Учебник Химия 11 класс Еремин Кузьменко Базовый уровень

в. в. Еремин, Н. Е. Кузьменко, В. В. Лунин, А. А. Дроздов, В. И. Теренин А 3 о в Ы и Учебник для общеобразовательных учреждений Под редакцией профессора Н. Е. Кузьменко и академика РАН В. В. Лунина Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации 3-е издание, стереотипное КЛАСС МОСКВА ^орофа 2012 УДК 373.167.1:54 ББК 24.1я72 Х46 Авторы: В. В. Еремин, Н. Е. Кузьменко, В. В. Лунин, А. А. Дроздов, В, И. Теренин Химия. 11 класс. Базовый уровень : учеб, для общеобразо-Х46 ват. учреждений / В. В. Еремин, Н. Е. Кузьменко, В. В. Лунин и др.; под ред. Н. Е. Кузьменко, В. В. Лунина. — 3-е изд., стереотип. — М. : Дрофа, 2012. — 158, [2] с. :ил. ISBN 978-5-358-11391-6 Учебник продолжает курс химии для старшей школы, изложенный в учебнике «Химия. 10 класс. Базовый уровень* авторского коллектива преподавателей химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Учебник соответствует федеральному компоненту государственного образовательного стандарта по химии базового уровня, реализует авторскую программу и включен в Федеральный перечень. УДК 373.167.1:54 ББК 24.1я72 ISBN 978-5-358-11391-6 © ООО «Дрофа*, 2008 © ООО «Дрофа*, 2010, с изменениями Дорогие выпускники! Вы перешли в 11 класс. Быстро пролетит учебный год, и в мае, когда на школьном дворе расцветёт сирень, для вас прозвенит последний звонок. Для многих он будет означать не только окончание долгого, одиннадцатилетнего пути по дороге знаний, но и преддверие новой, студенческой жизни. Пусть о приближении этой поры вам напоминают кисти сирени, помеш;ённые на фотографии. В течение этого года многие из вас будут готовиться к поступлению в вузы. Это отнимает много времени и сил, которые вы стремитесь сконцентрировать на предметах, выбранных в качестве буду-ш;ей специальности. Для вас, обучающихся по программе базового уровня, изучение химии в 11 классе нацелено на применение химических знаний в быту. Сначала вы завершите знакомство с отдельными классами органических веществ — изучите кислород- и азотсодержащие органические соединения. Некоторые из них, например уксусная кислота, этиловый спирт, ацетон, широко используются не только в промышленности, но и в быту. Также вы познакомитесь с веществами, образующимися в растительных и животных организмах, — углеводами, жирами, аминокислотами, белками. Заключительный раздел книги рассказывает о применении химических знаний в промышленности и быту. Не подумайте, что мы вновь вернёмся к описанию химических и металлургических производств. которые были приведены в учебнике 10 класса. Здесь речь пойдёт о другом, и химические знания будут представлены в новом, подчас неожиданном аспекте. Вы не задумывались, например, о том, чем объясняется окраска цветов сирени и их характерный аромат? Или почему разные вещества подчас имеют очень похожий запах? Какие материалы используются для создания фрески? Что представляют собой антибиотики — вещества, с помощью которых исцелили миллионы людей? Расскажем мы и о важнейших материалах, созданных человеком, — цементе, бетоне, пластмассах, волокнах. Однако некоторые вещества могут играть в жизни человека и отрицательную роль, поэтому мы не обойдём стороной и такие насущные проблемы и беды современного общества, как курение, наркомания. Пусть вас не пугают сложные на первый взгляд структурные формулы некоторых соединений, которые мы приводим. Ведь вы знаете, что структурная формула — это визитная карточка вещества, которая описывает не только его состав, но и строение. Параграфы, выделенные в учебнике синим цветом, содержат дополнительный материал. Мы надеемся, что знания, которые вы получите из этой книги, пригодятся в вашей будущей жизни независимо от того, какую специальность вы выберете. Желаем успехов и увлекательного путешествия по страницам книги. Авторы ГЛАВА 1 Кислород- и азотсодержащие органические соединения Изучая химию в 10 классе, вы познакомились с углеводородами — органическими веществами, состоящими лишь из атомов двух элементов — углерода и водорода. При замене в углеводороде одного или нескольких атомов водорода на другие атомы или группы атомов образуются вещества, называемые функциональными производными углеводородов. С важнейшими из них вы познакомитесь в этой главе. ПИ рты Если в молекуле метана один из атомов водорода заменить гидроксильной группой, то получится вещество состава СН3ОН. Это метиловый спирт, или метанол. Подобно тому как метан является родоначальником гомологического ряда предельных углеводородов, метанол также образует гомологический ряд предельных одноатомных (содержащих одну ОН-группу) спиртов (табл. 1). Гомологический ряд предельных одноатомных спиртов Таблица 1 Формула Систематическое название Тривиальное название Т. кип., °С СН3ОН Метанол Метиловый спирт 65 СН3СН2ОН Этанол Этиловый спирт 78 СН3СН2СН2ОН Пропанол-1 Пропиловый спирт 97 СНзСН(ОН)СНз Пропанол-2 Изопропиловый спирт 82 СН3СН2СН2СН2ОН Бутанол-1 Бутиловый спирт 117 Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Окончание табл. 1 Формула Систематическое название Тривиальное название Т. кип.. СНзСН2СН(ОН)СНз Бутанол-2 Втор-бугило-вый спирт 100 (СНз)2СНСН20Н 2-Метилпро- панол-1 Изобутиловый спирт 108 (СНз)зСОН 2-Метилпро- панол-2 Трет-бутило-вый спирт 82 Таким образом, спиртами называют производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильную группу (группу ОН). Можно также рассматривать спирты как органические производные воды (Н—О—Н), в которых один из атомов водорода замещён органическим радикалом (R—О—Н), Углеводородный радикал может быть предельным, непредельным или циклическим. Спирты, в составе которых содержится только одна группа ОН, называют одноатомными. Замена атома водорода на группу —ОН добавляет к составу молекулы один атом кислорода, поэтому молекулярные формулы одноатомных спиртов отличаются от формул соответствующих углеводородов на один атом кислорода: C^Hg^ + g — общая формула предельных углеводородов (алканов), C^Hg^ 4. jOH или C^Hgn + 2О — общая формула предельных (насыщенных) спиртов. Названия спиртов образуют, добавляя суффикс -ол к названию алкана: СН4 — метан, СН3ОН — метанол, СН3СН3 — этан, СН3СН2ОН — этанол. Часто используют названия, в которых к слову «спирт» добавляют название углеводородного радикала, с которым связана группа —ОН: метанол называют метиловым спиртом, этанол — этиловым спиртом (рис. 1). Спирты подразделяют на первичные, вторичные и третичные. Рис. 1. Структурная формула и пространственная модель этилового спирта (этанола) Спирты в первичных спиртах атом углерода, у которого находится гидроксильная группа, связан только с одним атомом углерода, во вторичных спиртах — с двумя, в третичных спиртах — с тремя атомами углерода: СН^ I Н3С—CHg—CHg—CHg—ОН, Н3С—СН—CHg, Н3С—С—СН3. Первичный спирт он Вторичный спирт он Третичный спирт Гидроксильная группа — функциональная группа спиртов — определяет химические и физические свойства этого класса органических соединений. Атом кислорода по электроотрицательности превосходит атомы углерода и водорода, поэтому на нём сосредоточен частичный отрицательный заряд, а на атомах углерода и водорода — частичный положительный заряд. . 8+ 8- 8+ ^С —О—н в целом молекулы спиртов полярны, вследствие этого, подобно молекулам воды, молекулы спиртов способны образовывать между собой водородные связи, в которых участвуют атомы водорода и кислорода гидроксильных групп: Н—О----Н—О-----Н—О С2Н5 С2Н5 С2Н5 Это приводит к тому, что температуры кипения спиртов значительно выше, чем соответствуюгцих углеводородов. Так, например, этан при комнатной температуре — газ, а этанол — жидкость, кипящая при 78 °С. Образование водородных связей оказывается возможным не только между молекулами спирта, но и между молекулами спирта и воды (представьте это в виде схемы, аналогичной приведённой выше). Именно этим и объясняется высокая растворимость спиртов в воде. Спирты, содержащие от одного до трёх атомов углерода, — это бесцветные жидкости с характерным запахом, неограниченно смешивающиеся с водой. С увеличением углеводородной цепи растворимость спиртов в воде понижается, и уже октанол (CgHj^OH) с водой не смешивается. Высшие спирты (начиная с 0^2^25^^^ комнатной температуре — твёрдые вещества. Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Растворение этилового спирта в воде сопровождается уменьшением общего объёма. Так, при смешивании 100 мл этанола и 100 мл воды образуется не 200, а 197 мл раствора. Причина этого заключается в образовании прочных водородных связей между молекулами спирта и воды. Рис. 2. Взаимодействие натрия с этиловым спиртом Вопросы и задания 1. Какое свойство спиртов определяет их способность к образованию межмолекулярных связей? Как эта способность сказывается на физических свойствах спиртов? 2. Метан СН^ и метанол СН4О отличаются по составу на один атом кислорода. Сравните их физические и химические свойства, объясните различие. 3. Сколько существует спиртов состава CgHgO? Напишите их структурные формулы. Сколько из них первичных? 4. Определите молекулярную формулу спирта, содержащего 21,6% кислорода по массе. .имические свойства и получение спиртов Химические свойства спиртов рассмотрим на примере этилового спирта. Натрий реагирует с этиловым спиртом, как и с водой, — с выделением водорода (рис. 2). При этом происходит замещение атома водорода спиртовой группы на металл: 2СН3СН2ОН + 2Na ^2СНзСН20Ка + Н2Г. Образующийся этилат натрия представляет собой белый порошок, разлагающийся водой. При действии на спирты бромоводорода происходит замещение ОН-группы спирта на атом брома. Так, при кипячении этилового спирта с бромоводородной кислотой образует- Химические свойства и получение спиртов ся бромэтан, пары которого конденсируются в виде тяжёлых маслянистых капель: СН3СН2ОН + НВг ^CHgCHgBr+ Н2О. При нагревании спиртов с концентрированной серной или фосфорной кислотой происходит дегидратация — отщепление воды. При сильном нагревании от каждой молекулы спирта отрывается по одной молекуле воды и образуется алкен: H^so^, 200 °с СН2—СН2 СН2=СН2 + ЩО. Н ОН Если смесь спирта с концентрированной серной кислотой нагревать до температуры не выше 150 °С, то молекула воды отщепляется от двух молекул спирта и образуется диэтило-вый эфир: СН3СН2—0]Н -Ь НО—СН2СН3 --> СН,СНоОСНХН, -Ь Н.О. Это вещество принадлежит к классу простых эфиров, молекулы которых состоят из двух углеводородных радикалов, соединённых атомом кислорода: R—О—R. Диэтиловый эфир (называемый иногда серным эфиром, так как он образуется при действии на этиловый спирт концентрированной серной кислотой) представляет собой легколетучую жидкость, практически нерастворимую в воде. В отличие от этанола, эфир не реагирует с натрием: в его составе нет ОН-группы, атом водорода которой может замещаться на металл. Диэтиловый эфир используют в медицине при пломбировании зубов, поэтому его запах ассоциируется у многих с кабинетом стоматолога. Спирты легко окисляются. Д. И. Менделеев, изучавший водные растворы этилового спирта, установил, что они горят на воздухе при содержании спирта более 50% по объёму. При сгорании спиртов образуются углекислый газ и вода: 2СН3ОН + ЗО2 ^ 2СО2 + 4Н2О. Менее сильные окислители, такие как оксид меди (II) или перманганат калия, отнимают от молекулы спирта два атома водорода. Продукт такой реакции называют альдегидом, что в переводе с английского и означает дегидрированный спирт (alcohol dehydrogenated). Проведём опыт (рис. 3). Медную проволоку свернём спиралью и внесем в пламя газовой горелки. Поверхность по- Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Рис. 3. Взаимодействие этанола с оксидом меди (II) кроется чёрным налётом оксида меди (II). Вынем проволоку из пламени и опустим её в сосуд со спиртом. Чёрный налет на проволоке исчезает, обнажая розово-красную поверхность меди. О протекании реакции свидетельствует также резкий неприятный запах образовавшегося альдегида: СН3СН2ОН + СиО ^ СН3СНО + Си + Н2О. Среди спиртов наиболее важны два первых представителя гомологического ряда — метанол и этанол. В промышленности их получают в больших количествах. Сырьём для производства метилового спирта служит синтез-газ — смесь оксида углерода(II) и водорода: I, р, кат. СО + 2Н2 < > СН3ОН. Ежегодное мировое производство метанола составляет миллионы тонн. Раньше метанол получали сухой перегонкой древесины, поэтому его иногда называют «древесным спиртом». Из метанола производят множество других соединений, используемых в качестве лекарств, красителей, полимеров. Его также используют в качестве растворителя. Однако необходи- ж Химические свойства и получение спиртов МО помнить, что метиловый спирт чрезвычайно ядовит. Даже в малых количествах он вызывает слепоту, а прием внутрь всего лишь 25 мл метанола может привести к летальному исходу. Этиловый спирт, или этанол CHgCHgOH, получают несколькими способами. Наиболее известный — это спиртовое брожение сахаристых веществ — углеводов, и в первую очередь глюкозы. Эта реакция протекает под действием особых микроорганизмов — дрожжей: СбН120б---> 2СН3СН2ОН -Ь 2CO2I. Сырьём для неё могут служить продукты, содержащие сахаристые вещества или крахмал: виноград, пшеница, рожь, кукуруза, картофель. Крахмал сначала превращают в глюкозу — «осахаривают», а затем подвергают брожению. В результате деятельности дрожжей получается содержащая спирт жидкость. Из неё перегонкой выделяют этиловый спирт. В промышленности для получения технического спирта используют целлюлозу. При нагревании древесных опилок с 5%-й серной кислотой под давлением 10 атм образуется глюкоза, которую затем подвергают брожению. Такой этиловый спирт называют гидролизным. Из 1 т сухих опилок можно получить столько же спирта, сколько из 1 т картофеля или 300 кг зерна. Главным промышленным методом получения этанола является гидратация этилена, катализируемая неорганическими кислотами (серной, фосфорной): t,p, н- СН2=СН2 + Н20 ^СНзСН20Н. в лабораторных условиях спирты могут быть также получены гидролизом (взаимодействием с водой) галогенпро-изводных алканов. Обычно эту реакцию проводят в присутствии щёлочи: СН3СН2—Вг + NaOH СН3СН2—ОН -Ь NaBr. Этанол — необходимый компонент алкогольных напитков. Пиво содержит от 4 до 9% этанола, вино — 10—18% этанола, в крепких напитках содержание спирта может превышать 40%. Этиловый спирт обладает наркотическим действием, приём внутрь большого количества этанола приводит к сильному отравлению и даже к летальному исходу. Кроме того, дешёвые спиртные напитки могут содержать довольно много ядовитых примесей — высших спиртов и альдегидов. Следующие за этанолом члены гомологического ряда (про-пиловый, бутиловый и амиловый спирты) представляют co- il Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Сложные эфиры Растворители Рис. 4. Применение одноатомных спиртов бой ЖИДКОСТИ с неприятным запахом, крайне ядовитые. Они также образуются при брожении, придавая неперегнанному спирту неприятный запах. После отгонки этанола эти вещества, имея более высокую температуру кипения, остаются на дне сосуда. В быту такой остаток от перегонки называют сивушным маслом. Спирт, применяемый в медицине, — «медицинский спирт» — содержит 96% этанола и 4% воды. Для получения спирта, совсем не содержащего воды, — абсолютного спирта — к смеси этанола и воды добавляют бензол и перегоняют её. Отогнанный абсолютный спирт содержит бензол и непригоден для пищевых целей. В спирт, предназначенный для применения в технике, часто добавляют небольшие количества метанола или бензола. Полученная смесь носит название «денатурат» — она гораздо более ядовита, чем обычный этанол. Этанол используют в химической промышленности для производства разнообразных органических соединений, его применяют как растворитель органических веществ, в медицине — как дезинфицирующее средство и для производства лекарственных препаратов, в парфюмерной промышленности — для изготовления духов (рис. 4). Абсолютный спирт смешивается с бензином во всех отношениях, поэтому его Многоатомные спирты иногда вводят в углеводородное топливо для двигателей внутреннего сгорания. Так как спирты обычно дешевле, чем соответствуюш;ие галогеналканы, в промышленности именно спирты служат сырьём для производства различных галогенопроизводных углеводородов. Вопросы и задания 1. Предложите два способа получения этанола из этана по схеме: СгНб----> X---> С2Н5ОН. 2. По одному из методов для получения абсолютного спирта в 96%-й этанол добавляют оксид кальция. На чём основан этот метод? Напишите уравнение реакции, 3. При обработке некоторого спирта натрием выделилось 2 л газа (н. у.). Какой объём этиленового углеводорода (н. у.) образуется при дегидратации такой же массы спирта? 4. Сколько этилового спирта можно получить из 1 кг картофеля, если считать, что картофель состоит только из крахмгша, а гидролиз крахмала до глюкозы и брожение глюкозы идут со 100%-м выходом? ногоатомные спирты Спирты, содержапдие в составе молекулы две и более гидроксильные группы, называют многоатомными. Двухатомные спирты иначе называют гликолями или диолами. Простейший из них — этандиол-1,2 — имеет тривиальное название этиленгликоль (рис. 5). Этиленгликоль — бесцветная, вязкая, высококипящая (т. кип. 197 °С) жидкость, чуть тяжелее воды (плотность 1,11 г/мл). Это достаточно сильный яд. С водой этиленгликоль смешивается в любых соотношениях. Водные растворы этиленгликоля не кристаллизуются (не застывают) при температурах значительно ниже О ®С. Так, 50%-й раствор этиленгликоля в воде застывает при -34 °С, поэтому его используют зимой в качестве Рис. 5. Структурная формула и пространственная модель этиленгликоля 1А. Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Косметика (глицерин) Пищевая промышленность (глицерин) Алкидные смолы Антифриз Рис. 6. Применение многоатомных спиртов (этиленгликоля и глицерина) незамерзающей жидкости (антифриз, тосол) для охлаждения автомобильных двигателей. Кроме того, этиленгликоль широко применяется в органической химии как растворитель, а также в качестве исходного вещества при производстве ценного полимерного волокна — лавсана (рис. 6). Этиленгликоль образуется при пропускании этилена через водный раствор перманганата калия: СН2=СН2 --5.Z2o°c'^> но—СН2—СН2—он. В промышленности этиленгликоль получают из этилена в две стадии, включающие окисление и гидратацию. Ежегодно в мире из этилена производят миллионы тонн этиленгликоля. Простейший трёхатомный спирт — глицерин (пропан-триол-1,2,3) представляет собой сиропообразную, вязкую, бесцветную, гигроскопическую, высококипящую (т. кип. 290 °С) жидкость тяжелее воды (плотность 1,26 г/мл). С водой глицерин, подобно этиленгликолю, смешивается во всех соотношениях. Температура плавления глицерина 18 °С, однако из-за высокой вязкости закристаллизовать его очень трудно. Глицерин имеет сладковатый вкус, его название произошло JJ. Многоатомные спирты Рис. 7. Структурная формула и пространственная модель глицерина от греч. glykeros — «сладкий». Этот же корень лежит в основе слова «глюкоза». Глицерин широко распространен в природе, главным образом в виде эфиров, входящих в состав растительных и животных жиров. Впервые глицерин получил из оливкового масла в 1783 г. шведский химик К. В. Шее-ле. Он обнаружил глицерин также и в других жирах. Французский химик М. Э. Шеврёль доказал, что при нагревании самых разнообразных жиров и масел с водой в присутствии кислоты или щёлочи они распадаются с образованием жирных кислот и глицерина. Формула глицерина была установлена значительно позже. Оказалось, что это — трёхатомный спирт, т. е. он имеет три гидроксильные группы (рис. 7). Благодаря своим свойствам глицерин широко применяется в косметической, пищевой, фармацевтической, химической промышленности (см. рис. 6). Его вводят в различные косметические препараты (кремы, бальзамы, лосьоны, мыла, пасты) в качестве смягчающего, препятствующего высыханию средства. Глицерин добавляют даже в ликеры для увеличения вязкости и сладкого вкуса и в кондитерские изделия, чтобы предохранить их от засахаривания. Алкидные смолы — сложные эфиры на основе глицерина и фталевой кислоты — используются для изготовления красок, клеёв, линолеума. Основным способом получения глицерина раньше являлся гидролиз (омыление) природных жиров и масел. Сегодня глицерин в промышленности получают из дешёвого нефтехимического сырья — пропена. По химическим свойствам этиленгликоль и глицерин подобны одноатомным спиртам. Они реагируют с щелочными металлами, образуя алкоголяты (гликоляты или глицера-ты): НО—CHg—CHg—ОН -Н 2Na-----> ^ NaO—CHg—CHg—ONa -Ь H2I. 15 Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ При действии на многоатомные спирты галогеноводородов проходит замещение гидроксильной группы на галоген: НО—CHg—СНз—ОН + 2НВг ^ Вг—CHg—CHg—Вг + 2Н2О. При взаимодействии глицерина с азотной кислотой образуется тринитрат глицерина, который часто называют нитроглицерином: СНр—ОН I СН—он + 3HNO. I СНо—ОН СН2—ON02 ^СН—ONOo + ЗН2О. СН2—ONO2 Нитроглицерин — жидкость, легко взрывающаяся при ударе. Разложение нитроглицерина сопровождается выделением большого количества газов, что вызывает взрывной эффект, температура при этом достигает 3000 °С: 4СзН5(0К02)з---->12002? + 6N2T + 10Н2О + О2?. Нитроглицерин в чистом виде как взрывчатое вещество не используют из-за его неустойчивости. Обычно им пропитывают какой-либо пористый наполнитель, например древесную муку. Так получают динамит, впервые изобретённый щведским химиком Альфредом Нобелем. Нитроглицерин Нобель Альфред (1833— 1 896) Шведский химик-экспериментатор, изобретатель, крупный бизнесмен. Б историю человечества вошёл как создатель динамита и основатель самой престижной ежегодной научной премии. Родился в Стокгольме, в детстве некоторое время жил в России, где благодаря занятиям с частным педагогом увлёкся химией. Долгое время работал в семейной компании, занимавшейся производством взрывчатых веществ. В 30 лет изобрёл практичный детонатор для взрыва нитроглицерина. Это изобретение произвело революцию во взрывотехнике и стало фундаментом будущего богатства Нобеля. Учёный сумел довести своё открытие до практического использования. Хотя Нобеля и называли «королём динамита», он был очень мирным человеком и всегда противился ис-пользовонию своего открытия в военных целях. Нобель мечтал изобрести вещество или машину, обладающие такой разрушительной мощью, чтобы всякая война вообще стала невозможной. По завещанию Нобеля весь его капитал преобразован в фонд его имени. Из средств этого фонда ежегодно выплачиваются премии тем людям, «которые в течение предшествующего года сумели принести наибольшую пользу человечеству». te Многоатомные спирты также находит применение в медицине. В виде 1%-го спиртового раствора он используется как сосудорасширяющее средство при стенокардии. В отличие от одноатомных спиртов, этиленгликоль и глицерин могут реагировать не только с щелочными металлами, но и с гидроксидами тяжёлых металлов. Так, при добавлении этиленгликоля к свежеприготовленному осадку гидроксида меди (II) образуется раствор интенсивно-синего цвета. Такая окраска раствора связана с образованием растворимого в воде комплексного соединения сложного состава. Аналогичную реакцию с гидроксидом меди даёт и глицерин. Образование интенсивной синей окраски в реакции со свежеосаждённым гидроксидом меди (II) — качественная реакция на многоатомные спирты (рис. 8). Спирты с большим числом гидроксильных групп встречаются в природе. Пяти- и шестиатомные спирты — ксилит и сорбит служат заменителями сахара для больных сахарным диабетом. Рис. 8. Качественная реакция на многоатомные спирты Вопросы и задания 1. Напишите структурные формулы двух двухатомных спиртов, молекулы которых содержат по три атома углерода. Сравните физические и химические свойства этанола и этиленгликоля. Какие объёмы этиленгликоля и воды надо смешать, чтобы получить 1 кг 50%-го раствора? Как отличить этиловый спирт от глицерина? Какую массу нитроглицерина можно получить из 100 кг глицерина? 2. 4. 5. XL Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Ф енол Органические соединения, в которых гидроксильная группа связана непосредственно с атомом углерода ароматического кольца, называют фенолами (от названия первого представителя этого ряда — фенола, или гидроксибензола). Фенол (карболовая кислота) представляет собой бесцветное кристаллическое легкоплавкое (т. пл. 43 °С) вещество с резким характерным запахом. При хранении он постепенно окисляется кислородом воздуха и приобретает розовую окраску (рис. 9). Фенол очень ядовит; при попадании на кожу он вызывает сильные ожоги. При комнатной температуре фенол незначительно растворим в воде: 9 г на 100 г воды. При повышении температуры растворимость возрастает. Раньше его использовали как дезинфицирующее средство. Фенол и его гомологи выделяют из каменноугольной смолы, в которой они содержатся. В промышленности фенол в боль- а) б) Рис. 9. Структурные формулы и модели молекулы фенола (а); внешний вид кристаллов фенола (б) Ж Фенол ших количествах синтезируют из кумола (изопропилбензола). Бензольное кольцо и гидроксильная группа в молекуле фенола оказывают друг на друга взаимное влияние. Электронная плотность связи О—Н в молекуле фенола под влиянием бензольного кольца смещена к кислороду в большей степени, чем в спиртах, и легче разрывается под действием оснований. Именно поэтому фенол проявляет более сильные кислотные свойства, чем спирты. Он реагирует не только с щелочными металлами, но и с щелочами с образованием фенолятов. При добавлении к фенолу водного раствора гидроксида натрия образуется хорошо растворимый в воде фенолят натрия: CgHsOH -Ь NaOH CgHgONa + HgO. Фенолят натрия В ТО же время фенол слабее большинства неорганических кислот — даже таких слабых, как угольная — HgCOg. Если в водный раствор фенолята натрия пропустить углекислый газ или добавить раствор соляной кислоты, то образуется осадок фенола: CgHgONa -h СО2 + HgO CgHgOHi -Ь NaHCOg; ■^СбЩОН! + NaCl. CgHgONa + HCl Гидроксильная группа, в свою очередь, также влияет на бензольное кольцо, повышая его активность в реакциях замещения с галогенами, азотной кислотой и другими реагентами. Реакции замещения в бензольном кольце фенола протекают значительно легче, чем в ароматических углеводородах. Так, бензол в отсутствие катализатора не реагирует ни с бромной водой, ни с чистым бромом. Фенол же легко реагирует с бромной водой, превращаясь в белый осадок 2,4,6-трибромфенола: ОН ОН + ЗВгг I + ЗНВг. Вг 2,4,6 -Трибромфенол Образование белого осадка в реакции с бромной водой является качественной реакцией на фенол. Эта реакция настоль- ж Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Рис. 10. Взаимодействие фенола с хлоридом железа (III) КО чувствительна, что позволяет обнаружить фенол в очень низких концентрациях (фенол : вода = 1 : 100 000). Другой качественной реакцией на фенол (рис. 10) служит образование фиолетового окрашивания при взаимодействии с раствором хлорида железа (III). Гомологи фенола с этим реагентом также дают окрашенные соединения. Нитрование фенола идет под действием разбавленной азотной кислоты, при этом образуется смесь орто- и пара-нитрофенолов: ОН ОН + НКОДразб.)^^^ N0. ОН N0. -ЬН20. В водном растворе в присутствии кислот или оснований фенол реагирует с формальдегидом с образованием полимерного продукта, получившего название фенолформальдегидной Ж Фенол СМОЛЫ или бакелита. В 1909 г. Л. Бакелунд запатентовал способ получения этого первого синтетического высокомолекулярного соединения, которое сразу же нашло широкое применение в различных областях машиностроения, электротехники, например для изготовления корпусов телефонов, электрических выключателей и др. При нагревании бакелит разлагается с выделением токсичных веществ, поэтому в настоящее время его заменяют другими полимерными материалами. Сложным производным фенола является лигнин, который наряду с целлюлозой содержится в древесине. При гниении древесины целлюлоза разлагается бактериями, а значительная часть лигнина переходит в почву, превращаясь в гумино-вые вещества. Они не усваиваются растениями, но благодаря наличию ОН-групп прочно удерживают влагу и питательные вещества. Чем богаче гумусом почва, тем она плодороднее. Производные фенола широко используются практически во всех областях химической промышленности (рис. 11): в производстве лаков, красок, синтетических смол, пластификаторов, поверхностно-активных веществ, ядохимикатов, антисептиков, лекарственных препаратов (сгшициловой кислоты, аспирина). Поэтому сточные воды предприятий ПАВ Лекарственные средства Пластификаторы для полимеров Рис. 11. Применение фенола Ж Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ нефтехимической, коксохимической, целлюлозной промышленности и других производств всегда содержат фенольные соединения. Так как для очистки и обеззараживания питьевой воды в основном применяют метод хлорирования, то попадание в неё даже следов фенола может привести к образованию крайне токсичных полихлорфенолов и диоксинов. Очистка сточных вод от фенольных соединений является очень актуальной задачей для химической промышленности. Вопросы и задания 1. Напишите структурные формулы двух гомологов фенола состава C7HgO. 2. Фенол отличается от бензола по составу на один атом кислорода. Как этот атом влияет на физические и химические свойства фенола? Объясните. 3. Как можно отличить этиловый спирт от водного раствора фенола? Ответ подтвердите уравнением реакции. 4. Почему фенол проявляет кислотные свойства в большей степени, чем спирты? Какой реакцией это можно подтвердить? 5. Сравните свойства фенола и бензола. Какой реакцией это можно подтвердить? 