§ 1. Органическая химия. Отличительные признаки органических соединений

Вспомните, какие вещества называют органическими. Какая химия называется органической?
Какое место занимают органические вещества в химии живого?
Приведите примеры некоторых органических веществ. В чём их сходство?

Выясним, почему углерод называют элементом жизни.

Вы уже знаете, что углерод — уникальный химический элемент, имеющий огромное значение в жизни природы. Углерод образует множество органических соединений. В настоящее время их число достигло десяти миллионов и продолжает расти. Всё живое на нашей планете — это мир элемента углерода. Начальным этапом появления жизни было первичное образование на земной поверхности органических веществ, из которых состоят все без исключения живые существа. Химия жизни — это химия углерода.

Из органических веществ состоит весь растительный и животный мир. Углеродные соединения составляют разнообразнейшие белки, жиры, углеводы, витамины, входящие в состав клеток и тканей живых организмов. Они являются основным компонентом пищи человека. Многие органические вещества и материалы стали необходимы людям.

Органическая химия прошла длительный путь исторического развития.

С древних времён человек использовал органические вещества для своих нужд. Позже он стал изучать их, постепенно создавая базу для возникновения органической химии как науки.

Такие органические вещества, как сахар, крахмал, жиры, спирт, уксус, природные красители и др., были известны человечеству с глубокой древности. Многие органические соединения были получены в Средние века. Но наиболее интенсивно открытие, изучение и получение новых веществ, особенно таких, которые не существуют в природе, происходило в последние столетия, когда органическая химия превратилась в самостоятельную науку. Исследовательская деятельность учёных направлялась на поиск новых путей синтеза органических веществ, а также на развитие теоретических представлений об их строении и свойствах, о закономерностях протекания их химических реакций.

Органическая химия

Органическая химия — большая самостоятельная область химии. Как наука она представлена постоянно развивающейся системой знаний о многочисленных и разнообразных соединениях углерода.

Поэтому, прежде чем приступить к систематическому изучению курса органической химии, следует уточнить, что же является предметом её исследования.

Предметом органической химии являются органические вещества, их строение и свойства, химические реакции, методы изучения и получения, а также возможные области практического применения этих веществ.

Чтобы понять и лучше усвоить, чем занимается органическая химия, важно дать её определение.

Органическая химия — раздел химической науки, изучающий соединения углерода и их превращения, за исключением простых соединений этого элемента (оксидов углерода — СО, СO₂, угольной и других кислот и их солей).

В истории имели место разные определения этой науки.

Термин «органическая химия» впервые ввёл в науку известный шведский химик И. Берцелиус в 1808 г., понимая под её предметом химию соединений углеродов, а в 1889 г. немецкий химик К. Шорлеммер определил органическую химию как химию углеводородов и их производных.

Это и другие определения данной науки не являются строгими, так как трудно установить чёткую границу между неорганическими и органическими веществами, что подтверждают и их генетические связи. Кроме этого, в состав органических веществ наряду с углеродом входит водород, часто — кислород и азот, и несколько реже — галогены, сера, фосфор и другие элементы. В настоящее время активно развивается химия металлорганических соединений, имеющих большое практическое значение. Вместе с тем выделение органической химии в самостоятельную науку оказалось целесообразным, поскольку органические соединения и их реакции имеют свои особенности по сравнению с неорганическими веществами, а органическая химия имеет свой предмет, теории, специфические методы исследования и свой особый язык описания, т. е. она приобрела статус самостоятельной современной науки.

Органическая химия как химия углеродных соединений на современном этапе её развития переживает бурный период своего расцвета. Органические соединения составляют в настоящее время самую обширную область известных веществ, которых сейчас уже более пятнадцати миллионов, в то время как неорганических веществ менее одного миллиона. Органические вещества представлены соединениями, непосредственно созданными природой, но в ещё большей степени — синтетическими, созданными умом и руками человека. Большинство из них не встречается в природе.

