Предмет органической химии
Введение
Химия - наука о химических элементах, их соединениях и превращениях, происходящих в результате химических реакций. Она изучает, из каких веществ состоит тот или иной предмет; почему и как ржавеет железо, и почему олово не ржавеет; что происходит с пищей в организме; почему раствор соли проводит электрический ток, а раствор сахара — нет; почему одни химические изменения происходят быстро, а другие — медленно.
Химия – (греч.) наука, занимающаяся изучением состава тел; она учит, из каких простых веществ (химических элементов) состоят тела, как их можно разложить (химический анализ) на составные части и получить снова из этих составных частей (химимический синтез).
Химия - наука о составе, строении, изменениях и превращениях, а также об образовании новых простых и сложных веществ. Химию, говорит Энгельс, можно назвать наукой о качественных изменениях тел, происходящих под влиянием изменения количественного состава.
Современная химия — настолько обширная область естествознания, что многие её разделы по существу представляют собой самостоятельные, хотя и тесно взаимосвязанные научные дисциплины.
По признаку изучаемых объектов (веществ) химию принято делить на неорганическую и органическую. Объяснением сущности химических явлений и установлением их общих закономерностей на основе физических принципов и экспериментальных данных занимается физическая химия, включающая квантовую химию, электрохимию, химическую термодинамику, химическую кинетику. Самостоятельными разделами являются также аналитическая и коллоидная химия.
Рассмотрим более подробно органическую, физическую и аналитическую химии.
1 Органическая химия.
Органическая химия – химия соединений углерода. Как самостоятельная область химии стала складываться лишь в 19 веке, термин "органическая химия" введен Й. Берцелиусом в 1827. Большое влияние на развитие органической химии оказала теория химического строения (А. М. Бутлеров, 1861). Способность углерода соединяться с большинством элементов и образовывать молекулы самого различного состава и строения (цепного, циклического, с простыми и кратными связями между атомами) обусловливает огромное многообразие органических соединений (к 90-м гг. 20 век их число превысило 10 млн.).
1.1 История возникновения
Способы получения различных органических веществ были известны еще с древности. Египтяне и римляне использовали красители индиго и ализарин, содержащиеся в растительных веществах. Многие народы знали секреты производства спиртных напитков и уксуса из сахар- и крахмалсодержащего сырья.
Во времена средневековья к этим знаниям ничего не прибавилось, некоторый прогресс начался только в 16 - 17 в: были получены некоторые продукты, в основном путем перегонки некоторых растительных продуктов. В 1769—1785 г. Шееле выделил несколько органических кислот, таких как яблочная, винная, лимонная, галловая, молочная и щавелевая. В 1773 г. Руэль выделил из человеческой мочи мочевину.
Историю органической химии принято излагать в связи с открытиями в области строения органических соединений, однако такое изложение больше связано с историей химии вообще. Гораздо интереснее рассматривать историю органической химии с позиции материальной базы, т. е. собственно предмета изучения органической химии.
На заре органической химии предметом изучения были преимущественно субстанции биологического происхождения. Именно этому факту органическая химия обязана своим названием. Научно-технический прогресс не стоял на месте, и со временем основной материальной базой органической химии стала каменноугольная смола, выделяемая при получении кокса прокаливанием каменного угля. Именно на основе переработки каменноугольной смолы в конце 19 века возник основной органический синтез.
Выделенные из животного или растительного сырья продукты имели между собой много общего, но отличались от неорганических соединений. Так возник термин «Органическая химия» — раздел химии, изучающий вещества, выделенные из организмов (определение Берцелиуса, 1807 г.). При этом полагали, что эти вещества могут быть получены только в живых организмах благодаря «жизненной силе».
Как принято считать, органическая химия как наука появилась в 1828 году когда Фридрих Вёлер впервые получил органическое вещество – мочевину – в результате упаривания водного раствора цианата аммония (NH4OCN).
Важным этапом стала разработка теории валентности Купером и Кекуле в 1857 г., а также теории химического строения Бутлеровым в 1861 г. В основу этих теорий были положены четырёхвалентность углерода и его способность к образованию цепей. В 1865 году Кекуле предложил структурную формулу бензола, что стало одним из важнейших открытий в органической химии. В 1875 г. Вант-Гофф и Ле Бель предложили тетраэдрическую модель атома углерода, по которой валентности углерода направлены к вершинам тетраэдра, если атом углерода поместить в центр этого тетраэдра. В 1917 году Льюис предложил рассматривать химическую связь с помощью электронных пар.
В 1931 г. Хюккель применил квантовую теорию для объяснения свойств ароматических углеродов, чем основал новое направление в органической химии — квантовую химию. В 1933 г. Ингольд провел изучение кинетики реакции замещения у насыщенного атома углерода, что привело к масштабному изучению кинетики большинства органических реакций.
В 50-60 годах прошлого века произошел переход основного органического синтеза на новую базу — нефть. Таким образом, появилась новая область химии — нефтехимия. Огромный потенциал, который был заложен в новом сырье, вызвал бум в органической химии и химии вообще. Появление и интенсивное развитие такой области как химии полимеров, обязана прежде всего новой сырьевой базе.
Предмет органической химии
Предмет органической химии включает следующие цели, экспериментальные методы и теоретические представления: выделение индивидуальных веществ из растительного, животного или ископаемого сырья; синтез и очистка соединений; определение структуры веществ; определение механизмов химических реакций; выявление связей между структурой органических веществ и их свойствами.
Несмотря на то, что современная органическая химия в качестве материальной базы, по прежнему использует сырье биологического происхождения и каменноугольную смолу, объем переработки этих видов химического сырья по сравнению с нефтепереработкой мал. Смена материально-сырьевой базы органической химии была вызвана прежде всего возможностями наращивания объемов производства.
1.3 Строение органических молекул и веществва
Органические молекулы в основном образованы ковалентными неполярными связями C—C, или ковалентными полярными типа C—O, C—N, C—Hal. Согласно октетной теории Льюиса и Косселя молекула является устойчивой, если внешние орбитали всех атомов полностью заполнены. Для таких элементов как C, N, O, Галогены необходимо 8 электронов, чтобы заполнить внешние валентные орбитали, для водорода необходимо только 2 электрона. Полярность объясняется смещением электронной плотности в сторону более электроотрицательного атома.
Классическая теория валентных связей не в состоянии объяснить все типы связей, существующие в органических соединениях, поэтому современная теория использует методы молекулярных орбиталей и квантовохимические методы.
Свойства органических веществ определяются не только строением их молекул, но и числом и характером их взаимодействий с соседними молекулами, а также взаимным пространственным расположением. Наиболее ярко эти факторы проявляются в различии свойств веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях. Так, вещества, легко взаимодействующие в виде газа, могут совершенно не реагировать в твердом состоянии, или приводить к другим продуктам.
В твердых органических веществах, в которых наиболее ярко проявляются эти факторы, различают органические кристаллы и аморфные тела. Примеры полезных органических твердых тел - органические люминофоры, разнообразные полимеры, сенсоры, катализаторы, электропроводники, магниты и др.
1.4 Особенности органических реакций
В неорганических реакциях обычно участвуют ионы, они проходят быстро и до конца при комнатной температуре. В органических реакциях часто происходят разрывы ковалентных связей с образованием новых. Как правило, эти процессы требуют особых условий: определенной температуры, времени реакции, и часто наличия Катализатора. Обычно протекает не одна, а сразу несколько реакций, поэтому выход целевого вещества зачастую не превышает 50 %. Поэтому при изображении органических реакций используют не уравнения, а схемы без расчета стехиометрии.
Реакции могут протекать очень сложным образом и в несколько стадий, не обязательно так, как реакция условно изображена на схеме. В качестве промежуточных соединений могут возникать карбкатионы R+, карбанионы R−, радикалы R·, карбены CX2, катион-радикалы, анион-радикалы, и другие активные или нестабильные частицы, обычно живущие доли секунды. Подробное описание всех превращений, происходящих на молекулярном уровне во время реакции, называется механизмом реакции.