6. Пикриновая кислота (2,4,6-тринитрофенол) образуется при взаимодействии фенола с избытком азотной кислоты. Напишите уравнение этой реакции. альдегиды и кетоны Альдегиды представляют собой продукты окисления первичных спиртов, например: CHgCHgOH Этанол [О] > СНдСНО -Ь НдО. Уксусный альдегид В молекуле этих соединений углеводородный радикал (в случае уксусного альдегида — это метил) и атом водорода связаны с группой ^с=о, которую называют карбонильной. В простейшем альдегиде — формальдегиде карбонильная группа соединена с двумя атомами водорода: 22. Альдегиды и кетоны н. Н' :с=о. По систематической номенклатуре альдегиды называют, добавляя окончание -аль к названию углеводорода с тем же числом атомов углерода. Так, формальдегид НСНО — а) это метаналь, уксусный альдегид (ацетальдегид) СНдСНО — этаналь и т. д. Простейшие альдегиды имеют тривиальные названия, связанные с названиями соответствующих кислот, в которые они превращаются при окислении (табл. 2). Например, метаналь называют муравьиным альдегидом, а этаналь — уксусным альдегидом (рис. 12). В бензальдегиде альдегидная группа связана с бензольным кольцом. .О л II н—с—н СН3—с—н Рис. 12. Структурные формулы и пространственные модели муравьиного (а) и уксусного (б) альдегидов Н Бензальдегид Некоторые альдегиды и кетоны Таблица 2 Формула Систематическое название Тривиальное название Т. кип., °С НСНО Метаналь Муравьиный альдегид -20 СН3СНО Этаналь Уксусный альдегид 21 СН3СН2СНО Нропаналь Пропионовый альдегид 49 СН3СН2СН2СНО Бутаналь Масляный альдегид 74 CgHjCHO Бензальдегид Бензойный альдегид 180 СН3СОСН3 Пропанон Ацетон 56 В кетонах карбонильная группа соединена с двумя углеводородными радикалами, например в простейшем кетоне — ацетоне эти радикалы — метильные группы (рис. 13). 2Я Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ а) О в) Рис. 13. Ацетон: структурная формула (а), пространственная модель молекулы (б), промышленная упаковка (в) Кетоны часто называют по наименованию радикалов, связанных с карбонильной группой, например ацетон СН3СОСН3 — диметилкетон (ацетон), СН3СОСН2СН3 — метил-этилкетон. По международной номенклатуре к названию предельного углеводорода добавляют окончание -он и указывают номер атома углерода, входящего в состав карбонильной группы. Нумерацию начинают с ближайшего к карбонильной группе конца цепи. Альдегиды и кетоны с одинаковым числом атомов углерода изомерны друг другу. Общая формула предельных альдегидов и кетонов C^Hg^jO. Альдегиды, содержащие от одного до шести атомов углерода, — ядовитые вещества с резким, неприятным запахом, хорошо растворимые в воде. Некоторые ароматические альдегиды, напротив, имеют приятный запах. Многие из них встречаются в природе. Аромат миндальных орехов в значительной степени обусловлен бензальдегидом, а аромат ванили — ванилином (рис. 14). Оба этих вещества используются в парфюмерии и пищевой промышленности в качестве ароматизаторов. В эфирном масле малины содержится кетон, придающий ей характерный аромат. Он так и называется «кетон малины» (рис. 15). Легко синтезируемый из доступных реагентов, он широко применяется в пищевых эссенциях для придания им запаха и вкуса малины. Температуры кипения низших альдегидов и кетонов значительно ниже, чем у спиртов с тем же числом атомов углерода. Так, например, формальдегид в обычных условиях — газ, а ацетальдегид — легко испаряющаяся жидкость. Это объяс- 24 Альдегиды и кетоны СН3О Рис. 14. Ванилин: структурная формула (а), пространственная модель молекулы (б), плоды ванили (в) няется тем, что в молекулах карбонильных соединений нет группы ОН, способной к образованию водородных связей. При окислении альдегидов образуются карбоновые кислоты: R—СН=0 + [О]-----> R—СООН. Так, бензальдегид постепенно окисляется уже при хранении на воздухе. Для ускорения реакции используют более сильные окислители. Если добавить к альдегиду аммиачный раствор оксида серебра, а затем осторожно нагреть колбу в стакане с горячей водой, то на её стенках образуется налёт, состоящий НО Рис. 15. Кетон малины входит в состав ягод Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ИЗ мелких кристаллов серебра. Эту реакцию «серебряного зеркала» можно упрощенно описать уравнением: NH R—СН=0 +Ag20—^R—СООН + 2Ag|. Принято считать, что реакция «серебряного зеркала» служит качественной реакцией на альдегидную группу (рис. 16). Однако, в отличие от большинства других качественных реакций, она очень «капризна» — красивое серебряное зеркало удаётся получить далеко не всегда. В руках неопытного экспериментатора серебро осаждается из раствора в виде мелкого чёрного осадка. Для определения альдегидной группы в веществе удобнее использовать синий осадок гидроксида меди (II), который получают сразу перед проведением опыта, действуя на соль меди раствором щёлочи. В присутствии альдегида синий гидроксид меди (II) восстанавливается, постепенно превращаясь в красный оксид меди (I) CugO: R—СН=0 + 2Cu(OH)2 R—СООН -Ь Cu20i + 2Н2О. Если реакцию проводить при нагревании, иногда удаётся осадить оксид меди (I) в виде серебристого медно-красного зеркала, покрывающего изнутри стенки сосуда. Рис. 16. Реакция «серебряного зеркала» Ж. Альдегиды и кетоны В отличие от альдегидов, кетоны окисляются только очень сильными окислителями: они не дают реакции «серебряного зеркала» и не восстанавливают гидроксид меди (II). При присоединении двух атомов водорода к молекуле альдегида или кетона происходит восстановление карбонильной группы и образуется спирт. Обычно для превращения альдегидов и кетонов в спирты их гидрируют водородом на никелевом или платиновом катализаторе. При восстановлении альдегидов образуются первичные спирты, кетонов — вторичные спирты. СН3СН2ОН; СНз—СН(ОН)—СН3. СН3СНО + Щ СП, -СО—СНз + Нз В промышленности альдегиды и кетоны получают обратной реакцией — отщеплением водорода от спиртов в газовой фазе над металлическими катализаторами. Другой способ получения карбонильных соединений — гидратация алкинов. Из ацетилена получается альдегид, из его гомологов — кетоны: СН^СН + НзО СН3—СН=0; СНз—С=СН -ь ЩО СНз—СО—СН3. Эта реакция была впервые открыта русским химиком М. Г. Кучеровым и теперь носит его имя. Используемые в ней в качестве катализатора соли ртути опасны для здоровья, поэтому реакцию Кучерова в настоящее время не используют для промышленного получения карбонильных соединений. Кучеров Михаил Григорьевич (1850-191 1) Русский химик-органик. Окончил Петербургский земледельческий институт. Большая часть работ Кучерова относится к области прикладной хи-мии, он много занимался анализом состава вин и других спиртных напитков. В области фундаментальной науки он исследовал свойства непредельных углеводородов. В 1881 г. Кучеров открыл реакцию каталитического присоединения воды к ацетиленовым углеводородам в присутствии солей ртути. Эта реакция долгое время лежала в основе промышленного получения уксусного альдегида и уксусной кислоты из ацетилена. 27 Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Ацетон в больших количествах производят из пропена, а ацетальдегид получают каталитическим окислением этилена: 2СН2=СН2 + О2 2СН3—сн=о. Формальдегид, производимый в промышленных масштабах окислением метанола, используют в производстве пластмасс и лекарственных препаратов. Его водный раствор, называемый формалином, широко применяется как антисептик и средство для консервирования анатомических и биологических препаратов, для серебрения зеркал и дубления кож. Уксусный альдегид необходим в производстве уксусной кислоты, этилацетата, уксусного ангидрида. Бен-зальдегид применяется в синтезе красителей и душистых ве-ш;еств. Ацетон используют в производстве лекарственных средств, разнообразных органических соединений, в качестве растворителя ацетата целлюлозы, различных полимерных материалов. Вопросы и задания 1. Напишите структурные формулы двух карбонильных соединений состава CgHgO и назовите их. 2. Определите формулу альдегида, пары которого имеют равную плотность с углекислым газом при одинаковых условиях. 3. Этиловый спирт CgHgOH и этаналь СНдСНО отличаются по составу на два атома водорода. Сравните их физические (температуры кипения, растворимость в воде) и химические свойства. Объясните различие. 4. Как можно отличить пропаналь от ацетона? Напишите уравнение реакции. 5. Напишите уравнения реакций по схемам: а) спирт---> альдегид--> спирт; б) кетон--> спирт. кислота 6. Многоатомные спирты и альдегиды способны реагировать с одним и тем же веществом. Каким? Укажите признаки этих реакций. 7. Какая масса пропанола-2 теоретически требуется для получения 29 г ацетона? 8. При окислении 0,5 г технического ацетальдегида избытком аммиачного раствора оксида серебра образовалось 2,16 г серебра. Вычислите массовую долю ацетальдегида в техническом препарате. Ж Карбоновые кислоты арбоновые кислоты Карбоновыми кислотами называют соединения, содержащие карбоксильную группу —СООН. — С СН, —С О \ О —н Уксусная кислота Углеводородные радикалы в карбоновых кислотах могут быть предельными, непредельными, циклическими или ароматическими. В основе названий карбоновых кислот лежат названия соответствующих углеводородов. Наличие карбоксильной группы отражается окончанием -овая кислота. Углеводородную цепь нумеруют, начиная с атома углерода карбоксильной группы. Например, кислоту, содержащую четыре атома углерода, CHgCHgCHgCOOH, называют бутановой. Многие карбоновые кислоты имеют тривиальные названия: муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная. Некоторые одноосновные карбоновые кислоты перечислены в таблице 3. Представители одноосновных карбоновых кислот Таблица 3 Формула Систематическое название Тривиальное название НСООН Метановая Муравьиная СН3СООН Этановая Уксусная С2Н5СООН Пропановая Пропионовая СН3СН2СН2СООН Бутановая Масляная СН3СН2СН2СН2СООН Пентановая Валериановая СНз(СН2)14СООН Гексадекано- Пальмитино- вая вая Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Окончание табл. 3 Формула Систематическое название Тривиальное название СНз(СН2)1бСООН Октадекано- вая Стеариновая CgHgCOOH Бензойная Бензойная СН2=СН—СООН Пропеновая Акриловая СНз(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН Октадецен-9- овая Олеиновая Предельные одноосновные кислоты содержат на один атом кислорода больше, чем соответствующие альдегиды. Их общая формула — С^Н2„02, или С^Н2^ jCOOH (где т = п- 1). В состав кислот может входить несколько карбоксильных групп. Простейшая дикарбоновая кислота НООС—СООН — этандиовая — содержится в листьях щавеля и шпината, поэтому её называют щавелевой. Кальциевая соль этой кислоты — оксалат кальция СаС204, наряду с солями других органических кислот, отлагается в организме человека, вызывая боли в суставах. В состав молекул карбоновых кислот, помимо карбоксильной, могут входить и другие функциональные группы. Некоторые такие кислоты содержатся в продуктах питания. Например, в соке лимона содержится трёхосновная лимонная кислота, содержащая гидроксогруппу (рис. 17), а) О ОН I О в) НО—С—CHg—С—СН2—С—ОН с=о I он Рис. 17. Структурная формула (а) и пространственная модель молекулы лимонной кислоты (б), плоды лимона (в) 30 Карбоновые кислоты а при скисании молока и при квашении капусты образуется 2-гидроксопропановая кислота, называемая молочной. Физические свойства предельных монокарбоновых кислот изменяются постепенно с увеличением длины углеродной цепи. Первые одиннадцать кислот при комнатной температуре представляют собой жидкости, последуюш;ие — бесцветные воскообразные вещества. Муравьиная, уксусная и пропионовая кислоты хорошо растворимы в воде и обладают резким запахом. Например, масляная кислота пахнет прогорклым маслом. Другие жидкие кислоты также имеют неприятный запах. Ароматические карбоновые кислоты, а также дикарбоновые кислоты, например щавелевая, — твёрдые вещества. Способы получения карбоновых кислот основаны на окислении различных классов органических соединений: алке-нов, алкинов, первичных спиртов, альдегидов, гомологов бензола. Окисление альдегидов и первичных спиртов проводят с помощью подкисленных растворов перманганата калия КМПО4 или дихромата калия KgCrgO^: R—СН2—ОН Спирт 10] Ж—сн=о Альдегид [О] > R—СООН. Кислота Окислением уксусного альдегида в промышленности получают уксусную кислоту: [О] СН3СНО ^ СН3СООН. Бензойная кислота образуется при окислении бензальдегида кислородом воздуха. Её можно также получить, действуя на толуол подкисленным раствором перманганата калия: С3Н3СН3 [О] > СбНзСООН. Для отдельных кислот существуют специфические способы получения. Муравьиную кислоту НСООН получают нагреванием оксида углерода (II) с порошкообразным гидроксидом натрия под давлением и обработкой полученного формиата натрия сильной кислотой: NaOH + СО HCOONa НСООН. Уксусную кислоту получают каталитическим окислением бутана кислородом воздуха: 2С4Н10 + 5О2 ^ 4СН3СООН -ь 2Н2О. Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Химические свойства карбоновых кислот определяются в первую очередь наличием карбоксильной группы —СООН. Она включает карбонильную С=0 и гидроксильную ОН группы, которые взаимно влияют друг на друга. 8+0. —С—О^ ”5- о^ н Атом углерода карбонильной группы притягивает к себе электроны атома кислорода группы ОН. Поэтому связь между атомами кислорода и водорода в гидроксильной группе ослабляется и становится возможным отщепление протона. В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют: RCOOH ^ RCOO- + Н . Вопросы и задания 1. Напишите структурные формулы всех карбоновых кислот состава C^HgOg и назовите их по систематической номенклатуре. 2. Нгшишите структурную и молекулярную формулы простейшей ароматической кислоты. 3. Напишите структурную и молекулярную формулы простейшей двухосновной кислоты. 4. Напишите уравнения реакций, соответствующие следующей схеме: С2Н5ОН-----> X---> СН3СООН. Определите неизвестное вещество X. 5. Какие объёмы бутана и кислорода (н. у.) теоретически необходимы для получения 30 кг уксусной кислоты? X имические свойства и применение карбоновых кислот Для карбоновых кислот характерны все свойства неорганических кислот: они реагируют с активными металлами, основными оксидами, основаниями и солями более слабых кислот: 2RCOOH + Mg -2RCOOH + СаО ^(RCOO)2Mg + H2t; (RCOO)2Ca + Н2О; Ж Химические свойства и применение карбоновых кислот RCOOH + NaOH--> RCOONa + HgO; RCOOH + NaHCO, -> RCOONa + HgO + CO2I Карбоновые кислоты слабее сильных неорганических кислот (H2SO4, НС1, HNO3), поэтому последние вытесняют карбоновые кислоты из их солей: CHgCOONa + НС1 ^ СН3СООН -Ь NaCl. Спирты реагируют с карбоновыми кислотами. Эта реакция, называемая этерификацией^ значительно ускоряется в присутствии каталитических количеств серной кислоты: СНХООН -ь СНХН.ОН 4 H^SO^ Уксусная кислота Этанол t СН3СООСН2СН3 -ь Н2О. Этиловый эфир уксусной кислоты (этилацетат) При этерификации гидроксильная группа, входящая в состав молекулы кислоты RCOOH, заменяется на алко-ксигруппу OR', представляющую собой остаток спирта. Образующееся соединение RCOOR' называют сложным эфиром. В химические реакции может вступать не только карбоксильная группа, но и углеводородный радикал. При действии галогенов на кислоты в присутствии катализатора (красного фосфора) образуются галогензамещённые кислоты, причём на галоген замещается атом водорода при соседнем с группой СООН атоме углерода (а-атоме): СН3—СН2- -СООН -f- Вг. ^ СН3—СНВг—СООН -Ь НВг. Муравьиная кислота НСООН отличается от остальных кислот рядом особенностей, так как в её составе есть альдегидная группа: О II н—С—ОН. Муравьиная кислота, как и альдегиды, — сильный восстановитель. Она даёт реакцию «серебряного зеркала»: NIH НСООН -Ь Ag20 —^ 2Ag -h СО2 + Н2О. Выделяющийся углекислый газ реагирует с аммиаком из раствора и превращается в карбонат аммония (КН4)2СОз. Ж Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Муравьиная кислота впервые была выделена из лесных муравьев (отсюда и происходит её название). Она находит птирокое применение в органическом синтезе, при производстве смол, для приготовления катализаторов, при крашении тканей. Уксусная кислота широко распространена в природе. Она образуется при брожении, гниении, скисании вина и молока, при окислении многих органических веш,еств. Безводную уксусную кислоту называют «ледяной», так как она при + 17 °С затвердевает, образуя прозрачные бесцветные кристаллы, похожие на лёд. Столовый уксус содержит 6—9% уксусной кислоты. Он получается при скисании вина, т. е. при окислении этилового спирта кислородом воздуха под действием ферментов. Уксусная кислота и её производные находят широкое применение в химической промышленности в качестве растворителей и реагентов. Из уксусной кислоты получают уксусный ангидрид, различные эфиры и амиды, ацетатное волокно (ацетат целлюлозы). Бензойная кислота и её эфиры содержатся во многих эфирных маслах и бальзамах. Её натриевая соль — бензоат натрия — применяется как консервант в пипдевой промышленности и антисептик в медицине. Вопросы и задания 1. Карбоновые кислоты и альдегиды отличаются по составу всего на один атом кислорода. Как этот атом влияет на физические и химические свойства? Объясните на примере уксусного альдегида и уксусной кислоты, 2. Как можно отличить раствор уксусной кислоты от: а) раствора этилового спирта; б) соляной кислоты? 3. Напишите уравнения реакций, характеризующие уксусную кислоту. Рассмотрите реакции с натрием, гидроксидом натрия, гидрокарбонатом натрия, оксидом меди, этиловым спиртом. 4. Напишите уравнение реакции лимонной кислоты с избытком гидроксида натрия. 5. В двух пробирках находятся водные растворы фенола и уксусной кислоты. Назовите по одному веществу, которое: а) реагирует с обоими веществами; б) реагирует только с уксусной кислотой; в) реагирует только с фенолом. 6. Раствор уксусной кислоты массой 50 г нейтрализовали 10%-м водным раствором гидроксида натрия. Потребовалось 40 г раствора щёлочи. Найдите массовую долю уксусной кислоты в растворе. 34 Сложные эфиры «ложные эфиры Среди производных карбоновых кислот особое место занимают сложные эфиры R—С—О—R', II О где R и R' — углеводородные радикалы (в сложных эфирах муравьиной кислоты R — атом водорода). Эти соединения образуются в результате реакции этерификации — взаимодействия кислот со спиртами в присутствии сильной неорганической кислоты (H2SO4), играющей роль катализатора. В ходе этерификации от молекулы спирта отщепляется атом водорода, а от молекулы кислоты — гидроксильная группа ОН, которые превращаются в молекулу воды: R—С^ОН + H-^OR' H,SO, ±R—с—о—R'-bHgO. О О Символами R и R' в молекуле сложного эфира обозначены любые углеводородные заместители. Названия сложных эфиров производят от названия углеводородного радикала, входящего в состав спирта, и названия кислоты, например: Н—С—О—СЩ, II О Метилформиат (метиловый эфир муравьиной кислоты) СНд —С- -о- -С2Н5. О Этилацетат (этиловый эфир уксусной кислоты) Главное химическое свойство сложных эфиров — способность к гидролизу. При гидролизе молекула сложного эфира разрушается и образуются кислота и спирт, из которых был получен сложный эфир. Гидролиз в кислой среде обратим: RCOOR' -Ь ЩО ^ RCOOH + R'OH. В щелочной среде образующаяся кислота RCOOH превращается в соль, равновесие полностью смещается вправо, и реакция становится необратимой: RCOOR' + КОН---> RCOOK + R'OH. М, Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Гидролиз, протекающий под действием щёлочи, называют омылением. Именно так из говяжьего жира раньше получали мыло — натриевую соль стеариновой кислоты. Среди сложных эфиров наибольшее значение имеют природные соединения — жиры и масла, которые образованы трёхатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами. Жиры входят в состав растительных и животных организмов и играют важную биологическую роль. Они служат одним из источников энергии живых организмов, которая выделяется при окислении жиров. Подробно жиры будут рассмотрены в § 9. Сложные эфиры находят применение в медицине в качестве лекарственных препаратов. Так, например, широко известный болеутоляющий и жаропонижающий препарат аспирин содержит сложноэфирную группу —О—С— : О соон Эфиры низших спиртов и низших кислот — летучие жидкости с запахом разных цветов и фруктов. Пентилацетат обладает запахом бананов, изопентиловый эфир масляной кислоты — ананасов, этиловый эфир масляной кислоты — абрикосов, октилацетат — апельсинов, изопентилацетат — груш, изопентиловый эфир изовалериановой кислоты — яблок, бензилацетат — жасмина, изобутилпропионат — рома. Эти эфиры применяют в пищевой промышленности и парфюмерии как фруктовые эссенции. Сложные эфиры хорошо растворяют многие органические вещества. Этилацетат и бутилацетат используются для растворения нитроцеллюлозы, полиэфирных смол, они входят в состав лаков и эмалей. Высококипящие сложные эфиры служат пластификаторами для разнообразных полимерных материалов, например поливинилхлорида (рис. 18). Высокомолекулярный сложный эфир этиленгликоля и терефталевой (1,4-бензолдикарбоновой) кислоты — поли-этилентерефталат применяется в производстве волокна лав- ж Сложные эфиры Лекарственные средства Синтетические смолы Искусственные волокна (ацетатное волокно) Синтетические волокна (лавсан, найлон) Растворители Рис. 18. Применение карбоновых кислот и сложных эфиров сана. Сложные эфиры фталевой (1,2-бензолдикарбоновой) кислоты — дибутилфталат и диоктилфталат — пластификаторы для полимерных материалов, диметилфталат и дибутилфталат — основа многих репеллентов — средств для отпугивания насекомых. Винилацетат и метилметакрилат используются для получения полимерных материалов: поливинилацетата (клей ПВА) и полиметилметакрилата (органическое стекло). Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Вопросы и задания 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Напишите структурные формулы всех сложных эфиров состава CgHgOg и назовите их. Напишите общую формулу гомологического ряда сложных эфиров, образованных предельными кислотами и предельными спиртами. Назовите ещё один гомологический ряд с такой же общей формулой. Изобразите структурную формулу сложного эфира, изомерного уксусной кислоте. Этиловый эфир уксусной кислоты CHgCOOCgHg и масляная кислота С3Н7СООН — изомеры. Сравните их физические и химические свойства. Что у них общего и в чём различие? Напишите уравнение щелочного гидролиза простейшего сложного эфира. Напишите уравнение реакции аспирина с избытком гидроксида калия. Сложный эфир состава C4Hg02 подвергли полному гидролизу. При сгорании полученных спирта и кислоты образуется одинаковый объём углекислого газа. Напишите структурную формулу сложного эфира. Из 22,5 г сложного эфира получено 18,3 г бензойной кислоты. Установите формулу сложного эфира. .иры в энергетическом балансе живых организмов наряду с углеводами важную роль играют жиры и жироподобные вещества, которые объединяют под общим названием липиды. В организме липиды выполняют две основные функции: они служат источником энергии и являются строительным материалом для клеточных мембран. В энергетической системе организма жиры играют роль резервуара энергии. Мгновенные потребности в энергии реализуются за счёт углеводов. Однако при длительной физической активности этой энергии недостаточно, поэтому организм включает резервы и начинает потреблять жиры. При окислении 1 г жира выделяется 39 кДж (9,3 ккал) энергии. Количество жира в организме зависит от режима питания и образа жизни. Если количество энергии, поступающей в организм с углеводами и жирами, больше, чем организм расходует, избыточные жиры откладываются в мягких тка- 38 Жиры нях. При недостаточном питании организм получает энергию, окисляя жиры, накопленные ранее. У человека доля жиров составляет обычно 10—20% от общей массы. Жиры — хорошие растворители биологически активных веществ, например витаминов. Жировая ткань образует мягкую защитную прослойку, предохраняя тело от ударов и переохлаждения . По химическому строению жиры представляют собой сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и жирных кислот. Общая формула жиров: О II CHg—О—С—R О II СП—О—С—R', СНр—О—С—R" II О где R, R', R" — углеводородные остатки, которые входили в состав жирных кислот. В растениях и животных встречаются главным образом кислоты, которые содержат 16 или 18 атомов углерода (табл. 4) и имеют неразветвлённый углеродный скелет (рис. 19). Некоторые из них включают двойные связи, т. е. являются непредельными. Непредельные кис- СООН Рис. 19. Высшие жирные кислоты: стеариновая кислота С17Н35СООН (а — модель молекулы и сокращённая структурная формула; б — кристаллы); олеиновая кислота С17Н33СООН (в) ш. Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ЛОТЫ С несколькими двойными связями — линолевую, лино-леновую и арахидоновую (витамин F^) — организм человека сам синтезировать не может, и они должны поступать в него с пищей. Такие кислоты называют незаменимыми. Наиболее распространённые жирные кислоты RCOOH Таблица 4 Название кислоты Формула радикала R Число двойных связей Пальмитиновая С15Н31 — Стеариновая ^17^35 — Олеиновая ^17^33 1 Линолевая С17Н31 2 Линоленовая ^17^29 3 Строение и свойства жиров зависят от их состава. В молекулах предельных жиров углеводородные радикалы расположены параллельно друг другу (рис. 20, а), а у непредельных жиров молекулы, благодаря двойным связям, по форме напоминают трезубец (рис. 20, б). Предельные жиры при обычных условиях представляют собой твёрдые вещества, а непредельные — жидкости; их называют маслами. Температура плавления жиров растёт с увеличением доли предельных кислот. Это связано с тем, что молекулы непредельных кислот имеют изогнутую форму и при комнатной температуре непредельные жиры не могут быть плотно упакованы в кристаллическую решётку. Природные жиры представляют собой смеси индивидуальных веществ, поэтому они не имеют чёткой температуры плавления, а плавятся в некотором интервале температур. Жиры практически нерастворимы в воде, но в присутствии поверхностно-активных веществ могут образовывать с ней коллоидные растворы. Примером такого раствора является молоко: оно представляет собой эмульсию жира, стабилизированную белком. Как и для любых сложных эфиров, для жиров характерна реакция гидролиза. Гидролиз жиров происходит под действием воды в присутствии кислот или щелочей, при этом образуются глицерин и жирные кислоты: 40 Жиры CHg—О—С—R О -С О CHg—ОН СН—о—с—R +ЗН2О > СН—ОН + 3RCOOH. СН2—О—С—R О СН2—ОН При щелочном гидролизе образуются соли жирных кислот, называемые мылами. Эту реакцию называют омылением жиров. В организме жиры гидролизуются под действием ферментов в процессе пищеварения. Образующиеся жирные кислоты и глицерин проходят через стенки кишечника и затем снова реагируют друг с другом в разных сочетаниях, формируя резервные жиры. а) О CHg—О—С' I ^ I II СН —о—С' I о ' II СНо—о—С' Рис. 20. Строение жиров: а — предельный жир тристеарат (т. пл. 72 °С); б — непредельный жир (масло) триолеат (т. пл. -4 °С) 4^1 Глааа 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Жидкие жиры, в состав которых входят остатки непредельных кислот, могут присоединять водород. Этот процесс называют гидрогенизацией. Под действием водорода остатки непредельных кислот переходят в остатки предельных, а жиры из жидких превращаются в твёрдые. О СН^-О-С-С^.Нзз О II СН—О—с—С17Н33 -Ь ЗН2 СНз-О-С-С^.Нзз О О С о CHg о с С^уНз5 СН2-0-С-С17Н35 о Из твёрдых жиров получают стеарин для свечей и производят маргарин. Основные источники жиров в пище человека — сало, сливочное и растительное масло, маргарин. Содержание жирных кислот в некоторых продуктах питания приведено в таблице 5. Состав продуктов питания, содержащих жиры (в %) Таблица 5 Продукт Предельные жирные кислоты Непредельные жирные кислоты Пальмити- новая С^^Нз^СООН Стеарино- вая С17Н35СООН Олеиновая С17Н33СООН Линолевая Ci7H3iCOOH Сливочное масло 25 10 25 5 Животный жир 25 8 46 10 Кукурузное масло 10 4 35 45 Оливковое масло 5 5 80 7 Углеводы. Глюкоза В пищевом балансе жиры должны составлять не более 30% (рис. 21), причем эта доля должна равномерно распределяться между предельными, мононепредельными (олеаты) и полинепредельными (т. е. содержащими несколько двойных связей) жирами. При нарушении этого баланса и повышении доли предельных жиров увеличивается опасность атеросклероза. Рис. 21. Рекомендованный пищевой баланс человека Вопросы и задания 1. Напишите структурную формулу триолеата — жидкого жира, содержащего только остатки олеиновой кислоты. 2. Напишите структурную формулу твёрдого жира, образованного только одной карбоновой кислотой и содержащего 51 атом углерода в молекуле. 3. Напишите уравнение омыления трипальмитата под действием раствора гидроксида натрия. Назовите полученные продукты. Где они используются? 4. Какой объём водорода (в пересчёте на н. у.) может прореагировать с 1 кг триолеата глицерина? 5. Человек в сутки потребляет около 10 тыс. кДж энергии. Если бы жиры были единственным источником энергии, сколько граммов жира расходовалось бы каждый день? §10 глеводы. Глюкоза Углеводы, или сахара, — соединения с общей формулой C^CHgO)^ (m, п > 3)4 Название этого класса соединений происходит от их общей формулы: они как бы состоят из углерода и воды. Среди хорошо знакомых вам веществ к углеводам относятся глюкоза Cg(H20)g, сахароза Ci2(H20)jj и полимеры: крахмал и целлюлоза (клетчатка), которые описывают одной и той же общей формулой (Cg(H20)5)^. ^ Некоторые вещества, которые относят к углеводам, не соответствуют этой формуле, например дезоксирибоза СдН^цО^. Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Углеводы составляют основную часть органического вещества на Земле. Они входят в состав клеток и тканей всех растительных и животных организмов, где выполняют разнообразные функции: служат источником энергии, строительным материалом клеток растений, являются компонентами других биологически активных веществ — нуклеиновых кислот и некоторых витаминов. Углеводы — один из основных компонентов пищи: животные организмы сами не могут синтезировать углеводы, поэтому получают их из растительных источников. В растениях углеводы образуются из углекислого газа и воды под действием солнечного света: ЦСО2 + nHgO -> С^(Н20)^ + п02‘ Это процесс фотосинтеза. Приведённое уравнение не отражает всей его сложности: фотосинтез состоит из сотен реакций, в которых в качестве посредников выступают различные органические вещества — хлорофиллы, каротиноиды и др. (рис. 22). В850 В820 В875 Рис. 22. Фотосинтетический центр пурпурной бактерии. Молекулы каротиноидов (жёлтые) и хлорофиллов (красное, синее и зелёные кольца) поглощают свет. Полученная энергия передаётся в реакционный центр (Рд» Рв внутри красного кольца), где начинаются химические реакции. Буквой В обозначены хлорофиллы различного типа Углеводы. Глюкоза Самый известный представитель углеводов — глюкоза CgHigOg. Она содержится в сладких ягодах и фруктах. Глюкозу иногда называют виноградным сахаром, поскольку она присутствует в виноградном соке. Вместе со своим изомером фруктозой глюкоза входит в состав мёда. Содержится она и в крови человека. Именно кровь разносит глюкозу по всему организму, где она вступает в реакции окисления, сопровождающиеся выделением энергии. Глюкоза представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, сладкое на вкус и очень хорошо растворимое в воде. Раствор глюкозы имеет нейтральную среду и не проводит электрический ток, следовательно, глюкоза — неэлектролит. При нагревании она разлагается не плавясь. Строение молекулы глюкозы можно установить, изучая ее химические свойства. При добавлении раствора глюкозы к свежеосаждённому гидроксиду меди (II) наблюдается ярко-синее окрашивание — значит, глюкоза проявляет свойства многоатомных спиртов и в её молекуле есть несколько групп ОН. При более детальном исследовании выяснилось, что из шести атомов кислорода пять входят в состав гидро-ксигрупп ОН, а один — в состав альдегидной группы —СН=0. Это подтверждается тем, что глюкоза окисляется аммиачным раствором оксида серебра (реакция «серебряного зеркала»). Таким образом, глюкоза является бифункциональным соединением — она проявляет свойства как спиртов, так и альдегидов (рис. 23). а) СНр— СН—СН—СН — СН — 1^1111 он он он он он б) ф % ° % в) Рис. 23. Разные формы изображения молекулы глюкозы: а — структурная формула; б — шаростержневая модель; в — масштабная модель Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Химические свойства глюкозы довольно разнообразны: имея в своём составе два типа функциональных групп, она проявляет черты как спиртов, так и альдегидов и, кроме того, имеет специфические, характерные только для неё свойства. Мы рассмотрим только те реакции глюкозы, которые имеют биологическое значение. Для глюкозы и других углеводов характерны реакции разложения на более простые органические вещества под действием микроорганизмов. Эти реакции называют брожением; их используют для производства пищевых продуктов, алкогольных напитков и консервирования. Многие молочные продукты, такие как простокваша, йогурт или сыр, образуются путём брожения с участием молочнокислых бактерий. При этом одна молекула глюкозы превращается в две молекулы молочной кислоты: ^6^12^6 ^ 2СНя—СН—СООН. I ОН Молочная кислота Молочнокислое брожение играет важную роль при квашении капусты и силосовании кормов. Кислотная среда, образующаяся при брожении, тормозит рост бактерий и увеличивает срок хранения продуктов. При брожении углеводов могут образоваться и другие кислоты. Так, характерный вкус швейцарского сыра обусловлен образованием пропионовой кислоты. Из растительных продуктов с высоким содержанием углеводов производят алкогольные напитки. В присутствии дрожжей происходит спиртовое брожение глюкозы, которая постепенно превращается в этиловый спирт: ^6^12^6 ^ 2С2Н5ОН + 2СО2. Некоторые виды дрожжей живут на ягодах винограда, из которого делают вино. Дрожжи другого типа используют при выпечке хлеба: выделяющийся при спиртовом брожении углекислый газ разрыхляет тесто. При проведении спиртового брожения необходимо исключить доступ кислорода, поэтому тесто накрывают или проводят брожение в бочках с затвором, предотвращающим контакт с воздухом. Ж Углеводы. Глюкоза В биохимии человека основная функция глюкозы — энергетическая. Окисление глюкозы в клетках — один из источников энергии живых организмов. Эта реакция может проходить как с участием кислорода, так и без него. В присутствии кислорода (в аэробных условиях) глюкоза полностью окисляется до углекислого газа и воды: ^6^12^6 ^^2 -> 6СО2 + eHgO. Формально эта реакция противоположна реакции фотосинтеза. При отсутствии кислорода, т. е. в анаэробных условиях, глюкоза превращается в молочную кислоту, как и при молочнокислом брожении. Приведённые уравнения реакций окисления показывают только конечный результат, но не дают полного представления о сложности этих процессов. В действительности каждая реакция включает более десяти стадий, причём все они требуют участия биологических катализаторов — ферментов. При окислении глюкозы энергия непосредственно не выделяется в окружающую среду, а расходуется на синтез специального вещества — аденозинтрифосфата (АТФ) — универсального «аккумулятора» энергии в организме. При аэробном окислении одной молекулы глюкозы образуется 32 молекулы АТФ, тогда как при анаэробном — только две. Аэробное окисление под действием кислорода энергетически намного более выгодно, чем анаэробное. При последующем гидролизе синтезированной АТФ запасённая энергия может быть израсходована для осуществления других реакций в организме. Нормальное содержание глюкозы в крови человека составляет около 0,1%. У больных сахарным диабетом этот показатель намного выше. При недостатке гормона инсулина глюкоза из крови не попадает в клетки, в результате организм испытывает недостаток энергии. Повышенное содержание углеводов в крови и в моче — первый признак диабета. Один из способов измерения концентрации глюкозы основан на цветных реакциях. Как альдегид, глюкоза окисляется гидроксидом меди (II), при этом цвет меняется от голубого, характерного для меди (II), до кирпично-красного, вызванного образованием оксида меди (I) CugO: CgHigOe -ь 2Cu(OH)2-> С6Н12О7 -Ь Cu20i -ь 2Н2О. По изменению окраски раствора можно судить о количестве глюкозы. dZ. Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ В настоящее время для анализа углеводов используют более современные методы, основанные на ферментативных реакциях. Они реализуются в специальных приборах — глюкозиметрах, которые позволяют следить за уровнем глюкозы в крови в течение дня. Вопросы и задания 1. Родоначальником класса углеводов считают глицериновый альдегид CgHgOg. Составьте структурную формулу этого вещества. 2. Какие из приведённых формул могут относиться к углеводам: CgH^Og, CgH^gOj, CjgHggOjj, CgHjgOy? 3. Рассчитайте массовые доли углерода и воды в: а) глюкозе; б) углеводе состава С„(Н20)„. 4. Напишите уравнение реакции брожения глюкозы, при которой не выделяются газообразные продукты. 5. Напишите уравнения реакций, соответствующие следующей схеме превращений: CgH^gOg---->Х----^МагСОд. Определите неизвестное вещество X. 6. Какое вещество может реагировать с многоатомными спиртами, альдегидами и глюкозой? Укажите признаки этих реакций. 7. Дерево способно превращать за сутки 30 л оксида углерода (IV) в углеводы. Сколько литров кислорода (н. у.) при этом выделяется? 8. При спиртовом брожении глюкозы выделилось 22,4 л (н. у.) углекислого газа. Определите массу образовавщегося этанола. 9. Какой объём (н. у.) оксида углерода (IV) образуется при окислении 0,5 моль глюкозы? §11 ахароза Глюкоза относится к простым углеводам. Их называют также моносахаридами {моно — один). Простые углеводы нельзя превратить в ещё более простые даже с помощью гидролиза. Однако из простых углеводов можно получить более сложные. Рассмотрим эти реакции на примере глюкозы. В циклической форме глюкоза имеет одну очень активную группу ОН, которая может реагировать с группами ОН других молекул. В результате образуется вода, а остатки углеводов связываются между собой (схема 1), образуя молекулу дисахарида. Ж Сахароза Схема 1 HO-CgHjoG^ V__________ -ОН + но-IZf V___ СбНю04 -он ^6^12^6 ^6^12^6 но- CgHjoO^ V____________ -0—1 CgHjgO^ -он -Ь HgO ^12^22^11 Дисахарид также имеет активную группу ОН и в некоторых условиях может реагировать с другими молекулами углеводов, наращивая углеводную цепь. Полисахариды состоят из большого числа остатков моносахаридов. Реакции такого типа называют поликонденсацией: приставка поли означает, что образуется полимер, а слово «конденсация» означает, что в ходе реакции выделяется вода. Наибольшее значение из дисахаридов имеет сахароза С12Н22О11. Это химическое название обычного сахара, который получают экстракцией из сахарной свеклы или сахарного тростника. Неочищенный сахар содержит до 98% сахарозы и имеет коричневый цвет из-за присутствия патоки. Чистая сахароза представляет собой кристаллы белого цвета. Сахароза — один из главных источников углеводов в пище человека. Молекула сахарозы состоит из двух углеводных остатков: глюкозы и её изомера фруктозы (рис. 24). При Остаток ^ фруктозы Рис. 24. Модель молекулы сахарозы, прессованные кристаллы сахара Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ гидролизе сахарозы в кислой среде связь между этими остатками разрывается, и образуются простые углеводы: ^12^22^11 ^2^ н% t > СаНюОд -Ь CftHioOfi. Глюкоза Фруктоза Сахароза проявляет свойства многоатомных спиртов: она реагирует с гидроксидом кальция с образованием сахарата кальция. В отличие от глюкозы, в молекуле сахарозы нет альдегидной группы, поэтому она не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра, т. е. не вступает в реакцию «серебряного зеркала». Сахароза содержится практически во всех сладких пищевых продуктах. Как и глюкоза, она хорошо растворима в воде, поэтому легко переносится по организму. В кишечнике сахароза расщепляется на простые углеводы, которые затем поступают в клетки, где подвергаются окислению. Сахароза привлекает человека своим сладким вкусом. Однако она также является источником энергии, которая при избыточном потреблении запасается в виде жиров. При полном окислении 1 г сахарозы выделяется около 4 ккал энергии. Поэтому довольно часто для создания сладкого вкуса используют заменители сахара, например дипептид аспартам Ci4Hjg05N2. Благодаря более сильному сладкому вкусу 1 г аспартама может заменить 200 г сахарозы. В отличие от обычного сахара, его заменители практически не влияют на энергию организма. Сахар используют как консервант, потому что большинство микроорганизмов не могут размножаться в концентрированном растворе сахарозы (в варенье обычно около 50% сахара). А вот белковые заменители для консервации использовать нельзя, так как микроорганизмы хорошо развиваются в белковой среде. Из других известных дисахаридов отметим лактозу (молочный сахар), которая является изомером сахарозы. Лактоза — основной углеводный компонент молока. В коровьем молоке содержание её до 4,5%, а в женском — до 7,5%. Вопросы и задания 1. Каким образом раствор сахарозы можно отличить от раствора глюкозы? Укажите признак реакции. 2. Сколько молекул сахарозы может заменить одна молекула аспартама? 3. Почему сахароза хорошо растворима в воде? 4. Проводит ли раствор сахарозы электрический ток? Почему? 50 Полисахариды § 12 П олисахариды Важнейшими природными полисахаридами являются крахмал, целлюлоза и гликоген. Все они представляют собой полимеры с одинаковой общей формулой (CgHjQOg)^. Крахмал и целлюлоза имеют растительное происхождение, тогда как гликоген накапливается в печени и мышцах животных и человека. Крахмал образуется в растениях при фотосинтезе и накапливается в корнях, клубнях и семенах. Зёрна риса и пшеницы содержат 60—80% крахмала, клубни картофеля — 15—20%. По внешнему виду крахмал представляет собой мелкозернистый порошок белого цвета, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде крахмал набухает, образуя вязкий раствор, называемый клейстером. Охлажденный клейстер можно использовать в качестве клея. Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов — амилозы (-20—30%) и амилопектина (-70—80%). Оба полисахарида содержат связанные между собой остатки а-глюкозы, но отличаются формой молекул: в амилозе цепи линейные, а в амилопектине — разветвлённые, древовидные (рис. 25). Линейные молекулы амилозы содержат • •• • • •• ' : .** .• *• •* Рис. 25. Амилопектин Рис. 26. Линейная цепь амилозы свёрнута в спираль ЛL Рис. 27. Комплекс амилозы с иодом Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ 200—300 углеводных остатков. Молекула амилозы свёрнута в спираль (рис. 26), внутри которой имеется канал диаметром около 0,5 нм. В этом канале могут располагаться подходящие по размеру молекулы, например Ig (рис. 27). Так образуется соединение крахмала с иодом, имеющее ярко-синюю окраску. Амилопектин состоит из гораздо более крупных молекул: в них между собой соединены несколько десятков тысяч остатков глюкозы. Разветвлённость цепи амилопектина облегчает отщепление отдельных остатков глюкозы при гидролизе. При нагревании в кислой среде связи между остатками глюкозы разрываются и оба компонента крахмала гидролизуются. При этом образуется ряд промежуточных продуктов. Конечный продукт гидролиза — глюкоза: (СеНю05)„ + пЩО пС^Н.^Ое. Эта реакция имеет важное промышленное значение, поскольку из глюкозы затем получают этанол, молочную кислоту и другие ценные продукты. От других веществ крахмал отличают с помощью раствора иода, который окрашивает его в синий цвет. Используя эту качественную реакцию, можно обнаружить крахмал во многих продуктах питания. Крахмал в составе хлеба, картофеля, риса, кукурузы и др. — главный источник углеводов в нашем рационе питания. В промышленности его также используют для производства кондитерских и кулинарных изделий, для склеивания бумаги и тканей. В аналитической химии крахмал применяют в качестве индикатора на иод. Целлюлоза (клетчатка) — основное вещество растительных клеток. Древесина на 50% состоит из целлюлозы, а хлопок и лён — это почти чистая целлюлоза. Подобно амилозе, молекулы целлюлозы построены только из линейных цепей, но в отличие от неё содержат остатки не а-, а (3-глюкозы. К тому же молекулы целлюлозы гораздо более длинные: они состоят из десятков тысяч остатков глюкозы и могут дости- Полисахариды Микрофибрилла О-Н в-0 О-С Рис. 28. Строение целлюлозы Элементарная фибрилла гать в длину 6—8 мкм (рис. 28). Молекулярная масса целлюлозы может достигать нескольких миллионов. Природная целлюлоза обладает высокой механической прочностью, устойчива к действию многих химических веществ и почти ни в чём не растворима. Это объясняется тем, что линейные молекулы целлюлозы с помощью множества водородных связей между группами ОН объединяются в волокна диаметром до 0,1 мкм. Эти волокна можно разглядеть с помощью электронного микроскопа. Растворители не могут попасть внутрь волокон и оторвать молекулы друг от друга. По химическим свойствам целлюлоза — это многоатомный спирт. Для неё характерны реакции образования сложных эфиров. Каждое структурное звено молекулы целлюлозы CgH^oOs содержит по три группы ОН (чтобы выделить их, структурное звено записывают как СеН702(0Н)з), которые могут реагировать с азотной и уксусной кислотами с образованием сложных эфиров. При избытке реагентов образуются сложные эфиры — тринитрат и триацетат: ОН С6Н7О2-ОН ^ОН + J1 НО —NO. НО —NO. НО —NO, ONO, C6H7O2-ONO ONO, -ь ЗпНзО. Все нитраты целлюлозы горючи и взрывчаты. Особенно взрывоопасен тринитрат (техническое название — пиро- 53 Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ксилин). При обработке эфиром пироксилин превращается в желеобразную массу, из которой после испарения растворителя получают бездымный порох. Из ацетатов целлюлозы готовят лаки, негорючую киноплёнку и ацетатное волокно. Бумага, на которой напечатан этот текст, также состоит из целлюлозы. Бумага представляет собой тонкий слой волокон клетчатки, проклеенных между собой и спрессованных для создания гладкой поверхности. Для производства бумаги целлюлозу выделяют из древесины, растворяя различные примеси, содержащиеся в древесине, в водном растворе гидросульфита кальция. Освобождённую от примесей целлюлозу отделяют фильтрованием. Отходы бумажного производства содержат моносахариды, поэтому их можно использовать как сырьё для получения этилового спирта. Таким образом, основное применение целлюлоза находит в промышленности. В силу химической устойчивости целлюлозы её биохимическая роль не так велика, как у глюкозы и крахмала. Гликоген (рис. 29) представляет собой очень большой разветвлённый полимер, состоящий из остатков а-глюкозы. Концентрация гликогена в пе-чени выше, чем в мышцах, ; \ но так как масса мышц зна- \ \ : Ч, Ч* чительно превышает массу ***/*; %** печени, то и запасы гликогена у*Ч •’* ® скелетных мышцах больше. **\/ ****•••.**’ : Одна из функций печени в •Г \ ... организме — поддерживать ***** *•••* ,,, .•***•., '• **. содержание глюкозы в крови *....* * * на постоянном уровне, вы- свобождая глюкозу в кровь в интервалах между приёмами пищи или же в период мышечной активности. Высвобожденная глюкоза поглощается преимущественно мозгом и мышцами, которые нуждаются в больших количествах этого «топлива» для генерирования АТФ. Именно поэтому вплоть до настоящего времени синтез и распад гликогена в живых организмах является предметом исследований биохимиков, биологов и медиков. Рис. 29. Гликоген Амины Вопросы и задания 1. Молекулы амилозы состоят из 250 остатков глюкозы. Какова молярная масса амилозы? 2. Как доказать присутствие крахмала в продуктах питания? 3. Какой компонент крахмала реагирует с иодом? 4. Напишите схемы получения этилового спирта из картофеля и древесины. 5. Как отличить крахмал от целлюлозы по физическим и химическим свойствам? 6. Напишите общую формулу гликогена. Укажите причины, по которым гликоген остаётся объектом изучения биохимиков, биологов и медиков. §13 LMMHbl Простейшие представители азотсодержащих органических веществ — амины. Это органические производные аммиака, в которых атомы водорода частично или полностью замещены углеводородными радикалами. В зависимости от количества атомов водорода в аммиаке, замещённых радикалами, различают первичные, вторичные и третичные амины. R—NH. •• ^ Первичные амины R—NH—R' • • Вторичные амины R" I R—N—R' • • Третичные амины Простейшие амины — метиламин CHgNHg, диметиламин (СНз)2МН и триметиламин (СНз)зК — газообразные вещества, остальные амины при комнатной температуре находятся в жидком или твёрдом состоянии. Метиламин и этиламин пахнут аммиаком, диметиламин и триметиламин — рыбой. Все жидкие амины имеют неприятный запах. Низшие амины растворимы в воде. Амины образуются при различных бактериальных процессах. Так, метиламин и его ближайшие гомологи содержатся в селёдочном рассоле, триметиламин — в гниющей рыбе. Диамины путресцин (1,4-диами-нобутан) H2N(CH2)4NH2 и кадаверин (1,5-диаминопентан) Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ H2N(CH2)5NH2 образуются в разлагающемся мясе и придают ему неприятный запах. Амины получают, действуя аммиаком на галогенпроиз-водные углеводородов: NH3 + RC1 -NH3 + 2RC1 -NH3 + 3RC1 ->RNH2 + HC1; -> R2NH + НС1; ^R3N + HC1. Первичные амины образуются также и при восстановлении нитросоединений: RNO2 -ь ЗН2 ^RNH2-b2H20. Для проведения этой реакции используют цинк в растворе кислоты или алюминий в растворе щёлочи. Простейший из ароматических аминов — анилин CeH5NH2 — был впервые получен русским химиком Н. Н. Зининым восстановлением нитробензола сульфидом аммония. Эта реакция сейчас носит имя учёного. Амины — органические основания. Подобно аммиаку, они взаимодействуют с кислотами, образуя соли, аналогичные солям аммония: NH3 + НС1 CH3NH2 НС1 - NH4C1; ^[СНзМНз]С1. Соли аминов — твёрдые вещества, многие из которых хорошо растворимы в воде. Щёлочи превращают соли аминов в свободные амины подобно тому, как из солей аммония щёлочи вытесняют аммиак. [СНзКНз]С1 -Ь NaOH СНзМНзГ -Ь NaCl -Ь Н2О. Предельные амины — более сильные основания, чем аммиак. Их водные растворы окрашивают фенолфталеин в малиновый цвет, что свидетельствует об образовании гидро-ксид-ионов: RNH2 -Ь Н2О ^ ^ RNH^ -ь ОН-. Анилин — более слабое основание, чем аммиак, из-за влияния бензольного кольца на атом азота. Он не изменяет окраски фенолфталеина. Некоторые реакции аминов происходят с участием углеводородных радикалов. Так, анилин легко вступает в реак- 56 Амины ции замещения в бензольном кольце. Подобно фенолу, он реагирует с бромной водой, образуя белый осадок 2,4,6-трибром-анилина: NH. NH. ^2 'О] +ЗВг2------> 'ТОТ" i + 3HBr. Вг 2,4,6-Триброманилин При сгорании аминов образуются углекислый газ, азот и вода. Окисление анилина раствором перманганата калия приводит к образованию красителя анилинового чёрного. Простейшие амины (метиламин, диметиламин, диэтил-амин) используют для получения различных лекарственных препаратов. Анилин служит сырьём для производства анилиновых красителей, лекарственных веществ. 1,6-Диамино-гексан в огромных количествах применяют в производстве полимерного волокна найлона. Зинии Николай Николаевич (1812-1880) Русский химик-органик. Окончил физико-математический факультет Казанского университета, работал в Казани и Санкт-Петербурге, Изучая методы направленного окисления и восстановления органических соединений, открыл метод получения ароматических аминов (реакция Зинина). Впервые синтезировал этим методом анилин (1842) и другие ароматические амины, заложив основы производства синтетических красителей. Большое внимание учёный уделял достижениям химии в промышленности, в том числе и военной. Он разработал метод синтеза нитроглицерина из глицерина с использованием концентрированной азотной кислоты. Научную работу Зинин успешно сочетал с общественными обязанностями. Он выступил организатором Русского химического общества и стал его первым президентом. Зинин основал большую научную школу, из которой вышел выдающийся российский химик А. М. Бутлеров. Научные заслуги Н. Н. Зинина были признаны химиками всего мира. Знаменитый немецкий химик А. В. Гофман говорил: «Если бы Зинин не сделал ничего более, кроме превращения нитробензола в анилин, то и тогда его имя осталось бы записанным золотыми буквами в истории химии». Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Вопросы и задания 1. Напишите формулы всех аминов, молекулы которых содержат 7 атомов водорода. Укажите тип каждого амина. 2. Установите формулу амина, если известно, что он содержит 19,2% азота по массе. 3. Простейший амин (метиламин) — газ, а простейший спирт (метанол) — жидкость. Чем это вызвано? 4. Как отличить метиламин от метана? 5. Как отличить раствор метиламина от раствора анилина? Укажите реагент и признак реакции. 6. Предложите способ получения метиламина из метана с использованием неорганических реагентов по схеме: СН. ■>Х -^CHgNHg. 7. 8. 9. соль Определите вещество X. Напишите уравнения реакций по схеме: амин ---> амин----> углекислый газ. При восстановлении 100 г нитробензола получили вдвое меньшую массу анилина. Рассчитайте выход реакции восстановления. Напишите уравнения реакций, соответствующие следующей схеме превращений: aH.NOo ^ C«H.NH, ■^CgHsNHgCl. 10. В двух пробирках находятся водные растворы фенола и анилина. Назовите по одному веществу, которое: а) реагирует с обоими веществами; б) реагирует только с анилином; в) реагирует только с фенолом. Напишите уравнения реакций. 11. Какая масса осадка образуется при действии на 9,3 г анилина избытка бромной воды? §14 АМИНОКИСЛОТЫ Многие биологически активные молекулы содержат несколько химически различных функциональных групп, способных взаимодействовать между собой или с функциональными группами других молекул. Вы уже знакомы с глюкозой, которая проявляет свойства как многоатомных спиртов, так и альдегидов. Другой важный пример бифункциональных природных соединений — аминокислоты. В состав Ж Аминокислоты аминокислот входят аминогруппа —NHg и карбоксильная группа —СООН. Наибольшее значение для биохимии имеют так называемые а-аминокислоты, у которых обе функциональные группы связаны с одним и тем же атомом углерода. Обш;ая формула а-аминокислот: а-Атом углерода О H„N — СН — С I \ а-Аминогруппа' R ^Карбоксильная группа ОН J Боковая цепь где R — атом водорода или группа атомов. Простейшая аминокислота — глицин, или аминоуксусная кислота: H2N—CHg—СООН. Глицин Все природные аминокислоты, входящие в состав белков, имеют тривиальные названия. Некоторые из них перечислены в таблице 6. Некоторые природные а-аминокислоты Таблица 6 Аминокислота Сокращённое обозначение —R Глицин Gly -H Аланин Ala -CH3 Валин Val -СН(СНз)2 Цистеин Cys —СНз—SH Серин Ser —CH2—OH Фенилаланин Phe -CH2-C6H5 В живых организмах аминокислоты выполняют множество функций. Они являются структурными элементами пептидов, белков и других природных соединений, например антибиотиков. Некоторые аминокислоты выполняют сигнальные функции, т. е. химическим способом передают сигналы соседним клеткам. Кроме того, аминокислоты — это жизненно важные компоненты питания. Некоторые из них принимают участие в обмене веществ, например служат донорами азота. Ж Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Аминокислоты получают гидролизом белков или синтезируют из соответствующих карбоновых кислот. Их используют как лекарственные средства в медицине или как пищевые добавки к сельскохозяйственным кормам. Аминокислоты — это органические амфотерные соединения. Они содержат в составе молекулы две функциональные группы противоположного характера: аминогруппу с основными свойствами и карбоксильную группу с кислотными свойствами. Как кислоты, аминокислоты реагируют с основаниями: HgN—СНз—СООН + NaOH > HgN—CHg—COONa + ЩО, a как амины — с сильными кислотами: HgN—CHg—СООН + НС1 ^ C1[H3N—CHg—СООН]. Амфотерные свойства аминокислот проявляются и внутри их молекул, без участия посторонних веществ. Группа СООН может отщеплять ион водорода Н % а группа NHg — присоединять его, поэтому в молекуле происходит перенос протона и образуется двойной (биполярный) ион: азотный конец молекулы заряжен положительно, а углеродный — отрицательно (рис. 30). а) NH СНо—СН—СН—С I ОН о—н NH. I ■ СН,—СН—СН—С О' он о Рис. 30. Образование биполярного иона аминокислоты треонина (а — структурные формулы; б — пространственные модели молекул) Ж Аминокислоты Н О vAaatN\ Н R R Л н N I Н н I О Н R Н II \f I О R Л н о С(/хала. .^V R Н f Q. Рис. 31. Строение пептидной цепи и её отдельное звено В виде биполярных ионов аминокислоты существуют в твёрдом виде и в водном растворе. Физические свойства аминокислот характерны для веществ с ионным типом связи: они представляют собой твёрдые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и малорастворимые в органических растворителях. Многие из них имеют сладкий вкус. Для обнаружения аминокислот используют очень чувствительную качественную реакцию с органическим веществом нингидрином. Со всеми а-аминокислотами, независимо от состава боковой цепи R, нингидрин образует соединения сине-фиолетового цвета. Эту реакцию можно применять для анализа отпечатков пальцев, так как выделения кожи всегда содержат небольшие количества аминокислот. Существуют и некоторые специфические качественные реакции. Так, например, аминокислоты, содержащие в боковой цепи бензольное кольцо, реагируют с концентрированной азотной кислотой, при этом образуются соединения, окрашенные в жёлтый цвет. Эту реакцию называют ксанто-протеиновой (от греч. ксйнтос — жёлтый). Особые свойства аминокислот связаны с одновременным присутствием в их молекулах обеих функциональных групп. Так, при определённых условиях группа СООН одной молекулы может реагировать с группой NHg другой молекулы. При этом отщепляется молекула воды и образуется продукт, в котором остатки аминокислот связаны так называемой пептидной связью —СО—NH— (рис. 31). H.N—СН—С^ОН -Ь H-^NH—СН—С—ОН ^ I ML — _ _ _ _J I II R о Аминокислота 1 R' О Аминокислота 2 Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Пептидная связь ^ HgN—СН—С—NH—СН—С—ОН + ЩО. R О О R' Дипептид Продукт реакции называют дипептидом (рис. 32). Как и аминокислоты, он также содержит две функциональные группы —NHg и —СООН и может реагировать епдё с одной молекулой аминокислоты, образуя трипептид. Процесс удлинения пептидной цепи может происходить многократно и приводить к веществам с очень большой молекулярной массой — полипептидам. Белки — это природные полипептиды. В их состав входит 20 аминокислот. Структуру пептидов, содержащих большое число остатков аминокислот, записывают в сокращённом виде с использованием обозначений, приведённых в таблице 6. Например, приведённый на рисунке дипептид, состоящий из остатков серина и валина, обозначают; Ser-Val. Многие пептиды, состоящие даже из небольшого числа аминокислотных остатков, способны проявлять биологическую активность. Вопросы и задания 1. Какие вещества называют аминокислотами? Приведите примеры. 2. Из перечисленных молекул укажите те, которые соответствуют аминокислотам: а) HgN—СН2—СООН; в) НО—CHg—СО—NHg; NH. г) HpN—СН—СООН. СН, Л2. Белки 3. 4. 6. 7. 8. Объясните, почему низшие карбоновые кислоты при обычных условиях — жидкости, а аминокислоты — твердые вещества. Напишите в общем виде уравнения реакций а-аминокислот с гидроксидом калия и азотной кислотой. Как отличить раствор глицина (аминоуксусной кислоты) от раствора уксусной кислоты? Укажите признак реакции. Почему кожа желтеет при попадании на нее азотной кислоты? Определите, какой дипептид на рисунке 32. Изобразите структуру дипептида, образованного двумя остатками глицина. Молярная масса некоторой аминокислоты равна 89 г/моль. Чему равна молярная масса дипептида, состоящего из остатков только этой аминокислоты? §15 елки Белки — это природные высокомолекулярные соединения, полипептиды, состоящие из остатков аминокислот, которые соединены друг с другом пептидными связями. Белки входят в состав всех живых организмов. В человеческом организме они выполняют самые разнообразные функции, о которых вы подробно узнаете в курсе биологии. Важнейшие из них перечислены в таблице 7. Важнейшие биологические функции белков Таблица 7 функция Тип Пример Катализируют химические реакции Ферменты Пепсин Регулируют процессы жизнедеятельности Гормоны Инсулин Переносят кислород и другие Транспортные Гемоглобин вещества в организме белки Воспринимают и передают сигналы Рецепторы Родопсин Образуют структуру клеток и тканей Структурные белки Коллаген Защищают организм от инфекций Защитные белки Антитела ш. Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Все без исключения химические реакции в организме протекают в присутствии специальных катализаторов — ферментов. Все известные ферменты представляют собой белковые молекулы. Белки — очень эффективные и селективные катализаторы. Они ускоряют реакции в миллионы раз, причём для каждой реакции существует свой специальный фермент. Например, ферменты класса пепсинов участвуют в процессе пищеварения: в желудке они расщепляют пептидные связи в белках, поступающих с пищей. Многие белки выполняют функции гормонов — веществ, регулирующих процессы жизнедеятельности. Простейшие гормоны состоят из остатков всего трёх аминокислот, т. е. являются трипептидами. Гормон инсулин, который синтезируется в поджелудочной железе, регулирует содержание сахара в крови. Другой известный гормон — соматотропин — является гормоном роста: он стимулирует рост костей, тканей и усиливает синтез белков. Некоторые белки выполняют транспортные функции и переносят молекулы или ионы в места синтеза или накопления. Например, содержащийся в крови белок гемоглобин переносит кислород к тканям и уносит от них углекислый газ, а белок миоглобин запасает кислород в мышцах. Белки, входящие в состав клеточных мембран, образуют ионные каналы и помогают клеткам обмениваться ионами натрия и калия с окружающей средой. Белки-рецепторы воспринимают и передают сигналы, поступающие от соседних клеток или из окружающей среды. Например, действие света на сетчатку глаза воспринимается белком родопсином. Белки — это строительный материал клеток. Из них построены опорные, мышечные, покровные ткани. Они отвечают за поддержание формы и стабильности клеток и тканей. Например, основным компонентом мышечной ткани является белок миозин. Другой важный структурный белок — коллаген (рис. 33): на его долю приходится около 25% от общего количества белков в организме. Он входит в со- Рис. 33. Структура белка коллагена м. Рис. 34. Первичная структура белка став кожи, сухожилий, кровеносных сосудов. Коллаген состоит из нескольких тысяч аминокислотных остатков; его молекула имеет форму тройной спирали. Белки составляют часть иммунной системы организма, которая защищает его от возбудителей болезней. Связывание чужеродных веществ с целью их дальнейшей трансформации осуществляется с помощью специальных белков — антител. Белки очень разнообразны по составу и строению, однако в их структуре есть общие черты. В первую очередь свойства белков зависят от того, в какой последовательности аминокислотные остатки соединяются друг с другом. Такую последовательность называют первичной структурой белка (рис. 34). Установление первичной структуры белков — важная научная задача. Первый белок, у которого была расшифрована первичная структура, — инсулин. Он содержит всего 51 аминокислотный остаток, но на установление его структуры английскому биохимику Ф. Сангеру потребовалось 10 лет. Большинство белков в человеческом организме содержат несколько сотен аминокислотных остатков, а моле- ш. Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ кулярная масса белков может принимать значения от тысячи до миллиона. Полипептидная цепь обычно свёрнута в спираль (у коллагена — тройная спираль) или приобретает складчатую форму (рис. 35). Так образуется вторичная структура белков, ко- а) Л с=0.. \ H--N H-N \ , / R \ ^СН С=0" с \ ' с=о- H-N •H-N ч / СН ’ с=о \ / с=о HC//..R \ С = 0^“.... б) н I о i- R R ^СН\ СН С N ^ II I О н н I - , . С;Н С II О V СН / сн^ с II 9 н II СН' qH. R ■r h .R О II CH\ N I H .R 0 4L -CH^ N I H о CH H I 11 ^ ' ^CH'^ ^N' I R H R О да. ^C'^ ^CH /СН'- /Cv • H - H I R CHv C N II I 9 R H о II c. 0 9 H •сИ' T? R M о H Рис. 35. Типы вторичной структуры белка: а — спираль; б — складки Ж Белки торая приобретает особую устойчивость благодаря дополнительному связыванию между фрагментами пептидных связей (показаны на рисунке точками). Спираль или складки обычно имеют довольно большую длину и определённым образом скручены в пространстве. Порядок их размеш;ения называют третичной структурой (рис. 36). У некоторых белков различные полипептид-ные цепи могут объединяться друг с другом, образуя четвертичную структуру — высший уровень организации белка. Несмотря на сложность молекул белков, их синтез в клетках живого организма происходит очень быстро, всего за несколько секунд. Живые клетки — это хорошо организованные «фабрики», в которых чётко налажена система поставки сырья (аминокислот) и технология сборки. Под действием различных факторов белки могут разлагаться, превращаясь в более простые молекулы. Разрушение пространственной структуры белка с сохранением его первичной структуры, т. е. без разрыва пептидных связей, называют денатурацией. Она происходит при нагревании или изменении кислотности среды, действии излучения (рис. 37). Денатурация бывает обратимой и необратимой. Пример необратимой денатурации — свёртывание яичных белков при варке яиц. Необратимая денатурация может быть также вызвана образованием нерастворимых веществ при действии на белки солей тяжёлых металлов — свинца или ртути. Другое химическое свойство белков — способность к гидролизу в кислой среде или под действием ферментов. При Рис. 36. Третичная структура белка миоглобина (красным цветом выделен гем — комплексное соединение железа, которое отвечает за связывание кислорода) м. Глава 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Рис. 37. Денатурация белка при нагревании гидролизе пептидные связи разрываются и происходит расщепление пептидной цепи с образованием белков с меньшей молекулярной массой или аминокислот, составлявших белок. Белки жизненно необходимы любому организму и являются поэтому важнейшей составной частью продуктов питания. В процессе пищеварения белки под действием ферментов гидролизуются до аминокислот, которые служат исходным сырьём для синтеза других белков, необходимых данному организму. Существуют такие аминокислоты, которые организм не в состоянии синтезировать сам и получает их только с пищей. Эти аминокислоты называют незаменимыми. Из 20 аминокислот, составляющих белки, незаменимыми являются 8. Вопросы и задания 1. Какие функции выполняют в организме белки? Перечислите некоторые из них и приведите примеры. 7. Что представляют собой первичная и вторичная структуры белков? 3. Сколько аминокислотных остатков содержит белок, изображённый на рисунке 34? 4. Что такое денатурация белков? Какие факторы её вызывают? 5. Обратима или нет денатурация белка, происходящая при варке яиц? Объясните. Самое важное в главе 1 Спирты — производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильную группу (ОН-группу). Спирты — очень ела- м. Самое важное в главе 1 бые кислоты: они не вступают в реакцию нейтрализации с щелочами, но реагируют с щелочными металлами. В зависимости от условий отщепление воды от спиртов может приводить к образованию алкенов или простых эфиров. При окислении первичных спиртов образуются сначала альдегиды, а затем карбоновые кислоты. Спирты используют в химической промышленности для производства лекарственных препаратов и применяют как растворители органических веществ. Многоатомные спирты — этиленгликоль и глицерин — по химическим свойствам подобны одноатомным спиртам. Образование интенсивной синей окраски в реакции со свежеосаждённым гидроксидом меди (II) — качественная реакция на многоатомные спирты. Многоатомные спирты применяют как антифризы, растворители, исходные вещества для производства синтетических волокон и пластмасс. Фенол — органическое вещество, в котором гидроксильная группа связана с бензольным кольцом. Фенол — более сильная кислота, чем спирты: он реагирует не только с щелочными металлами, но и с щелочами. Реакции замещения в бензольном кольце фенола протекают значительно легче, чем в ароматических углеводородах. Фенол используется для производства лаков, красок и пластмасс. Альдегиды — соединения, в которых карбонильная группа ^С=0 связана с одним углеводородным радикалом и атомом водорода. В кетонах карбонильная группа соединена с двумя углеводородными радикалами. При восстановлении альдегидов и кетонов образуются спирты. Реакции окисления характерны для альдегидов, которые легко окисляются в карбоновые кислоты, например под действием аммиачного раствора оксида серебра (реакция «серебряного зеркала»). Карбоновые кислоты — соединения, содержащие карбоксильную группу СООН. Для них характерны все обычные свойства кислот. Карбоновые кислоты реагируют со спиртами с образованием сложных эфиров. В хи- Глаша 1. КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ мические реакции может вступать не только карбоксильная группа, но и углеводородный радикал. Карбоновые кислоты находят широкое применение в органическом синтезе, в производстве синтетических и искусственных волокон, лекарственных препаратов. Сложные эфиры — производные карбоновых кислот, в которых гидроксильная группа ОН замещена группой OR. Главное химическое свойство сложных эфиров — способность к гидролизу. При гидролизе молекула сложного эфира разрушается и образуются кислота и спирт, из которых был получен сложный эфир. Сложные эфиры являются хорошими растворителями для многих органических веществ. Они находят применение в медицине и парфюмерии. Жиры — сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и карбоновых кислот. Предельные жиры при обычных условиях представляют собой твёрдые вещества, а непредельные — жидкости; их называют маслами. В организме жиры служат резервным источником энергии и являются строительным материалом для клеточных мембран. У человека доля жиров составляет 10— 20% от общей массы. Организм человека состоит на 99% из четырёх элементов — водорода, углерода, азота, кислорода. Наиболее важные классы веществ в организме — углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты. Углеводы составляют основную часть орга- нического вещества на Земле и выполняют энергетические и строительные функции. В растениях углеводы образуются в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды, в животные организмы углеводы поступают с пищей. Важнейшие углеводы — глюкоза, сахароза, крахмал, целлюлоза, гликоген. Глюкоза CgHigOg — простой углевод, моносахарид. Ее основная функция — энергетическая. Окисление глюкозы (как с участием кислорода, так и без него) — один из источников энергии живых организмов. Сахароза С12Н22О11 — дисахарид, один из главных источников углеводов в пище человека. При гидролизе сахарозы образуются глюкоза и фруктоза. 70 Самое важное в главе 1 Важнейшие природные полисахариды — крахмал, целлюлоза, гликоген, их обпдая формула (CgHjoOg)^. Полимерные цепи этих веществ состоят из остатков глюкозы; в целлюлозе цепи — только линейные, а в крахмале более 70% — разветвлённые. Гликоген — разветвлённый полимер животного происхождения. При полном гидролизе полисахаридов образуется глюкоза. Крахмал в составе хлеба, картофеля, риса, кукурузы — главный источник углеводов в рационе питания. Целлюлоза — основное вещество растительных клеток, она входит в состав хлопка, древесины. Из целлюлозы изготавливают волокна и пленки. Амины — это органические производные аммиака, в которых атомы водорода частично или полностью замещены углеводородными радикалами. Амины — органические основания. Они взаимодействуют с кислотами, образуя соли, аналогичные солям аммония. Предельные амины — более сильные основания, чем аммиак. Ароматический амин анилин CgHgNHg — более слабое основание, чем аммиак, из-за влияния бензольного кольца на атом азота. Подобно фенолу, он легко вступает в реакции замещения в бензольном кольце. Амины используются в производстве полимеров и лекарственных препаратов. Анилин — сырьё для производства анилиновых красителей. Аминокислоты — это органические амфотерные соединения, они проявляют как кислотные, так и основные свойства. Белки — это природные высокомолекулярные соединения, состоящие из остатков аминокислот, соединённых пептидными связями. В организме белки играют роль катализаторов, гормонов, рецепторов, выполняют транспортные и строительные функции. Свойства белков определяются последовательностью аминокислот (первичная структура) и пространственным расположением атомов (вторичная и третичная структуры). Информация о первичной структуре всех белков организма содержится в молекулах ДНК. ZI ГЛАВА 2 Химия в жизни и обществе § 16 X имия пищи Изучая основы биохимии, вы познакомились с белками, жирами и углеводами, которые необходимы для жизнедеятельности каждого животного организма. В пищеварительном тракте белки, поступающие с пищей, под действием фермента пепсина гидролизуются, превращаясь в смесь аминокислот, из которых человеческий организм строит свои собственные белки. Суточная потребность человеческого организма в белках оценивается в 85—100 г. Значительное количество белков содержится в мясе, рыбе, хлебе, сое, кисломолочных продуктах (сыре, твороге), грибах. Большинство растительных белков содержат недостаточное количество незаменимых аминокислот. Основным источником животного белка служат мясопродукты, на долю белка в них приходится до одной пятой части массы. Мясо представляет собой мышечную ткань, состоящую из волокон, между которыми находится жидкость. Волокна связаны между собой мембранами соединительной ткани, состоящей из белков, богатых оксипролином, но обеднённых цистином и триптофаном. Чем ниже количество соединительной ткани, тем выше качество мяса. При термической обработке мяса (варке, жарке, запекании) происходит денатурация белков мышечной ткани. В структуру белков соединительной ткани (коллагена) проникает вода, что приводит к же латинизации. Мясо становится более мягким, легче усваивается организмом. В результате термообработки гибнут болезнетворные бактерии, которые могли попасть в продукт при его хранении. Выделяемый из костей, хрящей и сухожилий животных желатин представляет собой смесь линейных полипептидов, состоящих из 18 амино- Химия пищи кислот. Благодаря низкой молекулярной массе он растворяется в горячей воде, а при охлаждении концентрированных растворов образует гель. Это качество используют в домашних условиях для приготовления заливного, холодца, фруктовых желе. Большое место в питании занимают углеводы, поступающие в организм человека главным образом с растительной пищей. Организм человека легко усваивает моно- и дисахариды, хорошо растворимые в воде, труднее — крахмал. Поступающие с пищей целлюлоза и пектиновые вещества с точки зрения питательной ценности являются балластными — они целиком выводятся из организма человека. В то же время они способствуют продвижению пищи по желудочно-кишечному тракту, выведению холестерина, удаляют токсичные вещества или препятствуют их связыванию. Основной полисахарид, используемый в питании, — крахмал — составляет примерно 80% от всех углеводов, поступающих с пищей. Крахмалом богаты картофель, злаки (рис. 38). В организме человека под действием комплекса ферментов крахмал превращается в глюкозу, которая и усваивается организмом. Избыток глюкозы полимеризуется, превращаясь в полисахарид гликоген, хранящийся в печени и мышцах. Потребность человеческого организма в углеводах связана с его энергетическими затратами — в дневные часы, при интенсивной физической или умственной работе она существенно выше, чем во время вечернего отдыха или сна. Поэтому врачи рекомендуют основное количество пищи принимать в дневные часы, а вечером довольствоваться лишь лёгким ужином, в противном случае значительная часть углеводов не подвергается окислению, а откладывается про запас, что приводит к ожирению. Рис. 38. Крахмал (а) и его отдельные частицы под микроскопом (б) 1R. Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕСТВЕ Говоря об углеводах, отметим некоторые химические реакции с их участием, протекающие при производстве кондитерских изделий. Нагревание сахарозы при температуре 200 °С приводит к частичному её распаду на глюкозу и фруктозу (такой продукт называют инвертным сахаром). При отщеплении от молекулы сахарозы двух молекул воды образуется светло-жёлтый карамелан Cj2HjgOg, а при более высокой температуре — ярко-коричневый карамелей CggHggOgs-Эти реакции происходят при производстве карамели, а в домашних условиях — в процессе приготовления «жжёного сахара ». Высокая концентрация сахара вызывает разрушение бактериальных клеток, поэтому продукт может длительно сохраняться. По этой же причине годами хранятся варенье, джем и другие домашние заготовки. При консервировании овощей разрушение бактерий происходит за счёт высокой концентрации соли. Некоторые типы микроорганизмов (бруцеллы) способны выжить в таких условиях, но гибнут в кислотной среде. Чтобы избежать бруцеллёза, прибегают к маринованию и добавлению консервантов (бензоата натрия и др.). Сырые овощи практически не содержат жиров, но богаты крахмалом, клетчаткой, витаминами и минеральными солями. При варке овощей разрушаются оболочки клеток, происходит денатурация белков, клейстеризация крахмала. Это улучшает усвояемость продукта, который теряет жёсткость. Однако при варке происходит разрушение витаминов, минеральные вещества переходят в воду. При жарке картофеля происходит взаимодействие углеводов с аминокислотами белков с образованием меланоидинов — тёмноокрашенных соединений, которые и придают характерный цвет и вкус румяной корочке. Третьим важнейшим классом биологически активных веществ являются жиры, с которыми вы уже знакомы. Сливочное масло представляет собой эмульсию воды в жире, на долю которого обычно приходится около 80% по массе. Его производят из сливок, массовая доля жира в которых превышает 30%. Сливки условно можно представить как эмульсию жира в воде. В процессе механического сбивания капли жира сначала растягиваются, а затем превращаются в плёнки, которые обволакивают капельки воды. Таким образом, капли воды теперь распределены в твёрдом 74 Масло Вода Химия пищи Масло Вода 6 "о ю о о со. i ' б ООО о ОО о о о о"" Рис. 39. Процесс перехода прямой эмульсии в обратную при производстве сливочного масла жире. Содержание воды в масле обычно составляет 16—20% (рис. 39). Готовя пищу, ни одна хозяйка не может обойтись без растительного масла, получаемого из семян подсолнечника. Оно представляет собой бледно-жёлтую жидкость, окраска которой вызвана содержанием каротиноидов, стеринов и других природных красителей. При понижении температуры до 2—4 °С она затвердевает, однако этот процесс, как и в случае других жиров, происходит постепенно. Подсолнечное масло нерастворимо в воде, но растворимо в органических растворителях — гексане, бензине. Сырой продукт, полученный прессованием, содержит примеси, придающие ему яркую окраску и запах. Для их удаления проводят рафинирование, заключающееся в обработке масла горячей водой, вымораживании, нейтрализации свободных жирных кислот. В питании используют как рафинированный, так и нерафинированный продукт. Часть подсолнечного масла подвергают гидрированию. При этом образуется гидрогенизированный жир — саломас, отличающийся от исходного масла более высокой температурой плавления, твердостью, менее подверженный про-горканию. Его используют для производства маргарина, который представляет собой застывшую эмульсию воды в саломасе. Производство маргарина осуществляют путем смешения жировой и водной основ. Жировую основу составляют из нескольких видов саломаса с различными температурами плавления, растительного масла, эмульгаторов, красителей. Помимо маргарина, на основе растительного масла производят также майонезы, используемые в качестве приправы к различным блюдам. Они представляют собой эмульсии подсолнечного масла в воде, но содержат так- 2^ Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕСТВЕ же эмульгаторы (сухое молоко, яичный порошок), соль, сахар. При длительном хранении жиры прогоркают — появляется неприятный вкус и запах. Все это следствие гидролиза и окисления. Особенно легко подвержены окислению масла, содержащие остатки ненасыщенных жирных кислот. При контакте с воздухом они частично растворяют кислород, а затем постепенно взаимодействуют с ним. Некоторые масла, например льняное, при этом затвердевают за счёт образования полимера, содержащего мостиковые атомы кислорода. Благодаря этому их используют в масляной живописи для приготовления красок. Краска представляет собой взвесь одного или нескольких пигментов в масле. В течение нескольких дней масло высыхает, покрываясь прозрачной полимерной плёнкой, которая и предохраняет пигмент от разрушения. Пример твёрдого растительного жира — какао-масло, оно представляет собой бесцветное вещество с запахом шоколада. Его, наряду с какао-порошком, выделяют при переработке какао-бобов. В отличие от подавляющего большинства жиров, какао-масло плавится при определённой температуре (34 °С), так как содержит триглицериды, в состав которых входят остатки карбоновых кислот со сходной молекулярной массой. При производстве шоколада в расплав какао-масла добавляют сахар, эмульгатор (лецитин), какао-порошок (рис. 40). В коровьем молоке содержится примерно 3,2% белка и от 2,7 до 6,0% жира. Цельное молоко имеет едва заметный желтоватый оттенок, который исчезает при разбавлении его во- Рис. 40. Какао-бобы (а), какао-порошок (б), какао-масло (в), шоколад (г) 7в Химия пищи дой. С целью уничтожения болезнетворных микроорганизмов молоко пастеризуют — подвергают кратковременной тепловой обработке. Это позволяет сохранить большую часть витаминов, которые разрушаются при кипячении. Молоко содержит все необходимые для человеческого организма питательные вепдества, в том числе элементы фосфор и кальций, важные для роста костей. Именно поэтому пить молоко настоятельно рекомендуют детям и подросткам. Интересно, что организм некоторых взрослых людей не может воспринимать молоко, его приём приводит к дискомфорту, болям в желудке. Это обусловлено тем, что в организме некоторых людей отсутствует фермент лактаза, гидролизуюпдий содер-жапдийся в молоке молочный сахар — лактозу. Лактоза, накапливаясь в желудочно-кишечном тракте, служит питательной средой для молочнокислых и гнилостных бактерий. Важнейшую часть молочного белка составляет казеин, который сворачивается при подкислении молока до pH = 4,6. Другие белки — глобулины — при этом остаются в молочной сыворотке. Казеин — основная составная часть творога, который получают свёртыванием сквашенного молока молочной кислотой. Аналогичную операцию проводят и на начальном этапе производства сыра. При отсутствии свежего молока его можно заменить сухим. Оно представляет собой порошок, состоящий из отдельных шариков жира, равномерно распределённых в аморфной лактозе и белке (рис. 41). К числу молочных продуктов относят и мороженое. Оно представляет собой сложную коллоидную систему, состоящую из кристалликов льда, жировых шариков, пузырьков воздуха, а также углеводов — сахарозы, лактозы. Для улучшения вкуса в молочную смесь перед замораживанием вводят пищевые Рис. 41. Сухое молоко (а) и строение частицы (б) ZZ Глава 2. ХИМИЯ Б ЖИЗНИ И ОБЩЕСТВЕ Кристаллик льда Шарик жира Пузырёк воздуха стабилизаторы, обладающие способностью связывать воду, тем самым увеличивая устойчивость эмульсии (рис. 42). Кисломолочные продукты — кефир, ряженка, сметана, простокваша — пользуются в России большим спросом. В основе их производства лежит молочнокислое брожение лактозы под действием разных микроорганизмов: ^12^22^11 ^2^ Рис. 42. Микрофотография мороженого Лактоза ---> 4СНзСН(ОН)СООН. Молочная кислота В незначительной степени происходит также и спиртовое брожение, например в кефире может присутствовать до 0,03% (об.) спирта. Такая концентрация алкоголя не может нанести вред здоровью. Сыр получают из молока путем свёртывания белков под действием сычужного фермента. Его название происходит от слова «сычуг» — часть желудка жвачных животных, из которого готовят фермент. Полученный сгусток формуют в сырную массу, которая первоначально напоминает резину и имеет пресный вкус. При созревании сыра белки, жиры и углеводы, входящие в состав сырной массы, претерпевают различные превращения, что и придаёт сыру свойственную ему консистенцию, рисунок, вкус и аромат. Так, под действием ферментов часть белков гидролизуется, превращаясь в свободные аминокислоты, которые используются молочнокислыми бактериями. Содержащийся в молоке сахар лактоза под действием ферментов превращается в молочную кислоту, а также диацетил, ацетоин и др. Все эти вещества как раз и обусловливают характерный аромат сыров. Знакомство с важнейшими продуктами, их производством и превращениями в организме позволяет сформулировать основные принципы рационального питания. С пищей в Ж Лекарственные средства организм человека должно поступать столько энергии, сколько её необходимо для жизнедеятельности. Чем выше энергозатраты организма, например при тяжёлой физической или интенсивной умственной работе, тем больше потребность организма в пище. В то же время переедание приводит к ожирению. Питание должно быть разнообразно. В суточном рационе необходимо сочетать растительную и животную пищу, мясные и рыбные блюда, не пренебрегать гарнирами, помня о том, что пищевые волокна, хотя и не имеют энергетической ценности, играют важную роль в процессе пищеварения. Старайтесь основную часть пищи потреблять днём, во время обеда или сразу после прихода из школы, с работы. Не забывайте о соках, фруктах и других продуктах, богатых витаминами. Вопросы и задания 1. Какие из продуктов питания богаты: а) белком; б) усвояемыми углеводами; в) клетчаткой; г) жирами? Какой сахар содержится в молоке? Топлёное молоко традиционно получали выдерживанием (томлением) крынки с молоком в русской печи. Предположите, чем может быть вызван его характерный вкус и цвет. Опишите процессы, происходящие при варке мяса, тушении капусты. Почему кипячение компота снижает его пищевую ценность? Объясните, почему свежие огурцы при хранении портятся гораздо быстрее, чем солёные. В каких продуктах питания содержится казеин? Почему шоколад имеет: а) характерный запах; б) коричневый цвет; в) сладкий вкус? Сравните сливочное масло и маргарин. Что у них общего и в чём различие? 10. Сформулируйте принципы рационального питания. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. §17 Л екарственные средства к сожалению, ни один из нас не обходится без лекарств — веществ, используемых для лечения и профилактики различных заболеваний. Разработкой новых лекарственных средств занимается фармацевтическая химия, а изучением Ж Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ ИХ действия на живой организм — фармакология. Эта наука, являясь медико-биологической дисциплиной, тесно связана с химией, ведь каждое из лекарственных средств представляет собой одно или несколько химических соединений. Несмотря на то что основы фармакологии были сформулированы в XIX и XX вв., действие на организм человека даже многих традиционных средств до конца не выяснено. Всем хорошо известен горчичник — бумага, покрытая тонким слоем обезжиренной горчицы. Содержащийся в ней гликозид си-нигрин при смачивании тёплой водой (не выше 40 °С!) расщепляется под действием фермента мирозина. При этом образуется горчичное эфирное масло (представляющее собой серосодержащий сложный эфир — аллилизотиоцианат), которое и вызывает раздражение нервных окончаний. Происходит прилив крови, улучшение кровообращения, что мы и ощущаем как разогрев. Однако покраснение кожи, возникающее на месте приложения горчичника, никакого лекарственного эффекта не имеет, но и не наносит вреда организму. В настоящее время фармакологи лекарственные препараты классифицируют не в соответствии с их химическим строением, а по сходному влиянию на организм. В современной медицине важную роль играют противо-микробные средства, подавляющие развитие болезнетворных бактерий. В 1930-е гг. широкое распространение получили сульфаниламидные препараты. Другой важной группой антимикробных средств являются антибиотики — вещества, производимые микроорганизмами, или их синтетические аналоги. Антибиотики способны подавлять развитие не только бактерий, но и низших грибов, простейших и вирусов. Каждый антибиотик обладает специфическим избирательным действием на определённые виды микробов. Благодаря такому избирательному действию многие антибиотики способны подавлять жизнедеятельность патогенных микроорганизмов в безвредных для организма концентрациях. В 1929 г. английский учёный А. Флеминг обнаружил, что плесень способна подавлять рост бактерий. Выделенное им из плесени активное вещество — пенициллин — оказалось малотоксичным для человека. В настоящее время известно более шести тысяч природных антибиотиков, принадлежащих к различным классам органических соединений. Наибольшее распространение получили пенициллины (рис. 43, а), цефалоспорины (рис. 43, б), тетрациклины (рис. 43, в). ж Лекарственные средства Н а) RCN II О О RCN О О ■N сн. соон N СООН он CORo Рис. 43. Антибиотики: пенициллины (а), цефалоспорины (б), тетра-циклины (в) Лекарственные препараты, способные ослаблять или устранять чувство боли, называют анальгетиками. Они подразделяются на ненаркотические и наркотические лекарственные средства. К числу ненаркотических анальгетиков принадлежит хорошо известный аспирин — ацетилсалициловая кислота (рис. 44). Она является производной салициловой (о-гидроксибензойной) кислоты, которая содержится в ивовой коре (от лат. salix — ива). Для получения аспирина необходимо провести этерификацию фенольной гидроксо-группы. Для этого салициловую кислоту обрабатывают уксусным ангидридом. Приём таблетки анальгетика целесообразен лишь при очень высокой температуре (выше 38 °С), которая сказывается неблагоприятно на состоянии организма. Помимо аспирина в качестве анальгетиков широко применяют производные гетероциклического кетона пиразолона (анальгин), а также амид пара-аминофенола (парацетамол). Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ При лечении желудка и кишечника применяют вяжущие средства^ например отвар коры дуба, гидроксиды магния и алюминия или основный нитрат висмута. Взаимодействуя со слизистой оболочкой этих органов, они вызывают частичную коагуляцию белков внеклеточной жидкости. Образующаяся при этом пленка предохраняет нервные окончания от раздражения, и чувство боли ослабевает. Помимо этого они вызывают понижение проницаемости сосудов, замедляют действие ферментов. Всё это препятствует развитию воспалительного процесса. Сходный терапевтический эффект создаёт и крахмальный клейстер, который способен обволакивать стенки желудка и кишечника. Поэтому при многих болезнях желудка и кишечника врачи рекомендуют пить кисель. В заключение расскажем о стероидах — группе соединений, играющих важную роль в организме. Так называют органические вещества, содержащие в своём составе фрагмент, образованный тремя шестичленными и одним пятичленным циклом. Различные стероиды отличаются друг от друга как наличием или отсутствием кратных связей в циклической системе, так и набором заместителей. Важнейший представитель стероидов — холестерин (рис. 45, б) содержится в головном и спинном мозге человека, а также в жировой ткани и печени. Он представляет собой бесцветные, с перламутровым блеском кристаллы, жирные на ощупь. В свободном виде холестерин нерастворим в воде, однако в форме сложных эфиров с высшими карбоновыми кислотами легко переносится кровью. Увеличение содержания холестерина в крови приводит к атеросклерозу и желчнокаменной болезни: оседая в желчном пузыре, холестерин образует камни. Чтобы Рис. 44. Аспирин Лекарственные средства Рис. 45. Стерин (а), холестерин (б), тестостерон (в) избежать этого, необходимо ограничивать себя в приёме жирной пищи. Более 40 стероидов в организме человека образуются в коре надпочечников из холестерина и близких ему соединений. Они представляют собой гормоны, управляющие обменом веществ в организме (кортикостероиды). Некоторые кортикостероиды, как природные (гидрокортизон), так и полученные искусственно (преднизолон, синафлан), используют в медицине в качестве противовоспалительных и противоаллергических средств. К числу стероидов принадлежат также и половые гормоны. Тестостерон и другие мужские половые гормоны усиливают синтез белков, что приводит к увеличению мускулатуры, росту костей. Эти вещества, а также их синтетические аналоги входят в состав анаболиков — гормональных препаратов, используемых для наращивания мышц. Использование таких средств часто сопровождается негативными побочными эффектами, поэтому назначать их может только врач! S3 Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ ДЫМ Фильтр Зона пиролиза и дистилляции 200-600 *С Рис. 46. Соединения, образующиеся при курении Некоторые женские гормоны способствуют протеканию оплодотворения и подготавливают внутриутробное развитие плода. Под действием этих веществ при наступлении беременности яичники перестают выделять яйцеклетки. Искусственное введение гормонов позволяет предотвратить оплодотворение. Созданные на их основе препараты называются противозачаточными средствами. Употребление этих средств с целью избежать нежелательной беременности может сопровождаться головокружением, тошнотой, рвотой, увеличением массы тела. Грамотно назначать такие лекарства может только врач. С каждым годом в мире растёт число людей с опухолевыми заболеваниями. Злокачественная опухоль состоит из видоизменённых клеток, которые размножаются со скоростью, намного превышающей скорость роста обычных тканей. Одной из причин возникновения раковых заболеваний являются канцерогены. К их числу принадлежат ароматические углеводороды (бензопирен) и ароматические амины, а также их производные, входящие в состав табачного дыма. Установлено, что при курении табака образуется около 84 Бытовая химия 4800 органических соединений, которые через лёгкие попадают в кровь. На конце сигареты происходит горение табака (рис. 46) при температуре около 800 °С, что приводит не только к переходу в пар никотина, входящего в состав табака, но и к пиролизу содержащихся в нём аминокислот и углеводов. При этом образуются такие ядовитые вещества, как бензол, толуол, нафталин, бензопирен, а также нитрозами-ны. В составе табачного дыма обнаружено более 100 алканов, 150 алкенов и 55 циклоалканов, 75 ароматических углеводородов и большое число их производных. Многие из них, например канцерогенные нитрозамины, настолько летучи, что беспрепятственно проходят через фильтр и попадают в лёгкие. Курение не только замедляет рост организма, но и усиливает риск онкологических заболеваний. Вопросы и задания 1. Какие средства называют анальгетиками? Приведите примеры. 2. Что такое наркотики? В каких случаях их используют в медицине? В чём состоит опасность употребления этих средств? 3. Какие функции выполняют различные стероиды в организме? 4. На чём основано действие противозачаточных препаратов? 5. Какие группы препаратов обладают бактерицидным действием? На чём оно основано? 6. Какие вещества называют анаболиками? 7. Расскажите о вреде курения. Объясните, почему курильщик наносит вред не только себе, но и окружающим его людям. §18 ытовая химия Химические препараты входят в состав стиральных порошков, моющих средств, клеёв, отбеливателей и многих других средств, используемых в быту. В состав любого моющего средства входят поверхностно-активные вещества. Они содержат в своём составе молекулы или ионы, в которых присутствуют области с высокой и низкой полярностью. Например, в молекуле цетилового спирта СНд(СН2)14СН20Н есть полярная ОН-группа и малополярный алкильный заместитель. Полярная гидроксогруппа способна эффективно взаимодействовать с водой за счёт электростатического притяжения и образования водородных связей. Углеводород- Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ Рис. 47. Сканирующая электронная микрофотография воротника хлопчатобумажной сорочки до (а) и после (б) стирки ный заместитель, содержащий связи С—Н с низкой полярностью, напротив, слабо взаимодействует с водой. Многие загрязнения представляют собой мельчайшие частички жира, содержащие пыль и грязь. При обработке загрязнённой кожи или ткани водным раствором поверхностно-активного вещества его молекулы ориентируются таким образом, что их полярная (гидрофильная, что буквально означает «любящая воду») часть оказывается обращённой к воде, а малополярная (гидрофобная, т. е. «боящаяся воды») часть — к частичке жира. Это приводит к тому, что через некоторое время все частички жира оказываются окружёнными молекулами поверхностно-активного вещества. Это ослабляет взаимодействие между отдельными каплями жира, и они без труда переходят с загрязнённой поверхности в раствор. Таким образом и происходит удаление грязи (рис. 47). Большое распространение получили анионные поверхностно-активные вещества (А-ПАВ), простейший представитель которых — мыло. Дешёвые сорта мыла, например хозяйственное, практически полностью состоят из натриевой соли стеариновой кислоты — стеарата натрия Cj^HggCOONa. В растворе это вещество диссоциирует с образованием катионов Na' и анионов С^7Нз5СОО", которые, подобно молекулам цетилового спирта, содержат малополярный углеводородный заместитель и полярную (в данном случае карбоксильную) группу (рис. 48). Мыло содержит натриевые соли слабых органических кислот, поэтому его водные растворы вследствие гидролиза имеют щелочную реакцию среды: Бытовоя химия Ci^HggCOONa + HgO ^ ^Ci^HggCOOH + NaOH. Присутствием гидроксид-ионов и объясняется их мылкость — аналогичным свойством обладают растворы едких щелочей. Разбавленные растворы щелочей способны разрушать стенки бактерий, тем самым оказывая дезинфицирующее действие. Однако высокая щёлочность среды вызывает частичный гидролиз жиров, находящихся на поверхности кожи. Это приводит к сухости кожных покровов, вызывает раздражение. В этом случае рекомендуется использовать специальные сорта мыла, например содержащие регуляторы кислотности. Известно, что щёлочи разрушают натуральную кожу, шёлковые и шерстяные ткани, состоящие из веществ белковой природы. Поэтому длительно кипятить их в крепком мыльном или содовом растворе не рекомендуется! Мыло обладает ещё одним недостатком — оно плохо мылится в жёсткой воде, содержащей ионы кальция и магния. Волосы, вымытые с мылом в жёсткой воде, утрачивают шелковистость, плохо расчёсываются. Это объясняется тем, что их поверхность покрывается тонким белым налетом кальциевых и магниевых солей карбоновых кислот, например стеарата кальция: Рис. 48. Строение стеарата натрия (а) и удаление загрязнений при помощи его раствора (б) 2С17Н35СОО- -f Са2+ ->Ca(Ci7H35COO)2i. При сильном подкислении раствор мыла разрушается — из него выпадают белые аморфные осадки высших карбоновых кислот. Раньше мыло получали только из природных жиров, подвергая их щелочному гидролизу — омылению. В состав говяжьего жира входят преимущественно глицериды стеариновой кислоты, поэтому производимый на мыловаренных за- Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕСТВЕ водах продукт представлял главным образом стеарат натрия. В состав различных сортов туалетного мыла вводят пальми-таты (соли пальмитиновой кислоты) и лаураты (соли лаури-новой кислоты), которые получают гидролизом сложных эфиров из плодов масличной пальмы. Чем больше в мыле ла-урата, тем оно нежнее. Помимо солей карбоновых кислот, придаюш;их мылу моюш;ие свойства, готовый продукт содержит также смягчаюш,ие веш,ества (глицерин), наполнители (оксид титана (IV)), регуляторы кислотности среды (лимонная кислота) и солевого баланса (хлорид натрия), отдушки. К другим типам анионных поверхностно-активных веществ относят замещённые сульфонаты RSOgNa и сульфаты ROSOgNa натрия, представляющие собой натриевые соли органических сульфокислот или монозамещённых сложных эфиров серной кислоты. Среди веществ этих классов наиболее распространены додецилбензосульфонат натрия и лаурил-сульфат натрия (рис. 49). В отличие от карбоновых кислот, сульфокислоты, как и серная кислота, относятся к сильным, поэтому арилсульфонаты и алкилсульфаты не гидролизуются — их растворы имеют нейтральную реакцию среды. Лишены они и других недостатков обычного мыла, например не теряют своих моющих свойств и в жёсткой воде, устойчи- А-ПАВ .—. СНз-(СН2)п-<О)-80зКа СНз—(СН2)а—О—SOgNa Н-ПАВ СНз-(СН2)п-ОН R—С—О—СН2СН2—(ОСНгСНг)^—О—(j;—R О О Отдушки у мягчите л и Na2C03 МагНгЭДТА Ферменты протеазы амилазы липазы Отбеливатели пероксодифосфаты ЫагНзРгОб пероксобораты NaBOs Рис. 49. Стиральный порошок и его состав Бытовая химия ВЫ в кислотной среде. Однако, в отличие от солей карбоновых кислот, эти вещества очень медленно разлагаются микроорганизмами, легко проходят через очистные сооружения и поэтому скапливаются в природе, загрязняя окружающую среду. Об этом надо помнить и не выливать воду, оставшуюся от стирки белья, в открытые водоёмы. Ведь замещённые сульфонаты и сульфаты — важнейшая составная часть разнообразных стиральных порошков. Помимо них, в состав стирального порошка обычно входят антиосадители (антиресорбенты), препятствующие обратному осаждению загрязнений на ткани. К их числу относят полимеры, например натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), часто называемую поликарбоксил атом, или циклические полифосфаты. Введение в состав моющего средства ферментов ускоряет удаление некоторых загрязнений, например пятен от соков, вина, крови. В стиральных порошках используют в основном протеазы — ферменты, вызывающие гидролиз белков. В некоторые типы порошков, помимо них, добавляют амилазы (ускоряют расщепление крахмала) и липазы (способствуют гидролизу жиров). Для умягчения воды в моющие средства добавляют кальцинированную соду или вещества, связывающие ионы кальция, например трилон Б. На упаковках такие средства часто неправильно называют комплексообразователями. Некоторые виды порошков содержат также парфюмерные отдушки, придающие выстиранному белью приятный запах, красители, антимикробные средства. Для увеличения срока хранения в твёрдые моющие средства вводят безводный сульфат натрия, который способен поглощать воду, тем самым предотвращая слёживание порошка. В порошки, предназначенные для машинной стирки, добавляют вещества, препятствующие обильному образованию пены. Следует помнить, что порошок, используемый для ручной стирки, не подходит для стиральных автоматов из-за обильного выделения пены и возможного попадания её в двигатель. При выборе порошка смотрите, для какой стирки он предназначен! Особо следует рассмотреть отбеливатели, которые используют как самостоятельно, так и в виде добавок в определенные виды порошков, предназначенных для стирки белого белья. Принцип действия отбеливателей основан на окислении или восстановлении окрашенных загрязнений, находящихся на волокне. Окисляющие отбеливатели бывают двух типов: кислородные, представляющие собой производные пероксида водорода (гидроперит (NH2)2CO • Н2О2, ш. Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ перборат натрия КаВОз • HgOg • SHgO, перкарбонат натрия КазСОд • IjSHgOg), И хлорные, содержащие гипохлорит (NaClO) или дихлорцианурат (CgNgClgONa) натрия. В процессе отбеливания кислородные отбеливатели выделяют кислород, который также оказывает отбеливающее и бактерицидное действие. Хлорные отбеливатели «работают» только при низкой температуре, так как при кипячении гипохлориты разлагаются. Из-за гидролиза они создают сильнощелочную среду, что способствует разрушению шерсти, шёлка и целлюлозных волокон (хлопка, льна). Кислородные отбеливатели более мягкие, а их эффективность возрастает при нагревании. В этом случае белье часто подвергают кипячению. Восстанавливающие отбеливатели (например, дитионит натрия и ронгалит HOCHgOSOgNa) менее распространены. Они неэффективны уже в тёплой воде, практически не разрушают шерсть и шёлк, но способны изменять окраску некоторых тканей. Их не следует применять для стирки окрашенных тканей и тканей с рисунком. При пользовании отбеливателем необходимо внимательно читать прилагающуюся к нему инструкцию и не превышать указанную в ней температуру. Если ткань со временем пожелтела или приобрела сероватый оттенок, ей можно вернуть белизну при помощи оптического отбеливателя, например небольшого количества синего красителя. В качестве его традиционно использовали пигмент ультрамарин, а в настоящее время и органические красители. Все они хорошо растворимы в воде, легко смываются с белья при последующей стирке. Если взять слишком много синьки, она может неравномерно распределиться по ткани, что ухудшит её внешний вид. Современные оптические отбеливатели (белофоры) представляют собой флуоресцентные красители, поглощающие ультрафиолетовое излучение и преобразующие его в фиолетовое или голубое. Иногда их добавляют в химические волокна прямо при их формовании. В таком случае синтетическое волокно, например полиэфирное, при облучении светом начинает ярко светиться. Это используют, конструируя одежду для велосипедистов, рабочих, ремонтирующих дороги. В последние годы в продаже появились средства, называемые кондиционерами, — они делают ткани или волосы более мягкими и снимают электростатический заряд. Принцип действия кондиционеров для белья легко понять, зная, как построена хлопчатобумажная ткань. Хлопок представ- 90 Бытовоя химия ляет собой практически чистый полисахарид целлюлозу, которая построена из остатков р-глюкозы, соединённых в полимерные цепочки. В каждом остатке глюкозы имеются три гидроксильные группы, которые, взаимодействуя друг с другом, придают каждой макромолекуле форму полой трубки. Несколько упрощая изложение, можно считать, что отдельные такие трубки и представляют собой ворсинки, из которых состоит волокно. На поверхности ворсинок имеется некоторое количество гидроксильных групп, которые способны образовывать между собой водородные связи. Именно поэтому при сгибе хлопчатобумажной ткани отдельные ворсинки легко прилипают друг к другу и удерживаются в этом положении. Иными словами, хлопчатобумажные ткани легко мнутся. Чтобы уменьшить взаимодействие между ворсинками, нужно нейтрализовать отрицательный заряд на гидроксильных группах, выступающих из волокна наружу. Это достигают использованием катионных поверхностно-активных веществ (К-ПАВ), представляющих собой соли органических аминов с длинными углеводородными заместителями. При обработке ткани катионным ПАВ содержащиеся в нем катионы ориентируются полярными группами к поверхности ткани, а малополярными частями наружу (рис. 50), Хлопчатобумажные нитки до обработки (а) и после обработки {б) кондиционером 91 Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ Рис. 51. Устройство аэрозольного баллончика и средство для мытья окон тем самым препятствуя взаимодействию между различными ворсинками. В результате этого ткань становится более мягкой, воздушной. Средства для чистки окон и зеркал содержат в своём составе поверхностно-активные вепдест-ва, а также аммиак, создающий щелочную среду. Небольшие количества гидроксид-ионов позволяют легко удалять загрязнения. В распылительном баллоне смесь находится под давлением газа-носителя — пропана, бутана, изобутана. Все эти газы горючи, поэтому содержащие их аэрозоли не следует хранить и использовать вблизи пламени. При нажатии на клапан содержимое флакона выдавливается, превращаясь в устойчивую пену (рис. 51). Зубная паста предназначена для гигиены и лечебно-профилактического воздействия на твёрдые ткани зубов, дёсны и слизистую оболочку полости рта. В её состав входят вещества с абразивным, антимикробным и моющим действием (рис. 52). До 40% объёма пасты составляют абразивные вещества, которые чистят поверхность зуба, способствуют снятию налета с эмали, предотвращая её разрушение микроорганизмами. Долгие годы в роли важнейшего абразива выступал мел — химически осаждённый карбонат кальция СаСОд. Он и сейчас входит в состав зубных порошков и дешёвых зубных паст. Однако его действие небезопасно для людей с чувствительной эмалью зубов или с оголёнными шейками зубов, поэтому в большинстве современных паст используется более мягкий абразив — силикагель SiOg и оксогидроксид алюминия АЮОН, отличающиеся высокой полирующей способностью и щадящим действием на зубную эмаль. Входящие в состав зубной пасты связующие вещества (загустители) способствуют созданию однородной консистенции. Многие из них представляют собой продукты натурального происхождения, вырабатываемые, например, из морских водорослей, а также искусственно полученные производные целлюлозы. Входящие в состав пасты увлажняющие вещест- 92 Бытовая химия Антисептики триклозан, метилпарабен, пропилпарабен Фторсодержащие вещества монофторфосфат натрия КагРОзГ, фторид натрия NaF Загустители карбокси- метилцеллюлоза Абразивы мел СаСОз, силикагель SiO диоксид титана ТЮ Поверхностно-активные вещества пол иэти л енгл иколь, лаурилсульфат натрия, сорбитол Рис. 52. Состав зубной пасты Подсластители сахаринат натрия ва (глицерин, полиэтиленгликоль) придают зубной пасте пластичность, необходимую для лёгкого выдавливания её из тюбика. Одновременно они способствуют сохранению влаги в пасте при её хранении, повышают температуру замерзания, увеличивают стабильность пены, улучшают вкусовые качества. Паста, содержащая недостаточное количество увлажняющих веществ, подвержена быстрому высыханию и затвердеванию, при хранении становится более густой и вязкой. Это не только снижает потребительские свойства пасты, но может привести к травме дёсен и повреждению эмали. Для обеспечения равномерного распределения пасты в труднодоступных местах полости рта, а также для дополнительного удаления налёта с зубов требуются пенообразователи, в роли которых выступают различные ПАВ. Безвредная их концентрация в зубной пасте составляет 1—2%. Большое распространение получили противокариесные пасты, в них содержание соединений фтора составляет 0,8— 0,9%. В большинство зубных паст добавляют фториды для профилактики кариеса. При их концентрации до 1500 мг/кг зубной пасты они считаются безвредными. Фториды подавляют обмен веществ бактерий, содержащихся в зубном налёте, а значит, и их способность к образованию кислот, оказывающих разрушающее действие на зубную эмаль. Кроме то- 93 Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ ГО, фториды задерживают образование и распространение бактериального налёта. Фториды также минерализуют твёрдую ткань зубов, тем самым повышая их устойчивость к кариесу и воздействию кислот. Вопросы и задания 1. Почему водный раствор мыла имеет щелочную реакцию среды? 2. Какие особенности строения имеют молекулы или ионы поверхностно-активных веществ? В чём заключается механизм их действия по удалению загрязнений? 3. Старый совет гласит: если шерстяное изделие колется, надо постирать его с хозяйственным мылом в горячей воде. В чём химический смысл данной операции? 4. Изучите состав стирального порошка, которым вы пользуетесь. Постарайтесь объяснить роль каждого из компонентов, входящих в его состав. 5. Почему вылитый в почву раствор стирального порощка наносит больший вред окружающей среде, чем раствор мыла? 6. Предложите, как получить из куска природного мела химически осаждённый мел, входящий в состав зубного порошка. 7. Какие виды отбеливателей вы знаете? На чём основано действие химических отбеливателей; оптических отбеливателей? 8. Можно ли хлорсодержащим отбеливателем обрабатывать натуральный щёлк? Почему? 9. Изучите состав зубной пасты, которой вы пользуетесь. Постарайтесь объяснить роль каждого компонента, входящего в её состав. 10. Какую роль при чистке зубов играют содержащиеся в зубной пасте абразивные материалы, пенообразователи, соединения фтора? § 19 X имия в строительстве При строительстве и отделке зданий трудно обойтись без цемента, бетона, гипса. Всё это примеры вяжущих веществ, которые при смешивании с водой образуют тестообразную массу. При высыхании масса превращается в монолит. Медленно затвердевая, так называемый раствор связывает друг с другом кирпичи, каменные блоки или иные материалы, соприкасающиеся с ним. Одним из древнейших вяжущих веществ является гипс, известный ещё в Древнем Египте. Это вещество представляет собой двуводный сульфат кальция CaS04 • 2Н2О, встречаю- Химия в строительстве щийся в природе в виде минерала (рис. 53). Обжиг гипса при 150 °С приводит к потере значительной части кристаллизационной воды: CaS04 • 2Н2О ^CaSO4*0,5H2O+ 1,5Н20. Рис. 53. Гипс Образующийся при этом полуводный сульфат кальция называют жжёным гипсом. При разведении водой он быстро твердеет (схватывается), снова превращаясь в дигидрат. Это сопровождается увеличением объёма на 1%. Расширяясь в процессе схватывания, гипс с высокой точностью воспроизводит поверхность формы, в которую он помещен. Благодаря этому жжёный гипс применяют как материал для слепков, точных копий скульптуры (рис. 54). В отличие от мрамора, гипс — мягкий материал, даже при слабом нажиме ноготь оставляет на нём след. Для увеличения прочности гипса скульпторы добавляют в него квасцы. При кладке кирпичных стен и для штукатурных работ строители используют известковый раствор — взвесь порошка гашёной извести (гидроксида кальция) Са(ОН)2 и кварцевого песка (оксида кремния) Si02 в воде. Обычно на одну часть извести берут две части песка. Иногда для большей прочности связывания добавляют цемент, такой раствор строители называют известково-цементным. При высыхании из раствора выделяются кристаллы гидроксида кальция, которые срастаются друг с другом. Рис. 54. Гипсовый слепок и античный оригинал Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕСТВЕ Чтобы поверхность стены получалась ровной, а также для лучшего сцепления штукатурки с кладкой её затирают специальными тёрками. Со временем гидроксид кальция постепенно реагирует с углекислым газом, в небольшом количестве содержаш;имся в воздухе. Образующийся при этом порошок карбоната кальция представляет собой рыхлую массу, которая заполняет все пустоты, способствуя ещё более прочному сращиванию отдельных зёрен кварцевого песка. Для полного высыхания известкового раствора необходимо несколько недель. Как можно ускорить высыхание? Для этого требуется повысить концентрацию углекислого газа в воздухе. Например, в оштукатуренном помещении ставят жаровню с раскалёнными углями, плотно закрывают двери и окна. Стены, покрытые штукатуркой, можно расписать. Технику росписи стен по сырой, свеженанесённой штукатурке красками, разведёнными на воде, называют фреской. Краски закрепляются на поверхности стены, покрываясь тонкой кристаллической плёнкой карбоната кальция, образующейся при взаимодействии извести с углекислым газом. Для образования такой плёнки требуется 3—4 часа, поэтому в один день расписывают лишь небольшую часть стены. При внимательном изучении стен, расписанных фресками, удаётся заметить едва заметные швы, разделяющие участки, расписанные в разные дни. Перед росписью известковый раствор наносят на стену в несколько слоёв. Первый слой, называемый итальянцами arriziato, может быть нанесён весь сразу за несколько дней до росписи. Для лучшего сцепления со вторым слоем его оставляют шероховатым и, пока он сырой, специально царапают. Второй слой, называемый intonaco, по которому непосредственно исполняется роспись, наносят сразу перед работой живописца. Мельчайшие кристаллы пигментов попадают в неровности поверхности, покрытой штукатуркой, и при высыхании прочно «врастают» в неё, удерживаемые плёнкой карбоната кальция. Всё это объясняет прочность и долговечность фресковых росписей, которые в сухих помещениях могут сохраняться веками. Если же краска наносится на уже высохшую поверхность стены, то частицы пигмента прочно не могут на ней закрепиться и со временем осыпаются. Такая техника живописи используется в основном для реставрации фресок. ж Химия в строительстве Рис. 55. Фрагмент росписи свода Сикстинской капеллы Росписью стен по штукатурке занимались уже в Древнем Египте, а также в Древнем Риме. До наших дней дошли многие средневековые фрески в древнерусских городах, на Балканах, в странах Западной Европы. Однако наивысшего расцвета фреска достигла в Италии в эпоху Возрождения (рис. 55). Итальянскими живописцами была разработана сложная многослойная технология нанесения слоёв штукатурки и красок. Известь, необходимую для штукатурных работ, получают обжигом известняка в специальных печах. Для приготовления извести годятся только известняки, не содержаш;ие примесей, а также мрамор и раковины. Грязные известняки, в состав которых, наряду с карбонатом кальция, входят доломит, глина или песок, при обжигании дают нечистую известь. Раньше её называли топдей, в отличие от жирной, получаемой из чистого известняка. При обжиге выделяется углекислый газ и остаётся плотная каменистая масса оксида СаО, называемая негашёной известью или кипелкой. Для гашения извести порошок оксида обливают водой, которую берут в массовом соотношении 1:1. Реакция взаимодействия оксида кальция с водой протекает настолько энергично, что от выделяющейся теплоты раствор начинает кипеть, поднимаются клубы пара. Каменистая масса негашёной извести, поглотив воду, рассыпается в порошок. Такую известь, представляющую собой гидроксид кальция, называют пушонкой. Её и используют для приготовления цементного раствора. Иногда гашение извести проводят прямо на месте. Для этого выкапывают в земле яму, укрепляют её стены досками, зЕшолняют примерно на треть кипелкой и добавляют воду. Внутренние поверхности зданий после штукатурки шпатлюют — покрывают тонким белым слоем, состоящим Д1. Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ ИЗ мела или гипса. Поверх него клеят обои или наносят краску. Традиционно используемые масляные краски содержат пигмент, льняное масло, которое при высыхании образует прозрачную плёнку, и растворитель, например скипидар или керосин. Запах растворителя при покраске чувствуется за несколько десятков метров, и длительно находиться в таком помещении опасно для здоровья. Использование водоэмульсионных красок, представляющих собой водные эмульсии синтетических полимеров на основе поливинилацетата, полиметилметакрилата, полистирола, гораздо более удобно. Они практически не имеют запаха. По мере испарения воды полимер, в котором растворен краситель, превращается в тонкую эластичную плёнку. При кладке стен, помимо известкового раствора, используют цемент. Римляне получали его из извести и вулканического пепла. Римский учёный Плиний Старший писал о цементе, что этот порошок «может служить оплотом против волн морских и, будучи погружён в воду, превращается в твёрдый камень, для волн неодолимый, и становится ежедневно твёрже». Вулканический пепел для получения цемента продолжали использовать вплоть до XIX в., когда ему на смену пришёл цемент, изготовляемый из извести и глины. Новый цемент, в отличие от старого, римского, назвали портланд-цементом, по имени местечка в Англии, где залегают песчаники, впервые использованные для его производства. Портланд-цемент представляет собой серый порошок, полученный при обжиге смеси трёх частей известняка и одной части глины. В печах при температуре 1400 °С известняк разлагается до оксида кальция, который взаимодействует с обезвоженной глиной, превращаясь в силикаты и алюминаты кальция: алит ЗСаО • SiOg, белит 2СаО • SiOg, трёхкальциевый алюминат ЗСаО • AI2O3. Оксид железа, придающий глине характерный землистый цвет, превращается в алюмоферрит 4СаО • AlgOg • FegOg. Все эти вещества входят в состав цементного клинкера — массы, образовавшейся в результате обжига. После охлаждения клинкер размалывают и просеивают через тончайшие сита. Чем тоньше помол, тем прочнее цемент. В зависимости от прочности цемент делят на марки: 300, 400, 500, 600. Для затвердевания клинкер смешивают с водой — на 1 кг порошка в среднем берут 450 мл воды. Приготовленная Ж Химия в строительстве Приготовление смеси песка и щебня ш Приготовление бетона у. Заливка бетона взвесь, называемая цементным раствором, со временем твердеет (рис. 56). При добавлении воды многие вещества, входящие в состав клинкера, переходят в раствор, а со временем кристаллизуются из него в виде гидратов: ЗСаО • 2Si02 • AiHgO, 4СаО • AlgOg • яНдО, 4СаО • FegOg • яНдО. Эти вещества, представляющие собой химические соединения, условно записываемые для простоты в виде комбинации оксидов, и составляют основу цементного камня, образующегося при затвердевании цементного раствора. Они придают ему прочность и долговечность. Бетон, в состав которого введена железная арматура, называют железобетоном. При затвердевании цемент даёт усадку — уменьшается в объёме. Для уменьшения усадки и увеличения прочности в него добавляют песок, щебень, мраморную крошку и иные наполнители. Полученный материал называют бетоном. Бетон используют для заливки фундаментов зданий, изготовления панелей, применяемых в массовом жилом строительстве. Он служит также материалом для скульптуры. Гигантская фигура Родины-Матери на Мамаевом кургане в Волгограде выполнена из прочного железобе- Щебень 2СаО • SiOa • 2Н2О Песок Si02 Затвердевание бетона Рис. 56. Процессы, происходящие при получении и затвердевании бетона Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ Рис. 57. Скульптура «Родина-Мать» на Мамаевом кургане тона. Несмотря на то что толщина бетонной оболочки памятника не превышает 30 см, его масса при высоте фигуры 85 м составляет 6 тысяч тонн. Выполненный из стали меч длиной 29 м весит 14,3 тонны (рис. 57). Под действием влаги воздуха, углекислого газа и перепадов температур цемент и бетон постепенно разрушаются — они теряют прочность гораздо быстрее, чем природный камень. Попадая в поры, вода растворяет и разлагает соединения кальция, которые придают материалу прочность: ЗСаО • ЗЗЮз * nHgO + HgO = = 2СаО • 2Si02 • /zHgO + Са(ОН)2; Са(ОН)2 + СО2 ~ СаСОз -+■ Н2О. Вопросы и задания 1. Можно ли наложить гипсовую повязку, используя гипс от старой повязки? Как это сделать? 2. Как изменится срок хранения гипса при перенесении его в сырой подвал, при замене бумажной упаковки на полиэтиленовую? 3. Как готовят штукатурку? На какой химической реакции основано нанесение штукатурки? 4. Почему оштукатуренные стены сушат, используя жаровню с углями? Можно ли её заменить на электрический обогреватель? 5. Объясните, почему красочный слой фрески никогда не отстаёт от штукатурки, а масляная краска, которой покрашена стена, через несколько лет трескается и опадает. 6. Сколько килограммов гашёной извести можно получить из 1 тонны известняка, содержащего 10% кварцевого песка? 7. Какие краски называют водоэмульсионными? Как отличить такую краску от масляной? 8. Объясните, почему поливинилацетат растворим в бензоле, а поливиниловый спирт — в воде. 100 Химия в сельском хозяйстве §20 X имия в сельском хозяйстве Все химические элементы, за исключением углерода и кислорода, растения получают из почвы. Часто в почвах, особенно при их нерациональном использовании, создаётся недостаток многих питательных вепдеств, в первую очередь соединений азота, фосфора и калия. Для повышения урожайности эти элементы вносят в почву искусственно в виде минеральных удобрений — веществ, вносимых в почву для питания растений. Производимые химической промышленностью удобрения подразделяют на простые, содержащие один питательный элемент — азот, фосфор или калий, и комплексные, содержащие сразу несколько питательных элементов (схема 2). Схема 2 Минеральные удобрения ПРОСТЫЕ КОМПЛЕКСНЫЕ Азотные NH^NOg аммиачная селитра; (NH2)2C0 мочевина; (NH^)2S0^ сульфат аммония Калийные |КС1 хлорид калия; KgSO. сульфат калия Фосфорные (NH,)2HPQ, + NH,H2P0, аммофоска; KNOg калийная селитра; (NH4)2HPQ, + NH^NOg-f-KCl нитрофоска CaSO^ + Са(Н2Р04)2 простой суперфосфат; Ca(H2P04)g двойной суперфосфат; СаНРО^ • HgO преципитат Встречающиеся в природе фосфорит и апатит содержат фосфор в виде среднего фосфата Сад(Р04)2, который нерастворим в воде и плохо усваивается растениями. Для получения легкоусваиваемых удобрений фосфорит и апатит подвергают химической переработке, заключающейся в превращении средней соли в кислую. Важнейшими фосфорными удобрениями являются суперфосфат, двойной суперфосфат и преципитат. Простой суперфосфат представляет собой смесь гипса CaS04 • 2Н2О с дигидрофосфатом кальция Са(Н2Р04)2, образующуюся при обработке мелко размолотого фосфорита серной кислотой. 101 Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕСТВЕ Сад(Р04)2 + 2H2SO4 = 2CaS04i + Са(Н2Р04)2. Серная кислота сравнительно быстро вытесняет из фосфорита фосфорную кислоту, которая затем в течение нескольких недель взаимодействует с дополнительным количеством фосфорита, постепенно превращаясь в растворимую кислую соль. Простой суперфосфат — удобрение со сравнительно невысоким содержанием фосфора, так как значительную его часть составляет гипс, не представляющий питательной ценности для растений. Его образования удается избежать, заменив серную кислоту на фосфорную: Саз(Р04)2 4- 4Н3РО4 = ЗСа(Н2Р04)2. Удобрение, полученное таким образом, называют двойным суперфосфатом. Преципитат представляет собой фосфорное удобрение на основе гидрофосфата кальция СаНР04 • НдО. Он нерастворим в воде, но, в отличие от фосфорита, усваивается растениями на кислых почвах. Для приготовления преципитата к раствору фосфорной кислоты прибавляют известковое молоко: Н3РО4 + Са(ОН)2 = CaHP04i + 2Н2О. Важнейшее азотное удобрение — аммиачную селитру — в больших количествах получают взаимодействием аммиака с азотной кислотой: NH3 + HNO3 = NH4NO3. Простейшими калийными удобрениями служат соли калия — хлорид и сульфат. Много калия содержит также калийная селитра KNO3 — комплексное азотно-калиевое удобрение. Взаимодействием фосфорной кислоты с аммиаком получают аммофос, состоящий из кислых фосфатов аммония NH4H2PO4 и (NH4)2HP04. Ценным удобрением является нитрофоска, содержащая азот, фосфор и калий. Ее получают сплавлением гидрофосфата аммония, аммиачной селитры и хлорида калия. При внесении в почву избытка азотных удобрений нитраты, хорошо растворимые в воде, попадают в растения, а затем и в организм человека. В больших количествах нитраты опасны для здоровья человека, их допустимая суточная доза составляет примерно одну треть грамма. Больше всего нитратов накапливается в листьях шпината, салата, капусты, петруш- 102 Топливо ки, укропа, корнеплодах моркови и редиса. В одном килограмме этих продуктов может содержаться до 4 г нитрат-ионов, что более чем в 10 раз превышает допустимую суточную дозу. Вопросы и задания 1. Какие вещества называют удобрениями? На какие группы они делятся? 2. Эффективность фосфорных удобрений принято оценивать по массовой доле Р2О5 в каждом из них. Рассчитайте долю Р2О5 в простом и двойном суперфосфате. 3. Обработка фосфорита горячей концентрированной азотной кислотой вместо серной приводит к образованию раствора, действуя на который аммиаком получают комплексное удобрение. Напишите уравнения реакций. 4. Сульфат аммония, наряду с аммиачной селитрой, является важным азотным удобрением. Предложите метод его получения из азота. 5. Сравните содержание азота в мочевине (NH2)2CO, аммиачной селитре NH4NO3, натриевой селитре NaNOg. Какое из этих удобрений является наиболее эффективным? 6. Юному агроному дано задание подкормить яблоню аммиачной селитрой, приготовив раствор из расчета 1 г соли на 1 л воды. Однако аммиачной селитры у него не оказалось, и он решил заменить её на калийную. Какую массу калийной селитры надо растворить в 1 л воды, чтобы получить раствор с концентрацией азота, которая требовалась? §21 опливо Горючие вещества, дающие тепло и являющиеся источником получения энергии, называют топливом. По агрегатному состоянию различают газообразное, жидкое и твёрдое топливо. Несколько особняком стоит ядерное топливо — так иногда называют радиоактивные уран и плутоний, используемые в ядерных реакторах. Природное газообразное топливо представлено природным и попутным нефтяным газом. Хотя главная составная часть природного газа — метан СН4, он содержит также небольшие количества этана CgHg, пропана CgHg, бутана пентана а также примеси сероводорода HgS, углекис- лого газа COg, азота Ng, водяной пар. В природном газе некоторых месторождений присутствует гелий, его извлечение целесообразно уже при содержании более 0,3%. 103 Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ Попутный нефтяной газ также состоит из низших алканов, но доля пропана и бутана в нём значительно выше, чем в природном газе, и составляет от 30 до 70%. Из природного и попутного нефтяного газа извлекают метан СН4, используемый в качестве бытового газа для отопления. Этан C2Hg применяется как сырьё для получения этилена, используемого для производства полиэтилена и других продуктов химической промышленности; пропан CgHg для заправки баллонов (бытовой газ, автомобили), а также в качестве хладагента в холодильных установках. Бутан C4Hjq используют как сырьё для получения бутадиена и синтетических каучуков. К видам газообразного топлива также может быть отнесён водяной газ (смесь угарного газа и водорода), получающийся при паровой конверсии угля — обработке его перегретым водяным паром. Наша страна наряду с природным газом богата нефтью. Она представляет собой сложную смесь углеводородов — алканов, циклоалканов, аренов, а также содержит гетероциклические соединения, смолы, асфальтены. Отметим, что ал-кены образуются при переработке нефти, а в сырой нефти отсутствуют. Переработка нефти, подробно изученная вами в 10 классе, состоит из двух важнейших стадий. На первой из них осуществляется фракционная перегонка — разделение нефти на фракции, состоящие из углеводородов с близкими температурами кипения. Для увеличения выхода бензиновой фракции проводят крекинг — уменьшение углеродного скелета молекул под действием высоких температур (термический крекинг) или катализаторов (каталитический крекинг). Жидкие моторные топлива подразделяются на карбюраторные (авиационные и автомобильные), реактивные, дизельные и котельные (мазут как топливо для мартеновских печей). Среди них наибольшее значение имеют бензины. Благодаря сравнительно низким температурам кипения углеводороды бензиновой фракции быстро испаряются и сгорают в автомобильном двигателе за тысячные доли секунды. Детонационная стойкость бензина характеризуется октановым числом. При полном сгорании топлива образуются углекислый газ СО2 и вода Н2О, но при ином направлении процесса образуются пероксиды, которые способны самовозгораться, что приводит к преждевременному взрыву смеси — детонации. Устойчивость углеводородов к детонации опреде- ш Топливо ляется химическим составом. Она выше у разветвлённых алканов (чем больше разветвлённость, тем выше устойчивость к детонации) и ароматических углеводородов. Детонационную стойкость бензинов количественно характеризуют октановым числом. За основу шкалы взяты 2,2,4-триметилпентан (изооктан), октановое число которого принято за 100 СН. СНс СН. СН- НзС СЩ Изооктан СН, и к-гептан, имеющий октановое число 0: НзС'^ СНз^ СН3. н-Гептан 92 95 98 Рис. 58. Марки бензина Детонационная стойкость бензина описывается октановым числом, показывающим состав смеси из изооктана и н-гептана с такой же способностью к детонации. Например, автомобильный бензин АИ-92 по детонационной стойкости соответствует смеси из 92% изооктана и 8% «-гептана (рис. 58). Некоторые ароматические углеводороды, а также вторичные, третичные спирты, эфиры имеют детонационную стойкость от 100 до 120. Различают бензины прямой перегонки (прямогонные), бензины крекинга, бензины риформинга. Из них лишь две последние группы непосредственно используют в качестве топлива. Бензин, полученный прямой перегонкой нефти, имеет низкое октановое число. Для его повышения в него добавляют бутиловые спирты и простые эфиры, которые характеризуются более высоким октановым числом, а по температурам кипения соответствуют лёгкой части бензина. 105 Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ Н.С—СН—сн. 3 I I 2 СНз он Изобутиловый спирт НзС—СНз—СН—СН. ОН Втор-бутиловый спирт сн, I НзС—с—СНз ОН Трвт-бутиловый спирт сн„ НзС—с—О—СНз СНз Грст-бутилметиловый эфир Прямогонный бензин содержит очень много серы, поэтому при его добавлении в топливо бензин загрязняется. Бензин, полученный термическим крекингом, содержит непредельные углеводороды, которые легко окисляются воздухом. Процесс окисления идёт через стадию образования свободных радикалов. Чтобы избежать этого, в бензин добавляют антиокислительные присадки, реагирующие со свободными радикалами, например агидол. ОН (СНз)зС С(СНз)з СНз Агидол (ионол) Эта присадка в виде раствора в толуоле или ксилоле добавляется в бензин в количестве 0,01—0,02% по массе. Присадки не подлежат длительному хранению, так как окисляются и утрачивают свои свойства. Ароматические углеводороды при сгорании образуют много копоти, поэтому сейчас их содержание в большинстве стран строго ограничено, несмотря на то что ароматические углеводороды имеют высокие октановые числа. Так, содержание бензола в европейском бензине в среднем составляет 1,0%, а в России — 5%. В реактивных двигателях самолётов топливо непрерывно подаётся в камеру сгорания, а его зажигание происходит только при запуске двигателя (рис. 59). Воздух нагнетается компрессором, а продукты сгорания подаются в турбину, где 106 Топливо Сопло Топливо Окислитель Рис. 59. Схема реактивного двигателя Камера сгорания часть тепловой энергии превращается в механическую работу вращения колеса турбины. От неё приводится в движение ротор компрессора, топливный и масляный насосы. После турбины продукты сгорания проходят реактивные сопла и, расширяясь в них, создают реактивную силу тяги. Топлива для реактивных двигателей получают на основе керосиновой фракции, образующейся при прямой перегонке нефти. Они характеризуются высокой теплотой сгорания, низкой склонностью к образованию нагара, что достигается уменьшением доли ароматических углеводородов, невысокой коррозионной активностью, определяемой содержанием серосодержащих соединений. Содержание непредельных соединений в топливе характеризуется йодным числом, выражаемым массой иода (в г), вступающего в реакцию со 100 г топлива. В норме оно должно быть меньше 1. В топлива для сверхзвуковой авиации добавляют поверхностно-активные вещества, препятствующие слипанию, укрупнению продуктов нагара, а также их прилипанию к металлической поверхности. Дизельные топлива представляют собой фракции углеводородов с температурами кипения от 140 до 360 °С (в зависимости от марки). Дизельное топливо впрыскивается в жидком виде в форсунки, где смешивается с воздухом и при нагревании до 700 °С самовоспламеняется. Основной показатель дизельного топлива — цетановое число, которое численно равно содержанию цетана (н-гексадекана H-CjgHg^, цетановое число принято за 100) в его смеси с а-метилнафталином, цетановое число которого принято за ноль. 107 Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕСТВЕ сн. а-Метилнафталин Самую высокую воспламеняемость имеют алканы линейного строения (высокие цетановые числа), а наиболее низкую — ароматические углеводороды (низкие цетановые числа). Нормальную работу дизеля обеспечивает топливо с цетановым числом выше 40. Введением присадок цетановое число может быть увеличено на 10. Из остаточных фракций нефти, остаюш;ихся в результате прямой перегонки, получают мазут, используемый в стационарных паровых котлах и промышленных печах, а также в судовых энергетических установках в качестве моторного топлива. Для уменьшения вязкости в него добавляют до 50% дизельной фракции. К твёрдым видам топлива относят древесину, древесный, бурый и каменный уголь, сланцы, торф (рис. 60). Торф представляет собой волокнистую тёмно-коричневую массу, состоящую из продуктов разложения растений и их остатков. Торф образуется на дне болот в результате деятельности микроорганизмов в условиях повышенной влажности и недостатка кислорода. Высушенный торф применяют в качестве топлива на теплоэлектростанциях. Со временем в отсутствие воздуха торф превращается сна- б) Рис. 60. К твёрдым видам топлива относятся торф (а) и каменный уголь (б) ш Полимеры чала в бурый, а затем в каменный уголь. При этом увеличивается его плотность, цвет становится чёрным, появляется металлический блеск. Каменный уголь наиболее высокого качества (антрацит) на 95% состоит из углерода. Он представляет собой вещество со структурой, напоминающей графит, в которой часть атомов углерода содержит различные функциональные группы. В пустотах структуры каменного угля находятся вода и минеральные соли. Каменный уголь — это не только топливо, но и важнейшее сырьё для химической промышленности. Вопросы и задания 1. Какие виды газообразного топлива вы знаете? Чем природный газ отличается от попутного нефтяного? 2. Сколько литров гелия можно выделить из 1000 м^ природного газа, содержащего 0,04% (объёмных) гелия, если полнота отделения составляет 90%? 3. Какой бензин называют прямогонным? Почему его в чистом виде не используют в качестве топлива? 4. Какие вещества добавляют в бензины для улучшения их характеристик и устойчивости при хранении? 5. Чем характеризуется устойчивость бензинов к детонации? Может ли быть октановое число бензина выше 100? 6. Какие вещества используют в качестве дизельного топлива, реактивного топлива? 7. Что называют цетановым числом? 8. Перечислите важнейшие виды твёрдого топлива. §22 П олимеры в быту нас окружают предметы, изготовленные из различных материалов — древесины, металлов, пластмасс, керамики. В основе органических материалов, как природных, так и полученных человеком, лежат высокомолекулярные соединения, имеющие высокие молекулярные массы (обычно выше 10 000 а. е. м.). Большинство из них представляют собой полимеры, молекулы которых (макромолекулы) состоят из повторяющихся фрагментов (структурных звеньев); 109 Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕСТВЕ Макромолекула CHg—СН—СН2—СН—СНз—СН— или R R R -----Y----- ! Структурное звено СНо—сн-1-I R Степень полимеризации Число структурных звеньев, входящих в состав макромолекулы, называют степенью полимеризации. В отличие от большинства низкомолекулярных соединений, полимеры не имеют определённой температуры плавления (при нагревании они постепенно размягчаются), так как содержат макромолекулы различной массы. В состав одного и того же образца полимера входят макромолекулы различной длины, поэтому молекулярная масса полимера представляет собой среднюю массу всех макромолекул, образующих его. В зависимости от строения макромолекул различают линейные (полиэтилен), разветвлённые (амилопектин) и сетчатые (резина) полимеры (рис. 61). Многие полимеры обладают низкой растворимостью, а сетчатые полимеры вообще нерастворимы, а лишь набухают и поглощают растворитель. Материал, из которого изготовлено изделие, помимо полимера содержит другие вещества, которые придают ему требуемые качества. Возьмём в качестве примера древесину. В основе её лежит целлюлоза — полимер, образованный звеньями глюкозы. Примером чистой целлюлозы служит вата, однако по внешнему виду и свойствам она отличается от древесины. Древесина — это материал, в состав которого наряду с целлюлозой входит лигнин, а также вода. Для изготовления мебели часто используют древесностружечные плиты (ДСП), а) Рис. 61. Линейные (а), разветвлённые (б) и сетчатые (в) полимеры лп Полимеры которые получают смешением высушенных древесных стружек с полимерной смолой, с последующим формованием массы в специальных машинах. Полученный материал состоит из небольших древесных стружек, связанных застывшей смолой в единый агломерат. Прежде чем познакомиться с важнейшими полимерными материалами, необходимо изучить свойства полимеров. Полимеры получают из низкомолекулярных веществ, которые называют мономерами. Например, из этилена образуется полиэтилен, из стирола — полистирол. Полимеры, образованные из одного мономера (бутадиеновый каучук — из бутадиена, полистирол — из стирола), называют гомополимерами, а из двух и более мономеров (бутадиен-стироль-ный каучук — из бутадиена и стирола) — сополимерами. Существует два способа образования макромолекул — полимеризация и поликонденсация (рис. 62). Полимеризацией называют реакцию соединения молекул одного или нескольких мономеров в макромолекулы. Например, при полимеризации этилена образуется полиэтилен: пСН2=СН2 “ Этилен(мономер) ->(-СН2-СН2-)„. Полиэтилен (полимер) В полученном веществе отсутствуют двойные связи, содержащиеся в исходном мономере. Полиэтилен фактически представляет собой полиалкан и, подобно другим предельным углеводородам, характеризуется низкой реакционной способностью. Из других мономеров, содержащих кратные связи углерод-углерод, также могут быть получены полимерные материалы общей формулы: лСН2=СН —СНо—СН- R I R при R = СНд соединение называется полипропилен; при R = С1 — поливинилхлорид; при R = CgHg — полистирол. Реакция полимеризации может протекать с участием двух или более различных мономеров, например этилена и стирола. Такой процесс называют сополимеризацией, а продукт, образованный из двух или более структурных звеньев, — сополимером. Примерами сополимеризации являются процес- LLL Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕСТВЕ Мономер + Мономер + -► t Полимер б) / Мономер 1 + Мономер 2 + Сополимер в) X— Мономер — Y + х— i \—Y I -XY Димер X- + x— i — Y I -XY Тример X— -Y + (л-3)Х- 1 — YI -(n-3)XY Полимер Рис. 62. Схематическое изображение полимеризации (а), сополимери-зации (б), поликонденсации (в) сы получения бутадиен-стирольных, бутадиен-нитрильных каучуков. Реакции образования полимеров из мономеров, протекающие с выделением побочных низкомолекулярных продуктов (воды, аммиака, хлороводорода), называют поликонденсацией. Именно так в живых организмах из аминокислот образуются белки. В основе реакции поликонденсации большинства синтетических полимеров лежат реакции образования амидов или сложных эфиров. Для синтеза полиамидов используют аминокислоты, молекулы которых содержат две функциональные группы — аминогруппу и карбоксильную. Так, из ш Полимерные материалы 6-аминокапроновой кислоты получают полимер, называемый капроном: СН 2\ СН. СН 2\ СН. /ОН — HN СН 2\ СН. СН 2\ СНс СН 2\ с— о + (я-1)Н20. Полимерные сложные эфиры синтезируют по реакции двухатомного спирта этиленгликоля и дикарбоновых кислот, например терефталевой кислоты. Полученный при этом полимерный продукт называют полиэтилентерефтала-том. В технике используют также и полимерные сложные эфиры неорганической угольной кислоты — поликарбонаты (—R—О—С(0)0—)„. Методом поликонденсации получают различные смолы. Вопросы и задания 1. Какие вещества называют палимерами? 2. Объясните смысл терминов «полимер», «мономер», «степень полимеризации ». 3. Почему полимеры, в отличие от низкомолекулярных соединений, не имеют определённой молекулярной массы? 4. По каким свойствам полимеры близки смесям веществ? 5. Какие методы получения полимеров вы знаете? Приведите примеры. 6. Напишите уравнения реакций полимеризации этилена, пропена, бутена-2, стирола (фенилэтилена), метилового эфира 2-метилпро-пеновой кислоты (метилметакрилата). 7. Из 100 м^ этилена получили 112,5 кг полиэтилена. Определите массовую долю выхода реакции полимеризации. 8. При полном разложении образца пластмассы массой 100 г получено 90 г стирола. Определите массовую долю полистирола в образце. §23 П олимерные материалы Полимеры широко распространены в природе и находят широкое применение в технике и быту. С природными высокомолекулярными соединениями — белками, полисаха- ш. Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕСТВЕ Ридами, нуклеиновыми кислотами — вы уже познакомились ранее. Здесь мы рассмотрим преимущественно синтетические полимеры. Материалы на их основе разделяют на пластмассы (пластики), эластомеры (например, каучуки) и волокна. Пластмассы (пластики) — полимерные материалы, способные при переработке в изделия приобретать заданную форму и сохранять её при эксплуатации. Помимо полимера в состав пластмасс вводятся наполнители, улучшающие их механические свойства (прочность), стабилизаторы, препятствующие их медленному окислению, пластификаторы, уменьшающие их хрупкость, красители. Наиболее часто используют твёрдые наполнители в виде порошков мела или графита. Для увеличения жесткости пластики армируют — вводят в них волокна, ткани или плёнки. Такие материалы, состоящие из нескольких компонентов, каждый из которых сохраняет собственную индивидуальность и свойства, называют композиционными или композитами. При этом одно из веществ, составляющих композит, распределено по всему объёму изделия, а другие включены в него в виде частиц, волокон или плёнок. В качестве волокон, распределённых в полимере, часто используют стеклянные нити, которые вытягивают из расплавленной смеси оксида кремния с оксидами металлов. Такие стеклопластики не проводят электрический ток, не намагничиваются, имеют высокую прочность и устойчивость к коррозии. Их используют в военной промышленности, в радиоэлектронике. Пропитывая углеродные волокна расплавленной смолой, получают углепластики. На их основе разработаны материалы, способные работать при температурах вплоть до 3000 °С. Из углепластиков делают детали гоночных автомобилей, самолётов, космических кораблей, сопла ракетных двигателей (рис. 63). Особую разновидность полимерных материалов представляют пенопласты, например пенополистирол, из которого делают упаковки для бытовой техники, и пенополиуретан, служащий основой для производства губок, сидений и матрасов (рис. 64). Рыхлая структура этих материалов создаётся благодаря вспениванию расплавленного полимера при помощи газов. В некоторых случаях газ получают разложением в расплаве специальных веществ — газообразователей. iii Полимерные мотериолы Y-S^Sia №' Рис. 63. Углепластики и изделия из них В их роли выступает гидрокарбонат аммония или органическое вещество азодикарбонамид. После охлаждения расплавленного полимера пузырьки газов остаются в материале, придавая ему вид застывшей пены. Добавление пластификаторов направлено на повышение эластичности материала, что необходимо при формовании из него изделий. В этой роли чаще всего выступают сложные эфиры карбоновых кислот или фосфорной кислоты. Со временем многие пластмассы стареют — изменяется их окраска, возрастает хрупкость. Всё это является следствием необратимых процессов, протекающих при действии света, кислорода воздуха, повышенных температур. ' * СН - СНг - -0(СН2),0-С - N - (СНг), -N- -с- 1 / II 1 i II СбНз Jn \ 0 Н Н О Jn Рис. 64. Пенопласты: а — пенополистирол; б — пенополиуретан //Л Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ а) б) в) г) РЕТ А LDPE А РР PS РММА А Рис. 65. Знаки, наносимые на упаковочные материалы: а — полиэти-лентерефтал ат; б — полиэтилен низкой плотности; в — полипропилен; г — полистирол; д — полиметилметакрилат; е — бумага Чтобы продлить срок службы изделия, в пластмассу добавляют стабилизаторы. Некоторые из них, например производные фенола, амины, опасны для здоровья человека, поэтому для хранения пищевых продуктов можно использовать лишь изделия, специально предназначенные для этого. К недостаткам многих полимерных материалов следует отнести их горючесть — свойство подавляющего большинства органических веществ. Для уменьшения горючести в некоторые пластмассы вводят специальные добавки — антипирены. Некоторые из них также токсичны, поэтому содержащие их пластики непригодны для хранения пищевых продуктов. Примерами наиболее распространенных пластмасс служат полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат (органическое стекло), полиэтилентерефталат. Заметим, что внешне материалы, выполненные из этих полимеров, могут выглядеть очень похоже и для их распознавания требуются специальные знания. Название полимера часто помещают на изделии в специальном знаке, используя латинскую аббревиатуру (рис. 65). Среди всех пластиков, выпускаемых мировой промыпшенностью, на первом месте по объёму производства находится полиэтилен. Он обладает свойствами диэлектрика, характеризуется высокой гибкостью и прочностью, нерастворим в кислотах и органических растворителях, устойчив к действию щелочей. Всё это объясняет его широкое применение для изготовления упаковочной и сельскохозяйственной плёнки, пакетов, шлангов. Для этих целей пригоден полиэтилен низкой плотности, макромолекулы которого имеют разветвлённую структуру. Синтез этого материала осуществляют при высоком давлении. Использование катали- ш Полимерные материалы заторов на основе соединении титана и алюминия позволило получить этилен при низком давлении. Полученный полимер, в отличие от полиэтилена, полученного при высоком давлении, состоит из линейных макромолекул, имеет большую плотность, что позволяет отливать из него контейнеры, бутыли, листы. Для этих целей в настоящее время всё чаще используют полипропилен, сходный с полиэтиленом по внешнему виду, но имеющий большую прочность и жёсткость. Он идет на изготовление волокон, выдувание труб, создание композиционных материалов. Примером негорючего пластика служит поливинилхлорид, более половины массы которого приходится на хлор. Из расплавленного полимера отливают и формуют оконные рамы, водопроводные и канализационные трубы, бытовые изделия. Введение жидкого пластификатора делает материал гибким и мягким. Из него делают линолеум, изоляционную ленту, искусственную кожу, обувь, непромокаемые плащи, моющиеся обои. При разложении поливинилхлорида выделяются ядовитые хлорсодержащие вещества. Среди всех пластиков первым был получен полистирол (1839 г.), промышленное производство его было налажено в 1920 г. И в настоящее время этот полимер широко используется для изготовления посуды, пуговиц, авторучек, упаковки для дисков. В отличие от полиэтилена и полипропилена, он сохраняет прозрачность даже в толстом слое, что позволяет изготавливать из него шкалы приборов, плафоны светильников. Полистирол хрупок, и изделия из него легко растрескиваются. Этого недостатка лишены сополимеры полистирола с каучуками (например, получаемый из акрилонитрила, бутадиена и стирола АБС-пластик), из которых делают защитные шлемы, корпуса приборов бытовой техники, спортивный инвентарь. Пенополистирол, называемый в быту пенопластом, хорошо зарекомендовал себя как упаковочный, звуко- и теплоизоляционный материал. Полиметилметакрилат легко обнаружить по характерному сладковатому запаху, образующемуся при термообработке изделий. Этот полимер в быту называют органическим стеклом. Оно очень плохо проводит тепло (рис. 66), подобно полистиролу, хорошо растворимо во многих органических растворителях. Широкое распространение в быту получили также изделия из полиэтилентерефталата — продукта поликонденса- 117 Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ ции этиленгликоля и терефта-левой кислоты. Он нетоксичен, обладает высокой прочностью, низкой газопроницаемостью. В ёмкостях, выполненных из этого пластика, в продажу поступают газированные напитки, растительное масло, вода (рис. 67). Плёнка поли-этилентерефталата идёт на создание ёлочных украшений. Пластики, созданные на основе полиэфиров угольной кислоты — поликарбонатов, служат отличными конструкционными материалами, используемыми, например, для производства компакт-дисков. Изготовленные из поликарбонатов детали приборов по многим свойствам не уступают металлическим, но, в отличие от них, устойчивы даже в агрессивных средах. Благодаря не-токсичности поликарбонаты применяют в качестве биоматериалов для костных протезов, из них делают фильтры для крови и оболочки для некоторых лекарственных средств. Обладающие высокой ударопрочностью пластины из поликарбонатов используют в защитных экранах и щитах. Одну из первых пластмасс — целлулоид — получают из нитрата целлюлозы добавлением небольшого количества камфоры, играющей роль пластификатора. Целлулоид — это хрупкий материал, отличающийся от других полимеров высокой горючестью. Ещё несколько десятилетий назад он широко использовался для изготовления детских игрушек, расчёсок, ручек ножей, линеек, оправ для очков, фотоплёнки. Изделия из целлулоида при поджигании горят с треском, разбрасывая сноп искр и образуя большое количество дыма («дымовая завеса»). Именно поэтому в настоящее время он практически полностью заменён другими, более безопасными материалами, однако до сих пор незаменим в производстве шариков для настольного тенниса. Рис. 66. Полиметилметакрилат плохо проводит тепло ш Полимерные мотериалы Рис. 67. Полиэтилентерефталат: а — фрагмент полимерной цепи; б — заготовка и изделие из пластика Все описанные полимеры не разрушаются при плавлении, выдерживают многократное нагревание и охлаждение. Такое свойство пластмасс называют термопластичностью. Термопластичные пластики можно получать отливкой и формовкой, они могут быть использованы вторично для производства других изделий. Отжившие свой век изделия из полимерных материалов, попав в окружающую среду и будучи химически инертными, надолго остаются в виде отходов. Проблема их утилизации с каждым годом становится всё более актуальной. Во многих странах бытовые отходы из пластмасс собирают в отдельные контейнеры, чтобы потом использовать их вторично для производства других изделий. Учёные работают над созданием биоразрушающихся пластмасс, которые постепенно разлагаются в природе под действием света или бактерий на нетоксичные материалы. Такие полимеры уже получены, но по стоимости они пока не могут конкурировать с полиэтиленом. Если в полиэтилен внедрить небольшие гранулы крахмала, служащего пищей для бакте- 1Ж Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ Рис. 68. Корпус телефонного аппарата, выполненный из бакелита _______________ рии, то изделия из такого пластика при попадании в почву быстро разлагаются мелкие части, которые уже не представляют опасности для окружаюп;ей среды. На основе поливинилового спирта созданы полимеры, растворяющиеся при обработке горячей водой. Из них делают пластиковые мешки для грязного белья. Термореактивные полимеры, в отличие от термопластичных, при нагревании разлагаются. При этом происходит необратимое изменение их структуры, а в некоторых случаях и разрушение. К числу термопластов относят смолы, получаемые конденсацией. В начале XX в. был разработан синтез фенолформальдегидной смолы (бакелита) из фенола и формальдегида. Бакелит — твёрдый, трудногорючий, жёсткий и прочный материал с прекрасными изоляционными свойствами. Ранее в смеси с наполнителем (слюдой, древесными опилками) он широко использовался для создания корпусов телефонных аппаратов, деталей машин, выключателей (рис. 68). При нагревании бакелит разлагается, выделяя высокотоксичные пары фенола. Поэтому в настоящее время фенолформальдегидные смолы заменяют на сходные по строению и свойствам аминопласты. Их получают поликонденсацией формальдегида с мочевиной и различными аминами. Аминопласты широко применяют в производстве фанеры, мебели, слоистых пластиков. Волокна — это тонкие непряденые нити, используемые для изготовления тканей. Ткань состоит из переплетённых нитей, расположенных продольными и поперечными рядами. Более рыхлое вязаное полотно, образованное одной системой нитей, закрученных в петли, называют трикотажем (рис. 69). Нанесением на ткань полимерного покрытия, сделанного из полиуретана или полипропилена, получают материал, называемый искусственной кожей. Различают природные (лён, хлопок, шерсть) и химические волокна. К природным волокнам относят хлопок и лён. Оба этих волокна представляют собой целлюлозу. Другим примером природного волокна служит шёлк — белок, производимый гусеницей тутового шелкопряда. Шёлковую нить 120 Полимерные мотериалы Рис. 69. Нить под микроскопом (а), ткань (б), трикотаж (в) (как и шерсть) легко отличить от хлопчатобумажного волокна по неприятному запаху палёной кожи, появляюш;емуся при её поджигании. Химические волокна получают продавливанием раствора или расплава полимера через фильеры, имеющие вид колпачков с многочисленными узкими отверстиями (рис. 70). Нагретая жидкость Нагретый ^ .V воздух Прядильная головка \ Фильеры Образующиеся нити Шахта /Волокно / • Рис. 70. Схема производства волокна пропусканием раствора через фильеры Ш. Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ Волокна, получаемые при химической переработке природных полимеров, называют искусственными, а производимые из синтетических полимеров — синтетическими. Примерами искусственных волокон служат вискоза и ацетатное волокно (искусственный шёлк), получаемые из целлюлозы. Для получения вискозы целлюлозу, обычно выделяемую из древесины, растворяют в щелочном растворе сероуглерода, а затем выделяют её при подкислении из концентрированного (от лат. viscous — вязкий) раствора. В образовавшейся вискозе, которая по составу и свойствам аналогична исходному природному полимеру, молекулы целлюлозы укладываются друг относительно друга более плотно, чем в природном волокне. Нити и ткани из вискозного волокна по блеску напоминают шёлковые, поэтому их иногда называют искусственным шёлком. Это же название в быту часто относят и к ацетатному волокну, представляющему собой полимер сложных эфиров целлюлозы и уксусной кислоты. В отличие от хлопчатобумажных тканей, ткани из ацетатного волокна практически не мнутся, однако легко истираются и теряют устойчивость в сильнощелочных растворах. Тонкие нити ацетатного волокна получают в результате испарения тонких струек раствора ацетата целлюлозы в ацетоне, такой способ формования называют «сухим», в отличие от «мокрого», применяемого в производстве вискозы. Если при получении вискозы из раствора вместо нитей формовать плёнку, то получится материал, называемый целлофаном. Он содержит целлюлозу и воду, а для пластичности пропитан глицерином. Внешне целлофановая плёнка, используемая в качестве упаковочного материала для пищевых продуктов, сходна с полиэтиленовой, но, в отличие от неё, при сгибании издаёт характерный хруст. Волокна, получаемые из синтетических полимеров, так и называют — синтетическими. Среди них наибольшее распространение получили материалы на основе полиамидов и полиэфиров. Полиамидное волокно капрон (найлон-б) можно получить конденсацией 6-аминокапроновой кислоты, а найлон 6,6 — взаимодействием адипиновой кислоты с гек-саметилендиамином: nNHg—(СН2)б—NHg -ь лНООС—(СН2)4—СООН-------> Гексаметилендиамин Адипиновая кислота -N-(CH2)6-N-C-(CH2)4-C- н н о Найлон О + (лг- 1)Н20. Ш Полимерные мотериалы Подобно другим амидам, полиамидные волокна разлагаются горячими растворами щелочей до аминов и солей карбоновых кислот, поэтому их нельзя погружать в крепкий содовый раствор или хлорсодержащий отбеливатель. Кислородные отбеливатели также разрушающе действуют на эти материалы. Полиамидные волокна обладают высокой прочностью, они не подвержены действию микроорганизмов. В быту широко используют капроновые верёвки, толстые капроновые нити применяют в качестве лески, материала для рыболовных сетей. При температуре около 200 °С капрон начинает размягчаться, поэтому ткани из него нужно гладить с осторожностью. Найлон термически более устойчив. Из расплава полиэтилентерефталата, знакомого вам в качестве пластика, вытягивают тонкие нити волокна, называемого лавсаном. Он выдерживает нагревание лишь до 170 °С. Лавсан идёт на производство трикотажа и верхней одежды, ковров, ремней безопасности. Из тонкой лавсановой нити изготавливают тюль. В последние годы широко развивается производство эластомерных волокон на основе полиуретанов (спандекс, лайкра), ткани из которых не мнутся, эластичны, плотно облегают тело. Из них делают колготки, купальные костюмы, спортивную одежду. Традиционными эластомерами являются каучуки — продукты полимеризации диеновых углеводородов. Так называют углеводороды, содержащие две двойные связи. Молекулы диеновых углеводородов с двумя двойными связями, разделёнными одинарной, при полимеризации образуют вещества, в которых двойная связь переходит на место одинарной: =С—С=СН. I I Н R —СНо—С =С—СНр— II Н R Образующийся полимер, в отличие от продуктов полимеризации алкенов, по-прежнему содержит двойные связи, т. е. является непредельным. Природный каучук (от инд. кау — дерево и учу — плакать, течь), содержащийся в млечном соке некоторых тропических ш. Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ ' — СН2 — С = СН — CHg —' сн. 'п Рис. 71. Латекс — коллоидный раствор натурального каучука растении, например гевеи (рис. 71) и фикуса, представляет собой полимер углеводорода изопрена (2-ме-тилбутадиена-1,3). Сам мономер — это бесцветная легколетучая жидкость, малорастворимая в воде, хорошо — в органических растворителях. Каучук представляет собой эластичный материал жёлто-коричневого цвета, растворимый в углеводородах (бензин, бензол, толуол) и их хлорпроизводных (хлороформ), в макромолекулах природного каучука все метильные группы расположены строго по одну сторону от двойных связей: сн; :с=с: -СН, н> щс—сщ :с=с: -СН, н. щс—сщ :с=с: -СНз ■Н2С-... или Н- сн; :с=с: СНз СНз- что придаёт веществу особые свойства. В обычном состоянии все макромолекулы закручены в клубки, а при растяжении раскручиваются (рис. 72). При снятии нагрузки они возвращаются в прежнее состояние, что и обеспечивает материалу эластичность. При температурах 15—40 °С каучук размягчается, поэтому в чистом виде он используется лишь в производстве резинового клея. При хранении на воздухе каучук стареет — постепенно теряет эластичность вследствие окисления по кратным связям. Другой природный полимер изопрена — гуттаперча, в отличие от каучука, имеет транс-строение: Полимерные материалы сн СН., 1 СНз СНз 9 W V»/'Xj.9 V/JnLo ^ 1 1 ^ \ н н Н СНз 1 ^ или /С<%^ /СНз — СН^ • 1 Н п сн 2\ • •• Она добывается из растений, произрастающих в Индонезии, на Филиппинах, содержится в бересклете. По сравнению с каучуком гуттаперча напоминает кожу, становится пластичной при нагревании, обладает большей клейкостью. Она используется в качестве изолятора в электротехнике, в производстве клеёв. В промышленности получают синтетические полимеры, по свойствам напоминающие натуральный каучук. Они представляют собой гибкие и эластичные материалы, путём вулканизации превращающиеся в резину. Первым синтети- Рис. 72. Растяжение каучука Глаша 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕСТВЕ ческим каучуком был бутадиеновый — продукт полимеризации бутадиена-1,3: пН2С=СН—СН=СН2 ^ (—СН2—СН=СН—СН2—)„. Он уступает природному каучуку по эластичности. В настоящее время производятся синтетические изопреновые каучуки, по строению и свойствам приближающиеся к природному каучуку. Большое распространение получили бута-диен-стирольные каучуки — продукты сополимеризации бутадиена-1,3 и стирола. Большую часть производимых каучуков вулканизируют — нагревают с серой без доступа воздуха. При этом отдельные макромолекулы каучука сшиваются по местам двойных связей мостиками из атомов серы (рис. 73). Образуется резина — упругий и эластичный материал, имеющий пространственное строение. По сравнению с каучуком она более износостойка и устойчива к изменениям температуры. Чем больше добавлено серы, тем выше степень вулканизации и тем твёрже образующийся материал. Слабовулканизированная резина, подобно каучуку, легко растягивается — из неё делают воздушные шарики, перчатки. Резина с большим содержанием серы идёт на изготовление шлангов, шин, обуви, игрушек. Используемый материал часто содержит наполнители (угольная сажа в автомобильных шинах), а также красители и стабилизаторы. Дальнейшая вулканизация резины приводит к образованию эбонита — твёрдого материала, используемого в качестве изолятора. Палочка, сделанная из этого материала, легко электризуется от трения, что используют для демонстрации статического электричества. + S Рис. 73. Вулканизация каучука Неорганические материалы Вопросы и задания 1. Какие полимеры называют пластмассами? Приведите примеры. 2. Можно ли из одного и того же полимера сделать волокно и пластмассу? Сравните по свойствам полиэтилен и полистирол. При нагревании полистирола без доступа воздуха он разлагается, превращаясь в жидкость, которая обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия. Назовите эту жидкость и продукт её бромирования. Напишите уравнения реакций. Почему пламя горящего полиэтилена имеет едва заметную окраску, а пламя горящего полистирола сильно коптит? Чем отличаются искусственные волокна от синтетических? Объясните, почему изделия из лавсана разрушаются при обработке кислотами или щелочами, а изделия из полиэтилена — нет. Что называют каучуком, гуттаперчей, резиной, эбонитом? Объясните, почему резину и эбонит называют пространственными полимерами, а каучук — нет. 10. Заполните таблицу 8. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Свойства некоторых синтетических полимеров Таблица 8 Название, формула Свойства Применение Полиэтилен Полипропилен Полистирол Тефлон Поливинилхлорид Полиэтилентерефталат Капрон Бакелит Поликарбонат §24 Н еорганические материалы Ещё столетие назад многие предметы, окружающие нас в повседневной жизни, изготовляли не из пластмасс, а из неорганических материалов. К их числу относят металлы и сплавы, с которыми вы познакомились в 10 классе, а также стекло и керамику. ш. Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕСТВЕ Рис. 74. Античное стекло: а — амфора из многослойного стекла с имитацией резьбы по камню; б — флакон из прозрачного стекла Производство стекла из смеси известняка, соды и кремнезёма возникло в Древнем Египте около 4000 лет до н. э. (рис. 74). С тех пор технология выплавки стекла значительно усовершенствовалась, однако принципы, лежаш;ие в её основе, остались неизменными. Тугоплавкое кварцевое стекло получают охлаждением расплавленного кварца. В отличие от кристаллического кварца, оно состоит из беспорядочных трёхмерных сеток, в которых каждый атом кислорода соединён с двумя атомами кремния, а каждый атом кремния — с четырьмя атомами кислорода (рис. 75). Такое стекло необычайно тугоплавко, для отливки изделий требуются очень высокие температуры. В промышленности гораздо удобнее отливать силикатные стёкла, содержаш;ие атомы металлов. Простейшее силикатное стекло представляет собой силикат натрия и кальция, его формулу принято записывать в виде соединения оксидов: NagO • СаО • GSiOg. В его структуре трёхмерная сетка из атомов кремния и кислорода в некоторых местах оказывается разорванной, что приводит к уменьшению прочности и резкому понижению температуры плавления. Стекло, в отличие от кристаллических тел, не имеет определённой температуры плавления и при остывании рас- ш Неорганические материалы Рис. 75. Структура кварцевого (а) и силикатного (б) стёкол плава постепенно загустевает. Из загустевшего полужидкого стекла выдувают художественные изделия, прессовкой получают различную посуду, специальными машинами вытягивают пластины оконного стекла, отливают толстые стёкла, идугцие на производство зеркал. Обычное силикатное стекло размягчается при температуре около 500 °С, тугоплавкие стёкла выдерживают нагревание до 900 °С, а кварцевое плавится лишь при температуре около 1500°С. Силикатное стекло прозрачно, прочно, не проводит электрический ток и является плохим проводником тепла. Именно поэтому мы не замерзаем зимой в отапливаемых помещениях, несмотря на большие размеры окон. Главный недостаток стекла — хрупкость. С этим свойством, наверное, знаком каждый — редко кому не доводилось разбить какой-нибудь стеклянный предмет! Стекло устойчиво к действию многих химических веществ. Оно нерастворимо в воде, не реагирует даже с концентрированными кислотами. Исключение составляет лишь плавиковая кислота HF, переводящая стекло в смесь фторидов. Для варки стекла используют чистый кварцевый песок, известняк и соду. Приготовленную смесь нагревают до высокой температуры (1400 °С). В этих условиях кварц реагирует с содой, вытесняя из неё углекислый газ: Na2C03 + SiOg = NagSiOg + COgt, a также вступает во взаимодействие с оксидом кальция, образующимся при разложении известняка: СаСОз = СаО -ь СОзТ, СаО + SiOg = СаВЮз. Кварцевый песок берётся в избытке, поэтому стекло не является смесью чистых силикатов натрия и кальция, а пред- Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ I V -e-j ■■ '•V I' i чМ^ Рис. 76. Изделия из хрусталя ставляет собой твёрдый раствор этих соединений в кремнезёме. Добавляя в расплав различные оксиды, получают цветные стёкла. Например, оксиды железа окрашивают стекло в зелёный, голубой или красно-бурый цвет, оксид кобальта (II) — в синий, оксид хрома (III) — в зелёный, оксид марганца (III) — в фиолетовый, оксид меди (I) — в красный. Вводя в расплав порошок полевого шпата, получают матовое молочное стекло. В XIX в. особенно ценилось урановое стекло, окрашиваемое в зеленовато-жёлтый цвет оксидами урана. При частичной замене известняка на оксид свинца (II) получается хрусталь — стекло, обладающее способностью сильно преломлять лучи света и хорошо полирующееся (рис. 76). Частичная замена кремнезёма на оксид бора приводит к образованию боросиликатных стёкол, размягчающихся при более высокой температуре, чем обычные силикатные. Боросиликатное стекло марки «пирекс» идёт на изготовление термостойкой лабораторной посуды. Керамикой (от греч. керамос — глина) в быту называют изделия из глины, обожжённые в печи. Так в древних Афинах назывался район, где работали гончары. Человечество освоило изготовление глиняной посуды ещё в каменном веке, задолго до того, как была открыта выплавка бронзы и железа. Изделия из обожжённой глины широко используют и в наши дни — в качестве строительных и облицовочных материалов (кирпич, плитка, черепица), посуды и предметов декора (фарфор, фаянс). Глина, или каолинит, — кристаллическое вещество белого цвета. Кристаллы каолинита представляют собой тонкие шестиугольные пластинки размером около 0,00005 см (рис. 77). Если их намочить, они крепко слипаются, как листы мокрой бумаги. В таком состоянии глина обладает способностью удерживать воду в промежутках между кристал- ш Неорганические материалы Рис. 77. Каолинит под микроскопом лами. Вода, содержащаяся во влажной глине, действует на неё подобно смазке — кристаллы легко скользят друг относительно друга. Кому приходилось ходить по влажной глинистой почве, тот знает, как непросто удержать равновесие, чтобы не упасть! Влажная глина по пластичности напоминает пластилин — из неё легко вылепить изделие даже сложной формы. Когда глина подсыхает, отдельные кристаллы каолинита слипаются друг с другом, образуя жёсткую и твёрдую массу, которая сохраняет ту форму, которую ей придали. После сушки керамические изделия обжигают в печи — при этом отдельные кристаллики соединяются в единую твёрдую массу, состоящую из муллита SAlgOg • 2Si02, кристаллизующегося в форме игл, и твёрдых растворов на его основе. Игольчатые кристаллы муллита придают керамическим изделиям прочность. После обжига керамика имеет невыразительный серый или жёлто-коричневый цвет, в зависимости от примесей, содержащихся в глине. Для получения рисунка на фарфоровые и фаянсовые изделия наносят тонко растёртые оксиды металлов. При обжиге они реагируют с муллитом, образуя ярко окрашенные вещества. Во многих сортах керамики имеются мелкие поры, в которых может накапливаться влага. Чтобы избежать этого и придать изделию красивый цвет, его перед обжигом покрывают тонким слоем высококачественной цветной глины (ангобом) или стеклянной глазурью. Обжигом неочищенной глины, окрашенной соединениями железа в жёлтый или бурый цвет, получают кирпичи, черепицу, огнеупорные материалы (рис. 78). Фарфором называют керамику, отличающуюся непористым строением. Для её изготовления используют очень чистую глину белого цвета, не содержащую примесей. При обжиге она становится пористой, поэтому фарфоровые изделия обычно покрывают глазурью и расписывают. Краска может 1М. Рис. 78. Художественная керамика: блюдо из майолики (Дерута, Италия) и сахарница из глазурованного фарфора (Севр, Франция) быть нанесена как поверх глазури (надглазурная роспись), так и непосредственно по фарфоровой массе (подглазурная роспись). Так как нанесение глазури связано с обжигом изделия при высокой температуре, для подглазурной росписи используют лишь пигменты, которые обладают высокой термической устойчивостью, например растворы солей переходных металлов, окрашивающие изделие в неяркие полупрозрачные акварельные тона. Для подглазурной росписи часто применяют и тенарову синь — алюминат кобальта C0AI2O4, известный каждому по гжельской керамике (рис. 79). Лишь небольшую часть фарфора выпускают в бисквите, т. е. неглазурованным. Белая матовая поверхность бисквита Рис. 79. Гжельская керамика, пигмент тенарова синь, используемый для её росписи Неорганические материалы хорошо передает объёмность формы, поэтому он служит материалом для изготовления скульптуры, медалей, рельефов. Родиной фарфора считают Китай, где он появился в IV— VI вв. в результате постепенного совершенствования рецепта приготовления керамической массы. В странах Западной Европы начиная с XVI в. из легкоплавящейся силикатной массы, близкой по составу молочному стеклу, производили очень похожий на китайский фарфор материал, называемый мягким фарфором. Подобно фарфоровым изделиям, его покрывали прозрачной свинцовой глазурью и расписывали. Разновидностью мягкого фарфора является костяной фарфор, при производстве которого в массу добавляется костяная зола. Рецепт производства настоящего фарфора (иногда, в отличие от мягкого, называемого твёрдым) китайцы в течение столетий успешно скрывали от иностранцев. Секрет удалось раскрыть лишь в начале XVIII в. немецкому мастеру Иоганну Фридриху Бётгеру, положившему начало знаменитому мейсенскому фарфору. В России регулярное производство фарфора было налажено лишь в середине XVIII в. Д. И. Виноградовым, который самостоятельно раскрыл секрет изготовления фарфоровой массы. Внешне с фарфором сходен фаянс, отличающийся от него большей пористостью, меньшей плотностью и полной непрозрачностью. Фаянс был известен в Европе и на Ближнем Востоке ещё в древности. Фаянсовая посуда по сравнению с фарфоровой более массивна и совсем не пропускает свет. Майоликой называют крупнопористые изделия из цветной обожжённой глины. Неглазурованная майолика благодаря наличию крупных пор пропускает воду, поэтому изделия из майолики обязательно покрывают непрозрачной эмалью. Поверх сырой эмали перед обжигом поверхность изделия расписывают. Керамические майоликовые плитки издревле использовались для облицовки стен зданий. На Руси их называли изразцами. Изделия гжельских мастеров также представляют собой майолику. Обжиг керамической массы при высоких температурах приводит к получению плотного материала, называемого каменной массой. Изделия из каменной массы обычно украшают тонким рельефом и покрывают глазурью. В технике используют и специальные керамические материалы, представляющие собой тугоплавкие оксиды метал- 133 Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ ЛОВ. Например, алундовые тигли, выдерживающие нагревание до высоких температур, изготавливают из оксида алюминия. Вопросы и задания 1. Что служит сырьём для силикатной промышленности и какие важнейшие продукты она выпускает? 2. Какой состав имеет силикатное стекло? По каким свойствам оно отличается от кварцевого стекла? 3. Чтобы сделать острые края стеклянной палочки более плавными, их поочерёдно вносят в пламя и выдерживают в нём некоторое время, постоянно вращая палочку. Можно ли так подровнять края палочки, сделанной из стали, древесины, кварцевого стекла? Почему? 4. Какая погода лучше подходит для бетонирования дорожки на дачном участке — жаркая сухая или холодная дождливая? 5. Что называют керамикой? 6. На каких свойствах глины основано производство керамики? 7. Зачем фарфоровые и фаянсовые изделия снаружи покрывают глазурью? 8. Силикат кальция 2Ca0*Si02 входит в состав цемента. Напишите уравнение реакции образования этого вещества при спекании смеси кварцевого песка и известняка. 9. Силикатный (белый) кирпич получают действием воды на смесь кварцевого песка и негашёной извести. Затем сформованные кирпичи нагревают, обрабатывая их водяным паром. Напишите уравнения реакций, если известно, что готовый силикатный кирпич состоит из смеси кварцевого песка и гидрата силиката кальция CaSiOg • HgO. 10. Один из силикатов кальция, входящих в состав цемента, содержит в своём составе 52,63% кальция и 12,28% кремния. Выведите простейшую формулу этого соединения и запишите её в виде комбинации оксидов. §25 «' еленая» химия Из предыдущих параграфов следует очевидный вывод, что без химии — без эффективных лекарств, строительных материалов, новых видов топлива, средств защиты растений — современное общество обойтись не может. В то же время, несмотря на очевидные заслуги химии в улучшении качества жизни человека, в обществе прогрессирует хемофобия — отрицательное отношение к химии и её проявлениям. Такое 134 «Зелёная» химия отношение отчасти оправдано — оно вызвано коптяш,ими заводскими трубами, ядовитыми выхлопными газами, низкокачественными пищевыми добавками, отравлением водоёмов, техногенными катастрофами. Получается, что «за всё приходится платить»: прогресс в химической промышленности имеет свою оборотную сторону — огромную нагрузку на окружающую среду и низкую безопасность. Долгое время роль сдерживающего фактора для химической промышленности играли экологи — специалисты по охране окружающей среды. Именно они с помощью разнообразных методов — научных, административных, общественных, политических — пытались обезвредить последствия химических процессов, контролируя нежелательные выбросы, уничтожая вредные химические вещества, иногда даже препятствуя созданию новых производств. Однако в последнее десятилетие сами химики осознали, что химическое производство в его современном виде не имеет права на существование. Появилась глобальная стратегическая цель — превратить химическую промышленность в отрасль, безопасную для человека и окружающей среды. Сформировался новый способ мышления в химии, который назвали «зелёной» химией. В узком понимании к «зелёной» химии можно отнести любое усовершенствование химических процессов, которое положительно влияет на окружающую среду. В более широком смысле «зелёная» химия — это не раздел науки, это, скорее, новая философия, иной нравственный подход к химии, которая рассматривается не столько с утилитарных, сколько с гуманитарных позиций. Современные химики глубоко восприняли концепцию устойчивого развития, согласно которой удовлетворение потребностей нынешнего поколения не должно ограничивать или подвергать опасности будущие поколения. В рамках этой концепции были сформулированы основные принципы «зелёной» химии. Всего их 12, но некоторые из них имеют узкопрофессиональный характер, поэтому мы рассмотрим только наиболее общие принципы. Главный из них состоит в том, что лучше предотвратить образование загрязнений, чем потом от них избавляться. Для этого надо применять такие процессы, в которых побочные продукты или совсем не образуются, или представляют собой безвредные вещества. Так, в органической химии в качестве восстановителя всё чаще применяют водород, который превращается в обычную воду, не требующую утилиза- Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕаВЕ ции. А для окисления органических веществ стали использовать оксид азота (I), который преобразуется в безвредный азот. Таким способом, например, бензол можно превратить в фенол в одну стадию: ОН -Н N 2- Второй принцип связан с эффективностью химических превращений. Синтез веществ следует планировать так, чтобы максимальное количество используемых материалов вошло в конечный продукт. Это означает, что число неиспользуемых отходов надо сделать минимальным. Для оценки эффективности того или иного процесса используют понятие «степень утилизации», которую определяют как отношение молярной массы желаемого продукта к сумме молярных масс всех образующихся продуктов. Пример. Для производства оргстекла используют сложный эфир метилметакрилат. Классическим способом его получают в две стадии из ацетона: CN СН3-С-СН3 снз- 9-СН3 О Ацетон ОН соосн, СН3—С=СН2 + NH4HSO Метилметакрилат 4- При ЭТОМ наряду с метилметакрилатом (М = 100 г/моль) образуется побочный продукт — гидросульфат аммония NH4HSO4 (М = 115 г/моль). Поэтому степень утилизации в данном процессе равна: 100/(100 -Ы15) = 0,47 = 47%. Современным способом этот эфир получают в одну стадию присоединением оксида углерода (II) и метанола к пропину в присутствии катализатора: СООСН, СНд—С^СН + СО -Ь СН3ОН Пропин ">СНз—С=СН2. Метилметакрилат 136 «Зелёная» химия В этом случае, поскольку образуется только нужный продукт, степень утилизации равна 100%. Третий принцип связан с энергией. При планировании синтеза надо стремиться минимизировать энергетические затраты, поэтому химические процессы следует по возможности проводить при низких температурах и давлениях. Напомним, что высокие температуры обычно нужны для того, чтобы преодолеть энергетический барьер, разделяющий реагенты и продукты. Катализаторы снижают энергетический барьер, поэтому подбор подходящих катализаторов позволяет осуществлять химические реакции в мягких условиях. Исходными веществами для промышленных процессов служат полезные ископаемые, главным образом нефть, уголь и природный газ. Все эти ресурсы относятся к исчерпаемым — рано или поздно они закончатся. «Зелёная» химия ориентирована в первую очередь на возобновляемые ресурсы — растительные масла, целлюлозу, биомассу и бытовой мусор. В будущем эти виды сырья могут стать даже более дорогими, чем нефть или газ. К возобновляемому сырью относится также углекислый газ, из которого получают ценные полимеры — поликарбонаты. Думающие химики озабочены не только тем, как получить тот или иной продукт, но и тем, что с ним будет потом, после того как нужда в нём исчезнет, и загрязнит ли он окружающую среду или будет постепенно разлагаться под действием воды, света или микроорганизмов до безопасных веществ. Особенно полезны биоразлагаемые продукты, к числу которых относятся упомянутые выше поликарбонаты. Последний из наиболее общих принципов «зелёной» химии связан с безопасностью химических производств. Вещества и процессы следует выбирать так, чтобы минимизировать вероятность несчастных случаев — утечек, взрывов и пожаров. Многие помнят трагедию в городе Бхопал (Индия), где произошёл выброс метилизоцианата, для производства которого используют отравляющее вещество фосген. Позже был создан намного более безопасный способ синтеза метилизоцианата без использования фосгена. Для производства любого вещества существует много способов, и раньше выбирали самый экономичный из них, который минимизирует расходы и увеличивает прибыль. Однако теперь люди поняли, что кроме денег существуют и другие ценности, например бережное отношение к окружающей ш. Глава 2. ХИМИЯ В ЖИЗНИ И ОБЩЕСТВЕ среде и забота о будущих поколениях. Поэтому теперь на вопрос: «Может ли химия быть безопасной?» можно уверенно отвечать: «Да, если это — «зелёная» химия». Самое важное в главе 2 Многие процессы, которые мы осуществляем в быту, например приготовление пищи, представляют собой сложные химические реакции. Пищевые продукты содержат три важнейшие группы питательных веществ — белки, жиры и углеводы. Лекарства также представляют собой химические соединения, а их фармакологическое действие основано на химических реакциях. Применять лекарственные средства надо строго по назначению врача. Многие химические вещества верно служат человечеству на протяжении многих столетий. К их числу относят металлы, керамику, стекло, цемент. Важнейшее сырьё для производства стекла — кварцевый песок, представляющий собой оксид кремния (IV). Для изготовления керамики и цемента используют глину — природный алюмосиликат. Многие современные материалы изготавливают на основе полимеров. В зависимости от вида и свойств их подразделяют на волокна, пластмассы и эластомеры. Удобрениями служат вещества, которые содержат в своём составе азот, фосфор, калий, а также микроэлементы в формах, способных усваиваться растениями. К их числу принадлежат калийная и аммиачная селитры, мочевина, простой и двойной суперфосфаты, нитрофоска. В последние годы у химиков появилась глобальная стратегическая цель — превратить химическую промышленность в отрасль, безопасную для человека и окружающей среды. Новый подход к организации химических производств назвали «зелёной» химией. Практикум Лабораторные опыты Свойства этилового спирта 1. Налейте в пробирку 1 мл этанола. Определите его запах. Прилейте к спирту примерно равное количество воды. Перемешайте раствор. Сделайте вывод о растворимости этанола в воде. 2. К полученному раствору добавьте один-два кристаллика перманганата калия и перемешайте. Нагрейте раствор. Что наблюдается? Как изменился цвет раствора? Сделайте вывод о протекании реакции. 3. Налейте в фарфоровую чашечку 1—2 мл этанола и подожгите его горящей лучинкой. Отметьте цвет пламени. Напишите уравнение реакции. При необходимости потушите спирт, накрыв чашку часовым стеклом. 4. Раскалите в пламени спиртовки спираль из медной проволоки. Как изменился цвет спирали? Раскалённую спираль опустите в стакан с этанолом. Что наблюдается? Напишите уравнение реакции. Свойства глицерина 1. Налейте в пробирку 1 мл глицерина. Отметьте высокую вязкость жидкости. Прилейте к глицерину воду и перемешайте. Сделайте вывод о растворимости глицерина в воде. 2. Получите из сульфата меди гидроксид меди (II), отметьте цвет вещества и его растворимость в воде. К полученному осадку добавьте раствор глицерина, приготовленный в предыдущем задании 1. Что наблюдается? Для чего используют эту реакцию? Свойства уксусной кислоты 1. Изучите внешний вид выданной вам уксусной кислоты: её цвет, запах, растворимость в воде. Пользуясь индикатором, определите кислотность выданного раствора. 139 ПРАКТИКУМ 2. Изучите взаимодействие уксусной кислоты и цинка, оксида меди (II), карбоната натрия. Что наблюдается в каждом случае? Напишите уравнение реакции. 3. Налейте в пробирку 1 мл уксусной кислоты, 1 мл этанола и несколько капель концентрированной серной кислоты. Осторожно нагрейте пробирку в стакане с кипяш;ей водой. Что наблюдается? Запах какого вещества вы ощущаете? Напишите уравнение реакции. Свойства бензойной кислоты 1. Поместите в пробирку 1 г бензойной кислоты и прилейте 2 мл воды, перемешайте раствор. Наблюдаете ли вы полное растворение? 2. Осторожно нагрейте раствор на пламени спиртовки. Что наблюдается? Образовавшийся раствор охладите, оставив его остывать при комнатной температуре или внеся дно пробирки под струю холодной воды. Что наблюдается? Сделайте вывод о зависимости растворимости бензойной кислоты от температуры. 3. Пользуясь индикатором, определите кислотность среды раствора бензойной кислоты. 4. Получите бензоат натрия, прибавляя по каплям раствор бензойной кислоты к 5% -му раствору карбоната натрия. Гидролиз аспирина (ацетилсалициловой кислоты) Несколько кристаллов аспирина растворите в 4 мл воды. Раствор разделите на две равные части. Одну из них прокипятите на пламени спиртовки в течение 3 мин, а затем охладите. В каждую пробирку внесите по несколько капель 1% -го водного раствора хлорида железа (III). О чём свидетельствует появление интенсивной красно-фиолетовой окраски? Реагентом на какой класс соединений является хлорид железа (III)? Напишите уравнение реакции гидролиза. Свойства глюкозы 1. Познакомьтесь со свойствами глюкозы: её агрегатным состоянием, цветом, запахом, растворимостью в воде. Пользуясь индикатором, определите кислотность приготовленного раствора. 2. Положите в сухую пробирку небольшое количество глюкозы и нагрейте её на пламени спиртовки. Что наблюдается? Как изменяется окраска вещества? Какая жидкость 140 Лабораторные опыты оседает на стенках пробирки? Сделайте вывод о термической устойчивости глюкозы. 3. Получите из сульфата меди гидроксид меди (II), опишите цвет вещества и его растворимость в воде. К полученному осадку добавьте раствор глюкозы. Что наблюдается? Нагрейте раствор. Какое вещество выпадает в осадок? Напишите уравнение реакции. Сделайте вывод о том, какие функциональные группы входят в состав глюкозы. Цветные реакции белков 1. В пробирку внесите 5 капель раствора белка и 5 капель раствора азотной кислоты. Что наблюдается? Дайте объяснение наблюдаемому явлению. Нагрейте пробирку до появления жёлтой окраски. 2. В пробирку внесите 5 капель раствора белка, 2 капли раствора хлорида меди и добавьте раствор щёлочи до появления фиолетовой окраски. 3. Докажите, что в молоке содержится белок, при помощи качественной реакции. 4. Отличите хлопчатобумажную нить от шерстяной при помощи качественной реакции на белок. Знакомство с моющими средствами 1. В стакане с водой растворите выданное вам моющее средство, стараясь не допускать вспенивания. 2. Разделите раствор на четыре равные части. К 1-й из них добавьте лакмус или фенолфталеин, ко 2-й — раствор хлорида кальция, к 3-й прилейте 3%-й раствор соляной кислоты, а 4-ю энергично перемешайте до образования пены. Отметьте происходящие изменения и объясните их. 3. Проделайте те же самые операции с другими моющими средствами. 4. Результаты оформите в виде таблицы. Моющее средство Реакция на фенолфталеин Реакция на раствор CaClg Реакция на 3%-й раствор НС1 Характе- ристика пены 141 ПРАКТИКУМ Сделайте вывод, какими из средств можно пользоваться в жёсткой воде, какие пригодны для машинной стирки (в этом случае образование обильной пены недопустимо). Знакомство с минеральными удобрениями и изучение их свойств Рассмотрите выданные вам образцы минеральных удобрений. Разделите их на группы в соответствии со схемой 2, приведённой в § 20. Перерисуйте схему в тетрадь, указав в ней лишь те удобрения, которые вам выданы. Изучите растворимость в воде удобрений, выданных вам в пробирках. Результаты наблюдений запишите в тетрадь. Отношение синтетических волокон к растворам кислот и щелочей 1. В отдельные пробирки с 1 мл 20%-го раствора серной кислоты поместите полоски капрона, лавсана, полипропилена, а также образцы хлопчатобумажной, шерстяной и ацетатной тканей. Опустите пробирки на 10 мин в стакан с кипящей водой, затем выньте полоски и промойте их водой. Изучите, как изменился цвет каждого образца и его прочность. 2. Проделайте ту же самую процедуру, взяв вместо кислоты раствор гидроксида натрия. Сделайте выводы об устойчивости волокон к кислотам и щелочам. Практические работы Практическая работа 1 Распознавание пластмасс В пронумерованных пакетах выданы образцы полиэтилена (полипропилена), поливинилхлорида, полистирола, полиметилметакрилата, бакелита, целлулоида. Пользуясь таблицей приложения 2, определите каждый вид пластмассы. Распознавание целесообразно начать с внешнего осмотра образца. Опишите его цвет, прозрачность, твёрдость, эластичность. Помните, что изделия из полиэтилена и полипропилена жирны на ощупь, полупрозрачны, механически прочны. Предметы из полистирола обычно прозрачны, хрупки, из оргстекла — прозрачны, жёстки, механически прочны. Ба- 142 Лабораторные опыты келит — это жесткий, механически прочный термореактивный полимер тёмных тонов (коричневых, чёрных). Целлулоид эластичен, часто окрашен и имеет характерный рисунок под мрамор. Поливинилхлорид встречается в виде прочной эластичной плёнки, окрашенной в различные цвета, или жёстких твёрдых пластиков. Изучите поведение пластмасс при нагревании, отметьте их горючесть, способность к плавлению, характер горения в пламени и вне пламени, выде-ляюпцийся запах, наличие копоти, цвет пламени. Для изучения среды продуктов разложения поднесите к горящему образцу влажную индикаторную бумажку. Практическая работа 2 Распознавание волокон В пронумерованных пакетах находятся образцы хлопчатобумажной, шерстяной тканей, капрона, лавсана, ацетатного шёлка. Пользуясь таблицей приложения 3, определите тип ткани. Анализ волокна обычно начинают с испытания путем сжигания. Для этого берут нить или пучок нитей и при помощи пинцета или щипцов вносят его в пламя спиртовки. Отмечают поведение в пламени (обугливается, плавится, горит), скорость горения, запах продуктов горения, наличие копоти, вид остатка. Приложения Приложение 1 Качественные реакции на некоторые органические вещества Вещество Реактив, условие Признаки реакции Этилен Раствор КМПО4, Н’ Обесцвечивание раствора в результате образования СН2ОН—СН2ОН Brg aqua Обесцвечивание раствора в результате образования НОСН2—CHgBr Этанол Прокалённая медная проволока (СиО) Восстановление оксида меди (II) до меди, выделение паров СН3СНО I2 -Ь NaOHCNaaCOg) При нагревании образование жёлтого осадка йодоформа CHI3 Глицерин Cu(OH)2 Ярко-синий раствор глицера-та меди (II) Фенол ВГ2 aqua Белый осадок трибромфенола Раствор FeClg Фиолетовое окрашивание Формаль- дегид Cu(OH)2, t Жёлтый осадок СиОН, переходящий в красный осадок СпзО Аммиачный раствор оксида серебра Ag20 «Серебряное зеркало» ш приложение 1 Окончание табл. Вещество Реактив, условие Признаки реакции Муравьиная кислота Лакмус Раствор красного цвета NagCOg Выделение газа Раствор КМПО4, Н+ Обесцвечивание раствора, выделение газа Уксусная кислота Лакмус Раствор красного цвета NagCOg Выделение газа Олеино-вая кислота Brg aqua Обесцвечивание раствора Раствор KMnO^, Обесцвечивание раствора Раствор мыла (стеарат натрия) Фенолфталеин Малиновый цвет Н+ Белые хлопья стеариновой кислоты Глюкоза Си(ОН)2» t Ярко-синий раствор, при нагревании жёлтый осадок, переходящий в красный CugO Аммиачный раствор оксида серебра AggO, t «Серебряное зеркало» Крахмал I2 aqua Синее окрашивание Анилин Brg aqua Белый осадок триброманили-на Раствор KgCrgOy, Чёрное окрашивание, выделение газа Белок HNO3 Жёлтый осадок Cu(OH)2 Фиолетовый раствор Приложение 2 Распознавание важнейших пластиков Название Аббревиа- тура Плотность, г/см^ Поведение при нагревании на воздухе Реакция на продукты разложения Полиэтилен РЕ (LD — низкой плотности, HD — высокой плотности) 0,91—0,98 Размягчается, из расплава можно вытянуть нить. Горит синеватым пламенем, распространяя свечной запах. При горении отделяются капли. Продолжает гореть вне пламени Обесцвечивает бромную воду и раствор КМпО^ Полипропи- лен рр 0,89—0,92 То же То же Поливинил- хлорид РУС 1,35—1,42 Размягчается, затем разлагается. Горит коптящим пламенем, вне пламени не горит Выделяющийся газ окрашивает лакмусовую бумажку в красный цвет, даёт белый осадок с раствором AgNOg Полистирол PS 1,04—1,06 Размягчается, из расплава можно вытянуть нить. Горит коптящим пламенем, распространяя специфический запах. Продолжает гореть вне пламени Выделяющий газ (пары мономера) обесцвечивает бромную воду и раствор КМпО^ Полиметилме- такрилат РММА 1,2 Размягчается, горит жёлтым пламенем с синей каймой у краёв, с характерным потрескиванием, распространяя резкий запах Выделяющийся газ (пары мономера) обесцвечивает бромную воду и раствор КМПО4 Тефлон PTFE 2,2 Разлагается, не горит, чернеет, выделяет кислотные пары Выделяющийся газ окрашивает лакмусовую бумажку в красный цвет, не даёт осадка с раствором AgNOg Полиэтилен- терефталат РЕТ 1,35 Плавится, горит коптящим пламенем, образуя тёмный твёрдый остаток Не исследуется Поликарбонат PC 1,25 Плавится, горит, при вынесении из пламени легко гаснет Не исследуется Полиуретан PU 1,1-1,3 Плавится, каплями стекает вниз, обугливается, горит с трудом, вне пламени гаснет Не исследуется Z1 тз s а О CD 4^ bo Окончание табл. Название Аббревиа- тура Плотность, г/см^ Поведение при нагревании на воздухе Реакция на продукты разложения Фенолфор- мальдегидная смола 1,5 Обугливается в пламени, горит с трудом, запах фенола. Вне пламени постепенно гаснет, не размягчается Не исследуется Мочевинофор- мальдегидная смола 1,5 То же, но запах аммиака Не исследуется Меламинфор- мальдегидная смола 1,5 То же, но запах амина Не исследуется Целлулоид 1,5 Горит очень быстро, оставляя следы золы Не исследуется Натуральный каучук NR 0,92 Плавится и горит коптящим пламенем Не исследуется Резина 1,0—1,3 Плавится и горит коптящим пламенем, запах горящей серы Не исследуется Распознавание волокнистых материалов Приложение 3 Основа волокна, Обнаружение Действие кислот и щелочей при 18—20 °С «О Волокно элемен- тарное звено Сжигание продуктов разложения Концентри- рованная HNO3 Концентрированная H2SO4 10%-й раствор NaOH Хлопчатобумажное (хлопок) Целлю- лоза Горит быстро с запахом жжёной бумаги. После горения остаётся серый пепел Окрашивает лакмусовую бумажку в красный цвет Растворяется, образуя бесцветный раствор Растворя- ется Набухает не растворяясь Шерсть Белок Горит медленно с запахом жжёных перьев. После горения образуется хрупкий чёрный шарик, растирающийся в порошок Окрашивает лакмусовую бумажку в синий цвет Набухает и окрашивается в жёлтый цвет Разруша- ется Растворя- ется Ацетатное Ацетил- целлю- лоза Горит быстро, образуя нехрупкий спёкшийся тёмно-бурый шарик. Вне пламени горение ткани постепенно прекращается Окрашивает лакмусовую бумажку в красный цвет Растворяется, образуя бесцветный раствор Растворя- ется Омыляет-ся,принимая желтоватый оттенок, и растворяется Z] тз Окончание табл. Волокно Основа волокна, элемен- тарное звено Сжигание Обнаружение продуктов разложения Действие кислот и щелочей при 18—20 °С Концентри- рованная HNO3 Концентрированная H2SO4 10%-й раствор NaOH Капрон —NII(CHa)5C(0)— Амид Плавится, образуя твёрдый блестящий шарик тёмного цвета. При горении возникает неприятный запах Окрашивает лакмусовую бумажку в синий цвет Растворяется и даёт бесцветный раствор Растворяется и даёт бесцветный раствор Не растворяется Лавсан Эфир Плавится, затем горит коптящим пламенем с образованием тёмного твёрдого блестящего шарика Лакмусовая бумажка не меняет цвет. На стенках пробирки образуется жёлтое кольцо Не растворяется Не растворяется Не растворяется Нитрон —СН„—СН— 1 CN Нитрил Горит, образуя тёмный рыхлый неблестящий шарик Окрашивает лакмусовую бумажку в синий цвет Не растворяется Не растворяется Растворяется, при кипячении краснеет Приложение 4 Приложение 4 Таблица 1 Экологические требования к автомобильным бензинам Евро-2 Евро-4 Содержание серы, мг/кг, макс. 500 50 Содержание бензола, % об., макс. 5 1 Содержание свинца, мг/л, макс. 10 5 Содержание углеводородов, % об., макс. ароматические Не нормируется 35 олефиновые Не нормируется 18 Октановое число: по исследовательскому методу, мин 80 95 по моторному методу, мин 76 85 Таблица 2 Экологические требования к дизельному топливу Евро-2 Евро-3 Евро-4 Содержание серы, мг/кг, макс. 500 350 50 Содержание полициклических ароматических углеводородов, % масс., макс. Не нормируется 11 11 Цетановое число, мин 45 51 51 ш. Ответы на задания 6.12% СНоСООН. 3. Два спирта, один — первичный. 4. С,НюО. 1.x С9Н,;С1 или С2Н4. 3.4лС„Н2„. 4. 568 г С2Н5ОН. 3. 450 мл этиленгликоля и 500 мл воды. 5. 247 кг нитроглицерина. 2. СН3СНО. 7. 30 г пропанола-2. 8. 88% ацетальдегида. 1. Два эфира. 2. С„Н2„02. 3. НСООСН3. 7. СН3СООС2Н5. 8. С6Н5СООС2Н3. 1. Два амина. 2. C4H11N. 4. Лакмус. 5. Бромная вода. 6. X — CH3CI. 8. 66%. 10. а) Бромная вода; б) НС1; в) NaOH. 11.33 г. 1. Две кислоты. 2. CgHgCOOH. 3. НООССООН. 4. X — СН3СНО. 5. 5,6 м^ бутана, 14 м® О2. 2. а) Лакмус; б) раствор AgN03. 5. а) NaOH; б) МаНСОз; в) бромная вода. 2. CgHj^Og, Cj2H220jj. 3. а) 40% С, 60% Н2О; б) 40% С, 60% Н2О. 4. Молочнокислое брожение. 5. X — COg. 6. Cu(OH>2. 7. 30 л Og. 8. 46 г CgHgOH. 9. 67,2 л COg. 152 Ответы на задания 1. 40 500 г/моль. 4. 76 л Hg. 5. 256 г жира. 1. Одинаковые — б) и в). 2. а), г). 8. 160 г/моль. 5. Необратима. 1. Реакция «серебряного зеркала». 2. 172 молекулы. 5. Мочевина. 6. 2,53rKNOg. 7. 90%. 8. 90%. вид 3. 74 остатка. 10. ЗСаО • SiO,. Предметный указатель Агар-агар 84 Аденозинтрифосфат (АТФ) 48 Аланин 62 Альдегиды 22 Амилоза 52 Амилопектин 51 Аминокислоты 58 Амины 55 Анаболики 100 Анальгетики 96 Анилин 39 Антибиотики 94 Аспартам 51 Аспирин 36, 96 Ауксохром 125 Ацетальдегид 23 Ацетон 24 Бакелит 21,120 Белила 120 Белки 67 Бензин 104 Бензойная кислота 31 Бетон 99 Брожение 47 Варенье 51, 85 Волокна 120 Вторичная структура белка 69 Вяжущие средства 99 Генетический код 79 Геном человека 82 Гидрогенизация жиров 42 Гипс 94 Гистамин 98 Гликоген 54 Гликоли (диолы) 13 Глина 130 Глицерин 14 Глицин 62 Глюкоза 44 Гомополимеры 111 Гормоны 68 Гуттаперча 124 Денатурат 12 Денатурация 70 Дизельное топливо 107 Динамит 16 Диоксин 22 Дипептид 65 Дисахарид 48 Диэтиловый эфир 8 ДНК 73 Жиры 38 Известь 133 Казеин 89 Какао-масло 88 Каменный уголь 108 Капрон 122 Карамелей 85 Карбоксильная группа 29 Карбонильная группа 22 Карбоновые кислоты 29 Каротиноиды 45, 86 Каучук 123 Керамика 130 Керосин 107 Кетон малины 25 Кетоны 23 Коллаген 83 Комплементарность 75 Крахмал 51 IM Предметный указатель Крем 102 Кубовые красители 101 Лавсан 37 Лактоза 50 Лецитин 86 Лимонная кислота 30 Липиды 56 Мазут 108 Майонез 87 Маргарин 87 Масла 42 Масло пальмоядерное 88 Масло растительное 87 Масло сливочное 86 Метанол (метиловый спирт) 5 Молоко 89 Молочная кислота 31 Мороженое 90 Морфин 97 Муравьиная кислота 29 Мыла 59, 111 Мясо 83 Найлон 57 Наркотики 97 Нефть 104 Нингидрин 64 Нитроглицерин 16 Нуклеиновые кислоты 73 Нуклеотиды 73 Октановое число 105 Омыление жиров 36, 41 Оптическая изомерия 62 Органическое стекло 117 Отбеливатели 88 Паста зубная 117 Пектин 84 Пенициллин 95 Пенопласты 114 Пептидная связь 65 Пептиды 65 Первичная структура белка 69 Пигмент 120 Пикриновая кислота 22 Пищевые добавки 92 Пластмассы 114 Поверхностно-активные вещества 110 Поликонденсация 112 Полимеризация 155 Полимеры 109 Полиметилметакрилат 116 Полипропилен 111 Полисахариды 51 Полистирол 111 Полиэтилен 111 Полиэтилентерефталат 116 Порошок стиральный 112 Простые эфиры 8 Реакция Кучерова 27 Реакция «серебряного зеркала» 26 Резина 126 РНК 73 Сахароза 48 Сгущённое молоко 85 Сиена 122 Синтез-газ 10 Сложные эфиры 33, 35 Сополимеры 111 Спирты 5 Стекло 128 Стероиды 99 Сульфамиды 94 Сыр 91 Тестостерон 100 Тетрациклины 95 Третичная структура белка 70 Триолеат 58 Тристеарат 58 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Углеводы 43 Углепластики 114 Удобрения 101 Уксусная кислота 29 Фарфор 131 Фаянс 133 Фенол 18 Фенолформальдегидная смола см. Бакелит 21 Ферменты 67 Флавоноиды 126 Формальдегид 22 Фотосинтез 45 Фреска 122, 134 Фруктоза 50 Хлорофилл 45 Холестерин 99 Хрусталь 130 Целлофан 122 Целлулоид 118 Целлюлоза 52 Цемент 98 Цетановое число 107 Щавелевая кислота 30 Эбонит 126 Эмульгатор 92 Этанол (этиловый спирт) 6 Этерификация 33, 35 Этилен 11 Этиленгликоль 13 За страницами учебника {литература для дополнительного чтения) 1. Аликберова Л. Ю., Рукк Н. С. Полезная химия: задачи и истории. — М.: Дрофа, 2008. 2. Артеменко А. И. Органическая химия и человек. Теоретические основы. Углублённый курс. — М.: Просвещение, 2000. 3. Вилламо X. Косметическая химия. — М.: Мир, 1990. 4. Кольман Я., Рем К.-Г. Наглядная биохимия. — М.: Мир, 2000. Ъ. Кукуш-кин Ю.Н. Химия вокруг нас. — М.: Высшая школа, 1992. 6. Нифантьев Э.Е., Парамонова Н.Г. Основы прикладной химии. — М.: Владос, 2002. 7. Пацак И. Органическая химия. — М.: Мир, 1986. 8. Пичугина Г. В. Химия и повседневная жизнь человека. — М.: Дрофа, 2005. 9. Скурихин И. М., Нечаев А. П. Всё о пище с точки зрения химика. — М.: Высшая школа, 1991. 10. Степин Б.Д., Аликберова Л. Ю. Занимательные задания и эффектные опыты по химии. — М.: Дрофа, 2008. 11. Титова И. М. Вещества и материалы в руках художника. — М.: Мирос, 1994. 12. Хоффман Р. Такой одинаковый и разный мир. — М.: Мир, 2001. 13. Шпаковская Т. Л., Петров А. П. Маленькие секреты большой стирки. — М.: Химия, 1988. 14. Энциклопедия для детей. Т. 17: Химия. — М.: Мир энциклопедий Аванта-1-, 2007. 15. Эткинс П. Молекулы. — М.: Мир, 1991. Интернет-ресурсы www.nanometer.ru https://web.elements.com Оглавление Предисловие.................................................. 3 ГЛАВА 1 ■ Кислород- и азотсодержащие органические соединения § 1. Спирты.............................................. 5 § 2. Химические свойства и получение спиртов............. 8 § 3. Многоатомные спирты............................... 13 § 4. Фенол.............................................. 18 § 5. Альдегиды и кетоны................................. 22 §6. Карбоновые кислоты................................. 29 § 7. Химические свойства и применение карбоновых кислот. 32 § 8. Сложные эфиры...................................... 35 §9. Жиры............................................... 38 § 10. Углеводы. Глюкоза.................................. 43 § 11. Сахароза........................................... 48 §12. Полисахариды....................................... 51 § 13. Амины.............................................. 55 § 14. Аминокислоты....................................... 58 § 15. Белки.............................................. 63 Самое важное в главе 1................................... 68 ГЛАВА 2. Химия в жизни и обществе §16. Химия пищи......................................... 72 §17. Лекарственные средства............................. 79 §18. Бытовая химия...................................... 85 §19. Химия в строительстве.............................. 94 § 20. Химия в сельском хозяйстве.........................101 § 21. Топливо............................................103 § 22. Полимеры...........................................109 § 23. Полимерные материалы...............................113 §24. Неорганические материалы...........................127 § 25. «Зелёная» химия....................................134 158 Оглавление Самое важное в главе 2.................................... 138 Практикум..................................................... 139 Лабораторные опыты........................................ 139 Практические работы...................................... 142 Приложения.................................................... 144 Ответы на задания............................................. 152 Предметный указатель.......................................... 154 За страницами учебника (литература для дополнительного чтения) .... 157 Учебное издание Еремин Вадим Владимирович Кузьменко Николай Егорович Лунин Валерий Васильевич Дроздов Андрей Анатольевич Теренин Владимир Ильич ХИМИЯ 11 класс Базовый уровень Учебник для общеобразовательных учреждений Зав. редакцией Т.Д. Гамбурцева Ответственный редактор Н. В. Губина Художественный редактор С. И. Кравцова Художественное оформление С. И. Кравцова Художник П. Ю. Сковородников Технические редакторы И. В. Грибкова. Т. В. Серпикова Компьютерная верстка Т. В. Рыбина Корректор Г. И. Мосякина Сертификат соответствия № РОСС RU. АЕ51. Н 15488. Подписано к печати 18.04.12. Формат 60 х 90 V.6-Бумага офсетная. Гарнитура «Школьная». Печать офсетная. Уел. печ. л. 13,0. Тираж 1500 экз. Заказ №8728. ООО «Дрофа». 127018, Москва, Сущевский вал, 49. Предложения и замечания по содержанию и оформлению книги просим направлять в редакцию общего образования издательства «Дрофа»: 127018, Москва, а/я 79. Тел.: (495) 795-05-41. E-mail: [email protected] По вопросам приобретения продукции издательства «Дрофа» обращаться по адресу: 127018, Москва, Сущевский вал, 49. Тел.: (495) 795-05-50, 795-05-51. Факс: (495) 795-05-52. Торговый дом «Школьник». 109172, Москва, ул. Малые Каменщики, д. 6, стр. 1А. Тел.: (499)911-70-24, 912-15-16, 912-45-76. Книжный магазин «УЗНАЙ-КА!». 127434, Москва, Дмитровское шоссе, д. 25, корп. 1. Тел.: (499) 976-48-60. ООО «Абрис». 129075, Москва, ул. Калибровская, д. 31А. Тел./факс: (495) 981-10-39, 258-82-13, 258-82-14. https://www.textbook.ru ООО «Разумник». 129110, Москва, Напрудный пер., д. 15. Тел.: (495) 961-50-08. https://www.razumnik.ru Интернет-магазин «UMLIT.RU». https://www.umlit.ru Интернет-магазин «Умник и К», https://www.umnikk.ru Интернет-магазин: https://www.drofa.ru ^1, Отпечатано в ОАО «Можайский полиграфический комбинат». 143200, г. Можайск, ул. Мира. 93. www.oaonrpk.ru. www .оаомпк.рф тел.: (495) 745-84-28. (49638) 20-685 C^H^O + сн„ СзНвО + СН., C.HjoO Межклассовая изомерия Изомерия положения заместителей V Г. Изомерия углеродного скелета