речовини, органічні та неорганічні

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 ТіО_1,9–2. 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 С₂^2–, 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 (С_10–20), 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 – Р_n), 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”.