В состав всех природных органических веществ, например белков, жиров, углеводов, обязательно входят атомы углерода. Органические вещества являются предметом изучения особого раздела химической науки - органической химни. Органическую химию можно считать химией соединений углерода, кроме некоторых: аллотропных модификаций углерода, его оксидов, карбидов, угольной кислоты и её солей. Эти соединения углерода по традиции относят к неорганической химии. Между органической и неорганической химией нельзя провести резкой границы, о чём свидетельствует, в частности, взаимосвязь карбидов (неорганических веществ) и углеводородов (органических веществ, состоящих из атомов углерода и водорода). Карбиды - соединения углерода с металлами и некоторыми неметаллами - при взаимодействии с водой подвергаются необратимому гидролизу. Например, гидролиз карбида алюминия приводит к образованию летучего водородного соединения углерода - метана СН4: Al4C3 + 12H2O = 3CH41 + 4Al(OH)3 Карбид кальция гидролизуется в соответствии с уравиением CaC2 + 2H2O = C2H2T + Ca(OH)2 И вновь в качестве продукта гидролиза образуется летучее водородное соединение углерода, но уже другого состава: С2Н2. Это газ ацетилен. Сколько же водородных соединений у углерода? Полагаем, что ответ на этот вопрос будет для вас неожиданным. Во-первых, точное число не сможет назвать никто, во-вторых, их значительно больше десяти. Не штук, а тысяч! Во всех этих веществах углерод проявляет отрицательную степень окисления (иногда нулевую), все они носят общее название «углеводороды». На характеристике этих веществ остановимся немного подробнее. В простейшем углеводороде - метане СН4, как и во всех органических соединениях, атом углерода четырёхвалентен, а валентность атома водорода, как и в любых других веществах, равна единице. На рисунке 50 изображена объёмная модель молекулы метана. В таких моделях атомы разных элементов изображают в виде шариков разного размера и цвета. Атом углерода принято изображать чёрным шариком, водорода - белым, кислорода - красным, и т. д. Рассмотрим химическое строение ещё одного углеводорода -- этана С2н (рис. 51). Атомов углерода в молекуле этана два, они связаны одной общей электронной парой, т. е. одной ковалентной связью. Оставшиеся три электрона у каждого атома углерода расходуются на образование ковалентных связей с атомами водорода. Запишем структуриую формулу этана, т. е. формулу, отражающую порядок соединения атомов в молекуле. Валентными штрихами обозначим общие электронные пары: H H H-с-с--н H H По структурной формуле вещества легко определить валентность каждого атома. Ещё раз обратите внимание, что в этане, как и в любых других органических веществах, валентность водорода равна единице, углерода - четырём. В этом углеводороде валентность атомов углерода не совпадает с их степенью окисления: C2H6 Соединения подобиого строения налывают предельными или иасыщенными, так как в их молекулах все валентности атомов углерода до предела иасыщены атомами водорода. Молекулярные формулы органических веществ малоинформативны, поскольку показывают только качественный (из каких элементов построено данное вещество) и количественный (сколько атомов каждого элемента входит в состав его молекулы) состав вещества, но не порядок соединения атомов в молекуле, который отражают структурные формулы. Недостаток последних - громоздкость изображения, поэтому химики часто используют сокращённые структурные формулы. В них показывают лишь порядок соединения друг с другом атомов углерода, а изображение атомов водорода «сворачивают». Например, сокращён- пую структурную формулу этана записывают так: CH2 CH2, а сокращенную структурную формулу пропаиа C3Hg - так: CH2 CH2 CH3. Одно из важнейших химических свойств предельных углеводородов - их способность гореть с выделением большого количества теплоты: CH4 + 202 = CO2 + 2H20 + Q Благодаря этому свойству природный газ, который практически полностью состоит из смеси предельных углеводородов (метана, этана и пропана), используют в качестве топлива (рис. 52). Для предельных углеводородов характерна ещё одна реакция, называемая реакцией дегидрирования. Представьте себе, что молекула этана теряет два атома водорода. У каждого атома углерода появляется по одной свободной валентности. Конечно, эти углеродные атомы сразу же образуют друг с другом вторую связь: H H H H HCC-HC C+H H H H H Понятно, почему такой процесс называют дегидрированием: частица де- означает удаление, а гидрогениум по-латыни - водород. Уравнение этой реакции можно записать с помощью сокращённых структурных формул: CH3-CH3 -> CH2=CH2 + H2 Чтобы не перепутать двойную связь со знаком равенства, в уравнениях реакций с участием органических веществ вместо последнего используют стрелку. Наряду с водородом продуктом реакции дегидрирования этана является вещество, имеющее структурную формулу СH2=СН2 и соответственно молекуляр- ную формулу С2Нд, - этилеи. Этилен - первый представитель углеводородов, которые называют непредельными или ненасыщенными, так как в них валентности атомов углерода не насыщены до предела атомами водорода. Отличительной чертой химического строения таких углеводородов является наличие в молекуле двойной углерод-углеродной связи С=С. К группе непредельных углеводородов, помимо этилена, относят ещё один углеводород, о котором шла речь в начале этого параграфа, - ацетилен. Каково же его строение? Представьте, что от молекулы этилена отняли ещё два атома водорода- по одному от каждого углеродного атома. За счёт освободившихся валентностей атомы углерода образовали друг с другом третью химическую связь: H-CC-H Молекулярная формула ацетилена С2H2, и вы понимаете, почему индексы в этой формуле нельзя сокращать. Обратите внимание, что степень окисления атома углерода в ацетилене равна -1, а валентность - четырём. Химическая связь между атомами углерода в ацетилене тройная, этот углеводород также относится к непредельным. Почему водородных соединений у углерода так много? Главной причиной такого многообразия является уникальная способность атомов углерода образовывать друг с другом цепочки различной длины, разветвлённые цепи, а также связываться между собой одинарными, двойными и тройными связями. Это одна из причин многообразия органических соединений, которых в настоящее время насчитывается более 100 млн. написать конспект