Химия 10 класс Учебник Габриелян базовый уровень

химия О.С.Габриелян КЛАСС базовый уровень Учебник для общеобразовательных учреждений Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации 9-е издание, стереотипное МОСКВА jff ррофа 2013 УДК 373.167.1:54 ББК 24.1я72 Г12 I" ?... Ключевые слова и словосочетания. Вопросы и задания. ^ Правила и определения. Габриелян, О. С. Г12 Химия. 10 класс. Базовый уровень : учеб, для общеобра-зоват. учреждений / О. С. Габриелян. — 9-е изд., стереотип. — М. : Дрофа, 2013. — 191, [1] с. : ил. ISBN 978-5-358-12176-8 Учебник продолжает курс химии, изложенный в учебниках «Химия. 8класс» и «Химия. 9 класс» автора О. С. Габриеляна. Он может быть использован при изучении курса органической химии базового уровня. Учебный материал излагается с учетом того, что первоначальные сведения об органических соединениях учащиеся уже получили в 9 классе. Учебник соответствует федеральному компоненту государственного образовательного стандарта базового уровня и реализует авторскую программу О. С. Габриеляна. УДК 373.167.1:54 ___________________________________________________________ББК 24.1я72 Учебное издание Габриелян Олег Сергеевич ХИМИЯ. 10 класс. Базовый уровень Учебник для общеобразовательных учреждений Ответственный редактор А. В.Яшукова. Оформление Л. П. Копачева Художники О.А. Новотоцких, Э.К.Реоли, А. П.Салиенко Художественный редактор Э. К. Реоли. Технический редактор С. А. Толмачева Компьютерная верстка Е. Ю. Пучкова. Корректор Е. Е. Никулина В соответствии с Федеральным законом от 29.12.2010 г. № 436*ФЗ знак информационной продукции на данное издание не ставится Сертификат соответствия № РОСС RU« АЕ51. Н 16238. Подписано к печати 16.11.12. Формат 60 ж 90 Vie» Бумага офсетная. Гарнитура «Школьная*. Печать офсетная. Уел. печ. л. 12»0. Тираж 20 000 экэ. Заказ № 33666. 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. Сайт ООО «Дрофа*: www.drofa.ru Электронная почта: [email protected] Тел.: 8-800-200-05-50 (звонок по России бесплатный) Отпечатано в соответствии с качеством предоставленных издательством электронных носителей в ОАО «Саратовский полиграфкомбинат*. 4КХЮ4. г. Саратов, ул. Чернышевского, 59. www.sarpk.ru ISBN 978-5-358-12176-8 ©ООО «Дрофа», 2005 ©ООО «Дрофа», 2007, с изменениями -rr предисловие Дорогие старшеклассники! Вы начинаете изучать системный курс органической химии, написанный для школ и классов базового уровня, а также агротехнологического и биолого-географического профилей. Автор убежден, что вы сделали выбор профиля в старшей школе осознанно, тем не менее он предполагает, что некоторые из вас (хотелось бы, чтобы таких старшеклассников было очень немного) могут изменить свое решение и в дальнейшем выбрать профессию, которая связана с изучением химии в высшей школе. Для этих немногих старшеклассников, так же как и для учащихся, изучающих химию на базовом уровне, автор предлагает начать изучение курса с органической химии в 10 классе и продолжить общей химией в 11 классе. Такое структурирование учебной дисциплины обусловлено тем, что в основной школе вы уже знакомились с органическими веществами. Поэтому вполне логично, чтобы те сведения об органических соединениях, которые вы получили в 9 классе, максимально полезно «работали» при изучении курса органической химии в 10 классе. Подавляющее большинство тестовых заданий ЕГЭ (более 90%) связано с общей и неорганической химией. Поэтому в 11 классе автор предлагает изучение основ общей химии, которые позволят не только успешно подготовиться к сдаче ЕГЭ, но и осознать единство органической и неорганической химии на основе общих понятий, законов и теорий химической науки, увидеть ее вклад в формирование единой естественнонаучной картины мира. Курс органической химии, так же как и курс общей химии, несмотря на небольшое количество часов, отведенных на их изучение, автор постарался представить системно и достаточно полно для того, чтобы те немно- гие выпускники, которые решат изменить профиль обучения в высшей школе, смогли самостоятельно восполнить пробелы в знаниях по химии для успешной сдачи этого учебного предмета в режиме ЕГЭ. Автор постарался максимально связать курс химии с жизнью, с нехимическими профессиями и показать, что без знаний по химии восприятие окружающего мира будет неполным, а химически неграмотное обращение с веществами, материалами и процессами грозит немалыми бедами для самого человека, для страны, в которой он живет, и для планеты в целом. Представленные в 10—11 классах курсы органической и общей химии выполняют, по мнению автора, интегрирующую функцию: позволяют на основе химии объединить естественнонаучные знания по физике, биологии, экологии, географии. Изучение химии по этому учебнику позволит интегрировать химические знания и с гуманитарными дисциплинами: историей, литературой, мировой художественной культурой. К сожалению, ограниченное учебное время, отпущенное на изучение данного курса химии, не позволяет достаточно полно и глубоко рассмотреть весь материал. Тем не менее автор предусмотрел и такую возможность для наиболее заинтересованных старшеклассников, выделив соответствующий материал вертикальной линией синего цвета. Желаю вам удачи при изучении одной из самых интересных и значимых для человека наук — ХИМИИ! Автор Введение § Предмет органической ^ Л— химии Вы приступаете к изучению органической химии, с которой только немного ознакомились в 9 классе. Почему ♦ органической»? Обратимся к истории. Еще на рубеже IX—X вв. арабский алхимик Абу Бакр ар-Рази (865—925) впервые разделил все химические вещества по их происхождению на три царства: минеральные, растительные и животные вещества. Эта уникальная классификация просуществовала почти тысячу лет. Тем не менее в начале XIX в. возникла необходимость объединить химию веществ растительного и животного происхождения в единую науку. Такой подход покажется вам логичным, если вы имеете хотя бы элементарные представления о составе живых организмов. Из курса естествознания и начальных курсов биологии вы знаете, что в состав любой живой клетки, как растительной, так и животной, обязательно входят белки. Берцелиус Йенс Якоб (1779—1848) Шведский химик, президент Королевской шведской академии наук. Научные исследования охватывают все главные проблемы общей химии первой половины XIX в. Экспериментально проверил и доказал достоверность закона постоянства состава веществ и закона кратных отношений применительно к оксидам и органическим соединениям. Ввел современные обозначения химических элементов и первые формулы химических соединений. жиры, углеводы и другие вещества, которые принято называть органическими. По предложению шведского химика Й. Я, Берцелиуса с 1808 г. науку, изучающую органические вещества, стали называть органической химией. Идея химического единства живых организмов на Земле так восхитила ученых, что они даже создали красивое, но ложное учение — витализм, согласно которому считалось, что для получения (синтеза) органических соединений из неорганических необходима особая «жизненная сила» {vis vitalis). Ученые полагали, что жизненная сила обязательный атрибут только живых организмов. Отсюда следовал и ложный вывод о том, что синтез органических соединений из неорганических вне живых организмов — в пробирках или промышленных установках — невозможен. Виталисты резонно утверждали, что важнейший основополагающий синтез на нашей планете — фотосинтез (рис. 1) невозможен вне зеленых растений. Упрощенно процесс фотосинтеза описывают уравнением бСОр + бНрО ——г----------------£522^-----------г ^ ^ хлорофилл зеленых растении > CgHj20g 4- 6О2. углекислый газ вода глюкоза кислород Невозможны, по утверждению виталистов, и любые другие синтезы органических соединений вне живых организмов. Однако даль- Крахмал Рис. 1. Фотосинтез неишее развитие химии и накопление новых научных фактов доказало, что виталисты глубоко заблуждались. В 1828 г. немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое соединение мочевину из неорганического вещества цианата аммония. Французский ученый М. Берт-ло в 1854 г. получил в пробирке жир. В 1861 г. русский химик А. М. Бут- I I I Вёлер Фридрих (1800—1882) Немецкий химик. Иностранный член Петербургской академии наук (с 1853 г.). Его исследования посвящены как неорганической, так и органической химии. Открыл циановую кислоту (1822), получил алюминий (1827), бериллий и иттрий (1828). леров синтезировал сахаристое вещество. Витализм потерпел крах. Сейчас органическая химия представляет собой бурно развивающуюся отрасль химической науки и производства. В настоящее время насчитывается более 25 миллионов органических соединений, среди которых есть и такие вещества, которые до сегодняшнего дня не были обнаружены в живой природе. Получение этих веществ стало возможным благодаря результатам научной деятельности химиков-органиков. Все органические соединения по происхождению можно условно разделить на три типа: природные, искусственные и синтетические. Природные органические соединения — это продукты жизнедеятельности живых организмов (бакте- Бертло Марселей Пьер Эжен (1827—1907) Один из крупнейших французских химиков-органиков. Синтезировал много органических соединений, среди них метан, ацетилен, бензол, этиловый спирт, муравьиная кислота, жиры и др. Присоединением водорода к ацетилену получил этилен, а затем — этан. Выполнил много работ по термохимии, агрономии и истории химии. ш рий, грибов, растений, животных). Это хорошо известные вам белки, жиры, углеводы, витамины, гормоны, ферменты, натуральный каучук и др. (рис. 2). Искусственные органические соединения — это продукты химически преобразованных природных веществ в соединения, которые в живой природе не встречаются. Так, на основе природного органического соединения целлюлозы получают искусственные волокна (ацетатное, вискозное, медно-аммиачное), негорючие кино- и фотопленки, пластмассы (целлулоид), бездымный порох и др. (рис. 3). Синтетические органические соединения получают синтетическим путем, т. е. соединением более простых молекул в более сложные. К ним относятся, например, синтетические каучуки, пластмассы, лекар- Рис. 2. Природные органические соединения: 1 —4 — в волокнах и тканях (шерстяных 1, шелковых 2, льняных 3, хлопчатобумажных 4)\ 5—10 — в продуктах питания (молоке 5, мясе 6, рыбе 7, растительном и сливочном масле 8, овощах и фруктах 9, крупах и хлебе 10)-, 11, 12 — в топливе и сырье для химической промышленности (природном газе 11, нефти 12); 13 — в древесине 1 Рис. 3. Изделия и материалы, изготовленные на основе искусственных органических соединений: 1,2 — искусственные волокна и ткани; 3 — пластмасса (целлулоид); 4 — фотопленка; 5 — бездымный порох ственные препараты, синтетические витамины, стимуляторы роста, средства защиты растений и др. (рис. 4). Несмотря на огромное многообразие, все органические соединения имеют в своем составе атомы углерода. Поэтому органическую химию можно назвать химией соединений углерода. Наряду с углеродом, в состав большинства органических соединений входят атомы водорода. Эти два элемента образуют ряд классов органических соединений, которые так и называют — углеводороды (приложение 1). Все остальные классы органических соединений можно рассматривать как производные углеводородов (приложение 2). Это позволило немецкому химику К. Шорлеммеру дать классическое определение органической химии, которое не потеряло своего значения и более 120 лет спустя. Органическая химия есть химия углеводородов и их производных, т. е. продуктов, образующихся при замене водорода в молекулах этих веществ другими атомами или группами атомов. Например, при замене одного атома водорода в мо-на гидроксильную группу —ОН лекуле этана СзНр -i<=U Рис. 4. Изделия и материалы, полученные на основе синтетических органических соединений: 1 — пластмассы; 2 — лекарственные средства; 3 — моющие средства; 4 — синтетические волокна и ткани; 5 — краски, эмали и клеи; 6 — средства для борьбы с насекомыми; 7 — удобрения; 8 — синтетические каучуки образуется хорошо знакомый вам этиловый спирт CgHgOH, а при замене атома водорода в молекуле метана СН4 на карбоксильную группу —СООН образуется уксусная кислота СН3СООН. Почему же из более чем ста элементов Периодической системы Д. И. Менделеева именно углерод стал основой всего живого? Многое вам станет понятно, если вы прочтете следующие слова Д. И. Менделеева, написанные им в учебнике «Основы химии»: «Углерод встречается в при- to роде как в свободном, так и в соединительном состоянии, в весьма различных формах и видах... Способность атомов углерода соединяться между собой и давать сложные частицы проявляется во всех углеродистых соединениях... Ни в одном из элементов... способности к усложнению не развито в такой степени, как в углероде... Ни одна пара элементов не дает столь много соединений, как углерод с водородом ». Химические связи атомов углерода между собой и с атомами других элементов (водорода, кислорода, азота, серы, фосфора), входящих в состав органических соединений, могут разрушаться под влиянием природных факторов. Поэтому углерод совершает непрерывный круговорот в природе: из атмосферы (углекислый газ) — в растения (фотосинтез), из растений — в животные организмы, из живого — в неживое, из неживого — в живое (рис. 5). Горенир Нефть Уголь Рис. 5. Круговорот углерода в природе Газ Мел, мрамор, известняк (I и в заключение отметим ряд особенностей, характеризующих органические соединения. Так как молекулы всех органических соединений содержат атомы углерода, а практически все — и атомы водорода, то большинство из них горючи и в результате горения образуют оксид углерода (IV) (углекислый газ) и воду. В отличие от неорганических веществ, которых насчитывается около 500 тысяч, органические соединения более многообразны, поэтому их число насчитывает сейчас более 25 миллионов. Многие органические соединения построены более сложно, чем неорганические вещества, и многие из них имеют огромную молекулярную массу, например белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, т. е. вещества, благодаря которым происходят жизненные процессы. Органические соединения образованы, как правило, за счет ковалентных связей и потому имеют молекулярное строение, а следовательно, обладают невысокими температурами плавления и кипения, термически неустойчивы. 1. Витализм. 2. Фотосинтез. 3. Органические соединения: природные, искусственные и синтетические. 4. Органическая химия. 5. Особенности, характеризующие органические соединения. Используя знания по курсу биологии, сравните химический состав растительной и животной клеток. Какие органические соединения входят в их состав? Чем отличаются органические соединения растительной и животной клеток? Опишите круговорот углерода в природе. Объясните, почему возникло учение витализм и как оно потерпело крах. Какие типы органических соединений (по происхождению) вы знаете? Приведите примеры и укажите области их применения. I ш ©Вычислите объем кислорода (н. у.) и массу глюкозы, образующиеся в результате фотосинтеза из 880 т углекислого газа. ©Вычислите объем воздуха (н. у.), который потребуется для сжигания 480 кг метана СН^, если объемная доля кислорода в воздухе составляет 21%. Л 2 Теория строения 7 ^ органических соединений Подобно тому как в неорганической химии основополагающей теоретической базой являются Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, так в органической химии ведущей научной основой служит теория строения органических соединений Бутлерова—Кекуле—Купера. Как и любая другая научная теория, теория строения органических соединений явилась результатом обобщения богатейшего фактологического материала, который накопила органическая химия, оформившаяся как наука в начале XIX в. Открывались все новые и новые соединения углерода, количество которых лавинообразно возрастало (табл. 1). Объяснить это многообразие органических соединений ученые начала XIX в. не могли. Еще больше вопросов вызывало явление изомерии. число ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, ИЗВЕСТНЫХ в РАЗНЫЕ ГОДЫ Таблица 1 Год Число известных органических соединений 1880 12 000 1910 150 000 1940 500 000 1960 1 000 000 1970 2 000 000 1980 5 500 000 2000 18 000 000 2005 Более 25 000 000 Изомерия — это явление существования разных веществ — изомеров, имеющих одинаковый качественный и количественный состав (т. е. одинаковую молекулярную формулу), но разное строение и, следовательно, разные свойства. Например, этиловый спирт и диметиловый эфир — изомеры; эти вещества имеют одинаковый состав CgHgO, но разное строение, т. е. различный порядок соединения атомов в молекулах, а потому и разные свойства. СН3-СН2-0Н этиловый спирт (жидкость, = 78,4 °С, растворим в воде, взаимодействует с щелочными металлами) СН3-О- -сн. диметиловый эфир (газ, = -23,7 °С, нерастворим в воде, не взаимодействует с щелочными металлами) Уже известный вам Ф. Вёлер в одном из писем к Й. Я. Берцелиусу так описывал органическую химию: «Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она кажется мне дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть...» Большое влияние на развитие химии оказали работы английского ученого Э. Франкланда, который, опираясь на идеи атомистики, ввел понятие валентность (1853). Валентность — это свойство атомов химических элементов образовывать химические связи. Она определяет число химических связей, которыми данный атом соединен с другими атомами в молекуле. В молекуле водорода Hg образуется одна ковалентная химическая связь Н—Н, т. е. водород одновалентен. Ва- лентность химического элемента можно выразить числом атомов водорода, которые присоединяет к себе или замещает один атом химического элемента. Например, сера в сероводороде и кислород в воде двухвалентны: H2S, или Н—S—Н, Н2О, или Н—О—Н, а азот в аммиаке трехвалентен: Н I NH„ или H-N-H. В органической химии понятие «валентность» является аналогом понятия «степень окисления», с которым вы привыкли работать в курсе неорганической химии в основной школе. Однако это не одно и то же. Например, в молекуле азота N2 степень окисления азота равна нулю, а валентность — трем: о N 2» но N=N. В пероксиде водорода Н2О2 степень окисления кислорода равна -1, а валентность — двум: Н2О2, но Н—О—О—Н. В ионе аммония NH4 степень окисления азота равна -3, а валентность — четырем: -3 + 1 [NHJ+, но Н I Н—N—Н I Н Франкланд Эдуард (1825—1899) Английский химик-органик. Исследовал ряд направлений общей и органической химии. Получил цинкалкилы и ввел термин «металлоорганические соединения*. Наблюдая способность к насыщению разных элементов и сравнивая органические производные металлов с неорганическими соединениями, ввел понятие о «соединительной силе*, явившееся предшественником понятия «валентность*. I i Обычно по отношению к ионным соединениям (хлорид натрия NaCl и многие другие неорганические вещества с ионной связью) не используют термин «валентность» атомов, а рассматривают их степень окисления. Поэтому в неорганической химии, где большинство веществ имеют немолекулярное строение, предпочтительнее применять понятие «степень окисления», а в органической химии, где большинство соединений имеют молекулярное строение, как правило, используют понятие «валентность». Порядок соединения атомов в молекуле согласно их валентности называют химическим строением. Теория химического строения — результат обобщения идей выдающихся ученых-органиков из трех европейских стран: немца Ф. Кекуле, англичанина А. Купера и русского А. Бутлерова. В 1857 г. Ф. Кекуле отнес углерод к четырехвалентным элементам, а в 1858 г. он одновременно с А. Купером отметил, что атомы углерода способны соединяться друг с другом в различные цепи: линейные, разветвленные и замкнутые {циклические). Работы Ф. Кекуле и А. Купера послужили основой для разработки научной теории, объясняющей явление изомерии, взаимосвязь состава, строения и свойств молекул органических соединений. Такую теорию создал русский Кекуле Фридрих Август (1829—1896) Немецкий химик-органик. Его исследования были сосредоточены в области теоретической органической химии и органического синтеза. Высказал мысль о валентности как о целом числе единиц сродства, которым обладает атом (1857). Углерод считал четырехвалентным элементом. [/€ ученый А. М. Бутлеров. Именно его пытливый ум «осмелился проникнуть* в «дремучий лес* органической химии и начать преобразование этой «безграничной чащи* в залитый солнечным светом регулярный парк с системой дорожек и аллей. Основные идеи этой теории впервые были высказаны А. М. Бутлеровым в 1861 г. на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в г. Шпейере. Кратко сформулировать основные положения и следствия теории строения органических соединений Бутлерова—Кекуле—Купера можно следующим образом. 1. Атомы в молекулах веществ соединены в определенной последовательности согласно их валентности. Углерод в органических соединениях всегда четырехвгилентен, а его атомы способны соединяться друг с другом, образуя различные цепи (линейные, разветвленные и циклические). Органические соединения можно расположить в ряды сходных по составу, строению и свойствам веществ — гомологические ряды. Гомологическим рядом называют ряд веществ, расположенных в порядке возрастания их относительных молекулярных масс, сходных по строению, где каждый член отличается от предыдущего на гомологическую разность -СН2-. Бутлеров Александр Михайлович (1828—1886) Русский химик, профессор Казанского университета (1857—1868), с 1869 по 1885 г. — профессор Петербургского университета. Академик Петербургской академии наук (с 1874 г.). Создатель теории химического строения органических соединений (1861). Предсказал и изучил изомерию многих органических соединений. Синтезировал многие вещества. r?t Например, метан СН4 — родоначальник гомологического ряда предельных углеводородов (алканов). Его ближайший гомолог — этан CgHg, или СНд—СН3, Следующие два члена гомологического ряда метана — пропан CgHg, или СНд—СНд—СНд, И буТНН C4HJQ, ИЛИ CHg-CHg-CHg-CHg, И Т. Д. Нетрудно заметить, что для гомологических рядов можно вывести общую формулу ряда. Так, для алканов эта общая формула С„Нд„ + д* 2. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения их молекул. Это положение теории строения органических соединений объясняет явление изомерии. Очевидно, что для бутана C4HjQ, помимо молекулы линейного строения СНд—СНд—СНд—СНд, ВОЗМОЖНО также и разветвленное строение: CHg-CH-CHg. I сн. Это уже совершенно новое вещество со своими индивидуальными свойствами, отличными от свойств бутана линейного строения. Бутан, в молекуле которого атомы расположены в виде линейной цепочки, называют нормальным бутаном (н-бутаном), а бутан, цепь атомов углерода которого разветвлена, называют изобутаном. CHg-CHg-CHg-CHg CHg-CH-CHg к-бутан (*кип = -0,5°С) I сн. изобутан (< =-11,7°С) Существует два основных типа изомерии — структурная и пространственная. vrs Структурными называют изомеры, имеющие различный порядок соединения атомов в молекуле. Пространственные изомеры имеют одинаковые заместители у каждого атома углерода, но отличаются их взаимным расположением в пространстве. В соответствии с принятой классификацией различают три вида структурной изомерии. Изомерия углеродного скелета. Соединения отличаются порядком расположения углерод-углеродных связей, например рассмотренные н-бутан и изобутан. Именно этот вид изомерии характерен для алканов. Изомерия положения кратной связи (С=С, С^С) или функциональной группы (т, е. группы атомов, определяющих принадлежность соединения к тому или иному классу органических соединений), например; СН2=СН-СН2-СНз, бутен-1 или СНз-СНр-СНр-ОН, пропанол-1 СНз-СН=СН-СНд, бутен-2 СН3-СН-СН3. ОН пропанол-2 Межклассовая изомерия. Изомеры этого вида изомерии относятся к разным классам органических соединений, например рассмотренные выше этиловый спирт (класс предельных одноатомных спиртов) и диметиловый эфир (класс простых эфиров). Различают два вида пространственной изомерии: геометрическую и оптическую. Геометрическая изомерия характерна, прежде всего, для соединений с двойной углерод-углеродной связью, так как по месту такой связи молекула имеет плоскостное строение (рис. 6). Например, для бутена-2, если оди- Рис. 6. Модель молекулы этилена https://vk.com/school_ipad 7 9 — паковые группы атомов у атомов углерода при двойной связи находятся по одну сторону от плоскости С=С-связи, то молекула является цисизомером, если по разные стороны — /п/?а«сиз6мером. Н НзС .с=с; н сщ цис-бутен-2 НзС \ /СНз Н :с=с^ н /прокс-бутен- 2 Оптической изомерией обладают, например, вещества, молекулы которых имеют асимметрический, или хиральный, атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями. Оптические изомеры являются зеркальным изображением друг друга, подобно двум ладоням, и не совместимы. (Теперь вам, очевидно, стало понятным второе название этого вида изомерии: греч. хирос — рука — образец несимметричной фигуры.) Например, в виде двух оптических изомеров существует 2-оксипропановая (молочная) кислота, содержащая один асимметрический атом углерода. Воображаемое зеркало Н I /\ НО соон -сн. н I /\ ноос он НзС у хиральных молекул возникают изомерные пары, в которых молекулы изомеров относятся по своей пространственной организации одна к другой так же, как соотносятся между собой предмет и его зеркальное отображение. Пара таких изомеров всегда обладает одинаковыми химическими и физическими свойствами, за исключением оптической активности: если один изомер вращает плоскость поляризованного света по часовой стрелке, то другой — обязательно против. Первый изомер называют правовращающим, а второй — левовращающим. Значение оптической изомерии в организации жизни на нашей планете очень велико, так как оптические изомеры могут существенно отличаться как по своей биологической активности, так и по совместимости с другими природными соединениями. https://vk.com/school_ipad м* Рис. 7. Модели молекулы этана: 1 — шаростержневая; 2 — масштабная 3. Атомы в молекулах веществ влияют друг на друга. Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений вы рассмотрите при дальнейшем изучении курса. Современная теория строения органических соединений основывается не только __________ на химическом, но и на электронном и на пространственном строении веществ, которое подробно рассматривается на профильном уровне изучения химии. В органической химии широко используют несколько видов химических формул. ^ Молекулярная формула отражает качественный состав соединения, т. е. показывает число атомов каждого из химических элементов, образующих молекулу вещества. Например, молекулярная формула пропана; CgHg, Структурная формула отражает порядок соединения атомов в молекуле согласно валентности. Структурная формула пропана такова: Н Н Н I I 1 н-с-с-с-н. I I I н н н Часто нет необходимости детально изображать химические связи между атомами углерода и водорода, поэтому в большинстве случаев используют сокращенные структурные формулы. Для пропана такую формулу записывают так: CHg—CHg—СНд. ^ Строение молекул органических соединений отражают с помощью различных моделей. Наиболее известны объемные (масштабные) и шаростержневые модели (рис. 7). 1. Изомерия, изомеры. 2. Валентность. 3. Химическое строение. 4. Теория строения органических соединений. 5. Гомологический ряд и гомологическая разность. 6, Формулы молекулярные и структурные. 7. Модели молекул: объемные (масштабные) и шаростержневые. https://vk.com/school_ipad 6 8 9 Что такое валентность? Чем она отличается от степени окисления? Приведите примеры веществ, в которых значения степени окисления и валентности атомов численно одинаковы и различны. Определите валентность и степень окисления атомов в веществах, формулы которых Clg, COg, CgHg, Что такое изомерия; изомеры? Что такое гомология; гомологи? Как, используя знания об изомерии и гомологии, объяснить многообразие соединений углерода? Что понимают под химическим строением молекул органических соединений? Сформулируйте положение теории строения, которое объясняет различие в свойствах изомеров. Сформулируйте положения теории строения, которые объясняют многообразие органических соединений. Какой вклад внес каждый из ученых — основоположников теории химического строения — в эту теорию? Почему ведущую роль в становление этой теории сыграл вклад русского химика? Возможно существование трех изомеров состава CjHij, Запишите их полные и сокращенные структурные формулы. По представленной в конце параграфа модели молекулы вещества (см. рис. 7) составьте его молекулярную и сокращенную структурную формулы. Рассчитайте массовую долю углерода в молекулах первых четырех членов гомологического ряда алканов. https://vk.com/school_ipad ^ u I и/ 41 I I J ^ г J- L I . I 1 I ' I I I L ! ! ! i ■ i " i -f Г r ' Глава первая Углеводороды и их природные источники § 3 Природный газ. Алканы Во введении мы определили органическую химию как химию углеводородов и их производных. Название углеводороды, говорит за себя: это вещества, молекулы которых состоят из атомов двух химических элементов — углерода и водорода. Благодаря уникальной способности атомов углерода соединяться друг с другом в цепи различной формы и длины, таких соединений существует великое множество. Поэтому их делят на классы. Знакомиться с некоторыми из этих классов мы будем по мере изучения природных источников углеводородов: природного газа и нефти. И это не случайно, ибо наша страна занимает одно из ведущих мест в мире по запасам, добыче, экспорту и переработке углеводородного сырья. Вместе с тем знание этой темы представляет определенный профессиональный интерес не только для хими- Ркс. 8. Природный газ: 1 — добыча; 2 — хранение; 3 — переработка https://vk.com/school_ipad ^2S I Sf:-^ iff / -I:» ,.C Рис. 9, Нефть: 1 — добыча; 2 — транспортировка; 3 — переработка ков, но также для будущих геологов и географов, юристов и экономистов, обществоведов и политологов, инженеров и экологов. Только детальное владение системой знаний об углеводородном сырье позволит профессионально состояться специалистам, связанным с разведкой, добычей, транспортировкой и промышленной переработкой природного газа (рис. 8) и нефти (рис. 9). Природные источники уг- Рис, 10. Состав природного газа одного из месторождений леводородов являются связующим звеном межгосударственных отношений в политической и экономической области и нередко служат причиной конфликтов и войн за контроль над этими источниками. Знакомство с источниками углеводородов мы начнем с природного газа. Это полезное ископаемое — важнейший вид топлива и сырье для химической промышленности, поскольку имеет ряд достоинств: • это самый дешевый вид топлива; • обладает высокой теплотворной способностью; • легко транспортируется по газопроводам; https://vk.com/school_ipad I Г 1 Г • является экологически более чистым видом топлива по сравнению с другими. Природный газ — это смесь газообразных углеводородов с небольшой молекулярной массой. Основным компонентом природного газа является метан, доля которого в зависимости от месторождения составляет от 75 до 99% по объему. Кроме метана, в состав природного газа входят этан, пропан, бутан и изобутан, а также азот и углекислый газ (рис. 10). Как вы уже знаете, метан, этан, пропан, бутан являются первыми четырьмя членами гомологического ряда предельных углеводородов — алканов. Свое название «предельные углеводороды* алканы получили потому, что все валентности атомов углерода в этих молекулах насыщены атомами водорода до предела. Алканы — это предельные углеводороды, в молекулах которых все атомы связаны одинарными связями. Состав их отражает общая формула -I- 2- Физические свойства алканов зависят от состава их молекул, т. е. от относительной молекулярной массы, что наглядно иллюстрирует таблица 2. Нетрудно заметить, что с увеличением относительной молекулярной массы у алканов увеличиваются температура кипения и плотность, а также изменяется агрегатное состояние: первые четыре алкана — газообразные вещества, следующие одиннадцать — жидкости, а начиная с гексадекана — твердые вещества. Молекула первого члена гомологического ряда алканов — метана — имеет тетраэдрическое стрюение, т. е. форму правильной пирамиды (рис. 11). Метан не имеет запаха, поэтому для того, чтобы обнаружить утечку бытового газа, основу которого и составляет метан, к нему добавляют резко пахнущие органические соединения. Если вы почувствуете такой запах. Рис. 11. Модель молекулы метана https://vk.com/school_ipad eS 1 II I Н Ё АЛКАНЫ НОРМАЛЬНОГО СТРОЕНИЯ Таблица 2 Название Формула Относительная молекулярная масса Агрегатное состояние при обычных условиях Плотность, г/мл ‘пл. “С t , кнп’ Формула радикала Название радикала Метан СН^ 16 Газ — -182,6 -161,6 СНз- Метил Этан 30 Газ — -183,3 -88,5 С2Н5- Этил Пропан СзНз 44 Газ — -187,1 -42,2 С3Н,- Пропил Бутан С4Н10 58 Газ — -138,4 -0,5 С4Н,- Бутил Пентан С5Н12 72 Жидкость 0,626 -129,7 36,1 CsHu- Пентил Гексан 86 Жидкость 0,659 -94,0 68,7 ^6^13 Гексил Гептан CtHjq 100 Жидкость 0,684 -90,5 98,4 С7Н15- Гептил Октан 114 Жидкость 0,703 -56,8 125,7 Октил Нонан CgH,, 128 Жидкость 0,718 -53,7 150,8 ^9^19 Но НИЛ Декан ^10^22 142 Жидкость 0,730 -29,7 174,1 ^10^21 Децил ... ... ... ... ... ... Гексадекан C16H34 226 Твердое вещество 0,770 18 287 ^16^33 Гексаде- цил О О 3 С/Г о 3" о о |_ тз ш о. значит, происходит утечка газа и необходимо срочно звонить в аварийную службу горгаза по телефону 04 или в службу МЧС по телефону 01. Первые четыре члена гомологического ряда метана получили тривиальные, исторически сложившиеся названия. Основой названия следующих алканов нормального строения стали греческие числительные. Так как, начиная с бутана, у каждого алкана с линейной цепью появляются изомеры с разветвленным углеродным скелетом, возникла необходимость выработать систему их названий. Такая система была разработана Международным союзом теоретической и прикладной химии {ИЮПАК) и получила название международной номенклатуры ИЮПАК. Для составления названий органических веществ по номенклатуре ИЮПАК необходимо знать формулы и названия радикалов и других заместителей (например, галогенов). Радикал — это одновалентная частица, которая получается при отщеплении от молекулы алкана атома водорода, т. е. частица, содержащая неспаренный электрон. Название радикала происходит от названия соответствующего алкана с заменой суффикса -ом на суффикс -йл\ алком —> алкил (см. табл. 2). В соответствии с международной номенклатурой следует придерживаться следующих правил при составлении названия алканов. 1. В структурной формуле выбирают самую длинную цепь атомов углерода (главную цепь). 2. Атомы углерода главной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе разветвление. 3. В начале названия перечисляют радикалы и другие заместители с указанием номеров атомов углерода, с которыми они связаны. Если в молекуле присутствует несколько одинаковых радикалов (два, три, четыре и т. д,), то цифрой указывают место каждого из них в главной цепи и перед их названием ставят соответственно частицы 5и-, три-, тетра- ит. д. 4. Основой названия служит наименование предельного углеводорода с тем же числом атомов углерода, что и в главной цепи. https://vk.com/school_ipad г?\' приведем примеры составления названий алканов. СН3-СН-СН2-СН3 I СН3-СН-СН2-СН-СН3 СН, сн. сн. 2-метилбутан сн. 2,4-диметил пентан СН3—С—СНз СН3-СН2- СН -СНз- СНз- СН-СНз СН, сн,-сн, СН, 2,2 -диметил пропан 2 - метил-5-этил гептан Рассмотрим применение природного газа, в основе которого лежат химические свойства отдельных алканов, в первую очередь метана. Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющим их использование в качестве топлива (рис. 12), является реакция горения: СН4 Н- 20з СО2 + 2Н2О + Q, метан Рис. 12, Применение алканов в качестве топлива https://vk.com/school_ipad I Г 2C^Hj^q + 1ЗО2 —^ 8CO2 + IOH2O + Q. бутан В общем случае уравнение реакции горения любого углеводорода, имеющего состав С^Н^, можно записать в следующем виде: + (х + 0,5[/)02 —> xCOg + 0,5i/H2O. Однако природный газ — это не только топливо, но и ценное химическое сырье (рис. 13), Его переработка ос* нована на других химических свойствах алканов. Для алканов, как для предельных углеводородов, наиболее характерны реакции замещения. Так, атомы водо- Рис. 13. Применение метана: 1—3 — производство сажи (картриджи 1, резина 2, типографская краска 3); 4—7 — получение органических соединений (растворителей 4, хладагентов (фрео-нов), используемых в холодильных установках, 5, метанола 6, ацетилена 7) https://vk.com/school_ipad , _ рода в молекуле метана способны последовательно замещаться на атомы галогенов, например хлора: СН^ + CI2 — > CH3CI + НС1, хлорметан CH3CI -I- Clg CH2CI2 + НС1, дихлорметан CH2CI2 + CI2 -22^ CHCI3 + НС1, трихлорметан CHCI3 + CI2 -222:2^ CCI4 -ь НС1. тетра хлорметан Реакция галогенирования метана протекает по цепному радикальному механизму (т. е. с образованием частиц, содержащих непарный электрон) и состоит из ряда повторяющихся стадий: а) начало цепи, протекает под действием света и называется световой стадией: образуются атомы хлора, имеющие неспаренные электроны (свободные радикалы): ^ 2СЬ: CI2 . б) рост цепи, может протекать в отсутствие света и называется темновой стадией: С1- Н-СН^ ^ СНз- + НС1; СНз • CI2 —» CH3CI + С1 •; в) обрыв цепи, заключается в рекомбинации (соединении) двух каких-либо свободных радикалов: СН3. + СЬ -> CH3CI, За исследование механизма цепных радикальных реакций выдающийся советский физикохимик Н. Н. Семенов (1896—1986) получил Нобелевскую премию. Образующиеся в этих реакциях соединения широко используют как растворители, исходные вещества в органических синтезах, хладагенты (фреоны) в холодильных установках. Метан вступает в реакции полного и неполного разложения в зависимости от условий проведения реакции. https://vk.com/school_ipad При температуре 1000 °С происходит полное разложение метана. При этом образуются сажа и водород: СН4 —^ С + 2Щ. Сажа идет на изготовление типографской краски и картриджей для принтеров, а водород, например, для производства аммиака. Неполное разложение метана проводят при температуре 1500 °С и резком охлаждении продуктов реакции. В результате этого процесса получают важный углеводород — ацетилен С2И.2, а также водород: 2СН4—+ ЗН^. В присутствии катализаторов от молекул алканов отщепляются молекулы водорода. Реакции отщепления молекул водорода от молекул органического соединения называют реакциями дегидрирования. Например, дегидрированием этана получают этилен ценный химический продукт: Pt, р, t СН,-СН. CHg^CHa + Н2. этилен Этилен и рассмотренный выше ацетилен относят к непредельным углеводородам — алкенам и алкинам. Следующий параграф будет посвящен алкенам — этилену и его гомологам. 1. Углеводороды. 2. Природный газ. 3. Алканы, или предельные углеводороды. 4. Международная номенклатура ИЮПАК, 5. Правила составления названий алканов. 6. Химические свойства и применение алканов. 7. Реакции дегидрирования. https://vk.com/school_ipad (D @ ® ® ® Го Укажите важнейшие месторождения природного газа в Российской Федерации. Найдите их на карте полезных ископаемых нашей страны, воспользовавшись географическим атласом. Назовите известные вам международные вооруженные конфликты, которые связаны с контролем над природными источниками углеводородов. Приведите примеры интеграции экономик различных стран, основу которых составляет использование природного газа. Подготовьте рассказ о том, как связаны знания по химии природного газа с вашей будущей профессией. Назовите преимущества природного газа перед другими видами топлива. Проиллюстрируйте закон перехода количественных отношений в качественные на примере гомологического ряда алканов. Назовите углеводороды, структурные формулы которых: а) СНз—СН—СНз; СНз СН, I ® б) СНз—СНа—с—СНз; СН, в) СНз—СН—CHg—СНд; С2Н5 СН, I г) СНз—СН—СН—СН3. СН, Для углеводорода, структурная формула которого СНз—СН—СНз—СНз—СНз, СНз напищите формулы возможных изомеров. Назовите все соединения по международной номенклатуре ИЮПАК. Укажите области применения метана, в основе которых лежит реакция горения. Укажите области применения веществ, образующихся при полном и неполном разложении метана. https://vk.com/school_ipad 11 12 Укажите области применения соединений, образующихся в реакциях метана с хлором. Вычислите количество теплоты, которая выделится при сгорании 11,2 метана (н. у.), если термохимическое уравнение реакции его горения §4 СН4 + 2О2--> СО2 + 2Н2О + 900 кДж. Алкены. Этилен Как вы уже знаете, при дегидрировании этана образуется этилен — родоначальник гомологического ряда ал-кенов. Потеря двух атомов водорода приводит к образованию между атомами углерода не одинарной, а двойной связи: ГН н. Н-С-С-Н I I н н этан зн> Н-С=С-Н. н. I I н н этилен Так как валентности атомов углерода в этилене и его гомологах не до предела насыщены атомами водорода, то такие соединения называют непредельными. Алкены — это непредельные углеводороды, содержащие в молекуле, кроме одинарных связей, одну двойную углерод-углеродную связь. Состав их отражает общая формула С„Н2„- Если сравнить общие формулы алканов и алкенов, нетрудно заметить, что их состав отличается на два атома водорода: алкам -н. алке«. Принадлежность углеводорода к классу алкенов отражают родовым суффиксом в его названии. https://vk.com/school_ipad — ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД ЭТИЛЕНА Таблица 3 Молекулярная формула Сокращенная структурная формула Название С2Н4 СНг=СНа Этилен (этен) СзНе СНг=СН—СНз Пропилен (цропен) С4Н3 СН2=СН—СНа—СНз Бутилен-1(бутен-1) Этилен — родоначальник гомологического ряда алке-нов (табл. 3). Строение молекулы этилена представлено на рисунке 14. Нетрудно заметить, что молекула этилена имеет плоскостное строение. Аналогично и у всех алке-нов по месту расположения двойной связи фрагмент молекулы будет иметь плоскостное строение. Начиная с третьего члена гомологического ряда алке-нов, содержащего в молекуле четыре атома углерода, появляется изомерия углеродного скелета и изомерия положения кратной связи: изомерия углеродного скелета СН2=СН—СН2—СНз бутен-1 СН3—СН=СН-СНз бутен-2 (бутилен-2) изомерия положения кратной связи СН2=С^СНз СНз 2-метилпропен-1 (изобутен) Для алкенов характерна межклассовая изомерия с углеводородами другого класса, имеющего такую же общую формулу С„Нз,1, — циклоалканами. Особенностью химического строения циклоалканов является наличие замкнутой цепочки атомов углерода — цикла, например: HgC—СНз 2 сн, / \ ^СНг, СН, циклопентан сн. НоС I н.с сн^. СНз циклогексан — 11 https://vk.com/school_ipad Особенности построения названий алкенов состоят в том, что главная цепь атомов углерода должна обязательно включать двойную С=С-связь, и ее нумерацию проводят с того конца главной цепи, к которому эта связь ближе. В названии углеводорода, оканчивающегося на -е«, цифрой указывают номер того атома углерода, от которого начинается двойная углерод-углеродная связь. Остальные правила формирования названий алкенов остаются такими же, как и для алканов. Например: 12 3 4 Рис. 14. Модели молекулы этилена: 1 — масштабная: 2 — шаростержневая СН2=СН-СН-СНз, СНз З-метилбутен-1 СН. 2 3 4 5 -с=сн—сн-сн. I сн. сн. ±3 V/iig 2,4-д иметил пентен- 2 СНз 3 2| 1 СН3-СН-С-СН2. '«I а СН2-СН3 2,3 - диметил пентен-1 В промышленности этилен получают крекингом (расщеплением) продуктов переработки нефти, например керосина. В лабораторных условиях этилен получают дегидратацией этилового спирта: СН,-СН2 '' ) СНз^СНа + ЩО, .1 ■ н _ он ] этиловый спирт этилен Реакция дегидратации — это процесс отщепления молекулы воды от молекулы органического соединения. https://vk.com/school_ipad if Этилен — это бесцветный газ без запаха, почти нерастворим в воде. Он обладает способностью ускорять созревание плодов и овощей, что используют в овощехранилищах, куда закладывают недозрелую плодоовощную продукцию. Рассмотрим химические свойства алкенов на примере этилена. Наличие в молекулах алкенов двойной С=С-связи обусловливает их химические свойства. Для алкенов, как для непредельных углеводородов, характерны реакции присоединениях 1) водорода (гиЭ-рирование), 2) воды {гидратация)^ 3) галогенов {гало-генирование) и др. При этом одна из двух связей между атомами углерода разрывается, и оба атома присоединяют атомы или группу атомов реагента. В результате ал-кен превращается в алкан или его производное: СН,-СН,, СН2=СН2 + Щ этан СН2=СН2 + HgO * > СН3-СН2-ОН, или С2Н5ОН, этиловый спирт (этанол) СН2=СН2 + ВГ2 СН2-СН2. Вг Вг 1,2-дибромэтан Последняя реакция применяется для обнаружения соединений с кратной (двойной или тройной) углерод-угле- родной связью, т. е. яв- С2Н4 Рис. 15. Обесцвечивание бромной воды этиленом (качественная реакция на кратную связь)_____ ляется качественной на кратную связь. При этом происходит обесцвечивание бромной воды (раствора брома в воде) (рис. 15). Аналогичная реакция с хлором имеет практическое значение, поскольку приводит к образованию важного продукта — 1,2-дихлорэтана, используемого в качестве растворителя и для получения пластмасс. 2 г https://vk.com/school_ipad Для гомологов этилена, например пропилена, реакция гидратации протекает в соответствии с правилом В. В. Марковникова. При присоединении полярных молекул, например галогеноводородов или воды, к алкену водород преимущественно присоединяется к атому углерода при двойной связи, с которым соединено большее число атомов водорода: СН2=СН-СНз + Н-ОН пропев СН3-СН-СН3. ОН пропанол-2 Аналогично гидратации протекает и реакция присоединения галогеноводородов к алкенам, например: СН2=СН-СНз + НС1 пропев СНд-СН—СН3. С1 2-хлорпропав Сущность любой химической реакции заключается в образовании новых молекул из тех же самых атомов, из которых образованы исходные вещества. В ходе любой реакции одни связи разрываются, другие — образуются. Разрыв ковалентной связи можно рассматривать как процесс, обратный ее образованию. Следовательно, при этом возможны два направления разрыва. Гомолитический разрыв приводит к тому, что оба атома, ранее связанные ковалентной связью, получают по одному электрону, превращаясь в частицы с неспаренным электроном — свободные радикалы. А1ьВ разрыв связи + А* + *В. Подобный тип разрыва химической связи и, соответственно, радикальный механизм реакции наблюдается при уже рассмотренном процессе галогенирования метана. Гетеролитический разрыв осуществляется таким образом, что один из атомов получает оба электрона, служившие ранее общей электронной парой. Такой тип разрыва связи приводит к образованию заряженных частиц — ионов: А|:В -----------у пА -I- :В . https://vk.com/school_ipad Подобный тип разрыва химической связи и, соответственно, ионный механизм реакции наблюдается в процессе присоединения галогеноводорода к алкенам. Как известно, химическая связь в молекуле хлороводорода является полярной. В условиях реакции молекула НС1 распадается на ионы и С1“: НС1----> + С1-. Эти ионы и присоединяются к атомам углерода за счет гетеролитического разрыва двойной связи в молекуле алкена. Особым случаем реакций присоединения является реакция полимеризации. Реакция полимеризации — это химический процесс соединения множества исходных молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы) полимера. Полимер — это высокомолекулярное соединение, молекулы которого состоят из множества одинаковых структурных звеньев. Полимеризацию этилена можно отразить с помощью следующей схемы: ... Н- СН2=СН2 + СН2=СН2 + Р’ К ... —СН2—CHg—CHg—СНа- ... или с помощью следующего уравнения: ^ (_СН2-СН2-)„. полиэтилен пСН2=СНз этилен Полимеризацию проводят в присутствии инициаторов, например перекисных соединений, которые являются источниками свободных радикалов. Перекис-ными соединениями называют вещества, молекулы которых включают группу —О—О—. Простейшим пе-рекисным соединением является пероксид водорода Н-О-О-Н. Вещество, вступающее в реакцию полимеризации, называют мономером, продукт такой реакции — по- Л https://vk.com/school_ipad ламером, формулу в скобках в уравнении такой реакции — структурным звеном, а индекс п — степенью полимеризации, которая показывает, сколько структурных звеньев образуют молекулу полимера. В настоящее время нашу жизнь невозможно представить без полимеров. Изделия из них все в большей степени вытесняют из нашего быта изделия, изготовленные из природных материалов, поскольку полимеры обладают самыми разнообразными свойствами, сравнительно дешевы, легко обрабатываются. Полиэтилен представляет собой важнейшую пластмассу, которая находит широкое применение в народном хозяйстве (рис. 16). Рис. 16. Применение полиэтилена: 1 — медицинское оборудование; 2 — предметы домашнего обихода; 3 — пленка для парников; 4 — трубы и шланги; 5 — клейкая лента; 6 — упаковочная пленка; 7 — пакеты; 8 — детали https://vk.com/school_ipad СяН, rzr> МпОг Рис. 17, Получение этилена деполимеризацией полиэтилена Рис. 18. Обесцвечивание раствора перманганата калия этиленом (качественная реакция на кратную связь) В лабораторных условиях с помощью реакции деполимеризации технического полиэтилена (она является обратной процессу полимеризации), например, из полиэтиленовых гранул, можно получить этилен (рис. 17): (-СН2-СН2-)„ пСН2=СН2-На кратную связь, кроме реакции обесцвечивания бромной воды, существует еще одна качественная реакция — реакция обесцвечивания раствора перманганата калия КМПО4 (рис. 18), уравнение которой ЗСН,=СН, -I- 2КМпО^ Н- 4Н,0 — ---> ЗНО—CHg—CHg—ОН + гМпОаХ + 2КОН. двухатомный спирт этиленгликоль (этандиол-1,2) Этилен — важнейший продукт химической промышленности, так как используется для получения других ценных веществ и материалов (рис. 19). 1. Алкены. 2. Изомерия алкенов: углеродного скелета и положения кратной связи. 3. Правила составления названий алкенов по номенклатуре ИЮПАК. 4. Реакция дегидратации. 5. Химические свойства этилена: взаимодействие с водородом, водой, галогенами, реакция полимеризации. 6. Мономер, полимер, структурное звено, степень полимеризации. 7.1^чес1веввые реакции на кратную связь. https://vk.com/school_ipad Рис. 19. Применение этилена: 2 — в овощехранилищах для ускорения созревания плодов; 2—6 — производство органических соединений (полиэтилена 2, растворителей 3, уксусной кислоты 4, спиртов 5, б) 1 2 3 4 6 7 Какие вещества называют алкенами? Дайте характеристику гомологического ряда алкенов согласно плану: а) общая формула; б) родовой суффикс; в) виды изомерии; г) номенклатура: д) характерные реакции. Как получают этилен: а) в промышленности; б) в лаборатории? По аналогии с этиленом запишите уравнения реакций получения пропена: а) промышленного (из пропана); 6) лабораторного (из пропанола-1 СН3—СН^——ОН). Найдите химические термины-антонимы в названиях реакций, характерующих химические свойства и способы получения этилена. Дайте их определения. Какими способами можно отличить этилен от этана? Найдите массовую долю углерода в молекулах: а) пропана; б) пропилена (пропена). https://vk.com/school_ipad 4 / —- 8 9 Найдите объем этилена (н. у.), полученного реакцией дегидратации 230 мл 95%-ГО этилового спирта (плотность 0,8 г/мл). Этилен горит светящим пламенем в отличие от бесцветного пламени этана. Почему? Ответ подтвердите расчетом массовой доли углерода в молекулах этих веществ. Составьте уравнение реакции горения этилена. §5 Алкадиены. Каучуки Проанализируйте название нового класса углеводородов — алкадиены. Наличие в названии части 'диен означает, что в составе молекулы углеводорода содержатся две двойные углерод-углеродные связи {-ди- — два, -ен — двойная связь). Очевидно, что такие углеводороды могут быть получены из алканов путем их более глубокого дегидрирования. Например: СН3-СН2-СН2-СН3 м-бутан СН3-СН-СН2-СН3 СНз 2-метилбутан > СН2=СН-СН=СН2 + 2Н бутадиен-1,3 и СН2=С-СН=СН2 + 2Hj СНз 2-метилбутадиен-1,3 (изопрен) 2* На приведенных примерах нетрудно проследить способ образования названий диеновых углеводородов (алкадиенов): после основы названия добавляют -диен, а через дефис указывают атомы углерода, от которых начинаются двойные связи. Алкадиены, или диены, — это непредельные углеводороды, содержащие в молекуле, кроме одинарных связей, две двойные углерод-углеродные связи. Состав их отражает общая формула - 2- Наибольшее значение имеют алкадиены, в молекулах которых две двойные углерод-углеродные связи разделены одной одинарной. Г —1 3 J- https://vk.com/school_ipad Диеновые углеводороды, в молекулах которых две двойные углерод-углеродные связи разделены одной одинарной связью, называют сопряженными. Сопряженные диены являются исходными веществами для получения синтетических каучуков. Производство синтетических каучуков основано на реакции полимеризации: пСН2=СН-СН=СН2 (-СН2-СН=СН-СН2-)„, бутадиен-1,3 синтетический бутадиеновый каучук яСНз=С-СН=СН2 ^ СН, > -СЯ2-С=СН—СЩ— сн. ^3 In изопрен синтетический изопреновый каучук В свою очередь, каучуки — исходное сырье для получения важнейшего в народнохозяйственном отношении материала — резины (рис. 20). Рис. 20. Применение резины в народном хозяйстве: 1 — ластики; 2—4 — товары народного потребления (резиновые перчатки 2, плащи и сапоги 3, шланги 4)\ 5 ~ автомобильные покрышки https://vk.com/school_ipad А S Процесс получения резины из каучука называют вулканизацией, Название этому процессу дало имя греческого бога огня Вулкана, так как процесс превращения каучука в резину заключается в его нагревании с порошком серы. При этом линейные молекулы каучука «сшиваются» атомами серы в пространственную структуру резины за счет разрыва некоторой части двойных связей в полимерной молекуле каучука. Слово «вулканизация» можно нередко услышать в службах автосервиса. Залатать дырку в автомобильной камере можно с использованием именно этого процесса, когда кусочек смеси каучука с порошком серы («сырая резина») накладывают на покрышку и нагревают под прессом. Если серу для процесса вулканизации взять в количестве, достаточном для разрыва всех двойных связей в макромолекулах каучука, то при этом образуется твердый неэластичный материал, называемый эбонитом. Эбонит — хороший диэлектрик и широко используется в электротехнике в качестве изолятора. С эбонитовыми палочками вы работали на практических занятиях на уроках физики. Впервые в промышленных масштабах синтетический каучук был получен выдающимся русским ученым С. В. Лебедевым. Группа химиков под его руководством в 1931 г. предложила способ получения бутадиена-1,3 из этилового спирта и на основе синтезированного алкадиена получила первую партию бутадиенового каучука. Лебедев Сергей Васильевич (1874—1934) Отечественный химик, академик. Основные научные исследования посвящены полимеризации, изомеризации и гидрогенизации непредельных углеводородов. Получил (1931) синтетический каучук полимеризацией бутадиена-1,3 под действием натрия. https://vk.com/school_ipad Очевидно, можно ожидать, что алкадиены, подобно алкенам, дадут качественные реакции на двойные связи. Действительно, алкадиены обесцвечивают бромную воду, вступая в реакцию бромирования, которая идет в две стадии. На первой стадии происходит разрыв кратных связей в молекуле бутадиена-1,3 и присоединение атомов брома к крайним атомам углерода при двойных связях (1,4-присоединение). Этот процесс сопровождается образованием двойной связи между центральными атомами углерода: СН2=СН—СН=СН2 + Вг2 бутадиен-1,3 -> СН^—СН=СН—СН.. I 2 I 2 Вг Вг 1,4-дибромбутен-2 Образующееся производное бутена способно присоединить еще одну молекулу брома: СН2-СН=СН-СН2 + ВГ2 I Вг Вг сн^-сн-сн-сн^. I ^ Т I [ ^ Вг Вг Вг Вг 1,2,3,4-тетрабромбутан Аналогично протекает реакция с бромом и для изопрена; СН2=С-СН=СН2 + ВГ2 СНз 2- мети л бут ад иен-1,3 (изопрен) СН,-(р=СН-СН, + Вг, СН2-С=СН-СН„, , 2 I I 2* Вг СН, Вг I Вг 1,4-дибром-2-метил бутен-2 Вг Вг I 1 сн,-с-сн-сн,. сн. Вг I Вг СН, I Вг 1,2,3,4 -тетра бром- 2-мети лбу тан У сопряженных алкадиенов кроме 1,4-присоединения протекает также реакция 1,2-присоединения; СН2=СН-СН=СН2 + Вгз бутадиен-1,3 СНр—СН—СН=СН2. I 2 I 2 Вг Вг https://vk.com/school_ipad 4 Именно возможность реализации двух направлений этой реакции и является главной особенностью сопряженных алкадиенов, как класса органических соединений. Кроме алкадиенов, такую же общую формулу _ 2 имеют углеводороды еще одного класса, которому будет посвящен следующий параграф. 1. Алкадиены (диеновые углеводороды). 2. Синтетические каучуки. 3. Резина, эбонит. 4. Химические свойства алкадиенов. Какие вещества называют алкадиенами? Дайте характеристику гомологического ряда алкадиенов согласно плану: а) общая формула; б) родовые суффиксы; в) виды изомерии; г) номенклатура; д) характерные реакции. Напишите уравнение реакции получения бутадиена-1,3 из бутана. Для изготовления резиновых изделий, не набухающих в бензине и других нефтепродуктах, используют хлоропреновый каучук. Мономером для его получения является хло-ропрен (2-хлорбутадиен-1,3), формула которого СН2=С—СН=СН2. CI Запишите уравнение реакции полимеризации хлоропрена, укажите структурное звено полимера. Рассчитайте относительную молекулярную массу макромолекулы, если известно, что средняя степень полимеризации равна 450. В начале XIX в. в Англии стали модными плащи из водонепроницаемой ткани, называемые макинтошами. Это название они получили в честь английского химика и изобретателя Ч, Макинтоша, предложившего пропитывать плащевую ткань раствором натурального каучука. Однако на солнце такие плащи становились липкими, а в морозную погоду — ломкими. Предложите свой способ устранения этих недостатков, повторив тем самым открытие другого выдающегося англичанина — Ч. Гудьира. г https://vk.com/school_ipad § 6 Алкины. Ацетилен Как вы уже знаете, ацетилен — продукт неполного разложения метана. Этот процесс называют пиролизом (от греч. пир — огонь, лизис — разложение). Теоретически ацетилен можно представить как продукт дегидрирования этилена; НС=СН 'Н1Й' НС^СН -Ь На-ацетилен На практике ацетилен, кроме пиролизного способа, очень часто получают из карбида кальция: Са Сг + ШОН карбид " ^ кальция > С.