Синтез многочисленных органических веществ привел к созданию новых отраслей промышленности - синтетических красителей, полимеров, искусственного жидкого топлива и другие Успехи органической химии позволили рационально использовать нефть, каменный уголь, природный
газ, лесохимическое и другое сырье. Пользуясь методами органической химии, удалось установить структуру белков, нуклеиновых кислот и других сложных природных соединений, синтезировать витамины, некоторые гормоны, ферменты. Ряд направлений органической химии благодаря их интенсивному развитию вырос в большие специальные разделы, например химия высокомолекулярных соединений.
Физическая химия
Физическая химия - наука, объясняющая химические явления и устанавливающая их закономерности на основе общих принципов физики. Название науки "Физическая химия" введено М. В. Ломоносовым, который впервые (1752-1753) сформулировал ее предмет и задачи и установил один из основных законов - сохранения массы, закон при химических превращениях.
Выделение физической химии в самостоятельную отрасль химической науки произошло в конце XIX века. На первом этапе своего развития физическая химия ограничивалась изучением макроскопических (непосредственно наблюдаемых) характеристик систем и процессов. Основные задачи современной физической химии - изучение состояния и строения вещества, химические связи, кинетики и механизма химических превращений с использованием новейших экспериментальных и расчетных методов. Физическая химия включает квантовую химию, химическую термодинамику, химическую кинетику, учение о катализе, механохимию и другие. В физическую химию обычно включают также коллоидную химию, электрохимию, фотохимию, радиационную химию, плазмохимию, лазерную химию и другие. Физическая химия служит теоретической основой неорганической, органической и аналитической химии, а также химической технологии.
Физическая химия — это разносторонне разветвленная наука, тесно связывающая физику и химию.
В самой физической химии к настоящему времени выделились и вполне сложились в качестве самостоятельных разделов, обладающих своими особыми методами и объектами исследования, электрохимия, учение о растворах, фотохимия, кристаллохимия. В начале XX века выделилась также в самостоятельную науку выросшая в недрах физической химии коллоидная химия. Со второй половины XX века в
связи с интенсивной разработкой проблем ядерной энергии возникли и получили большое развитие новейшие отрасли физической химии — химия высоких энергий, радиационная химия (предметом ее изучения являются реакции, протекающие под действием ионизирующего излучения), химия изотопов.
Физическая химия рассматривается сейчас как наиболее широкий общетеоретический фундамент всей химической науки. Многие ее учения и теории имеют большое значение для развития неорганической и особенно органической химии. С возникновением физической химии, изучение вещества стало осуществляться не только традиционными химическими методами исследования, не только с точки зрения его состава и свойств, но и со стороны структуры, термодинамики и кинетики химического процесса, а также со стороны связи и зависимости последнего, от воздействия явлений, присущих другим формам движения (световое и радиационное облучение, световое и тепловое воздействие и т.д.).
Примечательно, что в первой половине XX века сложилась пограничная наука между химией и новыми разделами физики (квантовая механика, электронная теория атомов и молекул), которую стали позднее называть химической физикой. Она широко применила теоретические и экспериментальные методы новейшей физики к исследованию строения химических элементов и соединений и особенно механизма реакций. Химическая физика изучает взаимосвязь и взаимопереход химической и субатомной форм движения материи.
В иерархии основных наук, данной Ф. Энгельсом, химия непосредственно соседствует с физикой. Это соседство и обеспечило ту быстроту и глубину, с которой многие разделы физики плодотворно вклиниваются в химию. Химия граничит, с одной стороны, с макроскопической физикой — термодинамикой, физикой сплошных сред, а с другой - с микрофизикой - статической физикой, квантовой механикой.
Общеизвестно, сколь плодотворными эти контакты оказались для химии. Термодинамика породила химическую термодинамику — учение о химических равновесиях. Статическая физика легла в основу химической кинетики — учения о скоростях химических превращений. Квантовая механика вскрыла сущность Периодического закона Д. И. Менделеева. Современная теория химического строения и реакционной способности - это квантовая химия, т.е. приложение принципов квантовой механики к исследованию молекул и «X» превращений.
Еще одним свидетельством плодотворности влияния физики на химическую науку является все расширяющееся применение физических методов в химических исследованиях. Поразительный прогресс в этой области особенно отчетливо виден на примере спектроскопических методов. Еще совсем недавно, из бесконечного диапазона электромагнитных излучений химики использовали лишь узкую область видимого и примыкающего к нему участков инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Открытие физиками явления магнитного резонансного поглощения привело к появлению спектроскопии ядерного магнитного резонанса, наиболее информативного современного аналитического метода и метода изучения электронного строения молекул, и спектроскопии электронного парамагнитного резонанса, уникального метода изучения нестабильных промежуточных частиц - свободных радикалов. В коротковолновой области электромагнитных излучений возникла рентгеновская и гамма - резонансная спектроскопия, обязанная своим появлением открытию Мессбауэра. Освоение синхротронного излучения открыло новые перспективы развития этого высокоэнергетического раздела спектроскопии.
Казалось бы, освоен весь электромагнитный диапазон, и в этой области трудно ждать дальнейшего прогресса. Однако появились лазеры — уникальные по своей спектральной интенсивности источники — и вместе с ними принципиально новые аналитические возможности. Среди них можно назвать лазерный магнитный резонанс — быстро развивающийся высокочувствительный метод регистрации радикалов в газе. Другая, поистине фантастическая возможность — это штучная регистрация атомов с помощью лазера — методика, основная на селективном возбуждении, позволяющая зарегистрировать в кювете всего несколько атомов. Поразительные возможности для изучения механизмов радикальных реакций дало открытие явления химической поляризации ядер.
Сейчас трудно назвать область современной физики, которая бы прямо или косвенно не оказывала влияние на химию. Взять, например, далекую от мира молекул, построенного из ядер и электронов, физику нестабильных элементарных частиц. Может показаться удивительным, что на специальных международных конференциях обсуждается химическое поведение атомов, имеющих в своем составе позитрон или мюон, которые, в принципе, не могут дать устойчивых соединений. Однако уникальная информация о сверхбыстрых реакциях, Которую такие атомы позволяют получать, полностью оправдывает этот интерес.
Оглядываясь на историю взаимоотношений физики и химии, мы видим, что физика играла важную, подчас решающую роль в развитии теоретических концепций и методов исследования в химии. Степень признания этой роли можно оценить, просмотрев, например, список лауреатов Нобелевской премии по химии. Не менее трети в этом списке — авторы крупнейших достижений в области физической химии. Среди них — те, кто открыл радиоактивность и изотопы (Резерфорд, М. Кюри, Содди, Астон, Жолио-Кюри и др.), заложил основы квантовой химии (Полинг и Малликен) и современной химической кинетики (Хиншелвуд и Семенов), развил новые физические методы (Дебай, Гейеровский, Эйген, Норриш и Портер, Герцберг).
Наконец, следует иметь в виду и то решающее значение, которое начинает играть в развитии науки плодотворность труда ученого. Физические методы сыграли и продолжают играть в этом отношении в химии революционизирующую роль. Достаточно сравнить, например, время, которое затрачивал химик-органик на установление строения синтезированного соединения химическими средствами и которое он затрачивает теперь, владея арсеналом физических методов. Несомненно, что этот резерв применения достижений физики используется далеко не достаточно.
Подведем некоторые итоги. Мы видим, что физика во все большем масштабе и все более плодотворно вторгается в химию. Физика вскрывает сущность качественных химических закономерностей, снабжает химию совершенными инструментами исследования. Растет относительный объем физической химии, и не видно причин, которые могут замедлить этот рост.
3 Аналитическая химия
Самостоятельной областью химии является наука о методах определения состава вещества — аналитическая химия. Ее основная задача — определение химических элементов или их соединений, входящих в состав исследуемого вещества, — решается путем анализа. Аналитическая химиярассматривает принципы и методы определения химического состава вещества. Можно выделить три крупных направления аналитической химии: общие теоретические основы; разработка методов анализа; аналитическая химия отдельных объектов