Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


§ 2. Органические соединения

По богатству и многообразию своих производных углерод оставляет далеко позади все остальные элементы, вместе взятые: в то время как химических соединений, не содержащих С в своем составе, известно лишь несколько десятков тысяч, число изученных углеродистых соединений исчисляется сотнями тысяч Это обстоятельство заставляет выделить детальное изучение химии углерода в самостоятельную область, называемую обычно органической химией.

Многообразие соединений углерода по сравнению с другими элементами обусловлено некоторыми особенностями самих углеродных атомов. Важнейшей из них является способность к образованию прочных связей друг с другом. Благодаря этому молекулы, содержащие в своем составе цепи углеродных атомов, являются при обычных условиях вполне устойчивыми, тогда как молекулы с подобным же цепеобразным накоплением атомов других элементов в подавляющем большинстве случаев очень непрочны. Например, для кислорода максимальная известная длина цепи равна двум атомам, причем содержащие ее соединения (перекись водорода и ее производные) малоустойчивы, тогда как для углерода было получено вполне устойчивое соединение! имеющее в своем составе цепь из 100 углеродных атомов.

Изучение содержащих углеродные цепи молекул при помощи рентгеновских лучей показало, что атомы углерода в подобных цепях располагаются не на одной прямой, а по зигзагу (рис. 140).

Существование последнего обусловлено тем, что четыре валентности углеродного атома определенным образом направлены по отношению друг к другу: их взаимное расположение отвечает линиям, идущим из центра тетраэдра (рис. 124) к его углам.

Цепи углеродных атомов в молекулах органических веществ могут быть не только открытыми, но и замкнутыми Производные первого типа называются соединениями с открытой цепью, второго –циклически ми.

Вследствие образования устойчивых цепей соединения углерода одного и того же. типа насчитываются не единицами (как у других элементов), а десятками и сотнями. Например, для кислорода известны только два водородных соединения (H2 O и Н2 О2 ), тогда как в случае углерода, кроме метана (СН4 ) могут быть получены этан2 Н6 ), пропан (C3 H8 ), бутан4 Н10 ) и т. д.

Как видно из формул приведенных углеводородов, все они образуют ряд, s котором каждый последующий член может быть произведен от предыдущего усложнением его состава на одну группу СН2 . Подобные ряды соединений называют гомологическими и различают их друг от друга по первому члену. Так, приведенные выше углеводороды принадлежат к гомологическому ряду метана, или, иначе, являются гомологами метана. Каждый гомологический ряд может быть–выражен одной общей формулой. В рассматриваемом случае формула имеет вид Cn H2n+2 . Зная ее, легко найти химический состав любого члена данного ряда. Например, гомолог метана с 7 атомами углерода будет иметь состав C7 H7·2+2 или С7 Н16 .


Гомологические ряды представляют очень наглядный пример перехода количества в качество. Действительно, «прибавляя каждый раз группу СН2 , мы получаем тело, качественно отличное от предыдущего» (Энгельс).

Данные приведенной выше таблицы показывают, что первые четыре члена гомологического ряда метана при обычных условиях представляют собой газы, следующие – жидкости и затем твердые тела. Физические константы гомологов на протяжении ряда изменяются довольно закономерно. По отношению к температурам плавления и кипения – та же закономерность (т. е. возрастание обеих констант с увеличением молекулярного веса), как правило, сохраняется и для других гомологических рядов, а по отношению к плотностям она иногда имеет обратный характер (т. е. с увеличением молекулярного веса плотности уменьшаются).

В химическом отношении члены одного и того же гомологического ряда похожи друг на друга. В частности, для гомологов метана характерны те же реакции, как и для самого СН4 , причем различие проявляется лишь в большей или меньшей легкости их протекания. Такое единство химических свойств (включающее, конечно, в себя и элементы различия), наряду с более или менее закономерным изменением в гомологических рядах физических констант, чрезвычайно облегчает изучение органической химии, так как позволяет, зная свойства одного из членов ряда, иметь достаточно отчетливое представление о свойствах всех остальных.

Кроме существования устойчивых цепей, углерод характеризуется тем, что валентные связи его с водородом и различными металлоидами сравнительно близки друг к другу по прочности. Последнее видно из приводимых ниже данных для энергий связей:

Связь – энергия связи (ккал/г–атом):

C–C – 85

C–H – 99

C–O – 82

C–S – 67

C–N – 61

C–F – 115

C–Cl – 78

C–Br – 66

C–J – 58

То обстоятельство, что энергия связи С–Н близка к среднему арифметическому из значений для заведомо неполярных связей С–С и Н–Н (104 ккал), указывает на малую ее полярность. Заключение это подтверждается опытом. Подобный же малополярный характер имеет и подавляющее большинство других связей в органических соединениях.

