Предыдущий урок.
Первый урок.
На прошлом уроке мы говорили об углероде, поэтому я просто не мог пропустить тему органической химии, ибо углерод ее основа. Но для начала, чем вообще отличаются органические и неорганические соединения? Чисто интуитивно напрашивается мысль, что органическая химия как-то связана с живыми организмами. И эта мысль правильная. Органические соединения это те соединения, которые либо присутствуют в живых организмах, либо выделяться из них. Нефть, например, согласно биогенной гипотезе происхождения нефти, образуется из останков когда-то живых организмом и считается органическим веществом. Другое отличие неорганических и органических соединений состоит в том, что последние могу иметь разные свойства при одинаковом составе (формуле).
Например, вещество с формулой C2H6O у одних исследователей оказывалось почти инертным газом, у других жидкость, активно вступающее в разнообразные реакции. Почему так происходит? А все дело в том, что формула-то одна, а вот строение этих веществ разное. Еще в XIX-ом веке великий химик Бутлеров вывел свою теорию, которая называется теорией химического строения Бутлерова. Основные положения этой теории состоят в следующем:
· Атомы в молекулах располагаются в строгом порядке, согласно их валентности.
· Углерод четырехвалентен.
· Порядок соединения атомов в молекуле называется химическим строением.
· Свойства органических соединений зависят не только от состава, но и от строения его молекул.
· На основании свойств органических соединений можно сделать вывод о его структуре.
· Атомы в молекуле влияют друг на друга и это влияние сказывается на свойствах вещества.
Надо сказать, что в состав неорганических соединений могут входить любые атомы из 114-ый элементов таблицы Менделеева и их насчитывается примерно полмиллиона. В состав органики входит, главным образом, углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, то есть всего шесть элементов. Другие элементы, конечно, тоже могут входить в состав органических соединений, но это скорее исключение, чем правило. В основном только вот эти шесть элементов. И, самое прикольное, органических соединений известно более 20 миллионов. Почему так? Как раз из-за того, что все эти атомы могут входить в молекулы не по разу, и создавать друг с другом множество различных комбинаций (структуры), особенно углерод, атомы которого способны соединятся друг с другом, образуя цепочки различной длины и строения. Соединяются эти атомы, как между собой, так и с другими атомами при помощи ковалентных связей (см. урок 2. неорганическая химия). Эту связь в структурной формуле обозначают черточкой, так как валентность углерода 4, то общее число черточек из одного атома углерода тоже равна 4. Надо сказать, что связи бывают одинарные (когда в ней участвует один не спаренный электрон), двойная (когда их два) и тройная (в ней задействованы три валентности).
В состав углеродных цепочек может самое разное количество атомов углерода, от одного до нескольких тысяч. Цепочки могут иметь различное строение, например, линейные:
Разветвленные:
Циклические:
Таким образом, всего четыре атома углерода могут образовать более 10 различных комбинаций, например:
А теперь вернемся к веществу C2H6O, о котором говорилось в начале урока. Вот два варианта строения этой молекулы:
В первом случае на конце молекулы имеется так называемая гидроксильная группа (OH), за счет которой вещество становиться химически активным.
Теперь пройдемся по классификации органических соединений (более подробно, чем это сделано на уроке 3. Органическая химия.
Для начала, два наиболее важные классификационных признака – это строение углеродной цепи и наличие функциональных групп.
Функциональная группа – атом или группа атомов, определяющие принадлежность соединения к определенному классу и ответственные за его химические свойства.
Все органические соединения, в зависимости от формы так называемого углеродного скелета (строения цепочки атомов углерода) делятся на ациклические и циклические. Ациклические, как вы поняли, это те, молекулярные цепочки которых не замкнуты. А циклические, наоборот, замкнуты.
Ациклические соединения делятся на нормальные и разветвленные, а так же на предельные и непредельные. Это зависит от того, имеются ли в данном соединении двойные и тройные связи между атомами углерода. Обычно предельные или непредельные называют углеводороды, у первых количество атомов водорода достигает максимально возможного количества (предела), и как раз потому, что между атомами углерода нет кратных связей, только одинарные. Если между атомами углерода имеется хоть одна двойная или тройная связь, то они способны присоединить к себе меньшее количество атомов водорода, поэтому они уже не предельные.
Циклические соединения делятся, в свою очередь на алициклические (у которых между атомами углерода только одинарные связи), и ароматические, когда связи могут быть двойные и тройные. Существуют еще и гетероциклические соединения, у них кроме атомов углерода могут быть и в цикле и другие атомы, например: кислород, азот, сера.
Теперь поговорим о классификации по функциональным группам. Самые простые соединения по этой классификации – это углеводороды. Из названия понятно, что в них входит только углерод и водород. Они, в свою очередь делятся на алканы (предельные углеводороды), алкены (имеют одну двойную связь между атомами углерода), алкилы (свободные радикалы алканов), алкадиены (содержат две двойные связи) и прочие языкосломательные названия.
Отдельно стоит сказать об алкилах. Напомню, что свободные радикалы – это молекулы, имеющие неудовлетворенные валентности, поэтому они довольно-таки химически активны. Проще говоря, алкилы – это такие алканы, у которых не хватает одного атома водорода.
Следующий класс – это галогенопроизводные соединения. Галогены – это фтор, хлор, бром, йод. Если в соединении присутствуют такие атомы, то это галогенопроизводные соединения. Как правило, в таких соединениях атом водорода замещен на атом галогена. Пример: хлорэтан (C2H5Cl). Из химических свойств данных веществ можно выделить следующее: они взаимодействуют в водном растворе с образованием спиртов, а так же способны полимеризоваться с образованием ценных полимеров. Под полимерами химики понимают вещества, имеющие длинные молекулы из повторяющихся элементов (полимерные цепи). Пример полимеров – пластмасса.
Если в соединении есть так называемая гидроксильная группа (OH), то это, часто, спирт или фенол, например, C2H5OH – это этиловый спирт, или алкоголь (или, говоря по-русски, бухло обыкновенное).
Другой класс органических соединений – это соединения, содержащие группу CO, схематически она обознается вот так:
К ним относятся альдегиды, кетоны. Альдегиды – это как будто бы спирты, но без атома водорода. Они так и называются alcohol dehydrogenatus – спирт, лишенный водорода, их химическая структура выглядит вот так:
где R – это вся остальная часть молекулы (радикал). К химическим свойствам альдегидов можно отнести то, что они сильно активны.
У кетонов же строение вот такое:
Пример кетонов – это ацетон, который является органическим растворителем и применяется, например, в производстве лаков, а так же взрывчатых и лекарственных веществ.
Еще есть карбоновые кислоты, содержащие карбоновую группу:
Например, уксусная кислота:
Ну, и закончу, пожалуй, описание классификации еще несколькими важными группами:
– нитрогруппа (-NO2), то это нитросоединение, например, нитроэтан (CH3–CH2–NO2).
– Амины. Содержат аминогруппу –NH2, например, этиламин и анилин (его применяют в производстве различных красителей и лекарств).
– Амиды кислот, сульфокислоты.
– Прочий «зоопарк» органических соединений, включая и те, из которых состоят живые организмы, такие как белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты (РНК, ДНК).