27. Роль химии в жизни общества. Атом, молекула, ион - основные определения.
Повсюду, куда бы ни обратил свой взор, нас окружают предметы и изделия, изготовленные из веществ и материалов, которые получены на химических заводах и фабриках. Кроме того, в повседневной жизни, сам того не подозревая, каждый человек осуществляет химические реакции. Например, умывание с мылом, стирка с использованием моющих средств и др. При опускании кусочка лимона в стакан горячего чая происходит ослабление окраски – чай здесь выступает в роли кислотного индикатора, подобного лакмусу. Аналогичное кислотно-основное взаимодействие проявляется при смачивании уксусом нарезанной синей капусты. Хозяйки знают, что капуста при этом розовеет. Зажигая спичку, замешивая песок и цемент с водой или гася водой известь, обжигая кирпич, мы осуществляем настоящие, а иногда и довольно сложные химические реакции. Объяснение этих и других широко распространенных в жизни человека химических процессов – удел специалистов. Приготовление пищи – это тоже химические процессы. Не зря говорят, что женщины-химики часто очень хорошие кулинары. Действительно, приготовление пищи на кухне иногда напоминает выполнение органического синтеза в лаборатории. Только вместо колб и реторт на кухне используют кастрюли и сковородки, но иногда и автоклавы в виде скороварок. Не стоит далее перечислять химические процессы, которые проводит человек в повседневной жизни. Необходимо лишь отметить, что в любом живом организме в огромных количествах осуществляются различные химические реакции. Процессы усвоения пищи, дыхания животного и человека основаны на химических реакциях. В основе роста маленькой травинки и могучего дерева также лежат химические реакции. Химия – это наука, важная часть естествознания. Строго говоря, наука не может окружать человека. Его могут окружать результаты практического приложения науки. Это уточнение весьма существенное. В настоящее время часто можно слышать слова: «химия испортила природу», «химия
А́том — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств . Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов.
Моле́кула— электрически нейтральная частица, состоящая из двух или более связанных ковалентными связями атомовнаименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.
Ио́н — одноатомная или многоатомная электрически заряженная частица, образующаяся в результате потери или присоединения атомом или молекулой одного или нескольких электронов. Ионизация (процесс образования ионов) может происходить при высоких температурах, под воздействием электрического поля.
31. Структурная химия, изомеры
Изомерия (греч. isos - одинаковый, meros - часть) - одно из важнейших понятий в химии, главным образом, в органической. Вещества могут иметь одинаковый состав и молекулярную массу, но различное строение и соединения, содержащие в своем составе одни и те же элементы в одинаковом количестве, но различающиеся пространственным расположением атомов или групп атомов, называют изомерами. Изомерия является одной из причин того, что органические соединения так многочисленны и разнообразны.
Виды изомерии
В изомерии можно выделить два основных вида: структурная изомерия и изомерия пространственная или, как её ещё называют, стереоизомерия.
В свою очередь структурная делится на:
изомерию углеродной цепи (углеродного скелета)
валентную изомерия
изомерию функциональной группы
изомерию положения.
Пространственная изомерия (стереоизомерия) делится на:
диастереомерию (цис, транс - изомерия)
энантиомерию (оптическая изомерия).
Структурная изомерия
Обусловлена, как правило, различиями в строении углеводородного скелета либо неодинаковым расположением функциональных групп или кратных связей.
Изомерия углеводородного скелета
Насыщенные углеводороды, содержащие от одного до трех атомов углерода (метан, этан, пропан), не имеют изомеров. Для соединения с четырьмя атомами углерода С4Н10 (бутан) возможно существование двух изомеров, для пентана С5Н12 - трех изомеров, для гексана С6Н14 - пяти (рис.2):
Рис.2. Изомеры простейших углеводородов
С увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода количество возможных изомеров резко возрастает. Для гептана С7Н16существует девять изомеров, для углеводорода С14Н30 - 1885 изомеров, для углеводорода С20Н42 - свыше 366 000. Изомеры, отличающиеся структурой скелета, обычно имеют разные физические свойства (температура плавления, температура кипения и т.п.), что позволяет отделить один от другого. Изомерия такого типа существует и у ароматических углеводородов.
Изомерия положения
Другой вид структурной изомерии - изомерия положения возникает в тех случаях, когда функциональные группы, отдельные гетероатомы или кратные связи расположены в различных местах углеводородного скелета. Структурные изомеры могут принадлежать к разным классам органических соединений, поэтому они могут различаться не только физическими, но и химическими свойствами. На рис.4 показаны три изомера для соединения С3Н8О, два из них - спирты, а третье - простой эфир.
Рис.4. Изомеры положения
Иногда структурные изомеры сочетают признаки изомерии углеводородного скелета и изомерии положения (рис.6):
Рис.6. Сочетание двух видов структурной изомерии
я стуктурная пространственная химия
Для вещества, содержащего шесть групп СН (например, бензол), теоретически возможно 6 изомеров (рис.8).
Рис.8. Изомеры бензола
Первые пять из показанных изомеров существуют (второй, третий, четвертый и пятый изомеры были получены спустя почти 100 лет, после того, как было установлено строение бензола). Последний изомер, скорее всего, никогда не будут получен. Представленный в виде шестиугольника, он наименее вероятен, его деформации приводят к структурам в форме скошенной призмы, трехлучевой звезды, незавершенной пирамиды и сдвоенной пирамиды (незавершенному октаэдру). Каждый из этих вариантов содержит либо весьма различающиеся по величине связи С-С, либо сильно искаженные валентные углы.
Пространственная изомерия
Возникает благодаря различному расположению атомов в пространстве при одинаковом порядке связей между ними.
Диастереомерия (цис, транс - изомерия)
Один из видов стереоизомерии цис-транс-изомерия (цис - лат. по одну строну, транс - лат. через, по разные стороны) наблюдается в соединениях, содержащих кратные связи или плоские циклы. В отличие от простой связи, кратная связь не позволяет вращать вокруг нее отдельные фрагменты молекулы. Для того чтобы определить тип изомера, через двойную связь мысленно проводят плоскость и далее анализируют то, как размещаются заместители относительно этой плоскости. Если одинаковые группы находятся по одну сторону плоскости, то это цис-изомер, если по разные стороны - транс-изомер (рис.9.)
Рис.9
Физические и химические свойства цис - и транс-изомеров иногда заметно отличаются, в малеиновой кислоте карбоксильные группы - СООН пространственно близки, они могут реагировать (рис.10), образуя ангидрид малеиновой кислоты (для фумаровой кислоты такая реакция не идет):
Рис.10. Образование ангидрида малеиновой кислоты
В случае плоских циклических молекул проводить мысленно плоскость не требуется, так как она уже задана формой молекулы, как, например, в циклических силоксанах (рис.11):
Рис.11. Изомеры циклосилоксана
В комплексных соединениях металлов цис-изомером называют соединение, у которого две одинаковые группы, из тех, что окружают металл, находятся рядом, в транс-изомере, они разделены другими группами (рис.12):
Рис.12. Изомеры комплекса кобальта
Энантиомерия (оптическая изомерия)
Второй вид стереоизомерии - оптическая изомерия возникает в тех случаях, когда два изомера, (в соответствии с определением, сформулированным ранее, две молекулы, не совмещаемые в пространстве) представляют собой зеркальное отражение друг друга. Таким свойством обладают молекулы, которые могут быть представлены в виде одиночного атома углерода, имеющего четыре различных заместителя. Валентности центрального атома углерода, связанного с четырьмя заместителями, направлены к вершинам мысленного тетраэдра - правильного четырехгранника и жестко закреплены. Четыре неодинаковых заместителя изображены на рис.13 в виде четырех шариков с различающейся окраской:
Рис.13. Атом углерода с четырьмя различными заместителями
Оптическая изомерия возникает не только в случае асимметрического атома, она также реализуется в некоторых каркасных молекулах при наличии определенного количества различных заместителей. Например, каркасный углеводород адамантан, имеющий четыре различных заместителя (рис.14), может иметь оптический изомер, при этом вся молекула играет роль асимметрического центра, что становится очевидным, если каркас адамантана мысленно стянуть в точку. Аналогично, силоксан, имеющий кубическую структуру (рис.14), также становится оптически активным в случае четырех различных заместителей:
Рис.14. Оптически активные каркасные молекулы
Возможны варианты, когда молекула не содержит асимметрического центра даже в скрытом виде, но может быть сама в целом несимметрична, при этом тоже возможны оптические изомеры. Например, в комплексном соединении бериллия два циклических фрагмента расположены во взаимоперпендикулярных плоскостях, в таком случае достаточно двух различных заместителей для получения оптического изомера (рис.15). Для молекулы ферроцена, имеющего форму пятигранной призмы, для той же цели нужно три заместителя, атом водорода в этом случае играет роль одного из заместителей (рис.15):
Рис.15. Оптическая изомерия несимметричных молекул
В большинстве случаев структурная формула соединения позволяет понять, что именно следует в ней изменить, чтобы сделать вещество оптически активным.
При синтезах оптически активных стереоизомеров обычно получают смесь право - и левовращающих соединений. Разделение изомеров проводят путем взаимодействия смеси изомеров с реагентами (чаще природного происхождения), содержащих асимметрический реакционный центр. Некоторые живые организмы, в том числе бактерии, преимущественно усваивают левовращающие изомеры.
В настоящее время разработаны процессы (называемые асимметрическим синтезом), позволяющие целенаправленно получать определенный оптический изомер.
Существуют реакции, позволяющие превратить оптический изомер в его антипод.