Стремительному росту числа органических соединений способствует научно-технический и социально-экономический прогресс, вызывающий интенсивное развитие науки и промышленных технологий, а также постоянно растущие потребности человека в пище, одежде, лекарствах, обуви, тепле, в обустройстве жилища и т. д. Велики потребности в органических веществах различных производств, сельского хозяйства, строительства, культуры, индустрии развлечений, информационных и телекоммуникативных технологий, охраны окружающей среды и прочих областей жизнедеятельности. Удовлетворение всё возрастающих потребностей уже немыслимо без разнообразных полимерных материалов (красителей, фармацевтических препаратов, пищевых добавок, новых моющих средств, нефтепродуктов и др.).

Задание. Приведите примеры применения органических соединений: а) в сельском хозяйстве; б) в промышленности; в) в быту; г) в искусстве; д) в медицине.

Число органических веществ и материалов быстро растёт также благодаря такому характерному для этой науки методу, как органический синтез.

На примере органической химии и технологии производства органических соединений особенно очевидна роль химии в создании «второй рукотворной природы», т. е. таких веществ и материалов, которые крайне необходимы современному человеку, но которые не созданы в природе, — они синтезированы человеком.

Задание. Приведите примеры синтетических веществ и материалов, важных для жизни человека, но не имеющих аналогов в природе.

Без органической химии и химической технологии человечество уже не может существовать. Вместе с тем возрастающие потребности и зависимость человека от продуктов химической промышленности имеет и обратную сторону. Происходит загрязнение окружающей среды твёрдыми, жидкими и газообразными отходами органического происхождения, что создаёт серьёзные экологические проблемы. Но надо знать то, что только химия создаёт средства для очистки окружающей среды от производственных загрязнений и бытовых отходов. Химические знания необходимы каждому современному человеку, чтобы правильно ориентироваться и вести себя в мире окружающих его веществ, охранять здоровье и природу. В современных условиях жизни знания органической химии являются элементом как химической, гак и общей культуры человека.

Для ориентации в мире веществ рассмотрим отличительные признаки органических соединений.

Задание. Задание. Проанализируйте качественный состав следующих органических веществ: C₂H₆; С₂Н₅—ОН; С₆Н₅—NO₂; СН₃—Cl; СН₃— NH₂. Какие элементы входят в состав этих соединений и сколько их?

Из курса химии вы узнали, что органические вещества состоят из малого числа элементов, одним из которых обязательно является углерод.

Проблема. Почему элемент углерод образует множество соединений? При всем многообразии органических соединений они обычно состоят из небольшого числа элементов. В их состав кроме углерода почти всегда входит водород, часто кислород, азот, а иногда сера, фосфор. Эти элементы названы органогенами, т. е. из их атомов образованы молекулы органических веществ, составляющих основу жизни: белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, витаминов и др.

Органогены (С, Н, N, Р, О, S) имеют свои особенности и функции в организме.

Водород в живых системах встречается либо в связанном виде с другими органогенными элементами, либо в виде катиона Н⁺ — носителя кислотных свойств в обменных и окислительно-восстановительных реакциях, происходящих в организме.

Углерод в органических соединениях образует достаточно прочные ковалентные связи как между своими атомами, так и с атомами других элементов. В углеродсодержащих соединениях элемент углерод — главный органоген.

Азот как элемент образует прочную молекулу азота N₂. Из-за высокой стабильности молекулярного азота большинство живых существ его не усваивают. В то же время атомы азота — необходимый компонент аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, а также других органических веществ.

Задание. Используя знания биологии и химии, вспомните, как происходит усвоение азота живыми организмами. Как называется этот процесс и каковы пути его осуществления?

Фосфор в природе встречается в основном в составе минералов в горных породах в виде фосфатов. Процессы природного выветривания выщелачивают фосфор из горных пород, и тот попадает в почву, где используется растениями и бактериями. В живых организмах фосфаты играют две важные роли: служат структурным компонентом скелета, клеточных мембран и нуклеиновых кислот, а также аккумулируют и переносят энергию к протекающим в организме процессам.

С развитием химии стали получать органические соединения, содержащие и многие другие элементы (практически все элементы периодической системы). Соединения, в которых атом углерода связан ковалентной химической связью с атомами металлов и некоторых неметаллов, были названы элементоорганическими.

Окончание параграфа >>>