ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Структурна теорія будови органiчних речовин

РОЗДІЛ І

ВСТУП

Визначення органічної хімії та її значення

Органічна хімія - це розділ хімічної науки, яка вивчає сполуки вуглецю з іншими елементами. На ранній стадії розвитку, предмет дослідження обмежувався сполуками вуглецю рослинного і тваринного походження. Особливо велику кількість сполук вуглець утворює з такими елементами, як H, O, N, S, P, галогенами. Тому ці елементи отримали назву елементів – органогенів. Однак, не всі сполуки вуглецю класифікуються як органічні, наприклад, CO₂, HCN, CS₂, традиційно відносяться до неорганічних.

Органiчних сполук вуглецю відомо більше 10 млн., причому кількість їх зростає щорічно на 250-300 тис., тоді як неорганiчних нараховується біля 800 тис. Різноманітність органічних сполук пояснюється унікальною властивістю атомів вуглецю з'єднуватися один з одним простими або кратними зв'язками, утворюючи ланцюги з практично необмеженою кількістю атомів. Атоми вуглецю здатні утворювати міцні зв'язки майже зі всіма елементами періодичної системи.

Величезна кількість та різноманітність органічних сполук визначає органічну хімію, як найбільший розділ сучасної хімії. Навколишній світ побудований, головним чином, з органічних сполук: їжа, паливо, одяг, ліки, фарби, волокна, пластмаси та інші конструкційні матеріали, миючі засоби, тощо, відносяться до органічних речовин. Виключно важливу роль відіграють органічні сполуки у процесах життєдіяльності рослин, тварин, людини.

ОСНОВНІ СИРОВИННІ ДЖЕРЕЛА ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

До основних сировинних джерел вуглеводнів вiдносяться нафта, газ, кам`яне вугілля.

Нафта.

Нафта - це природна рідка суміш вуглеводнів різної будови з домішками кисневмісних, сірковмісних і азотовмісних органічних сполук. Нафта є маслянистою рідиною коричневого кольору, нерозчинною у воді. Переважна більшість всієї добутої нафти переробляється на пальне, однак з року в рік збільшується кількість нафти, що використовується як сировина в органічному синтезі.

До складу нафти входять ациклічні, циклоалканові та ароматичні вуглеводні. Кисневмісні сполуки представлені нафтеновими кислотами, фенолами, асфальто-смолистими речовинами. Сірчисті сполуки нафти - це сірководень, меркаптани, сульфіди, тіофен. Азотисті сполуки складаються, головним чином, з гомологів піридину та хіноліну. Компонентами нафти є також розчинені в ній гази, вода та мінеральні солі.

Сира нафта, що поступає на нафтопереробний або нафтохімічний заводи спочатку проходить процес підготовки до переробки; цей процес включає стадії зневоднення, дегазації, знесолення та стабілізації.

Розрізняють первинну та вторинну переробку нафти.

Первинна переробка полягає у фракційній перегонці (ректифікації) нафти. При атмосферному тиску відганяють світлі нафтопродукти (табл.1.1). Залишок, що має температуру кипіння більше 300^оС при атмосферному тиску вже не переганяється, і називається мазутом. Мазут переганяють при пониженому тиску, в результаті чого одержують темні нафтопродукти — мінеральні оливи, мастила та парафін. Залишок після перегонки мазуту називається гудроном, з якого виробляють бітум.

Таблиця 1.1.

Продукти перегонки нафти

Фракції	Температура кипіння, ^оС	Число атомів вуглецю в молекулах вуглеводнів
Світлі нафтопродукти: Г аз Петролейний етер Лігроїн Прямогонний бензин Гас Солярова олива (дизпаливо)	нижче 20 20-100 60-100 60-205 175-275 230-300	С₁ - С₄ С₅ - С₆ С₆ - С₇ С₅ - С₁₀ С₁₀ - С₁₅ С₁₂ - С₁₈
Темні нафтопродукти: Мастила та оливи Парафін		С₂₀ - С₅₀ С₂₀ - С₃₅

Вторинна переробка нафти — крекінг (від англ. to crack — колоти, розщеплювати), полягає у перетворенні висококиплячих нафтових фракцій - гасу, солярової оливи, мазуту в низькокиплячі — бензини. У процесі крекінгу відбувається розщеплення довгих вуглецевих ланцюгів з утворенням суміші насичених і ненасичених вуглеводнів. Паралельно протікають процеси ізомеризації та циклізації вуглецевих скелетів вуглеводнів.

Розрізняють два основних види крекінгу - термічний та каталітичний (див.стор. ). Продукти перегонки та крекінгу нафти використовують як моторне паливо або піддають ще глибшому очищенню з метою виділення індивідуальних сполук, які в свою чергу, служать вихідною сировиною для добування різноманітних органічних речовин.

Природні гази

Природні гази містять від 80 до 97% метану, 0,5-4 % етану, до 1,5% пропану, бутан, азот та інші домішки. З природного газу добувають ацетилен, синтез-газ(суміш СО і Н₂0), водень, газову сажу (дрібнодисперсний вуглець), хлоропохідні продукти.

Ректифікацією при низькій температурі з природного газу виділяють етан, пропан, бутан, які також використовують як пальне і сировину для органічного синтезу.

Кам’яне вугілля

Кам’яне вугілля є важливим джерелом ароматичних та гетероциклічних сполук. Головним процесом переробки кам’яного вугілля є коксування. Для цього вугілля нагрівають у спеціальних камерах - коксових батареях без доступу повітря до температури 1200-1300^оС. При цьому утворюються чотири основних продукти: кокс, кам’яновугільна смола, аміачна вода, коксовий газ.

Кам’яновугільна смола шляхом фракційної перегонки розділяється на кілька фракцій (табл. 1.2).

Таблиця 1.2.

Продукти перегонки кам’яновугільної смоли

Фракція	Температура кипіння, ^оС	Основні продукти
легкий олій середній олій важкий олій антраценовий олій залишок (пек)	до 170 170-230 230-270 270-340 -	ароматичні вуглеводні (бензен, толуєн, ксиле-ни) феноли нафталін антрацен

Коксовий газ складається з метану, етилену, пропілену, водню, оксиду вуглецю (ІІ). Крім того, в 1 м³ коксового газу міститься приблизно 30 г бензену і 10 г толуєну.

В 20-30-ті роки ХХ ст. в Німеччині були розроблені промислові методи одержання з вугілля рідких вуглеводнів, які можна використовувати як моторне паливо. Для добування суміші рідких вуглеводнів вугілля гідрують за методом Бергіуса або перетворюють на синтез-газ (суміш СО та Н₂), з якого синтезують алкани, спирти тощо.

Інші джерела

Такі органічні речовини як клітковина, крохмаль, вуглеводи, рослинні та ефірні олії, терпени, смоли тощо, є продуктами життєдіяльності рослин і добуваються з них.

Органічні речовини тваринного походження — білки, ферменти, гормони, також використовують як сировину для органічного синтезу.

Перспективним джерелом органічних сполук є океан, оскільки в морських рослинах та планктоні міститься основна маса органічних речовин нашої планети.

Актуальним сьогодні є використання сировини із вiдходiв виробництв, продукції сiльського та лiсового господарства, торфу. У широкому розумінні відходи — це все те, що людина викидає на планету в результаті життєдіяльності та господарювання. Відходи виробництва — це матеріальні залишки виробничого процесу, які втратили свою споживчу вартість. Розвиток виробництва та збільшення обсягів споживання спричинили нагромадження на планеті такої кількості відходів, яка стала загрожувати здоров’ю людей та довкіллю. Тільки 1-1,5% природних ресурсів необхідне для виробництва продукції, а 98 % надходить у природне середовище у вигляді відходів. За сучасних умов обсяги відходів перевищують здатність екосистем їх нейтралізувати.

Кількість відходів, що утворюються на промислових виробництвах можна визначити за матеріальним індексом виробництва, тобто за сумарними витратами сировини та допоміжних матеріалів на одну тонну готової продукції. При відсутності відходів матеріальний індекс виробництва дорівнює одиниці. На сучасних виробництвах він, як правило, значно більший. Так, наприклад, у виробництві барвників він коливається від 10 до 30.

Середній рівень залучення відходів (вторинних ресурсів) в Україні складає 12 %, причому ефективні напрямки переробки відходів становлять лише 3-5 %, що в 7-8 разів нижче, ніж у розвинутих країнах. Ось чому залучення вторинних ресурсів у господарський обіг є важливим фактором оздоровлення екологічної ситуації. Це пiдвищує екологiчний рiвень технологiй i є критерiєм науково-технiчного розвитку цивiлiзованого суспiльства.

Структурна теорія будови органiчних речовин

Органічна хімія, як наука, виникла в кінці ХVIII, на початку XIX ст. Злиття хімії сполук рослинного та тваринного походження в єдину хімічну науку здійснив Я.Берцеліус, який вважав, що утворення органічних сполук можливе лише в живому організмі при наявності т. з. "життєвої сили". Ця теорiя одержала назву "вiталiзм" (вiд лат. vita — життя). Згідно з теорією “віталізму”, розвиток живої і неживої матерії відбувається за різними законами, що означає неможливість синтезу органічних речовин з неорганічних без втручання “життєвої сили”.

Ідеалістичне вчення віталістів сповільнювало розвиток органічної хімії, однак, ціла низка експериментальних робіт виконаних у першій половині ХІХ ст. довела помилковість основних положень “віталізму”. Так, німецький хімік Велер отримав з неорганічних речовин щавлеву кислоту (1824) і сечовину (1828). Російський вчений М.М.Зінін одержав синтетичним шляхом анілін (1842), який раніше одержували з рослинної сировини. В 1845 р. німецький учений Кольбе синтезував оцтову кислоту, у 1854 р. француз Бертло – жири, а в 1861 р. О.М.Бутлєров одержав першу цукристу речовину.

Спочатку синтез органічних речовин здійснювався випадково, керуючись здебільше інтуїцією. Однак дослідники помічали все більше закономірностей при перетворенні одних речовин в інші, які дозволяли згруповувати органічні речовини. Так, наприклад, виявили схожість між спиртом, хлористим етилом, діетиловим етером, які містять угрупування С₂Н₄ (алкільний залишок або радикал -у сучасному розумінні), назване “етерином”. Спирт і етер розглядалися як гідрати етерину, хлористий етил – як гідрохлорид етерину (Дюма, Берцеліус).

Визначний німецький учений Лібіх, використовуючи масло гіркого мигдалю, одержав ряд речовин, які містять угрупування (радикал) С₆Н₅СО: (бензойний альдегід С₆Н₅СО-Н, бензойну кислоту С₆Н₅СО-ОН, хлористий бензоїл С₆Н₅СО-СІ тощо).

Ці та інші досягнення спонукали хіміків до створення першої теорії органічної хімії – теорії радикалів (Дюма, Лібіх, Берцеліус). Її автори ввожали, що радикали в органічній хімії відіграють роль атомів в неорганічних сполуках і не можуть змінюватися при хімічних перетвореннях. Однак, було встановлено, що в органічних радикалах атоми водню можуть заміщуватися навіть на такі відмінні від водню за хімічною природою атоми, як атоми хлору (Дюма) і при цьому тип хімічної сполуки зберігається.

На зміну теорії радикалів прийшла досконаліша теорія типів (Лоран, Жерар, Дюма), яка охоплювала більший експериментальний матеріал.

Більшість послідовників теорії типів (Жерар, Кольбе, Кекуле та ін.) вважали, що неможливо визначити будову речовини дослідженнями. Органічні речовини можна тільки класифікувати за способами перетворень, у які вони вступають. При такій класифікації одна й та ж органічна речовина може бути віднесена до різних типів. Спочатку нараховували чотири, потім п’ять типів органічних сполук: водню, хлористого водню, води, аміаку та метану.

Теорія типів намагалася класифікувати доволі об’ємний експериментальний матеріал, який був накопичений до середини ХІХ ст., але передбачити існування та шляхи синтезу органічних сполук невідомих класів вона не могла.

Органічна хімія у ці роки виглядала, як сказав Велєр, «…дрімучим лісом, повним дивовижних речей, величезною хащею без виходу і кінця, куди не насмілишся увійти».

Зростаючий розвиток науки вимагав створення нової, прогресивнішої теорії органічної хімії, до якої долучилися учені декількох країн: російський вчений Олександр Бутлєров, шотландець Арчибальд Скотт Купер, англієць Едуард Франкланд, видатні німецькі хіміки Август Кекулє та Генріх Кольбе.

Франкланд увiв поняття про валентнiсть елементiв, як властивiсть приєднувати тiльки певну кiлькiсть атомiв інших елементiв. А.Кекуле, А.Купер i Г.Кольбе висунули принцип чотиривалентностi вуглецю. Незалежно один вiд одного, Кекуле i Кольбе встановили, що атоми вуглецю можуть з`єднуватися в ланцюги, а Купер запропонував сучасне написання структурних формул. Це дозволило О.М.Бутлерову в 1861 р. сформулювати “Структурну теорію будови органiчних речовин”:

1. Атоми в молекулах органічних речовин розташовані не безладно, а у певній послідовності, відповідно до їх валетності.

2. Природа органiчної речовини визначається якiсним та кiлькiсним складом її молекул, а також хiмiчною будовою.

3. Хiмiчна будова - це певний порядок, у якому атоми сполучені між собою в молекулах органічних речовин.

4. Оскільки властивості речовини залежать від її будови, то вивчаючи властивості, можна визначити будову речовини.

5. Речовини, що мають однаковий якiсний i кiлькiсний склад, але рiзну будову i, як наслiдок, рiзнi властивостi - називаються ізомерами.

О.Бутлеров передбачив iснування трьох iзомерiв пентану (С₅Н₁₂) i синтезував їх.

В 70-х роках ХІХ століття “Структурна теорія будови” була доповнена теорією просторового розташування атомів у молекулі — стереохімічною теорією Я.Ванг-Гоффа і Ж.Ле-Беля. Було сформульовано поняття про тетраедричну конфігурацію найпростіших органiчних сполук та пояснено явище оптичної ізомерії (енантіомерії).

Таким чином, до кiнця ХIХ столiття створення класичної теорії хiмiчної будови було завершено. Однак, залишилася нез’ясованою природа валентних сил, що зв`язують атоми в молекулі. Невивченою у той час була і будова самого атома.

На початку ХХ століття, роботи вчених Е.Резерфорда, Л.Де-Бройля, В.Косселя, Г.Льюїса, заклали основи квантово-механічних уявлень про будову атомів i молекул, які дозволили пояснити валентність атомів, природу хімічних зв’язків, взаємозв’язок будови органічних речовин з їх реакційною здатністю.