Читаем Эта увлекательная химия онлайн бесплатно

Аппаратура, изображения в одной из таблиц 'Курса химии' Николя Лемери (Париж, 1756 г.)

Рисунок из 'Курса аналитической и физиологической химии' Робэна и Bердейля (Париж, 1853 г.). Так выглядят под микроскопом кристаллы некоторых веществ животного происхождения

На рисунке 'Пликто' Джовани Вентуры Россети (Венеция, 1548 г.) изображена одна из стадий работы по крашению ткани

Эта книжка — об органической химии. История этой науки полна гениальных "догадок, блестящих, исключительных по своему изяществу и наглядности экспериментов, острых столкновений идей и гипотез, обширных, революционизирующих всю нашу жизнь приложений в сфере техники, медицины, сельского хозяйства, быта. По сравнению с некоторыми другими областями знания органическая химия — наука молодая. Действительно: математика и астрономия зародились в глубокой древности, тысячелетия назад; возраст физики (точнее, некоторых ее разделов, например, механики) исчисляется многими сотнями лет. Органическая химия сформировалась как особая область химической науки, приобрела необходимый всякой науке теоретический фундамент и перешла от собирания фактов к их осмыслению немногим более столетия назад. Но сколько сделано за этот короткий срок! Получены миллионы новых соединений, среди них лекарства и красители, душистые вещества и волокна, топливо и пластмассы, продукты питания и биологически активные вещества, открыты сотни типов химических реакций. И хотя фундамент органической химии в настоящее время представляется в основном завершенным, наука эта продолжает интенсивно развиваться и дарить радостью открытий и находок все новые поколения исследователей.

В первых главах автор рассказывает о самых основных понятиях органической химии, о простейших классах органических веществ. Затем автор переходит к приложениям органической химии в других областях знаний, прежде всего — в биоорганической химии и молекулярной биологии. Эти ветви естествознания, сформировавшиеся в последние несколько десятилетий, целиком заимствуют из органической химии ее закономерности, теоретический аппарат. Многие стороны биологических процессов, ранее казавшиеся таинственными и непознаваемыми, удалось перевести на ясный, четкий язык химических формул.

Для кого эта книжка? Прежде всего, она адресована нашей молодежи, школьникам, которым предстоит выбор профессии. Кое-что интересное найдут здесь для себя и другие читатели, все, кто интересуется химией. Люди, наукой профессионально не занимающиеся, обычно довольно слабо представляют себе, в чем заключается обыденный труд научного работника. Многие не знают, каким образом специалисты обмениваются информацией, не подозревают о существовании огромного количества научных узкоспециальных журналов. Бывает, что, не найдя ответа на какой-либо вопрос в учебниках или научно-популярных изданиях, приходят к выводу, что этот вопрос наукой вообще не затрагивался. Автор попытался в последних главах в какой-то мере осветить эту сторону жизни науки, рассказать, как пользуются реферативными журналами, приоткрыть дверь в научную библиотеку. Не оставил он без внимания и другую очень важную сторону работы современного химика-органика — использование достижений физики и техники. Эти разделы дают некоторое представление о том, как тесно связаны, переплетены современные науки.

Автор этой книги Г. Б. Шульпин, кандидат химических наук, работает в Институте химической физики Академии наук СССР. Он выпускник химического факультета МГУ, принадлежит к младшему поколению исследователей школы академика А. Н. Несмеянова. В настоящее время Г. Б. Шульпин занимается исследованием механизмов металлокомплексного гомогенного катализа и синтезом металлоорганических соединений. Уже много лет он совмещает исследовательскую работу с популяризацией науки, известен своими публикациями в журналах "Наука и жизнь", "Химия и жизнь". Думаю, что читателям будет интересно ознакомиться с органической химией "из первых рук", в изложении исследователя-экспериментатора, который активно работает в одном из актуальных направлений этой науки, и, как мне представляется, сумел передать в этой небольшой по объему книге дух увлеченности и восхищения исследователя совершеннейшим созданием человеческого ума, имя которому — химия.

М. Гольдфельд

Сколько самых разных зданий — больших и маленьких, прекрасных и неказистых — выстроено на земле. Что общего может быть у собора Василия Блаженного и вот этого старого, предназначенного на слом домишки, закрывающего вид из вашего окна? А общее вот что: они построены, в принципе, из однотипных деталей. Так же, как в архитектуре, в химии громадное разнообразие сложнейших органических соединений сводится всего к нескольким видам простых "кирпичиков", из которых "складываются" молекулы всех этих веществ.

Самое простое органическое соединение — метан. Его молекула состоит из пяти атомов — одного атома углерода и четырех атомов водорода, равномерно распределенных в пространстве вокруг этого центрального атома углерода. Здесь мы сталкиваемся прежде всего с важнейшим постулатом органической химии — во всех незаряженных органических молекулах углерод всегда четырехвалентен. Графически это выражается в том, что он должен быть соединен с химическими символами других элементов или того же углерода четырьмя черточками. В метане все четыре атома водорода находятся на одинаковом расстоянии от атома углерода и максимально удалены друг от друга в пространстве.

В молекуле метана атом углерода находится в центре правильного тетраэдра, а четыре атома водорода — по его вершинам.

Так выглядит молекула метана с учетом размеров атомов.

Чтобы построить модель молекулы, возьмем тетраэдр, т. е. правильный четырехгранник, составленный из равносторонних треугольников, и поместим в его центр атом углерода. Атомы водорода расположатся по вершинам тетраэдра. Соединим все водороды с центральным атомом углерода. Угол α между двумя такими линиями составит 109 градусов и 28 минут.

Итак, мы построили модель метана. Но каковы размеры молекул в действительности? В последние десятилетия при помощи физических методов исследования (о них речь впереди) удается точно определить межатомные расстояния в молекулах органических соединений. В молекуле метана расстояние между центрами атома углерода и любого водородного атома равно 0,109 нм (1 нанометр, нм, равен 10^-9 м). Чтобы представить наглядно, как выглядит молекула в пространстве, пользуются моделями Стюарта — Бриглеба, в которых атомы изображаются шариками определенного радиуса.

Теперь зададимся таким вопросом: какие силы связывают атомы в молекуле органического соединения, почему атомы водорода не отрываются от углеродного центра?

Атом углерода состоит из положительно заряженного ядра (его заряд равен +6) и шести электронов, занимающих различные орбитали[1] вокруг ядра, каждой из которых соответствует определенный уровень энергии.

Два электрона занимают самую нижнюю, ближайшую к ядру орбиталь. Они всего сильнее взаимодействуют со "своим" ядром и участия в образовании химических связей не принимают. Иное дело — остальные четыре электрона. Считают, что в так называемом невозбужденном атоме углерода, т. е. в отдельном атоме, не образующем никаких связей с другими атомами, эти электроны располагаются следующим образом: два на нижнем подуровне s и два на более высоком подуровне р. Несколько упрощенно и схематично можно считать, что облако, которое образует электрон, находящийся на s-подуровне, имеет форму сферы. Облака р-электронов выглядят объемными восьмерками, причем эти восьмерки могут быть расположены в пространстве вдоль осей х, y и z. В соответствии с этим в каждом атоме имеются три р-орбитали: p_x, р_y и p_z. Итак, каждая орбиталь в атоме имеет определенную форму и особым образом расположена в пространстве.

Для того чтобы вступить во взаимодействие с другими атомами, образовать с ними химические связи, атом углерода должен прежде всего перейти в особое, возбужденное состояние. При этом один электрон перескакивает с s-орбитали на p-орбиталь. В результате один электрон занимает сферическую s-орбиталь, а три остальных электрона образуют три орбитали-восьмерки. Однако такое положение атому энергетически невыгодно. Более низкой энергии атома соответствуют четыре одинаковые орбитали, симметрично расположенные в пространстве. Поэтому происходит смешивание, усреднение, или, как говорят, гибридизация имеющихся орбиталей, и в результате получаются четыре новые одинаковые орбитали.

Эти орбитали-гибриды также похожи на восьмерки, но восьмерки однобокие: электронная плотность почти полностью смещена в одну сторону. Такие гибридизованные орбитали обозначаются sp³ (по числу электронов с разных не гибридных орбиталей, участвующих в их образовании: один с s-орбитали и три — с р-орбитали).

Здесь схематично показана гибридизация орбиталей при образовании молекулы метана. Стрелками показано относительное направление спинов электронов

Как же устроена молекула метана? К каждой из четырех гибридных орбиталей, направленных от атома углерода в разные стороны (а точнее, в углы воображаемого тетраэдра, который можно построить вокруг него), подходят атомы водорода Н. Атом водорода- это ядро с зарядом +1 (для легкого изотопа обычного водорода — просто протон), и один электрон, занимающий сферическую орбиталь вокруг протона. Облака "углеродных" и "водородных" электронов перекрываются, а это и означает образование химической связи. Чем сильнее перекрываются облака электронов разных атомов, тем прочнее связь. Теперь становится понятным, почему гибридизованные орбитали выгоднее — ведь такая однобокая, выпяченная в одну сторону восьмерка может гораздо сильнее перекрываться с облаком водородного электрона, чем менее протяженные в пространстве не гибридные орбитали. Отметим, что эти рассуждения носят несколько условный характер: чистый, так сказать, одиночный и невозбужденный атом углерода не существует реально. Поэтому нет смысла обсуждать, как же в действительности происходят все эти трансформации орбиталей, называемые гибридизацией. Однако для удобства описания химических связей посредством формул и чисел такие условности оказываются полезными. Мы в этом еще не раз убедимся.

Как получить метан?

Один из простейших путей — подействовать водой на карбид алюминия:

Однако карбид алюминия — слишком дорогое исходное вещество для получения такого обычного, такого дешевого продукта, как метан, и получать его из других соединений нет надобности — ведь природный газ на 85-98 % состоит из метана.

Метан — один из основных "кирпичиков", из которых можно строить органические соединения. Какие же это соединения и как их получить из метана?

Вообще-то метан — вещество сравнительно инертное, и набор химических реакций, которые можно с ним провести, невелик.

Возьмем смесь двух газов — метана и хлора и поместим ее в стеклянный сосуд. Если этот сосуд держать в темноте, то никакой реакции не наблюдается. Но попробуем осветить склянку солнечным светом ..

Квант света взаимодействует с молекулой хлора, в результате молекула расщепляется на две части — два атома хлора:

Получившиеся атомы гораздо активнее молекул, они тут же атакуют молекулы метана и захватывают атомы водорода. При этом образуются молекулы хлористого водорода НСl и весьма неустойчивые, очень активные частицы, так называемые метальные радикалы ⋅СН₃:

Метальный радикал далее "расщепляет" молекулу хлора:

В результате получается уже известный нам атом хлора (его дальнейшую судьбу нетрудно предугадать: он атакует новые молекулы метана, и все повторяется) и хлорметан, или метилхлорид,- производное метана, в котором один из атомов водорода заменен на хлор.

Реакция, о которой мы рассказали, принадлежит к разряду так называемых цепных реакций, в которых каждая стадия, как в цепи, связана с предыдущей и с последующей. Активные частицы — продукт одной стадии (здесь это атомы хлора и метальные радикалы ⋅СН₃) -используются в следующей стадии как исходные вещества. Открытие цепных реакций было одним из крупных событий в истории химической науки, а академик Н. Н. Семенов и английский ученый С. Н. Хиишельвуд за вклад в изучение таких реакций и создание их теории были удостоены Нобелевской премии.

Если в реакцию вводить такие количества реагентов, чтобы на одну молекулу хлора приходилось две молекулы метана, то в основном мы получим хлористый метил СН₃Сl. Если же взять хлор в избытке, то реакция замещения пойдет дальше и получится, помимо хлористого метила, еще хлористый метилен СН₂Сl₂, хлороформ СНСl₃ и, наконец, продукт полного замещения водорода на хлор, четыреххлористый углерод ССl₄:

Но не будем забывать о нашей задаче: построить различные сложные молекулы из простых кирпичиков-молекул метана. Для этого нам понадобится метилхлорид. Если подействовать на это соединение металлическим натрием, то из каждых двух молекул СН₃Сl образуется одна молекула этана, в которой имеется связь углерод — углерод:

Что такое этан? Это метан, в котором один из водородов заменен на радикал метил ⋅СН₃. А сам этот радикал, как мы уже знаем, получается при отрыве от метана одного водородного атома.

Если теперь в этане заместить один из водородов (любой атом) на метил, то мы получим новое вещество — пропан СН₃-СН₂-СН₃. Как это можно сделать практически, мы знаем: сначала в метане и этане заместить один водород на хлор и затем подействовать на смесь метил- и этилхлорида натрием (эта реакция называется реакцией Вюрца в честь французского химика, ее открывшего):

Пойдем дальше. Заместим в пропане один из атомов водорода на хлор. Оказывается, теперь уже не все равно, какой атом замещать! Замещая водород при крайнем атоме углерода (таких атомов два) или же при среднем, мы получим два разных соединения: нормальный пропилхлорид (н-пропилхлорид) и изопропилхлорид:

Заменим теперь в каждом из этих соединений атомы хлора на метальные группы. Мы получим два различных бутана — нормальный (т. е. не разветвленный) бутан (н-бутан) и изо-бутан: