НОУ ВПО «Тверской институт экологии и права»
Факультет экологии
Кафедра общей экологии и природопользования
Форма обучения заочная
Контрольная работа по химии
Темы: 1.Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева и её обоснование в свете строения атомов. 2.Энтропия и вероятность. 3.Органические соединения.
Выполнила: студентка 1-го курса
Олина С.А.
Проверил: Давыдов В.Г.
Тверь,2013
Содержание
1.Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева и её обоснование в свете строения атомов.
2.Энтропия и вероятность.
3.Органические соединения.
Список литературы
Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева и её обоснование в свете строения атомов.
Периодический закон Д. И. Менделеева имеет исключительно большое значение. Он положил начало современной химии, сделал ее единой, целостной наукой. Элементы стали рассматриваться во взаимосвязи, в зависимости от того, какое место они занимают в периодической системе. Как указывал Н. Д. Зелинский, периодический закон явился «открытием взаимной связи всех атомов в мироздании».
Химия перестала быть описательной наукой. С открытием периодического закона в ней стало возможным научное предвидение. Появилась возможность предсказывать и описывать новые элементы и их соединения. Блестящий пример тому — предсказание Д. И. Менделеевым существования еще не открытых в его время элементов, из которых для трех — Ga, Sc, Ge — он дал точное описание их свойств.
На основе закона Д. И. Менделеева были заполнены все пустые клетки его системы с Z=1 до Z=92, а также открыты трансурановые элементы. И сегодня этот закон служит ориентиром для открытия или искусственного создания новых химических элементов. Так, руководствуясь периодическим законом, можно утверждать, что если будет синтезирован элемент Z=114, то это будет аналог свинца (экасвинец), если будет синтезирован элемент Z=118, то он будет благородным газом (экарадон).
Русский ученый Н. А. Морозов в 80-х годах XIX века предсказал существование благородных газов, которые были затем открыты. В периодической системе они завершают собой периоды и составляют главную подгруппу VII группы. «До периодического закона, — писал Д. И. Менделеев, — элементы представляли лишь отрывочные случайные явления природы; не было повода ждать каких-либо новых, а вновь находимые были полной неожиданной новинкой. Периодическая законность первая дала возможность видеть неоткрытые еще элементы в такой дали, до которой невооруженное этой закономерностью зрение до тех пор не достигало».
Периодический закон послужил основой для исправления атомных масс элементов. У 20 элементов Д. И. Менделеевым были исправлены атомные массы, после чего эти элементы заняли свои места в периодической системе.
На основе периодического закона и периодической системы Д. И. Менделеева быстро развивалось учение о строении атома. Оно вскрыло физический смысл периодического закона и объяснило расположение элементов в периодической системе. Правильность учения о строении атома всегда проверялась периодическим законом. Вот еще один пример. В 1921 г. Н. Бор показал, что элемент Z=72, существование которого предсказано было Д. И. Менделеевым в 1870 г. (экабор), должен иметь строение атома, аналогичное атому циркония (Zr — 2. 8. 18. 10. 2; a Hf — 2. 8. 18. 32. 10. 2), а поэтому искать его следует среди минералов циркония. Следуя этому совету, в 1922 г. венгерский химик Д. Хевеши и голландский ученый Д. Костер в норвежской циркониевой руде открыли элемент Z=72, назвав его гафнием (от латинского названия г. Копенгагена — места открытия элемента). Это был величайший триумф теории строения атома: на основе строения атома предсказано местонахождение элемента в природе.
Учение о строении атомов привело к открытию атомной энергии и использованию ее для нужд человека. Можно сказать, что периодический закон является первоисточником всех открытий химии и физики XX века. Он сыграл выдающуюся роль в развитии других, смежных с химией естественных наук.
Периодический закон и система лежат в основе решения современных задач химической науки и промышленности. С учетом периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева ведутся работы по получению новых полимерных и полупроводниковых материалов, жаропрочных сплавов, веществ с заданными свойствами, по использованию ядерной энергии, используются недра Земли, Вселенной.
Энтропия и вероятность.
В основе термодинамики лежит различие между двумя типами процессов — обратимыми и необратимыми.
Понятие энтропии позволяет отличать в случае изолированных систем обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых процессов (энтропия возрастает).
Благодаря работам великого австрийского физика Людвига Больцмана, это отличие было сведено с макроскопического уровня на микроскопический. Состояние макроскопического тела (системы), заданное с помощью макропараметров (параметров, которые могут быть измерены макроприборами — давлением, температурой, объемом и другими макроскопическими величинами, характеризующими систему в целом), называют макросостоянием.
Состояние макроскопического тела, охарактеризованное настолько подробно, что оказываются заданными состояния всех образующих тело молекул, называется микросостоянием.
Всякое макросостояние может быть осуществлено различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы. Число различных микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, называется статистическим весом W, или термодинамической вероятностью макросостояния. Попробуем разобраться в этом.
Мы знаем, что весь окружающий мир состоит из молекул и атомов. Поместим в некоторый сосуд с теплоизолированными стенками некоторое количество газа, число молекул которого равно N. Выделим какую-либо одну молекулу. Предположим, что каким-либо образом мы можем ее пометить, скажем, можем окрасить ее в зеленый цвет. Если бы мы могли это сделать, то получили бы возможность отличать ее от других молекул и тем самым отследить ее поведение в данном объеме. Наблюдая за этой молекулой, мы очень скоро убедимся, что она может занимать любое положение в сосуде. Причем положение ее в любое мгновение оказывается случайным.
Теперь разделим наш объем на две половины. Мы увидим, что наша молекула, беспорядочно блуждая, постоянно натыкаясь (сталкиваясь) с другими молекулами, пробудет в одной из половинок сосуда ровно половину времени, в течение которого мы за ней наблюдаем. В этом случае, говорят, что вероятность ее пребывания в одной из половинок сосуда равна 1/2. Если мы будем наблюдать уже за двумя мечеными молекулами, то вероятность того, что мы обнаружим сразу обе молекулы в одной из половинок сосуда, окажется равной произведению вероятностей каждой
молекулы 1/2 • 1/2 = 1/4. Аналогично для трех молекул эта вероятность равна (1/2)3, а для N молекул — (1/2)N. В 29 граммах воздуха, например, содержится число молекул N, равное 6,023 • 1023. Соответственно, вероятность нахождения сразу всех молекул в одной половине объема сосуда (1/2)N ничтожно мала. Такое событие является маловероятным. Нам это и не кажется странным. Странным было бы, если бы в одной комнате все молекулы воздуха вдруг в некоторый момент времени собрались бы в одной ее половине, а в другой половине оказалось бы безвоздушное пространство. И если бы мы не успели или не догадались, что надо срочно перепрыгнуть в нужную половину комнаты, то умерли бы от кислородного голодания. Мы знаем, что такое событие является маловероятным. Вероятность же того, что все молекулы находятся во всем объеме данного сосуда, максимальна и примерно равна единице. Состояние это может реализовываться наибольшим числом способов, когда любая из молекул может находиться в любой точке пространства сосуда. В этом случае статистический вес, то есть число способов, которым может быть реализовано это состояние, максимальный.
Пусть в некоторый момент времени нам удалось загнать все молекулы с помощью диафрагм (перегородок) в правую верхнюю часть сосуда. Остальные 3/4 объема сосуда оставались при этом пустыми. Далее уберем диафрагмы и увидим, что молекулы заполнят весь объем сосуда, то есть перейдут из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью. То есть процессы в системе идут только в одном направлении: от некоторой структуры (порядка, когда все молекулы содержались в верхнем правом углу объема сосуда) к полной симметрии (хаосу, беспорядку, когда молекулы могут занимать любые точки пространства сосуда).
Больцман первым увидел связь между энтропией и вероятностью. При этом он понял, что энтропия должна выражаться через логарифм вероятности.
Идея Больцмана о вероятностном поведении отдельных молекул явилась развитием нового подхода при описании систем, состоящих из огромного числа частиц, впервые развитого Максвеллом. Максвелл пришел к пониманию того, что в этих случаях физическая задача должна быть поставлена иначе, чем в механике Ньютона. Очевидно, что наш пример с мечеными молекулами сам по себе неосуществим, ибо в принципе невозможно проследить в течение значительного интервала времени за движением отдельной молекулы. Невозможно также определить точно координаты и скорости всех молекул макроскопического тела одновременно в данный момент времени. Задачу следует ставить иначе, а именно — попытаться найти вероятность того, что данная молекула обладает таким-то значением скорости. Максвелл ввел для описания случайного характера поведения молекул понятие вероятности, вероятностный (статистический закон). Используя новый подход, Максвелл вывел закон распределения числа молекул газа по скоростям. Этот закон вызвал длительную дискуссию, длившуюся десятилетия вплоть до изготовления молекулярных насосов, позволивших произвести экспериментальную проверку закона. В 1878 году Больцман, как уже говорилось, применил понятие вероятности, введенное Максвеллом, и показал, что второй закон термодинамики также является следствием более глубоких статистических законов поведения большой совокупности частиц.
Таким образом, с развитием статистической физики и термодинамики на место причинных динамических законов
становятся статистические законы, позволяющие предвидеть эволюцию природы не с абсолютной достоверностью, а лишь с большой степенью вероятности.
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
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 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 этан (С2 Н6), пропан (C3 H8), бутан (С4 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 углеводороды – этилен (Н2 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 бензол (С6 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.
4) Природным скоплением углеводородов является нефть. Месторождения её встречаются в осадочных породах различного возраста. 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.
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 этане – хлористый этил (С2 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 пластмасса («тефлон»), 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 анилин (С6 Н5 NН2), 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 спирт (С2 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 глицерин [С3 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 веществами (Р2 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 эфир (С2 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 альдегидов – формальдегид (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 смолы («иониты»), 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 • 10–4) 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, м<