Из изложенного вытекает важное следствие, касающееся характера протекания органических реакций. Так как малая полярность связен распаду молекулы на ионы не благоприятствует, электролитической диссоциации подавляющее большинство углеродистых соединений не подвергается. Но реакции обмена между электролитами осуществляются почти мгновенно только потому, что они сводятся к сочетанию в тех или иных комбинациях уже имеющихся ионов. Напротив, химическое взаимодействие между нейтральными молекулами связано с частичным их расщеплением, вследствие чего и происходит несравненно медленнее. С другой стороны, отсутствие резких различий между энергиями образования отдельных связей также способствует медленности и неполноте протекания процессов. В результате необходимое для завершения той или иной реакции между органическими соединениями время измеряется, как правило, не секундами или минутами, а часами, причем реакция часто протекает с заметной скоростью лишь при повышенных температурах и обычно не доходит до конца.

Малая полярность отдельных связей является важнейшим фактором, обусловливающим малую полярность большинства органических молекул в целом. Внешне это проявляется в сравнительно низких температурах плавления и кипения образованных ими веществ. Тогда как, например, NaCl плавится при 800 °С и кипит прц 1454 °С, почти все органические соединения плавятся и кипят ниже 300°С, а при нагревании до более высоких температур разлагаются.

Простейшими органическими соединениями являются углеводороды. Кроме простых связей С–Н и С–С, в их молекулах могут содержаться также двойная связь С = С и тройная связь С≡С. Химические свойства углеводородов, не имеющих кратных (двойной или тройной) связей, в общем приблизительно повторяют свойства метана. Введение в молекулу кратной связи обычно сообщает ей склонность к реакциям присоединения. Это отмечают, говоря о ненасыщенном (непредельном) характере вещества, содержащего в своем составе кратные связи. Например, простейшие непредельные углеводородыэтилен2 С = СН2 ) и ацетилен (НС ≡ СН)–легко присоединяют галоиды. Реакция присоединения связана с переходом кратных связей между атомами углерода в простые. Сравнительная легкость такого перехода и обусловливает ненасыщенный характер соединений.

1) Расстояния d(CC) при простой, двойной и тройной связях равны соответственно 1,54 А, 1,35 А и 1,20 А. Расстояние d(CH) также несколько меняется в зависимости от характера атома С. Так, для метана, этилена и ацетилена d(СН) равно соответственно 1,093 А, 1,071 А и 1,057 А. Молекула ацетилена линейна. У этилена все атомные ядра расположены в одной плоскости, а <НСН = 120°.

2) Этилен получают обычно дегидратацией этилового спирта (т. е. отоплением от него воды по схеме С2 Н5 ОН–Н2 О = С2Н4 ). Он представляет собой бесцветный газ (т. пл. –169 °С, т. кип. –104 °С), довольно хорошо растворимый в воде (1:4 по объему). Под высоким давлением этилен подвергается полимеризации с образованием очень длинных цепей из групп СН2 . Получающийся твердый полимер (т. н. политен) находит разнообразное практическое применение.

3) Наиболее важен для органической химии циклический углеводород бензол6 Н6 ). Строение его молекулы отвечает плоскому шестиугольнику [d(CC) = l,39 А и d(CH) = 1,08 А], причем между атомами углерода осуществляется весьма прочная «ароматическая» связь, природа которой пока не вполне ясна. Структурно бензол изображают обычно в виде равностороннего шестиугольника.

Бензол представляет собой бесцветную, почти нерастворимую в воде жид. кость (т. пл. 5 °С, т. кип. 80 °С). Он является родоначальником громадного числа самых разнообразных производных. Очень большое практическое значение имеет также ближайший гомолог бензолатолуол6 Н6 СН3 ), представляющий собой бесцветную жидкость (т. пл. –95 °С, т. кип, 111 °С). И бензол и толуол получают главным образом в качестве побочных продуктов при обжиге каменного угля на кокс.

4) Природным скоплением углеводородов является нефть. Месторождения её встречаются в осадочных породах различного возраста. Как видно из рис, 141, нефть располагается под куполами пласта глины или другой газонепроницаемой породы. Над нефтью обычно находится «нефтяной» газ, под ней – насыщенный соленой водой пласт песка.

Хотя химизм образования нефтей еще не вполне выяснен, все же почти несомненно, что основным исходным материалом для них послужили останки жизни мелководных морских бассейнов. Бурное развитие в них простейших водорослей, аналогичное «цветению» современных озер, вело к столь же бурному развитию животной жизни. Имея в виду колоссальную быстроту размножения простейших организмов при благоприятных условиях, не приходится удивляться тому, что во впадинах дна водоемов минувших эпох могли скапливаться огромные количества их останков. Медленно разлагаясь без доступа воздуха в стоячей придонной воде, останки эти вместе с тем постепенно заносились глиной и пес ком. На протяжении миллионов лет они превращались в нефть.

Сырая нефть представляет собой нерастворимую в воде маслянистую коричневую или черную жидкость с плотностью 0,75–0,95. Обычно она содержит 83–87% углерода, 11–14% водорода и небольшое количество азота, кислорода, серы. В одних сортах нефти преобладают углеводороды гомологического ряда метана, в других – циклические.

Нефть является прекрасным топливом: 1 кг ее дает при сжигании около 11000 ккал. На нефтеперегонных заводах из нее выделяют ряд продуктов: петролейный эфир, бензин, лигроин, керосин, различные смазочные масла, вазелин, парафин и некоторые другие. Все эти вещества, представляют собой смеси углеводородов от легколетучих (в петролейном эфире) до твердых при обычных условиях (в парафине). Нефтяной газ состоит в основном из газообразных углеродородов. Он может быть использован и как топливо и для каталитического получения различных продуктов (водорода, спирта, формальдегида и др.). Воды нефтяных месторождений часто содержат иод и бром.

Широкое распространение двигателей внутреннего сгорания вызвало громадный рост потребления нефти. За столетие, с 1860 г. по 1960 г., ее ежегодная мировая добыча возросла с 67 тыс. г до 1051 млн. т, т. е. почти в 16 000 раз. Одним из крупнейших производителей нефти является СССР (186 млн. т в 1962 г. против 31,1 млн. т в 1940 г. и 9,2 млн. г в 1913 г.).

Путем замещения водорода связи С–Н галоидом (или путем непосредственного присоединения галоида к ненасыщенным углеводородам) образуются органические галоидопроизводные. Так, при замещении на хлор водорода в метане образуется хлористый метил (СН3 Сl), при замещении водорода в этанехлористый этил2 Н5 Сl) и т. д. Как видно из приведенных примеров, названия галоидозамещенных производятся от названий тех углеводородных радикалов, или ал кило в, которые они содержат (в данном случае этими радикалами будут метил – СН3 и этил– С2 Н5 ). Обозначая в общем виде углеводородный радикал через R, можно представить уравнение реакции между предельным углеводородом и галоидом следующим образом:

RH + Г2 = НГ + RГ

Подобно остальным простейшим производным предельных углеводородов, галоидные алкилы (ЯГ) представляют собой в большинстве случаев бесцветные жидкости. В воде они почти нерастворимы. Прочность связи углерода с галоидом уменьшается па ряду F–Сl–Br–J, a химическая активность галоидных алкилоз в том же' ряду увеличивается. Наиболее характерны для них реакции обмена галоида на другие радикалы (NH2 , OH и т. д.), в связи с чем галоидными алкилами широко пользуются при синтезах.

5) Из простейших органических галоидопроизводных наиболее широко известен хлороформ (СНCl3 ). Он представляет собой бесцветную жидкость (т. пл. –63 °С, т. кип. + 61 °С) с сладковатым запахом и используется при хирургических операциях в качестве наркотика.

За последнее время сильно возросло значение фторорганических соединений. В частности, полимеризацией тетрафторэтилена (F2 C = CF2 ) можег быть получена твердая пластмассатефлон»), необычайно устойчивая по отношению ко всевозможным химическим воздействиям.

При взаимодействии галоидных алкилов с аммиаком (в спиртовом растворе) по схеме

RГ+NH3 = HГ+RNH2

Образуются амины (RNH2 ), являющиеся органическими производными аммиака. Низшие члены гомологического ряда аминов хорошо растворимы в воде, но по мере увеличения R растворимость уменьшается. Такое уменьшение растворимости в воде при переходе по гомологическому ряду характерно не только для аминов, но и для других типов органических соединений.

Водные растворы аминов имеют щелочную реакцию в результате комплексообразования по схеме:

RNH2 + НОН < = >[RNH3 ]++ ОН

С кислотами амины (подобно самому NH3 ) непосредственно соединяются, образуя соли, например:

RNH2 + HCl = [RNH3 ]Cl

Таким образом, введение в органическое соединение аминогруппы (–NH2 ) сообщает ему характер основания.

6) Продукты замещения на алкильный радикал только одного водорода аммиака называются первичными аминами (RNH2 ). При дальнейшем замещении образуются вторичные (R2 NH) и третичные (NR3 ) амины. Свойства и тех и других в основном похожи на свойства первичных аминов.

Важнейшим представителем класса аминов является анилин6 Н52 ), представляющий собой бесцветную, но постепенно буреющую на воздухе жидкость со своеобразным запахом (т. пл. – 6 °С, т. кип. 184 °С). Основные свойства у анилина выражены весьма слабо.

При действии на галоидные алкилы воды постепенно (легче всего для йодистых алкилов) идет их гидролиз:

RГ + НОН < = > ROH + НГ

Прибавлением щелочи можно сильно ускорить эту реакцию и сместить ее равновесие вправо. В результате образуются спирты (ROH), которые можно рассматривать как продукты замещения на алкильные радикалы одного из водородов воды.

Введение гидроксильной группы сообщает органической молекуле характер амфотерного соединения. Однако диссоциация спиртов (иначе, алкоголе й) еще меньше, чем у воды, и поэтому электрический ток они не проводят. Амфотерный характер спиртов доказывается, с одной стороны, обратимостью приведенной выше реакции их образования (где спирт выступает в качестве основания), с другой – протекающим по схеме

2ROH + 2Na = 2RONa + H2

взаимодействием их с металлическим натрием (где спирт выступает в качестве кислоты).

7) Наиболее практически важен этиловый спирт2 Н5 ОН), называемый иначе винным. Получают его синтетически или путем сбраживания природных продуктов, содержащих в своем составе крахмал или сахар. С водой этиловый спирт (т. пл. –117°С, т. кип. +78 °С) смешивается во всех отношениях.

Важным представителем класса спиртов является глицерин3 Н5 (ОН)3 ], в молекуле которого содержатся три гидроксильные группы. Глицерин представляет собой бесцветную вязкую жидкость (т. пл. 20 °С, т. кип. 290 °С), склонную к переохлаждению (а поэтому затвердевающую лишь около 0°С) и смешивающуюся с водой во всех отношениях.

Если спирты можно рассматривать как продукты замещения на алкильный радикал одного из водородов воды, то продуктами подобного же замещения обоих водородов являются простые эфиры (ROR). Взаимодействие их с водой ведет к равновесию

ROR + HOH < = > 2ROH

которое, однако, с заметной скоростью устанавливается лишь при повышенных температурах. Пользуясь связывающими воду веществами2 О5 и т. п.), можно при этих условиях добиться практически полного смещения равновесия влево и таким образом получить простой эфир, исходя из спирта.


Простые эфиры представляют собой химически довольно инертные вещества. Например, металлический натрий на них при обычной температуре не действует. Летучесть эфиров больше (т. е. их точки кипения ниже), чем у тех спиртов, из которых они получены, а растворимость в воде значительно меньше.

8) Чаще всего встречается в практике этиловый эфир2 Н5 ОС2 Н5 ), получаемый обычно действием этилового спирта на серную кислоту (водоотнимающее средство) при повышенной температуре. В связи с этим способом получения этиловый эфир иногда неправильно называют «серным». Этиловый (точнее, ди–этиловый) эфир представляет собой бесцветную летучую жидкость (т. пл. – 116 °С, т. кип. 4–35 °С). Пары его легко воспламеняются на воздухе, а при вдыхании вызывают состояние опьянения и затем наркоза.

Наличие в молекуле спирта гидроксильной группы {–ОН) обусловливает заметное уменьшение прочности соседних связей С–Н. Ввиду этого спирты окисляются гораздо легче соответствующих углеводородов. Окисление их идет, например, по схеме:

СН3 СН2 ОН + О (из окислителя) = Н2 О + СН3 СНО

Соединения, характеризующиеся наличием в молекуле радикала –СНО, называются альдегидами (общая формула (RCHO).

Имеющаяся в альдегидах двойная связь С = О довольно легко переходит в простую (С–О) с освобождением по одной валентности у углерода и кислорода. В связи с этим для альдегидов характерны реакции присоединения. Вместе с тем кислород карбонильной группы ( = СО) активирует соседнюю связь С–Н, причем водород последней легко заменяется на группу ОН. Так как такая замена связана с введением в молекулу атома кислорода, она сводится к окислению альдегида. Ввиду этого альдегиды являются восстановителями и притом довольно сильны: многие из них постепенно окисляются уже кислородом воздуха.

Близко родственны альдегидам соединения класса кетонов . (общая формула R2 CO). Благодаря наличию карбонильной группы кетоны, подобно альдегидам, обладают склонностью к реакциям присоединения, но восстановительные свойства для них нехарактерны.

9) Чаще всего встречается в практике первый член гомологического ряда альдегидовформальдегид (НСНО), представляющий собой бесцветный газ (т. пл. –92°С, т. кип. –21 °С) с характерным резким запахом. Его 40%–ный водный раствор под названием формалина применяется для дезинфекции.

10) В несравненно больших количествах используется формальдегид для выработки некоторых высокополимерных материалов, с каждым годом завоевывающих новые области применения.

По своему строению подобные материалы обычно являются продуктами последовательного сочетания друг с другом большого числа однотипных структурных элементов, например:

–СН2 –С(СН3 )(СООСН3 )– для «плексигласа»

–NH(CH2 )5 CO– для «капрона»

–СО(СН2 )4 СО–NH(CH2 )6 NH– для «найлона»


Ежегодная мировая выработка различных высокополимерных материалов исчисляется миллионами тонн и продолжает быстро возрастать.

Особое значение для химии имеют т. н. ионообменные смолыиониты»), характеризующиеся сильно выраженной адсорбционной способностью–по отношению к катионам (катиониты) или анионам (аниониты). Пользование такими смолами позволяет во многих случаях избирательно извлекать из растворов те или иные элементы.

11) Важным представителем класса кетонов является ацетон (СН3 СОСН3 ), широко используемый в качестве растворителя многих веществ. Он представляет собой бесцветную жидкость с характерным запахом (т. пл. –94 °С, т. кип. +57 °С), смешивающуюся с водой в любых соотношениях.

Получающиеся при окислении альдегидов продукты содержат карбоксильную группу (–СООН) и называются органическими кислотами (общая формула RCOOH), Например, окисление уксусного альдегида ведет к образованию уксусной кислоты:

СН3 СНО + О (из окислителя) = СН3 СООН

Нахождение при одном и том же атоме углерода связей С = О и С–ОН сильно сказывается на их характере. Первая под влиянием группы ОН упрочняется, вследствие чего реакции присоединения для кислот (в противоположность альдегидам и кетонам) становятся нехарактерными. С другой стороны, под влиянием связи С = О водород гидроксильной группы приобретает кислотный характер. Хотя органические кислоты диссоциированы несравненно сильнее спиртов и воды, однако по сравнению с типичными «минеральными» кислотами (НСl, H2 SO4 и т. п.) диссоциация их все же невелика. Поэтому можно сказать, что органические соединения типа RCOOH являются, как правило, кислотами слабыми.

12) Первым членом гомологического ряда кислот является муравьиная кислота (НСООН), представляющая собой бесцветную жидкость (т. пл. +8 °С, т. кип. 101 °С) с резким запахом. Присутствие в молекуле муравьиной кислоты (K = 2 • 104) при одном и том же атоме углерода связей С–Н и С = О ведет к тому, что кислота эта (подобно альдегидам) является сильным восстановителем. Соли ее (муравьинокислые, или формиаты), как правило, легкорастворимы. Разбавленный (1–1,5%) водный раствор НСООН под названием «муравьиного спирта» употребляется для втираний при лечении ревматизма.

13) Чаще всего встречается в практике уксусная кислота (СН3 СООН), представляющая собой бесцветное вещество с характерным запахом (т. пл. 17 °С, т. кип. 118°С). С водой она смешивается в любых соотношениях, причем ведет себя в растворе как слабая кислота (К = 2·10–5). Большинство ее солей (называемых уксуснокислыми или ацетатами) хорошо растворимо. Продающийся под названием «уксусной эссенции» 80%ный раствор СН3 СООН служит для приготовления уксуса, т. е. разбавленного (5–7%) раствора СН3 СООН, потребляемого в качестве вкусового вещества.

14) Простейшим представителем двухосновных органических кислот является щавелевая (Н2 С2 О4 ), молекула которой слагается из двух карбоксильных групп (НООС–СООН). Щавелевая кислота представляет собой белое кристаллическое вещество, довольно хорошо растворимое в вода. Она является одной из немногих органических кислот средней силы (K1 = 7·10–2, K2 = 6·10–5). Большинство ее солей (называемых щавелевокислыми или оксалатами) малорастворимо в воде. Из производных обычных катионов легкорастворимы только соли Na+, К+ и NH4 +, При действии сильных окислителей (КМnО4 и др.) щавелевая кислота легко окисляется до СО2 и Н2 О.

При взаимодействии кислот со спиртами медленно протекает обратимая реакция этерификации, формально аналогичная нейтрализации:

RCOOH + HOR = Н2 О + RCOOR

Получающиеся сложные эфиры (общая формула RCOOR) являются, следовательно, веществами, по способу образования аналогичными солям, Однако они очень сильно отличаются по свойствам от солей и представляют собой в большинстве случаев бесцветные, легколетучие жидкости, малорастворимые в воде. Основной причиной такого расхождения свойств солей и сложных эфиров является резкое различие полярности связей О–М (где М–металл), с одной стороны, и О–R – с другой.

К классу сложных эфиров относятся широко применяемые в технике органические растворители, пахучие вещества и т. д., а также жиры, входящие в состав почти всех живых организмов ислужащие одним из основных продуктов питания человека.

Ввиду обратимости реакции получения сложного эфира последний при взаимодействии с водой подвергается частичному гидролизу с образованием кислоты и спирта. Под действием только воды гидролиз сложных эфиров (называемый обычно их омылением) протекает чрезвычайно медленно, но в присутствии кислот и особенно щелочей он значительно ускоряется, Кипячение с раствором NaOH ведет к быстрому омылению сложного эфира по схеме:

RCOOR + NaOH = ROH + RCOONa

В частности, так получают из природных жировых веществ мыло, представляющее собой смесь натриевых (реже калийных) солей органических кислот, входивших в состав взятого жира.

15) Жиры являются сложными эфирами глицерина и различных органических кислот, главным образом пальмитиновой (C1 5 H31 COOH), стеариновой (C17 Н35 СООН) и олеиновой (C17 Н33 СООН). Первые две кислоты относятся к предельным, а последняя содержит в молекуле одну двойную связь. Их относительные количества определяют свойства жировых веществ: твердые жиры (например, баранье сало) содержат больше эфиров стеариновой и пальмитиновой, жидкие (например, подсолнечное масло) – олеиновой кислоты.

16) Обычное мыло состоит в основном из смеси натриевых солей стеариновой и пальмитиновой кислот. Кроме них, в состав мыла вводят обычно ряд примесей, в частности – красящих и пахучих веществ. Важным побочным продуктом мыловаренного производства является глицерин.

Моющее действие мыла связано с его частичным гидролитическим разложением на свободную щелочь и жирные кислоты. Щелочь снимает жировые вещества пота, удерживающие грязь на руках, белье и т. д., а коллоидные частицы свободней жирной кислоты адсорбируют эту грязь. Ежегодная выработка мыла в СССР составляет около 1,5 млн. т.

Наряду с жирами в состав животных и растительных организмов входят вещества, относящиеся к классам углеводов и белков.

В противоположность рассматривавшимся выше производным, содержавшим в молекуле, помимо углеводородного радикала, характерную группу (ОН, СНО и т. д.) какого–либо одного типа, углеводы и белки являются соединениями со смешанной функцией.

В молекулах углеводов наряду с несколькими группами ОН содержится обычно группа СНО. В связи с этим для углеводов одновременно характерны свойства и спиртов и альдегидов. Само название этого класса веществ, к числу которых относятся такие важные продукты питания, как обыкновенный сахар (C12 Н22 О11 ) и крахмал [(С6 Н10 О5 )x ], связано с тем, что водород и кислород в них находятся обычно в таком же соотношении, как в воде (т. е. атомов водорода вдвое больше, чем кислорода). Поэтому состав громадного большинства углеводов может быть выражен в виде nC + mH2 O (т. е. как бы в виде соединения угля с водой).

Организмы животных содержат сравнительно небольшие количества углеводов. Напротив, в растениях они образуют основную массу тканей. Последние состоят главным образом из клетчатки, имеющей тот же состав, что и крахмал, но еще больший молекулярный вес. Если крахмал (в виде муки, круп, картофеля и т. п.) является одним из основных продуктов питания человека, то клетчатка дает ему исходные материалы для одежды (хлопок и т. д.), топлива (древесина) и для удовлетворения культурных запросов (бумага), не считая ряда других продуктов, получающихся при переработке различных растительных волокон и древесины.

17) Основными составными частями древесины (не только деревьев, но и трав, мхов и т. п.) являются клетчатка [(С6 Н10 O5 )x ] и лигнин – органическое вещество еще неустановленного строения, более богатое углеродом, чем клетчатка. При разложении отмерших растительных организмов без доступа воздуха (на дне болот, под слоями горных пород) из них выделяются летучие продукты распада, а остаток постепенно обогащается углеродом. Это соответствующим образом сказывается на химическом составе и теплотворной способности продукта разложения, который в зависимости от его особенностей называют торфом, бурым углем, каменным углем или антрацитом. Ниже приводится таблица, в которой сопоставлены химический состав и теплотворная способность органической массы древесины и различных продуктов ее разложения.


Торф является сравнительно молодым продуктом и сохраняет структуру тех растительных волокон (чаще всего мхов), из которых он образовался. Хотя возраст бурого угля исчисляется уже миллионами лет, на нем также легко заметить структуру исходных древесных пород. На более старых каменных углях распознать эту структуру возможно лишь в исключительных случаях. Наконец, образовавшиеся из растительности еще более древних эпох антрациты представляют собой серо–черную плотную массу, на которой какие–либо следы растительной структуры уже совершенно незаметны.

Ископаемый уголь является основным видом промышленного топлива. За время с 1800 по 1900 г. его ежегодная мировая добыча возросла от 10 до 760 млн. т. В 1950 г. она составляла около 1,8 млрд. т. Добыча угля по СССР составила в 1962 г. 517 млн. т (против 166 млн. т в 1940 г. и 29 млн. г в 1913 г.).

18) Так как добыча каменного угля, даже несмотря на механизацию производства, весьма трудоемка, большое значение имеет практическая реализация впервые выдвинутой Д. И. Менделеевым (1888 г.) идеи подземной газификации угля. Сущность ее заключается в получении горючего газа за счет неполного сжигания угля под землей без извлечения его на поверхность.

Первая в мире промышленная станция подземной газификации угля была пущена 1 декабря 1937 г. в СССР. В настоящее время подземная газификация угля является технологически освоенным процессом.

19) Кроме непосредственного потребления каменного угля в качестве топлива, громадное количество его расходуется для выработки необходимого металлургии кокса. Последний получают сильным нагреванием каменного угля без доступа воздуха. В результате из угля выделяются различные летучие продукты, а в печах остается серо–черная спекшаяся масса кокса. Ввиду предварительного удаления летучих веществ кокс сгорает почти без пламени, что делает его особенно пригодным для выплавки металлов из руд. Теплотворная способность кокса составляет около 8000 калл/кг.

Важными побочными продуктами коксования являются каменноугольная смола (из которой получают, в частности, бензол и толуол), аммиак и коксовый газ. В состав последнего входит (по объему) приблизительно 60% Н2 , 25% СН4 , 2% других углеводородов, 5% СО, 2% СО2 и 5–6% N2 .

Коксовый газ является хорошим исходным продуктом для технического получения водорода. С этой целью газовую смесь поддергают очень сильному охлаждению, причем все ее составные части, кроме Н2 , сжижаются, а водород остается газообразным и может быть поэтому легко отделен.

Наиболее важными для жизни органическими соединениями являются белковые вещества. «Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким–либо белковым телом» (Энгельс). В состав белков, кроме углерода (50–55%), водорода (6,5–7,5%), кислорода (19–24%) и (15–19%), входит обычно сера (до 2,5%), а иногда и некоторые другие элементы (Р, Fe, Сu и т. д.). Структурные формулы природных белковых веществ пока неизвестны. Изучение продуктов их распада показало, что основную роль при образовании белковых молекул играют органические соединения, содержащие в своем составе группы NH2 и СООН, так называемые аминокислоты. Соединения эти, характеризующиеся одновременным наличием у них функций и основной (из–за группы NH2 ) и кислотной (из–за группы –ООН), способны присоединяться друг к другу, образуя сложные частицы, приближающиеся по свойствам к молекулам простейших белков Таким образом, хотя искусственный синтез белков еще не осуществлен, но на пути к нему уже сделаны некоторые важные шаги.

20) Простейшей аминокислотой является аминоуксусная (NH2 CH2 COOH), т. н. гликоколь. Она представляет собой бесцветное кристаллическое вешество, легкорастворимое в воде. Кислотные свойства гликоколя выражены очень слабо (K = 2·10–11). Наличие у него основных свойств выявляется при взаимодействии с водой: OH2 + NH2 CH2 COOH < = > OH + HNH2 CH2 COOH+. Выражены эти свойства еще слабее кислотных (K = 3·10–12). Присоединение ряда молекул гликоколя друг к другу с отщеплением воды по схеме

может служить упрощенной моделью процесса образования белковых частиц.

21) Растительные, и особенно животные, организмы в целом содержат гораздо больше различных химических элементов, чем отдельно взятые белки. Ниже в качестве примера приводится средний химический состав человека (по В. И. Вернадскому), причем элементы объединены в группы по порядку уменьшения их весового процентного содержания:

22) Из белков, жиров и углеводов слагается в основном потребляемая человеком пища. Расходуется она по двум направлениям:

а) на построение или обновление тканей и регулирование обмена веществ,

б) на производимую организмом работу и поддержание теплоты тела.

Для первого направления основное значение имеют белки и различные вещества, характеризующиеся небольшим содержанием их в пище («витамины», минеральные соли и т. п.). Функцию «топлива» в организме выполняют главным образом жиры и углеводы. При приблизительной оценке доставляемой организму теплоты можно в среднем считать, что каждый грамм пищевого белка дает 5 ккал, жира – 9 ккал, углевода – 4 ккал.

Количество энергии, которое должно быть получено человеческим организмом за счет пищи, сильно зависит от климата, рода занятий, веса тела, пола, возраста и т. д. В очень грубо взятом среднем оно составляет 3000 ккал за сутки. Для лучшей переработки организмом средний суточный рацион целесообразно распределить приблизительно следующим образом: 100 г белков, 60 г жиров, 500 г углеводов. Жиры и углеводы могут быть без ущерба частично заменяемы друг другом. Напротив, белки в значительной части заменить жирам или углеводами нельзя, так как их основная роль существенно иная.

Для правильной работы организма весьма важно введение в него достаточного количества минеральных солей и витаминов. Последние представляют собой сложные органические вещества, содержание которых в отдельных видах пищи очень различно. При недостаточном введении в организм витаминов расстраивается обмен веществ и развиваются различные заболевания.

Как видно на примерах углеводов и белков, частица органического соединения может содержать одновременно не только одну, но две и более характерные группы, причем каждая из них сообщает всей молекуле свои свойства (обычно несколько видоизмененные вследствие соседства других групп). Уже это обстоятельство обусловливает чрезвычайное многообразие органических веществ.

Еще в большей степени это многообразие связано с возможностью различного расположения атомов в органической молекуле. Не говоря уже о веществах более или менее сложного состава, даже для одного из простейших углеводородовбутана4 Н10 ) –возможны две различные структуры:

причем, действительно, известны два углеводорода, отвечающие общей формуле С4 Н10 , но различающиеся по свойствам. Например, нормальный бутан кипит при 0°С, а изобутан при –10 °С.

Подобные соединения, характеризующиеся одинаковым составом и молекулярным весом, но различным расположением атомов в молекуле, называются изомерными, а само явление существования изомерных соединений (изомеров) – изомерией.

Число возможных изомеров для вещества заданного состава устанавливается на основании разработанной А. М. Бутлеровым (1861 г.) теории химического строения, согласно которой «химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением». Отсюда следует, что каждому соединению должна отвечать определенная структурная формула, соответствующая его составу и свойствам.

Одним из важнейших положений теории химического строения является учение о взаимном влиянии атомов. Сущность этого учения заключается в том, что свойства каждое входящего в состав химического соединения атома зависят не только от его собственной природы, но и от природы других атомов, образующих рассматриваемое соединение. При этом влияние оказывают не только атомы, непосредственно связанные с данным, но и с ним непосредственно не связанные. Так, в СН3 СООН кислотный характер имеет лишь водород, связанный с кислородом. Хорошим примером четко выраженного влияния непосредственно не связанных атомов может служить изменение констант диссоциации в ряду кислот: СН3 СООН (2·10–5) – СН2 СlСООН (1·10–3) –СНСl2 СООН (5·10–2)– ССl3 СООН (1·10–1). Как видно из приведенных данных, замещение водорода на хлор в метил ь–н о м радикале уксусной кислоты сопровождается быстрым ростом кислотности карбоксильного водорода.

Теория химического строения является основной теоретической базой органической химии. Она утверждает, в частности, что для вещества определенного состава может существовать столько изомеров, сколько различных структурных формул для него можно теоретически построить. Выводы теории строения вполне подтверждаются: во всех случаях, когда их подвергали проверке опытом, действительно удавалось получать все предсказанные изомеры. Число последних быстро возрастает с увеличением числа атомов в молекуле. Например, для углеводорода состава C10 H22 возможно уже 75, для С20 Н42 –115 тысяч, а для С40 Н82 – более 62 биллионов изомеров.

Из изложенного очевидна колоссальная важность для органической химии структурных формул. Действительно, только последние отображают вполне определенные вещества, между тем как простая формула дает представление лишь о более или менее многочисленной группе веществ, сходных по составу, но отличающихся друг от друга по свойствам. Вместе с тем, указывая расположение в молекуле отдельных связей между атомами, структурная формула позволяет делать важные выводы о свойствах рассматриваемого соединения. Она представляет, следовательно, как бы стенографическую запись его химической характеристики, хорошо понятную опытному химику.

23) В то время как нахождение общей формулы какого–либо вещества производится просто на основании его химического анализа и определения молекулярного веса (что в большинстве случаев не представляет трудностей), установление структурной формулы часто требует долгой и кропотливой работы. При этом приходится базироваться на способе получения рассматриваемого соединения, его химических и физических свойствах и т. д. В качестве простейшего примера рассмотрим ход рассуждений при изучении вещества состава С2 Н6 О. Теория строения предусматривает для него два изомера с приводимыми ниже структурными формулами

А) СН3 – О – СН3

Б) СН3 – СН2 – ОН

Два соединения состава С2 Н6 О известны и в действительности. Одно из них кипит при –24 °С, другое – при +78 °С. Одно не реагирует с металлическим натрием, другое при взаимодействии с ним выделяет водород и притом только один его атом на каждую молекулу С2 Н6 О. Это последнее обстоятельство дает ключ к решению вопроса: очевидно, что вытесняемый натрием водород должен быть связан в молекуле как–то иначе, чем остальные. Так как подобный водород имеется только в структуре Б, последняя и должна быть приписана реагирующему с Na изомеру состава С2 Н6 О, который называется этиловым спиртом. Другому изомеру (диметиловому эфиру), на который натрий не действует, должна быть приписана структура А.

Необыкновенное многообразие органических соединений позволяет находить среди них вещества с самыми различными, чрезвычайно далеко отстоящими друг от друга свойствами. С другой стороны, оно же позволяет осуществлять самые тонкие переходы и вариации свойств. Благодаря обеим этим возможностям органические соединения находят самые разнообразные применения буквально на каждом шагу жизни современного человека, причем постоянно завоевывают новые области использования.


     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн