Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Рис. 138. Полные и сокращённые структурные формулы органических соединений

Теперь мы видим, что у среднего атома осталось только две свободных валентности. К ним мы присоединим по атому водорода. А к крайним углеродным атомам добавим, как и прежде, по три атома водорода. Получим пропан – соединение с формулой С₃Н₈. Такую цепочку можно продолжать, получая всё новые и новые углеводороды.

Но углеродные атомы необязательно должны располагаться в молекуле в линейном порядке. Допустим, что мы хотим добавить к пропану ещё один углеродный атом. Оказывается, это можно сделать двумя способами: присоединить его либо к крайнему, либо к среднему атому углерода пропана. В первом случае мы получим бутан с формулой С₄Н₁₀. Во втором случае общая, так называемая эмпирическая, формула будет такой же, но изображение на рисунке, называемое структурной формулой, будет выглядеть иначе. И название вещества будет несколько иное: не бутан, а изобутан.

Вещества, имеющие одну и ту же эмпирическую, но разные структурные формулы, называют изомерами, а способность вещества существовать в виде различных изомеров – изомерией. Мы, например, употребляем в пищу различные вещества, имеющие одну и ту же формулу С₆ Н₁₂О₆, но структурные формулы они имеют различные и носят разные названия: глюкоза, фруктоза или галактоза.

Углеводороды, которые мы рассмотрели, называют предельными. В них все атомы углерода связаны между собой одинарной связью. Но так как атом углерода четырёхвалентен и имеет четыре валентных электрона, то теоретически он может образовывать двойные, тройные и даже четверные связи. Четверные связи между атомами углерода в природе не существуют, тройные встречаются редко, а вот двойные присутствуют во многих органических веществах, в том числе и в углеводородах. Соединения, в которых имеются двойные или тройные связи между атомами углерода, называют непредельными или ненасыщенными углеводородами. Возьмём снова молекулу углеводорода, содержащую два атома углерода, но соединим их с помощью двойной связи (см. рис. 138). Мы видим, что теперь у каждого атома углерода осталось по две свободных связи, к каждой из которых он может присоединить по одному атому водорода. Получаемое соединение имеет формулу С₂Н₄ и называется этиленом. Этилен, в отличие от этана, имеет меньше атомов водорода при том же числе углеродных атомов. Поэтому углеводороды, имеющие двойную связь, и называют ненасыщенными в том смысле, что они не насыщены водородом.

Если углеводород потеряет один атом водорода, у него образуется свободная валентная связь, с помощью которой он может присоединиться к какой-нибудь другой молекуле. Такие остатки углеводородов называют алкилами. Их названия происходят от имени образовавшего их углеводорода с заменой суффикса – ан на – ил (метил, этил, пропил, бутил и т. д.).

Зная принципы строения углеводородов, можно легко понять общие закономерности строения других органических веществ.

Углеводы.

Углеводы состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. При этом число атомов кислорода в их молекулах практически всегда равно числу атомов углерода, а число атомов водорода – вдвое больше. Таким образом, на один атом углерода приходится как бы одна молекула воды. Отсюда и произошло их название. Углеводы в большом количестве встречаются во всех живых организмах и носят также название сахаров. Простые сахара содержат пять или шесть углеродных атомов и соответственно называются пентозами или гексозами (от греч. pente – пять и hex – шесть). Формулы таких углеводов записывают как С₅Н₁₀О₅ и С₆Н₁₂О₆ или С₅(Н₂О)₅ и С₆(Н₂О)₆. Существуют также сложные углеводы, о чём будет подробно рассказано в дальнейшем.

Спирты

Спирты содержат в составе своей молекулы гидроксильную группу (ОН– ). Наиболее известен этиловый спирт, который входит в состав алкогольных напитков. Он состоит из алкила этила и присоединённой к нему группы ОН-, т. е. имеет формулу СН₃—СН₂—ОН. Присоединяя гидроксильную группу к остаткам различных углеводородов можно получать различные спирты: метиловый, пропиловый и др. Все они гораздо более токсичны, чем этиловый спирт, хотя и он тоже не безвреден. Спирты можно рассматривать как производные воды, в которых один из атомов водорода замещён на какой-либо алкил.

Если в молекуле спирта содержится одна гидроксильная группа, его называют одноатомным. Однако в состав некоторых спиртов может входить две, три и более ОН--групп. Такие спирты называют многоатомными. Наибольшее значение для жизнедеятельности организмов имеет трёхатомный спирт глицерин, входящий в состав жиров.

Органические кислоты

В состав молекул органических кислот входит карбоксильная группа (– СООН– ). Кислотами их называют потому, что в процессе электролитической диссоциации от их молекул отщепляется ион водорода.

Как правило, органические кислоты являются слабыми кислотами, т. е. плохо диссоциируют в воде. В общем виде формула органической кислоты выглядит как R – COOH, где R – радикал (некая органическая группа со свободной валентной связью). Таким радикалом может быть метил (уксусная кислота), более длинные углеводородные алкилы или сложные органические соединения. В одной из кислот, носящей название муравьиной, вместо органического радикала к карбоксильной группе присоединён атом водорода. Таким образом, её формула – НСООН (рис. 139).

Рис. 139. Муравьиная кислота

Среди органических кислот особую роль играют аминокислоты, из которых строятся белки – основа существования всех живых организмов. Аминокислоты имеют в составе своей молекулы помимо карбоксильной ещё и аминогруппу (—NH₂). Чуть позже мы рассмотрим, как образуются белковые молекулы.

Проверьте свои знания

1. Как называются соединения, в состав которых входит только углерод и водород?

2. Что такое алкилы?

3. Какая группа входит в состав органических кислот?

4. Какие соединения называют изомерами?

Задания

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Эмпирическая формула соединения – C₂H₄O. Изобразите структурные формулы возможных изомеров этого соединения.

3. Исходя из валентности атомов тех или иных элементов, выясните, могут ли в природе существовать вещества с сокращённой структурной формулой CH₅; C₂H₇; C₃H₆; C₄H₆; C₄H₁₁. Если нет, свой ответ обоснуйте. Если да, изобразите полные структурные формулы этих веществ.

§ 55 Циклические органические соединения

Среди органических соединений многие являются циклическими. Впервые об их существовании узнали, когда в 1865 г. Ф. Кекуле определил строение молекулы бензола (рис. 140, А, Б).

В то время было известно, что бензол является углеводородом с эмпирической формулой С₆И₆. Попробуйте построить структурную формулу этого вещества, выстраивая в ряд атомы водорода или разветвляя образованную ими цепочку. Вы убедитесь, что это возможно только в том случае, если предположить, что молекула содержит в некоторых участках тройные связи между атомами углерода. Но химические эксперименты такую возможность отвергали. Кекуле долго раздумывал над этой проблемой и пришёл к выводу, что молекула бензола имеет циклическое строение с чередованием двойных и одинарных связей.

По поводу этого открытия ходит много легенд. Говорят, что учёный представил себе змею с нанизанными на неё атомами углерода, а потом увидел во сне, как эта змея схватила себя за хвост. Другие рассказывают, что идея о циклическом строении бензола пришла Кекуле в зоопарке, где он увидел сцепившихся обезьян.

Впоследствии выяснилось, что одинарные и двойные связи в молекуле бензола нельзя считать строго чередующимися, так как невозможно установить, в каком именно месте находится одинарная, а в каком – двойная связь. Поэтому сейчас молекулу бензола обычно изображают в виде шестиугольника с кольцом внутри.

Рис. 140. Циклические органические соединения – бензол и анилин:

А, Б – структурные формулы бензола; В – масштабная модель молекулы бензола; Г – структурная формула молекулы анилина

Рис. 141. Применение бензола: 1 – добавка к бензину; 2 – производство растворителей; 3–7 – производство органических соединений (ацетона (3), анилина (4), пестицидов (5), лекарственных средств (6), фенолформальдегидных пластмасс (7))

Широкое применение бензола представлено на рисунке 141.

Утратив один атом водорода, бензол становится обладателем свободной валентной связи и превращается в радикал фенил. Вводя в его молекулу боковые группы различного строения, можно создать множество соединений, большинство из которых находит широкое практическое применение. Приведём в качестве примеров несколько таких производных. Фенол (устаревшее название – карболовая кислота) представляет собой вещество, образованное заменой одного атома водорода в молекуле бензола на гидроксильную группу. Это соединение служит сырьём для производства эпоксидных и формальдегидных смол, искусственных волокон – нейлона и капрона, антисептиков и аспирина. Фенол обладает слабыми бактерицидными свойствами, поэтому до открытия более эффективных препаратов его использовали в медицинских учреждениях в качестве антисептического средства. Присутствием фенола в дыме объясняется консервирующий эффект копчения продуктов. В то же время фенол опасен для человека из-за своей высокой токсичности. Попадая в организм, иногда даже через неповреждённую кожу, фенол быстро всасывается и действует на клетки головного мозга. Это может привести к потере сознания и даже остановке дыхания.

Анилин можно получить, заменив один из атомов водорода бензола аминогруппой (рис. 140, Г). Сам по себе анилин бесцветен, однако вводя в него различные химические группы, можно получить устойчивые красители самых разнообразных цветов. Помимо этого, его используют в химической промышленности для получения различных полимеров.

Заменив атом водорода на группу СООН-, можно получить бензойную кислоту, обладающую выраженными антисептическими свойствами. Её применяют в медицине для лечения кожных и грибковых заболеваний, а также используют для консервирования продуктов. Производные бензойной кислоты используют в парфюмерной промышленности и при изготовлении красителей. Большое значение принадлежит производному этой кислоты – парааминобензойной кислоте. Она является витамином, причем, что особенно важно, не только у человека, но и у большинства болезнетворных бактерий. Синтезировав вещества, блокирующие действие этой кислоты, такие как стрептоцид, сульфадимезин, сульфадиметоксин и другие, фармакологи получили средства борьбы с многими опасными инфекционными заболеваниями.

Существуют соединения, в молекулах которых бензольные кольца расположены так, что имеют общую «стенку». Такие соединения называют конденсированными. Соединение, состоящее из двух конденсированных бензольных колец, – нафталин (рис. 142). Нафталин обладает резким запахом, и в прошлом его использовали для защиты одежды от моли.

Три кольца бензола, выстроенные в ряд, образуют антрацен. Его производное ализарин используют для изготовления красителей. Если же три кольца не лежат на одной прямой, а среднее приподнято над крайними, получится фенантрен, производные которого входят в состав многих гормонов.

Если циклическая молекула химического соединения состоит только из атомов углерода, то такое соединение называют гомоциклическим (от греч. homo – одинаковый). Если же в составе цикла находятся атомы других элементов, то такие вещества называют гетероциклическими (от греч. hetero – разный), а неуглеродные атомы цикла называют гетероатомами. В роли гетероатомов чаще всего выступают кислород, азот и сера. Гетероциклические кольца, так же как и гомоциклические, могут быть шести– или пятичленными, одиночными или конденсированными.

Рис. 142. Масштабная модель молекулы нафталина

Гетероциклические соединения – очень важный класс органических веществ, так как они входят в состав нуклеиновых кислот, алкалоидов (например, никотина, морфина, кофеина), многих лекарственных и других веществ.

Проверьте свои знания

1. Назовите известные вам производные бензола.

2. Какие лекарственные препараты получают из бензойной кислоты?

3. Что такое гомоциклические и гетероциклические соединения?

Задания

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте презентацию о применении бензола.

§ 56 Высокомолекулярные соединения

Свойства различных органических, как, впрочем, и неорганических веществ в значительной мере зависят от размера их молекул. Вещества с крупными молекулами, состоящими из повторяющихся структурных единиц – мономеров, называют высокомолекулярными веществами, или полимерами. Огромное число природных соединений являются полимерами. К ним относятся белки, нуклеиновые кислоты, крахмал, целлюлоза, натуральный каучук и многие другие. Рассмотрим общие свойства, характерные для большинства полимеров.

Все эти соединения обладают очень большой молекулярной массой, поэтому их называют ещё и макромолекулами. Элементарные звенья (мономеры) – это остатки низкомолекулярных веществ. Полимер может состоять из одного типа мономеров, образуя последовательность типа А – А—А – А—А—… Такие молекулы называют гомополимерами.

Если полимер состоит из нескольких типов мономеров, повторяющихся в регулярном или случайном (часто кажущемся случайным) порядке, его называют гетерополимером: А – В—С – А—В – С– А – В—С—… или А – В—В – С—А – С—А – В—С – С—С – А—…

Некоторые полимеры могут быть разветвлёнными и образовывать сложные трёхмерные структуры (рис. 143).

История исследования полимеров.

Полимеры были известны уже давно (рис. 144). Однако даже в середине XIX в. химики не придавали им значения и даже считали помехой в исследованиях, пытаясь препятствовать нежелательной полимеризации исследуемых ими соединений.

Рис. 143.  Структура полимеров: А – линейная; Б – разветвлённая; В – пространственная

Химия полимеров возникла после создания А. М. Бутлеровым теории химического строения, когда была исследована связь между строением и устойчивостью образующихся в процессе полимеризации молекул. Эта отрасль науки стала особенно интенсивно развиваться в связи с исследованием возможности создания синтетического каучука. Каучук был впервые обнаружен Колумбом у индейцев Гаити, которые играли в мяч, сделанный из «сока дерева». Обитателям Юго-Восточной Азии он был известен ещё раньше, чем европейцам, они добывали этот сок и обмазывали им свои корзины и кувшины, чтобы сделать их водонепроницаемыми. Каучук можно добывать из многих растений, но больше всего его содержится в тропических видах, обитающих только вблизи экватора. Поэтому в Европе позапрошлого века он был очень дорог, а производимой на его основе резины, которую вначале использовали только для изготовления подвязок и подтяжек, требовалось всё больше. Попытки создать синтетический каучук и привели к открытию механизма полимеризации.

Получение и использование синтетических полимеров

Полимеры получают путём полимеризации или поликонденсации.

Рис. 144. В Древнем Египте природные полимеры (смолу дерева Liuamber orientalis) использовали для бальзамирования умерших

Различие между этими реакциями состоит в том, что при полимеризации превращение молекул в полимер происходит без выделения каких-либо других химических соединений, а поликонденсация сопровождается выделением какого-либо вещества, например воды. Реакция поликонденсации носит ступенчатый характер: сначала реагируют друг с другом две молекулы исходного вещества, затем образовавшееся соединение взаимодействует с третьей молекулой исходного вещества, с четвёртой и т. д.

Попытки промышленного создания материалов на основе полимеров начали предприниматься с начала прошлого века. Причём в этой отрасли сразу выделились два направления: создание необходимых материалов на основе естественных полимеров и получение синтетических полимеров из молекул мономеров. Первым из природных полимеров, нашедшим применение в промышленности, была целлюлоза (клетчатка). Это самое распространённое в природе органическое вещество, которое является основным структурным компонентом клеточной оболочки всех растений. Мономер целлюлозы – глюкоза, молекулы которой объединяются в длинную неразветвлённую полимерную цепь. Первым промышленным веществом, изготовленным на основе целлюлозы, был целлулоид. Начиная с середины XIX в. из него во всём мире изготавливались фото– и киноплёнки, различные галантерейные товары, игрушки, мячи для настольного тенниса и многое другое. Впоследствии на основе целлулоида стали производить прозрачную упаковочную плёнку – целлофан. В то же время началось массовое производство вискозы – искусственного волокна, изготовленного из целлюлозы. Вискоза получила огромное признание из-за широкого применения и дешевизны (она изготавливается из отходов текстильной и бумажной промышленности и даже из древесных опилок). Перед тем как из раствора вискозы вытянуть нити, в него можно добавить различные химические реагенты и красители, в результате можно получить ткань, которая будет похожа на хлопок, шёлк, шерсть и даже атлас или бархат. В Советском Союзе на основе вискозы изготавливали прочный и плотный материал – кирзу, из которой шили сапоги для солдат, охотников и колхозников.

Параллельно шла разработка производства пластических масс и волокон из синтетических полимеров. В 1906 г. была запатентована бакелитовая (фенолформальдегидная) смола, которая при нагревании превращается в трёхмерный полимер. В течение многих лет из неё изготавливали корпуса для разнообразной бытовой техники. В 30-х гг. XX в. началось массовое использование синтетического каучука. Одновременно с ним появились новые материалы: полиметилметакрилат, известный под названием плексиглас или «органическое стекло», а также полистирол и поливинилхлорид (рис. 145), которые служат прекрасными электроизолирующими материалами.

В послевоенные годы изделия из синтетических волокон стали пользоваться огромной популярностью. Появились очень модные в то время женские чулки из капрона.

Рис. 145. Применение поливинилхлорида: 1 – искусственная кожа; 2 – изолента; 3 – изоляция проводов; 4 – трубы; 5 – линолеум; 6 – клеёнка

Ему на смену пришли нейлон и отечественное изобретение – лавсан, название которого означает Лаборатория Высокомолекулярных Соединений Академии Наук. Редко кто в то время не мечтал о рубашке, платье или костюме, сшитых из этих материалов.

В середине 50-х гг. XX в. были открыты катализаторы, значительно ускоряющие полимеризацию многих соединений. В результате за короткое время появились такие незаменимые в наше время вещества, как полиэтилен и полиуретаны. Из полиэтилена изготавливают упаковочную плёнку, всевозможные виды тары, трубы для водопровода, канализации и газоснабжения, а также бронежилеты и корпуса для лодок и вездеходов (рис. 146). Полиуретан применяется почти во всех отраслях промышленности для изготовления всевозможных уплотнителей, защитных покрытий, герметиков, деталей машин, клеев и многого другого. Во время образования полиуретана выделяется газ, поэтому из него можно изготавливать пенополиуретан, или пенопласт.

Таким образом, полимеры за последние полвека коренным образом изменили жизнь человечества. Однако свою главную роль они сыграли задолго до появления человека и продолжают её играть, обеспечивая существование всех людей и вообще всей жизни на нашей планете.

Рис. 146. Применение полиэтилена: 1 – медицинское оборудование; 2 – предметы домашнего обихода; 3 – плёнка для парников; 4 – трубы и шланги; 5 – клейкая лента; 6 – упаковочная плёнка; 7 – пакеты; 8 – детали

Проверьте свои знания

1. Какие соединения называют полимерами? Почему их часто также называют макромолекулами?

2. Что такое гетерополимеры? Сравните гомо– и гетерополимеры.

3. Чем различаются реакции полимеризации и поликонденсации?

4. Какой природный полимер является самым распространённым?