. Например, из метана можно получать следующие вещества различных классов углеводородов:

Переходы между углеводородами осуществляются в процессе реакций гидрирования или дегидрирования.

На рисунке 110 отражена связь между галогенопроизводными углеводородов и углеводородами. Взаимные превращения галогеналканов и углеводородов можно осуществить в процессе реакций замещения, присоединения, отщепления. Например, из метана можно получить этен по следующей схеме превращений:

Взаимные переходы галогенопроизводных углеводородов и кислородсодержащих органических соединений представлены на рисунке 111. Например, исходя их хлорэтана, можно в результате нескольких реакций получить хлорзамещенную карбоновую кислоту по следующей схеме превращений:

В лабораторных условиях первичные насыщенные спирты могут быть получены в результате щелочного гидролиза моногалогеналканов:

Альдегиды и карбоновые кислоты можно также получить в одну стадию, в процессе щелочного гидролиза из дигалогензамещенных и тригалогензамещенных алканов:

Взаимные превращения спиртов, альдегидов, карбоновых кислот и эфиров осуществляются в реакциях окисления, восстановления, отщепления, гидролиза.

Взаимные переходы между углеводородами, кислород- и азотсодержащими функциональными производными углеводородов показаны на рисунке 112. Рассмотрите схему и определите, с помощью каких типов реакций можно осуществить указанные превращения.

Особую роль знания о взаимных превращениях органических соединений играют в органических синтезах, благодаря которым можно получать органические соединения различных классов часто на основе одного вещества. Рассмотрим в качестве примера схему превращения этена в аминоуксусную кислоту, которая включает несколько стадий. Процесс превращения начнем рассматривать, исходя из конечного продукта. Последняя стадия получения аминоуксусной кислоты осуществляется взаимодействием аммиака с монохлоруксусной кислотой. В свою очередь, монохлоруксусная кислота получается хлорированием уксусной кислоты. Следовательно, главная проблема заключается в поиске путей синтеза уксусной кислоты. Ее можно получить из этена несколькими способами:

Анализ приведенных схем позволяет выбрать более рациональный путь получения указанной кислоты, который требует меньшего числа стадий, времени и расхода реактивов. Запишем процесс получения аминоуксусной кислоты из этена в виде одной схемы:

Разнообразные примеры переходов органических веществ служат доказательством взаимной связи между различными классами органических соединений. Понимание этой взаимосвязи позволяет уяснить сущность процессов, происходящих в природе, на производстве, в быту. На основе знаний о взаимосвязи между различными классами органических соединений ученые синтезируют тысячи разнообразных веществ, не только существующих в природе, но и не существующих, а также веществ с заранее заданными свойствами.

Фундаментальной основой для получения органических веществ являются углеводороды. Природными источниками углеводородов служат нефть и фракции ее переработки. Используются также природный газ и попутные нефтяные газы, продукты коксования угля. 

Органические вещества связаны друг с другом взаимными переходами.

Фундаментальной основой органических веществ являются углеводороды.

Знание химических свойств веществ и их взаимных превращений позволяет выбирать рациональные пути получения заданных органических веществ и синтеза новых веществ.

Промышленный органический синтез

Можно считать, что синтез органических веществ в промышленных масштабах начался в 1856 г., когда У. Перкин случайно получил нагреванием смеси анилина и гомолога анилина первый синтетический краситель моввин — продукт пурпурного цвета. Синтетический краситель заменил натуральный, который по стоимости был дороже золота, потому что его извлекали из средиземноморских улиток. Вскоре было организовано промышленное производство природных красителей ализарина и индиго. Успехи органического синтеза в XX в. привели к получению большого числа сложных природных продуктов, например хинина и витамина

Особенностью промышленной органической химии XXI в. являются экологически безопасные и безотходные технологии с комплексной переработкой отходов и защитой окружающей среды. Любая современная технология с учетом расхода сырья и воздействия на природу характеризуется количеством отходов в килограммах на 1 кг конечного продукта экологическим фактором Е, который находится в пределах 0,1 — 100.

Примерами новых промышленных реакций, которые характеризуются очень низкими величинами экологического фактора Е, являются синтез уксусного альдегида и уксусной кислоты:

Более 50 % производимой в мире уксусной кислоты получают показанным способом.

Другой важной особенностью технологий XXI в. является получение в промышленных масштабах пространственных изомеров органических веществ. Например, из коры тиса было выделено эффективное противораковое химическое вещество — таксол. Химикам удалось получить синтетический таксол, идентичный природному изомеру, из более чем 4000 возможных пространственных изомеров. Кроме того, были спасены тысячи деревьев, так как на одну порцию лекарства требовалась кора одного дерева.

Промышленный синтез должен обеспечивать получение экономически выгодных органических веществ в больших количествах. В промышленности часто применяют или получают смеси веществ. В лабораториях химики наоборот стремятся получить индивидуальные вещества и выбирают такие способы и такие реакции, которые приводят к единственному продукту и минимальным побочным реакциям. Лабораторные способы обычно применяют для получения от нескольких граммов до нескольких сот граммов вещества. Кроме того, стоимость получаемого вещества часто не является таким важным фактором по сравнению со временем, затраченным на синтез этого вещества.

Большинство крупных химических производств основано на химической переработке нефти и продуктов ее перегонки — это нефтехимическая промышленность. Каждый день во всем мире перерабатывается около 10 млн сырой нефти. Приблизительно 95 % нефти используется для получения различных видов топлива, оставшаяся часть является сырьем для промышленного органического синтеза.

Основное направление переработки нефти (рис. 113) в промышленности связано с получением из нефти исходных соединений для синтеза высокомолекулярных веществ: полиэтилена, поливинилхлорида, синтетических каучуков, полиэфирных и полиамидных волокон.

Такими исходными органическими соединениями являются: бутан, изопентан, этилен, бензол, толуол (метилбензол), изопропилбензол, -ксилол и др.

В меньшей степени нефть служит источником исходных веществ для получения спиртов, альдегидов и карбоновых кислот.

Одно из крупнейших нефтехимических предприятий (рис. 114) в нашей стране расположено в Новополоцке. Его продукцией являются: бензин, керосин, газойль, мазут, дизельное топливо, смазочные материалы, парафины, нефтяные битумы, бензол, толуол, ксилолы, присадки для минеральных масел.

Сведения о некоторых белорусских предприятиях промышленного синтеза органических веществ приведены в таблице 40.

Таблица 40. Предприятия промышленного синтеза некоторых органических веществ

Проблемы охраны здоровья людей. С целью сохранения здоровья людей и охраны окружающей среды установлены санитарные нормы содержания вредных веществ в окружающей среде — предельно допустимая концентрация (ПДК). ПДК вредного вещества указывает на то, что данная концентрация вещества в атмосфере, воде или почве практически не влияет на здоровье человека. ПДК некоторых веществ приведены в таблице 41.

Таблица 41. Предельно допустимые концентрации веществ

Наиболее опасными для здоровья людей и загрязнителями окружающей среды являются:

1) оксид углерода(II), который образуется при неполном сгорании различных видов горючего, а также оксиды азота и серы;

2) токсичные отходы промышленных предприятий (ненасыщенные углеводороды, формальдегид, фенолы, производные кислот и др.);

3) разливы сырой нефти и продуктов ее переработки в результате аварий при транспортировке.

На каждом промышленном предприятии существуют установки для обезвреживания токсичных отходов: улавливание золы и копоти; очистка сточных вод микробиологическим способом; замкнутое водоснабжение; сжигание токсичных веществ. Правильное функционирование таких установок является основной задачей соответствующих экологических служб.

Большинство крупных химических производств основано на химической переработке нефти и продуктов ее перегонки.

Начальные понятия об органических соединениях

Возникновение органической химии

Вы уже знаете, что химические вещества образуются атомами различных химических элементов. Среди всех химических элементов отдельное место занимает Карбон, поскольку он является основой множества природных и синтетических соединений. Карбон образует десятки миллионов веществ, изучением которых занимается органическая химия.

Органическая химия — это раздел химии, изучающий соединения Карбона, их свойства и методы получения.

Это определение не является абсолютно точным, поскольку существуют соединения Карбона (углекислый и угарный газы, карбонатная кислота, карбонаты и т. д.), которые по характеру свойств относят к неорганическим. Но это лишь доказывает, что принципиальной разницы между органическими и неорганическими веществами не существует, поскольку органические соединения могут превращаться в неорганические, и наоборот.

Органические вещества известны человечеству с давних времен — это масла, винный спирт, уксусная кислота, сахар, крахмал и другие. Но долгое время эти вещества могли получать только из живых организмов (растений и животных) или продуктов их жизнедеятельности и не могли искусственно их синтезировать. Это объясняли теорией витализма (от латин. vita — жизнь), согласно которой органические вещества могут образовываться только в живых организмах под воздействием некой «жизненной силы». Именно поэтому в 1807 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус предложил название «органические» для обозначения веществ, которые получают из живых организмов. Переворот в представлении об органических веществах произошел после известного опыта Фридриха Вёлера. В 1828 году Вёлер из неорганического соединения в обычной пробирке синтезировал мочевину, которую до сих пор получали лишь из мочи и потому считали исключительно органическим веществом:

И хотя мочевина была не таким уж и важным веществом, но опыт Вёлера доказал, что органические вещества могут образовываться и без «жизненной силы». Это было крахом теории витализма. После сообщения Вёлера многие химики начали проводить опыты по получению органических веществ. Началось бурное развитие нового направления — органической химии.

История органической химии насчитывает много выдающихся имен, но среди всех химиков-органиков следует в первую очередь отметить двух — Фридриха Кекуле и Александра Бутлерова, чьи исследования были наиболее значимыми для понимания строения органических веществ и стали мощным инструментом для развития органической химии.

Понятие об органических веществах:

Сегодня органическими называют как природные, так и синтетические соединения Карбона. Их известно уже более 20 миллионов. Органические вещества играют важную роль в природе, поскольку являются основой жизни на Земле. Это основная составляющая пищевых продуктов, их издавна применяют как сырье для изготовления тканей, они содержатся в составе различных видов топлива (рис. 22.2). Современные синтетические органические высокомолекулярные соединения используют в качестве конструкционных материалов, для изготовления волокна и т. п. Многие из них по своим свойствам превосходят природные аналоги. Органические соединения являются основными компонентами лекарств, моющих средств и др.

Почему именно Карбон является основой органических веществ? В отличие от других химических элементов, Карбон может образовывать огромное число соединений, что обусловлено двумя важными свойствами его атомов:

• атомы Карбона могут образовывать между собой прочные химические связи и соединяться в достаточно длинные карбоновые цепи: неразветвленные, разветвленные и циклические;
• атомы Карбона могут образовывать между собой и с атомами других элементов связи различной кратности — одинарные, двойные и тройные:

Органические вещества обладают некоторыми общими свойствами:

• состоят из атомов Карбона, Гидрогена, часто содержат Нитроген, Оксиген, хотя могут содержать атомы и других элементов;
• атомы Карбона в молекулах соединены в различные цепи;
• между атомами в молекулах преимущественно неполярные или слабополярные ковалентные связи;
• имеют преимущественно молекулярное строение, поэтому для них характерны низкие температуры плавления и кипения;
• большинство из них не растворяются в воде, являются летучими жидкостями или легкоплавкими твердыми веществами, многие из них газообразны при нормальных условиях;
• растворимые в воде органические соединения обычно являются неэлектролитами;
• преимущественно являются горючими веществами;
• при нагревании выше 300°С обычно разлагаются.

Классификация органических соединений

Для изучения органических веществ удобно классифицировать их по строению или свойствам, подобно тому как классифицируют неорганические вещества (схема 1, с. 5).

По содержанию химических элементов

Простейшие органические соединения содержат только два элемента — Карбон и Гидроген, их называют углеводородами (от двух слов — «углерод» и «водород»), часто органические соединения содержат атомы Оксигена или Нитрогена. Поскольку эти четыре элемента образуют почти все органические соединения, содержащиеся в живых организмах, их называют элементами-органогенами.

• По наличию кратной связи между атомами Карбона

В молекулах некоторых органических соединений содержатся определенные группы атомов, являющиеся характерными для всех соединений этого класса. Их называют характеристичными (или функциональными) группами. У углеводородов такие группы отсутствуют, группа атомов –COOH обязательно содержится в молекулах органических кислот и является характеристической для карбоновых кислот.

По наличию характеристических групп различают следующие классы органических веществ:

• углеводороды: характеристические группы отсутствуют;
• спирты, в молекулах которых есть гидроксильная группа –OH;
• карбоновые кислоты, в молекулах которых есть карбоксильная группа –COOH;
• аминокислоты, в молекулах которых есть карбоксильная группа –COOH и аминогруппа –NH₂.

Конечно, приведенные классификации не отражают всего разнообразия органических соединений, но именно эти вещества вы будете изучать в 9 классе, а с другими ознакомитесь при дальнейшем изучении химии.

Предметом изучения органической химии являются органические соединения, их превращения и методы получения. К органическим относятся вещества природного и синтетического происхождения, образованные атомами Карбона.

Метан — простейший углеводород

Молекулярная и структурная формулы метана

Вы уже знаете, что простейшие органические вещества — это углеводороды, состоящие из атомов только двух элементов: Карбона и Гидрогена. Среди углеводородов простейшими соединениями являются насыщенные углеводороды, или алканы.

Молекулярная формула метана — CH₄. В его молекуле четыре атома Гидрогена соединены ковалентными связями с атомом Карбона, и структурная формула метана имеет вид:

У Карбона и Гидрогена близкие значения электроотрицательности (2,55 и 2,20 соответственно). Поэтому связь между ними является ковалентной неполярной. Молекула метана также неполярна.

Строение молекулы метана. Основное и возбужденное состояния атома Карбона

В молекуле метана четыре связи C–H — это ковалентные связи, для реализации которых необходимо образование четырех общих электронных пар:

Вспомните, что в обычном (основном) состоянии на внешнем энергетическом уровне атома Карбона содержится четыре электрона: одна пара на s-орбитали и два неспаренных электрона на р-орбиталях.

В таком состоянии атом Карбона может образовать только две ковалентные связи. Но для образования четырех связей на внешнем уровне должно быть четыре неспаренных электрона. Поэтому атом Карбона поглощает небольшое количество энергии и переходит в возбужденное состояние, в котором один электрон с s-орбитали переходит на свободную p-орбиталь.

Но даже при таком переходе электрона одна s-орбиталь и три p-орбитали внешнего уровня не могут образовать четыре связи, поскольку s-орбиталь пространственно недоступна для перекрывания с орбиталями других атомов (рис. 23.1). Именно поэтому, когда атом Карбона переходит в возбужденное состояние, все четыре орбитали внешнего энергетического уровня обретают одинаковую энергию, а следовательно, и форму (несимметричной объемной восьмерки) (рис. 23.2, а) и ориентируются уже по-другому (рис. 23.2, б): они направлены к вершинам правильной треугольной пирамиды (тетраэдра). При такой форме и ориентации все орбитали атома Карбона в возбужденном состоянии без ограничений могут перекрываться с орбиталями других атомов (рис. 23.3).

При образовании химических связей между атомами Карбона и Гидрогена эти связи также направлены к вершинам треугольной пирамиды под углом 109,5°, поэтому молекулы метана имеют форму тетраэдра (рис. 23.4).

Изменение формы и ориентации атомных орбиталей при переходе атомов в возбужденное состояние называют гибридизацией, а орбитали, подвергшиеся изменениям, — гибридизованными. При образовании молекул метана изменяются одна s-орбиталь и три p-орбитали, поэтому такое состояние атома Карбона называют sp³-гибридизованным (см. рисунок). Три одинаковые p-орбитали в атоме Карбона в основном состоянии должны быть расположены так, чтобы быть максимально удаленными друг от друга. Именно поэтому р-орбитали расположены по взаимно перпендикулярным осям (рис. 23.1).

В возбужденном состоянии одинаковых (гибридизованных) орбиталей уже четыре, и они также должны быть максимально отдалены друг от друга. Именно этим и объясняется тетраэдрическая ориентация sp³-гибридизованных орбиталей. Явление гибридизации объясняет форму как органических, так и неорганических молекул, но об этом вы подробнее узнаете при углубленном изучении химии.

Физические свойства метана и распространенность в природе:

Метан — при обычных условиях бесцветный газ без запаха; плотность при 0°С равна 0,7168 кг/м³, нерастворимый в воде (0,02 г метана в 1 кг воды при 25°С), при сильном охлаждении превращается в летучую жидкость ( = –161,6°С), а при дальнейшем охлаждении — в бесцветные кристаллы ( = –182,5°С).

При концентрации в воздухе от 4,4 до 17% метан взрывается. Метан является основным компонентом природного газа, которым мы пользуемся в быту, и потому утечка газа может повлечь опасные последствия (рис. 23.5). Из-за отсутствия у метана запаха выявить его утечку было бы невозможно, поэтому к природному газу еще в момент добычи добавляют специальные вещества с запахом (одоранты). Обычно это органические вещества класса меркаптанов с характерным запахом тухлого мяса. Метан нетоксичен и в малых концентрациях безопасен для человека, но при значительном содержания его в воздухе (25–30%) человек может потерять сознание и умереть, поскольку метан не поддерживает дыхания.

Метан — один из парниковых газов, поскольку он вызывает парниковый эффект, причем даже сильнее углекислого газа в 20– 25 раз. В последние годы концентрация метана в воздухе существенно увеличивается ввиду интенсивного развития животноводства: каждая корова за сутки выделяет около 300 л метана, а мировое поголовье коров насчитывает более 1,5 млн, не считая остального крупного рогатого скота.

Метан — распространенное в природе вещество. Его содержание в природном газе составляет 77–99%, в попутном нефтяном газе — 31–90%. Также метан содержится в составе рудничного и болотного газов.

В больших объемах метан транспортируют по трубопроводам. Метан можно хранить при повышенном давлении в специальных стальных баллонах, окрашенных в красный цвет (рис. 23.6).

Значительное количество метана находится на Земле в виде так называемых газогидратов (продуктов соединения с водой). Такие соединения существуют только при низкой температуре и высоком давлении, поэтому встречаются преимущественно в северных морях и залегают на глубине около 1 км. Запасы такого метана оценивают в 100 раз больше, чем запасы всех разведанных на сегодня месторождений природного газа.

Выбор меркаптана для придания запаха метану не случаен: обоняние человека может воспринять запах меркаптана, даже если в 1 л воздуха его будет всего лишь 10–16 моль. В такой концентрации даже собака не способна почувствовать его запах.

Газогидраты являются клатратными соединениями (от латин. сlathratus — то, что закрыто решеткой, посажено в клетку), или соединениями включения. Клатратными называют соединения, в которых небольшие молекулы, такие как у метана, находятся в полостях между молекулами жидкой воды (как показано на рисунке) и фактически являются газовыми гидратами. Такие соединения характерны для многих газообразных веществ, в частности метана, но они устойчивы только при высоком давлении и низкой температуре. При попадании гидрата метана в обычные условия он разлагается на газообразный метан и жидкую воду. Один объем гидрата метана может выделить 160–180 объемов чистого газа.

Углеводороды — простейшие органические вещества, состоящие из атомов Карбона и Гидрогена. Метан — простейший углеводород.

Гомологи метана — насыщенные углеводороды

Гомологи и гомологический ряд метана

В предыдущем параграфе вы уже ознакомились с простейшим углеводородом — метаном, являющимся также простейшим представителем класса органических соединений алканов. Алканы — достаточно большой класс соединений, но у всех представителей алканов есть общий признак: их молекулярные формулы соответствуют общей формуле где n — число атомов Карбона в молекуле. Если вы вместо n подставите любое целое число, то получите молекулярную формулу алкана. Например, если подставить n = 1, то получим формулу метана Формулы и названия первых десяти представителей алканов представлены в таблице 10.

Таблица 10. Первые десять представителей алканов

Обратите внимание, что первые четыре представителя алканов — метан, этан, пропан и бутан — имеют исторически сложившиеся названия. Названия следующих алканов образуются от греческих числительных добавлением суффикса -ан-: пентан, гексан и т. д.

Проанализируйте молекулярные формулы веществ в таблице. Как отличается состав молекул метана и этана? Формула метана — , а этана — Их формулы отличаются на один атом C и два атома H, т. е. на группу атомов Как отличается состав молекул этана и бутана? Они отличаются на два атома C и четыре атома H, т. е. на две группы атомов

Соединения одного класса, имеющие сходное строение, но отличающиеся по составу на одну или несколько групп CH₂, называют гомологами.

Группу CH₂ называют гомологической разницей. Совокупность всех гомологов образует гомологический ряд.

Метан и его гомологи образуют гомологический ряд класса алканов. Первые представители этого ряда с небольшим числом атомов Карбона в молекуле называют низшими алканами, а с большим числом — высшими. Впрочем, четкой границы между ними нет.

Структурные формулы и строение молекул гомологов метана:

Еще в начале развития органической химии ученые выяснили, что подавляющее большинство органических соединений являются веществами молекулярного строения. Но при определении формул органических веществ возникла проблема, связанная с валентностью элементов в их составе. К примеру, если определять валентность атомов Карбона в этане то по правилам, которые вы изучали в 7 классе, у Карбона должна быть валентность III, что противоречит действительности. Исследования Ф. Кекуле и А. Бутлерова доказали, что формально вопрос валентности в органической химии рассматривать нельзя. Валентность Карбона в органических соединениях всегда IV, это становится понятным, если вместо молекулярных формул использовать структурные. Именно поэтому в органической химии используют структурные формулы, а молекулярные формулы — для решения расчетных задач, поскольку по ним легче рассчитывать молярную массу.

При составлении структурных формул следует помнить, что атомы Карбона в молекулах органических веществ соединены друг с другом и образуют карбоновую цепь (карбоновый скелет).

Рассмотрим составление структурных формул на примере этана.

1. Изображаем карбоновую цепь — в этане она состоит из двух атомов Карбона, соединенных одинарной связью:

C–C

2. Карбон четырехвалентен, поэтому от каждого атома Карбона рисуем черточки так, чтобы у каждого атома их было по четыре:

3. Дописываем символы атомов Гидрогена и получаем структурную формулу этана:

Часто структурные формулы записывают в сокращенном виде, не изображая связи C–H. Сокращенные структурные формулы намного компактнее, чем развернутые:

Структурные формулы показывают последовательность соединения атомов, но не отражают пространственного строения молекул. Атомы Карбона в молекулах гомологов метана находятся в возбужденном состоянии, как и в молекулах метана, о чем вы узнали в предыдущем параграфе. Значит, все химические связи от каждого атома Карбона направлены к вершинам тетраэдра, и молекула этана имеет такой пространственный вид:

По приведенному алгоритму можно составить структурные формулы других углеводородов:

При составлении структурных формул соединений других классов также следует соблюдать эти принципы и, главное, помнить и правильно учитывать валентность элементов.

Проанализируйте все структурные формулы, приведенные в этом разделе. Видно, что атомы Карбона четырехвалентны, к тому же, каждый атом Карбона соединяется с четырьмя другими атомами (Карбона или Гидрогена). Значит, все валентные возможности атомов Карбона «насыщены» другими атомами, и они уже не способны присоединить ни одного атома. Такие углеводороды называют насыщенными. Главным признаком насыщенных соединений является то, что в их молекулах все связи между атомами Карбона одинарные.

Насыщенные соединения — это органические соединения, в молекулах которых атомы Карбона соединены друг с другом только одинарными ковалентными связями.

Метан и его гомологи (углеводороды класса алканов) — это насыщенные углеводороды.

Название первого члена гомологического ряда алканов «метан» произошло от названия соответствующего ему спирта — метилового. Этот спирт издавна называли древесным, поскольку добывали его из древесины. Слово «метил» происходит от греческих слов methy — вино и hile — лес (буквально — «вино из леса»).

Алкан с самой длинной карбоновой цепью — нонаконтатриктан С₃₉₀Н₇₈₂ — синтезировали в 1985 году английские химики И. Бидд и М. Уайтинг.

Для каждого класса органических соединений характерен свой гомологический ряд. Состав соединений одного ряда отражает общая формула.

Свойства метана и его гомологов, их применение

Метан — неполярное вещество молекулярного строения, что определяет его нерастворимость в воде, летучесть, низкую температуру кипения.

Физические свойства гомологов метана

Поскольку вещества гомологического ряда метана имеют сходное строение и отличаются только длиной карбоновой цепи, то их физические свойства также подобны.

При обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда метана (от CH₄ до C₄H₁₀) — газы, следующие (от C₅H₁₂ до C₁₆H₃₄) — жидкости, а соединения с большим числом атомов Карбона — твердые вещества (рис. 25.1). Это объясняется тем, что с увеличением длины карбоновой цепи увеличивается молекулярная масса веществ, поэтому возрастает количество энергии, необходимой для плавления или испарения веществ. Значит, для любого гомологического ряда справедливо правило, что с увеличением числа атомов Карбона повышаются температуры плавления и кипения веществ.

Пропан и бутан являются газами, однако хорошо сжижаются при охлаждении и повышенном давлении. В быту и промышленности часто используют сжиженную смесь пропана и бутана (рис. 25.2, а, б).

Все гомологи метана — бесцветные вещества. В отличие от газообразных и твердых алканов, жидкие обладают специфическим углеводородным или цветочным запахом (рис. 25.2, в).

Все гомологи метана — неполярные соединения, поэтому они почти нерастворимы в воде, а твердые — жирные на ощупь (рис. 25.2, г). Именно поэтому алканы и другие нецикличные углеводороды еще называют алифатическими соединениями (от греч. aleiphar — жир). Жидкие алканы легче воды, а при смешивании с водой смесь расслаивается: алкан собирается сверху, а вода — снизу (рис. 25.3). Поэтому нефть, состоящая преимущественно из жидких алканов, при попадании в воду растекается тонким слоем по поверхности, что представляет большую угрозу для окружающей среды (рис. 25.4).

Поскольку алканы являются неполярными соединениями, они хорошо смешиваются друг с другом и растворяют другие неполярные вещества (рис. 25.5).

Химические свойства метана и его гомологов:

Алканы — химически неактивные вещества, из-за чего в XIX веке их называли «химическими мертвецами». К началу XX века для них не было известно ни одной химической реакции, кроме горения.

Алканы активно взаимодействуют с кислородом. Например, метан горит бледно-синим пламенем, слабо заметным при ярком солнечном свете:

Обратите внимание! В уравнениях реакций с участием органических веществ знак равенства всегда заменяют стрелкой, чтобы не спутать его с обозначением двойной связи.

При горении метана выделяется большое количество теплоты — около 50 кДж на 1 г углеводорода. С воздухом метан образует взрывчатые смеси, какое. При работе с метаном, например при использовании газовых плит или баллонов, необходимо постоянно следить за тем, чтобы пламя не погасло.

Гомологи метана также окисляются кислородом воздуха, причем полное окисление до углекислого газа происходит только при горении в избытке кислорода. Например, для пентана:

Если кислорода недостаточно, то вместо углекислого газа образуется чрезвычайно ядовитый угарный газ:

Высшие гомологи метана, т. е. алканы с большим числом атомов Карбона, при горении могут также образовывать углерод. Так, например, обычные бытовые парафиновые свечи, состоящие из смеси твердых алканов, при горении образуют коптящее пламя. Копоть — это частицы сажи (углерода), не успевшие сгореть:

Кроме кислорода алканы реагируют только с очень активными веществами, например с галогенами. Реакции взаимодействия с галогенами называют галогенированием. Взаимодействие алканов с хлором или бромом происходит только при освещении или нагревании. При этом один атом галогена замещает атом Гидрогена в составе органической молекулы, а другой соединяется с высвобожденным атомом Гидрогена и образует молекулу гидроген галогенида (символом hν в уравнениях реакций обозначают, что реакция происходит при освещении):

С использованием молекулярных формул это уравнение записывают следующим образом:

При избытке галогена могут замещаться несколько атомов Гидрогена:

При хлорировании метана образуются ценные вещества: — дихлорметан (хлористый метилен), который используют как растворитель в лабораториях, в жидкостях для снятия лака и для обезжиривания поверхностей, при изготовлении быстрорастворимого кофе и экстракта хмеля; — трихлорметан (хлороформ) является ценным растворителем в производстве лекарств и красителей, с середины XIX века и до недавнего времени его использовали в качестве наркоза при хирургических операциях; — тетрахлорметан, который используют как растворитель для жиров и смол, это одно из немногих негорючих органических веществ, благодаря чему его использовали для тушения пожаров в военной и авиационной технике.

Применение метана и его гомологов

Насыщенные углеводороды — важные вещества в нашей жизни. Большие объемы добытых углеводородов используют в качестве разнообразного топлива: бензин, керосин, дизельное топливо, авиационный бензин, мазут (его сжигают на тепловых электростанциях). Из насыщенных углеводородов путем химических превращений добывают много ценных веществ: синтетические моющие средства, растворители, хладагенты для холодильников, пластмассы, каучуки и т. д. (рис. 25.6).

Метан и его гомологи — неполярные и химически малоактивные вещества.

Соотношение объемов газов в химических реакциях

Многие реакции происходят при участии газообразных веществ, в частности углеводородов. Исследуя реакцию водорода с кислородом, французский ученый Гей-Люссак обнаружил, что два объема водорода всегда реагируют с одним объемом кислорода, образуя два объема газообразной воды (водяного пара). Исследовав еще несколько реакций, ГейЛюссак выяснил, что, когда газы реагируют между собой, их объемы всегда соотносятся друг с другом как небольшие целые числа (рис. 26.1).

Это правило Гей-Люссак опубликовал в 1808 году, оно получило название закона объемных соотношений:

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

Этот закон легко объяснить, основываясь на законе Авогадро, согласно которому одинаковое число молекул газообразных веществ при одинаковых условиях занимают одинаковый объем. Если в реакцию образования газообразной воды на каждую молекулу кислорода вступают две молекулы водорода, то и объемы кислорода и водорода должны соотноситься как 1 к 2: с каждым литром кислорода в реакцию должны вступить два литра водорода.

Обратите внимание! В реакциях с газообразными веществами объемы газов соотносятся как числа, равные стехиометрическим коэффициентам в уравнениях реакций.

По закону объемных соотношений легко решать задачи, в которых необходимо вычислить объемы газообразных веществ.

Обратите внимание! В задачах на определение объемов газов, которые вам встречались ранее, обязательно были указаны условия измерения газов (точнее, указано, что объемы измерены при нормальных условиях), поэтому для расчетов необходимо было использовать молярный объем газов (22,4 л/моль). Закон Гей-Люссака позволяет проводить вычисления с объемами газов, измеренными при любых условиях. Главное, чтобы все объемы были измерены при одинаковых условиях.

Пример №37

Вычислите объем кислорода, необходимый для сжигания метана объемом 1 л. Какой объем углекислого газа при этом образуется?

Дано:

V(CH₄) = 1л

V(O₂) — ?

V(CO₂) — ?

Решение:

Составим уравнение реакции:

Для сгорания одной молекулы метана нужны две молекулы кислорода. Соответственно, объемы метана и кислорода соотносятся как 1 : 2. Таким образом, при сгорании любого объема метана расходуется в два раза больше кислорода:

Коэффициенты перед метаном и углекислым газом в уравнении реакции одинаковы, поэтому их объемы будут равными: сколько метана сгорит, именно столько углекислого газа и образуется.

Ответ: 2 л O₂, 1 л CO₂.

Объемы газов, вступающих в реакцию и образующихся в результате реакции, соотносятся как небольшие целые числа, равные стехиометрическим коэффициентам в уравнениях реакций.

Этен и этин — ненасыщенные углеводороды

Молекулярная и структурная формулы этена и этина

Ненасыщенные углеводороды — это углеводороды, в молекулах которых между атомами Карбона есть кратные связи — двойные или тройные.

Этен (этилен) — ненасыщенный углеводород, первый представитель гомологического ряда алкенов, главный признак которых — наличие в молекулах одной двойной связи между атомами Карбона.

Этин (ацетилен) — ненасыщенный углеводород, первый представитель гомологического ряда алкинов, в молекулах которых обязательно есть одна тройная связь между атомами Карбона.

В молекулах этих углеводородов есть по два атома Карбона, о чем можно узнать из их названия: названия «этен» и «этин» происходят от названия алкана этана, в молекуле которого есть два атома Карбона.

Составим структурные формулы этена и этина. Как и в случае с алканами, сначала запишем карбоновую цепь:

У этена каждый атом Карбона уже образует по две связи, следовательно, для соединения с Гидрогеном также остается по две связи. В этине каждый атом Карбона образует по три связи и может присоединить только по одному атому Гидрогена. Итак, для этена и этина:

Теперь мы можем посчитать атомы в молекулах и получаем молекулярные формулы: этен — этин —

Сравните структурные и молекулярные формулы этена и этина с соответствующими формулами этана: в молекуле этена на два атома Гидрогена меньше, чем в молекуле этана, а в молекуле этина — на четыре атома меньше. По этой причине атомы Карбона в молекулах этена и этина не полностью насыщены атомами Гидрогена, поэтому этен и этин — это ненасыщенные углеводороды.

Физические свойства этена и этина:

Физические свойства ненасыщенных углеводородов подобны свойствам насыщенных углеводородов. Этен и этин при обычных условиях газообразны, бесцветны, плохо растворяются в воде (растворимость этена составляет 22,6 мл, а этина — 137 мл в 100 мл воды при 0°С), хорошо растворяются в органических растворителях, не имеют запаха, температура плавления этена –169,2°С, этина — –80,8°С; температура кипения этена — –103,7°С, этина — 83,8°С. Технический этин, добываемый карбидным методом, обладает специфическим резким запахом.

Химические свойства этена и этина:

Как и алканы, этен и этин активно вступают в реакцию горения с кислородом. Этен и этин — очень взрывоопасные вещества. Причем этин в воздухе вспыхивает от малейшей искры (даже от статического электричества пальцев руки), поэтому его обычно получают непосредственно перед использованием. Продуктами горения этих углеводородов, как и в случае алканов, являются углекислый газ и вода:

Горение этина широко используют в технике для сварки и резки металлов, поскольку ацетилен — рекордсмен по температуре пламени. Сконструированы специальные ацетиленовые горелки, в которых при правильно подобранном режиме подачи этина и кислорода температура пламени достигает 3000°С (рис. 27.1).

В отличие от алканов ненасыщенные углеводороды химически очень активны. Причем благодаря ненасыщенности наиболее характерными для них являются реакции присоединения, в результате которых к каждому атому Карбона при двойной или тройной связи присоединяется атом или группа атомов.

Гидрирование (гидрогенизация) — реакция присоединения водорода. Этин реагирует с водородом при нагревании в присутствии никелевого катализатора с образованием этена:

Этен также является ненасыщенным углеводородом и может соединяться с водородом при таких же условиях:

При достаточном количестве водорода этин может сразу присоединять максимальное количество водорода и превращаться в этан:

Если алканы с галогенами вступают в реакцию замещения, то ненасыщенные углеводороды с галогенами реагируют, как с водородом: вступают в реакцию присоединения. Например:

Для этой реакции катализатор не нужен. Она происходит даже в водном растворе брома. При пропускании этена или этина через бромную воду (раствор брома в воде) ее желто-коричневая окраска исчезает. Эту реакцию используют как качественную для выявления ненасыщенных соединений.

Применение ненасыщенных углеводородов

Этен в чистом виде почти не применяют, из него получают другие ценные химические продукты (рис. 27.2). Одно из самых ценных свойств этена — способность полимеризоваться, о чем будет идти речь в следующем параграфе. Благодаря этому свойству из него получают различные пластмассы.

Этен обладает интересным свойством: он является фитогормоном, ускоряющим созревание плодов. Обычно овощи и фрукты, нуждающиеся в длительной транспортировке, например, из стран Африки или Южной Америки, срывают еще зелеными: если их сорвать спелыми, они быстро испортятся. А уже на месте фрукты и овощи помещают в специальную камеру с небольшим содержанием этилена (около 2 мл этилена на 1 л воздуха), где в течение 1–2 суток они дозревают.

Этин используют в ацетиленовых горелках для сварки и резки металлов. Он также является сырьем для синтеза ценных веществ и материалов (рис. 27.3).

Этилен для стимуляции созревания плодов использовали еще в Древнем Египте. Египтяне специально слегка мяли финики, инжир и другие плоды: повреждение тканей стимулирует образование этилена растениями и ускоряет созревание. В Древнем Китае в закрытых помещениях специально сжигали деревянные ароматические палочки или свечи с целью стимулировать созревание фруктов: при сгорании свечей или древесины выделяется не только углекислый газ, но и другие промежуточные продукты неполного сгорания, в частности этилен.

Этен и этин, подобно алканам, являются неполярными веществами, но, в отличие от алканов, они более химически активны благодаря ненасыщенности.

Понятие о полимерах. Полиэтилен

Реакция полимеризации

Как вы помните из предыдущего параграфа, этен — это ненасыщенный углеводород. Благодаря этому атомы Карбона в его молекулах могут присоединять другие атомы. Одной из химических реакций, в которых реализуется такое свойство этена, является реакция полимеризации (от греч. polymerоs — состоящий из многих частей).

Под действием определенных веществ (инициаторов) двойная связь в молекуле этена может разрываться и атомы Карбона могут присоединять другие атомы, в частности атомы Карбона другой молекулы этена:

Образовавшаяся частица также способна присоединить молекулу этена:

И так может продолжаться до тех пор, пока при определенных условиях присоединение не остановится. В результате реакции образуются очень большие молекулы, в которых одинаковый фрагмент повторяется много раз:

Условно уравнение реакции полимеризации записывают следующим образом:

Суть реакции полимеризации состоит в объединении большого количества молекул ненасыщенных углеводородов — мономеров — друг с другом (рис. 28.1). Продукты реакции полимеризации называют полимерами, в их молекулах многократно повторяется фрагмент молекулы мономера.

Полимеризация — процесс соединения большого числа молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в молекулу полимера.

Повторяющийся фрагмент в молекуле полимера называют элементарным звеном, число n — степенью полимеризации:

Степень полимеризации показывает число молекул мономера, которые объединились в одну молекулу полимера. Она может быть от тысячи до сотен тысяч. Поскольку молекулы полимеров состоят из большого количества фрагментов, у них очень большие молекулярные массы. Именно поэтому другое название полимеров — высокомолекулярные соединения.

В формулах полимеров не указано, чем заканчивается карбоновая цепь. На концах молекулы полимера находятся фрагменты молекул растворителя или инициатора полимеризации. Эти атомы почти не влияют на свойства полимера.

Названия полимеров происходят от названия мономеров. В нашем случае в реакцию полимеризации вступил этилен (этен), поэтому продукт реакции называют полиэтиленом:

Обратите внимание, что этилен и полиэтилен имеют одинаковый качественный и количественный состав: оба состоят из атомов Карбона и Гидрогена, причем в обоих веществах на один атом Карбона приходится два атома Гидрогена. Важным отличием между ними является то, что в молекуле этена присутствует двойная связь — это ненасыщенный углеводород, а в полиэтилене все связи одинарные. Фактически полиэтилен — это алкан с высокой молекулярной массой, поэтому химически он достаточно инертен. Полиэтилен не взаимодействует ни с кислотами, ни со щелочами, устойчив к действию окислителей. Именно химической стойкостью полиэтилена объясняется его широкое применение.

Элементарное звено полиэтилена –CH₂–CH₂– состоит из двух одинаковых групп атомов –CH₂–. Почему же формулу полиэтилена не записывают в упрощенном виде [–CH₂–]_n? Это делать не принято, так как формула полимера должна отображать его связь с исходным веществом — мономером, в данном случае этиленом CH₂=CH₂.

Большинство полимеров (кроме некоторых биополимеров) отличаются от низкомолекулярных веществ тем, что не имеют определенной молекулярной массы. В каждом образце полиэтилена молекулы имеют разную длину и массу, поэтому, когда говорят о полимерах, используют понятие средней молекулярной массы.

Физические свойства и применение полиэтилена:

Самым распространенным из полимеров является полиэтилен. Это малопрозрачное вещество плохо проводит теплоту и электрический ток, жирное на ощупь и напоминает парафин. Иногда в быту его неправильно называют целлофаном (целлофан — это совсем другой материал, изготавливаемый из целлюлозы, он только внешне напоминает полиэтиленовую пленку).

Чистые полимеры на практике обычно не используют. На их основе изготавливают различные материалы, которые называют пластмассами, или пластиками. Для их изготовления к полимерам добавляют различные вещества: стабилизаторы, пластификаторы, красители, вспениватели и т. п. Таким образом из достаточно небольшого числа полимеров изготавливают огромное количество различных пластмасс.

У большинства полимеров есть также недостатки — термическая нестойкость, горючесть и хрупкость, но благодаря достижениям науки в последнее время изобретено много новых полимерных материалов. Возможно, пластмассы вскоре станут единственным материалом, который человечество будет использовать, тем самым сохраняя природные материалы.

В промышленности полиэтилен изготавливают в виде гранул, которые затем подвергают термической обработке (рис. 28.2). Молекулярная масса полиэтилена колеблется от 30 тыс. до 3 млн в зависимости от давления, при котором происходит реакция полимеризации (табл. 11).

Таблица 11. Сравнение различных видов полиэтилена

В 1882 году американский химик Чарльз Макинтош во время опытов с натуральным каучуком неосторожно пролил на халат раствор каучука в бензине. Через некоторое время он заметил, что брызги воды стекают по халату, а не пропитывают его. Халат стал водонепроницаемым. Через год Макинтош организовал производство дождевых плащей, которые назвали его именем — «макинтоши».

Полиэтилен — синтетическое органическое соединение, не встречающееся в живой природе. Он является основой многих ценных материалов, которые заменили природные материалы.

Природные источники углеводородов

Нефть. Перегонка нефти

Многие органические вещества, с которыми вы имеете дело в повседневной жизни,— пластмассы, краски, моющие средства, лекарства, лаки, растворители — синтезированы из углеводородов. В природе есть три основных источника углеводородов — нефть, природный газ и каменный уголь.

Нефть — одно из важнейших полезных ископаемых. Невозможно представить нашу жизнь без нефти и продуктов ее переработки. Не зря страны, богатые нефтью, играют важную роль в мировой экономике.

Нефть — это темная маслянистая жидкость, залегающая в земной коре (рис. 29.1). Она представляет собой однородную смесь из нескольких сотен веществ — преимущественно насыщенных углеводородов с числом атомов Карбона в молекуле от 1 до 40.

Для переработки этой смеси используют как физические, так и химические методы. Сначала нефть разделяют на простые смеси — фракции — путем перегонки (дистилляции или ректификации), основанной на том, что различные вещества в составе нефти кипят при различных температурах (табл. 12). Перегонка происходит в ректификационной колонне при значительном нагреве (рис. 29.2). Фракции с самыми большими температурами кипения, разлагающиеся при высокой температуре, перегоняют при пониженном давлении.

Таблица 12. Фракции перегонки нефти

Химическая переработка нефтепродуктов

Некоторые продукты перегонки нефти можно использовать сразу, без дальнейшей переработки,— это бензин и керосин, но они составляют лишь 20–30% нефти. К тому же после перегонки бензин получается низкого качества (с небольшим октановым числом, т. е. при сжатии в двигателе он взрывается, а не сгорает). Двигатель, работающий на таком топливе, издает характерный стук и быстро выходит из строя. Для повышения качества бензина и увеличения его выхода нефть подвергают химической переработке.

Один из важнейших способов химической переработки нефти — крекинг (от англ. to crack — расщеплять, ломать, поскольку при крекинге происходит разрыв карбоновых цепей) (рис. 29.3). При нагревании до 500°С без доступа воздуха в присутствии специальных катализаторов длинные молекулы алканов расщепляются на более мелкие. При крекинге из насыщенных углеводородов образуется смесь легких насыщенных и ненасыщенных углеводородов, например:

Благодаря этому процессу увеличивается выход бензина и керосина. Такой бензин иногда называют крекинг-бензином.

Одной из характеристик, определяющей качество бензина, является октановое число, которое показывает возможность детонации (взрыва) топливновоздушной смеси в двигателе. Чем выше значение октанового числа, тем меньше вероятность детонации, а следовательно, выше качество бензина.

Гептан непригоден в качестве моторного топлива, он детонирует с большей вероятностью, тогда как изооктан (2,2,4-триметилпентан) обладает противоположными свойствами — он почти не детонирует в двигателе. Эти два вещества стали основой шкалы определения качества бензина — шкалы октановых чисел. В этой шкале гептан получил значение 0, а изооктан — 100. Согласно этой шкале, бензин с октановым числом 95 обладает такими же детонационными свойствами, как и смесь 95% изооктана и 5% гептана.

Переработка нефти происходит на специальных предприятиях — нефтеперерабатывающих заводах. Там проводят как ректификацию сырой нефти, так и химическую переработку полученных нефтепродуктов.

Природный газ

Второй по важности источник углеводородного сырья — это природный газ, главной составляющей которого является метан (93–99 %). Природный газ используют в первую очередь как эффективное топливо. При его сгорании не образуется ни зола, ни ядовитый угарный газ, поэтому природный газ считается экологически чистым топливом.

Большое количество природного газа использует химическая промышленность. Переработка природного газа сводится главным образом к получению ненасыщенных углеводородов и синтез-газа. Этилен и ацетилен образуются при отщеплении водорода от низших алканов:

Синтез-газ — смесь карбон(II) оксида и водорода — получают нагреванием метана с водяным паром:

Из этой смеси, используя разные катализаторы, синтезируют оксигенсодержащие соединения — метиловый спирт, уксусную кислоту и др.

При пропускании над кобальтовым катализатором синтез-газ превращается в смесь алканов, представляющую собой синтетический бензин:

Каменный уголь

Еще одним источником углеводородов является каменный уголь. В химической промышленности его перерабатывают путем коксования — нагревания до 1000°С без доступа воздуха (рис. 29.5, с. 170). При этом образуются кокс и каменноугольная смола, масса которой составляет лишь несколько процентов от массы угля. Кокс используют как восстановитель в металлургии (например, для получения железа из его оксидов).

Каменноугольная смола содержит несколько сотен органических соединений, преимущественно ароматических углеводородов, которые получают из нее перегонкой.

Каменный уголь также используют в качестве топлива, однако при этом возникают большие экологические проблемы. Во-первых, уголь содержит негорючие примеси, которые при сгорании топлива превращаются в шлаки; во-вторых, в составе угля содержатся небольшие количества соединений Сульфура и Нитрогена, при сгорании которых образуются оксиды, загрязняющие атмосферу.

Основными источниками углеводородов для промышленности являются нефть, каменный уголь и природный газ. Для более эффективного применения эти природные ископаемые необходимо подвергнуть переработке для выделения отдельных веществ или смесей.

Этиловый спирт

Понятие о спиртах

Спирты — это производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов Гидрогена замещены на гидроксильную группу –OH.

Эта гидроксильная группа есть в молекулах всех спиртов. В названиях спиртов наличие гидроксильной группы –OH обозначают суффиксом -ол-. Зная это, составим формулы и названия простейших спиртов:

Спирты, содержащие одну группу –OH, называют одноатомными, а те, что содержат две или более,— многоатомными.

Физические свойства метанола и этанола:

Метанол и этанол — летучие бесцветные жидкости со специфическим запахом, жгучие на вкус. Они легче воды (плотность метанола — 0,792 г/см³, а этанола — 0,789 г/см³), они легко испаряются (у метанола = –97,6°С, = 64,7°С, а у этанола = –114,2°С, = 78,4 °С). Эти спирты неограниченно растворяются в воде, а также хорошо смешиваются с другими органическими веществами (бензолом, хлороформом, ацетоном и др.).

По составу и строению спирты подобны воде, их можно назвать производными воды, в которых один атом Гидрогена замещен органическим заместителем:

Это предопределяет возможность образования водородной связи как между молекулами спиртов, так и между молекулами спиртов и молекулами воды:

Благодаря такому свойству температура кипения этанола намного выше температуры кипения соответствующего ему алкана (этана). Также, в отличие от алканов, этанол хорошо смешивается с водой.

Химические свойства спиртов. Горение этанола:

Этанол, как и большинство других одноатомных спиртов, является взрыво- и пожароопасным веществом по причине его летучести и способности легко воспламеняться. Из-за этого свойства этанол относят к группе легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ).

Этанол горит в воздухе едва заметным синим пламенем (рис. 30.1). Продуктами реакции являются углекислый газ и вода:

Именно этиловый спирт используют в спиртовках в школьных лабораториях.

Применение этанола:

Этанол — самый распространенный спирт в природе, он также получил наибольшее применение в быту и технике. Этанол является важным промышленным продуктом: в мире производится около 700 млрд литров, а в . В быту этанол обычно называют просто спиртом, или медицинским спиртом.

Спирт, который химики называют «чистый спирт», на самом деле содержит 95,4% этанола и 4,4% воды. Абсолютно чистый спирт, без примесей воды (его называют «абсолютный этанол»), получить очень сложно. В лаборатории для абсолютизации спирта его кипятят с кальций оксидом, который химически соединяется с водой и образует кальций гидроксид. Но при хранении на воздухе абсолютный этанол быстро поглощает воду из воздуха до содержания ее 4,4 %. Спирт, предназначенный для использования в технике, содержит небольшие примеси метанола и бензена. Эту смесь называют «спирт-денатурат».

Метанол образуется при нагревании древесины без доступа воздуха, поэтому его также называют древесным спиртом. Метанол — химически достаточно активное вещество, поэтому его используют для органического синтеза и в качестве растворителя. Из метилового спирта в промышленности добывают формальдегид, необходимый для производства пластмасс и фенолформальдегидных смол. В будущем значение метилового спирта для получения различных веществ, необходимых человечеству, будет возрастать. По разнообразию применения он превосходит этиловый спирт и в будущем может заменить насыщенные углеводороды и нефть в органическом синтезе.

Слова «этан», «эфир» и «этанол» происходят от греческого aitherios — «тот, что высоко поднимается в воздух, небесный». Когда впервые из винного спирта получили жидкость, которая легко испаряется (летит к небесам), ее назвали «духом эфира», а затем просто эфиром (сегодня его называют диэтиловым, или медицинским эфиром). Позже оказалось, что этот эфир содержит группу из двух атомов Карбона, которую назвали «этил». Поэтому и винный спирт назвали этиловым, а соответствующий ему алкан — этаном.

Групповое название спиртов «алкоголи» происходит от арабского alkohоl — «порошок, пудра, пыль». От малейшего дуновения пыль поднимается в воздух так же, как и винные пары при нагревании. А слово «спирт» происходит от латинского spiritus — «дуновение, дух, душа». Таким образом, «винный спирт» (spiritus vini) означает «дух вина». Алхимики спиртами называли все летучие вещества (соляный, нашатырный спирт и др.).

В быту часто можно услышать выражение «сухой спирт», и некоторые считают, что это этиловый спирт, каким-то образом переведенный в твердое состояние. На самом деле выражение «сухой спирт» является неправильным, и, если внимательно прочитать этикетку, на ней написано «сухое горючее». К тому же и вещество, которое используют для изготовления сухого горючего, никакого отношения к спиртам не имеет.

Применение этанола:

В быту чистый этанол обычно не используют. В основном мы имеем дело со спиртосодержащими средствами: жидкостями для мытья окон, стеклоочищающими жидкостями и антифризами для автомобилей, лосьонами, духами и т. п. Этанол содержится в составе некоторых зубных паст, шампуней, средств для душа.

В медицине используют большие объемы спирта. Как в чистом виде для дезинфекции, так и в составе некоторых растворов: йодной настойки (раствор йода в спирте), бриллиантового зеленого (зеленка), борного, муравьиного и салицилового спиртов (растворы боратной, муравьиной и салициловой кислот соответственно) и др.

Фармацевтическая промышленность выпускает много лекарственных препаратов на основе растворов этанола: это настойки лекарственных растений (боярышника, календулы, валерианы и др.), лекарственные препараты (корвалол, валокордин и др.), бальзамы.

В химических лабораториях этанол является важным растворителем, который используют для опытов и проведения органического синтеза.

Химическая промышленность использует большие объемы этанола в качестве растворителя, особенно в лакокрасочной отрасли, а также для синтеза веществ: бутадиена для получения синтетического каучука, медицинского эфира, фруктовых эссенций для пищевой промышленности, уксусной кислоты, этилена, хлороформа и др.

Этанол в качестве топлива начали использовать еще в ХIХ в. Сегодня разрабатывают технологии получения этанола из дешевого растительного сырья — биоэтанола. Сегодня к бензину добавляют 5–10% спирта.

Спирт — эффективный антисептик, т. е. он убивает бактерии. Это позволяет длительное время хранить различные анатомические и зоологические препараты в музеях и школьных кабинетах биологии. В музеях Европы есть препараты, сохраняющиеся в спирте несколько сотен лет.

Замена атома Гидрогена в углеводородах гидроксильной группой приводит к существенным изменениям в физических и химических свойствах.

Ядовитость метанола и этанола:

Токсичность метанола

Все одноатомные спирты — ядовитые вещества. Замечено, что с увеличением числа атомов Карбона в молекуле токсичность спиртов возрастает. Несмотря на то, что в молекуле метанола число атомов Карбона наименьшее, он является самым ядовитым среди спиртов. Употребление только 25 мл метанола может привести к смерти человека, а меньшее количество вызывает поражение зрительного нерва и, как следствие, слепоту.

Это объясняется тем, что, попадая в организм человека, метанол (как и любой яд) окисляется в печени до формальдегида. Большинство ядовитых веществ при окислении становятся безопасными, но токсичность формальдегида гораздо выше любого спирта. Попадая в мозг, он в первую очередь поражает нервную ткань. Это приводит к развитию слепоты, а затем и к смерти. Опасность также заключается в том, что по запаху метанол и этанол почти не отличаются, и в некоторых случаях их можно спутать и выпить метиловый спирт вместо этилового. Первым симптомом отравления метанолом является ухудшение зрения. Необходимо промыть желудок, выпить этанол (он является противоядием) и как можно скорее обратиться за медицинской помощью.

Пагубное действие этанола на организм человека

Этанол в природе образуется при спиртовом брожении глюкозы с участием грибов — дрожжей. Именно благодаря этому процессу человечество впервые открыло для себя алкоголь и алкогольные напитки (алкоголи — это англоязычное название спиртов).

Этанол — главный компонент алкогольных напитков, именно он является причиной опасных последствий их употребления. В различных сортах пива содержится от 4 до 9% этанола, в вине — от 10 до 13 %, в крепких спиртных напитках — 40% и более. Вкус алкогольных напитков зависит не от концентрации этанола, а от наличия примесей.

Этанол, как и все спирты, является ядовитым веществом. Употребление большого количества этанола или алкогольных напитков может привести к острому алкогольному отравлению. В зависимости от дозы и концентрации этанол оказывает наркотическое (токсическое) действие. Под наркотической (токсической) дозой понимают минимальную дозу, при которой возникают симптомы отравления. При алкогольном отравлении возникает ступор, обезболивание, подавляется деятельность центральной нервной системы. Наркотическая доза этанола составляет 1–4 г на 1 кг массы тела. Как и любой яд, организм пытается обезвредить этанол, но при этом этанол превращается в ацетальдегид, который проявляет гораздо более сильное токсическое действие и повреждает ДНК. Большое количество выпитого алкоголя может привести к смерти (смертельная разовая доза составляет 4–12 г спирта на 1 кг массы тела).

Постоянное употребление алкогольных напитков приводит к тяжелому заболеванию — алкоголизму, являющемуся причиной социальной деградации личности и поражения внутренних органов: цирроза печени, язвы желудка и др.

Наиболее уязвим к действию алкоголя организм подростков, поскольку в возрасте 12–17 лет заканчивают формироваться основные органы и употребление алкоголя (в том числе вина и пива) может вызвать патологии желудка, печени, мозга, влияет на рост и общее развитие, снижает сопротивляемость инфекциям. Особенно уязвимой к действию алкоголя является половая система подростков, нарушение нормального развития которой в этом возрасте может вызвать серьезные патологии и даже бесплодие. В подростковом возрасте активно формируется психика, и даже одноразовый прием алкоголя нарушает ее нормальное развитие: увеличивается агрессивность, ухудшается память и способность выполнять элементарные арифметические действия, излагать прочитанное своими словами. Алкоголь подавляет процессы торможения нервной системы, поэтому человек теряет контроль над поведением. Находясь под действием алкоголя, человек способен на поступки, последствия которых могут быть ужасными.

Токсическое действие алкоголя на подростковый организм в несколько раз сильнее, чем на организм взрослого, из-за более интенсивного обмена веществ. При концентрации алкоголя в крови 0,5–0,6% (что соответствует 0,5 л водки) у подростка может наступить смерть.

Этиловый спирт — наркотическое вещество, т. е. он обладает определенным обезболивающим действием. Благодаря этому во время Второй мировой войны его использовали в качестве наркоза при хирургических операциях. Однако этиловый спирт очень опасен. Как у любого наркотического вещества, у него есть как обезболивающая, так и смертельная доза, причем для этанола разница между этими дозами очень незначительна: если пациент выпьет немного меньше, будет больно, а если чуть больше, он умрет.

Этиловый спирт оказывает очень сильное наркотическое и токсическое действие на организм человека и вызывает поражение органов и систем. Особо опасен алкоголь в подростковом возрасте.

Глицерол

В природе встречаются спирты, молекулы которых содержат больше одной гидроксильной группы –OH. В названиях таких спиртов наличие групп –OH также обозначают суффиксом -ол-, но чаще для них используют традиционные названия.

Формула глицерола:

Самый распространенный в природе такой спирт — глицерол (или глицерин). Это самый простой трехатомный спирт, молекулы которого содержат три гидроксильных группы. Согласно химической номенклатуре, он называется пропантриол:

Обратите внимание, что в молекуле глицерола гидроксильные группы связаны с разными атомами Карбона. Две гидроксильные группы не могут быть присоединены к одному атому Карбона — такие вещества нестабильны и при образовании сразу же разлагаются.

Вместе с метанолом и этанолом глицерол является одним из первых спиртов, которые активно изучались химиками. Они проявляют достаточно высокую химическую активность, благодаря чему было открыто много закономерностей, над которыми работали А. П. Эльтеков, А. М. Зайцев, В. В. Марковников и другие.

Молекулярная формула глицерола — но ее обычно не используют, поскольку она не отражает химической сути вещества. Иногда молекулярную формулу глицерола записывают так:

Физические свойства глицерола:

Глицерол — бесцветная сиропообразная, очень вязкая жидкость (среди всех известных жидкостей у глицерола вязкость наибольшая), не ядовит. Температура плавления — 17,8°С, температура кипения — 290 °С. Глицерол нелетуч, тяжелее воды (плотность — 1,26 г/мл), неограниченно растворим в воде (смешивается в любых соотношениях). Глицерол очень гигроскопичен (поглощает водяной пар из воздуха), сладкий на вкус, за что и получил свое название (от греч. glykos — сладкий).

Подобно одноатомным спиртам, молекулы глицерола также образуют водородные связи, но каждая молекула глицерола может образовать по девять таких связей, что отражается на его физических свойствах: чрезвычайная вязкость, неограниченная растворимость. Температура кипения глицерола так высока, что лежит на границе возможности существования органических соединений: при такой температуре органические вещества разлагаются, и глицерол не исключение, при сильном нагреве он начинает дымить и выделять ядовитые продукты разложения.

Химические свойства глицерола:

Горение. Как и большинство органических веществ, глицерол горит в воздухе. Но благодаря значительному количеству водородных связей между молекулами глицерол нелетуч, и для горения жидкость должна сначала испариться. Поэтому глицерол горит после нагревания:

Качественная реакция на глицерол. Отличить глицерол, как и другие многоатомные спирты, от одноатомных можно при помощи качественной реакции. Качественной реакцией на глицерол является его взаимодействие со свежеосажденным (только полученным) купрум(II) гидроксидом. Атомы Купрума замещают атомы Гидрогена в гидроксильных группах. В результате реакции при добавлении к голубому осадку купрум(II) гидроксида раствора глицерола образуется прозрачный темно-синий раствор соединения Купрума с глицеролом (рис. 32.1).

Упрощенно формулу образованного соединения можно записать так:

→ соединение темно-синего цвета

Аналогично купрум(II) гидроксид взаимодействует и с другими многоатомными спиртами.

При изучении свойств только что открытого глицерола Карл Шееле решил воздействовать на него концентрированной сульфатной кислотой. Во время реакции по комнате начал распространяться едкий запах, от которого у ученого случилось обильное слезотечение. Так был получен акролеин (в переводе с греческого — «острое масло»). Акролеин также обусловливает запах подгоревшего жира в затухающих сальных свечах.

Применение глицерола:

Применение глицерола основано в первую очередь на его гигроскопичности. Благодаря ей он смягчает кожу, поэтому его используют в кожевенном производстве и для изготовления косметических средств. Глицерол добавляют в кондитерские изделия, чтобы те дольше не черствели, и к газированным напиткам в качестве подсластителя. Благодаря вязкости и низкой температуре плавления глицерол используют при изготовлении тормозных жидкостей и антифризов. Из глицерола получают тринитроглицерол, являющийся основой взрывчатки и медицинского препарата для лечения сердечных заболеваний.

Увеличение числа гидроксильных групп в молекуле наглядно иллюстрирует закон перехода количественных изменений в качественные: принципиально свойства не меняются, но те, что есть, проявляются подругому.

Карбоновые кислоты и этановая кислота

Большинство органических кислот составляют класс карбоновых кислот.

Карбоновыми кислотами называют производные углеводородов, в молекулах которых содержится карбоксильная группа , сокращенно –COOH.

Эта карбоксильная группа присутствует в молекулах всех карбоновых кислот. Принадлежность соединения к карбоновым кислотам в названии обозначают окончанием -овая кислота, например:

В молекуле кислоты, формула которой приведена, содержатся два атома Карбона, следовательно, название кислоты происходит от названия этана — этановая кислота. Большинство карбоновых кислот носят традиционные названия, например, название этановой кислоты — уксусная.

Молекулярная формула этановой кислоты CH₃–COOH.

Физические свойства этановой кислоты:

Этановая (уксусная) кислота — бесцветная летучая жидкость с характерным резким запахом, гигроскопичная, неограниченно растворимая в воде, немного тяжелее воды (плотность 1,05 г/мл). Чистую (безводную) этановую кислоту еще называют ледяной ввиду того, что ее температура плавления — 16,8°С, а в твердом состоянии она напоминает лед (рис. 33.1). Кипит этановая кислота при температуре 118°С. Как и спирты, молекулы этановой кислоты образуют водородные связи между молекулами кислоты, а также с молекулами воды, что сказывается на физических свойствах кислоты.

С чистой этановой кислотой следует обращаться осторожно. Она очень летучая, а ее пары раздражают слизистые оболочки дыхательных путей и вызывают удушье. Не только чистая кислота, но и ее концентрированный раствор (уксусная эссенция, = 70%) вызывает значительные химические ожоги кожи. Попадание ее внутрь организма приводит к тяжелым последствиям: ожогам слизистых оболочек рта, пищевода и желудка, нарушению свертываемости крови, желудочно-кишечному кровотечению и др. Смертельная доза этановой кислоты составляет 20 мл (в пересчете на чистую кислоту).

Химические свойства этановой кислоты:

Чистая этановая кислота является легковоспламеняющейся жидкостью. Она горит едва заметным голубым пламенем с образованием углекислого газа и воды:

Разбавленные растворы этановой кислоты (столовый уксус) не горят. Этановая кислота проявляет кислотные свойства и в водном растворе диссоциирует с образованием иона Гидрогена, меняя цвет индикаторов, как и уже известные вам неорганические кислоты:

Обратите внимание, что при диссоциации карбоновых кислот может отщепляться только тот атом Гидрогена, который содержится в составе карбоксильной группы. Поэтому, несмотря на то что в молекуле этановой кислоты четыре атома Гидрогена, отщепляться при диссоциации и замещаться ионами металлических элементов может только один. Значит, этановая кислота — одноосновная кислота, а ее кислотный остаток — анион CH₃COO–.

Все карбоновые кислоты слабые, их электролитическая диссоциация обратима. В растворе объемом 1 л, содержащем 0,1 моль этановой кислоты, на ионы распадается лишь 1,8% молекул. Именно поэтому этановая кислота проявляет все известные вам общие свойства слабых кислот: реагирует с активными металлами, основными оксидами, щелочами и солями более слабых кислот:

• с металлами:
• с основными оксидами:
• с основаниями:
• с солями:

Обратите внимание на то, что формулы солей этановой кислоты с одновалентными металлическими элементами записывают несколько необычно: символ металлического элемента записывают вместо символа Гидрогена, который он заместил Соли этановой кислоты называют этаноатами, или ацетатами, например — натрий этаноат (натрий ацетат).

Распространенность органических кислот:

Карбоновые кислоты широко распространены в природе. Они содержатся в составе многих овощей, фруктов и других пищевых продуктов. Названия некоторых кислот указывают на те продукты, из которых они были впервые выделены (рис. 33.2).

Применение этановой кислоты:

Этановая кислота — самая известная из органических кислот. Ее запах знаком каждому, кто хоть раз использовал столовый уксус (6%-й или 9%-й водный раствор уксусной кислоты). Концентрированный раствор этановой кислоты (70–80%) называют уксусной эссенцией. Эта кислота образуется при скисании вина и яблочного сока. Этановую кислоту широко применяют в разных отраслях промышленности (рис. 33.3).

Происхождение традиционного названия этина — ацетилен — связано с латинским словом acetum — «уксус», поскольку в две стадии из ацетилена можно получить уксусную кислоту. От названия этой кислоты также происходит название ацетона, который раньше из нее получали.

Карбоновые кислоты проявляют все общие свойства неорганических кислот, но в химических взаимодействиях ведут себя как слабые кислоты.

Высшие карбоновые кислоты:

Высшими карбоновыми кислотами (сокращенно ВКК) называют карбоновые кислоты, в молекулах которых содержится от 12 до 22 атомов Карбона. Как и углеводороды, высшие карбоновые кислоты могут быть насыщенными и ненасыщенными.

Среди насыщенных высших карбоновых кислот чаще всего встречаются стеариновая и пальмитиновая кислоты.

Стеаринова кислота:

Поскольку в формуле многократно повторяется группа то формулу можно сократить так: или

Молекула пальмитиновой кислоты содержит на два атома Карбона меньше, чем стеариновая: или

Стеариновая и пальмитиновая кислоты — твердые белые воскообразные вещества без запаха, жирные на ощупь, нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях, легкоплавкие (у стеариновой кислоты = 70°С, у пальмитиновой = 63°С). Их используют для изготовления свечей, напалма, масел, косметических средств и различных сортов мыла.

Ненасыщенных высших карбоновых кислот существует гораздо больше, чем насыщенных. Среди них наиболее распространены кислоты:

олеиновая: или

линолевая:

или

линоленовая:

или

Ненасыщенные высшие карбоновые кислоты — бесцветные или светло-желтые маслянистые жидкости без запаха, нерастворимы в воде, но хорошо растворимы во многих органических растворителях. Их применение в технике принципиально не отличается от насыщенных кислот, но они гораздо важнее для человека в качестве питательных веществ в составе жиров, о чем вы узнаете в следующем параграфе.

Мыло

Высшие карбоновые кислоты в воде не растворяются, однако их соли со щелочными элементами хорошо растворимы в воде, к тому же они проявляют моющее действие. Это возможно потому, что:

• соли имеют ионное строение, а ионные соединения лучше растворяются в воде, чем молекулярные;
• у анионов ВКК можно выделить сильнополярную «головку» (карбоксильную группу) и неполярный «хвост» (карбоновую цепь):

Полярная часть аниона гидрофильная, т. е. «стремится» к водному окружению. Углеводородная цепь, наоборот, является гидрофобной частью, т. е. пытается «убежать» из водного окружения. Благодаря этому в водном растворе соли ВКК образуют специфические частицы — мицеллы: в одном месте собирается много анионов ВКК, которые ориентируются так, чтобы гидрофобные хвосты были направлены внутрь частицы, а гидрофильные «головки» — наружу, т. е. к воде (рис. 34.1).

Благодаря образованию мицелл соли ВКК обладают достаточно хорошей растворимостью в воде и проявляют моющее действие. Такие вещества называют поверхностно-активными веществами (сокращенно ПАВ). Поверхностно-активными являются все соли ВКК с ионами щелочных элементов, в частности натрий стеарат калий стеарат и др.

Соли ВКК используют для изготовления мыла. Обычное хозяйственное мыло на 72% состоит из солей ВКК, все остальное в составе мыла — это вода, остатки натрий гидроксида, натрий карбоната и другие примеси. Для изготовления туалетного мыла удаляют нежелательные примеси и добавляют красители, ароматизаторы и другие вещества для улучшения товарного вида. Соли натрия являются основой твердого мыла, а соли калия — жидкого.

Конечно, не только соли ВКК являются поверхностно-активными веществами. К ним относятся другие производные карбоновых кислот и углеводородов, которые используют для изготовления синтетических моющих средств, с которыми вы ознакомитесь при дальнейшем изучении химии.

Моющее действие мыла:

Вы уже знаете, что благодаря возможности образования мицелл поверхностно-активные вещества проявляют моющее действие. Капельки жира и другие частицы грязи являются гидрофобными: если они находятся вблизи мицелл, то «прячутся» от воды внутри мицелл и в таком виде плавают в воде. Таким образом, жир становится растворимым в воде (рис. 34.2).

Если грязь прилипла к какой-то поверхности, действие ПАВ будет таким же: частицы ПАВ окружают грязь, отрывают ее от поверхности и охватывают со всех сторон, благодаря чему частицы грязи становятся водорастворимыми. Если промыть поверхность водой, то грязь смоется с мылом и поверхность будет чистой (рис. 34.3).

У мыла есть один существенный недостаток. Водопроводная вода в большинстве регионов является жесткой, т. е. содержит в значительной концентрации ионы кальция Ca²⁺ и магния Mg²⁺, с которыми анионы ВКК образуют осадок. Поэтому при использовании мыла в жесткой воде она становится мутной (рис. а). В некоторых регионах вода мягкая, т. е. содержит незначительное количество ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ и не «мешает» использованию мыла (рис. б). Хотя у такой воды проявляется другой недостаток: если вы намылили руки, то мыло смыть очень сложно, долго чувствуется мылкость.

При использовании мыла в жесткой воде в емкости собирается много неприглядного на вид осадка, и многие считают, что это отмытая грязь. Конечно, этот осадок не добавляет чистоты, но и грязью он не является — это нерастворимые соли ВКК.

При стирке в жесткой воде нерастворимые в воде соли оседают на волокнах тканей. После стирки такие ткани на ощупь более жесткие, чем до стирки, поэтому и воду стали называть жесткой.

Мыльные пузыри также существуют благодаря ПАВ, их в определенной степени можно назвать гигантскими мицеллами. Мыльный пузырь представляет собой тоненькую пленку воды, на поверхности которой плотным частоколом расположены анионы ПАВ, направленные гидрофобной частью в сторону воздуха. Вода внутри пленки достаточно быстро стекает в нижнюю часть пузырька, из-за чего пленка становится тоньше и вскоре лопается.

Интересно, что в изготовлении мороженого и стирке много общего. Мороженое — это замороженная эмульсия.

Эмульсия — это грубодисперсная смесь двух жидкостей, не растворяющихся друг в друге, например смесь масла и воды. И действительно, главные компоненты мороженого — молочный жир и вода. Поскольку они друг с другом не смешиваются, то со временем жир всплывет вверх и мороженое расслоится еще до того, как замерзнет. Для того чтобы расслоение не происходило, к мороженому добавляют эмульгаторы. Эмульгаторы являются поверхностно-активными веществами, они окружают мелкие капельки жира гидрофобными хвостами, а их гидрофильные головки направлены к воде. Такая эмульсия может существовать длительное время. Майонез — это также эмульсия, которая образуется при смешивании масла с яйцом. Эмульгатором в этом случае является лецитин, содержащийся в яичном желтке. Эмульгаторы — достаточно распространенные вещества, их используют во многих отраслях, в частности для изготовления пищевых продуктов, где необходимо предотвратить расслоение компонентов.

Наличие у частицы большого гидрофобного фрагмента и небольшого гидрофильного фрагмента предопределяет возможность наличия у веществ поверхностной активности и моющего действия.

Жиры

Понятие о жирах, состав жиров

В этом параграфе мы начинаем знакомиться не просто с органическими соединениями, а с жизненно необходимыми для нас веществами, являющимися неотъемлемой составляющей нашего питания. Одними из таких веществ являются жиры.

Жиры — это класс органических соединений, молекулы которых состоят из остатков молекул глицерола и высших карбоновых кислот.

Общую формулу жиров можно представить так:

где — углеводородные цепи в составе молекул высших карбоновых кислот; в зависимости от жира они могут быть одинаковыми, а могут быть и разными. Например, тристеарат — жир, молекулы которого состоят из остатка молекулы глицерола и остатков трех молекул стеариновой кислоты В стеариновой кислоте углеводородная цепь — это группа атомов Значит, в формуле тристеарата

Для расчетов и облегчения составления уравнений реакций можно использовать молекулярную формулу жира, но в ней желательно отдельно выделять формулу остатка молекул глицерола и остатков молекул ВКК. Приведенный тристеарат будет иметь молекулярную формулу или

Состав жиров установили французские ученые М. Шеврель и М. Бертло. В 1811 году Шеврель определил, что при нагревании жира с водным раствором щелочи образуются глицерол и карбоновые кислоты. А в 1854 году Бертло провел обратную реакцию и синтезировал жир нагреванием глицерола с карбоновыми кислотами.

Физические свойства и классификация жиров:

Жиры — бесцветные вязкие жидкости или твердые вещества, легче воды (их плотность колеблется в пределах 0,9–0,95 г/см³), нерастворимы в воде, но растворимы во многих органических растворителях (рис. 35.1, с. 198).

Твердые жиры:

• содержат преимущественно остатки молекул насыщенных кислот;
• животного происхождения (исключение — кокосовое и какаомасло).

Жидкие жиры:

• содержат преимущественно остатки молекул ненасыщенных кислот;
• растительного происхождения (исключение — рыбий жир).

Агрегатное состояние жиров зависит от их состава. Чем больше остатков молекул насыщенных кислот в молекуле жира, тем выше его температура плавления. Твердые при обычных условиях жиры содержат преимущественно остатки молекул насыщенных кислот (стеариновой или пальмитиновой): 45–70% от всех остатков в зависимости от происхождения жира. В отношении твердых жиров часто используют слова «сало» или «масло», например «сливочное масло». Твердые жиры — это жиры животного происхождения (говяжий, бараний, свиной), за исключением кокосового и какао-масла.

В молекулах жидких жиров содержатся преимущественно остатки молекул ненасыщенных кислот (олеиновой, линолевой и линоленовой): 65–85% в зависимости от происхождения. Жидкие жиры — это жиры растительного происхождения (льняное, подсолнечное, оливковое масла и др.), за исключением рыбьего жира.

Жиры в природе. Биологическая роль жиров:

Жиры очень распространены в природе. Вместе с углеводами и белками они являются составляющими всех растительных и животных организмов.

Жиры очень энергоемкие вещества, при окислении 1 г жира выделяется 39 кДж (9,3 ккал) энергии. Именно поэтому в живых организмах жиры — это резервный источник энергии. При их избытке в пище они откладываются в определенных местах организма: у животных это подкожный слой жира, у растений — плоды или семена.

Жировая ткань животных выполняет защитную функцию — предохраняет внутренние органы от ударов и переохлаждения, а также выполняет роль смазки для мышечных волокон. Жиры обычно составляют 10–20% от общей массы тела человека.

Жиры растворяют некоторые витамины: А, D, Е и др. Поэтому, употребляя в пищу жиры, мы получаем необходимые нам витамины.

Жиры — ценный источник высших карбоновых кислот. Организм человека может синтезировать насыщенные высшие карбоновые кислоты и олеиновую кислоту. А вот линолевая и линоленовая кислоты (витамин F) являются незаменимыми кислотами, т. е. теми, которые не синтезируются в организме. Поэтому содержащие их жиры обязательно должны быть в рационе человека. Незаменимые кислоты содержатся в соевом, хлопковом, подсолнечном, льняном, конопляном, облепиховом масле, свином сале и китовом жире.

Существуют ли жиры, опасные для человека:

Некоторые диетологи рекомендуют отказаться от употребления жиров. Но это заблуждение, поскольку жиры являются источником незаменимых для человека веществ. Конечно, желательно ограничить употребление животных жиров и добавить в рацион больше растительных, но в разумных количествах жиры очень полезны.

Впрочем, некоторые жиры могут быть вредны для нашего организма. Это так называемые транс-жиры, о которых в последнее время часто говорят в средствах массовой информации. Их еще иногда называют искусственными жирами. Что же это такое?

Транс-жирами могут быть только ненасыщенные жиры. Чтобы разобраться в различиях между обычными и транс-жирами, по рисунку 35.3 сравним, в какой форме могут существовать ненасыщенные жиры. На обоих рисунках (а и б) приведена модель молекулы олеиновой кислоты. Но обратите внимание на форму карбоновой цепи вблизи двойной связи. Модель а — это цис-форма (естественная форма) олеиновой кислоты, а модель б — транс-форма (модифицированная).

Между цис- и транс-жирами разница очень незначительна, но по биологическому действию они существенно отличаются. При употреблении

транс-жиров увеличивается риск сердечно-сосудистых заболеваний, в частности ишемической болезни и инфаркта миокарда, а также возникновения раковых опухолей, диабета, болезней печени и болезни Альцгеймера. Всемирная организация здравоохранения рекомендует ограничить употребление транс-жиров на уровне не более 2% от общего количества жиров.

Откуда же берутся эти вредные транс-жиры? В натуральных жирах остатки молекул высших карбоновых кислот синтезируются преимущественно в цис-форме. При химической обработке жиров цисформа кислоты превращается в транс-форму. Химической обработке подвергают растительные масла для получения дешевых аналогов животных (твердых) жиров. Поэтому транс-жиры содержатся в дешевых жирах: прежде всего в комбижирах, используемых на предприятиях общественного питания для жарки во фритюрах, а также в кулинарном жире, маргарине и спредах (смесь маргарина с натуральным сливочным маслом), используемых для промышленного изготовления булочек, пирожных, крекеров, чипсов, попкорна, картофеля фри и т. п. Поэтому, употребляя жирную еду в так называемых фастфудах, вы с большой вероятностью употребляете именно транс-жиры.

Жиры — очень ценные вещества для всех живых организмов. Для человека жиры являются резервным источником энергии, а также источником незаменимых ненасыщенных высших карбоновых кислот.

Углеводы: глюкоза и сахароза

Понятие об углеводах и их классификация

В природе большое значение имеют углеводы (сахариды) — органические соединения с общей формулой (m, n > 3). Название этого класса соединений происходит от их свойства разлагаться на углерод и воду при нагревании или под действием концентрированной сульфатной кислоты, что также отображено в их общей формуле (рис. 36.1).

Углеводы делятся на простые (моносахариды) и сложные (дисахариды и полисахариды) (схема 6). Принципиально они отличаются тем, что сложные углеводы при определенных условиях гидролизуются до простых (разлагаются), а простые уже гидролизоваться не могут. Молекулы дисахаридов состоят из двух, а полисахаридов — из большого количества остатков молекул моносахаридов.

Схема 6. Классификация углеводов

Глюкоза:

Глюкоза — самый распространенный углевод в живой природе, именно она является одним из продуктов процесса фотосинтеза, в результате которого растения накапливают энергию Солнца.

Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество без запаха, плотность — 1,54 г/см³, температура плавления — 146°С. При нагревании выше этой температуры вещество разлагается, не доходя до точки кипения. Глюкоза сладкая на вкус, но в полтора раза менее сладкая, чем сахароза. Хорошо растворяется в воде: в 100 г воды при 0°С растворяется 32 г глюкозы, а при 25°С — 82 г, плохо растворяется в органических растворителях. Ее растворы не проводят электрический ток (глюкоза — неэлектролит).

Молекула глюкозы содержит несколько групп –OH, как глицерол, поэтому, подобно ему, она может взаимодействовать со свежеосажденным купрум(II) гидроксидом (рис. 36.2, а и б):

→ соединение темно-синего цвета

При нагревании глюкоза разлагается, как и все углеводы, на углерод и воду:

Глюкоза — один из основных продуктов обмена веществ в живых организмах. В природе она образуется в зеленых частях растений в процессе фотосинтеза, который происходит с поглощением солнечного света:

Возможна также и обратная реакция:

Этим уравнением можно описать суммарный процесс, в результате которого все животные получают энергию для своей жизнедеятельности: глюкоза попадает в наш организм вместе с пищей, кислород мы вдыхаем легкими, а продукт реакции — углекислый газ — выдыхаем. Также это уравнение описывает процесс горения и взрыва глюкозы. Поджечь глюкозу достаточно сложно, она горит только в присутствии катализатора, а взрывается при очень сильном измельчении.

В растениях глюкоза превращается в сложные углеводы — крахмал и целлюлозу:

Синтезировать глюкозу методами органической химии гораздо сложнее. Впервые этот синтез реализовал Эмиль Фишер.

С растительной пищей углеводы попадают в организм животных, где они являются основным источником энергии. Так, из 1 г углеводов организм получает около 17 кДж (4 ккал). Если эта энергия не расходуется полностью, организм откладывает ее «про запас», направляя на синтез жиров.

Впервые глюкозу выделили из винограда, поэтому ее также называют виноградным сахаром. В чистом виде глюкоза содержится в сладких ягодах и фруктах: она обусловливает сладость некоторых частей растений (ягод, плодов, корнеплодов и др.). Вместе с фруктозой она содержится в составе меда.

Содержание глюкозы в крови человека составляет около 0,1%, отклонение этого показателя от нормы свидетельствует о заболевании сахарным диабетом. Содержание глюкозы в крови (часто этот показатель называют просто «сахар в крови») контролируют, проводя клинический анализ крови. Этот анализ можно сделать и дома с помощью специального устройства — глюкометра (рис. 36.4).

В промышленности глюкозу добывают гидролизом крахмала или целлюлозы. Но чистая глюкоза не имеет широкого применения. Такую глюкозу используют в различных биологических и биохимических исследованиях. В медицине ее используют для проведения глюкозотолерантного теста — исследования, позволяющего диагностировать сахарный диабет. При некоторых заболеваниях раствор глюкозы вводят человеку внутривенно. В пищевой промышленности в качестве подсластителя ее используют мало: она дороже и менее сладкая, чем сахар.

Для глюкозы характерна реакция брожения. Под действием молочнокислых бактерий из глюкозы образуется молочная кислота:

Эта реакция происходит при скисании молока и является основой изготовления различных молочнокислых продуктов — простокваши, йогуртов, сыра, сметаны и др. Молочнокислое брожение происходит при квашении капусты и других овощей, предотвращает развитие гнилостных бактерий и способствует длительному хранению продуктов. Этот процесс также может происходить в ротовой полости, что вызывает кариес зубов.

Сахароза:

Наибольшее значение среди дисахаридов имеет сахароза Это химическое название обычного сахара, получаемого из сахарной свеклы или сахарного тростника.

Сахароза — бесцветное кристаллическое вещество без запаха, плотность — 1,59 г/см³, температура плавления — 186°С. Сахароза сладкая на вкус (в полтора раза слаще глюкозы). Очень хорошо растворяется в воде: в 100 г воды при 0°С растворяется 179 г сахарозы, а при 100°С — 487 г.

Как и глюкоза, сахароза разлагается при нагревании:

Эта реакция происходит при изготовлении карамели и выпекании пирожных и тортов, благодаря ей образуется сладкая карамелизированная корочка со специфическим привкусом жженого сахара (рис. 36.5).

Как и большинство органических веществ, сахароза может гореть с образованием углекислого газа и воды:

Но если просто пытаться поджечь сахар, то он не воспламенится: для этого нужен катализатор — соли Лития. Сильно измельченный сахар может не только гореть — его взвесь в воздухе может взорваться.

Сахарозу называют дисахаридом, поскольку молекула сахарозы состоит из остатков молекул двух моносахаридов — глюкозы и фруктозы, соединенных между собой.

При гидролизе сахарозы в кислой среде или под действием ферментов связь между этими остатками разрывается и образуются молекулы глюкозы и фруктозы:

Такое преобразование происходит в организмах пчел: собирая нектар с цветков, они потребляют сахарозу, которая затем гидролизуется. Поэтому мед — это смесь равных количеств глюкозы и фруктозы, конечно, с примесями других веществ (рис. 36.6).

В больших количествах сахароза содержится только в трех растениях: сахарной свекле и сахарном тростнике, используемых для промышленного производства сахара, а также в сахарном клене (из него получают кленовый сироп).

Для привлечения насекомых сахароза в небольшом количестве содержится в нектаре цветов, а также во фруктах и ягодах.

Сахарная промышленность — одна из старейших и самых важных отраслей пищевой промышленности, продукция которой является ценным продуктом экспорта.

Сегодня около 100 сахарных заводов с общей максимальной мощностью около 7 млн тонн в год. На этих предприятиях могут производить сахар как из свеклы (местное сырье), так и из тростника (экспортируют обычно из Кубы). Самым большим заводом является Лохвицкий сахарный комбинат (Полтавская область) с ежедневной мощностью 9300 тонн сахара. В последние годы производят около 2 млн тонн сахара ежегодно, часть которого идет на экспорт.

Коричневый сахар — это обычный тростниковый сахар, который в процессе производства недочистили от примесей. Интересно, что в его производстве меньше технологических процессов (отсутствует окончательная очистка), в производстве он дешевле, но в продаже гораздо дороже обычного белого сахара.

Слова «сахароза» и «сахар» происходят от древнеиндийского «саркара», что означает кусочки кристаллического вещества, образующиеся при сгущении сока сахарного тростника.

Углеводы: крахмал и целлюлоза

Крахмал:

Важнейшими природными полисахаридами являются крахмал и целлюлоза. Оба вещества — полимеры с одинаковой химической формулой: Отличаются они только строением молекул.

Крахмал — аморфный порошок с характерным хрустом, плотность — 1,5 г/см³, при обычных условиях в воде не растворяется. При попадании в горячую воду крупинки крахмала поглощают воду и сильно набухают, их оболочки разрушаются и образуется коллоидный раствор. Его называют клейстером и иногда используют в качестве клея. Температуры плавления и кипения у крахмала нет, поскольку при нагревании он разлагается.

Крахмал состоит из молекул двух типов. Из-за этого иногда говорят, что он состоит из двух веществ: амилозы и амилопектина. У амилозы (ее содержание около 20%) линейные молекулы (рис. 37.1, а), она лучше растворяется в воде. Одна молекула амилозы содержит около тысячи остатков молекул глюкозы. Молекулы амилопектина разветвлены и содержат около десятка тысяч остатков молекул глюкозы (рис. 37.1, б). Амилопектин в воде не растворяется, а только набухает.

 При длительном нагревании в кислой среде или под действием ферментов крахмал гидролизуется и связи между остатками молекул глюкозы разрываются. Продуктом полного гидролиза крахмала является глюкоза:

Эту реакцию используют в промышленности для изготовления патоки и для получения пищевого этилового спирта.

Наличие крахмала определяют при помощи раствора йода: йод образует с крахмалом соединение синего цвета (рис. 37.2). Используя эту качественную реакцию, можно обнаружить крахмал во многих пищевых продуктах: картофеле, хлебе, кукурузе и др.:

крахмал → соединение темно-синего цвета

Крахмал образуется в растениях из глюкозы и накапливается в корнях, клубнях и семенах:

Крахмал является основным углеводом нашей пищи. Много крахмала содержится в пшенице и других зерновых культурах, а также муке, которую из них делают. Непосредственно организмом он не усваивается. Под действием ферментов происходит гидролиз крахмала, который начинается уже при пережевывании пищи во рту, продолжается в желудке и заканчивается в кишечнике. Глюкоза, образующаяся в результате гидролиза, впитывается в кровь и поступает в печень, а оттуда — во все ткани организма. Избыток глюкозы откладывается в печени в виде полисахарида гликогена, который снова гидролизуется до глюкозы по мере ее расходования в клетках организма.

Большие объемы крахмала идут на производство этилового спирта. Для этого крахмал сначала подвергают гидролизу под действием ферментов солода, а продукт гидролиза после брожения под действием дрожжей превращается в спирт.

Целлюлоза:

Целлюлоза (клетчатка) — белое волокнистое вещество, нерастворимое в воде и других растворителях (в отличие от крахмала). Плотность целлюлозы в зависимости от сырья колеблется в пределах от 1,27 до 1,61 г/см³.

Химическая формула целлюлозы такая же, как и у крахмала — Но в отличие от крахмала, молекулы целлюлозы не бывают разветвленными и содержат десятки тысяч остатков молекул глюкозы (молекулярная масса целлюлозы достигает нескольких миллионов). Отдельные макромолекулы целлюлозы располагаются упорядоченно и плотно друг к другу, образуя прочные волокна, что не характерно для крахмала (рис. 37.3).

Целлюлоза взаимодействует с водой, подвергаясь гидролизу при значительно более жестких условиях по сравнению с крахмалом — при длительном кипячении с кислотой. Разумеется, продуктом гидролиза также является глюкоза. Целлюлозу, а точнее древесину, ее содержащую, используют как топливо. Как и большинство органических веществ, целлюлоза сгорает до углекислого газа и воды:

Целлюлоза — основное вещество растительных клеток: древесина состоит из нее на 50%, а хлопок и лен — это почти чистая целлюлоза (рис. 37.4). Организм человека и животных (кроме жвачных животных, лошадей и кроликов) не способен переваривать целлюлозу.

Хотя у крахмала и целлюлозы одинаковый химический состав, благодаря разному строению молекул они выполняют различные функции в организме: крахмал — питательное вещество, а целлюлоза — прочный строительный материал.

Основная отрасль, где используют целлюлозу,— бумажная. Бумага, на которой напечатан этот текст, состоит главным образом из целлюлозы, выделяемой из древесины. Целлюлозу используют также

в производстве искусственных волокон и взрывчатых веществ. Из почти чистой целлюлозы изготавливают очень прочную пленку — целлофан. Путем обработки целлюлозы уксусной кислотой получают ацетилцеллюлозу, из которой изготавливают ацетатное волокно (искусственный шелк), кино- и фотопленку и другие ценные материалы.

Немецкое Krаftmehl («крахмал») произошло от немецких слов Kraft — «сила» и Mehl — «мука», т. е. крахмал — сила муки. Крахмал из картофеля впервые был получен в 1781 году, а до этого его получали из пшеницы.

Полисахариды — это природные полимеры, мономерами которых являются остатки молекул моносахаридов. Самые распространенные из них — крахмал и целлюлоза — полимеры, образованные глюкозой.

Белки и аминокислоты

Огромное значение для жизни на Земле имеют органические кислоты, в молекулах которых кроме карбоксильной группы –COOH есть еще одна группа — аминогруппа – Такие соединения называют аминокислотами. Все белки, содержащиеся в составе живых организмов, состоят из остатков молекул различных аминокислот.

В природе преобладают аминокислоты, в молекулах которых обе группы — карбоксильная и аминогруппа — соединены с одним атомом Карбона:

где R — атом Гидрогена или определенная группа атомов. Такие аминокислоты называют -аминокислотами. Самая простая аминокислота — аминоэтановая, ее также называют аминоуксусной кислотой, или глицином:

Аминокислот, как и других органических соединений, существует очень много. В живых организмах встречается около 700 аминокислот, но для синтеза белков растений и животных используется лишь 21 аминокислота, причем только -аминокислоты.

Аминокислоты — твердые бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и плохо — в органических растворителях. Растворимость аминокислот обусловлена возможностью образования водородных связей карбоксильной группой (как в карбоновых кислотах) и аминогруппой. Некоторые аминокислоты сладкие на вкус.

Понятие о белках:

Белки — природные высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из остатков молекул аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями.

Другими словами, белки — это полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Обычно белки содержат 100 и более остатков молекул аминокислот, которые образуют полипептидную цепь. Большинство белков человеческого организма содержит несколько сотен аминокислотных остатков. Молекулярная масса белков колеблется от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

По составу белки разделяют на протеины — простые белки, состоящие только из остатков молекул аминокислот, и протеиды — сложные белки, состоящие из остатков молекул аминокислот и различных небелковых составляющих, например ионов металлических элементов (как Fe²⁺ в гемоглобине), а также различных органических соединений.

Строение белков:

В составе белков нашего организма встречаются остатки молекул более 20 аминокислот. Свойства белков зависят не только от того, какие аминокислотные остатки их образуют, но и от того, в какой последовательности они соединены друг с другом. Такую последовательность аминокислот называют первичной структурой белка (рис. 38.1). Определение первичной структуры белков — важная задача современной науки. Информация о первичной структуре всех белков организма содержится в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Полипептидная цепь обычно свернута в спираль, обладающую определенной пространственной структурой,— α-спираль (рис. 38.2, а), или собирается в β-складчатую структуру (рис. 38.2, б). Такое свертывание называют вторичной структурой белков. Существование вторичной структуры обусловлено возможностью образования водородных связей между различными частями соседних аминокислотных остатков. Спиральное строение белков впервые определил выдающийся американский ученый Лайнус Полинг.

Спираль, в свою очередь, может иметь определенное пространственное строение, которое является специфическим для каждого белка: спираль сворачивается в клубок (глобулу). Такое строение называют третичной структурой белка (рис. 38.3, а). Для некоторых белков характерно объединение нескольких глобул (субъединиц) в одну частицу, что приводит к образованию четвертичной структуры белков (рис. 38.3, б). В составе таких структур могут содержаться ионы металлических элементов или другие вещества небелковой природы. Так, молекула белка гемоглобина состоит из четырех субъединиц, соединенных с ионом Феррума, что позволяет молекуле гемоглобина переносить кислород и углекислый газ в животных организмах.

Несмотря на сложность строения молекул белков, их синтез в клетках животных организмов происходит очень быстро, всего за несколько секунд. Живые клетки — это хорошо организованные «фабрики», в которых четко налажена система поставок сырья (аминокислот) и технология сборки (синтеза) белков.

В природе существует множество различных белков. По физическим свойствам они могут существенно отличаться, что обусловлено выполнением различных функций. Они могут быть мягкими и хорошо растворяться в воде, как белок альбумин, содержащийся в яйце. А могут быть очень твердыми и вовсе не смешиваться с водой, как белок кератин, из которого состоят рога, копыта, ногти и перья. Но можно с уверенностью сказать, что у белков нет температуры плавления: при нагревании белки разрушаются и разлагаются.

Денатурация белков: Под действием различных факторов белки могут разлагаться, теряя свою пространственную структуру. Разрушение пространственной структуры белка с сохранением его первичной структуры называют денатурацией. Она происходит при нагревании, изменении кислотности среды, воздействии излучения или растворов солей тяжелых металлических элементов и органических растворителей. Примерами денатурации являются свертывание яичных белков в процессе варки яиц или уплотнение белков молока при скисании (рис. 38.4). Денатурация белков мяса происходит при его термической обработке и засолке. Антисептическое действие этилового спирта также основано на денатурации: при обработке кожи или медицинских инструментов белки бактерий денатурируют, что приводит к их гибели и обеззараживанию поверхности.

Гидролиз белков. Другое химическое свойство белков — способность к гидролизу в кислотной или щелочной средах. При гидролизе разрываются пептидные связи и происходит расщепление полипептидной цепи. Полный гидролиз до отдельных аминокислот происходит при длительном нагревании белков с концентрированной хлоридной кислотой. После попадания белковых веществ в желудок под действием хлоридной кислоты и фермента пепсина происходит их гидролиз. Наш организм усваивает белковые вещества только в виде смеси аминокислот.

Биологическая роль аминокислот и белков:

Аминокислоты — это кирпичики, из которых построены белки, а значит, они являются основой жизни на нашей планете. Одним из первых предположение об аминокислотном составе белков высказал ученый И. Я. Горбачевский. Для некоторых аминокислот характерны особые функции, например, глицин и глутамин — нейромедиаторы, они принимают участие в передаче нервных импульсов, а из тирозина образуется йодтироксин — гормон щитовидной железы. Аминокислоты получают гидролизом белков или синтезируют из соответствующих карбоновых кислот. Их используют в качестве питательных веществ в медицине и как пищевые добавки к продуктам и сельскохозяйственным кормам.

Белки в живых организмах выполняют разнообразные функции, что вы изучали на уроках биологии. Вспомним важнейшие из них. Все без исключения химические реакции в организме происходят в присутствии специальных катализаторов — ферментов, представляющих собой белковые молекулы. Они ускоряют реакции в миллионы раз, причем каждую реакцию катализирует отдельный фермент.

Некоторые белки выполняют транспортную функцию — переносят молекулы или ионы к месту синтеза или накопления веществ. К примеру, белок гемоглобин в составе эритроцитов переносит кислород к тканям и углекислый газ — от них.

Белки — это строительный материал клеток, из них построены ткани организмов.

Белки-рецепторы воспринимают и передают сигналы, поступающие от соседних клеток или из окружающей среды. К примеру, действие света на сетчатку глаза воспринимает белок родопсин.

Белки жизненно необходимы любому организму и поэтому являются важнейшей составляющей продуктов питания. В процессе пищеварения они гидролизуются до аминокислот, которые являются сырьем для синтеза других белков, необходимых организму.

Если при кипячении молоко сбегает и пригорает, то распространяется характерный запах жженого белка, что свидетельствует о его наличии в молоке.

Аспартам — вещество, которое рекомендуют употреблять больным диабетом и людям с избыточным весом, в 100–200 раз слаще сахара. У него нет горького металлического привкуса, характерного для сахарина. Аспартам представляет собой белок, хорошо усваиваемый организмом человека, и является источником аминокислот. Он не приводит к кариесу зубов, а его усвоение не зависит от выработки организмом инсулина.

Инсулин — это первый белок, состав которого был расшифрован. Он содержит только 51 аминокислотный остаток, но на определение их последовательности английскому биохимику Фредерику Сенгеру понадобилось 10 лет, за что в 1958 году он получил свою первую Нобелевскую премию. Сенгер — один из четырех ученых — дважды лауреатов Нобелевской премии, причем он единственный, кто дважды получил ее в области химии.

Белки — природные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Из протеиногенных аминокислот построено множество различных молекул белков, которые в живых организмах выполняют разнообразные функции.

Природные и синтетические органические соединения. Защита окружающей среды от органических загрязнителей

Природные и синтетические органические вещества на службе человечества

Вы уже ознакомились со многими органическими веществами: углеводородами, этанолом, глицеролом, этановой кислотой, жирами, углеводами и белками. Все эти органические соединения являются природными, поскольку они встречаются в природе. Но это не значит, что их нельзя синтезировать искусственно. В последние десятилетия большинство этих веществ синтезируют на предприятиях химической промышленности, поскольку выделить их из природных объектов в необходимом количестве невозможно: в природе просто нет столько веществ, сколько требуется современному обществу. Сырьем для синтеза многих веществ являются преимущественно нефть и природный газ.

Вам уже известно вещество, относящееся к органическим полимерам,— полиэтилен. Полиэтилен не встречается в природе. Ни один живой организм не может его синтезировать, поэтому такие вещества называют синтетическими.

Конечно, это не все вещества, известные человечеству. В этом параграфе мы рассмотрим еще некоторые природные и синтетические соединения, с которыми вы сталкиваетесь в повседневной жизни.

Природные органические соединения

Жизненно необходимыми органическими соединениями для человека являются витамины. Недаром это слово происходит от латинского vita — «жизнь». Хвоя и черная смородина содержат витамин C, семена подсолнечника — B₁ (тиамин хлорид), морковь — витамин A (ретинол) и др.

Лекарственные растения содержат различные природные органические соединения, среди которых выделяют группу алкалоидов. Их использование очень разнообразно: морфин — обезболивающее, кофеин — психостимулятор, кодеин — противокашлевое средство и др.

В местах повреждений на стволах хвойных деревьев часто вытекает густая смола — живица. Это ценный источник органических веществ. Из нее получают скипидар, канифоль, вещества для изготовления лечебных бальзамов и многое другое.

В Бразилии в 1754 году обнаружили уникальное дерево — гевею. Если млечный сок, вытекающий из разрезов на ее стволе, отстоять и подогреть, то получим латекс (или натуральный каучук). Путем обработки латекса получают различные виды резины.

Природным органическим соединением является воск. Он может быть растительным (масло жожоба) и животным (пчелиный). Из воска изготавливают свечи, косметические средства (мази, кремы, помады), защитные покрытия деревянных и мраморных изделий, взрывчатки. Для длительного хранения воском покрывают фрукты и сыры.

Большинство растений обладает неповторимым запахом. Путем особой обработки этот запах у растений «забирают» в виде эфирных масел: мятного, лавандового, эвкалиптового и др. Эти масла используют в парфюмерии, в качестве лекарственных средств и пищевых ароматизаторов.

Из некоторых природных объектов выделяют органические соединения, которые используют как пищевые добавки. Например, для сгущения блюд и приготовления желе используют уже известный вам крахмал (картофельный или кукурузный), желатин (выделяют из костей, копыт и рогов), агар-агар (выделяют из красных и бурых агаровых водорослей).

Синтетические органические соединения

Появление синтетических волокон произвело настоящую революцию в науке и технике. Они дешевле натуральных и позволяют изготавливать одежду, которую из натурального сырья не сделаешь: невозгораемые костюмы для пожарных, герметичные костюмы для космонавтов, прочные канаты и многое другое.

Издавна для стирки использовали мыло и кальцинированную соду. Но по эффективности они не идут ни в какое сравнение с современными синтетическими моющими средствами. Это средства для стирки в разной воде, ручной стирки или в автоматической машине, для мытья посуды, стекла и др.

С развитием промышленности натурального каучука уже не хватало для удовлетворения всех потребностей. Почти 100 лет назад открыли способ получения синтетического каучука, из которого после специальной обработки получают сотни сортов резины.

Благодаря различным добавкам из 20–30 органических полимеров изготавливают тысячи сортов пластмасс, которые могут заменить любой натуральный материал. А некоторые пластмассы по свойствам значительно лучше натуральных материалов и намного дешевле.

До открытия пенициллина в 1928 году даже обычная простуда могла стать смертельной. Антибиотики совершили переворот в медицине. И хотя Флеминг выделил пенициллин из натурального сырья, сегодня все антибиотики — это синтетические соединения. Их уже открыто очень много, и ученые работают над синтезом новых.

Растительное сырье уже не обеспечивает потребностей человечества в лекарствах. Поэтому многие фармацевтические компании синтезируют различные лекарственные вещества. Химические компании занимаются поиском новых лекарственных веществ для лечения заболеваний, которые сегодня считаются неизлечимыми.

До открытия М. Зининым дешевого способа получения анилина натуральные красители были очень дорогими. Сегодня натуральные красители почти не используют, их заменили синтетические красители. Они более устойчивы, не выгорают и, что очень важно, их можно получить любого цвета и оттенка.

Сегодня агрономы используют много различных пестицидов — средств химической защиты культурных растений от сорняков (гербициды), грибков (фунгициды) и др. Вы также пользуетесь инсектицидами, чтобы отгонять комаров и клещей.

Пищевая промышленность использует множество различных синтетических пищевых добавок. Это различные заменители сахара, антиоксиданты, ароматизаторы, пищевые красители, консерванты, эмульгаторы и стабилизаторы, усилители вкуса и многое другое.

Невозможно представить автомобилестроение или строительство без новых синтетических материалов, которые используют для соединения деталей, защиты от коррозии, герметизации стыков и т. п. Это синтетические лаки, эмали, краски, смолы, клеи, герметики и многое другое.

Из синтетических органических соединений изготавливают взрывчатые и пиротехнические материалы. К сожалению, их до сих пор используют для изготовления оружия, но также применяют и в мирных целях: при строительстве тоннелей, добыче полезных ископаемых и др.

Химики создали уникальное волокно, по строению похожее на паутину,— кевлар. Ткань из него устойчива к износу и ударам, поэтому ее используют для изготовления армирующих тканей для бронежилетов и бронешлемов.

Современная химия нацелена на революцию в информационных технологиях. Миниатюризация электронных устройств обусловила необходимость проведения некоторых процессов на молекулярном уровне. Скоро появятся устройства для записи информации, в которых 1 бит информации будет хранить одна молекула.

Последнее десятилетие бурно развивается «юный» раздел химии — супрамолекулярная химия. Ученые синтезируют вещества, молекулы которых способны выполнять определенную механическую работу. Уже созданы прототипы молекул, которые «работают» как молекулярный мотор, пружина, лифт и т. п.

Защита окружающей среды от стойких органических загрязнителей

К сожалению, развитие цивилизации сопровождается загрязнением нашей планеты.

Во-первых, это отходы промышленных производств, которые выбрасываются в окружающую среду. Основными загрязнителями окружающей среды являются лакокрасочная, бумажная и коксохимическая отрасли. Их выбросы крайне токсичны, не разлагаются в природе, накапливаются в живых организмах, а в водной среде из них могут образовываться еще более опасные вещества.

Во-вторых, это синтетические органические вещества, «чуждые» природе, т. е. ни при каких обстоятельствах они не смогли бы образоваться в живых организмах. Таким веществом, например, является полиэтилен. Он, конечно, очень удобен в использовании. Но его преимущество — стойкость ко многим природным факторам — является и его недостатком. На мусорниках полимерные материалы не гниют, не разлагаются в течение 300 и более лет в отличие от бумаги, которая сгнивает в почве за 2–3 года.

Для решения этой проблемы сегодня разрабатывают новые материалы, которые смогут быстро разлагаться в почве,— биопластики.

Также большую угрозу представляют пестициды. С одной стороны, они защищают урожай, но с дождем попадают в почву, потом — в грунтовые воды, реки, моря и океаны. Они могут отравить обитателей Мирового океана или накапливаться в организмах рыб и других водных животных и вместе с пищей попасть в организм человека, вызывая отравления.

Одним из самых опасных пестицидов, относящихся к группе стойких органических загрязнителей (СОЗ), является ДДТ (дихлордифенил-трихлорэтан, бытовое название — дуст). Он очень эффективен

в борьбе с малярийными комарами и вредителями хлопчатника, сои и арахиса. Но он обладает канцерогенным и мутагенным действием. Для отравления достаточно 10–20 мг.

Для защиты окружающей среды от СОЗ Организация Объединенных Наций инициировала мировую программу по химической безопасности, результатом которой в 2001 году в Стокгольме было подписание Конвенции по СОЗ. В соответствии с ней, запрещено производство и использование двенадцати химических веществ (так называемой «грязной дюжины веществ»).

Но для сохранения окружающей среды одних запретов мало. Необходимо модернизировать производства, воплощать в жизнь новые технологии очистки отходов или безотходные технологии. То, какой Земля будет через 50–100 лет, зависит от нас!

Природные органические соединения содержатся в природных объектах, а синтетические вещества в природе не встречаются, их получают искусственно, и часто они являются источником загрязнения окружающей среды.

Лекции по предметам:

1. Химия
2. Неорганическая химия