НоТ + Ca(OH)2>L. ацетилен - Особенность строения молекулы ацетилена (рис. 21) состоит в том, что между атомами углерода имеется тройная связь, т. е. он является еще более непредельным соединением, чем этилен, молекула которого содержит двойную углерод-угле-родную связь. Ацетилен является родоначальником гомологического ряда алкинов, или ацетиленовых углеводородов. ш Рис. 21. Модели молекулы ацетилена: 1 — шаростержневая; 2 — масштабная Алкины — это непредельные углеводороды, молекулы которых содержат, помимо одинарных связей, одну тройную углерод-углеродную связь. Состав их отражает общая формула с„н п '■2п - 2- j Ацетилен — это бесцветный газ без запаха, малорастворимый в воде. Рассмотрим химические свойства ацетилена, которые лежат в основе его применения. https://vk.com/school_ipad 4Z Ацетилен на воздухе горит коптящим пламенем из-за высокого содержания углерода в его молекуле, поэтому для сжигания ацетилена используют кислород: 2С2Н2 + 5О2 —> 4СО2 + 2Н2О + Q. Температура ацетиленокислородного пламени достигает 3200 °С. Таким пламенем можно резать и сваривать металлы (рис. 22). Как и все непредельные соединения, ацетилен активно вступает в реакции присоединения’. 1) галогенов {галогенирование), 2) водорода (гидрирование), 3) галогеноводородов (гидрогалогенирование), 4) воды (гидратация). Рассмотрим, например, реакцию гидрохлорирования — присоединения хлороводорода; Рис. 22. Ацетилене кислородное пламя используют для резки и сварки металла____ СН^СН -Ь НС1 ^ СН.=СН. ' I С1 хлорэтен (винилхлорид) Почему продукт гидрохлорирования ацетилена называют хлорэтеном, вам понятно. А почему — винилхлоридом? Потому что одновалентный радикал этилена СН2=СН— называют винилом. Винилхлорид — это исходное соединение для получения полимера — поливинилхлорида, который находит широкое применение (рис. 23). В настоящее время винилхлорид получают не гидрохлорированием ацетилена, а другими способами. Поливинилхлорид получают с помощью уже знакомой вам реакции полимеризации. Полимеризация винилхлорида в поливинилхлорид может быть описана с помощью следующей схемы: -I- СН2=СН + СН2=СН Н- нат., (, i Cl Cl ,..-СН2-(рН-СН2-(рН-С1 Cl https://vk.com/school_ipad или уравнения реакции: дСН2=СН /-СН2-СН-\ I С1 винилхлорид \ с1 поливинилхлорид Реакция гидратации, протекающая в присутствии со* лей ртути, содержащих катион в качестве катали- затора, носит имя выдающегося русского химика-орга-ника М. Г. Кучерова и раньше широко использовалась для получения очень важного органического соединения — уксусного альдегида: О СН=СН Н- Н^О CH,-cf . 3 уксусный альдегид Реакцию присоединения брома — бромирование — используют как качественную реакцию на кратную Рис. 23. Применение поливинилхлорида: / — искусственная кожа; 2 — изолента; 3 — изоляция проводов; 4 — трубы; 5 — линолеум; 6 — клеенка_______________________________________ https://vk.com/school_ipad 4 9 Л- (двойную или тройную) связь. При пропускании ацетилена (или этилена, или большинства других непредельных органических соединений) через бромную воду можно наблюдать ее обесцвечивание. При этом происходят следующие химические превращения: СН^СН + Вг, СН=СН I Вг Вг 1,2-дибромэтен и далее: Вг Вг СН=СН + Вг, I I сн-сн. Вг Вг I Вг Вг 1,1,2,2 -тетрабромэтан Рис. 24. Применение ацетилена: J — резка и сварка металлов; 2—4 — производство органических соединений (растворителей 2, поливинилхлорида 3, клея 4) Zfert https://vk.com/school_ipad Еще одной качественной реакцией на ацетилен и непредельные органические соединения является обесцвечивание раствора перманганата калия. Ацетилен — важнейший продукт химической промышленности, который имеет широкое применение (рис. 24). 1. Алкины. 2. Ацетилен. 3. Химические свойства ацетилена; горение, присоединение галогеноводородов, воды (реакция Кучерова), галогенов. 4. Поливинилхлорид. 5. Качественные реакции на кратную связь: обесцвечивание бромной воды и раствора перманганата калия. 1 2 6 7 Назовите способы получения ацетилена. Запишите уравнения соответствующих реакций. Назовите две качественные реакции, с помощью которых можно обнаружить непредельный характер органического соединения. Рассчитайте объем ацетилена, который может быть получен из 128 г карбида кальция, содержащего 5% примесей, если выход ацетилена составляет 80% от теоретически возможного. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения; а) СН^ СНз—Cf О н’ б) СаСОз---> СаО--> CaCg С2Н2 -> СН2=СНС1 -> (—СН2—СНС1—)„. Рассчитайте массовую долю углерода в молекулах; а) этана; б) этилена; в) ацетилена. Каков характер пламени при горении этих веществ? Запишите формулы возможных изомеров 3-метилпен-тина-1. Дайте названия всех соединений. Вычислите объем кислорода (н, у,), который потребуется для сжигания 56 смеси этана и ацетилена, если объемная доля последнего составляет в ней 75%. https://vk.com/school_ipad @ 10 11 Назовите область применения реакции горения ацетилена. Назовите область применения продукта реакции гидрохлорирования ацетилена. Какие свойства ацетилена имеют отношение к строительным профессиям? Почему? Рассчитайте количество теплоты, которое выделится при сжигании 30 м^ ацетилена (н. у.), если термохимическое уравнение реакции его горения CgHg -н 2,50г-> 2COg -I- HgO -I- 1300 кДж. § 7 Арены. Бензол Бензол CgHg является первым представителем аренов. Его можно получить тримеризацией ацетилена: on tJ уголь активиров., ( л тт В больших количествах бензол получают переработкой каменного угля. Ф. Кекуле предложил следующую структурную формулу бензола: НС I НС Несмотря на высокую степень непредельности молекулы бензола (по составу), он не дает характерных для алкенов и алкинов качественных реакций: не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия. Это связано с особым строением молекулы бензола, которое в настоящее время показывают следующей структурной формулой: СН НС^^СН |( )| - HCVVcH СН СН ^^сн II - или : СН СН или — 5Г“ https://vk.com/school_ipad и подробно изучают в курсе органической химии для школ и классов естественнонаучного профиля. Для вас достаточно иметь общее представление о строении молекулы бензола, которое представлено на рисунке 25. Бензол — это бесцветная жидкость с резким характерным запахом, легче воды и нерастворима в ней. Бензол токсичен, поэтому работа с ним в условиях школы недопустима. Рассмотрим химические свойства бензола. Как и все углеводороды, бензол горит: Рис. 25. Масштабная модель молекулы бензола 2СбНб + 150з -> I2CO2 + GHgO. Пламя бензола коптящее из-за высокого содержания углерода в молекуле. Бензол используют как добавку к моторному топливу, так как он повышает качество бензина. Однако количество добавляемого бензола строго регламентировано из-за его токсичности. В силу особенностей строения молекулы бензол занимает как бы промежуточное положение между предельными углеводородами (алканами) и непредельными (алкенами), т. е. может вступать как в реакции замещения, так и в реакции присоединения. Однако, в отличие от алканов, реакции замещения с бензолом протекают легче, а реакции присоединения — труднее, чем у алкенов. Последние мы рассматривать не будем, остановимся лишь на реакциях замещения, так как в результате этих реакций образуются вещества, которые используют для производства практически важных продуктов. Реакция хлорирования бензола протекает в присутствии катализатора: -С1 + С1о FeCl, + НС1, или с,щ + с\. Fed 5-^ СцН^С! -Н НС1. хлорбензол Полученный продукт называют также фенилхлоридом, так как одновалентный радикал CgH^— называют фенилом. https://vk.com/school_ipad м Реакция нитрования — это взаимодействие бензола с азотной кислотой HNO3. Эта реакция протекает в присутствии концентрированной серной кислоты в качестве катализатора: Н + HO-NO N0, + Н,0, или + HNO3 Н25р4<ко.ц)^ CgH^NOa + Н2О. нитробензол Полученный продукт называют нитробензолом. Почему нитробензолом? Потому что группу атомов —NOg называют нитрогруппой. Нитробензол — исходное вещество для получения анилина, который будет рассмотрен в § 16. Области применения бензола показаны на рисунке 26. Рис. 26. Применение бензола: 1 — добавка к бензину; 2 — произ. водство растворителей; 3— 7 — производство органических соединений (ацетона 3, анилина пестицидов 5, лекарственных средств 6, фенолоформальдегидных пластмасс 7) https://vk.com/school_ipad I 1. Бензол. 2, Получение бензола. 3. Химические свойства бензола: горение, реакции замещения с хлором и азотной кислотой. 4. Применение бензола. 9 Как вы думаете, при горении какого углеводорода — бензола или ацетилена — пламя будет более коптящим? Почему? Ответ подтвердите расчетами. 2 3 Перечислите области применения бензола. Рассчитайте количество вещества ацетилена, который потребуется .для получения 400 мл бензола (плотность 0,8 г/мл). Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: а) метан---> ацетилен---> бензол -—■* хлорбензол; б) карбонат кальция---* оксид кальция---> карбид кальция ------------------------------------* ацетилен-> бензол-> нитробензол. Бензол является прекрасным растворителем органических веществ и входит в состав многих бытовых препаратов-растворителей, например в состав «Сольвента», где его содержание составляет 25%. Рассчитайте массу бензола, которая необходима для изготовления 300 г «Сольвента*. Л л Нефть и способы ^ ^ ее переработки Нефть — природная смесь углеводородов, в основном алканов линейного и разветвленного строения, содержащих в молекулах от 5 и более атомов углерода, с другими органическими соединениями, прежде всего полиароматическими углеводородами (т. е. углеводородами, в молекулах которых содержится несколько соединенных между собой бензольных колец). Газообразные и твердые компоненты нефти растворены в ее жидких составляющих, что и определяет ее агрегатное состояние. Нефть — это черная, а иногда темно-коричневая или бурая густая маслянистая (по-английски нефть так и называется oil — масло) жидкость со своеобразным https://vk.com/school_ipad SS Ш запахом. Нефть нерастворима в воде. Плотность у нее меньше, чем у воды, поэтому, попадая в воду, нефть растекается по поверхности, препятствуя растворению кислорода и других компонентов воздуха в воде. Поэтому в случае аварий перевозящих нефть судов (танкеров) разливы нефти вызывают гибель микроорганизмов и других водных обитателей, приводя к экологическим катастрофам (рис. 27). Существуют бактерии, способные использовать компоненты нефти в качестве пищи, преобразуя ее в безвредные продукты жизнедеятельности. Применение таких культур бактерий является наиболее экологически безопасным и перспективным путем борьбы с загрязнениями окружающей среды нефтью в процессе ее добычи, транспортировки и переработки. Представляя собой смесь различных веществ, нефть не имеет постоянной температуры кипения. Каждый ее компонент сохраняет в смеси свои индивидуальные свойства, что и позволяет разделить смесь на составляющие. Для этого нефть очищают от механических примесей, серосодержащих органических соединений и подвергают фракционной перегонке, или ректификации. Фракционная перегонка, или ректификация, — это физический способ разделения смеси компонентов, основанный на различии их температур кипения. -ТТТГГТТГ Рис. 27. Последствия катастроф, связанных с разливом нефти '— https://vk.com/school_ipad фракционную перегонку осуществляют на нефтеперегонных заводах в специальных установках — ректификационных колоннах (рис. 28), в которых повторяются циклы испарения и конденсации жидких веществ, содержащихся в нефти. Ректификационные газы, газообраэнс№ топливо Ректификационная колонна Бензин — топливо для автомобилей Лигроин — сырье для производства химических реактивов Керосин — топливо для реактивных двигателей Дизельное топливо Остаток (мазут)—топливо для электростанций, кораблей, сырье для производства масел Рис. 28. Схема установки (ректификационной колонны) для непрерывной перегонки нефти и области применения нефтепродуктов____________________________________ https://vk.com/school_ipad f‘- i*f »;4-*'^i?^‘':'V- Рис. 29. Устройство тарелок ректификационной колонны В ректификационную колонну поступает очищенная нефть, нагретая в трубчатой печи до температуры 320— 350 X. Ректификационная колонна имеет горизонтальные перегородки с отверстиями — тарелки (рис. 29), на которых происходит конденсация фракций нефти. На высоких тарелках скапливаются более легкокипящие фракции, на нижних — высококипящие. В таком промышленном процессе нефть разделяют на следующие фракции: - ректификационные газы — смесь низкомолекулярных углеводородов, преимущественно пропана и бутана (^кип < 40 X); • газолиновую фракцию (бензин) — углеводороды состава от C5HJ2 до = 40—200 X); при более тонком разделении этой фракции получают газолин (петролейный эфир, = 40—70 X) и бензин = = 70—120 X); • лигроиновую фракцию — углеводороды состава от CgHig до С,,Нзо = 150-250 X); • керосиновую фракцию (керосин) — углеводороды состава от Ci2H2g до CigHgg = 180—300 X); • дизельное топливо — углеводороды состава от ^13^28 ^^19^36 (^Кйп ~ ^^0—360 X). Остаток перегонки нефти — мазут содержит углеводороды состава от CjgHgg до Перегонкой при по- ниженном давлении из мазута получают соляровое масло (C^gHgg-С25Н52). смазочные масла (CggHgg—CggH^g), вазелин и парафин — легкоплавкие смеси твердых углеводородов. Твердый остаток перегонки мазута — гудрон и продукты его переработки — битум и асфальт используют для изготовления дорожных покрытий. 5/ https://vk.com/school_ipad Наиболее ценная фракция перегонки нефти — это бензин, который применяется главным образом как топливо для автомобильных и авиационных двигателей внутреннего сгорания. Однако в процессе ректификации его выход составляет не более 18—20% от массы сырой нефти. Значительно больше получается лигроиновой и керосиновой фракций, в которых содержатся углеводороды, имеющие в среднем в два раза более длинную углеродную цепь, чем в бензине. Возможно ли из керосина получить бензин? Для этого необходимо разорвать длинные молекулы углеводородов пополам. Способ осуществления такого химического превращения предложил в 1891 г. русский инженер В, Г. Шухов. При нагревании углеводородов керосиновой фракции до температуры 500—600 °С молекула алкана разрывается примерно пополам, образуя два углеводорода с более короткой углеродной цепочкой, например: ^16^34 * ^8^18 гексадекан октан октен Один из продуктов реакции — октан — это углеводород бензиновой фракции. Второму продукту реакции расщепления до состояния насыщенности не хватает двух атомов водорода. Следовательно, октен относится к непредельным углеводородам. Описанный процесс с конца XIX в. стал широко внедряться в промышленность и получил очень точное название — крекинг (от англ, crack — расщеплять). Крекинг — процесс термического расщепления углеводородов. Т7Г Крекинг, проведенный в присутствии катализаторов, называют каталитическим. Он приводит к получению бензина высокого качества. https://vk.com/school_ipad Впускной клапан Впуск горючей смеси Поршень Шатун ■ Маховик Свеча зажигания Выпускной клапан Выпуск отработанных газов Рис. 30. Схема двигателя внутреннего сгорания Качество бензина определяется его детонационной устойчивостью, т. е. способностью выдерживать при высоких температурах сильное сжатие в цилиндре двигателя без самопроизвольного возгорания, В двигателях внутреннего сгорания воспламенение горючего происходит от запальной свечи, дающей искру в момент наибольшего сжатия поршнем смеси газов (рис. 30). Однако при сжатии смеси паров бензина и воздуха углеводороды нормального строения образуют вещества, вызывающие преждевременное воспламенение, что приводит к быстрому износу двигателя. Это явление называют детонацией. Способность предельных углеводородов к детонации зависит от строения алкана. Так, углеводороды разветвленного и циклического строения способны выдерживать более высокую степень сжатия по сравнению с линейными молекулами. Количественным показателем качества бензина является его октановое число. За начало отсчета в октановой шкале принята детонационная устойчивость гептана нормального строения (октановое число 0), а за 100 — октановое число изооктана. Октановое число бензина, например АИ-92, показывает, что данное горючее имеет 3 https://vk.com/school_ipad такую же детонационную устойчивость, как смесь 92% изооктана и 8% м-гептана. В результате каталитического крекинга получают бензин с более высоким значением октанового числа, поскольку наряду с процессами крекинга протекают также процессы изомеризации алканов, например: t, р, А1С1, СНя-СНз-СНг-СНа-СНз ---------► СН3--СН-СН2-СН3. к-пентан СНз 2-метилбутан Для повышения октанового числа используют также процесс риформинга низкосортных сортов бензина, который подвергают нагреванию в присутствии катализаторов, например платины. При этом углеводороды линейного строения не только изомеризуются, но также превращаются в циклические и ароматические, что и приводит к повышению октанового числа, В отличие от двигателя внутреннего сгорания, в дизельных двигателях отсутствует свеча зажигания, так как смесь дизельного топлива с воздухом воспламеняется только в результате сжатия. Поэтому дизельные двигатели должны быть хорошо отрегулированы, чтобы полиароматические углеводороды, входящие в состав топлива, успевали полностью сгореть. 1. Нефть. 2. Фракционная перегонка, или ректификация. 3. Ректификационные газы, газолиновая фракция (бензин), лигроиновая фракция, керосиновая фракция, дизельное топливо, мазут. 4. Продукты перегонки нефти. 5. Крекинг и риформинг. 6. Детонационная устойчивость, октановое число. Назовите важнейшие месторождения нефти в Российской Федерации, используя карты из географического атласа. Как мировые цены на нефть влияют на бюджет нашей страны? Предложите свои варианты уменьшения зависимости экономики России от колебаний мировых цен на нефть. https://vk.com/school_ipad tr — @ Как утечки нефти при ее добыче и транспортировке влияют на состояние окружающей среды? Приведите примеры последних сообщений из средств массовой информации о катастрофах, связанных с разливами нефти. Каков состав нефти? Какие физические свойства компонентов нефти лежат в основе ее перегонки? Что такое бензины; октановое число? Как его повышают? Назовите по международной номенклатуре изооктан СН,, I ' СН,—С—СН,—СН—СН,. СН, СН- СН, Запишите уравнения реакций крекинга эйкозана С20Н42 до углеводородов бензиновой фракции. Как связана ваша будущая профессия (например, экономист, юрист, эколог, геолог, инженер) с добычей и переработкой углеводородного сырья? Как связана повседневная жизнь человека с добычей и переработкой углеводородного сырья и мировыми ценами на нефть? https://vk.com/school_ipad : (j_ —г-г—г —t— 'ч -ML _ -4 -т-^Г —h-^ -X- 1 Глава вторая Кислород- и азотсодержащие органические соединения и их природные источники е Q Единство ” ” химической организации живых организмов на Земле. Спирты в составе веществ, образующих клетки всех живых организмов (бактерий, растений, животных, человека), обнаружено более 70 химических элементов. Их принято делить на две большие группы; макро- и микроэлементы. Макроэлементы содержатся в клетках в больших количествах. Это углерод, водород, кислород и азот, которые в сумме составляют 98% всего содержимого клетки. К макроэлементам также относят магний, калий, кальций, натрий, фосфор, серу и хлор. Суммарное содержание их в клетке составляет 1,9%. Таким образом, на долю всех остальных элементов приходится около 0,1%. Эти элементы называют микроэлементами. К ним относятся железо, цинк, марганец, бор, медь, кобальт, иод, бром, фтор и др. Как можно отметить, в клетках живых организмов, в том числе и человека (рис. 31), нет каких-либо особых химических элементов, характерных только для живой природы, т. е. на атомном уровне различий между живой и неживой природой нет. Эти различия начинаются лишь на уровне сложных веществ — на молекулярном уровне. Так, наряду с неорганическими веществами (водой и минеральными солями) клетки живых организмов содержат вещества, характерные только для них, — органические вещества (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, витамины, гормоны и др,). https://vk.com/school_ipad ? _1 Железо, цинк, марганец, Относительный состав клеток живых организмов обобщенно можно представить так: вода— 70—80%, минеральные соли — 1, белки — 10—20, нуклеиновые кислоты — 1—6, жиры — 1—5, углеводы — 1—2% . В то время как неорганические вещества встречаются и в неживой природе, органические соединения характерны только для живых организмов, долгое время служивших единственным источником их получения. Основу цепочки природных взаимопревращений органических веществ, в состав молекул которых входит кислород, т. е. кислородсодержащих органических соединений, составляет уже знакомая вам реакция фотосинтеза: бСОа + 6Н2О свет эслорофклл зеленых листьев Растворы, содержащие углеводы (например, глюкозу), под действием особых веществ природного проис- г https://vk.com/school_ipad хождения — ферментов — превращаются в этиловый спирт. Такой процесс называют спиртовым брожением: CeHj20g глюкоза ферменты 2С2Н5ОН + 2С02- этиловый спирт Получение этилового спирта — одна из древнейших химических реакций, открытых и используемых человечеством. Со спиртами мы уже встречались не раз. Впервые вы познакомились с ними при изучении алкенов. Этиловый спирт CgHgOH — это продукт реакции гидратации этилена, а также исходное вещество для лабораторного способа получения этилена реакцией дегидратации. При изучении этилена вы познакомились еще с одним представителем спиртов — двухатомным спиртом этиленгликолем HOCHg—CHgOH, образующимся в результате окисления этилена раствором перманганата калия. Нетрудно заметить, что особенность химического строения спиртов заключается в наличии в составе их молекулы особой функциональной группы атомов — гидроксильной группы—ОН, Функциональной называют группу атомов, которая определяет наиболее характерные свойства вещества и его принадлежность к определенному классу соединений. ilJfT --------------- Число гидроксильных групп в молекуле спирта определяет его атомность. Знакомство со спиртами мы начнем с простейших — с предельных одноатомных спиртов, или алканолов. Предельными одноатомными спиртами или алканолами называют органические соединения, в молекулах которых алкильный радикал (R) связан с гидроксильной группой. Состав их соответствует общей формуле R-OH, или С„Н2^ + lOH. https://vk.com/school_ipad Начинает гомологический ряд предельных одноатомных спиртов метиловый спирт, или метанол, СН3ОН. Вторым членом гомологического ряда является хорошо знакомый вам из курса основной школы этиловый спирт, или этанол, С2Н5ОН. Формуле третьего члена гомологического ряда алкано-лов С3Н7ОН будут соответствовать уже два пропиловых спирта, или пропанола. Дело в том, что, начиная со спиртов этого состава, появляется еще один вид изомерии, который называют изомерией положения функциональной группы^ Формулы изомерных пропиловых спиртов: СН3-СН-СН3. СН3-СН2-СН2-ОН, Ьн пропанол-1 пропанол-2 Как вы помните, пропанол-2 можно получить гидратацией пропена, которая протекает в соответствии с правилом Марковникова. Спирты состава С^Н^ОН существуют уже в виде четырех изомеров, различающихся не только положением функциональной группы: СН3-СН2-СН2-СН2-ОН, бутанол-1 СН3-СН2-СН-СН3, ОН бутанол-2 но и строением углеродного скелета: СН3—CH-CHg—ОН, СНз 2-метилпропанол-1 СНз I ' СНз-С-ОН. " I СНз 2-метилпропанол-2 На этих примерах вы смогли познакомиться со способами образования названий предельных одноатомных https://vk.com/school_ipad спиртов. Названия одноатомных спиртов образуются от ыазва-ний соответствующих (по числу атомов и строению углеродной цепи) углеводородов с прибавлением суффикса -ол. Положение гидроксильной группы в главной цепи молекулы указывают цифрой после суффикса -ол. Отметим, что для спиртов характерен еще один вид изомерии, с которым вы уже встречались, " межклассовая изомерия: предельные одноатомные спирты изомерны простым эфирам. Например, изомерны этиловый спирт CgHgOH и диметиловый эфир СНд—О—СНд. Именно этот пример мы приводили в § 2. Так как с представителями простых эфиров, как учащиеся непрофильных классов, вы больше не встретитесь, подчеркнем, что их состав может быть отражен общей формулой R—О—R'. Уже первые члены гомологического ряда предельных одноатомных спиртов, несмотря на небольшие значения относительных молекулярных масс, представляют собой жидкости. Это объясняется образованием между молекулами особой химической водородной связи. ■ I % Рис. 32. Водородные связи между молекулами метанола Связь между атомом водорода одной молекулы (или ее части) и атомом сильно электроотрицательных элементов (фтора, кислорода, азота) другой молекулы (или ее части) называют водородной. За счет водородной связи молекулы низших спиртов ассоциированы в жидкости (рис. 32): ...О—Н...О—Н...О—Н... I I I R R R https://vk.com/school_ipad Первые представители гомологического ряда алкано-лов прекрасно растворяются в воде, так как образуют водородные связи с молекулами воды (рис. 33). Познакомимся с химическими свойствами предельных одноатомных спиртов. Как и все органические соединения, спирты горят: + 2^ + bSreOg —^ rtCOg + (п + 1)Н20, алканол -> 2СОо + 4Н2О + Q, 2СО, + ЗН,0 + Q. 2СН3ОН -!- ЗО2 метанол С2Н5ОН -Ь ЗО2 этанол Последнюю реакцию применяют не только в хорошо известных вам спиртовках, но также и в двигателях внутреннего сгорания. На рисунке 34 изображена автозаправочная станция в Бразилии, которая предлагает в качестве топлива на выбор бензин, смесь бензина с этиловым спиртом и просто этиловый спирт с добавкой метанола, чтобы водители его не пили. Машины с двигателями, работающими на этаноле, используются в Бразилии уже более 10 лет. Наличие в молекулах спиртов гидроксильной группы определяет общие свойства представителей этого класса соединений. ■ I А i Рис. 33. Водородные связи между молекулами воды и метанола______ Рис. 34. Автозаправочная станция в Бразилии (топливо — смесь бензина и этанола)_____________ ш https://vk.com/school_ipad Спирты взаимодействуют с металлическим натрием, образуя соли с общим названием — алкоголяты: 2R—ОН + 2Na —> 2R-ONa + Н2Т, Например, 2С2Н5ОН + 2Na —> 2С2Н5—ONa + НзТ. этилат натрия Спирты вступают в реакцию дегидратации: а) внутримолекулярная дегидратация — это хорошо знакомый вам лабораторный способ получения этилена: С2Н5ОН С2Н J + HgO; б) межмолекулярная дегидратация приводит к образованию уже знакомых вам простых эфиров: R-O^i^ HO-R' Например, ^ R-0-R' + Н2О. С2Н5ОР + НОС2Н5 —С2Н5-О--С2Н5 + Н2О. Оксидом меди (II) спирты окисляются в соответствующие альдегиды (рис. 35): ^О CjHgOH + CuO —^ СН3—С^^ -ь Н2О + Си. этанол этаналь (уксусный альдегид) >=> СНзСНО^ Рис. 35. Окисление этанола до этаналя https://vk.com/school_ipad £1 с карбоновыми кислотами спирты вступают в реакцию этерификации, образуя при этом сложные эфиры, с которыми вы будете подробно знакомиться в § 13: .О .О R-CZ +Н2О. ^ОН' ' ^ f ^ Ю—R' кислота спирт сложный эфир например, СНо-СООН + НОСН3 СН3-СООСН3 + Н^О. уксусная (этановая) кислота метиловый спирт (метанол) мет и л ацетат Рассмотрим отдельных представителей одноатомных и многоатомных спиртов. Метанол (метиловый спирт) СН3ОН (рис. 36) — бесцветная жидкость с характерным запахом, = 64,7 °С, горит чуть голубоватым пламенем. Историческое название метанола — древесный спирт — объясняется одним из старых способов его получения — перегонкой дерева. Метанол — прекрасный растворитель, его используют также для производства формальдегида, некоторых лекарственных веществ. Метанол наряду с этанолом можно добавлять в моторное топливо для увеличения октанового числа. Метанол очень вдовит! Он является нервно-сосудистым ядом. ГГ Щ Рис. 36. Модель молекулы метанола: 1 — шаростержневая; 2 — масштабная Рис. 37. Модель молекулы этанола: 1 — шаростержневая; 2 — масштабная i [ https://vk.com/school_ipad при попадании в организм от 5 до 10 мл этого вещества наступает паралич зрения вследствие поражения сетчатки глаз, доза в 30 мл и более вызывает смерть. Этанол (этиловый спирт) CgHgOH (рис. 37) — бесцветная жидкость с характерным запахом, = 78,3 °С, смешивается с водой в любых соотношениях. При попадании в организм человека этилового спирта происходит снижение болевой чувствительности и блокировка процессов торможения в коре головного мозга — наступает состояние опьянения. На этой стадии действия этанола увеличивается водоотделение в клетках и, следовательно, ускоряется мочеотделение, в результате чего происходит обезвоживание организма. Кроме того, этанол вызывает расширение кровеносных сосудов. Усиление потока крови в кожных капиллярах приводит к покраснению кожи и ощущению теплоты. В больших количествах этанол угнетает деятельность головного мозга (стадия торможения), вызывает нарушение координации движений. Промежуточный продукт окисления этанола в организме — ацетальдегид — ядовит и вызывает тяжелые отравления. Систематическое употребление этилового спирта и содержащих его напитков приводит к стойкому снижению продуктивности работы головного мозга, гибели клеток печени и замене их соединительной тканью — циррозу печени. Помимо производства алкогольной продукции, этанол находит широкое применение в различных отраслях промышленности (рис. 38, 39). Рис. 38. Доля применения этанола в различных областях промышленности: 1 — растворитель; 2 — получение дизтилового эфира; 3 — получение сложных эфиров; 4 — получение уксусного альдегида; 5 — получение уксусной кислоты; 6 — горючее для двигателей; 7 — прочее https://vk.com/school_ipad h-cf <1 о—R' СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ Рис. 39. Применение этанола: 1 — производство уксусной кислоты; 2 — косметика и парфюмерия; 3 — медицинские препараты; 4 — лекарственные средства; 5 — производство сложных эфиров; 6 — лаки; 7,8 ~ синтетические каучуки Глицерин — это представитель трехатомных спиртов (рис. 40). Его формула СН2-СН-СН2. I 1 ОН ОН он в отличие от уже знакомого вам двухатомного спирта этиленгликоля, глицерин не ядовит. Он неограниченно растворим в воде, более того, очень гигроскопичен. Если оставить глицерин в открытом сосуде, его масса увеличивается до 40% за счет поглощения влаги из воздуха. Это свойство широко используют в парфюмерной промышленности: глицерин входит в состав кремов, помад, зубных паст, предотвращая их от Рис. 40. Масштабная модель молекулы глицерина_________ TTtr т https://vk.com/school_ipad Cu(0H)2 Рис. 41. Качественная реакция на многоатомные спирты I высыхания и способствуя увлажнению и смягчению кожи. Глицерин используют как пищевую добавку при изготовлении кондитерских изделий и напитков. При производстве пластмасс глицерин применяют в качестве пластификатора — компонента, придающего материалу гибкость и эластичность. В кожевенном производстве и текстильной промышленности глицерин используют для предохранения кож от высыхания и придания тканям мягкости и шелковистости. Значительное количество глицерина используют для изготовления взрывчатых веществ, в частности три-нитрата глицерина. Несмотря на взрывоопасность этого вещества, в очень малых дозах его применяют в медицине в качестве сосудорасширяющего средства при сердечно-сосудистых заболеваниях. Качественной реакцией на многоатомные спирты является их взаимодействие со свежеполученным осадком гидроксида меди (II), который растворяется с образованием ярко-синего раствора (рис. 41). 1. Функциональная гидроксильная группа. 2. Предельные одноатомные спирты. 3. Изомерия и номенклатура спиртов. 4. Простые эфиры. 5. Водородная связь. 6. Химические свойства спиртов; горение, взаимодействие с натрием, дегидратация (внутримолекулярная и межмолекулярная), окисление в альдегиды, реакция этерификации. 7. Представители спиртов: метанол, этанол, глицерин. https://vk.com/school_ipad -JS - т ш 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 На каком уровне начинается различие между живой и неживой природой? Какие факты говорят о единстве живой и неживой природы? Сравните между собой состав и строение растительной и животной клеток. На какие две группы делят химические элементы, образующие вещества живых клеток? Попробуйте доказать относительность такого деления элементов. Какова роль макро- и микроэлементов в организации жизни на нашей планете? Какие вещества называют спиртами? Как определяют атомность спирта? Что такое функциональная группа? Какие свойства предельных одноатомных спиртов определяются наличием в их молекуле гидроксильной функциональной группы, а какие — нет? Приведите примеры неорганических веществ, между молекулами которых образуется водородная связь. Какие свойства метанола и этанола лежат в основе их применения? Какие свойства глицерина лежат в основе его применения? В трех пробирках находятся бесцветные жидкости: вода, этанол и раствор глицерина. Как их распознать? Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: а) этилен---> этанол--^ этаналь; б) этанол —этилен-----> этиленгликоль. При взаимодействии 3 г предельного одноатомного спирта с необходимым количеством натрия выделилось 0,56 л (н. у.) водорода. Выведите формулу спирта, запишите формулы возможных изомеров и дайте их названия. § 10 Фенол Функциональную гидроксильную группу содержат не только спирты, но и другой класс органических соединений, которые называют фенолами. У веществ это- 7? г " https://vk.com/school_ipad го класса гидроксил связан не с алкильным радикалом, а с фенилом, т. е. ароматическим радикалом. Фенолы — это органические соединения, в молекулах которых радикал фенил связан с одной или несколькими гидроксильными группами. IWA Простейшим представителем этого класса органических соединений является фенол CgHgOH (рис. 42), Фенол раньше получали взаимодействием хлорбензола со щелочью в очень жестких условиях (высокие температура и давление): CgHgCl + NaOH СбН^ОН -I- NaCl. Рис. 42. Масштабная модель молекулы фенола В настоящее время одним из важнейших способов получения фенола является прямое окисление бензола. Одним из основных источников для промышленного получения фенола является каменный уголь. Каменный уголь представляет собой окаменелые останки доисторических растений. Наряду с природным газом и нефтью, он является важнейшим сырьевым источником химических веществ. Запасы каменного угля на планете значительно превышают запасы газа и нефти (рис. 43), поэтому химическое производство, основанное I I ' ' I ' ' ' ' 1 ' ' ' "I ' ' ' ^ 50 100 150 200 250 300 Годы Рис. 43. Расчетное время потребления природных источников углеводородов https://vk.com/school_ipad КАМЕННЫЙ УГОЛЬ прокаливание без доступа воздуха {------Г ftk Q кокс КАМЕННОУГОЛЬНАЯ АММИАЧНАЯ СМОЛА ВОДА КОКСОВЫЙ ГАЗ Рис. 44. Основные продукты коксохимического производства на переработке угля (коксохимическое производство), имеет большое будущее. Коксохимическое производство (рис. 44) основано на нагревании каменного угля в специальных установках, называемых коксовыми батареями, без доступа воздуха. В результате коксования, которое проводят при температуре около 1000 °С, получают: • коксовый газ, состоящий преимущественно из метана; • каменноугольную смолу, содержащую несколько сотен различных органических соединений, в том числе бензол, фенол; • аммиачную воду, содержащую, как видно из названия, растворенный аммиак, а также фенол и другие вещества; • кокс — твердый остаток коксования, практически чистый углерод, используемый в производстве чугуна. Фенол представляет собой белые игольчатые кристаллы с характерным запахом, быстро розовеющие на воздухе в результате окисления. Он малорастворим в холодной воде, но неограниченно — в горячей. https://vk.com/school_ipad tt До сих пор используют исторически сложившееся название этого вещества — карболовая кислота. Химические свойства фенола обусловлены сочетанием двух фрагментов в составе его молекулы: ароматического углеводородного радикала фенила и гидроксильной группы, Свойства фенола являются яркой иллюстрацией положения теории строения органических соединений о взаимном влиянии атомов в молекулах. Влияние фенила на гидроксил заключается в том, что он еще более поляризует ковалентную связь между атомами кислорода и водорода в гидроксиле. Атом водорода при этом становится более подвижным по сравнению со спиртами, что обусловливает кислотные свойства фенола (отсюда и название — карболовая кислота): СеН5-0<-Н, Поэтому, в отличие от спиртов, фенол вступает в реакцию нейтрализации со щелочами, например: CgHjOH + NaOH —> CgHgONa + Н2О. фенол фенолят натрия Подобно алкоголятам, фенолят натрия может быть получен и при взаимодействии фенола с металлическим натрием: 2СбНдОН + 2Na ->■ гСдЫдОКа + НдТ. Влияние гидроксила на фенил состоит в том, что он делает атомы водорода в положениях 2, 4 и б более подвижными, и потому фенол, в отличие от бензола, взаимодействует с бромной водой, образуя белый осадок 2,4,6-трибромфенол: що Вг + ЗВГ2 —+ 6 i + ЗНВг. Эта реакция служит для качественного обнаружения фенола. Из-за подвижности атомов водорода в положениях 2 и 6 фенол способен вступать в реакцию поликонденсации https://vk.com/school_ipad с формальдегидом с образованием фенолоформальдегид-ной смолы: ОН Q ОН ОН ОН или О "[OJ которая является основой для производства ценнейшей фенолоформальдегидной пластмассы. Реакция поликонденсации — это процесс образования полимера, который сопровождается выделением побочного низкомолекулярного продукта (чаще всего воды). Фенолоформальдегидную смолу широко используют для производства древесностружечных плит (ДСП), фанеры, электротехнических приборов, бытовых предметов. Мебель, изготовленная из ДСП, выделяет в атмосферу квартир и домов немалое количество фенола, который очень вреден для здоровья, поэтому комнаты с такой мебелью надо проветривать, а лучше — дать отстояться новой мебели в нежилом помещении с открытым окном. Фенол находит широкое применение в различных отраслях промышленности (рис. 45). 1. Фенолы. 2. Фенол. 3. Получение фенола. 4. Каменный уголь и продукты его переработки: коксовый газ, каменноугольная смола, аммиачная вода и кокс. 5. Коксохимическое производство, 6. Свойства фенола: взаимодействие со щелочами, металлическим натрием, бромной водой, формальдегидом. 7. Реакция поликонденсации. 8. Фенолофор-мальдегидная смола. https://vk.com/school_ipad Рис. 45. Применение фенола: I—5 — фенолоформальдегидная смола (линолеум 7, синтетические волокна 2, ДСП 3, мебель 4, клеи 5); 6, 7 — получение органических соединений (пестициды 6, лекарственные средства 7) 1 2 3 4 5 6 Какие вещества называют фенолами? Почему фенол называют также карболовой кислотой? В чем проявляется взаимное влияние фенила и гидроксила друг на друга в молекуле фенола? Какие свойства фенола лежат в основе его применения? Из 390 г бензола в две стадии было получено 410 г фенола. Определите массовую долю выхода продукта реакции от теоретически возможного. При взаимодействии фенола с бромной водой образуется нерастворимый в воде 2,4,6-трибромфенол (качественная реакция на фенол). При действии избытка бромной воды на 240 г водного раствора фенола получено 8,45 г осадка. Рассчитайте массовую долю фенола в исходном растворе. https://vk.com/school_ipad I jff ■ § 11 Альдегиды и кетоны с альдегидами вы встречались не раз. Так, при рассмотрении реакции гидратации ацетилена (реакции Ку-черова) вы познакомились с уксусным альдегидом, или ацетальдегидом, /О При рассмотрении реакции окисления метанола на медном катализаторе вы узнали формулу муравьиного альдегида Н-С ^н‘ Следовательно, функциональная группа, определяющая принадлежность вещества к классу альдегидов, — это альдегидная группа —С \ .0 Н’ которая является частным случаем функциональной карбонильной группы ^>С=0. Альдегиды — это органические соединения, молекулы которых содержат карбонильную группу Ж)=0, связанную с атомом водорода и углеводородным радикалом. Их состав соответствует общей формуле r-c(h Под это определение не подпадает родоначальник гомологического ряда альдегидов — формальдегид, или муравьиный альдегид, или метаналь: Н-С в его молекуле карбонильная группа связана с двумя атомами водорода. J https://vk.com/school_ipad Карбонильную группу содержат также и кетоны, только в них она связана с двумя углеводородными радикалами. Очевидно, что общая формула кетонов имеет вид R-C-R'. А Простейшим представителем кетонов является ацетон, или диметилкетон (рис. 46): СН4-С-СН3. 3 II 3 о Ацетон — это бесцветная летучая жидкость с характерным запахом. Его используют в качестве растворителя и при производстве полимерных материалов. Однако вернемся к альдегидам. Общим способом получения альдегидов является окисление соответствующих спиртов на медном катализаторе: /О R-CH„-OH Н- СиО R~Cli + Н„0 + Си. 2 2 спирт альдегид Уксусный альдегид, или этаналь, можно получить, как вы знаете, из ацетилена по реакции Кучерова: .О Тт С2Н2 + Н2О СНз-С^^. Формальдегид (метаналь, муравьиный альдегид) >0 Н-С \ Н Рис. 4$. Модель молекулы ацетона: 1 — шаростержневая; 2 — масштабная (рис. 47) — бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворим Рис. 47. Модель молекулы метаналя: 1 — шаростержневая; 2 — масштабная https://vk.com/school_ipad Hf _Й Рис, 48. Модель молекулы уксусного альдегида (этаналя): 1 — шаростержневая; 2 — масштабная в воде, очень ядовит. Метаналь применяют для производства фе-нолоформальдегидных пластмасс и многих лекарственных препаратов, например уротропина. Иногда спрессованный в виде брикетов уротропин применяют в качестве горючего (сухой спирт). Раствор формальдегида в воде называют формалином, его используют для хранения биопрепаратов, протравливания семян перед посевом, дубления кож. Уксусный альдегид (этаналь, ацетальдегид) СНз-с( О Н (рис. 48) — летучая жидкость, хорошо растворимая в воде, с характерным запахом. Основное количество получаемого в промышленности ацетальдегида используют для производства уксусной кислоты, а также различных пластмасс и ацетатного волокна. Уксусный альдегид ядовит! Химические свойства альдегидов обусловлены присутствием в молекуле альдегидной группы. Альдегиды легко окисляются в соответствующие карбоновые кислоты, на чем основаны две качественные реакции: 1) реакция «серебряного зеркала» — с аммиачным раствором оксида серебра: >0 R-C. -I- AgjO R-C Н \ .0 он + 2Ag,L; альдегид карбоновая кислота 2) реакция со свежеполученным осадком гидроксида меди (II) при нагревании — цвет содержимого пробирки й https://vk.com/school_ipad NaOH li CuSO Рис. 49. Качественная реакция альдегида с гидроксидом меди (II) изменяется на кирпично-красный из-за образовавшегося в результате ее оксида меди (I) (рис. 49); уО >0 R-Ct^ Н- 2Си(0Н)а R-Ct^ -Ь Си,04. + 2НзО. \н ^ \он альдегид карбоновая кислота Альдегиды восстанавливаются в соответствующие спирты — гидрируются: уО R-Cf -Ь Н, R-CHa-OH. \Н ^ -i альдегид (алканаль) спирт (алканол) 1. Альдегиды и кетоны. 2. Ацетон. 3. Получение альдегидов; окисление спиртов. 4. Формальдегид. 5. Уксусный альдегид. 6. Химические свойства альдегидов; качественные реакции (реакция «серебряного зеркала» я взаимодействие с гидроксидом меди (II) при нагревании), гидрирование. Какие вещества называют альдегидами, а какие — кетонами? Что общего между этими классами органических соединений? Являются ли альдегиды и кетоны межклассовыми изомерами? Аргументируйте свой вывод примерами. https://vk.com/school_ipad 5 Охарактеризуйте получение, свойства и применение формальдегида. Ответ иллюстрируйте уравнениями соответствующих реакций. Охарактеризуйте получение, свойства и применение ацетальдегида. Ответ иллюстрируйте уравнениями соответствующих реакций. Как, по вашему мнению, образуются названия альдегидов и кетонов по международной номенклатуре? Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: этан---> этилен---> этиловый спирт--> уксусный альдегид --------------------------------уксусная кислота-> этил ацетат. Найдите массу серебра, выпавшего на стенках пробирки в виде «серебряного зеркала*, при взаимодействии 140 г 10%-го раствора формальдегида с избытком аммиачного раствора оксида серебра. Рассчитайте количество вещества оксида серебра, вступившего в реакцию. § 12 Карбоновые кислоты Как вы уже знаете, общим способом получения карбоновых кислот может служить окисление соответствующего альдегида согласно уравнению уО 2R-C; -Ь о \ н 2R-C .О он‘ альдегид карбоновая кислота В промышленности этот процесс проводят с помощью кислорода воздуха в присутствии катализаторов. Анализируя общую формулу карбоновых кислот, можно заметить, что в состав ее молекулы входят две части — углеводородный радикал (алкил) и функциональная группа -С ^он’ которую называют карбоксильной. Название функциональной группы произошло от названий образующих ее карбонила !>С=Ю и гидроксила —ОН. https://vk.com/school_ipad 1 Карбоновые кислоты — это органические соединения, молекулы которых содержат карбоксильную группу —СООН, связанную с углеводородным радикалом. Состав предельных одноосновных карбоновых кислот соответствует общей формуле «-<он Класс карбоновых кислот чрезвычайно многообразен. В него входят одно-, двух- и многоосновные кислоты, непредельные и ароматические. Но эти подклассы карбоновых кислот являются предметом изучения в школах и классах естественнонаучного профиля. Мы лишь упомянем о двух непредельных кислотах; С^^^ззСООН — олеиновой кислоте (содержит в молекуле одну двойную связь) (рис. 50) и C17H31COOH — линолевой кислоте (содержит в молекуле две двойные связи). Эти кислоты называют жирными, и теперь, очевидно, вам стало понятно, почему мы обращаем ваше внимание на эти кислоты — они входят в состав жидких жиров. Однако вернемся к предельным одноосновным карбоновым кислотам, Начинает гомологический ряд этих кислот соединение, которое не полностью отвечает приведенному выше определению, — муравьиная, или метановая, кислота .О Н-С \ он Как видно, карбоксил в ее молекуле связан не с углеводородным радика- Рис. 50. Масштабная модель молекулы олеиновой кислоты https://vk.com/school_ipad т ■4 4 - Рис. 51. Модель молекулы муравьиной (метановой) кислоты: 1 — шаростержневая; 2 — масштабная Рис. 52. Муравьиную кислоту содержит жалящая жидкость: 1 — медуз; 2 — крапивы; 3 — муравьев лом, а с атомом водорода, как и карбонил в муравьином альдегиде (рис. 51). Очевидно, что названия кислот и соответствующих им альдегидов идентичны. То, что строение муравьиной кислоты отличается от строения молекул других одноосновных карбоновых кислот, обусловливает и особенности ее химических свойств. Она вступает в реакцию «серебряного зеркала» подобно альдегидам, так как ее молекула представляет собой синтез двух функциональных групп: карбонильной и карбоксильной. Муравьиная кислота — это жидкость с резким запахом (^кип ~ 100,8 °С), хорошо растворимая в воде. Муравьиная кислота ядовита! При попадании на кожу она вызывает ожоги. Жалящая жидкость, выделяемая муравьями, крапивой, некоторыми видами медуз, содержит эту кислоту (рис. 52), Муравьиная кислота обладает дезинфицирующим действием и поэтому находит применение в пищевой, кожевенной и фармацевтической промышленности, а также в медицине. Кроме этого, ее используют при крашении тканей и бумаги (рис. 53). Ж https://vk.com/school_ipad aa&f а Рис. 53. Применение муравьиной кислоты: 1 — кожевенная промышленность; 2 — крашение тканей; 3 — медицина Уксусная, или этановая, кислота СНд-С^ О он (рис. 54) — это бесцветная жидкость с характерным резким запахом, смешивается с водой в любых отношени- Рис. 54. Модель молекулы уксусной (этановой) кислоты; 1 — шаростержневая; 2 — масштабная https://vk.com/school_ipad ях. Водные растворы уксусной кислоты поступают в продажу под названием «столовый уксус* (3—5%-й раствор), «уксусная эссенция» (70—80%-й раствор) и широко используются в пищевой промышленности. Уксусная кислота — хороший растворитель многих органических соединений, применяется при крашении, в кожевенном производстве, лакокрасочной промышленности (рис. 55). Кроме этого, уксусная кислота является исходным сырьем для производства многих важных в техническом отношении органических соединений: искусственных волокон, ядохимикатов, кино- и фотопленок и т. д. Уксусная кислота чрезвычайно опасна при попадании на кожу, поэтому необходимо соблюдать меры безопасности при работе с уксусной эссенцией. С увеличением относительной молекулярной массы в гомологическом ряду предельных одноосновных кар- Рис. 55. Применение уксусной кислоты; 1 — консервирование; 2 — производство искусственных волокон, тканей; 3 — приправа к пище; 4—8 — производство органических соединений (пестицидов 4, лаков 5, красок 6, фотопленки 7, клея 5) ш https://vk.com/school_ipad Рис. 56. Масштабные модели молекул: 1 — пальмитиновой кислоты; 2 — стеариновой кислоты боновых кислот увеличиваются их плотность, температуры кипения и плавления, уменьшается растворимость в воде. Высшие карбоновые кислоты, также называемые жирными (догадались почему), являются твердыми веществами. Это, например, пальмитиновая С^^Нз.СООН (рис. 56, 1) и стеариновая С^^Нд^СООН кислоты (рис. 56, 2). Химические свойства карбоновых кислот определяются в первую очередь их принадлежностью к типу кислот вообще. Подобно неорганическим кислотам, карбоновые кислоты являются электролитами, правда очень слабыми, а потому диссоциируют обратимо: RCOOH ^ RCOO- + Н+. Водные растворы карбоновых кислот изменяют окраску индикаторов. С увеличением углеводородного радикала происходит уменьшение степени электролитической диссоциации. Как и неорганические кислоты, карбоновые взаимодействуют с металлами, основными и амфотерными оксидами, основаниями, амфотерными гидроксидами и солями. https://vk.com/school_ipad Так, муравьиная и уксусная кислоты взаимодействуют с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений до водорода: 2НСООН + Mg----> (HCOO)2Mg Н- H,T, формиат магния 2СН3СООН + Zn-----> (СНзСОО)2гп + HgT. ацетат цинка Эти кислоты реагируют с основными и амфотерными оксидами с образованием солей — формиатов и ацетатов: 2НСООН + MgO-----> (HCOO)2Mg + Н2О, 2СН3СООН + ZnO -> (СНзСОО)2гп + ЩО. Аналогично муравьиная и уксусная кислоты взаимодействуют с основаниями и амфотерными гидроксидами: 2НСООН + Mg(OH>2 2СН3СООН + Zn(OH)2 (HCOO)2Mg -Н 2Н2О, (сНзСоо)2гп -I- 2Н2О. Взаимодействуют эти кислоты с солями более слабых кислот. Реакции идут до конца, если образуется осадок или газ: 2НСООН + NagSiOg ^ 2HCOONa + HgSiOgi, 2СН3СООН Н- МадСОз гСНдСООКа + Н2О + СО2Т, Органические кислоты, как вы уже знаете, вступают в реакцию этерификации со спиртами, образуя сложные эфиры, согласно уравнению О R-C .О ^ + H^OR' R-C ^ОН кислота Например: спирт ^0—R' сложный эфир + ЩО. СН3СООН + С2Н3ОН ± СН3СООС2Н5 Н- НдО. уксусная кислота этиловый спирт этиловый эфир уксусной кислоты (эти л ацетат) https://vk.com/school_ipad 7 8 1. Карбоксильная группа. 2. Карбоновые кислоты. Предельные одноосновные карбоновые кислоты. 3. Непредельные карбоновые кислоты: олеиновая и линолевая. 4. Муравьиная и уксусная кислоты. 5. Свойства карбоновых кислот: взаимодействие с металлами, основными и амфотерными оксидами, основаниями, амфотерными гидроксидами и соля* ми, 6. Формиаты и ацетаты. 7. Реакция этерификации. Сложные эфиры. 8. Применение карбоновых кислот. т 1 2 3 4 Какие вещества называют предельными одноосновными карбоновыми кислотами? Рассмотрите переход количественных изменений в качественные на примере изменения физических свойств карбоновых кислот в гомологическом ряду. Какие свойства являются общими для неорганических и карбоновых кислот? Подтвердите свой ответ уравнениями реакций. В какие реакции могут вступать олеиновая и линолевая кислоты как непредельные органические соединения? Как называют эти реакции? Запишите их уравнения. Структурную формулу муравьиной кислоты можно запи- /О сать и таким образом НО—. Следовательно, эта кисло- та будет являться веществом с двойственной функцией. Как можно назвать ее? Какую реакцию, нехарактерную для других кислот, даст муравьиная кислота? Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения; метан---> ацетилен---* уксусный альдегид - -> л метилацетат --> уксусная кислота >пропилацетат ацетат аммония Какое вещество вызывает жалящее действие крапивы и стрекательных клеток медуз? Как снять боль от ожогов, вызванных выделениями этих организмов? В уксусной кислоте растворили 250 г известняка, содержащего 20% примесей, и получили при этом 33,6 л (н, у.) углекислого газа. Какую объемную долю составляет выход углекислого газа от теоретически возможного? https://vk.com/school_ipad 9 10 Царица Клеопатра по совету придворного медика растворила в уксусе самую крупную из известных ювелирам жемчужину, а затем принимала полученный раствор в течение некоторого времени. Какую реакцию осуществила Клеопатра? Какое соединение она принимала? На нейтрализацию 10,6 г смеси растворов муравьиной и уксусной кислот затратили 200 г 4%-го раствора гидроксида натрия. Рассчитайте массовые доли кислот в исходной смеси. О Сложные эфиры. Жиры. Мыла Как вы уже знаете, общим способом получения сложных эфиров является процесс, называемый реакцией этерификации. Еще раз напомним, как записывают уравнение этой реакции в общем виде; _ д- >0 R-c; - -+ H-OR' R-c; ^ОН ^O-R' + Н20. кислота спирт сложный эфир Сложными эфирами называют производные карбоновых кислот, в которых атом водорода карбоксильной группы замещен на углеводородный радикал. Их состав соответствует общей формуле /> Эта реакция обратима. Продукты реакции могут взаимодействовать друг с другом с образованием исходных веществ — спирта и кислоты. Таким образом, реакция сложных эфиров с водой — гидролиз сложного эфира — обратна реакции этерификации. Химическое равновесие, устанавливающееся при равенстве скоростей прямой (этерификации) и обратной (гидролиз) реакций, мо- https://vk.com/school_ipad жет быть смещено в сторону образования эфира с помощью водоотнимающих средств, например с помощью концентрированной серной кислоты, а в сторону гидролиза сложного эфира — в присутствии щелочи. Сложные эфиры широко распространены в природе. Специфический аромат ягод, плодов и фруктов в значительной степени обусловлен представителями этого класса органических соединений (рис. 57). Сложные эфиры жирных кислот и спиртов с длинными углеводородными радикалами называют восками. Сложные эфиры находят широкое применение в технике и различных отраслях промышленности. Они являются хорошими растворителями органических соединений. Их плотность меньше плотности воды, и они практически не растворяются в ней. Так, сложные эфиры с относительно небольшой молекулярной массой представляют собой легковоспламеняющиеся жидкости с невысокими температурами кипения, имеют запахи различных фруктов. Их применяют как растворители лаков Рис. 57, Сложные эфиры в природе https://vk.com/school_ipad и красок, ароматизаторы изделии пищевой промышленности (рис. 58). Важнейшими представителями природных сложных эфиров являются жиры (рис. 59). Жиры — это сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших карбоновых кислот. Состав и строение жиров могут быть отражены общей формулой ^ НрС—О—C^R i .^0 НС—0—С—R', I HX-0-C-R" Рис. 58. Применение сложных эфиров: 1 — лекарственные средства; 2, 3 — парфюмерия и косметика; 4 — синтетические и искусственные волокна; 5 — лаки; 6 — производство напитков и кондитерских изделий 94 4# https://vk.com/school_ipad Рис. 59. Жиры где R, R', R"— радикалы, входящие в состав высших карбоновых кислот: масляной (—СдНу), пальмитиновой (—С(5Нз1), стеариновой (—Cj^Hgg), олеиновой (—С^^Ндд), линолевой (—и др. В состав жиров могут входить остатки предельных и непредельных кислот, содержащих четное число атомов углерода и неразветвленный углеродный скелет (рис. 60). Природные жиры, как правило, являются смешанными сложными эфирами, т. е. их молекулы образованы различными карбоновыми кислотами. Жиры, образованные предельными кислотами (масляной, пальмити- Рис. 60. Масштабная модель молекулы жира (тристеарата) https://vk.com/school_ipad п Й Т7 новой, стеариновой и др.). имеют, как правило, твердую консистенцию. Это жиры животного происхождения (исключение составляет жидкий рыбий жир). С увеличением длины углеводородного радикала температура плавления жира увеличивается. Если в составе жира содержатся остатки непредельных кислот (олеиновой и линолевой), они представляют собой вязкие жидкости, которые часто называют маслами. Маслй — это жидкие жиры растительного происхождения (исключением является твердое пальмовое масло): льняное, конопляное, подсолнечное, оливковое, соевое, кукурузное и др. Жиры нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях — бензоле, гексане. Состав жиров определяет их физические и химические свойства. Следует ожидать, что для жиров, содержащих остатки непредельных карбоновых кислот, характерны все реакции этого типа соединений. Они обесцвечивают бромную воду, вступают в другие реакции присоединения. Из них наиболее важная в практическом плане реакция — это гидрирование жиров. Гидрированием жидких жиров получают твердые сложные эфиры. Именно эта реакция и лежит в основе получения из растительного масла твердого жира — маргарина. Условно этот процесс можно описать уравнением реакции, например; Н2С—О—СО—С17Н33 НС—О-СО-С17Н33 + ЗН I Ni, t, р. НзС—О— СО—С^^р^Нзз жидкий жир (триолеат) Н,С-0-С0-С,,Нз5 НС—О-СО-С17Н35. я,с^о-со-с,,щ, твердый жир (тристеарат) Все жиры, как и другие сложные эфиры, подвергаются гидролизу. Например: Н2С-О-СО-С17Н35 НС-О-СО-С17Н35 -ь ЗН2О Н2С-ОН н+, t i НС-ОН + SCj^HagCOOH. H,C-0-C0-Ci.^Hg5 нх-он тристеарат глицерин стеариновая кислота https://vk.com/school_ipad Напомним, что гидролиз сложных эфиров — обратимая реакция. Для смещения равновесия в сторону продуктов гидролиза его проводят в щелочной среде (в присутствии щелочей или карбонатов щелочных металлов, например соды NagCOg). При этом гидролиз протекает необратимо и приводит в результате к образованию не карбоновых кислот, а их солей, которые называют мылами. Поэтому гидролиз жиров в щелочной среде называют омылением жиров. При омылении жиров образуются глицерин и мыла — натриевые или калиевые соли высших карбоновых кислот. Изготовление мыла — один из самых древних химических синтезов. Конечно, этот процесс гораздо ♦моложе», чем получение этилового спирта. Когда германские племена во времена Цезаря варили козье сало с поташем (техническое название карбоната калия), вымытым из пепла костров, они проводили ту же самую реакцию, которая осуществляется сейчас в грандиозных масштабах современными мыловарами, а именно — щелочной гидролиз жиров (омыление): Н„С—О—CO-R I НС—О-СО—R' +3NaOH-^-H2C-O-CO-R" жир Н,С-ОН R-COONa I НС-ОН+R'—COONa. Н2С-ОН R"-COONa глицерин мыло Мыло, которое мы используем, представляет собой смесь солей, поскольку жир, из которого его получают, содержит остатки различных кислот. Натриевые соли высших кислот RCOONa имеют твердое агрегатное состояние, а калиевые RCOOK — жидкое (жидкое мыло). При изготовлении мыла в него добавляют душистые вещества, глицерин, красители, антисептики, растительные экстракты. Однако с химической точки зрения все мыла одинаковы (диссоциируют как сильные электролиты согласно уравнению RCOONa -—у RCOO” + Na^) и природа их действия во всех случаях одна и та же. https://vk.com/school_ipad лг Очищающее действие мыла — сложный процесс. Молекула соли высшей карбоновой кислоты имеет полярную ионную часть (—COO“Na'^) и неполярный углеводородный радикал, содержащий 12—18 атомов углерода. Полярная часть молекулы растворима в воде {гидрофильна), а неполярная — в жирах и других малополярных веществах (гидрофобна) (рис. 61). В обычных условиях частицы жира или масла слипаются между собой, образуя в водной среде отдельную фазу. В присутствии мыла картина резко изменяется. Неполярные концы молекулы мыла погружаются в капли масла, а полярные карбоксилат-анионы остаются в водном растворе. В результате отталкивания одноименных зарядов на поверхности масла оно разбивается на мельчайшие частицы, каждая из которых имеет ионную оболочку из анионов —СОО“. Наличие этой оболочки препятствует слиянию частиц, в результате чего образуется устойчивая эмульсия масла в воде. Эмульгирование жира, содержащего грязь, обусловливает очищающее действие мыла (рис. 62). В жесткой воде, содержащей ионы Са^'^ и Mg^^, мыло теряет свою моющую способность. Это происходит в результате того, что кальциевые и магниевые соли высших карбоновых кислот нерастворимы в воде: 2С1^Нз5СОО'-1-Са2+ >(С,,Нз,СОО)Ха1. C1TH35COO Рис. 61. Модель молекулы стеарата натрия в воде https://vk.com/school_ipad Рис. 62. Эмульгирование масла в воде в присутствии жира Рис. 63. Синтетические моющие средства Вместо пены в воде образуются хлопья осадка, и мыло расходуется бесполезно. Этого недостатка лишены синтетические моющие средства (рис. 63) — современные стиральные порошки. Принцип действия синтетических моющих средств точно такой же, как и у мыла, однако они имеют значительные преимущества. Во-первых, их растворы имеют нейтральную, а не щелочную среду. Во-вторых, синтетические моющие средства сохраняют свое действие в жесткой и даже морской воде, поскольку их кальциевые и магниевые соли растворимы. Вместе с тем остатки стиральных порошков в сточных водах очень медленно разлагаются биологическим путем и вызывают загрязнение окружающей среды. 1. Реакция этерификации. 2. Сложные эфиры: нахождение в природе и применение. 3. Жиры. 4. Химические свойства жиров: гидрирование растительных масел, гидролиз, омыление. 5. Мыла. 6. Очищающее действие мыла. 7. Синтетические моющие средства. https://vk.com/school_ipad 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Какие вещества называют: а) сложными эфирами; б) жирами? Раскройте биологическую роль сложных эфиров в живой природе. Для ответа используйте свои знания по биологии. Назовите области применения сложных эфиров в технике и народном хозяйстве. Чем отличаются по строению жидкие жиры от твердых? Как опытным путем различить машинное и растительное масла? Что такое маргарин? Как его получают? Что такое мыла? Как их получают? Почему реакцию щелочного гидролиза жиров называют омылением? Чем отличаются натриевые мыла от калиевых? Какую воду называют жесткой? Какой вред приносит жесткая вода? Как устранить жесткость воды? В чем преимущества синтетических моющих средств (стиральных порошков) перед мылами? В чем их недостатки? В результате реакции этерификации из 150 мл безводной уксусной кислоты (плотность 1 г/мл) получили 200 г этилового эфира уксусной кислоты. Рассчитайте массовую долю выхода продукта реакции от теоретически возможного. Вычислите массу глицерина, которую можно получить из 17,8 кг природного жира, содержащего 97% тристеарата. § 14 Углеводы. Моносахариды в результате фотосинтеза, как вы знаете, из углекислого газа и воды в зеленых растениях образуется глюкоза CgHi2^6' относится к классу органических веществ, называемых углеводами. Углеводы (сахариды) представляют собой конечные продукты фотосинтеза и являются исходными веществами для биосинтеза других органических соединений. https://vk.com/school_ipad При их образовании аккумулируется солнечная энергия, которая преобразуется в химическую и служит источником для процессов биосинтеза, являющихся эндотермическими (вспомните, что это означает). Углеводы есть в клетках всех живых организмов, В животной клетке содержание углеводов составляет 1—2%, а в растительной достигает в некоторых случаях 85—90% от массы сухого вещества клетки. Углеводы получили название по элементному составу их молекул. Эти соединения содержат только химические элементы; углерод, водород и кислород, причем водород и кислород находятся в них, как правило, в таком же соотношении, как и в молекуле воды, —2:1. Отсюда и происходит название класса веществ. Состав большинства углеводов соответствует общей формуле Много углеводов содержат фрукты и овощи. Так, углеводом является свекловичный или тростниковый сахар. Мед почти целиком состоит из углеводов. К ним относят различные виды крахмала, которые входят в состав картофеля и злаков (пшеница, рис, кукуруза, рожь и др.) (рис. 64). Целлюлоза — углевод, который является основной частью древесины. Широко применяемые в ме- Рис. 64. Растения-крахмалоносы: I — батат; 2 — рис; 3 — пшеница; 4 — земляная груша (топинамбур); 5 — кукуруза; 6 — картофель https://vk.com/school_ipad т Рис. 65. Углеводы в жизни человека; 1—3 — продукты питания; 4, 5 — волокна и ткани (хлопчатобумажные 4, льняные 5); 6 — изделия из древесины; 7,8 — бумага и изделия из нее_ t дицине вата и марля почти целиком состоят из целлюлозы. Бумага — это почти чистая целлюлоза. Углеводы используются человеком непосредственно (рис. 65), а также для синтеза ряда лекарственных веществ (глюконовая кислота, аскорбиновая кислота, или витамин С), взрывчатых веществ (нитрат целлюлозы, или пироксилин), искусственных волокон (вискоза, ацетилцеллюлоза, или ацетатное волокно) и других столь необходимых в быту, медицине, сельском хозяйстве и технике веществ и материалов (см. рис. 3). В соответствии с особенностями их строения и свойств углеводы разделяют на три группы: моносахариды, ди-салариды и полисахариды (схема 1). fOS https://vk.com/school_ipad КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕВОДОВ Схема 1 Знакомство с отдельными группами углеводов начнем с моносахаридов. Моносахариды — это углеводы, которые не гидролизуются, т, е, не разлагаются водой. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле их делят на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и др. Наибольшее значение имеют пентозы (молекулы этих моносахаридов содержат пять атомов углерода) и гексозы (содержат шесть атомов углерода). Среди пентоз необходимо назвать рибозу CgHj(,Og и де-зоксирибозу (это рибоза, у которой из молекулы «удален* один атом кислорода). Нетрудно заметить, что формула дезоксирибозы не отвечает общей формуле углеводов. Рибоза и дезоксирибоза играют важную роль в жизнедеятельности организмов. Они, соответственно, входят в состав РНК и ДНК. Рибоза входит также в состав АТФ — важнейшего энергетического вещества клетки, обеспечивающего обмен веществ и энергии в ней. Он протекает согласно схеме АДФ + Н3РО, -Ь 40 кДж > АТФ -ь Н3О. Глюкоза CgHjgOg представляет собой наиболее распространенный и, безусловно, наиболее важный моносахарид — гексозу. Она содержится в соке винограда (отсюда https://vk.com/school_ipad f03U тривиальное название глюкозы — виноградный сахар)^ других ягод и фруктов, является структурным звеном сахарозы, целлюлозы, крахмала. В крови человека (в норме) содержится около 0,1% глюкозы. Глюкоза — это белое кристаллическое вещество сладкого вкуса, хорошо растворимое в воде. Глюкоза может образовывать макромолекулы крахмала, целлюлозы и других полисахаридов. По химическому строению глюкоза относится к многоатомным спиртам, так как содержит пять гидроксильных групп —ОН (вспомните одноатомный этиловый спирт С2Н5ОН и трехатомный спирт глицерин СНд—СН-СН,). ОН I он Кроме гидроксильных групп, молекула глюкозы содержит также и карбонильную группу. Структурную формулу глюкозы условно можно записать так: снд-сн-сн-сн-сн-с; . ' iH i- ‘ он )Н он он Предложенная формула не отражает истинного строения молекулы глюкозы. Каково же оно на самом деле? Благодаря свободному вращению углеродной цепочки относительно простых углерод-углеродных связей, в водном растворе альдегидная группа оказывается сближена с гидроксилом при 5-м атоме углерода. В результате внутримолекулярного присоединения образуются две возможные циклические формы глюкозы. Они представляют собой шестичленный цикл, содержащий атом кислорода. В циклических формах глюкозы пять гидроксильных групп, однако гидроксил при С(1), образованный из альдегидной группы цепной формы, имеет особые свойства. Циклические формы углеводов удобно изображать перспективными формулами Хеуорса (рис. 66). Цикл условно считают плоским и проектируют на плоскость листа под некоторым углом, причем атом кислорода изображают на максимальном удалении справа. Ближняя часть кольца изображается снизу и иногда вы- Ж https://vk.com/school_ipad CHgOH н—c=o 2 I H-C—OH 3| HO—C—H 4| - H-C—OH 5 I H-C—OH e I HgC-OH Нч 4 CHa—OH 5I .C—Оч^ H HO H I3 zl я vc-c^ V I I “ H OH OH OH a .О-глюкоза 6 % Jp- ‘Оч ь \ ж у но^ ч?" 4 2I Н ОН Р-£>-глюкоза Рис, 66, Взаимопревращения циклической и линейной форм молекул глюкозы деляется более жирной линией. Атомы или группы атомов в формулах Хеуорса располагаются над и под плоскостью цикла. Циклические формы глюкозы различаются взаимным положением гидроксильной группы при первом и последнем атомах углерода. Если эти группы находятся по разные стороны цикла, такой изомер называют a-D-глю-коза, если по одну сторону — ^•D-глюкоза (или просто а- или Р-глюкоза). В водном растворе глюкозы присутствуют в равновесии все три формы: цепная и две циклические. В твердом состоянии глюкоза может существовать в одной из двух циклических форм. Глюкоза, как и многоатомный спирт, как вы знаете, взаимодействует со свежеполученным осадком гидроксида меди (II). При этом осадок растворяется и образуется ярко-синий раствор сахарата меди (II). Глюкоза также дает одну из красивейших реакций в химии — реакцию «серебряного зеркала» с аммиачным раствором оксида серебра. Как вы знаете из § 11, эта ре- https://vk.com/school_ipad акция является качественной на альдегиды. Упрощенно уравнение этой реакции можно записать так: /О * СН,-СН-СН-СН-СН-С. + Ag.o I ' I 1 I 1 ' он он он он он глюкоза О СН.-СН-СН-СН-СН-С. I ' 1 I I I ^ОН он + 2Agi. ОН он он он глюконовая кислота Вещества, проявляющие характерные свойства двух разных классов органических соединений, имеют двойственную функцию. Глюкоза является одновременно и многоатомным спиртом, и альдегидом, т. е. алъдеги-доспиртом. Как альдегид, глюкоза вступает в реакцию гидрирования: .^О сн.-сн-сн-сн-сн-с, I ' I I I I он ОН ОН он ОН + н. Ni глюкоза —> СН,—СН-СН—СН-СН—СНзОН. II I 11. ОН ОН ОН он ОН шестиатомный спирт сорбит Для глюкозы характерны также реакции брожения (превращения одних органических соединений в другие, которые осуществляются под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами). Наибольшее значение имеют реакции: а) молочнокислого брожения: Стт г\ молочнокислые бактерии ^ ОГ* U ГЛ gHiaOg ----------------> глюкоза молочная кислота i- 7 — (эта реакция происходит в процессе квашения капусты, силосования кормов); https://vk.com/school_ipad X" дрожжи 1 солод —I— кислота дрожжи (CgHjoOs)^ 1=> С12Н22О11 =^> CeHjgOg с=> С2Н5ОН крахмал мальтоза глюкоза спирт т_____________ кислота______________^ Рис. 67. Схема производства спирта из крахмала б) спиртового брожения: 2С2Н5ОН + 2СО2Т этиловый спирт (эту реакцию широко применяют для производства этилового спирта и в хлебопечении). Схема получения этилового спирта из глюкозы на основе гидролиза крахмала представлена на рисунке 67. Глюкоза — основной источник энергии в клетке. Именно поэтому ее широко используют в лечебных целях (применяют внутрь или вводят внутривенно ослабленным больным). Глюкоза широко используется. Она — исходное вещество для получения различных соединений: этилового спирта, молочной кислоты и др. (рис. 68). Рис. 68. Применение глюкозы: / — производство витамина С (аскорбиновой кислоты); 2, 3 — пищевая промышленность; 4 — получение сорбита https://vk.com/school_ipad f - Рис. 69. Фруктоза в природе: мед, фрукты, ягоды_______ В пищевой промышленности ее применяют в качестве заменителя сахарозы, хотя она и немного менее сладка. Для этой цели обычно используют патоку — сиропообразную массу, получаемую при неполном гидролизе крахмала. При добавлении глюкозы к сахарозе она препятствует ее кристаллизации и потому используется в кондитерском производстве для получения карамели, мармелада, помадки и т. д. Как заменитель сахара для людей, страдающих сахарным диабетом, используют продукт восстановления глюкозы — шестиатомный спирт сорбит. Изомером глюкозы является другой моносахарид — фруктоза CeHjgOg, которая также является веществом с двойственной функцией, но уже кетоспиртом. Ее формулу можно представить следующим образом; СНо-СН-СН-СН-С-СН^ОН. I ОН iH он Он о фруктозу называют плодовым сахаром. Она наряду с глюкозой встречается в соке ягод и фруктов, составляет основную часть пчелиного меда (рис. 69). 1. Моносахариды. 2. Глюкоза — альдегидоспирт. 3. Химические свойства глюкозы: взаимодействие с гидроксидом меди (II), реакция «серебряного зеркала», гидрирования, реакции брожения. 4. Применение глюкозы. 5. Фруктоза. Какие вещества называют углеводами? Почему? Как этот класс органических соединений иллюстрирует идею взаимосвязи органических и неорганических веществ, т. е. единство химической организации материального мира? https://vk.com/school_ipad 2 На какие группы делят углеводы? 3 Что такое моносахариды? На какие группы их делят? ^ Какие признаки положены в основу классификации всех углеводов и какой — в основу классификации моносахаридов? g Почему глюкоза относится к веществам с двойственной функцией? Подтвердите этот тезис рассмотрением химических свойств глюкозы. g Какие свойства глюкозы находят практическое применение? Иллюстрируйте свой ответ уравнениями соответствующих реакций. у группу атомов, определяющую наиболее характерные свойства вещества и его принадлежность к определенному классу органических соединений, называют функциональной. В параграфе речь шла о четырех функциональных группах. Каких? 8 10 11 Кроме глюкозы и фруктозы, имеющих двойственную функцию, в параграфе упоминалось еще одно вещество с такой функцией. Как его называют? Какую формулу оно имеет? Образуйте двойное название, исходя из двойственной функции этого вещества. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: а) углекислый газ--^ глюкоза---> сорбит; б) глюкоза ■—-> глюконовая кислота-^ глюконат натрия (натриевая соль глюконовой кислоты); в) глюкоза--> этиловый спирт---> этилен молочная кислота. Вычислите объем углекислого газа (н. у.), который может образоваться при спиртовом брожении раствора, содержащего 720 г глюкозы. Рассчитайте массу 96%-го этилового спирта, который можно получить в результате этой реакции с выходом продукта, равным 85% от теоретически возможного. к моносахаридам относятся рибоза CjHjqOj и дезоксири-боза Объясните, подчиняется ли формула послед- него вещества общей формуле углеводов. https://vk.com/school_ipad § 15 Дисахариды и полисахариды Наряду с моносахаридами в природе широко распространены и дисахариды. Это всем хорошо известная сахароза {тростниковый или свекловичный сахар), лактоза {молочный сахар), мальтоза {солодовый сахар). Термин «дисахарид» красноречиво говорит о том, что в молекулах этих органических соединений между собой связаны два остатка моносахаридов, которые можно получить гидролизом (разложением водой) молекулы дисахарида. Дисахариды — это углеводы, которые гидролизуются с образованием двух молекул моносахаридов. При образовании молекулы дисахарида происходит отщепление одной молекулы воды: . синтез . ^ моносахарид -f- моносахарид < гидролиз Дисахарид + Н2О или для сахарозы: CeHi20e -I- CgH^2C>6 ^ глюкоза фруктоза — CjgHggOn + Н2О, сахароза поэтому молекулярная формула дисахаридов С^2Н220ц' Как вы уже знаете, образование наиболее известного дисахарида сахарозы происходит в клетках растений под действием ферментов. Однако химики научились осуществлять многие реакции, которые являются частью процессов, происходящих в живой природе. В 1953 г, французским химиком Р. Лемье впервые в лабораторных условиях был осуществлен синтез сахарозы, который современники назвали «покорением Эвереста органической химии». В промышленности сахарозу получают из сока сахарного тростника (содержание 14—16%), сахарной свеклы https://vk.com/school_ipad (16—21%) и некоторых других растений, например канадского клена, земляной груши (рис. 70). Не только сладкоежки, но и любой из вас знает, что сахароза представляет собой кристаллическое хорошо растворимое в воде вещество и имеет сладкий вкус. Тростниковый сахар был известен людям достаточно давно. Родиной сахарного тростника считается Индия. В соке этого растения содержится углевод сахароза, который мы привычно называем сахаром. Белые твердые куски, похожие на камни, использовали не только для придания сладкого вкуса пище, но и как лекарственное средство. Рис. 70. Растения-сахароносы: 1 — земляная груша (топинамбур); 2 — сахарный тростник; 3 ~~ канадский клен; 4 — сахарная свекла https://vk.com/school_ipad ПГ в XII в. сахарный тростник стали возделывать на Сицилии, а в XVI в. он был завезен на Кубу и другие острова Карибского моря. «Главной сладостью* в европейских государствах с давних времен был мед и продукты на его основе. На первых порах сахар был заморской диковинкой и непозволительной роскошью. Потребность в новом продукте резко возросла, когда в европейских странах в моду вошли чай и кофе. Естественно, стали предприниматься многочисленные попытки получения сахара из растений, произрастающих в более холодных климатических условиях Европы. Таким растением оказалась сахарная свекла. Производство сахара из свеклы связано с именем А. Маргтрафа, немецкого химика и металлурга. А. Марг-граф был одним из первых исследователей, который применил в химических исследованиях микроскоп, с помощью которого и обнаружил в 1747 г. кристаллы сахара в свекольном соке. Из молока млекопитающих еще в XVII в, был получен кристаллический молочный- сахар (лактоза). Лактоза менее сладкий дисахарид, чем сахароза. А теперь познакомимся с углеводами более сложного строения — полисахаридами. Термин *полис£1хариды* логично приводит нас к выводу о том, что в молекулах этих углеводов между собой связано множество остатков моносахаридов, в первую очередь глюкозы. Полисахариды — это углеводы, которые гидролизуются с образованием множества молекул моносахаридов. Их относят к биополимерам. Общая схема гидролиза полисахаридов упрощенно может быть представлена так: полисахарид + пН,0 We-‘ глюкоза Сравним строение и свойства двух важнейших представителей полисахаридов — крахмала и целлюлозы. https://vk.com/school_ipad Структурным звеном полимерных цепей этих полисахаридов, формула которых (CgHiQOs)^, являются остатки глюкозы. Чтобы записать состав структурного звена ^^6^ioOs)> необходимо из формулы глюкозы отнять молекулу воды. Крахмал и целлюлоза имеют растительное происхождение и образуются из молекул глюкозы в результате реакции поликонденсации. Для полисахаридов уравнение рюакции поликонденсации и обратного ей процесса гидролиза условно можно записать так: ’ (С,Н,оО,)„ + лН,0. Степень полимеризации макромолекул крахмала (число структурных звеньев в макромолекуле полимера, обозначаемое индексом п в формуле вещества) меньше, чем у целлюлозы. Молекулы крахмала имеют как линейное, так и разветвленное строение, а целлюлозы — только линейное строение. В отличие от целлюлозы, крахмал дает синее окрашивание при взаимодействии с иодом (рис. 71). Это качественная реакция на крахмал. Различны и функции этих полисахаридов в растительной клетке. Крахмал играет роль запасного питательного вещества, а целлюлоза — структурную, строительную. Из целлюлозы построены стенки растительных клеток. Рис. 71. Качественная реакция на крахмал https://vk.com/school_ipad 4i 1 Различно также использование целлюлозы (рис, 72) и крахмала (рис. 73) в промышленности. Образующуюся в результате гидролиза крахмала глюкозу применяют для производства медицинского и пищевого этилового спир- Рис. 72. Применение целлюлозы: 1 — вата, марля и бинты; 2 — пластмасса (целлулоид); 3 — фотопленка; 4 — искусственные волокна и ткани; 5 — клей; 6 — порох; 7 — эмали и лаки; 8 — бумага и изделия из нее__________ https://vk.com/school_ipad Рис. 73. Применение крахмала: 1 — получение патоки; ТТ/л TI vnct V ЖЖ о Т¥ ТШ Г* Л кттжп Ann* Bt- «. О -щ-т ШШ М .в.____ -f.----Л. ЖЖVtl'«J ■2 — подкрахмаливание белья; 3 — приготовление киселей; ' ~ производство этанола; 5 — выпечка кондитерских изделий та, используемого для приготовления ликероводочных изделий и лекарств. Этиловый спирт, полученный из целлюлозы, называют техническим и используют, например, как растворитель при производстве лакокрасочных материалов или для получения синтетических каучуков. Технический спирт не предназначен для питья, он опасен для здоровья. Для того чтобы любители спиртного поостереглись применять его вовнутрь, в такой спирт добавляют специальные предупреждающие цветом и запахом добавки. Такой «помеченный» спирт называют денатуратом. Ежегодно от отравления фальшивой водкой, изготовленной с использованием технического спирта, в стране гибнет 50 000 человек/ 1. Классификация углеводов: моносахариды, дисахариды и полисахариды. 2. Дисахариды; сахароза, лактоза и мальтоза. 3. Полисахариды: крахмал и целлюлоза. 4. Реакция поликонденсации. 5. Качественная реакция на крахмал. https://vk.com/school_ipad 11 I ' [ i 5 6 7 Какие углеводы называют дисахаридами? Назовите представителей этой группы углеводов. Являются ли они изомерами? Почему? Используя дополнительную литературу, подготовьте сообщение о возникновении и развитии производства сахара в России. Сравните крахмал и целлюлозу, т. е. назовите признаки общего и отличного в их составе, строении, свойствах и применении. Почему гликоген называют животным крахмалом? При ответе на этот вопрос используйте свои знания по курсу биологии. Используя знания по курсу биологии, расскажите об углеводном обмене в организме человека. Назовите химические термины-антонимы, характеризующие синтез и распад молекул ди- и полисахаридов? Гидролизом 250 кг древесных опилок, содержание целлюлозы в которых составляет 45%, было получено 62 кг глюкозы. Определите массовую долю выхода глюкозы от теоретически возможного. § 16 Амины. Анилин Помимо углерода, водорода и кислорода в состав молекул органических соединений часто входят атомы такого важного биогенного (био — жизнь, геннао — рождать) элемента, как азот. Именно азотсодержащие органические соединения составляют основу живой природы. Достаточно назвать такие из них, как аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты. Знакомство с азотсодержащими органическими соединениями мы начнем с наиболее простых, а именно — с аминов. Амины — это органические соединения, представляющие собой производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородный радикал. - - 7/6 \ т 1 https://vk.com/school_ipad По числу атомов водорода в молекуле аммиака, замещенных на радикалы, различают первичные (I), вторичные (II) и третичные (III) амины, например: H3C-NH2 метиламин CeH,-NH2 фениламин (анилин) 11 H3C-NH-CH3 диметиламин III H3C-N-CH3 СНз триметиламин Наибольший интерес представляют первичные амины, в молекуле которых имеется функциональная группа —NH2, называемая аминогруппой. Рассмотрим свойства первичных аминов на примере метиламина и анилина. Метиламин CH3NH2 (рис. 74) — бесцветный газ с резким аммиачным запахом, хорошо растворим в воде. В отличие от метиламина, анилин (рис. 75) представляет собой бесцветную жидкость, быстро темнеющую на воздухе вследствие окисления, в воде мало растворим, имеет неприятный запах и очень ядовит. Будучи производными аммиака и имея в составе молекулы аминогруппу, амины весьма сходны с ним по своим химическим свойствам. Подобно аммиаку, они способны присоединять катионы водорода по донорно- М»* Рис. 74. Модель молекулы метиламина: 1 — шаростержневая; 2 — масштабная Рис. 75. Масштабная модель молекулы анилина https://vk.com/school_ipad /7 акцепторному механизму за счет свободной электронной пары атома азота: НзЫ:*^ донор + DH+-акцептор NH4, ион аммония H3CNH2 + ---> H3CNH3, донор акцептор ион метиламмония C6H5NH2 + ПН+ ---> CgHgNHg. донор акцептор ион фениламмония Таким образом, амины представляют собой органические основания. Их характерное химическое свойство заключается во взаимодействии с кислотами с образованием солей: H3CNH2 + НС1 —> [СНзМНзГС!-, или H3CNH2 • HCt, хлорид метиламмония CgHgNHg + НС1 —> [CgHsNHgfCl-, или СбНзКНз* HCL хлорид фениламмония Если сравнить основные свойства аммиака, метиламина и анилина, то их ослабление наблюдается в ряду: NH. , CH,-NH, метиламин NH, аммиак анилин Очевидно, анилин является самым слабым основанием потому, что в его молекуле на аминогруппу оказывает влияние фенильный радикал. Следует ожидать, что и аминогруппа должна оказывать взаимное влияние на фенил в полном соответствии с третьим положением теории химического строения органических соединений. Действительно, анилин, в отличие от бензола, вступает U. гг https://vk.com/school_ipad в реакции бромирования не по одному, а по трем положениям цикла (2, 4 и 6): NH. NHj -I- ЗВг, —+ ЗНВг. Вг 2,4,6-триброманилин Следует подчеркнуть, что анилин также, в отличие от бензола, легко, без нагревания и катализатора вступает в данную реакцию, причем в качестве реагента можно использовать не чистый бром, а бромную воду. Продукт реакции 2,4,6-триброманилин представляет собой белый осадок, поэтому реакция с бромной водой может рассматриваться как качественная на анилин, фенол и родственные соединения. Как и большинство органических веществ, амины горят. При этом образуется не только углекислый газ и вода, но и свободный азот: 4H3CNH2 + 9О2 ^ 4С0а + lOHgO + 2N2. Наибольшее практическое значение из первичных аминов имеет анилин CgH5NH2. Познакомимся с ним подробнее. С древних времен люди использовали природный краситель синего цвета, носящий испанское название индиго. Его получали из особых растений, называемых индигоносными. Высокая цена природного красителя побуждала химиков раскрыть тайну строения этого вещества с целью его дальнейшего промышленного синтеза. В 1840 г. русский химик немецкого происхождения Юлий Федорович Фрицше обнаружил, что при нагревании со щелочью синяя окраска индиго исчезает и образуется вязкая масса коричневого цвета. Тщательно очистив это вещество, Фрицше получил быстро желтеющую на воздухе маслянистую жидкость с характерным запахом и назвал ее анилином (от арабского ап-пИ — синий). Примерно в то же время О. Унфердорбен нагреванием кристаллического индиго получил продукт, названный им кристаллином. Незадолго до этого немецкий химик Фридлиб Фердинанд Рунге в продуктах перегонки каменноугольной смолы открыл вещество. https://vk.com/school_ipad описанное им под названием кианол. В 1841 г. выдающийся русский химик Николай Николаевич Зинин открыл способ восстановления нитробензола до соответствующего ароматического амина — бензидама. Вся эта запутанная история закончилась неожиданным открытием: в 1843 г. А. Гофман пришел к выводу, что бензидам Н. Н. Зинина, кристаллик О. Унфердорбена, анилин Ю. Фрицше и кианол Ф. Рунге — одно и то же вещество. Химики остановились на одном из названий — анилин. Современное производство многочисленных красителей основано на широком использовании производных анилина, поэтому такие красители называют анилиновыми. Кроме производства красителей, анилин широко используют для получения лекарств (сульфаниламидных препаратов), полимерных материалов (анилинофор-мальдегидных смол) и другой продукции химических производств (рис. 76). Получение анилина в промышленных масштабах связано с именем выдающегося русского химика-органика Н. Н, Зинина. В основе этого процесса лежит восстановление нитробензола. Условно реакцию Зинина можно записать следующим образом: CeHjNOg + 6Н ^ CeH^NH^ + 2Н2О. Реакция Зинина дала мощный толчок развитию ряда важнейших отраслей органического синтеза, в частности анилинокрасочной и фармацевтической промышленности. Современник Н. Н. Зинина, А. Гофман, сам внесший огромный вклад в химию азотсодержащих соединений, Рис. 76, Анилин применяется в производстве: 1 — анилиновых красителей; 2 — фотоматериалов; 3 — лекарственных средств https://vk.com/school_ipad Зинин Николай Николаевич (1812—1880) Русский X им и к-органик, академик. Открыл (1842) реакцию восстановления ароматических нитросоединений и получил анилин. Доказал, что амины — основания, способные образовывать соли с различными кислотами. Синтезировал и изучал многие другие органические соединения. по достоинству оценил открытие русского коллеги: «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». 1. Амины. 2. Метиламин. 3. Анилин. 4. Химические свойства аминов: взаимодействие с кислотами, горение. 5. Качественная реакция на анилин. 6. Реакция Зинина. 7. Применение анилина. 1 2 3 4 Какие вещества называют аминами? Какой признак положен в основу классификации аминов? Какая группа атомов в молекуле аминов — радикал или аминогруппа — определяет их основные химические функции — является функциональной для них? Почему амины называют органическими основаниями? Рассмотрите взаимное влияние атомов в молекулах органических веществ на примере анилина. Что общего между взаимным влиянием атомов в молекулах анилина и фенола? е Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: карбонат кальция--^ оксид кальция---> --> карбид кальция---у ацетилен--> бензол --> --» нитробензол---> анилин--> триброманилин. 6 Назовите основные области применения анилина. https://vk.com/school_ipad 'Л 8 Смесь газов объемом 6 л (н, у.), содержащую метиламин, сожгли, при этом получили 2,24 л азота (н. у.). Определите объемную долю метиламина в исходной смеси. Вычислите массу бромной воды с массовой долей брома 2%, которая потребуется ,цля полного взаимодействия со 186 г 1%-го раствора анилина. § 17 Аминокислоты. Белки Подобно тому как молекулы глюкозы являются «кирпичиками» природных полимеров — полисахаридов, для молекул другого важнейшего природного биополимера — белков в роли таких «кирпичиков» выступают аминокислоты. Какие функциональные группы входят в состав молекул аминокислот, исходя из общего названия этих соединений? Конечно, это карбоксильная группа —СООН, определяющая кислотные свойства этих соединений, и аминогруппа —NHg, определяющая их основные свойства. Вспомните, как называют вещества, которые проявляют как кислотные, так и основные свойства. Это амфотерные соединения. Следовательно, аминокислО' ты — это амфотерные органические соединения. Попробуем вывести общую формулу аминокислот. Разумеется, общая формула должна содержать знак радикала R. Так как в состав молекул аминокислот входят карбоксильная группа, аминогруппа и радикал, которые соединены с одним и тем же атомом углерода, то вывести общую формулу аминокислот не составит большого труда: .О H,N-CH-^ I R У' он Аминокислоты можно рассматривать как производные карбоновых кислот, у которых атом водорода в радикале замещен на аминогруппу, например из уксусной кислоты можно произвести аминоуксуснуго кислоту (ее также называют глицином); H^N—cHg-c:^ он fSS https://vk.com/school_ipad в качестве еще одного примера аминокислот можно привести формулу аланина (аминопропионовая кислота, или 2-аминопропановая кислота): 2 I/O H„N-CH-Cf . " I ^ОН СН, Попробуйте сами определить, как образуются названия аминокислот, В зависимости от взаимного расположения функциональных групп (карбоксильной и аминогруппы) в углеводородной цепи различают а-, р-, у- и т. д. аминокислоты. Обозначение атомов углерода при этом начинают с углерода, ближнего к карбоксильной группе. За основу названия берется название соответствующей карбоновой кислоты: 7 р « ^0 Р а ^0 CH,-CH,-CH-Ct , 1 ^он СН^ -CH„-Ct^ 1 ^он NH^ NH2 а-аминомаслякая кислота Р-аминопропионовая кислота Наибольшее значение имеют а-аминокислоты, поскольку только они встречаются в природе и служат исходными веществами для синтеза белков в живых организмах. У всех а-аминокислот, кроме аминоуксусной кислоты, или глицина, HgN—CHg—СООН, а-углеродный атом имеет четыре различных заместителя, т. е. является асимметрическим, или хиральным. Следовательно, для каждой аминокислоты возможно существование двух оптических изомеров: СООН I HaN-C-H. I R СООН I H-C-NHp, I R D-аминокислота i-аминокислота В природе встречаются только L-аминокислоты. https://vk.com/school_ipad Две конфигурации одной аминокислоты — L- и D- — обладают по отношению друг к другу зеркальной симметрией, поэтому естественно считать их энергетически равноценными. Однако нарушение идентичности этих форм на атомном уровне приводит к небольшому энергетическому различию, например для L- и О-аланина — порядка 10“^’^ кДж/моль. Эта очень маленькая разница в энергиях оказывается ощутимой в геологическом масштабе времени. У природы было достаточно времени, чтобы избавиться от термодинамически менее стабильных а-D-a минокисл от. Поэтому в природе встречаются а-аминокислоты L-типа. Это очень поучительный пример естественного отбора на молекулярном уровне. Великому физику А. Эйнштейну даже приписывают фразу: «Белки всех существующих организмов состоят из левых а-аминокислот просто потому, что они выиграли сражение у правых». В природе обнаружено несколько десятков аминокислот. Некоторые же из аминокислот синтезированы человеком, поэтому аминокислоты можно разделить на две группы: • природные (обнаруженные в живых организмах): • синтетические. Среди природных аминокислот выделяют протеиногенные, т. е. рождающие белки. Их около 20, Примерно половина из них относится к незаменимым аминокислотам, так как они не синтезируются в организме человека. В организм такие аминокислоты поступают с пищей. Если их количество в ней будет недостаточным, то нормальное развитие и функционирование организма человека нарушается. При отдельных заболеваниях человеческий организм становится не в состоянии синтезировать и некоторые другие аминокислоты. Так, при фенилкетонурии не синтезируется тирозин. Аминокислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества, плавящиеся с разложением при температуре выше 200 “С. Они растворимы в воде и в зависимости от состава радикала могут быть сладкими, горькими или безвкусными. https://vk.com/school_ipad Аминокислоты, как амфотерные соединения, сочетают свойства карбоновых кислот и органических оснований. Как кислоты, они взаимодействуют с основаниями, образуя соль и воду: HaN-CH-COOH + NaOH ' I R HaN-CH-COONa + HgO. R натриевая соль аминокислоты Как карбоновые кислоты, они взаимодействуют со спиртами, образуя сложные эфиры: HaN-CH-COOH + HOR' I R H2N-CH-COOR' + Н2О. I R сложный эфир аминокислоты Как основания, аминокислоты реагируют с кислотами, образуя соли: HaN^CH-COOH -I- НС1 ^ I R H3N-CH-COOH " I R +С1-. хлороводородная соль аминокислоты Важнейшим свойством аминокислот является их способность вступать в реакцию поликонденсации друг с другом: НО Н I II I О . H-N-CH-C-OH -I- H-rN-CH-C-OH -Ь I ^-------I R R' Н ОН О I II I II ..._n-ch-c-n-ch-c-... . R R' https://vk.com/school_ipad о н Связь —С—N—, образующуюся между остатком —NH— аминогруппы одной молекулы аминокислоты и остатком —СО— карбоксильной группы другой молекулы аминокислоты, называют пептидной связью. Пептидная связь повторяется в полимере много раз, поэтому полимер соответственно называют полипептидом. Реакция поликонденсации аминокислот имеет не только большое биологическое значение (она лежит в основе биосинтеза белков), но также и важное народнохозяйственное значение. Аминокислоты и их производные используют многие отрасли промышленности: пищевая, медицинская, микробиологическая, химическая. В 1806 г. французские химики Луи Никола Воклен и Пьер Жан Робике исследовали состав сока некоторых растений. Из сока спаржи им удалось выделить белое кристаллическое вещество, названное ими аспарагином (от греческого названия спаржи — asparagus). Это была первая аминокислота, выделенная химиками из природных объектов. В 1848 г. итальянец Рафаэль Пи-риа обнаружил, что гидролизом аспарагина можно получить аспарагиновую кислоту: H,N-C-CH,-CH-COOH + Н,0 О NH. аспарагин НО-С-СН2-СН-СООН -I- NH3. О NHo аспарагиновая кислота В живых организмах аспарагиновая кислота, напротив, связывает токсичный аммиак, превращаясь в аспарагин. Из белка, содержащегося в зернах пшеницы, была выделена очень похожая по строению на аспарагиновую кислота, названная глутаминовой (от лат, gluten — i fS6 https://vk.com/school_ipad I I М I клейковина). В значительных количествах она содержится в мозге, сердечной мышце и плазме крови. Она также способна взаимодействовать с аммиаком, превращаясь в амид — глутамин: НО-С-СН2-СН2-СН-СООН + NHg О NH, глутаминовая кислота ^ H2N-C-CH2-CH2-CH-COOH + Н2О. О NH, глутамин Это свойство глутаминовой кислоты используют при лечении некоторых заболеваний (шизофрении, эпилепсии). Еще одно неожиданное свойство аминокислот. Предприимчивые японцы давно заметили, что добавление в пищу приправы из сушеных водорослей усиливает ее вкус и аромат. В 1909 г. японский ученый К. Икеда выяснил, что причина такого действия приправы кроется в содержащихся в водорослях глутаминовой кислоте и ее солях. К. Икеда запатентовал свое открытие, и теперь во всем мире в качестве пищевых добавок, усиливающих вкус и аромат продукта, используют глутаминовую кислоту (Е620), глутаминат натрия (Е621, часто называют глютамат натрия) и глутаминаты других металлов (Е622—Е625). Ссылки на эти вещества легко найти, например, на баночке мясного паштета. Для тех же целей применяют глицин (Е640) и лейцин (Е641). Аминокислоты и их производные используют в качестве лекарственных средств в медицине. В аптеке можно купить глицин в таблетках. Этот препарат оказывает укрепляющее действие на организм и стимулирует работу мозга. Производимый в больших количествах лизин и метионин используют как добавку в рацион сельскохозяйственных животных. Существует около 20 протеиногенных аминокислот, а белков (протеинов) — великое множество. Каждый живой организм на Земле имеет свой собственный неповторимый набор белков, который лишь иногда бывает сходен у близких родственников или одинаков у однояй- https://vk.com/school_ipad fzn I I . ГГ" '111 цевых (идентичных) близнецов. Почему 20 аминокислот образуют бесчисленное белковое разнообразие? Чтобы понять, как это происходит, вспомните, что 33 буквы русского алфавита образуют все огромное многообразие слов. Еще более красноречив другой пример: в азбуке Морзе знаков только два, и тем не менее с их помощью можно передать весь словарный запас человечества. Очевидно, вы поняли, что это многообразие определяется различной комбинацией букв или знаков. Аналогично и в молекулах белков порядок чередования остатков аминокислот в полипептидной цепи определяет структуру белка. Эту структуру называют первичной. Помимо первичной структуры, белковые молекулы лм.еют вторичную и третичную стрг/ктг/ры, характеристика которых дана в таблице 4. Большая заслуга в расшифровке структур белковых молекул принадлежит немецкому химику-органику Э. Г. Фишеру и русскому биохимику А. Я. Данилевскому. Рассмотрим химические свойства белков. При нагревании, под действием сильных кислот или оснований, солей тяжелых металлов и некоторых других реагентов происходит необратимое осаждение (свертывание) белков, называемое денатурацией. Легкость денатурации многих белков очень затрудняет их изучение. При денатурации происходят изменения во вторичной и третичной структурах белка, а первичная структура сохраняется. При этом их биологические функции полностью теряются. Фишер Эмиль Герман (1852—1919) Немецкий химик-органик и биохимик. Лауреат Нобелевской премии (1902). Научные работы посвящены химии углеводов, белков. Синтезировал ряд физиологически активных веществ. Внедрил в синтез химических соединений биокатализаторы — ферменты. Заслугой его является создание научной школы химиков-органи-ков. https://vk.com/school_ipad ХАРАКТЕРИСТИКА ТРЕХ СТРУКТУР БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ Таблица 4 Структура белковой молекулы Характеристика структуры Тип связи, определяющий структуру графическое изображение Первичная — линейная Порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи — линейная структура Пептидная связь —NH—СО— Вторичная — спиралевидная Закручивание полипептидной линейной цепи в спираль — спиралевидная структура Внутримоле- кулярные водородные связи CO..nN Ca.JiN juua ТретиЧ' нал — глобулярная Упаковка вторичной спирали в клубок — клубочко-видная структура Дисульфид-кые и ион* ные связи Денатурация имеет не только отрицательные стороны. Вспомните хотя бы сваренные вкрутую яйца (свертывание белка). Похожим образом сворачивается белок Данилевский Александр Яковлевич (1838—1923) Русский биохимик. Один из основоположников отечественной биохимии, Работал в области химии ферментов и белков. В 1888 г. предложил теорию строения белковой молекулы. Экспериментально доказал, что под действием сока поджелудочной железы белки подвергаются гидролизу. https://vk.com/school_ipad молока — казеин (так получают творог, богатый белком пищевой продукт). Большинство белков свертывается при температуре до 100 Именно поэтому все живое гибнет в огне, практически все — при кипячении в воде. В привычной для нас форме невозможна жизнь на «горячих» планетах Солнечной системы — Меркурии и Венере. Под действием ферментов, а также водных растворов кислот или щелочей происходит разрушение первичной структуры белка в результате его гидролиза по пептидным связям. Гидролиз приводит к образованию более простых белков и аминокислот. белки гидролиз пол и конденсации -*■ аминокислоты. Гидролиз — основа процесса пищеварения. В организм человека ежедневно должно поступать с пищей 60—-80 г белка. В желудке под действием ферментов (из группы пептидаз) и соляной кислоты белковые молекулы распадаются на «кирпичики»-аминокислоты. Попадая в кровь, они разносятся по всем клеткам организма, где участвуют в строительстве собственных белковых молекул, свойственных только данному виду. Белки дают две качественные реакции. Биуретовая реакция. При действии на белки свежеполученного осадка гидроксида меди (II) в щелочной среде возникает фиолетовое окрашивание (рис. 77). Ксантопротеиновая реакция. При действии на белки концентрированной азотной кислотой образуется белый осадок, который при нагревании желтеет, а при Рис. 77. Биуретовая реакция ±_[fS6 _ _ I 1 1 https://vk.com/school_ipad V-У Рис. 78. К сан топ роте и новая реакция добавлении водного раствора аммиака становится оранжевым (рис. 78). Качественное определение серы в белках. При горении белков ощущается характерный запах «жженого рога». В этом легко убедиться, если поджечь шерстяную нитку или пучок волос. В значительной степени этот запах определяется содержанием в белках серы. Рассмотрим биологическое значение белков. Ферментативная функция. Большинство химических реакций в организме протекают в присутствии биологических катализаторов — ферментов, имеющих белковую природу. По сравнению с химическими катализаторами ферменты обладают уникальной активностью (увеличивают скорости реакций в миллиарды раз) и селективностью (каждый фермент катализирует одну реакцию или один тип превращений). В организме человека обнаружено более 2000 ферментов. Этим биологически активным веществам будет посвящен отдельный параграф учебника. Транспортная функция. Белковые молекулы осуществляют перенос других молекул или ионов по тканям и органам. Важнейшим транспортным белком является гемоглобин крови, который переносит кислород. Структурная функция. Белки — это строительный материал почти всех тканей: мышечных, опорных, покровных. https://vk.com/school_ipad 'ЯЩ Защитная функция. Особые белки — антитела (своеобразные «наручники» для проникающих в клетку *преступников»-бактерий, так как эти белки склеивают бактерии) и антитоксины (белки, которые нейтрализуют яды, образующиеся в результате жизнедеятельности бактерий) определяют такое защитное свойство организмов, как иммунитет. Сигнальная функция. Белки-рецепторы воспринимают и передают сигналы, поступившие от соседних клеток или окружающей среды. Например, действие света на сетчатку глаза воспринимается фоторецептором родопсином, имеющим белковую природу. Запасающая, или энергетическая, функция. Эту функцию в клетках живых организмов выполняют особые белки, например белки семян бобовых растений и яйцеклетки животных организмов. Они служат строительным материалом и обеспечивают энергией развитие новых организмов. Белки могут превращаться в жиры и углеводы, но те, в свою очередь, превращаться в белки не могут (подумайте почему). Поэтому белковое голодание особенно опасно для живого организма. Поскольку физиологическая роль белков столь велика, они являются необходимой составной частью пищр1. При переваривании в желудочно-кишечном тракте органических соединений, входящих в состав пищевых продуктов, выделяется энергия. Энергетическая ценность белковой пищи невелика и уступает жирам и углеводам. Однако белки единственный источник незаменимых аминокислот в организме. Недостаток белка в пище вызывает тяжелые заболевания. Результат несбалансированного питания — плохое самочувствие, истощение, быстрая утомляемость. Самые лучшие сорта пшеницы, и новые, которыми гордятся наши селекционеры, и старые, создавшие славу русскому хлебу, отличаются как раз высоким содержанием и уникальным составом белков. Наиболее богаты белком мясо, рыба, молочные продукты, яйца и некоторые зернобобовые продукты. В сутки человеку необходимо потреблять такое количество пищи, которое дает 1500—2000 килокалорий энергии. В настоящее время контроль за этой цифрой установили для себя многие: спортсмены, артисты, мод- ^fS£ https://vk.com/school_ipad ницы, люди, страдающие различными заболеваниями или избыточным весом. Поэтому на этикетках пищевых продуктов часто указана их энергетическая ценность, А если это продукты без упаковки? Или наши кулинарные способности позволяют приготовить из набора продуктов новое блюдо? Существует несметное число таблиц и памяток, позволяющих рассчитать число «съеденных» калорий. Краткая выдержка из них представлена в таблице 5. Большая часть полученной энергии расходуется на совершение работы, остальная часть — на протекание эндотермических реакций в организме и поддержание температуры тела. Около 55 ккал в час расходуется, когда мы спим, 75 — когда сидим, 200 — когда ходим, 500 — когда поднимаемся или спускаемся по лестнице. Мы уже говорили о том, что белки в живом организме «собираются» из аминокислот. «Инструкция по сборке» зашифрована еще в одном виде природных биополимеров — молекулах ДНК, о которых и пойдет речь в следующем параграфе. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ НЕКОТОРЫХ ПРОДУКТОВ Таблица 5 Продукт Энергетическая ценность 100 г продукта, ккал Салат «Оливье» 300 Судак 80 Селедка 200 Ножка курицы 130 Ножка гуся 340 Филе телятины 90 Филе свинины 600 Торт «Наполеон» 540 Шоколадная конфета, 1 шт. 80 https://vk.com/school_ipad !Ш 2 3 5 6 7 8 9 10 11 i 1, Аминокислоты. 2. Химические свойства аминокислот: взаимодействие с кислотами, основаниями, спиртами, реакция поликонденсации, 3. Пептидная связь. 4. Применение аминокислот. 5. Белки, их структура. 6. Химические свойства белков: денатурация, гидролиз, качественные реакции (ксан-топротеиновая и биуретовая, качественное определение серы в белках). 7. Биологические функции белков. Какие вещества называют аминокислотами, а какие — белками? Что общего между этими классами органических соединений? Почему аминокислоты — амфотерные органические соединения? На основе примеров, приведенных в параграфе, попробуйте предложить способ образования названий аминокислот. Какими свойствами обладают аминокислоты? Напишите уравнения реакций, характеризующих химические свойства аланина. Назовите области применения аминокислот. Охарактеризуйте три структуры белка. Какие химические свойства характерны для белков? Что такое денатурация? Какие внешние факторы могут вызвать ее? Как с помощью одного и того же реактива распознать растворы трех веществ: белка, глюкозы и глицерина? Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: этан гид - этилен---> этиловый спирт--^ уксусный альде- —* уксусная кислота — аминоуксусная кислота хлоруксусная кислота —^ полипептид. Вычислите массу соли, которую можно получить при взаимодействии 150 г 5% -го раствора амияоуксусной кислоты с необходимым количеством гидроксида натрия. Сколько граммов 12%-го раствора щелочи потребуется для реакции? https://vk.com/school_ipad § 18 Нуклеиновые кислоты Важнейшими природными полимерами, обеспечивающими передачу наследственных свойств организмов, являются нуклеиновые кислоты. Свое название они получили от слова nucleus -— «ядро», т. е. их можно назвать «ядерными кислотами». Различают два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые {ДНК) и рибонуклеиновые (РНК), ДНК и РНК — это природные биополимеры построенные остатками нуклеотидов, т. е линуклеотиды. [еры, I по- I Что представляет собой нуклеотид? Это трехзвенное соединение, состоящее из азотистого основания, связанного с углеводом (пентозой) и остатком фосфорной кислоты. Схематично строение нуклеотида можно представить так: фосфорная кислота пентоза азотистое основание Подобно белкам, нуклеиновые кислоты имеют различные структуры. Первичная структура РНК и ДНК определяется порядком чередования нуклеотидов в полимерной цепи. В полимерной цепи каждой нуклеиновой кислоты этот порядок определяется всего лишь четырьмя видами нуклеотидов, которые, в свою очередь, отличаются друг от друга природой азотистого основания. Так, в состав ДНК входят нуклеотиды, имеющие в своем составе следующие четыре азотистых основания; аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). В состав нуклеотидов РНК входят также четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), урацил (У) и цитозин (Ц). (Найдите отличие РНК и ДНК по входящим в их состав азотистым основаниям.) https://vk.com/school_ipad iTL Второе отличие ДНК от РНК вы также без труда назовете сами; в качестве углевода пентозы нуклеотид ДНК содержит дезоксирибоау, а РНК — ри-бозу. Кроме разного строения нуклеотидов, ДНК и РНК отличаются также и вторичной структурой. За исследования в определении этой структуры два американских биохимика Дж, Уотсон и Ф. Крик были удостоены Нобелевской премии. РНК представляет собой одинарную цепь полимера, а ДНК — двойную. Двойная спираль ДНК построена в строгом соответствии с принципом комплементарности: против адени-нового нуклеотида одной цепи всегда располагается тиминовый другой полимерной цепи, против гуанинового — всегда цитозиновый. Этот порядок обусловлен возникновением водородных связей между комплементарными (дополняющими друг друга) нуклеоти-_________ дами (рис. 79). Еще одно отличие ДНК от РНК состоит в их локализации в частях клетки. Так, ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99% всей ДНК клетки), а также митохондриях и хлоропластах. РНК же входит в состав ядрышек, рибосом, митохондрий, пластид и цитоплазмы. Нуклеиновые кислоты различаются также числом нуклеотидов: от 80 нуклеотидов в молекулах транспортных РНК до нескольких десятков тысяч в ДНК. ДНК — главная молекула в живом организме. Она хранит генетическую информацию, которая передается от одного поколения к другому. В молекулах ДНК в закодированном виде записан состав всех белков организма. Каждой аминокислоте, входящей в состав белка, соответствует свой код в ДНК — определенная последовательность из трех азотистых оснований (кодон). ДНК содержит всю генетическую информацию, но непосредственно в синтезе белка не участвует. Роль посред- Рис. 79. У часток двойной спирали ДНК https://vk.com/school_ipad ника между ДНК и местом синтеза белка выполняет иРНК. Процесс синтеза белка на основе генетической информации схематично можно разбить на две основные стадии: считывание информации {транскрипция) и синтез белка {трансляция): ДНК транскрипция РНК трансляция -> белок. Замечательным свойством молекулы ДНК является возможность ее самоудвоения, называемого репликацией. Под действием внешних факторов водородные связи между комплементарными основаниями разрываются, и спираль начинает раскручиваться. Параллельно этому каждая «обзаводится* второй комплементарной нитью, синтезируемой из подходящих нуклеотидов (рис. 80). В результате репли- кации образуются две абсолютно одинаковые молекулы ДНК. В каждой из них одна полинуклеотидная цепочка взята от исходной ДНК, а вторая образовалась в результате биосинтеза. Клетки содержат три типа РНК, выполняющие различные функции. Рибосомные РНК {рРНК) составляют до 85% всей РНК клетки. Они входят в состав рибосом и выполняют структурную функцию. Кроме этого, рРНК участвуют в формировании активного центра рибосомы, где происходит образование пептидных связей между молекулами аминокислот в процессе биосинтеза белка. Рис. 80. Схема репликации ДНК. Верхняя часть спирали — старая ДНК, нижняя часть — две новые молекулы https://vk.com/school_ipad (h Ш: Информационные, или матричные, РНК {иРНК) программируют синтез белков молекулы. Несмотря на относительно низкое процентное содержание (около 5%) в общей массе РНК клетки, иРНК по значению стоят на первом месте. Они осуществляют непосредственную передачу кода ДНК к месту синтеза белков. При этом каждый белок клетки кодируется своей специфической иРНК. Это обусловлено тем, что иРНК получает во время своего синтеза информацию о структуре белка от ДНК в форме скопированной последовательности нуклеотидов и переносит ее на рибосомы, где эта информация реализуется. Символом тРНК обозначают транспортную РНК. Низкомолекулярные транспортные РНК (тРНК) составляют примерно 10% от всех клеточных РНК. Каждая тРНК присоединяет и переносит определенную аминокислоту к рибосомам — месту синтеза белка. Следовательно, в соответствии с 20 видами аминокислот существует и 20 различных тРНК. Таким образом, значение всех видов РНК определяется тем, что они представляют собой функционально объединенную систему, направленную на осуществление в клетке синтеза специфических для нее белков. Генетический код иРНК был расшифрован в бО-х гг. XX в. Его особенность состоит в том, что он универсален для всех живых организмов от вирусов до человека. Одинаковым тройкам оснований в различных РНК соответствуют одинаковые аминокислоты. Эта универсальность служит одним из доказательств единого происхождения всего живого на Земле. Существует мнение, что процесс биологического старения вызывается тем, что генетическая информация при воспроизведении ДНК и белковом синтезе во все возрастающей мере передается с ошибками. Расшифровка генетического кода позволит в перспективе управлять биохимическими процессами в живых организмах, поскольку уже разработаны химические методы синтеза нуклеиновых кислот с заданной последовательностью нуклеотидов. Знание механизма биосинтеза белка в живой клетке и принципа передачи наследственных свойств организмов привело к возникновению и бурному развитию таких на- \t3i https://vk.com/school_ipad правлений современной биоорганической химии, как генная инженерия и биотехнология. Каждая клетка в организме человека содержит полный набор генов. В ДНК, например, имеется ген, который отвечает за синтез инсулина. Однако «включается» этот ген только в особых клетках поджелудочной железы, которые продуцируют этот гормон. Инсулин — важнейший препарат, используемый для лечения сахарного диабета. Задача искусственного получения этого гормона белковой природы была решена в 80-х гг. XX в. Первым из предложенных путей получения инсулина был следующий. Предлагалось взять клетки поджелудочной железы, вырастить колонию таких клеток, обеспечить их необходимыми аминокислотами в качестве «строительного материала» для построения цепочки инсулина, а затем выделить готовый продукт. К сожалению, в настоящее время этот путь реализовать сложно в отношении человеческих клеток. Однако технология выращивания других, более грубых типов клеток, в особенности клеток бактерий и дрожжей, хорошо разработана. Бактерии применяют при получении таких веществ, как молочная и лимонная кислоты. Пивовары на протяжении тысячелетий используют дрожжи для превращения сахаров в этанол. Относительно недавно стали производить в биореакторах такие лекарственные вещества, как пенициллин и окситетрациклин, используя плесневые грибки. Процесс получения различных веществ и продуктов с применением ферментов клеточных структур называют биотехнологией. В последние годы ученые научились встраивать гены высших организмов, в том числе человека, в клетки бактерий или дрожжей. Эти клетки можно использовать затем для синтеза белков. Подобным образом удалось заставить «работать» ген инсулина. Человеческий инсулин был впервые получен с помощью бактерий Е. coli и стал доступен в 1982 г. Позднее для этой цели были использованы клетки дрожжей, которые больше похожи на клетки человека. https://vk.com/school_ipad Т39 И Извлечение генов из клеток организмов одного типа и вживление их в клетки организмов другого типа называют генной инженерией или технологией рекомбинантных ДНК. им If -TrtX Такие белки, как инсулин, человеческий гормон роста соматотропин и фактор VIII (или коагулирующий фактор — вызывает свертывание крови, применяют при гемофилии), — это продукты генной инженерии. Важнейшее преимущество этих препаратов состоит в том, что они дешевле и чище, чем вещества, полученные традиционным путем. Например, произведенный методом генной инженерии фактор VIII исключает риск заболевания СПИДом, который существует, когда препарат готовят из донорской крови. Применение и тем более потенциальные возможности генной инженерии простираются гораздо дальше получения медицинских препаратов. Иммунная система человека защищает его от вирусной инфекции, распознавая слой белка в оболочке вируса. Если методом генной инженерии произвести только этот белок (без опасного содержимого — вируса) и сделать инъекцию, то препарат будет работать как вакцина. Вакцина против гепатита В получена и действует именно таким образом. Предприятия и организации по защите окружающей среды могут широко использовать модифицированные бактерии и грибы, которые преобразуют потенциально вредные соединения в безвредные. Составив генетический набор из нескольких бактерий, можно получить, например, новые «нефтепожирающие супермикробы». Бактерии выбраны для этой цели потому, что в их обмене веществ используются разные компоненты сырой нефти. Если приготовить комбинацию из соответствующих генов всех бактерий, то бактерия — носитель этой комбинации — сможет разлагать все соединения, содержащиеся в сырой нефти. Для борьбы с сорняками и вредителями растений методами генной инженерии используют два подхода. Во-первых, гены, определяющие устойчивость растений к действию пестицидов и гербицидов, транспланти- I https://vk.com/school_ipad руют в штаммы сельскохозяйственных культур. При обработке полей соответствующими препаратами вредители и сорняки уничтожаются без ущерба для культурных растений. Во-вторых, некоторые растения производят свои собственные пестициды. Гены, отвечающие за продуцирование токсичных для вредных насекомых белков, вводят в клетки томатов или зерновых. Это уменьшает потребность в искусственных пестицидах. С помощью генной инженерии проводят селекцию сельскохозяйственных культур. Гены, ускоряющие фотосинтез или увеличивающие устойчивость к засухе, могут быть встроены в клетки растений с целью сделать эти растения пригодными для выращивания в менее солнечных или более засушливых местностях. Дальнейшее развитие этой технологии может расширить область ее применения, распространив ее на гены, отвечающие, например, за связывание атмосферного азота, что позволит уменьшить потребность в минеральных удобрениях. 1. Рибонуклеиновые кислоты РНК и дезоксирибонуклеиновые кислоты ДНК. 2. Нуклеотиды, полинуклеотиды. 3. Функции РНК и ДНК. 4. Биотехнология. 5. Генная инженерия. 1 2 3 4 5 Какие соединения называют нуклеиновыми кислотами? Какие типы нуклеиновых кислот вы знаете? Как устроен нуклеотид? Сравните строение нуклеотидов ДНК и РНК. Сравните строение, локализацию в клетках и функции РНК и ДНК. Какие разновидности РНК вы знаете? Какую роль играет каждый вид РНК в биосинтезе белка? Приведите доказательства единства организации всего живого на Земле, начиная с рассмотрения химического состава клеток до высших биополимеров — нуклеиновых кислот. https://vk.com/school_ipad 6 7 8 9 10 Дана последовательность нуклеотидов на участке одной из полимерных цепей ДНК: А—Ц—Г—Г—Т—А—А—Ц—Г—Т. Определите последовательность нуклеотидов на комплементарном участке второй цепи. Что такое биотехнология? Приготовьте сообщение о возникновении и развитии этого направления в современной науке. Что такое генная инженерия? Приготовьте сообщение об успехах современной генной инженерии. Что такое трансгенные формы организмов? Как вы считаете, безопасно ли использование в пищу трансгенных или генетически модифицированных продуктов? Умеете ли вы различать трансгенную пищевую продукцию по информации на упаковках? Выдающимся достижением науки последних лет считается расшифровка генома человека. Что вы знаете об этом? Приготовьте сообщение на эту тему. § 19 Ферменты с этими биологически активными веществами вы встречались не раз: и в курсе химии 8 класса, когда знакомились с ферментативным катализом, и в курсе биологии 9 класса, изучая пищеварительные ферменты. Поэтому определение понятия «ферменты» вам уже известно. Итак, повторим. Ферменты, или энзимы, — это органические катализаторы белковой природы, которые ускоряют реакции, необходимые для функционирования живых организмов. Сейчас химикам известно более 2000 ферментов. Все они обладают рядом специфических свойств, отличающих их от неорганических катализаторов. Понятно, что, будучи по своей природе белками, ферменты должны иметь большие значения относительной молекулярной массы. Действительно, она может колебаться в пределах от 10^ до 10^. https://vk.com/school_ipad Каждый фермент ускоряет только одну какую-либо реакцию или группу однотипных реакций. Эту их особенность называют селективностью (избирательностью действия). Она позволяет организму быстро и точно выполнить четкую программу синтеза нужных ему соединений на основе молекул, содержащихся в пище, или продуктов их превращений. Располагая большим набором ферментов, клетка разлагает молекулы белков, жиров и углеводов до небольших фрагментов (аминокислот, глицерина и жирных кислот, моносахаридов соответственно) и из них заново строит белковые и иные молекулы, которые будут точно соответствовать потребностям данного организма. Недаром великий русский физиолог, нобелевский лауреат И. П. Павлов назвал ферменты носителями жизни. Специфичность, или избирательность, ферментов столь велика, что их сравнивают с ключом, который подходит только к одному замку. Ферменты, как правило, ускоряют однотипные реакции, и лишь немногие из них действуют только на одну-единственную реакцию. В процессах обмена веществ, протекающих в живых организмах с помощью ферментов, большое значение имеет оптическая изомерия. Как вам известно из курса биологии, эти процессы идут при помощи белков-ферментов, молекулы которых хиральны. И так же, как нельзя натянуть левую перчатку на правую руку, так же невозможно заставить работать ферменты, если конфигурация катализируемого им оптического изомера не соответствует конфигурации активного центра фермента, а потому контакт между ними невозможен. Этим и объясняется тот факт, что в живой природе хиральные соединения представлены, как правило, одной формой. На основании такого рода наблюдений Луи Пастер еще в 1860 г. подчеркивал: «Асимметрия молекулярного строения, быть может, образует единственную четкую границу, разделяющую химию живой и неживой природы^. Большинство ферментов обладает очень высокой эффективностью. Скорость некоторых ферментативных реакций может быть в 10^^ раз больше скорости реакций, протекающих в их отсутствие. Такая высокая эффективность ферментов объясняется тем, что их молекулы в процессе «работы» очень быстро восстанавливаются https://vk.com/school_ipad f4S (регенерируют). Типичная молекула фермента может регенерировать миллионы раз за минуту, например широко используемый в сыроделии фермент реннин способен вызывать коагуляцию (свертывание) белков молока в количествах, в миллионы раз превышающих его собственную массу. Этот фермент вырабатывается слизистой оболочкой особого отдела желудка жвачных животных — сычуга. Многие ферменты обладают наибольшей эффективностью при температуре человеческого тела, т. е. приблизительно при 37 °С. Человек погибает, когда его температура ниже 35 “С и выше 42 “С, не столько из-за того, что его убила болезнь, а в первую очередь из-за того, что перестают действовать ферменты, а следовательно, прекращаются обменные процессы, которые и определяют сам процесс жизни. ЗНАЧЕНИЯ pH ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ Таблица 6 Среда Значение pH Возможные отклонения Желудочный сок 1.7 0,9—2.0 Желчь печеночная 7,4 6,2—8,5 Желчь пузырная 6,8 5,6—8,0 Кровь (плазма) 7,4 7,25—7,44 Моча 5,8 5,0—6,5 Пот 7,4 4,2—7,8 Слезная жидкость 7,7 7,6-7,8 Слюна 6,8 5,6—7,9 Спинномозговая жидкость 7,6 7,4-7,8 Сок верхнего отдела толстого кишечника 6,1 Сок поджелудочной железы 8,8 8,6—9,0 Сок тонкого кишечника 6,5 5Д-7,1 https://vk.com/school_ipad Ферменты наиболее эффективно действуют на биохимическую реакцию при строго определенной среде раствора, при определенных значениях так называемого водородного показателя pH. Величина pH, как показано на схеме, характеризует кислотность и основность растворов и может принимать значения от 1,0 до 14,0. pH Среда рас- твора ^ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 I--*---^^------1---1---1----1--1---^---}—~|-----1---\^ СИЛЬНО' кислотная слабо- кислотная нейтралЬ’ слабо-ная щелочная сильно- щелочная Фермент желудочного сока пепсин наиболее активен при pH от 1,5 до 2,0 (сильнокислотная среда), каталаза крови — при pH, равном 7,0 (нейтральная среда), и т. д. Кислотность или основность среды физиологических жидкостей определяет биологическую активность клеток организма, которая, в свою очередь, зависит от «работы» действующих в них ферментов (табл. 6). Каждая из физиологических жидкостей имеет определенное значение pH, и отклонение от нормы______________ может быть причиной тяжелых заболеваний. Ферменты играют важную роль и в проведении многих технологических процессов. Их исцользуют, например, в процессах приготовления пищи, в производстве пищевых продуктов и напитков (рис. 81), фармацевтических препаратов, моющих р„с. 81. Продукты питания, средств, текстиля, кожи и в процессе приготовления бумаги (табл. 7), которых используют ферменты НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФЕРМЕНТОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ Таблица 7 Фермент Промыш- ленность - Использование Амнлазы (расщепляют крахмал) Пивоварен- ная Осахаривание содержащегося в солоде крахмала https://vk.com/school_ipad Продолжение табл. 7 Фермент Промыш- ленность Исп о л ьзованне Текстильная Удаление крахмала, наносимого на нити во время шлихтования Хлебопекар- ная Крахмал превращается в глюкозу. Дрожжевые клетки, сбраживая глюкозу, образуют углекислый газ, пузырьки которого разрыхляют тесто и придают хлебу пористую структуру. Хлеб лучше подрумянивается и дольше не черствеет Протеазы (расщепляют белки) Папаин Пивоварен- ная Этапы процесса пивоварения, регулирующие качество пены Мясная Умягчение мяса. Этот фермент довольно устойчив к повышению температуры и при нагревании мяса какое-то время продолжает действовать. Потом он,конечно, инактивируется Фицин Фармацев- тическая Добавки к зубным пастам для удаления зубного налета Фотография Смывание желатина с использованной пленки для того, чтобы извлечь находящееся в нем серебро Пепсин Пищевая Производство готовых к употреблению каш Фармацев- тическая Препараты, способствующие пищеварению (в дополнение к обычному действию пепсина в желудке) https://vk.com/school_ipad Окончание табл. 7 Фер мент Промыш- ленность Использование Трипсин Пищевая Производство продуктов для детского питания Реннин Сыроделие Свертывание молока (получение сгустка казеина) Бактери- альные протеазы Стирка белья Стиральные порошки с ферментными добавками Кожевенная Отделение волоса —^ способ, при котором не повреждается ни волос, ни шкура Текстильная Извлечение шерсти из обрывков овечьих шкур Пищевая Получение белковых гидролизатов (в частности, для производства кормов) Гл юк0300ксидаза Пищевая Удаление глюкозы или кислорода Каталаза Пищевая Удаление пероксида водорода Резиновая Получение (из пероксида водорода) кислорода, необходимого для превращения латекса в губчатую резину Целлюлазы Пищевая Осветление фруктовых соков Пектиназы 1. Ферменты, или энзимы. 2. Специфические свойства ферментов: большие значения относительной молекулярной массы, селективность, действие в определенном температурном интервале и при определенном значении pH среды. 3. Использование ферментов в промышленности. https://vk.com/school_ipad f Какие вещества называют ферментами? 2 Каков механизм действия ферментов? @ 6 8 Сравните ^работу* ферментов с действием неорганических катализаторов. В чем их особенности? Почему при повышении температуры до 42 “С ферменты перестают «работать»? Что с ними при этом происходит? Вспомните из курса биологии известные вам пищевари* тельные ферменты и расскажите об их «работе». На основании информации таблицы 7, приведенной в параграфе, подготовьте сообщение об использовании ферментов на производстве. Попросите у учителя полоску индикаторной бумаги и исследуйте значения pH слюны и мочи. В случае обнаружения отклонений от нормы немедленно обратитесь к врачу. Проделайте дома такой опыт. Попробуйте поджечь в ложечке кусочек сахара. У вас ничего не получится: сахар будет плавиться, дымить, обугливаться, но не загорится. Если же на кусочек сахара поместить немного свежего сигаретного пепла (не вздумайте курить сами — пусть за вас это сделают заядлые курильщики) и поджечь, кусочек сахара загорится ровным синеватым пламенем. Дайте объяснение наблюдаемого явления. Как этот опыт связан с темой «Ферменты»? § 20 Витамины, гормоны, лекарства Витамины У Джека Лондона есть замечательный рассказ, написанный им в 1911 г., «Ошибка господа бога», в котором автор рисует яркую картину того, как от истощения, вызванного цингой, гибнут люди, несмотря на то что у них имеется достаточный запас пищи. «Вместо ответа человек показал на свой рот, с усилием растянул вспухшие, почернелые губы, и Смок невольно отшатнулся. tfttTfi https://vk.com/school_ipad — Цинга, — негромко сказал он Малышу, и больной кивком подтвердил диагноз. — Еды хватает? — спросил Малыш. — Ага, — отозвался человек с другой койки. — Можете взять. Еды полно». В этом маленьком отрывке из рассказа ясно показана причина заболевания — отсутствие в консервированных продуктах веществ, известных сейчас даже малым детям, — витаминов. А вот Джек Лондон этот термин использовать не мог, и это совершенно понятно, поскольку только в следующем, 1912 г. была опубликована статья польского ученого Казимира Функа, в которой впервые было введено это понятие. Оно произошло от латинского слова vita — «жизнь», т. е. «амин жизни», хотя большинство витаминов к аминам не относится. Мы с гордостью должны констатировать, что основоположником учения о витаминах является наш соотечественник врач Н. И. Лунин, который еще в 1880 г. защитил диссертацию в Юрьевском (Тартуском) университете. В диссертации и последующих статьях Н. И. Лунин показал, что мыши быстро гибнут, если их кормить пищей, составленной из казеина, молочного жира, сахарозы и дистиллированной воды, однако продолжают здравствовать, если добавлять в рацион натуральное молоко. Из этого наблюдения ученый сделал вывод, что в молоке содержатся еще какие-то другие вещества, необходимые для жизни, — витамины, как мы их сейчас называем. Витамины — это низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, выполняющие важнейшие биохимические и физиологические функции в живых организмах. В настоящее время известно свыше тридцати соединений, относящихся к этой группе биологически активных веществ. Полное отсутствие в организме какого-либо витамина служит причиной авитаминоза — тяжелого заболевания организма. Названия болезней, вызванных авитаминозами, пугают; цинга, рахит, куриная слепота, пеллагра, бери-бери. https://vk.com/school_ipad Г 49 Чаще встречаются случаи частичной недостаточности витамина — гиповитаминозы, которые проявляются легким недомоганием, быстрой утомляемостью, снижением работоспособности, повышенной раздражимостью, снижением сопротивляемости организма к инфекциям. Снабжение организма витаминами приобретает особое значение в конце зимы и весной, когда организм истощает свои ресурсы витаминов и значительно снижена «витаминная кладовая» продуктов питания. Причинами гиповитаминозов могут быть: • однообразное и, как правило, неполноценное питание; • ограниченное питание в период религиозных постов; • повышенная потребность в витаминах в период беременности и кормления, роста организма и т. д.; Рис. 82. Витамины в продуктах питания https://vk.com/school_ipad • различные заболевания, разрушающие всасывание или усвоение витаминов, и др. Помимо авитаминоза вредна другая крайность — избыток витаминов. При избыточном их потреблении развивается отравление (интоксикация) организма, получившее название гипервитаминоза. Оно очень часто наблюдается у ребят, которые занимаются столь модным сейчас культуризмом — бодибилдингом и нередко неумеренно потребляют пищевые добавки и витамины. Витамины обычно поступают в организм с пищей (рис. 82). Так как химическая природа витаминов была открыта после установления их биологической роли, их условно обозначили буквами латинского алфавита (А, В, С, D и т. д.), что сохранилось до настоящего времени. В качестве единицы измерения витаминов пользуются мг, мкг или мг% (миллиграммы витамина на 100 г продукта). Потребность человека в витаминах зависит от его возраста, состояния здоровья, условий жизни, характера его деятельности, времени года, содержания в пище основных компонентов питания. Сведения о потребности взрослого человека в витаминах приведены в таблице 8. СУТОЧНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА В ВИТАМИНАХ И ИХ ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ Таблица 8 Витамин Суточная потребность Функции Аскорбиновая кислота {витамин С) 50—100 мг (в среднем 70 мг) Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, повышает сопротивляемость организма экстремальным воздействиям Тиамин (аневрин, витамин В]) 1,4—2,4 мг (в среднем 1,7 мг) Необходим для нормальной деятельности центральной и периферической нервной системы. Регулятор жирового и углеводного обмена Рибофлавин (витамин В2) 1,5—3,0 мг (в среднем 2,0 мг) Участвует в о кис лите л ьн о- восстановительных реакциях https://vk.com/school_ipad fSf Окончание табл. 8 Витамин Суточная потребность Функции Пиридоксин (витамин Bg) 2,0—2,2 мг (в среднем 2,0 мг) Участвует в синтезе и метаболизме аминокислот, метаболизме жирных кислот и ненасыщенных липидов Ниацин (витамин РР) 15,0—25,0 мг (в среднем 19,0 мг) Участвует в окислительно-восстановительных реакциях в клетках. Недостаток вызывает пеллагру Фолиевая кислота (фолацик, витамин Вд) 200 мкг Кроветворный фактор, переносчик одноуглеродных радикалов, участвует в синтезе аминокислот, нуклеиновых кислот, холина Цианкобала- мин (витамин Bjg) 2—5 мкг (в среднем 3 мкг) Участвует в биосинтезе нуклеиновых кислот, холина, лецитина. Фактор кроветворения, обладает липотвор-ным действием Биотин (витамин Н) 50—300 мкг (в среднем 150 мкг) Участвует в реакциях карбоксил ирования, обмена аминокислот, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот Пантотеновая кислота (витамин Вд) 5—10 мг Участвует в реакциях биохимического ацилирования, обмена белков, липидов, углеводов Холин (холин-хлорид) 250—600 мг Участвует в синтезе биологически важных соединений Ретинол (витамин А) 0,5—2,5 мг (в среднем 1,0 мг) Участвует в деятельности мембран клеток. Необходим для роста и развития организма, для функционирования слизистых оболочек. Участвует в процессе фоторецепции (в восприятии света) Кальциферол (витамин D) 2,5—10 мкг Регулирует содержание кальция и фосфора в крови, минерализацию костей, зубов https://vk.com/school_ipad Гормоны у людей, знакомых с биологией, функция гормонов в живых организмах ассоциируется с ролью дирижера-виртуоза в большом симфоническом оркестре. Дирижер координирует работу оркестровых групп, всего большого коллектива музыкантов, каждый из которых хорошо знает свою партию, мастерски владеет инструментом. Однако очевидно, что без дирижера исполнение музыкального произведения очень быстро превратится в бессмысленное чередование звуков, а гениальная музыка — в ужасную какофонию. Любой живой организм — сложнейшая и уникальная система органов и тканей, каждая из которых выполняет свою неотъемлемую и специфическую функцию. Как же осуществляется координация и согласование работы всех органов и систем живого организма? Что выполняет роль того самого дирижера, который подчиняет единой цели и синхронизирует ювелирную биологическую работу каждого органа и их систем? Эту важнейшую функцию и выполняют вещества, вырабатываемые железами внутренней секреции (или эндокринными), они называются гормонами (от греч. hormao — приводить в движение, побуждать). Гормоны — это биологически активные органические вещества, которые вырабатываются железами внутренней секреции и регулируют деятельность органов и тканей живого организма. Как вы уже знаете из курса анатомии и физиологии, жизнедеятельность любого организма регулируется с помощью двух систем — нервной и гуморальной. Гуморальная регуляция (от лат. humor — жидкость) — один из механизмов координации процессов жизнедеятельности организма, который осуществляется через его жидкие среды (прежде всего кровь) с помощью химических веществ (в первую очередь гормонов). В крови высших животных и человека циркулирует около 50 гормонов. https://vk.com/school_ipad fS3\ Ц- Понятно, что, выполняя многочисленные и разнообразные функции, гормоны обладают соответствующим набором характерных свойств, среди которых важнейшими являются; • чрезвычайно высокая физиологическая активность — очень малые количества гормонов вызывают весьма значительные изменения в работе органов и тканей; например, 1 г экдизона может вызвать линьку у 2 • 10® особей насекомых; • дистанционное действие — способность регулировать работу органов, удаленных от железы, вырабатывающей гормон; это становится возможным, потому что гормоны доставляются к этим органам через кровь; • быстрое разрушение в тканях, так как, оказывая очень сильное влияние на работу органов и тканей, гормоны не должны накапливаться в них; • непрерывное продуцирование (секреция) соответствующей железой вызвано необходимостью постоянного регулирования, более или менее сильного воздействия на работу соответствующего органа в каждый момент времени. Из анализа характерных свойств гормонов, как мощного средства гуморальной регуляции, ясно, что их образование эндокринными железами должно в каждый момент времени точно соответствовать состоянию организма. Обеспечение этого соответствия осуществляется по принципу обратной связи: не только гормон влияет на контролируемую систему органов и процессы в ней, но и состояние самой системы определяет производительность соответствующей железы, скорость образования и количество вырабатываемого гормона. Например, снижение концентрации глюкозы в крови тормозит секрецию инсулина (гормона, вызывающего уменьшение содержания глюкозы) и ускоряет секрецию глюкагона (гормона, стимулирующего рост концентрации глюкозы в крови). Таким образом, благодаря принципу обратной связи именно гормоны обеспечивают гомеостаз — постоянство состава внутренней среды организма, контроль и регулирование содержания воды, углеводов, электролитов в ней. f i I tS4 https://vk.com/school_ipad Лекарства Лекарства известны человеку с глубокой древности, В одном из египетских папирусов (XVII в. до н. э.) описываются лекарственные средства растительного происхождения, некоторые из которых (например, касторовое масло) используются и в наши дни, Великий древнегреческий врач Гиппократ (460—377 до н, э.) искал причины болезней уже не в злых духах, а в окружающей среде, климате, образе жизни и питания. Именно он ♦ приземлил» медицину, призывая лечить не болезнь, а больного. Он создал учение о четырех жизненных жидкостях — крови, слизи, черной и желтой желчи, преобладание одной из которых в организме и определяет темперамент человека. Так, сангвиник (от лат. sanguinis — кровь) — человек общительный, быстрый, легко меняющийся, подвижный, «текучий», с богатой мимикой и жестами; флегматик (от лат. phlegma — слизь) — медлительный, «вязкий», невозмутимый, спокойный, не проявляющий чувств; холерик (от лат. chole — желчь) — неуравновешенный, вспыльчивый, несдержанный; меланхолик (от лат. melanos — черные, сгоревшие и chole — желчь) — сдержанный и медлительный, быстро утомляющийся и ранимый, замкнутый в себе. Кроме профилактических мер, причин болезней и их диагностики, Гиппократ описал более двухсот лекарственных растений и способов их употребления. Недаром его называют отцом медицины. Кроме Гиппократа, огромное влияние на развитие медицины оказал римский врач Клавдий Гален (129—201), положивший основу «аптекарской науке» — фармакологии. Он широко применял различные извлечения (вытяжки) из лекарственных растений, настаивая их на воде, вине или уксусе. Спиртовые вытяжки — экстракты и настойки находят широкое применение и в современной медицине. До сих пор фармацевты называют их «галеновыми препаратами». Большое количество лекарственных препаратов растительного и минерального происхождения и способов их приготовления описано в сочинениях великого среднеазиатского медика эпохи Средневековья Абу Али Ибн Сины — Авиценны (980—1037). Многие из этих средств; https://vk.com/school_ipad fSS камфора, препараты белены, ревеня и др. — с успехом используются до сих пор. Труды Авиценны заложили основу возникновения иатрохимии (от греч. iatros — врач) — врачебной, медицинской химии, основоположником которой является швейцарский естествоиспытатель Теофраст Парацельс (1493—1541), удивительным образом сочетавший в себе талантливого врача и алхимика. Всецело полагаясь на свои знания химии, Парацельс отказался от классических взглядов на медицину Галена и Авиценны, Он считал, что в основе жизни лежат химические процессы, а заболевания — это результат нарушения их протекания в организме, который Парацельс сравнивал с большой ретортой. Считая организм химическим «реактором», он начал использовать для лечения болезней минеральные воды и многочисленные химические препараты; соединения сурьмы, мышьяка, меди, свинца, ртути и других элементов. Парацельс заложил основы медицинской химии, открыл новое направление в науке. Актуально до сих пор утверждение Парацельса об огромной важности количества применяемого препарата: «Все есть яд, ничто не лишено ядовитости, и все есть лекарство. Лишь только доза делает вещество ядом или лекарством». А что у нас, в России? Из древних рукописей известно, что в 1547 г. царь Иван Грозный направляет посла в «немецкую землю» для привоза «мастера для изготовления квасцов», применявшихся для лечения огнестрельных ран, различных болезней и опухолей. При царе Михаиле Федоровиче (1613”1645) врачебный персонал царского двора составляли 7 докторов, 13 лекарей, 4 аптекаря и 3 алхи-миста. Доктора и лекари определяли болезнь и способ ее лечения, аптекари продавали простые лекарства и по указанию лекарей изготовляли сложные. Алхимисты готовили обычные лекарства в химической лаборатории по указанию аптекарей, принимали участие в «надкушивании» — своеобразной экспертизе и проверке новых лекарств. Через 100 лет название «алхимист» заменили на «химик». К XIX в. значительно усовершенствовались методы получения, очистки и анализа химических веществ. Все новыми фактами подтверждались идеи Парацельса о химической природе биологических процессов. Так, Гэмф- 7S6 https://vk.com/school_ipad ри Дэви, изучая оксид азота (I) NgO, обнаружил, что вдыхание небольших количеств этого газообразного вещества вызывает опьянение, беспричинное веселье и судорожный смех, вдыхание больших количеств (вспомните идеи Парацельса о важности дозы!) снимает зубную боль. Еще большие количества оксида азота (I) вводят человека в состояние наркоза — полной потери чувствительности и сознания. Открытие Г. Дэви анестезирующих, т. е. обезболивающих, свойств этого вещества позволило применить его в хирургической практике. Химики же до сих пор называют оксид азота (I) «веселящим газом». Развитие идей Галена и поиск «действующих начал» — активных компонентов лекарственных растений, отвечающих за их целебные свойства, — увенчались успехом. В начале XIX в. были открыты первые алкалоиды — биологически активные азотсодержащие органические соединения растительного происхождения. Например, к ним относят эффективное средство для борьбы с малярией — алкалоид хинин, полученный из коры хинного дерева. Выделенные алкалоиды стали все шире применять в качестве лекарственных, в том числе обезболивающих средств. Работы химиков-органиков позволили установить строение алкалоидов и разработать способы их получения. Были синтезированы и применены для врачебной практики хлороформ (трихлорметан) СНСЦ, серный (диэтиловый) эфир С2Н5ОС2Н5, нитроглицерин (тринитрат глицерина), облегчающий страдания при «грудной жабе» — стенокардии, и салициловая (о-гидроксибензойная) кислота, обладающая противовоспалительным действием: H2C-O-NO2 I " НС—O-NO5, I ' HgC-O-NOa нитроглицерин СООН ОН салициловая кислота Во второй половине XIX в. в работах выдающегося французского ученого Луи Пастера (1822—1895) нашли блестящее подтверждение идеи Авиценны о «мельчайших животных», вызывающих и переносящих заболева- https://vk.com/school_ipad isr \ ния. в наши дни даже ребенку знакомы слова «бактерия», «микроб», «вирус». Учитель химии и физики по образованию, Пастер существенно продвинул вперед науку — он, изучая симметрию молекул органических соединений (мы бы сказали, пространственную изомерию и стереохимию) и брожение, открыл анаэробные (не нуждающиеся в кислороде) бактерии и способ обеззараживания и сохранения пищевых продуктов, названный в его честь пастеризацией, и разработал пути формирования иммунитета, создал необходимые для этого лекарственные средства — вакцины. Французские врачи пренебрежительно относились к открытиям «какого-то химика Пастера», пока он на практике не доказал, что заражение неизлечимой в то время сибирской язвой и смерть от нее могут быть предотвращены с помощью созданной человеком вакцины. Триумфом лекарственных препаратов — вакцин и вакцинации как способа предупреждения заболеваний и их последствий стало спасение в марте 1885 г. мальчика, искусанного бешеной собакой. Других способов избежать смерти при заражении бешенством медицина не знает до сих пор. Вакцинация позволяет избежать кори, оспы, полиомиелита, других болезней и их осложнений. Однако, к сожалению, далеко не всегда организм способен самостоятельно справиться с заболеванием или инфекцией даже с помощью вакцин. Медицина нуждалась не только в средствах, мобилизующих защитные силы организма, но и в препаратах, способных самостоятельно справиться с болезнью. В 1909 г. немецкий ученый Пауль Эрлих получил соединение мышьяка — сальварсан, первое эффективное средство против сифилиса. Работы Эрлиха заложили основы химиотерапии (хемотерапии, от греч. терапия — работа, уход, лечение) — лечения инфекционных, паразитарных и онкологических заболеваний лекарствами, подавляющими жизнедеятельность возбудителя болезни или опухолевых клеток. В отличие от фармакотерапии — лечения препаратами, влияющими на функции организма или симптомы болезней, химиотерапия является причинной терапией, т. е. воздействие направлено на причину, возбудителя болезни. Поэтому Т У 45? X https://vk.com/school_ipad химиотерапевтические препараты характеризуются направленностью, специфичностью и избирательностью своего действия. Идеи Эрлиха получили развитие в работах крупного химика-органика А. Е. Чичибабина (1871 —1945) и английского бактериолога А. Флеминга (1881 —1955). А. Е. Чичибабин в годы Первой мировой войны, когда в госпиталях тысячи людей страдали от отсутствия или нехватки болеутоляющих, антисептических и противовоспалительных препаратов, разработал методы получения обезболивающих препаратов из отечественного сырья, создал в России технологии производства аспирина, фенацетина и салола. Открытие А. Флемингом в 1928 г. пенициллина — группы антибиотиков грибка Penicillium стало триумфом учения об антибиозе — явлении антагонизма и смертельной борьбы микроорганизмов друг с другом: одни виды бактерий, грибков подавляют (в прямом смысле слова — травят!) жизнедеятельность других с помощью выделяемых микроорганизмами в окружающую среду специфических веществ — антибиотиков. Антибиотики — мощное оружие. Попадая в организм, они уничтожают не только патогенные, но и полезные микроорганизмы, например микрофлору кишечника. Кроме того, болезнетворные микробы, в свою очередь, приобретают устойчивость к «знакомым» им антибиотикам, а они, активно помогая организму бороться с болезнью, позволяют ему «расслабиться», постепенно снижая уровень иммунитета, ослабляя его собственные защитные реакции. Очевидно, что нельзя заниматься самолечением антибиотиками. Вещества, влияющие на психику человека, вовсе не изобретение наших дней. Уже в древности жрецы готовили дурманящие ритуальные напитки из различных трав и грибов, некоторые из них используются шаманами и сейчас, например настойка мухомора, а рецепты других вошли в обиходную речь; вспомните характерное выражение «белены объелся». Издревле известны и опиум, и гашиш. С незапамятных времен опий, а затем и морфин врачи использовали как обезболивающее, снотворное и успока- https://vk.com/school_ipad 759* ивающее средство, но с тех же пор было хорошо известно, что применять его надо с большой осмотрительностью. Морфин не только снимает боль, но и вызывает чувство особого наслаждения, приятные (поначалу) галлюцинации. У человека, несколько раз принимавшего морфин, возникает привыкание к нему, он уже не может обходиться без наркотика. Это привыкание носит двойственный характер: различают привыкание психологическое — тяга наркомана к ощущениям, вызываемым морфином, и физическое ~ следствие патологических изменений в организме наркомана, и прежде всего в нервной системе, при которых неполучение в срок очередной дозы наркотика ведет к мучительным страданиям. Постепенно организм адаптируется к наркотику, для достижения желаемого эффекта дозы приходится увеличивать... Недавно еще цветущий молодой человек превращается в беспомощную и страшную в своей жажде наркотика развалину. В последнее время все чаще внедряют в сознание заблуждение, легенду о существовании «легких» наркотиков. Любой (!) наркотик формирует физиологическую и психическую зависимость от него. «Легкие» наркотики лишь более коварны, они медленнее и незаметнее (но также необратимо!) подчиняют себе сознание человека. 1. Витамины. 2. Авитаминоз, гиповитаминоз, ги-первитаминоз. 3. Функции витаминов. 4. Гормоны. 5. Свойства гормонов: высокая физиологическая активность, дистанционное действие, быстрое разрушение Б тканях, непрерывное продуцирование. 6. Лекарства. 7. Химиотерапия и фармакология. Какие вещества называют витаминами? Что такое авитаминоз, гиповитаминоз и гипервитаминозы? Как сохранить витамины в выращенной на дачном участке плодоовощной продукции при ее длительном хранении? т-е 1 1 https://vk.com/school_ipad ^ Как сохранить витамины при приготовлении овощных блюд в условиях термической обработки пищи? g Какие витаминные препараты вы знаете и как их следует применять? При подготовке ответа на этот вопрос проконсультируйтесь с медицинскими работниками. g Подготовьте небольшое сообщение об основных средствах лечения и методах профилактики и лечения сахарного диабета. Используйте консультацию школьного учителя биологии и медицинского работника. rj Какие гормоны вы знаете из курса биологии? Какими железами внутренней секреции они вырабатываются? Как они влияют на жизнедеятельность органов и систем органов? g К каким негативным последствиям может привести непрерывное продолжительное повыщение содержания адреналина в крови? Q Подготовьте небольшое сообщение об иатрохимии. При его подготовке используйте консультацию учителей химии, истории и биологии. 10 Проанализируйте содержимое вашей домашней аптечки. Какие лекарственные препараты необходимо выбросить? Какие необходимо приобрести? Подготовьте сообщение ^Моя домашняя аптечка*. Используйте консультацию медработника. Что обязательно должно входить в состав автомобильной аптечки? Почему? Какие взыскания может наложить автоинспектор за отсутствие аптечки или ее несоответствие российскому стандарту? https://vk.com/school_ipad —I- [ f Глава третья Искусственные и синтетические полимеры § 21 Искусственные полимеры Как вы смогли убедиться на примере рассмотрения органических соединений живой природы, многие из них имеют полимерную природу. Полимерные вещества и материалы на их основе прочно вошли в повседневную жизнь человека. Разнообразие областей их применения требует придания этим веществам свойств, которыми не обладают природные полимеры, Химики нашли способы химической модификации природных полимеров. При этом основная цепь макромолекул не претерпевает изменений, но в составе вещества появляются новые группы атомов, придающие ему новые физические и химические свойства. Высокомолекулярные вещества, которые получают на основе природных полимеров путем их химической модификации, называют искусственными полимерами. Схематично получение искусственных полимеров можно изобразить следующим образом: + природный полимер реагент + пО. Искусственный полимер второй продукт реакции н https://vk.com/school_ipad Искусственные полимеры используют для изготовления пластмасс, волокон и других материалов. Пластмассы — это материалы, полученные на основе полимеров, способные приобретать заданную форму при изготовлении изделия и сохранять ее в процессе эксплуатации. Полимер и пластмасса — это не одно и то же. Любая пластмасса содержит полимер, но кроме него в ее состав могут входить и другие компоненты; красители (придают материалу цвет), наполнители (обеспечивают жесткость пластмассы), пластификаторы (делают материал более эластичным, гибким) и др. Пожалуй, самым удобным природным полимером для химической реконструкции его молекул является целлюлоза. Первая пластмасса была получена в конце XIX в. в Америке, При обработке целлюлозы концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты две гидроксильные группы в структурном звене замещаются на нитрогруппы. Полученное вещество называют динитратом целлюлозы; целлюлоза -I- HNO, динитрат целлюлозы -I- вода. При добавлении к динитрату целлюлозы камфоры (в качестве пластификатора) получают пластмассу молочно-белого цвета, похожую на слоновую кость. Эта пластмасса получила название целлулоид. Первыми изделиями, которые были изготовлены из целлулоида, стали бильярдные шары, затем мелкие бытовые предметы: расчески, игрушки, линейки. Из нитратов целлюлозы изготавливали кино- и фотопленку. Большим недостатком целлулоида является его горючесть. Ввиду повышенной пожароопасности область применения целлулоида теперь ограничена, В настоящее время из этого материала изготавливают теннисные шарики и красивую, блестящую облицовку музыкальных инструментов. На основе нитратов целлюлозы изготавливают клей и лаки. https://vk.com/school_ipad ms. \ J Люди научились многие недостатки веществ обращать в достоинства. Сделать динитрат целлюлозы еще более горючим можно, превратив его в тринитрат. Тринитрат целлюлозы используют в качестве пороха и называют пироксилином. На основе искусственных полимеров получают не только пластмассы, но и волокна. Волокна — это полимеры линейного строения, которые пригодны для изготовления нитей, жгутов, пряжи и текстильных материалов. Сама целлюлоза — это волокнистый материал. В этом легко убедиться, рассмотрев кусочек медицинской ваты. Из целлюлозных волокон состоят хлопчатобумажные и льняные ткани. Наряду с неоспоримыми преимуществами изделия из хлопка и льна обладают существенными недостатками. Они недостаточно прочны (особенно при намокании), легко мнутся, не имеют блеска, повреждаются грибком. Этих недостатков лишены изделия из самого распространенного искусственного волокна — ацетатного шелка. Процесс получения полимера для изготовления ацетатных нитей очень напоминает получение динитрата целлюлозы. Только в этом случае целлюлозу обрабатывают не азотной, а уксусной кислотой. Все три гидроксильные группы структурного звена целлюлозы вступают в реакцию этерификации. В результате образуется полимер с тремя сложноэфирными группами — триацетат целлюлозы: целлюлоза + СН3СООН —> триацетат целлюлозы + вода. Триацетат целлюлозы, в отличие от исходного природного полимера, волокнистой структурой не обладает. Как же изготовить из него нити? Для этого был придуман специальный технологический процесс. Триацетат целлюлозы растворяют в органическом растворителе до образования вязкого раствора и под большим давлением продавливают его через колпачки со множеством мельчайших отверстий — так называемые фильеры. Струйки раствора обдуваются теплым воз- I J J64 https://vk.com/school_ipad духом, растворитель испаряется, полимер затвердевает в тончайшие нити (рис. 83). Ткани из ацетатного волокна (ацетатного шелка) очень красивы, легко окрашиваются и многофункциональны: из них с одинаковым успехом изготавливают и подкладочный материал, и нарядные бальные платья. Помимо ацетатного шелка, к искусственным волокнам относятся также вискоза, медно-аммиачное волокно. Вискозу также получают на основе целлюлозы путем последовательной обработки раствором щелочи, сероуглеродом CSg, раствором кислоты. Вискозное волокно по красоте почти не уступает натуральному, оно также гигиенично (пропускает наружу влагу) и, что немаловажно, намного дешевле натурального. Можно ли совсем отказаться от природного полимерного сырья при производстве пластмасс и волокон? Для современной химии нет ничего невозможного! О синтетических полимерах пойдет речь в следующем параграфе. 9 Рис. 83. Схема формирования волокон: 1 — фильера; 2 — пучок волокон 1. Искусственные полимеры. 2. Пластмассы. 3. Целлулоид. 4. Волокна. 5. Ацетатное волокно, вискоза, медно-аммиачное волокно. https://vk.com/school_ipad Ш- Какие полимеры называют искусственными? В чем их от- личие от природных? Пластмассы иногда называют композиционными материалами. Объясните происхождение этого термина. Какую пластмассу называют целлулоидом? Как и из чего ее получают? Укажите недостаток этого полимера. Перечислите области применения целлулоида. На упаковках с нитроцеллюлозным клеем имеется предупреждение о соблюдении при работе с ним мер пожарной безопасности, С чем это связано? Что такое волокна? Какие натуральные волокна (животного и растительного происхождения) и искусственные волокна вы знаете? 6 К какому типу реакций относят получение триацетата целлюлозы? К какому классу органических соединений относят продукт этой реакции? Как из триацетата целлюлозы формуют волокно? Для чего используют ткани из ацетатного шелка? § 22 Синтетические органические соединения Вы уже познакомились с природными и искусственными полимерами, но все чаще и чаще в повседневной жизни вам приходится сталкиваться с полимерами, которые созданы не природой и не на основе природного полимерного сырья, а являются результатом работы химиков. Это так называемые синтетические полимеры. Следовательно, по происхождению все полимеры можно разделить на три группы (схема 2); • природные; • искусственные; • синтетические. ш https://vk.com/school_ipad КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ Схема 2 Как и первые два класса полимеров, синтетические полимеры по форме макромолекул бывают линейными, разветвленными и пространственными (трехмерными) (рис. 84). К линейным синтетическим полимерам может быть отнесен полиэтилен, однако следует подчеркнуть, что речь идет не о полиэтилене вообще, а лишь о полиэтилене низкого давления. Полиэтилен низкого давления получают из этилена с использованием особых катализаторов, которые способствуют увеличению линейных макромолекул и не требуют использования высокого давления в производственном процессе. Такой полиэтилен благодаря более компактной упаковке полимерных цепей имеет высокую плотность, большую механическую прочность. Он идет главным образом на изготовление труб, бытовой и химической посуды. Макромолекулы полиэтилена высокого давления имеют разветвленную структуру. Его плотность ниже, а эластичность выше, чем у полиэтилена низкого давления. Это незаменимый материал для изготовления упаковки пищевых и непищевых продуктов, пакетов. https://vk.com/school_ipad /)лкнейвая изогнутая (волокна, полиэтилен низкого давления) 2) разветвленная (крахмал, полиэтилен высокого давления) 3) пространственная форм альдегидные смолы) Рис. 84. Структура полимеров Для получения синтетического аналога полиэтилена используют еще один алкен — пропилен. Он полимери-зуется в соединение, которое, как вам нетрудно догадаться, называют полипропиленом: лСН=СНр I ^ СНз пропилен кат» р, t I iH, 1 полипропилен Полипропилен обладает большей механической прочностью, чем полиэтилен. Из него изготовляют канаты, тросы, веревки. Вам знакомы белые полипропиленовые мешки для сахара, круп и других продуктов — чрезвычайно прочные, очень легкие и абсолютно безопасные для человека. Вы, очевидно, нередко видели торговцев («челноков»), которые транспортируют свой товар в больших сумках из полипропилена. Однако полипропилен — это еще и материал для изготовления ковров, детских игрушек, химических реакторов, посуды, корпусов компьютерной техники и многого другого. При изучении свойств ацетилена вы познакомились еще с одним синтетическим полимером линейного строения —^ поливинилхлоридом (вспомните основные области его применения). Линейную структуру имеют также синтетические волокна, которые вместе с искусственными относят к химическим волокнам, в отличие от природных (схема 3). КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЛОКОН Схема 3 КЛАССИФИКАЦИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН Схема 4 С природными и искусственными химическими волокнами вы уже подробно ознакомились, поэтому остановимся на волокнах синтетических. Их, в свою очередь, также можно разделить на отдельные группы (схема 4). О полипропиленовом волокне мы уже говорили выше. Капроновое волокно отличается высокой прочностью, устойчивостью к истиранию, не впитывает влагу. Поэтому его применяют для получения капроновых тканей, из которых изготавливают ковры, искусственный мех, кордную ткань, одежду. Из капроновой смолы получают пластмассы для изготовления деталей машин и других конструкционных материалов. Почему капрон относят к полиамидным волокнам? А потому, что в макромолекуле капрона много раз повторяется знакомая вам пептидная связь —СО—NH—, которую по-другому называют амидной: .. .-NH-(CH2)5-C0-NH—(СНй)5—СО—NH—(CH2)s К амидным волокнам относят также хорошо знакомое вам из жизненной практики волокно найлон. Интересна история открытия этого материала. Автор этого открытия, американский химик У. Карозерс, работал над созданием этого волокна в Нью-Йорке и Лондоне. Из названий этих городов сложилось название нового синтетического полимера. В том, что это полиамидное волокно, вы сможете убедиться, если посмотрите на формулу фрагмента его макромолекулы: -NH-(CH2)6-NH-C0-(CH2)4- https://vk.com/school_ipad -СО-... т. Рис. 85. Применение синтетических волокон: 1 — искусственная кожа; 2—5 — синтетические волокна и ткани; 6—5 — леска Полиэфирное волокно лавсан используют для изготовления в первую очередь костюмных тканей, поскольку он обеспечивает им несминаемость и элегантную фактуру. Удивительно похожи на натуральную шерсть изделия из волокна нитрон. Ткани из нитрона используют для изготовления спортивных костюмов, трикотажа, пальто. Применение полиамидных и полиэфирных волокон представлено на рисунке 85. Разветвленную структуру имеют такие синтетические полимеры, как каучуки. Синтетические каучуки делят на каучуки общего и специального назначения (схема 5). Будущим технологам и медикам будет интересно знать, что многие синтетические полимеры широко используют как материал для изготовления имплантантов для человеческого организма (табл. 9). /7 Г алогенирование Отщепление —> Дегидрирование Окисление —> Горение Разрушение цепи Пиролиз метана Крекинг CH3CI Н2С=СН2 СО2 + HgO с + н. ^n^zn+г + С„Нз„ 4. Химические свойства алкенов 5. Химические свойства алкинов Примеры продуктов НзС=СН2, СН3—СНз СН=СН, 1 ! Вг Вг Вг Вг I I НС—сн I I Вг Вг СНз-С<® СО2 + HjO соон I соон 6. Химические свойства аренов Примеры продуктов Замещение И г алогенирование Нитрование Присоединение И Галогенирование Гидрирование Окисление Горение CeH^Cl СбНзНОз СбНбС1в Cg Hj2 или СбНн СО2 + Н2О https://vk.com/school_ipad 7. Химические свойства предельных одноатомных спиртов < PQ El и О щ о S W о £г^ S S S X Кислотные свойства Взаимодействие с щелочными металлами Примеры продуктов -^CgHjONa Замещение ■> Этерификация |->СНд— л)—СпН Окисление Горение ^СОд + НдО Окислительное ^ дегидрирование ^ i Дегидрата- ция Внутримолеку- лярная ^ Н2С=СН2 Межмолекулярная CgHg—О—CgHg 8. Химические свойства альдегидов < со н и « о со и и S и о to tr s й s X присоеди- нение Гидрирование Окисление Реакция *сере-"хИ бряногозеркала» Примеры продуктов СНд—СНд—он сн.-<н Дегидра- тация Взаимодействие с Си(ОН>2 при нагревании СН,—Cf ,^0 N3H Взаимодействие с фенолом / ОН ^СН,- Jn -м -^-1-I I https://vk.com/school_ipad 9. Химические свойства предельных одноосновных карбоновых кислот Примеры https://vk.com/school_ipad № Предметный указатель Авитаминоз 149 Алкадиены 42 — сопряженные 43, 45 Алканолы, см. предельные одноатомные спирты Алканы 18, 25, 33, 36 Алкены 33 Алкины 47 Альдегидоспирт 106 Альдегиды 80 Аминокислоты 122 — незаменимые 124 Амины 116 Аммиачная вода 76 Анилин 54,117 Асимметрический атом 20, 123 Асфальт 58 Ацетилен 31,47,52 Ацетон 81 Белки 64,128 Бензин 58 Бензол 52 Биотехнология 139 Битум 58 Брожение — молочнокислое 106 — спиртовое 65,107 Вазелин 58 Валентность 14, 17 Винил 48 Витализм 6 Витамины 148 Водородный показатель 145 Волокна 164 Вулканизация 44 Галогенирование 36, 50 Гексозы 103 Генная инженерия 140 Гетеролитический разрыв ковалентной связи 37 Гидратация 36 Гидрирование 36 Гидрогалогенирование 48 Гидролиз 92,97,110, 112, 130 Гипервитаминоз 151 Гиповитаминоз 150 Глицерин 72 Глюкоза 103 Гемолитический разрыв ковалентной связи 37 Гомологическая разность 17 Гомологический ряд 17 Гормоны 153 Денатурация 128 Детонационная устойчивость 60 Детонация 60 Диены, см. алкадиены Дизельное топливо 58 Дисахариды 103,110 Жиры 64, 94 — омыление 97 Изомерия 14, 18 — геометрическая 19 — межклассовая 19,34,67 — оптическая 20 — положения кратной связи 19. 34 — положения функциональной группы 19,66 ш https://vk.com/school_ipad — пространственная 18 — структурная 19 — углеродного скелета 19, 34, 66 Изомеры 14 — пространственные 19 — структурные 19 Каменноугольная смола 76 Каменный уголь 52, 75 Капрон 169 Карболовая кислота 77 Качественная реакция — на альдегиды 82, 83, 105 — на анилин 119 — на белки 130 — на кратную связь 36, 40, 45, 49, 51 — на крахмал 113 — на многоатомные спирты 73,105 — на фенол 77 Керосин 58 Кетоны 81 Кислоты — дезоксирибонуклеиновые 135 — карбоновые 85 — рибонуклеиновые 135 Кокс 76 Коксовый газ 76 Крахмал 103, 112 Крекинг 35, 59 Лавсан 170 Лекарства 155 Лигроивовая фракция 58 Макроэлементы 63 Масла 96 Международная номенклатура ИЮПАК 27 Метан 18, 25 Метанол 66, 70 Метиламин 117 Микроэлементы 63 https://vk. Мономер 38 Моносахариды 103 Муравьиная кислота 85 Мыла 97 Нефть 24, 55 Нитрон 170 Нуклеиновые кислоты 64, 135 Нуклеотид 135 Октановое число 60 Органическая химия 6, 9 Органические основания 118 Парафин 58 Пентозы 103 Пиролиз 47 Пластмассы 163 Поливинилхлорид 48,168 Полимер 38 — искусственный 162 — природный 166 — синтетический 166 — термопластичный 172 — термореактивный 172 Полинуклеотид 135 Полипептид 126 Полипропилен 167 Полисахариды 103,112 Полиэтилен 38 Правило Марковникова 37 Предельные одноатомные спирты 65 Предельные углеводороды, см. алканы Природные источники углеводородов 23 Природный газ 23 Простые эфиры 67, 69 Радикал 27 Реакция — биуретовая 130 — галогенирования 30, 36, 48 — гидратации 36, 48 .com/school_ipad — гидрирования 36, 48, 83, 96, 106 — горения 28,48,53,68,119 — дегидратации 35, 69 — дегидрирования 31, 42 — замещения 29, 53 — Зинина 120 — изомеризации 61 — ксантопротеиновая 130 — Кучерова 49, 81 — нитрования 54 —поликонденсации 78,113, 126 — полимеризации 38, 43 — присоединения 36, 48, 53 — разложения 30 — «серебряного зеркала» 82, 105 — этерификации 70, 90, 92, 164 Резина 43 Ректификационная колонна 57 Ректификационные газы 58 Ректификация, см. фракционная перегонка Риформинг 61 Сахароза 110 Синтетические моющие средства 99 Сложные эфиры 70, 90, 92 Смазочные масла 58 Соединения органические — азотсодержащие 116 — амфотерные 122 — искусственные 8 — непредельные 33, 47 — предельные 25 — природные 7 — синтетические 8 Соляровое масло 58 Степень полимеризации 39 Структурное звено 39 Теория строения органических соединений 13,17 Термопласты, см. полимеры термопластичные Углеводороды 9, 23 Углеводы 64, 100 Уксусная кислота 10, 87, 90 Уксусный альдегид 49, 69,80 Фенил 53, 77, 118 Фенол 75 Фенолы 74 Ферменты 65,130,142 Формальдегид 80 Формула — молекулярная 21 — перспективная Хеуорса 104 — структурная 21 Фотосинтез 6, 64 Фракционная перегонка 56 Фруктоза 103, 108 Функциональная группа 65 — альдегидная 80 — аминогруппа 117 — гидроксильная 65 — карбоксильная 84 — карбонильная 80 Химическая связь — водородная 67 — пептидная 126 Химическое строение 16 Хиральный атом, см. асимметрический атом Целлюлоза 103, 112 Циклоалканы 34 Этилен 31, 33 Этиловый спирт 14, 35, 65 Г - 1 ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ................................ 3 ___ ВВЕДЕНИЕ .................................. 5 § 1. Предмет органической химии................. 5 §2. Теория строения органических соединений .. 13 ГЛАВА ПЕРВАЯ. Углеводороды и их природные источники 3. Природный газ. Алканы..................... 23 4. Алкены. Этилен............................ 33 5. Алкадиены. Каучуки........................ 42 6. Алкины. Ацетилен.......................... 47 7. Арены. Бензол............................. 52 8. Нефть и способы ее переработки............ 55 ГЛАВА ВТОРАЯ. Кислород- и азотсодержащие органические соединения и их природные источники Единство химической организации живых организмов на Земле. Спирты............ 63 Фенол.................................. 74 Альдегиды и кетоны..................... 80 Карбоновые кислоты..................... 84 Сложные эфиры. Жиры. Мыла.............. 92 Углеводы. Моносахариды.................100 Дисахариды и полисахариды..............110 Амины. Анилин..........................116 Аминокислоты. Белки....................122 Нуклеиновые кислоты....................135 Ферменты...............................142 Витамины, гормоны, лекарства...........148 ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Искусственные и синтетические полимеры § 21. Искусственные полимеры...................162 § 22. Синтетические органические соединения .... 166 ЛАБОРАТОРНЫЕ ОПЫТЫ________________________ 1. Определение элементного состава органических соединений...........174 2. Изготовление моделей молекул углеводородов 174 §9. § 10. § 11. § 12. § 13. § 14. § 15. § 16. § 17. § 18. § 19. § 20. t9t\ 3. Обнаружение непредельных соединений в жидких нефтепродуктах................175 4. Получение и свойства ацетилена........175 5. Ознакомление с коллекцией «Нефть и продукты ее переработки»..............175 6. Свойства этилового спирта..............176 7. Свойства глицерина.....................176 8. Свойства формальдегида.................177 9. Свойства уксусной кислоты..............177 10. Свойства жиров.........................177 11. Сравнение свойств растворов мыла и стирального порошка...................178 12. Свойства глюкозы.......................178 13. Свойства крахмала......................179 14. Свойства белков........................179 15. Знакомство с образцами пластмасс, волокон и каучуков .................... 179 ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ________________________ Практическая работа № 1. Идентификация органических соединений........180 Практическая работа № 2. Распознавание пластмасс и волокон............181 ПРИЛОЖЕНИЯ_________________________________ 1. Основные классы углеводородов..........183 2. Производные углеводородов..............183 3. Химические свойства алканов............184 4. Химические свойства алкенов............184 5. Химические свойства алкинов............185 6. Химические свойства аренов.............185 7. Химические свойства предельных одноатомных спиртов.....................186 8. Химические свойства альдегидов.........186 9. Химические свойства предельных одноосновных карбоновых кислот..........187 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ....................188