речовини, органічні та неорганічні
Жолдаков А.
О.
Перш, ніж говорити
про органічні та неорганічні речовини слід зупинитися на питанні, що таке
речовина взагалі. Фізику просто – для нього речовина – це те, що має масу
покою. З цієї точки зору для нього що водяна пара, що лід, що суміш двох
об’ємів водню та одного кисню – все речовина, а ось для хіміка – ні. Сказати ж,
що речовина – це те, що має сталий склад, теж не можна, сталий склад мають і
евтектики – сплави металів з чітко визначеною точкою плавлення. І посилання на
молекули не дуже надійне, оскільки існує дуже багато речовин з немолекулярною
будовою, до того ж деякі з них характеризуються змінним складом, наприклад,
діоксид титану ТіО1,9–2. Тому для пояснення учням, що таке речовина,
доцільно, можливо, скористатися такою моделлю.
Якщо узяти порцію
з 1024 горіхів і розділити її навпіл, отримаємо дві порції по 512 горіхів. На
другому етапі кожну порцію знов поділимо навпіл і отримаємо вже чотири порції
по 256 горіхів. Продовжимо цю операцію, і на десятому етапі отримаємо 1024
порції по одному горіху. Але якщо на будь-якому з попередніх етапів ми зберемо
горіхи докупи, то отримаємо ті ж самі горіхи, які можна посадити і виростити з
них дерева. Але якщо провести 11-ий етап поділу, отримаємо 2048 порцій по півгоріха.
Якщо ми це зберемо докупи, то навряд чи після посадки з цього щось виросте,
зате нам буде чим поласувати. Отже, з точки зору вже не фізика, а кулінара ми
ще маємо справу з горіхами, але з точки зору агроному – ні.
Далі подумки
проведемо таку ж операцію з літром (точніше 1,14 л) води. На десятому
етапі отримаємо приблизно тисячу (1024) порцій об’ємом приблизно по 1 см3.
Подальші операції потребуватимуть від нас дуже багато часу, але припустимо, що
він в нас є. Тоді на двадцятому етапі отримаємо приблизно 106 порцій
об’ємом приблизно по 1 мм3. Наступні операції потребуватимуть не
тільки часу, але неабиякого вміння, але припустимо, що ми для цієї мети
пристосували дресированих мурах, а потім навіть мікробів, і отримали на тридцятому етапі
приблизно 109 порцій приблизно по 106 мкм3,
сороковому –1012 порцій приблизно по 103 мкм3,
п’ятидесятому –1015 порцій приблизно по 1 мкм3, а як
робитимемо це далі, вже придумати нічого не можу. Але припустимо, що можемо.
Тоді на 85-му етапі отримаємо 38·1024
порцій, про їх об’єм годі й казати. Але склавши усе докупи на будь-якому з
попередніх етапів, отримаємо відправний літр води.
А якщо б нам вдалося провести 86-ий етап, ми отримали б замість води
приблизно 2,5 м3
якогось газу, і для того, щоб перетворити його у воду, треба було б піднести до
нього сірника, що було б дуже небезпечно для експериментатора...
Для фізика і те,
що ми мали до 86-го етапу, і після нього – просто речовина, а для хіміка це вже
суміш двох речовин, і охарактеризувати їх можна їх найменшими складовими, які в
свій час назвали корпускулами, а потім – молекулами.
А як же бути з
речовинами з немолекулярною будовою, про які ми згадували вище? Проведемо такий
же уявний експеримент з 3,8
кг звичайної кухонної солі і після 86-го етапу отримаємо якусь чудернацьку суміш, яку (якщо встигнемо до того як вона
вибухне) можна було б розділити на дуже м’який метал, здатний до самозаймання
на повітрі, та зеленувато-жовтий дуже їдкий газ. Отже, і в даному випадку до 86-го етапу маємо справу з
найменшими складовими, які ще зберігають властивості
відправної речовини, тобто
молекулами. Інша справа, що у кристалі ці молекули об’єднуються з іншими у
регулярну структуру – кристалічну решітку, в якій виділити окрему молекулу
неможливо, але добре нагрівши такий кристал (до кількох тисяч °C) і випаривши
його, отримати окремі молекули ми зможемо. Що ж стосується речовин, які не
мають сталого складу, то їх можна розглядати як тверді розчини, наприклад, 5
мол% Ті2О3 у ТіО2. Дійсно, у вузлах
кристалічної решітки ТіО2 знаходяться атоми титану та оксигену,
причому у деяких вузлах атоми оксигену відсутні. Тому можна вважати, що в цьому “місці” маємо
вкраплення Ті2О3 у кристалічну решітку ТіО2,
що цілком законно можна вважати розчином. Цікаво, що хоча оксиди феруму Fе2О3
та Fе3О4 мають однакову будову кристалічної решітки, але
в останньому на кожні шість атомів феруму приходиться не 9, а 8 атомів
оксигену, сполук проміжного складу не виявлено.
Окремою
“молекулою” у кристалічній решітці може бути і атом, як-то у випадку простих
речовин – металів і деяких інших. З іншого боку такий кристал можна розглядати
як гігантську молекулу, але ясно що так ніхто не робить, щоб не ускладнювати
термінологію, а відтак і життя собі – хіба легше нам стало б жити, якщо б ми
монокристал алмазу (або коштовний діамант)
назвали молекулою вуглецю?
Кристали інших
простих речовин можуть складатися і з окремих молекул, наприклад, монокристал
сірки складається з молекул S8, які мають вигляд корони.
Звідси ясно, що
поділ речовин, як простих, так і складних, на речовини з молекулярною та
немолекулярною будовою обумовлений тільки тим, чи можемо ми у монокристалі
однозначно виділити окрему молекулу, чи ні, але у будь-якому разі ми можемо
зробити висновок, що будь-яка хімічна речовина характеризується своєю найменшою
частинкою, яка ще зберігає властивості речовини, тобто молекулою. Так, оскільки в кристалі натрій хлориду
кожний іон натрію оточений 6-ма іонами хлору (немолекулярна – іонна решітка),
ми не зможемо визначити, саме з яким з них натрій утворює молекулу, але така
молекула може існувати в газовій фазі.
Поділ на речовини
з молекулярною та немолекулярною будовою корисний в тому плані, що знаючи, якою
є решітка, ми можемо прогнозувати деякі властивості речовин, наприклад,
температури плавлення та кипіння, і навпаки, хоча на цьому шляху нас можуть
чекати і несподіванки. Так кристал ртуті має немолекулярну – атомну будову і
повинен був би плавитися при досить високих температурах, але насправді
плавиться приблизно при –40°C.
Слід зауважити, що
деякі речовини правильної кристалічної решітки не мають, як наприклад, звичайне
скло або більшість полімерних матеріалів, але такі речовини можна розглядати як
переохолоджені рідини з дуже високою в’язкістю, і в них, як у будь-якій рідині,
можуть бути окремі ділянки з будовою, близькою до кристалічної. При нагріванні
такі речовини поступово розм’якшуються і стають плинними, але чіткої точки
плавлення не мають. Прикладом є звичайна полімерна тара з під напоїв –
спробуйте налити в неї киплячу воду – дуже швидко вода буде на підлозі, а з
пляшки утвориться казна-що.
Тепер можна
перейти до спроби визначити межу між органічними та неорганічними речовинами. У
свій час визначити таку межу було дуже просто – органічні речовини походили
виключно з живих організмів. Але як тільки Веллер синтезував сечовину СО(NН2)2
з ціанату амонію NН4СNО, цей критерій відпав автоматично, тим
більше, що сечовина – карбамід, за своєю будовою дуже схожа з іншими, при тому
неорганічними, речовинами, наприклад, фосфамідом РО(NН2)3.
Тому, ризикуючи
дістати зауваження про надмірне спрощення, припустимо, що органічними
речовинами є усі ті, в яких є зв’язок С–С. Але тоді як же бути з першими
членами гомологічних рядів алканів (парафінів) – СН4, спиртів – СН3ОН,
альдегідів – СН2О та карбонових кислот – НСООН? Але для всіх них
характерною є присутність щонайменше одного зв’язку С–Н. Отже, зупинимось на
тому, що органічні речовини обов’язково повинні мати зв’язки С–С чи С–Н.
Правда, часто
органічною речовиною називають гуанідин – СN3Н5, в
молекулі якого атом карбону оточено трьома атомами нітрогену, але не станемо
звертати на це увагу, тим більше, що за своїми властивостями він нагадує
гідроксиди лужних металів – у воді утворює надзвичайно лужний розчин:
СN3Н5+
Н2О ®
СN3Н6+ + ОН–
З іншого боку,
таким чином у число органічних речовин попадає такий звичайний продукт, як
карбід кальцію СаС2, в кристалічній решітці якого чергуються іони Са2+
та С22–, де атоми карбону поєднані навіть потрійним
зв’язком. Тому будемо пам’ятати, що в науці ставити чіткі бар’єри – невдячна
справа.
Сучасна наука
змогла перескочити ще один бар’єр – зараз з неорганічних речовин вміють
виготовляти дуже багато органічних. Так, з неорганічного монооксиду карбону
виготовляють дуже багато різноманітних органічних продуктів – спирти, від
метанолу до вищих (С10–20), вуглеводні – штучне паливо, а також
багато ще чого. Штучне паливо виготовляють і з низькосортного вугілля,
яке більш ні на що не годиться.
Безумовно, хімія
органічних сполук набагато ширша, ніж хімія будь-якого з елементів, але це
викликано не стільки особливостями сполук карбону, скільки тим, що ці сполуки
мали і мають величезне значення в житті людини, зокрема, в її власному
організмі. Тому сучасна органічна хімія – це перш за все хімія отримання
фармацевтичних речовин – ліків.
Колись вважали, що
тільки атоми карбону можуть утворювати довжелезні ланцюги. Але виявилося, що
досить міцні зв’язки можуть утворювати між собою атоми сульфуру (S6,
S8, Nа2S8), атоми фосфору (червоний фосфор – Рn),
берилію ((ВеН2)n) та багато інших. А якщо згадати про
ланцюги з атомів кількох елементів, то тут поза конкуренцією ланцюги
силіконових сполук – -(SіО)n-.
Можна, безумовно,
зауважити, що карбонові ланцюги мають оптимальну міцність – з одного боку вони
дуже міцні і у багатьох сполуках починають руйнуватися тільки при температурах
вище кількасот °C, а з другого боку в певних умовах можуть легко розщеплюватися
(наприклад, як глюкоза під дією дріжджів), що і зробило їх незамінними в живих
організмах. Але ж при нижчих температурах таких ж властивостей можуть набути
нестійкі ланцюги інших елементів, а при вищих – стійкі ланцюги можуть стати
більш лабільними. Які корисні продукти можуть при цьому утворюватися, напевне
дізнаються майбутні дослідники. Прикладом вже відомих корисних сполук є
вищезгадані силікони, які є силіцій-органічними сполуками, в яких атоми силіцію
безпосередньо сполучені з атомами карбону.
Крім
силіцій-органічних сполук відомі і інші елементоорганічні сполуки. Так в
останній час в органічному синтезі набули широкого застосування так звані
боронові кислоти, в яких з карбоновим ланцюгом безпосередньо зв’язані атоми
бору.
А про
металоорганічні сполуки годі й казати – вони набули дуже великого поширення і
зараз складають окремий розділ органічної хімії. Разом з тим, вони безумовно
охоплені хімією цих елементів, тобто відповідними розділами неорганічної хімії. Наприклад, звичайні
алкоголяти лужних і лужноземельних металів безумовно походять з органічних
сполук – спиртів, але їх властивості не виходять за
рамки властивостей звичайних сполук цих металів – вони так же реагують з
кислотами та солями, здатні до гідролізу, причому похідні деяких спиртів,
наприклад, метилового, етилового, гідролізуються сильніше, майже націло, що
обумовлено їх слабшими кислотними властивостями у порівнянні з водою.
Багатоатомні ж спирти, а також феноли гідролізуються тільки частково.
Цікаво, що
алкоголяти багатьох металів на відміну від гідроксидів, є чудово розчинними,
але безумовно не у воді, а наприклад, у спиртах. Це призводить до того, що в
абсолютному (безводному) етанолі без слідів кисню алюміній не покривається
захисною плівкою і поступово повністю розчиняється з виділенням водню.
Утворений етанолят алюмінію має цікаву особливість – це дуже летючий продукт,
який можна розглядати як естер алюмінатної кислоти Н3АlО3.
Цим він нагадує безводний хлорид алюмінію, який не плавлячись сублімується при
температурі 160°C.
Правда, звичайно металоорганічними сполуками вважають сполуки, в яких є зв’язок
Ме–С, наприклад, широко вживаний бутиллітій LіС4Н9,
етилмагній хлорид С2Н5МgСl тощо, але більшість їх
розглядають у ще одній “хімії” – комплексних чи координаційних сполук, яка
зараз потихеньку доганяє органічну за кількістю отриманих речовин та їх
“дивовижністю”. Так, відомі “сендвічові” сполуки, як-то дициклопентадієнілферум
чи дибензолхром, в яких атом металу знаходиться поміж двома циклічними
структурами з п’яти чи шести атомів карбону, відповідно, і зв’язаний абсолютно
однаково 10 чи 12 зв’язками з кожним з
атомів карбону загалом 18-ма електронами, тобто 9-ма електронними парами (по
одному від кожного атома карбону плюс чотири d-електрони хрому чи шість –
феруму). Природно, що звичайна теорія спрямованих двоелектронних ковалентних
зв’язків тут не “працює”, і бажаючі зрозуміти їх будову повинні ознайомитися з
теорією багатоцентрових, молекулярних орбіталей, для якої опис таких сполук
(принаймні якісний) ніяких труднощів не представляє.
Таким чином, ми
бачимо, що первісний поділ речовин
на органічні та неорганічні зараз є дуже умовним і
чим далі, тим більше розмивається. І нам треба ще раз згадати, що в науці нема
чітких меж – там вже давно склалося своєрідне хімічне “ЄС” практично без
кордонів між “країнами”.
Немає коментарів:
Дописати коментар