Читать онлайн «Общая химия». Страница 118

В органических молекулах имеет значение также взаимное влияние атомов, не связанных друг с другом непосредственно. Так, в метиловом спирте под влиянием кислорода увеличивается реакционная способность не только атома водорода, связанного с кислородом, но и атомов водорода, непосредственно с кислородом не связанных, а соединенных с углеродом. Благодаря этому метиловый спирт довольно легко окисляется, тогда как метан относительно устойчив к действию окислителей. Это объясняется тем, что кислород гидроксильной группы значительно оттягивает на себя пару электронов в связи , соединяющей его с углеродом, электроотрицательность которого меньше.

- 449 -

В результате эффективный заряд атома углерода становится более положительным, что вызывает дополнительное смещение пар электронов также и в связях H→C в метиловом спирте, сравнительно с теми же связями в молекуле метана. При действии окислителей атомы Н, связанные с тем же атомом углерода, с которым связана группа ОН, значительно легче, чем в углеводородах, отрываются и соединяются с кислородом, образуя воду. При этом атом углерода, связанный с группой ОН, подвергается дальнейшему окислению (см. § 171).

Взаимное влияние атомов, непосредственно друг с другом не связанных, может передаваться на значительное расстояние по цепи атомов углерода и объясняется смещением плотности электронных облаков во всей молекуле под влиянием имеющихся в ней различных по электроотрицательности атомов или групп. Взаимное влияние может передаваться и через пространство, окружающее молекулу, — в результате перекрывания электронных облаков сближающихся атомов.

В зависимости от строения углеродных цепей, среди органических соединений выделяют следующие три ряда.

Соединения с открытой цепью атомов углерода, называемые также ациклическими, или соединения жирного ряда. В зависимости от характера связей между атомами углерода, эти соединения подразделяют на предельные (или насыщенные), содержащие в молекулах только простые (ординарные) связи, и непредельные (или ненасыщенные), в молекулах которых имеются кратные (двойные или тройные) связи между атомами углерода.

Соединения с замкнутой цепью атомов углерода, или карбоциклические. Эти соединения в свою очередь подразделяются на:

а) соединения ароматического ряда; они характеризуются наличием в молекулах особой циклической группировки из шести атомов углерода — бензольного ароматического ядра. Эта группировка отличается характером связей между атомами углерода и придает содержащим ее соединениям особые химические свойства, называемые ароматическими свойствами (см. § 167).

б) ациклические соединения — все остальные карбоциклические соединения. Они различаются по числу атомов углерода в цикле и, в зависимости от характера связей между этими атомами, могут быть предельными или непредельными.

Гетероциклические соединения. В молекулах этих соединений имеются циклы, включающие, кроме атомов углерода, также гетероатомы, т. е. атомы других элементов (кислорода, азота, серы и др.).

- 450 -

Соединения каждого из указанных рядов подразделяются на классы.

В рядах ациклических (жирных) и карбоциклических соединений простейшими являются углеводороды, состоящие только из углерода и водорода. Все остальные соединения этих рядов рассматривают как производные углеводородов, образованные замещением одного, двух или нескольких атомов водорода в углеводородной молекуле другими атомами или группами атомов.

Остатки углеводородов, образующиеся при отнятии от их молекул одного, двух или нескольких атомов водорода, называют углеводородными радикалами; одновалентные радикалы обозначают символом R-, двухвалентные — символом -R- (или ) трехваленткые — символом — .

Атомы или группы атомов, замещающие водород в углеводородной основе, образуют функциональные, или характеристические, группы, обусловливающие общие химические свойства веществ, принадлежащих к одному и тому же классу производных углеводородов. Ниже приведены общие формулы и названия некоторых классов органических соединений (в скобках — формулы и названия функциональных групп).

Азотсодержащие соединения

Серусодержащие соединения

Элементорганические соединения

а) Металлоргапические соединения

б) Кремкийорганические соединения

Возможны соединения с повторяющимися одинаковыми функциями:

Вещества, в которых имеются различные функциональные группы, называются соединениями со смешанными функциями, например:

Соединения со смешанными функциями обладают двойственной природой. Например, аминокислоты проявляют одновременно свойства и аминов, и кислот, но и те и другие свойства несколько изменяются вследствие взаимовлияния функциональных групп.

Классы органических веществ весьма разнообразны; ниже вкратце рассмотрены лишь важнейшие из них.

Простейший представитель класса предельных углеводородов — метан CH4. Это бесцветный легкий горючий газ, не имеющий запаха и почти нерастворимый в воде. Температура его кипения равна -161,5°C, температура затвердевания -182,5°C.

Метан довольно часто встречается в природе. Он является основной составной частью природного газа газовых месторождений (до 97%), в значительном количестве содержится в попутном нефтяном газе (выделяющемся при добыче нефти), а также в коксовом газе. Выделяется со дна болот, прудов и стоячих вод, где он образуется при разложении растительных остатков без доступа воздуха, почему метан получил также название болотного газа. Наконец, метан постоянно скапливается в каменноугольных шахтах, где его называют рудничным газом.

Смесь метана с воздухом крайне взрывоопасна (особенно в соотношении 1:10).

Молекула метана характеризуется сравнительно большой прочностью. При обычных условиях метан активно (со взрывом) реагирует с фтором, очень медленно взаимодействует с хлором и почти не реагирует с бромом. Реакция с хлором или бромом ускоряется под действием света, а также при нагревании и заключается в последовательном замещении атомов водорода атомами галогена с образованием галогенпроизводных, например:

Метан горит синеватым или почти бесцветным пламенем, выделяя большое количество теплоты (879 кДж/моль). Однако при обычных условиях он не окисляется раствором перманганата калия (фиолетовая окраска раствора KMnO4 при контакте с предельными углеводородами не исчезает).

- 453 -

Как уже было указано, метан — первый представитель гомологического ряда предельных или насыщенных углеводородов:

В молекулах этих соединений все связи между атомами углерода простые (ординарные), атомы углерода максимально, до предела «насыщены» водородом. Состав любого из гомологов отвечает общей формуле CnH2n+2 (где n — число атомов углерода); эта закономерность дает возможность написать формулу состава для предельного углеводорода с любым числом С-атомов, например C18H28 (октадекан), C100H202 (гектан).

Состав одновалентных радикалов, получаемых отнятием атома водорода от молекулы предельного углеводорода, выражает формула CnH2n+1-. Названия их образуются заменой окончания -ан в названии углеводорода окончанием -ил. Так, от метана производится метил CH3-, от этана — этил C2H5-, от пропана — пропил C3H7- и т. д.

Как и в других гомологических рядах, в ряду метана проявляется всеобщий закон природы — закон перехода количественных изменений в качественные. Изменение состава молекулы на группу CH2 каждый раз приводит к новому веществу, которое хотя и имеет много общего с соседними членами ряда, но вместе с тем по некоторым свойствам отличается от них. Различие гомологов ясно проявляется в их физических свойствах. Низшие члены ряда предельных углеводородов (от CH4 до C4H10) - газы; средние члены (от C5H12 до C16H34) при температуре до 20°C — жидкости, остальные при обычных условиях находятся в твердом состоянии. Во всех случаях температуры кипения и затвердевания тем выше, чем больше молекулярная масса углеводорода.

В то же время предельные углеводороды в химическом отношении подобны метану. Они весьма инертны, вступают лишь в реакции замещения водорода, протекающие крайне медленно, и Не обесцвечивают на холоду растворы брома и перманганата калия.

Все предельные углеводороды горят и могут быть использованы в качестве топлива. Они входят в состав нефтей и продуктов Их перегонки. При фракционной перегонке нефть разделяют на отличающиеся по температурам кипения фракции («погоны») и получают следующие нефтепродукты: