Как выглядит углерод в химии

Углерод: физические и химические свойства

Содержание:

Углерод – важнейший химический элемент периодической таблицы Менделеева. Без него, как и без кислорода и водорода немыслимой была бы сама Жизнь. Можно без преувеличения сказать, что жизнь всех живых существ от амебы до человека построена именно из соединений углерода. Углерод – биогенный элемент составляющий основу жизни на нашей планете. Будучи структурной единицей огромного числа различных органических соединений, он участвует и в построении живых организмов и в обеспечении их жизнедеятельности. Даже возникновение самой Жизни рассматривается учеными как сложный процесс эволюции углеродных соединений. А какие химические и физические свойства этого чудесного элемента, история его открытие и современное применение в химии, читайте об этом далее.

История открытия

На самом деле углерод был известен человеку еще с глубокой древности в виде своих аллотропных модификаций: алмаза и графита. Помимо этого углерод в виде древесного угля активно применялся при выплавке металлов. От угля происходит и само название углерода, как химического элемента.

Но в те далекие времена люди пользовались углеродом в виде угля, или любовались им же, в виде алмазов, неосознанно, без понимания того, какой важный химический элемент стоит за всем этим.

Научное открытие углерода произошло в 1791 году, когда английский химик Теннант впервые получил свободный углерод. Для получения углерода он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом. В результате этой химической реакции образовались фосфат кальция и чистый углерод. Впрочем, этому опыту предшествовали и другие искания, например выдающийся французский химик Лавуазье поставил опыт по сжиганию алмаза при помощи большой зажигательной машины. Драгоценный алмаз сгорел без остатка, после чего ученый пришел к выводу, что алмаз представляет собой ничто иное как кристаллический углерод.

Интересно, что в этих опытах совместно с алмазом пробовали сжигать и другие драгоценные камни, к примеру, рубин. Но другие камни выдерживали высокую температуру, только алмаз сгорал без остатка, что и обратило внимание на его отличную химическую природу.

Место в таблице Менделеева

В основе расположения химических элементов в периодической системе Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода. Атомная масса углерода составляет 12,011, согласно ней он занимает почетное 6-е место в таблице Менделеева и обозначается латинской литерой С.

Помимо этого следует обратить внимание на следующие характеристики углерода:

Строение атома

Так на картинке изображена схема электронного строения атома углерода.

Физические свойства

Своими физическими свойствами углерод типичный неметалл. При этом он образует множество аллотропных модификаций («аллотропные» означает существование двух и более разных веществ из одного химического элемента): наиболее популярными из них являются алмаз, графит, уголь, сажа. При этом алмаз – одно из самых твердых веществ, представляющих углерод.

Разумеется, разные аллотропные модификации углерода имеют и разные физические свойства. Если алмаз типичное твердое тело, то, к примеру, жидкий углерод, который можно получить только при определенном внешнем давлении, обладает совершенно иными физическими свойствами, нежели алмаз или графит.

Химические свойства

В обычных условиях углерод, как правило, химически инертен, но при высоких температурах он может вступать в химические взаимодействия со многими другими элементами, обычно проявляя сильные восстановительные свойства. Приведем примеры химических реакций углерода как восстановителя с:

— с кислородом
C 0 + O₂ – t° = CO₂ углекислый газ

при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C 0 + O₂ – t° = 2C +2 O угарный газ

— с водяным паром
C 0 + H₂O – 1200° = С +2 O + H₂ водяной газ

— с оксидами металлов. Таким образом, выплавляют металл из руды.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O₂

— с серой образует сероуглерод:
С + 2S₂ = СS₂.

Порой углерод может выступать и как окислитель, образуя карбиды при вступлении в химические реакции с некоторыми металлами:

Вступая в реакцию с водородом, углерод образует метан:

Роль в природе

В земной коре содержание углерода составляет всего лишь 0,15%. Несмотря на эту кажущуюся маленькой цифру, стоит заметить, что углерод непрерывно участвует в природном круговороте из земной коры через биосферу в атмосферу и наоборот. Также именно из углерода состоят такие ценные ресурсы как нефть, уголь, торф, известняки и природный газ. И как мы писали в начале нашей статьи, углерод – основа жизни. Скажем, в теле взрослого человека с весом в 70 кг имеется около 13 кг углерода. Это только в одном человека, примерно в таких же пропорциях углерод содержится в телах всех других живых существ, растений и животных.

Применение

Можно сказать, что углерод неразрывно связан с самим развитием человеческой цивилизации. Именно из соединений с участием углерода образованы основные топлива, благодаря которым ездят машины, летают самолеты, вы можете приготовить себе еду и обогреть свой дом в холодную пору – это нефть и газ. Помимо этого соединения углерода активно используются в химической и металлургической промышленности, в фармацевтике и строительстве. Алмазы, будучи аллотропной модификацией углерода используются в ювелирном деле и ракетостроении. В целом промышленность современности не может обойтись без углерода, он необходим практически везде.

Рекомендованная литература и полезные ссылки

Видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

Источник

Углерод

Углерод встречается как:

Теплота плавленияn/a кДж/мольТемпература кипения4300 K(4027°C,7281°F)Теплота испаренияn/a кДж/мольМолярный объём5,3см³/мольКристаллическая решётка простого веществаСтруктура решёткигексагональная (графит), кубическая (алмаз)Период решёткиn/a ÅОтношение c/a1860,00Температура Дебаяn/a K

История

Углеро́д в виде древесного угля применялся в глубокой древности для выплавки металлов. Издавна известны алмаз и графит. Элементарная природа углерода установлена А. Лавуазье в конце 1780-х годов.

Происхождение названия

Международное название происходит от латинского carbo — уголь, связанного с древним корнем kar — огонь. Этот же корень в латинском cremare — гореть, а возможно, и в русском « гарь », «жар», «угореть» (в древнерусском «угорати» — обжигать, опалять). Отсюда — и «уголь».

Содержание

Физические свойства

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими и химическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа. Основные физические свойства собственно углерода смотри в таблице.

Изотопы углерода

Аллотропные модификации углерода

Упрощенная фазовая диаграмма углерода, заштрихованы области где аллотропные модификации могут быть метастабильны. (diamond — алмаз, graphite — графит, liquid — жидкость, vapor — газ)

Электронное строение атома углерода

Графит и алмаз

Элементарная ячейка (углерода) алмаза

При давлении свыше 60 Г Па предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15—20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1 200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решеткой типа вюрцита — лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р6₃/ттс), плотность 3,51 г/см³, т. е. такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)

Карбин

Фуллерены и углеродные нанотрубки

Углерод известен также в виде кластерных частиц С₆₀, С₇₀ и подобных (фуллерены), а также графенов и нанотрубок.

Аморфный углерод

Нахождение в природе

Содержание углерода в земной коре 0,1 % по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов (известняки и доломиты), горючих ископаемых — антрацит (94—97 % С), бурые угли (64—80 % С), каменные угли (76—95 % С), горючие сланцы (56—78 % С), нефть (82—87 % С), горючих природных газов (до 99 % метана), торф (53—56 % С), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО₂, в воздухе 0,046 % СО₂ по массе, в водах рек, морей и океанов в

60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (

В парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах.

Большинство соединений углерода, и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существования огромного числа углеродсодержащих соединений, изучаемых органической химией.

Химические свойства

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—500 °C, 600—700 °C и 850—1000 °C.

Степени окисления +4, −4, редко +2 (СО, карбиды металлов), +3 (C₂N₂, галогенцианы); сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С 0 к С 4+ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Неорганические соединения

Углерод реагирует со многими элементами с образованием карбидов.

Органические соединения

Благодаря способности углерода образовывать полимерные цепочки, существует огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры и др.

Применение

Феррит ( твердый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой)
Аустенит ( твердый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой)
Цементит (карбид железа; Fe₃C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

Ледебурит ( эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит)
Мартенсит (сильно пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с объемно-центрированной терагональной решеткой)
Перлит ( эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)
Сорбит (дисперсный перлит)
Троостит (высокодисперсный перлит)
Бейнит (устар: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа

Конструкционная сталь (до 0,8 % C)
Инструментальная сталь (до

2 % C)
Нержавеющая сталь ( легированная хромом)
Жаростойкая сталь
Жаропрочная сталь
Высокопрочная сталь

Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит)
Серый чугун (графит в форме пластин)
Ковкий чугун (графит в хлопьях)
Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов)
Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент.

Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод — основа жизни. Источником углерода для живых организмов обычно является СО₂ из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа пожирают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возврашением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти.

Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть, природный газ) — один из важнейших источников энергии для человечества.

Углерод в сталелитейной промышленности один из важнеших компонентов сплавов железо-углерод (производсво чугуна и стали).

Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах.

Токсическое действие

Токсическое действие 14 С, вошедшего в состав молекул белков (особенно в ДНК и РНК), определяется радиационным воздействием бета частиц и ядер отдачи азота ( 14 С (β) → 14 N) и трансмутационным эффектом — изменением химического состава молекулы в результате превращения атома С в атом N. Допустимая концентрация 14 С в воздухе рабочей зоны ДК_А 1,3 Бк/л, в атмосферном воздухе ДК_Б 4,4 Бк/л, в воде 3,0•10 4 Бк/л, предельно допустимое поступление через органы дыхания 3,2•10 8 Бк/год.

Источник

Содержание:

Углерод — химический элемент и простое вещество:

В периодической системе химических элементов углерод C — это химический элемент с атомным номером 6, расположен во втором периоде в IVA-группе.

Углерод в природе

Углерод — важнейший химический элемент нашей планеты. В атмосфере и земной коре углерод встречается в виде оксидов СО и

В природе постоянно осуществляется круговорот углерода (рис. 87).

Строение атомов углерода

В атоме углерода 6 электронов, из них на внешнем электронном слое находится 4 электрона (см. рис. 32):

До завершения внешнего электронного слоя атому углерода не хватает 4 электронов. Поэтому в своих соединениях с металлами и водородом атомы углерода проявляют отрицательную степень окисления, равную –4, например — карбид алюминия.

В соединениях с более электроотрицательными элементами атомы углерода проявляют положительные степени окисления +4 и +2, например — углекислый газ и CO — угарный газ.

Строение и физические свойства простых веществ

Так же как кислород, сера и фосфор, углерод образует несколько аллотропных модификаций. Наиболее известные из них графит и алмаз.

Графит — темно-серое вещество, состоящее из атомов углерода, которые расположены послойно (рис. 88). Эти слои относительно слабо связаны друг с другом, поэтому графит мягкий и может быть разделен на отдельные чешуйки. На способности графита оставлять черту при трении основано его широкое использование для производства карандашей.

Cажа, древесный уголь, получаемый при нагревании древесины без доступа воздуха, и кокс, получаемый из каменного угля, — это продукты с высоким содержанием углерода. Древесный уголь обладает способностью поглощать (адсорбировать) пары, газы и вещества из жидких растворов. Это объясняется тем, что он имеет большое количество пор и, следовательно, обладает большой поверхностью. Поместим в стакан с раствором лакмуса истолченный древесный уголь (рис. 89). Через некоторое время жидкость в стакане обесцветится, так как уголь поглотит лакмус.

Сорбционные свойства древесного угля широко применяются в противогазах, в химической промышленности, для обесцвечивания и очистки сахарного сиропа, масла, жиров, вин, питьевой воды, а также в медицине.

В отличие от графита в алмазе (рис. 90) каждый атом углерода связан с другими атомами четырьмя химическими связями, направленными к вершинам тетраэдра. Все связи между атомами углерода одинаковые, небольшие по длине и очень прочные. Поэтому алмаз является самым твердым природным веществом. Алмаз образует прозрачные, сильно преломляющие свет кристаллы. Ограненные алмазы называются бриллинтами.

Графит хорошо проводит электрический ток, а алмаз является изолятором.

Известны и другие аллотропные модификации углерода: карбин, фуллерены, графен. С ними вы познакомитесь в курсе химии 11-го класса.

В том, что разные аллотропные модификации углерода состоят из атомов одного и того же элемента, можно убедиться, сжигая их в кислороде. Все они при горении образуют один и тот же продукт — оксид углерода(IV) и ничего больше. Кроме того, равные массы графита, алмаза, карбина и фуллерена дадут одно и то же количество углекислого газа.

В конце XVIII в. известный французский химик Лавуазье вместе со своими коллегами купил небольшой алмаз и сжег его в громадной «зажигательной машине» (см. рис.) с помощью сфокусированных солнечных лучей. При этом образовался только один продукт — углекислый газ СО₂. Этот же газ Лавуазье получил и при сжигании древесного угля. Данные опыты позволили ученому сделать вывод, что алмаз и уголь имеют «одно начало».

В определенных условиях возможно превращение одной модификации углерода в другую. Так, при сильном нагревании без доступа воздуха алмаз чернеет и превращается в графит. Графит при температуре выше 2000 °С и давлении порядка 100 000 атм превращается в алмаз. Этот процесс используется для получения искусственных алмазов, нашедших техническое применение.

При записи уравнений химических реакций различные модификации углерода обозначаются буквой С.

Химические свойства углерода

Углерод реагирует с другими веществами, как правило, при нагревании.

Окислительные свойства углерода проявляются при его взаимодействии с металлами при высокой температуре:

Получаемые соединения называются карбидами.

Углерод проявляет восстановительные свойства при взаимодействии с кислородом, образуя при недостатке кислорода оксид углерода(II):

или при его избытке — оксид углерода(IV):

Восстановительные свойства углерода проявляются и в реакциях со сложными веществами. Так, при взаимодействии углерода с оксидом железа(III) получают металлическое железо:

Это один из самых первых химических процессов, освоенных человеком.

Оксиды углерода

Среди неорганических соединений углерода наибольшее значение имеют его кислородные соединения: оксиды, угольная кислота и ее соли.

Оксид углерода(II)

Модель молекулы оксида углерода(II) представлена на рисунке 91. Он относится к несолеобразующим оксидам, так как не взаимодействует в обычных условиях ни с кислотами, ни со щелочами.

Оксид углерода(II) горит на воздухе голубоватым пламенем с выделением большого количества теплоты, превращаясь в углекислый газ:

В этой реакции оксид углерода(II) проявляет восстановительные свойства.

Восстановительные свойства оксида углерода(II) проявляются и в его реакциях с оксидами металлов. Продуктами этих реакций являются металл и углекислый газ:

Эта реакция используется в промышленности для получения металлов из руд.

Оксид углерода(II) служит исходным сырьем для получения большого количества органических веществ. В то же время он является одним из наиболее опасных загрязнителей атмосферного воздуха.

Оксид углерода(IV)

С оксидом углерода(IV), или углекислым газом вы уже знакомы. Модель молекулы и графическая формула этого оксида показаны на рисунке 92.

Молярная масса примерно в 1,5 раза больше средней молярной массы воздуха (29 г/моль), поэтому углекислый газ тяжелее воздуха. Углекислый газ не поддерживает дыхание, поэтому в его атмосфере животные и человек погибают от отсутствия кислорода.

При охлаждении или при повышенном давлении углекислый газ затвердевает, образуя белое кристаллическое вещество, напоминающее снег («сухой лед»). В таком виде он широко используется как охлаждающее средство для хранения скоропортящихся продуктов, например мороженого.

Углекислый газ может быть получен при взаимодействии углерода с кислородом при нагревании:

Оксид углерода(IV) образуется при сжигании различных органических веществ (метана, спирта, угля и др.). Реакция сопровождается выделением большого количества теплоты, поэтому сжигание этих веществ используют для получения тепловой энергии. Углекислый газ образуется также при дыхании живых организмов и при гниении.

В промышленности оксид углерода(IV) получают обжигом известняка

В лаборатории можно получить действием кислот на карбонаты, например на карбонат кальция (рис. 93):

Углекислый газ является кислотным оксидом, он незначительно растворяется в воде, образуя при этом слабую угольную кислоту:

Именно этим обусловлен кислый вкус газированных и некоторых минеральных вод.

C основными оксидами и щелочами образует соли угольной кислоты — карбонаты:

При пропускании через раствор гидроксида кальция (известковую воду) раствор мутнеет и выпадает осадок карбоната кальция (рис. 94):

Эта реакция является качественной на углекислый газ.

Для оксида углерода(II) характерны восстановительные свойства.

Оксид углерода(IV) — углекислый газ является кислотным оксидом. При растворении в воде он образует слабую угольную кислоту.

Углекислый газ взаимодействует с основными оксидами и с основаниями.

Угольная кислота и ее соли

В молекуле угольной кислоты атом углерода соединен с тремя атомами кислорода одной двойной связью и двумя одинарными связями С—ОН. Модель молекулы и графическая формула угольной кислоты представлены на рисунке 95.

В водных растворах угольная кислота представляет собой очень непрочное вещество. При попытке выделить ее из раствора она практически полностью разлагается на углекислый газ и воду:

В то же время раствор в воде слегка кисловат на вкус, а при добавлении в раствор лакмуса окрашивается в розовый цвет. Поэтому раствор оксида углерода(IV) в воде можно считать раствором угольной кислоты.

В 2011 г. исследователи из Технического университета Вены и Университета Инсбрука (Австрия) получили угольную кислоту в виде твердого белого вещества, устойчивого на воздухе при температурах ниже –30 °С.

Угольная кислота является слабой двухосновной кислотой, в водном растворе диссоциирует ступенчато. На первой ступени диссоциации образуются ион водорода и гидрокарбонат-ион

Приставка гидро— в названии кислотного остатка указывает на наличие в его составе атома водорода. Соли, содержащие такой кислотный остаток, относятся к так называемым кислым солям и называются гидрокарбонатами.

На второй ступени гидрокарбонат-ион диссоциирует с образованием иона водорода и карбонат-иона

Соли, содержащие карбонат-ион, являются средними и называются карбонатами.

Химические свойства солей угольной кислоты

Соли угольной кислоты, кроме карбонатов большинства щелочных металлов, при нагревании разлагаются с выделением углекислого газа:

Карбонаты и гидрокарбонаты как соли очень слабой кислоты взаимодействуют со всеми более сильными кислотами с выделением углекислого газа. Если капнуть на кусочек мела, который представляет собой карбонат кальция, раствор соляной кислоты, то наблюдается характерное вскипание из-за бурного выделения углекислого газа (рис. 96):

Такое испытание можно проводить и с твердыми карбонатами, и с их растворами. Приведенную реакцию рассматривают как качественную реакцию для определения карбонат-ионов.

Для растворимых карбонатов уравнение качественной реакции на ионы можно записать в сокращенной ионной форме:

Карбонатами можно пользоваться для нейтрализации кислот, так как при их взаимодействии с кислотами происходит связывание ионов водорода. Например, размолотый известняк, состоящий в основном из CaCO₃, и доломитовую муку (CaCO₃ MgCO₃) вносят в почвы при их излишней кислотности. Аналогичную роль выполняет и древесная зола из-за содержащегося в ней карбоната калия.

Превращения карбонатов и гидрокарбонатов

Если пропустить углекислый газ через раствор гидроксида кальция (см. рис. 94), то будет наблюдаться помутнение раствора за счет выпадения осадка:

При дальнейшем пропускании углекислого газа твердые частицы карбоната кальция будут растворяться и жидкость снова станет прозрачной. Образуется растворимый в воде гидрокарбонат кальция:

При нагревании гидрокарбонат кальция превращается в карбонат:

В природе протекание процессов с участием углекислого газа, воды и известняка, мела, мрамора (все эти вещества по химическому составу представляют собой CaCO₃) приводит к их постепенному растворению за счет превращения в гидрокарбонат. В результате в земной коре появляются огромные полости, пещеры. Гидрокарбонат кальция переходит в карбонат кальция, образующий сталактиты и сталагмиты (см. рис.).

Применение солей угольной кислоты

Одной из наиболее широко применяемых солей угольной кислоты является карбонат натрия. Он известен под названиями кальцинированная сода и кристаллическая сода

Кальцинированную соду применяют при производстве мыла, стекла, для получения неорганических красителей, в производстве алюминия и др.

Кислую соль — гидрокарбонат натрия называют питьевой содой. Питьевую соду применяют в быту и пищевой промышленности. Если добавить питьевую соду в тесто, то при выпечке изделий она разлагается с выделением углекислого газа. Это приводит к разрыхлению теста, и изделия из него становятся более пышными и пористыми.

Карбонат кальция, существующий в природе в виде мрамора и известняка, широко используют в строительстве в качестве облицовочных и архитектурно-строительных материалов. На рисунке 97 вы видите станцию Минского метрополитена «Грушевка», при строительстве которой использовалась отделка мрамором.

Слабая угольная кислота H₂CO₃ образуется при растворении углекислого газа в воде.

Угольная кислота образует два ряда солей: кислые — гидрокарбонаты и средние — карбонаты.

Карбонаты и гидрокарбонаты способны к взаимопревращениям.

Карбонаты как соли слабой кислоты взаимодействуют со всеми более сильными кислотами с выделением углекислого газа.

Соли угольной кислоты, кроме карбонатов большинства щелочных металлов, при нагревании разлагаются с выделением углекислого газа.

Понятие об органических веществах

Общее число известных на сегодняшний день веществ огромно — их насчитывается более 150 млн! Абсолютное большинство из них составляют органические вещества. Такое название они получили потому, что многие из них были выделены из организмов животных и растений.

Одними из первых таких веществ, вероятно, были жиры. Древний человек, занимавшийся охотой и собирательством, узнал о них в процессе приготовления пищи. Зажаривая на костре добытых на охоте животных или растирая семена некоторых растений, он наблюдал выделение вязких жидкостей, обладавших схожими свойствами. Эти вещества были очень питательными и давали организму много сил. Люди давно научились выделять жиры из природных объектов и уже много веков используют их как продукты питания или материалы для получения других полезных веществ. Сегодня каждому знакомы жиры животного происхождения — свиной жир, сливочное масло, а также жиры, добываемые из растений, — подсолнечное, оливковое, льняное, пальмовое, арахисовое и другие масла.

Готовя на костре мясо, древний человек случайно сделал важное открытие. Оказалось, что капли жира, попадая на влажную золу и остывая, постепенно превращались в плотную массу, которая пенилась в воде и хорошо смывала грязь с рук. Вероятно, именно так люди впервые познакомились с мылом, без которого невозможно представить нашу жизнь. Конечно, сегодня мыло получают другим способом, но его основой по-прежнему остаются жиры.

Еще одно важное наблюдение было сделано в древности. При отжимании измельченных стеблей одного из видов тростника из них выделялась жидкость приятного сладкого вкуса. При упаривании этой жидкости получалось твердое, еще более сладкое вещество, получившее название сахар. А из жидкости, отжатой из клубней картофеля, было выделено белое вещество, названное крахмалом. Впоследствии установили, что сахар и крахмал — представители большого класса веществ — углеводов.

Перемалывая зерна различных злаков, люди получили муку, при замешивании которой с водой образуется тесто для выпечки хлеба. В первой половине XVIII в. из теста впервые выделили клейковину — эластичную и упругую массу. Впоследствии оказалось, что она представляет собой смесь особых веществ — белков, которые бывают растительного (клейковина) и животного (белок куриного яйца) происхождения.

Подавляющее большинство органических соединений, известных в настоящее время, являются неприродными веществами — их получают искусственно в химических лабораториях или на химических предприятиях (рис. 98, 99). Они входят в состав различных ценных материалов — синтетических волокон и каучуков, пластмасс и лекарственных препаратов, моющих средств и красителей, ядохимикатов и удобрений, взрывчатых веществ. Каждую неделю, благодаря научным исследованиям, число органических веществ увеличивается примерно на 10 000.

Все органические вещества обладают рядом общих свойств, непохожих на свойства неорганических веществ. Чем же органические вещества отличаются от неорганических?

Во-первых, количеством, которое более чем в 149 раз превосходит число неорганических соединений. Органические вещества невероятно многообразны, и количество классов этих соединений в десятки раз больше, чем неорганических веществ. Многочисленность органических веществ и многообразие их классов обусловлены особенностями их состава и строения, с которыми вы познакомитесь в следующем параграфе.

Во-вторых, в состав молекул всех органических веществ обязательно входят атомы углерода, связанные с атомами небольшого числа элементов — чаще всего водорода, кислорода, азота, серы, галогенов, фосфора. Этим органические вещества резко отличаются от неорганических, в состав которых могут входить атомы всех известных химических элементов. Отметим, что такие простейшие соединения углерода, как его оксиды CO и , угольная кислота и ее соли традиционно относятся к неорганическим веществам.

В-третьих, многие органические соединения термически неустойчивы и даже при относительно невысоких температурах разлагаются с образованием углерода, т. е. обугливаются. При сгорании в кислороде они образуют углекислый газ и воду. Что касается неорганических веществ, то большинство из них термически устойчивы или разлагаются при очень высоких температурах. Продуктами их сгорания в кислороде являются самые разнообразные вещества.

В-четвертых, для органических веществ характерны ковалентная полярная и ковалентная неполярная связи. Этим органические вещества также отличаются от неорганических, которым, кроме указанных типов связи, присущи также ионная и металлическая связи.

В-пятых, почти все органические вещества являются соединениями молекулярного строения с невысокими температурами плавления. Для них характерны молекулярные кристаллические решетки. В то же время большинство неорганических веществ относятся к соединениям немолекулярного строения с высокими температурами плавления. Для них более характерны атомные или ионные кристаллические решетки.

Несмотря на существенные различия между органическими и неорганическими веществами, их разделение на две группы является условным. И те, и другие вещества образуются и превращаются в соответствии с одними и теми же законами природы. Органические и неорганические вещества объединяет их способность к взаимному превращению. Например, в результате фотосинтеза из неорганических веществ — углекислого газа и воды — образуется органическое вещество глюкоза. Являясь компонентом пищи, в организмах человека и животных она снова превращается в исходные неорганические соединения. Это взаимопревращение является основой круговорота углерода в природе.

Углерод — основа органических соединений

Вы не однажды наблюдали, как из выхлопной трубы неисправного автомобиля, работающего на дизельном топливе, вырываются клубы густого черного дыма (рис. 100). Он медленно поднимается вверх и смешивается с воздухом, загрязняя его. Откуда же берется этот дым? Почему он черный, хотя жидкое дизельное топливо, которым заправляется машина, прозрачное и почти

бесцветное? Дело вот в чем. В состав этого топлива входят различные соединения углерода с водородом, так называемые углеводороды, например При работе исправного двигателя они смешиваются с воздухом и полностью сгорают с выделением теплоты, образуя углекислый газ и воду, например:

Если же двигатель неисправен, то некоторая часть углеводородов сгорает не полностью: кислород из воздуха связывается лишь с атомами Н, а оставшиеся атомы углерода образуют простое вещество углерод, например:

Углерод в виде мельчайших частичек черного цвета с силой выбрасывается выхлопными газами из двигателя наружу, образуя облако черного дыма.

Образование углерода из органических веществ можно наблюдать и в школьной лаборатории. Проведем эксперимент. В пробирку насыплем немного белого порошка глюкозы и нагреем ее в пламени спиртовки. Сначала глюкоза расплавится и превратится в вязкую жидкость, которая при дальнейшем нагревании начнет пениться и темнеть. Через некоторое время на стенках пробирки образуются капельки воды, а на ее дне останется твердое вещество черного цвета — углерод (рис. 101).

Углерод образуется и при сильном нагревании других органических веществ и материалов на их основе. О чем же свидетельствуют выделение черного дыма из выхлопных труб автомобилей и почернение глюкозы при нагревании? Конечно, о том, что в состав молекул органических веществ

входят атомы углерода. Доказательством этого является и тот факт, что при полном сгорании органических веществ в кислороде наряду с другими веществами всегда образуется углекислый газ

Атомы углерода, связанные с атомами других элементов, присутствуют в молекулах всех без исключения органических веществ. По этой причине раздел химии, изучающий эти вещества, — органическую химию — называют химией соединений углерода.

Почему же из 118 химических элементов именно углерод является основой всех органических веществ? Ответ на этот вопрос кроется в особенностях строения атома данного элемента.

Поскольку углерод — химический элемент с атомным номером 6, расположенный во втором периоде периодической системы, в его атоме 6 электронов распределены на двух электронных слоях. Так как углерод является элементом IVA-группы, на внешнем электронном слое его атома находится 4 электрона:

Электронное строение атома обусловливает следующие его особенности.

1. Из-за наличия на внешнем электронном слое атома углерода 4 электронов он не обладает ярко выраженной способностью отдавать или принимать электроны и превращаться таким образом в ионы. Поэтому атомы углерода образуют не ионные, а только ковалентные связи, характерные для молекул органических веществ.

2. Из-за того, что радиус атома углерода невелик, образуемые им ковалентные связи являются очень прочными. Атомы углерода образуют такие ковалентные связи с атомами большинства известных химических элементов.

3. Так как на внешнем электронном слое атома углерода имеется 4 электрона, он проявляет валентность, равную IV, — образует с другими атомами четыре ковалентные связи. Это могут быть четыре одинарные связи; две одинарные и одна двойная; две двойные; одна одинарная и одна тройная связи:

Вот примеры молекул органических веществ с такими связями:

4. Атомы углерода, в отличие от атомов других элементов, способны соединяться в цепочки любой длины. Они могут быть неразветвленными, разветвленными и замкнутыми в циклы (рис. 102):

А это примеры молекул органических веществ с такими цепочками атомов углерода (рис. 103):

Таким образом, атомы только одного химического элемента — углерода — могут соединяться как с атомами других элементов, так и между собой, образуя цепочки или циклы, в которых атомы углерода связаны с другими атомами одинарными, двойными или тройными связями. Такая уникальность атомов углерода является основой невероятно большого количества органических соединений и многообразия их классов.

Значение органических веществ в природе и жизни человека

Мир органических веществ огромен и разнообразен. В настоящее время по своему происхождению они делятся на две группы. К первой группе относятся органические соединения природного происхождения, входящие в состав всех живых организмов — человека, животных, растений и др. Они встречаются и в неживой природе в виде нефти и природного газа. Вторую группу составляют органические вещества неприродного (искусственного) происхождения. Познакомимся с ролью органических веществ в природе и жизни человека.

Органические вещества природного происхождения

Во всех процессах, протекающих в живых организмах, участвуют органические вещества природного происхождения. Важнейшими из них являются белки, жиры, углеводы, витамины, различные кислоты, ферменты и гормоны.

Белки — жизненно важные вещества, молекулы которых представляют собой цепочки из многих тысяч атомов углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Кроме знакомого нам с детства белка куриного яйца, известно несколько миллионов других белков. Они содержатся в телах всех живых организмов и выполняют множество функций. Например, белки входят в состав мышц, костей, крови, образуют хрящи, кожу, волосы, ногти, рога, копыта, перья, чешую (рис. 104). Белки участвуют в процессах сокращения мышц, защищают организм от инфекций. В живых организмах некоторые белки играют роль ферментов и гормонов, которые регулируют все жизненно важные процессы.

В организмах растений белки в наибольшем количестве содержатся в семенах, где они откладываются в запас. Особенно богаты белком семена гороха, фасоли, сои, зерна пшеницы.

Белки являются важным источником энергии для человека и животных, они входят в состав продуктов питания.

Некоторые природные яды имеют белковую природу и оказывают на человека отравляющее действие. Это белки яда змей, некоторых пауков, пчел, ос, а также белки ядовитых грибов, например бледных поганок и мухоморов.

Наряду с белками важнейшие жизненные функции выполняют нуклеиновые кислоты. Их молекулы, состоящие из огромного числа атомов углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора, являются «шаблонами», по которым организмы синтезируют нужные белки. Нуклеиновые кислоты — это своего рода запоминающие устройства, с помощью которых каждый вид живых организмов передает из поколения в поколение «прописи» строения своих белков.

Жиры — сложные органические вещества, в состав которых входят атомы углерода, водорода и кислорода. Они содержатся в организмах человека, животных, растений и др. Всем известны жиры животного происхождения, например свиной, говяжий, бараний жир, сливочное масло (рис. 105). Жиры растительного происхождения называются маслами. К ним относятся подсолнечное, льняное, рапсовое, оливковое, арахисовое, пальмовое и другие масла. Они накапливаются в семенах или в плодах растений. Проверить это можно, положив на лист бумаги семя подсолнечника и сильно нажав на него. На бумаге появится маслянистое пятно.

Жиры являются самым важным источником энергии для человека и составной частью пищи. Образуя жировые капсулы, жиры предохраняют внутренние органы от сотрясений и защищают организм от переохлаждения. Жиры, выделяемые кожными сальными железами, делают кожу человека мягкой и эластичной, а волосы — блестящими. Вместе с белками жиры являются запасным строительным материалом, из которого образуются новые клетки организма.

Углеводы — сложные органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Углеводы образуются в зеленых растениях в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды. Они входят в состав клеток и тканей всех растительных и животных организмов и по массе составляют основную часть органических веществ на Земле.

Зеленые растения в процессе фотосинтеза ежегодно поглощают из атмосферы приблизительно 200 млрд т углекислого газа CO₃. При этом в атмосферу поступает около 130 млрд т кислорода O2 и синтезируется 50 млрд т углеводов.

Животные организмы не способны синтезировать углеводы, поэтому получают их из растительных источников. К углеводам относятся, например, глюкоза, фруктоза, сахароза, крахмал, целлюлоза и др. Глюкоза, фруктоза и сахароза содержатся в соке овощей и фруктов, придавая им сладкий вкус. Глюкоза — обязательный компонент организма человека. Сахарозой богаты сахарная свекла и сахарный тростник — основные источники сахара. Крахмал накапливается в клубнях, плодах, семенах растений. Так, в клубнях картофеля содержится до 24 % крахмала, в зернах пшеницы — до 64 %, риса — 75 %, кукурузы — 70 %. Глюкоза, фруктоза, сахароза и крахмал являются важными источниками энергии для человека. Они легко усваиваются и входят в состав продуктов питания. Целлюлоза (клетчатка) — углевод, из которого состоят стенки клеток всех высших растений. Целлюлоза знакома каждому человеку и встречается буквально на каждом шагу. Пух тополя и парашютики одуванчика, вата, изготовленная из семян хлопчатника (рис. 106), лен, солома, бумага — все это почти чистая целлюлоза. Она входит в состав такого важного материала, как древесина. В организмах млекопитающих, к которым относится и человек, целлюлоза не усваивается. Однако она является основным кормом многих травоядных животных, например коров, овец, лошадей, оленей.

Витамины — это органические вещества, которые не поставляют организму энергию, но необходимы ему в небольших количествах для поддержания жизни. Естественным источником витаминов являются витаминоносные растения (шиповник, цитрусовые, петрушка, лук, капуста, морковь, смородина, рябина, облепиха и др.), а также некоторые продукты питания животного происхождения. Многие витамины сегодня получают синтетическим путем.

Витамины поступают в организм с пищей и участвуют практически во всех процессах, протекающих в нашем организме. Они необходимы для нормальной работы желез внутренней секреции, повышения умственной и физической работоспособности, устойчивости организма к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды (жара, холод, инфекции, отравления). В настоящее время известно около 20 различных витаминов. Это, например, витамин С — знакомая вам «аскорбинка», а также витамины и др. Нехватка витаминов, так же как и их избыток в организме, являются причиной различных заболеваний.

Органические вещества неприродного происхождения

Подавляющее большинство органических веществ — это соединения неприродного происхождения, они получены искусственно и входят в состав различных материалов, обладающих ценными свойствами.

Несомненно, первое место по своей значимости занимают материалы на основе различных полимеров — веществ с очень длинными молекулами, в которых одна и та же группа атомов повторяется много раз. Эти вещества обладают свойствами, позволяющими изготавливать из них различные пластмассы (пластики), синтетические волокна и каучуки. Пластмассы находят широчайшее практическое применение и многие из них вам хорошо знакомы. Так, например, полиэтилен используется для производства пленки для теплиц и различных пакетов, мусорных мешков. Из полиэтилена изготавливают также канализационные и дренажные трубы, корпуса лодок и вездеходов, различные емкости.

Полипропилен обладает большей механической прочностью, чем полиэтилен. Из него изготавливают канаты, тросы, веревки, автомобильные бамперы, водопроводные трубы, корпуса компьютеров, игрушки, пластиковые стаканчики. Вы не раз видели белые полипропиленовые мешки для сахара, круп и других продуктов. Они очень прочные и легкие, совершенно безопасны для человека. Из этого полимера изготавливают тонкое волокно, являющееся материалом для производства ковров и искусственного меха.

Поливинилхлорид (ПВХ) используется для производства оконных и дверных профилей, грязезащитных ковриков, линолеума, жалюзи, для электроизоляции проводов и кабелей. Из этого пластика изготавливают также пленки для натяжных потолков и моющихся обоев, клеенку, изоленту. Поливинилхлорид применяется также как уплотнитель в холодильниках, для оформления витрин магазинов и торговых точек, в производстве покрытия колес и роликов, например для скейтбордов.

Полимерные материалы химически высокоустойчивы и в природных условиях разлагаются очень медленно. К сожалению, производство таких материалов с каждым годом увеличивается, и их отходы (пленка, бутылки и т. п.) все больше засоряют нашу планету, в частности мировой океан. Поэтому становится все более насущной проблема раздельного сбора и переработки мусора (особенно полимерного).

Известно много полимеров, которые используются преимущественно в производстве синтетических волокон. Это, например, лавсан, капрон, нейлон и нитрон. Из волокон лавсана изготавливают немнущуюся ткань, их используют в качестве добавок при производстве шерстяных тканей. Значительная часть производимого лавсана идет на изготовление «вездесущих» пластиковых бутылок для воды и напитков. Волокна капрона устойчивы к истиранию, не впитывают влагу. Они используются в производстве канатов, рыболовных сетей, лески, гитарных струн, кордной ткани для автомобильных шин. Из капроновых нитей изготавливают прочные и легкие ткани. Капрон используется и в качестве пластмассы для изготовления деталей машин и механизмов — зубчатых колес, втулок, подшипников. Из волокон нейлона изготавливают тросы, ткани для рюкзаков, зонтов, спортивной одежды и снаряжения. Много нейлона расходуется для производства смазывающих материалов, минеральных масел. Волокно нитрон под названием «искусственная шерсть» используется для изготовления спортивной одежды, трикотажа, пальто.

Огромное значение в современном мире имеют синтетические каучуки. Из них изготавливают резину для автомобильных, авиационных и велосипедных шин (рис. 107). В ракетной технике синтетические каучуки используются в качестве основы при изготовлении твердого ракетного топлива.

Кроме синтетических полимеров, практическое применение находят и другие органические вещества неприродного происхождения. Они являются основой топлива для автомобилей, входят в состав растворителей, лаков, красок и эмалей, лекарств и взрывчатых веществ, красителей, моющих средств, удобрений и ядохимикатов, парфюмерной продукции, пищевых добавок и многих других материалов, которые прочно вошли в нашу жизнь.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник