Природные, искусственные и синтетические высокомолекулярные соединения
Высокомолекулярными соединениями называются соединения с большим молекулярным весом, выражающимся в десятках, сотнях тысяч и миллионах к. е.; другое название их, широко сейчас применяемое, хотя и менее точное, — полимеры.
Молекулы высокомолекулярных соединений, имеющие значительно большие размеры, чем молекулы веществ с небольшим молекулярным весом, называются поэтому макромолекулами. Они содержат большое число чаще всего одних и тех же групп атомов, называемых элементарными звеньями. Звенья соединены друг с другом в определенном порядке ковалентными связями. Число звеньев в макромолекуле называется степенью полимеризации. Например, у природных высокомолекулярных соединений элементарными звеньями являются: у целлюлозы и крахмала — остатки глюкозы С6Н10О6 (С6Н10Ов) или целлюлоза (где п. — степень полимеризации, доходящая здесь до 10—20 тыс. у целлюлозы, а черточками обозначены связи, соединяющие звенья в макромолекулу), у природного или натурального каучука это — остатки изопрена (—СН—С = СН—СН2—)я, где п. = 2000—5000, натуральный каучук СН3 И т. д.
У некоторых высокомолекулярных соединений в макромолекулах содержатся различные по составу или структуре элементарные звенья; например, у белков — остатки различных аминокислот.
Характерное отличие высокомолекулярных соединений от веществ с небольшим молекулярным весом заключается в том, что у любого из высокомолекулярных соединений макромолекулы неодинаковы, так как содержат различное число элементарных звеньев. Следовательно, полимеры представляют собой сложнейшие смеси так называемых полимергомологов, отличающихся друг от друга величиной степени полимеризации, но близких по свойствам вследствие сходства строения; определяемый для полимеров молекулярный вес является, следовательно, лишь средним молекулярным весом для всех полимергомологов.
С древнейших времен люди использовали для своих нужд природные высокомолекулярные соединения, содержащиеся в различных продуктах. Белки и крахмал пищевых продуктов составляли основу питания людей и домашних животных. Целлюлоза хлопка и льна, белки — фиброин шелка и кератин шерсти — применялись для изготовления тканей, а коллаген кожи —для пошива обуви. Из древесины, состоящей из целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина, сооружались жилища, мосты и т. д. В середине XIX в. началось изготовление резиновых плащей и обуви из натурального каучука. В конце XIX в. переработкой природных полимеров — причем в процессе переработки вся структура макромолекулы в целом изменяется мало, а происходит лишь превращение некоторых функциональных групп — начинают получать искусственные высокомолекулярные соединения. Такой переработке стала подвергаться прежде всего целлюлоза в ее сложные эфиры: в тринитроцеллюлозу для изготовления бездымного пороха; динитроцеллюлозу для получения пластмасс — целлулоида и др.; ацетилцеллюлозу для получения ацетатного шелка, пластмасс; получение ксантогената и регенерация из него целлюлозы лежат в основе получения вискозного волокна. Создается промышленность искусственных волокон и пластмасс.
В 10-х годах XX в. впервые возникает производство синтетических высокомолекулярных соединений — синтетических феноло-формальдегидных смол для изготовления пластмасс. Синтетические высокомолекулярные соединения в отличие от искусственных получаются не путем переработки природных, а синтезом из соединений с небольшими молекулярными весами, при котором из сотен или тысяч молекул последних возникает одна макромолекула. Позже в 30-х годах под руководством С. В. Лебедева создается впервые в большом масштабе производство синтетического каучука, а в 40-х годах — производство синтетических волокон: сперва — найлона, затем — капрона и др. В последние годы вырабатывается большое число различных синтетических смол — для изготовления пластмасс и синтетических волокон — и синтетических каучуков. В настоящее время мировое производство синтетических и искусственных высокомолекулярных соединений получило большое развитие и темпы его роста в несколько раз выше, чем для производств цветных (кроме А1) и черных металлов, а также и природных полимерных продуктов.
Синтетические и искусственные продукты в мировом производстве каучуков составляли в 1959 г. уже 44%, а для волокон 19,5%. Значительное увеличение выработки синтетических полимеров объясняется их ценными свойствами и связанным с этим быстрым возрастанием областей их применения, что будет рассмотрено подробнее ниже.
Если спросить ученых, какие из открытий XX в. важнейшие, то едва ли кто-нибудь забудет назвать искусственный синтез химических элементов. За короткий срок - менее 40 лет- список известных химических элементов увеличился на 18 названий. И все 18 были синтезированы, приготовлены искусственным путем.
Слово "синтез" обычно обозначает процесс получения из простого сложного. Например, взаимодействие серы с кислородом есть химический синтез двуокиси серы SO 2 из элементов.
Синтез элементов молено понимать таким лее образом: искусственное получение из элемента с меньшим зарядом ядра, меньшим порядковым номером элемента с большим порядковым номером. А сам процесс получения называется ядерной реакцией. Ее уравнение записывается так же, как и уравнение обыкновенной химической реакции. В левой части реагирующие вещества, в правой - получающиеся продукты. Реагирующие вещества в ядерной реакции - это мишень и бомбардирующая частица.
Мишенью может служить любой элемент периодической системы (в свободном виде или в виде химического соединения).
Роль бомбардирующих частиц играют α-частицы, нейтроны, протоны, дейтроны (ядра тяжелого изотопа водорода), а также так называемые многозарядные тяжелые ионы различных элементов - бора, углерода, азота, кислорода, неона, аргона и других элементов периодической системы.
Чтобы произошла ядерная реакция, необходимо столкновение бомбардирующей частицы с ядром атома мишени. Если частица обладает достаточно большой энергией, то она может настолько глубоко проникнуть к ядру, что сольется с ним. Так как все перечисленные выше частицы, кроме нейтрона, несут положительные заряды, то, сливаясь с ядром, они увеличивают его заряд. А изменение значения Z и означает превращение элементов: синтез элемента с новым значением заряда ядра.
Чтобы найти способ ускорять бомбардирующие частицы, придавать им большую энергию, достаточную для их слияния с ядрами, изобрели и сконструировали специальный ускоритель частиц- циклотрон. Затем построили специальную фабрику новых элементов - ядерный реактор. Его прямое назначение- вырабатывать ядерную энергию. Но поскольку в нем всегда существуют интенсивные потоки нейтронов, то их легко использовать для целей искусственного синтеза. Нейтрон не имеет заряда, и потому его не надо (да и невозможно) ускорять. Напротив, медленные нейтроны оказываются более полезными, чем быстрые.
Химикам пришлось изрядно поломать голову и проявить подлинные чудеса изобретательности, чтобы разработать способы отделения ничтожных количеств новых элементов от вещества мишени. Научиться изучать свойства новых элементов, когда в наличии были считанные количества их атомов...
Трудами сотен и тысяч ученых в периодической системе было заполнено восемнадцать новых клеток.
Четыре - в ее старых границах: между водородом и ураном.
Четырнадцать - за ураном.
Вот как все это происходило...
Технеций, прометий, астат, франций... Четыре места в периодической системе долго оставались пустыми. Это были клетки № 43, 61, 85 и 87. Из четырех элементов, которые должны были занять эти места, три предсказаны Менделеевым: экамарганец - 43, экаиод - 85 и экацезий - 87. Четвертый - № 61 - должен был принадлежать к редкоземельным элементам.
Эти четыре элемента были неуловимы. Усилия ученых, направленные на их поиски в природе, оставались безуспешными. С помощью периодического закона давно уже были заполнены все остальные места в таблице Менделеева - от водорода до урана.
Не один раз в научных журналах появлялись сообщения об открытии этих четырех элементов. Экамарганец "открывали" в Японии, где ему дали имя "ниппоний", в Германии назвали "мазурий". Элемент № 61 "открывали" в разных странах по крайней мере трижды, он получал имена "иллиний", "Флоренции", "цикл оний". Экаиод находили в природе также неоднократно. Ему давали имена "алабамий", "гельвеций". Экацезий, в свою очередь, получал названия "Виргинии", "Молдавии". Некоторые из этих названий попадали в различные справочники и даже проникали в школьные учебники. Но все эти открытия не подтверждались: каждый раз точная проверка показывала, что допущена ошибка, и случайные ничтожные примеси были приняты за новый элемент.
Долгие и трудные поиски привели наконец к открытию в природе одного из неуловимых элементов. Оказалось, что экацезий, который должен занимать в периодической таблице 87-е место, возникает в цепочке распада природного радиоактивного изотопа урана-235. Это короткоживущий радиоактивный элемент.
Элемент № 87 заслуживает того, чтобы о нем рассказать подробнее.
Теперь в любой энциклопедии, в любом учебнике по химии читаем: франций (порядковый № 87) открыт в 1939 г. французским ученым Маргаритой Перей. Кстати сказать, это третий случай, когда честь открытия нового элемента принадлежит женщине (раньше Мария Кюри открыла полоний и радий, Ида Ноддак - рений).
Как Перей все лее удалось поймать неуловимый элемент? Вернемся на много лет назад. В 1914 г. три австрийских радиохимика - С. Мейер, В. Гесс и Ф. Панет - занялись изучением радиоактивного распада изотопа актиния с массовым числом 227. Было известно, что он входит в семейство актиноурана и испускает β-частицы; следовательно, продукт его распада торий. Однако у ученых мелькали смутные подозрения, что актиний-227 в редких случаях испускает и α-частицы. Иными словами, здесь наблюдается один из примеров радиоактивной вилки. Легко сообразить: в ходе такого превращения должен образовываться изотоп элемента № 87. Мейер и его коллеги действительно наблюдали α-частицы. Требовались дальнейшие исследования, но они были прерваны первой мировой войной.
Маргарита Перей шла по тому же пути. Но в ее распоряжении были более чувствительные приборы, новые, усовершенствованные методы анализа. Поэтому-то ей и сопутствовал успех.
Франций относят к числу искусственно синтезированных элементов. Но все-таки сначала элемент был обнаружен в природе. Это изотоп франций-223. Его период полураспада составляет всего 22 минуты. Становится понятным, почему франция так мало на Земле. Во-первых, из-за своей недолговечности он не успевает концентрироваться в сколь-либо заметных количествах, во-вторых, сам процесс его образования отличается невысокой вероятностью: всего 1,2% ядер актиния-227 распадается с испусканием α-частиц.
В связи с этим франций выгоднее приготовлять искусственным путем. Уже получено 20 изотопов франция, и самый долгоживущий из них - франций-223. Работая с совершенно ничтожными количествами солей франция, химики сумели доказать, что по своим свойствам он чрезвычайно похож: на цезий.
Элементы № 43, 61 и 85 оставались неуловимыми. В природе их никак не удавалось найти, хотя ученые уже владели могучим методом, безошибочно указывающим путь для поиска новых элементов, - периодическим законом. Все химические свойства неизвестного элемента благодаря этому закону были известны ученым заранее. Так почему же были безуспешны поиски этих трех элементов в природе?
Изучая свойства атомных ядер, физики пришли к выводу: у элементов с атомными номерами 43, 61, 85 и 87 не могут существовать стабильные изотопы. Они могут быть только радиоактивными, с короткими периодами полураспада и должны быстро исчезать. Поэтому все эти элементы были созданы человеком искусственно. Пути для создания новых элементов были указаны периодическим законом. Попробуем с его помощью сами наметить путь синтеза экамарганца. Этот элемент № 43 был первым искусственно созданным.
Химические свойства элемента определяются его электронной оболочкой, а она зависит от заряда атомного ядра. В ядре элемента № 43 должно быть 43 положительных заряда, и вокруг ядра должны вращаться 43 электрона. Как же можно создать элемент с 43 зарядами в атомном ядре? Как можно доказать, что такой элемент создан?
Рассмотрим внимательно, какие элементы в периодической системе располагаются у пустого места, предназначенного для элемента № 43. Оно находится почти в середине пятого периода. На соответствующих местах в четвертом периоде стоит марганец, а в шестом - рений. Поэтому химические свойства 43-го элемента должны быть похожи на свойства марганца и рения. Недаром Д. И. Менделеев, предсказавший этот элемент, назвал его экамарганцем. Слева от 43-ей клетки находится молибден, занимающий клетку 42, справа, в 44-й - рутений.
Следовательно, чтобы создать элемент № 43, необходимо увеличить число зарядов в ядре атома, имеющего 42 заряда, еще на один элементарный заряд. Поэтому для синтеза нового элемента № 43 нужно взять в качестве исходного сырья молибден. У него в ядре как раз 42 заряда. Одним положительным зарядом обладает самый легкий элемент- водород. Итак, можно ожидать, что элемент № 43 может быть получен в результате ядерной реакции между молибденом и водородом.
Свойства элемента № 43 должны быть сходными с химическими свойствами марганца и рения, и, для того чтобы обнаружить и доказать образование этого элемента, нужно воспользоваться химическими реакциями, аналогичными тем, с помощью которых химики определяют присутствие малых количеств марганца и рения. Вот каким образом периодическая система дает возможность наметить путь для создания искусственного элемента.
Точно таким же путем, который мы только что наметили, и был создан в 1937 г. первый искусственный химический элемент. Он получил знаменательное имя- технеций - первый элемент, изготовленный техническим, искусственным путем. Вот как был осуществлен синтез технеция. Пластинка молибдена подвергалась интенсивной бомбардировке ядрами тяжелого изотопа водорода - дейтерия, которые были разогнаны в циклотроне до огромной скорости.
Ядра тяжелого водорода, получившие очень большую энергию, проникли в ядра молибдена. После облучения в циклотроне пластинка молибдена была растворена в кислоте. Из раствора было выделено с помощью тех же реакций, которые необходимы для аналитического определения марганца (аналог элемента № 43), ничтожное количество нового радиоактивного вещества. Это и был новый элемент- технеций. Вскоре были подробно изучены его химические свойства. Они точно соответствуют положению элемента в менделеевской таблице.
Теперь технеций стал вполне доступным: он образуется в довольно больших количествах в атомных реакторах. Технеций хорошо изучен, уже практически используется. С помощью технеция исследуют процесс коррозии металлов.
Метод, каким был создан 61-й элемент, очень похож на метод, которым получают технеций. Элемент №61 должен быть редкоземельным элементом: 61-я клетка находится между неодимом (№ 60) и самарием (№ 62). Новый элемент впервые был получен в 1938 г. в циклотроне бомбардировкой неодима ядрами дейтерия. Химическим путем 61-й элемент был выделен лишь в 1945 г. из осколочных элементов, образующихся в ядерном реакторе в результате деления урана.
Элемент получил символическое имя прометий. Это название было дано ему неспроста. Древнегреческий миф рассказывает о том, что титан Прометей похитил с неба огонь и передал его людям. За это он был наказан богами: его приковали к скале, и громадный орел ежедневно терзал его. Название "прометий" не только символизирует драматический путь похищения наукой у природы энергии ядерного деления и овладения этой энергией, но и предостерегает людей от страшной военной опасности.
Прометий теперь получают в немалых количествах: его используют в атомных батарейках- источниках постоянного тока, способных действовать без перерыва несколько лет.
Аналогичным путем был синтезирован и самый тяжелый галоген- экаиод- элемент № 85. Он впервые был получен бомбардировкой висмута (№ 83) ядрами гелия (№ 2), ускоренными в циклотроне до больших энергий.
Ядра гелия, второго элемента в периодической системе, обладают двумя зарядами. Поэтому для синтеза 85-го элемента был взят висмут - 83-й элемент. Новый элемент назван астатом (неустойчивый). Он радиоактивен, быстро исчезает. Его химические свойства также оказались точно соответствующими периодическому закону. Он похож: на иод.
Трансурановые элементы.
Много труда положили химики, разыскивая в природе элементы тяжелее урана. Не раз в научных журналах появлялись торжествующие извещения о "достоверном" открытии нового "тяжелого" элемента с атомной массой большей, чем у урана. Например, элемент № 93 "открывали" в природе многократно, он получал имена "богемий", "секваний". Но эти "открытия" оказывались следствием ошибок. Они характеризуют трудность точного аналитического определения ничтожных следов нового неизвестного элемента с неизученными свойствами.
Результат этих поисков был отрицательным, потому что элементов, соответствующих тем клеткам таблицы Менделеева, которые должны быть расположены за 92-й клеткой, на Земле практически нет.
Первые попытки искусственно получить новые элементы тяжелее урана связаны с одной из замечательных ошибок в истории развития науки. Было замечено, что под влиянием потока нейтронов многие элементы становятся радиоактивными и начинают испускать β-лучи. Ядро атома, потеряв отрицательный заряд, сдвигается в периодической системе на одну клетку вправо, и его порядковый номер становится на единицу больше - происходит превращение элементов. Так под воздействием нейтронов обычно образуются более тяжелые элементы.
Попытались подействовать нейтронами и на уран. Ученые надеялись, что так же, как и у других элементов, у урана при этом появится β-активность и в результате β-распада возникнет новый элемент с номером, на единицу большим. Он-то и займет 93-ю клетку в системе Менделеева. Высказывали предположение, что этот элемент должен быть похож: на рений, поэтому его заранее назвали экарением.
Первые опыты, казалось, сразу же подтвердили такое предположение. Даже больше- обнаружилось, что при этом возникает не один новый элемент, а несколько. Были опубликованы сообщения о пяти новых элементах тяжелее урана. Кроме экарения были "обнаружены" экаосмий, экаиридий, экаплатина и эказолото. И все открытия оказались ошибкой. Но то была амечательная ошибка. Она привела науку к величайшему из достижений физики за всю историю человечества- к открытию деления урана и овладению энергией атомного ядра.
Никаких трансурановых элементов в действительности не было найдено. У странных новых элементов тщетно пытались найти предполагаемые свойства, которыми должны были обладать элементы от экарения да эказолота. И вдруг среди этих элементов неожиданно были обнаружены радиоактивный барий и лантан. Не трансурановые, а самые обычные, но радиоактивные изотопы элементов, места которых находятся в середине периодической системы Менделеева.
Прошло немного времени, и этот неожиданный и очень странный результат был правильно понят.
Почему из атомных ядер урана, стоящего в конце периодической системы элементов, при действии нейтронов образуются ядра элементов, места которых находятся в ее середине? Например, при действии нейтронов на уран возникают элементы, соответствующие следующим клеткам периодической системы:
Много элементов было найдено в невообразимо сложной смеси радиоактивных изотопов, образующихся в уране, облученном нейтронами. Хотя они оказались старыми, давно знакомыми химикам элементами, в то же время это были новые вещества, впервые созданные человеком.
В природе нет радиоактивных изотопов брома, криптона, стронция и многих других из тридцати четырех элементов - от цинка до гадолиния, возникающих при облучении урана.
В науке часто так бывает: самое загадочное и самое сложное оказывается простым и ясным, когда оно разгадано и понято. Когда нейтрон попадает в ядро урана, оно раскалывается, расщепляется на два осколка - на два атомных ядра меньшей массы. Эти осколки могут быть различного размера, поэтому-то и образуется так много различных радиоактивных изотопов обычных химических элементов.
Одно атомное ядро урана (92) распадается на атомные ядра брома (35) и лантана (57), осколки при расщеплении другого могут оказаться атомными ядрами криптона (36) и бария (56). Сумма атомных номеров образующихся осколочных элементов будет равна 92.
Это было началом цепи великих открытий. Вскоре обнаружили, что под ударом нейтрона возникают из ядра атома урана-235 не только осколки - ядра с меньшей массой, но и вылетают два-три нейтрона. Каждый из них, в свою очередь, способен снова вызвать деление ядра урана. А при каждом таком делении выделяется очень много энергии. Это и стало началом овладения человеком внутриатомной энергией.
Среди огромного множества продуктов, возникающих при облучении ядер урана нейтронами, был впоследствии обнаружен остававшийся долгое время незамеченным первый настоящий трансурановый элемент № 93. Он возникал при действии нейтронов на уран-238. По химическим свойствам он оказался весьма сходным с ураном и совсем не был похож: на рений, как это ожидали при первых попытках синтезировать элементы тяжелее урана. Поэтому его и не могли сразу обнаружить.
Первый созданный человеком элемент, лежащий за пределами "естественной системы химических элементов", был назван нептунием по имени планеты Нептун. Его создание расширило для нас границы, определенные самой природой. Так же и предсказанное открытие планеты Нептун расширило границы наших знаний о Солнечной системе.
Вскоре был синтезирован и 94-й элемент. Он был назван в честь последней планеты. Солнечной системы.
Его назвали плутонием. В периодической системе Менделеева он следует по порядку за нептунием, аналогично "последней планете Солнечной* системы Плутону, орбита которой лежит за орбитой Нептуна. Элемент № 94 возникает из нептуния при его β-распаде.
Плутоний - единственный из трансурановых элементов, который теперь получают в атомных реакторах в очень больших количествах. Так же как и уран-235, он способен делиться под действием нейтронов и применяется как топливо в атомных реакторах.
Элементы № 95 и № 96 носят названия америций и кюрий. Их также получают теперь в атомных реакторах. Оба элемента обладают очень большой радиоактивностью - испускают α-лучи. Радиоактивность этих элементов настолько велика, что концентрированные растворы их солей нагреваются, закипают и очень сильно светятся в темноте.
Все трансурановые элементы - от нептуния до америция и кюрия- были получены в достаточно больших количествах. В чистом виде это металлы серебристого цвета, все они радиоактивны и по химическим свойствам в чем-то похожи друг на друга, а в чем-то заметно различаются.
Был выделен в чистом виде и 97-й элемент - берклий. Для этого пришлось поместить чистый препарат плутония внутрь ядерного реактора, где он целых шесть лет находился под действием мощного потока нейтронов. За это время в нем накопилось несколько микрограммов элемента № 97. Плутоний извлекли из атомного реактора, растворили в кислоте и из смеси выделили наиболее долгоживущий берклий-249. Он сильно радиоактивен - за год распадается наполовину. Пока удалось получить только несколько микрограммов берклия. Но этого количества хватило ученым, чтобы точно изучить его химические свойства.
Очень интересен элемент № 98 - калифорний, шестой после урана. Калифорний впервые был создан посредством бомбардировки мишени из кюрия α-частицами.
Увлекательна история синтеза двух следующих трансурановых элементов: 99-го и 100-го. Впервые они были найдены в облаках и в "грязи". Чтобы изучить, что образуется при термоядерных взрывах, самолет пролетал сквозь взрывное облако, и на бумажные фильтры были собраны пробы осадка. В этом осадке и были найдены следы двух новых элементов. Чтобы получить более точные данные, на месте взрыва собрали большое количество "грязи" - измененной взрывом почвы и горной породы. Эту "грязь" переработали в лаборатории, и из нее выделили два новых элемента. Их назвали эйнштейнием и фермием, в честь ученых А. Эйнштейна и Э. Ферми, которым человечество в первую очередь обязано открытием путей овладения атомной энергией. Эйнштейну принадлежит закон эквивалентности массы и энергии, а Ферми построил первый атомный реактор. Теперь эйнштейний и фермий получают и в лабораториях.
Элементы второй сотни.
Еще не так давно едва ли кто мог поверить, что в таблицу Менделеева будет включен символ сотого элемента.
Искусственный синтез элементов сделал свое дело: на короткое время фермий замкнул список известных химических элементов. Помыслы ученых были теперь устремлены вдаль, к элементам второй сотни.
Но на пути оказался барьер, преодолеть который было нелегко.
До сих пор физики синтезировали новые трансурановые элементы в основном двумя способами. Либо они обстреливали мишени из трансурановых элементов, уже синтезированных, α-частицами и дейтронами. Либо они бомбардировали уран или плутоний мощными потоками нейтронов. В результате образовывались очень богатые нейтронами изотопы этих элементов, которые после нескольких последовательных β-распадов превращались в изотопы новых трансуранов.
Однако в середине 50-х годов обе эти возможности себя исчерпали. В ядерных реакциях удавалось получить невесомые количества эйнштейния и фермия, и потому из них нельзя было изготовить мишени. Нейтронный метод синтеза также не позволял продвинуться дальше фермия, так как изотопы этого элемента подвергались спонтанному делению с гораздо большей вероятностью, чем β-распаду. Понятно, что в таких условиях не имело смысла говорить о синтезе нового элемента.
Поэтому очередной шаг физики сделали только тогда, когда им удалось накопить минимально необходимое для мишени количество элемента № 99. Это случилось в 1955 г.
Одним из самых примечательных достижений, которым по справедливости может гордиться наука, следует назвать создание 101-го элемента.
Этот элемент получил имя великого творца периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.
Менделевий был получен следующим образом. На листочек тончайшей золотой фольги нанесли невидимое покрытие, состоящее приблизительно из одного миллиарда атомов эйнштейния. Альфа-частицы с очень большой энергией, пробивая золотую фольгу с обратной стороны, при соударении с атомами эйнштейния могли вступать в ядерную реакцию. В результате образовались атомы 101-го элемента. При таком соударении атомы менделевия вылетали с поверхности золотой фольги и собирались на другом, расположенном рядом тончайшем золотом листочке. Таким остроумным путем удалось выделить в чистом виде атомы 101-го элемента из сложной смеси эйнштейния и продуктов его распада. Невидимый налет смывался кислотой и подвергался радиохимическому исследованию.
Поистине это было чудом. Исходным материалом для создания 101-го элемента в каждом отдельном опыте служил приблизительно один миллиард атомов эйнштейния. Это очень малозначительно меньше одной миллиардной доли миллиграмма, а получить эйнштейний в большем количестве было невозможно. Заранее подсчитали, что из миллиарда атомов эйнштейния при многочасовой бомбардировке α-частицами может прореагировать всего только один-единственный атом эйнштейния и, следовательно, может образоваться только один атом нового элемента. Нужно было не только суметь его обнаружить, но и сделать это так, чтобы выяснить по одному лишь атому химическую природу элемента.
И это было сделано. Успех опыта превзошел расчеты и ожидания. Удалось заметить при одном эксперименте не один, а даже два атома нового элемента. Всего в первой серии опытов было получено семнадцать атомов менделевия. Этого оказалось достаточно, чтобы установить и факт образования нового элемента, и его место в периодической системе и определить его основные химические и радиоактивные свойства. Оказалось, что это α-активный элемент с периодом полураспада около получаса.
Менделевий - первый элемент второй сотни - оказался своеобразной вехой на пути синтеза трансурановых элементов. До сих пор он остается последним из тех, которые были синтезированы старыми методами - облучением α-частицами. Теперь на сцену вышли более могучие снаряды - ускоренные многозарядные ионы различных элементов. Определение химической природы менделевия по считанному числу его атомов положило начало совершенно новой научной дисциплине - физикохимии единичных атомов.
Символ элемента № 102 No - в периодической системе взят в скобки. И в скобках этих заключена долгая и сложная история этого элемента.
О синтезе нобелия сообщила в 1957 г. интернациональная группа физиков, работавших в Нобелевском институте (Стокгольм). Впервые для синтеза нового элемента были применены тяжелые ускоренные ионы. В их качестве выступили ионы 13 С, поток которых направлялся на кюриевую мишень. Исследователи пришли к выводу, что им удалось синтезировать изотоп 102-го элемента. Ему дали название в честь основателя Нобелевского института изобретателя динамита Альфреда Нобеля.
Прошел год, и опыты стокгольмских физиков были воспроизведены почти одновременно в Советском Союзе и США. И выяснилась удивительная вещь: результаты советских и американских ученых не имели ничего общего ни с работами Нобелевского института, ни между собой. Никому и нигде более не удалось повторить эксперименты, проведенные в Швеции. Такая ситуация породила довольно грустную шутку: "От нобелия остался один No" (No - в переводе с английского означает "нет"). Символ, поспешно помещенный в менделеевскую таблицу, не отражал действительного открытия элемента.
Достоверный синтез элемента № 102 совершила группа физиков из Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований. В 1962-1967 гг. советские ученые синтезировали несколько изотопов элемента № 102 и изучили его свойства. Подтверждение этих данных было получено в США. Однако символ No, не имея на то никакого права, до сих пор находится в 102-й клетке таблицы.
Лоуренсий, элемент № 103 с символом Lw, названный так в честь изобретателя циклотрона Э. Лоуренса, был синтезирован в 1961 г. в США. Но здесь не меньшая заслуга и советских физиков. Они получили несколько новых изотопов лоуренсия и впервые изучили свойства этого элемента. Лоуренсий также появился на свет благодаря использованию тяжелых ионов. Мишень из калифорния облучалась ионами бора (или америциевая мишень - ионами кислорода).
Элемент № 104 впервые был получен советскими физиками в 1964 г. К его синтезу приводила бомбардировка плутония ионами неона. 104-й элемент получил название курчатовия (символ Ки) в честь выдающегося советского физика Игоря Васильевича Курчатова.
105-й и 106-й элементы также впервые удалось синтезировать советским ученым - в 1970 и в 1974 гг. Первый из них- продукт бомбардировки америция ионами неона- был назван нильсборием (Ns) в честь Нильса Бора. Синтез другого осуществлялся следующим образом: мишень из свинца бомбардировалась ионами хрома. Синтезы 105-го и 106-го элементов были осуществлены также и в США.
Вы узнаете об этом в следующей главе, а настоящую мы завершим кратким рассказом о том,
как изучают свойства элементов второй сотни.
Фантастически трудная задача стоит перед экспериментаторами.
Вот ее исходные условия: даны считанные количества (десятки, в лучшем случае сотни) атомов нового элемента, причем атомов весьма короткоживущих (периоды полураспада измеряются секундами, а то и долями секунды). Требуется доказать, что эти атомы - атомы действительно нового элемента (т. е. определить значение Z, а также величину массового числа А, чтобы знать, о каком изотопе нового трансурана идет речь), и изучить его важнейшие химические свойства.
Считанные атомы, ничтожная продолжительность жизни...
На помощь ученым приходят быстрота и высочайшая изобретательность. Но современный исследователь - специалист по синтезу новых элементов - должен не только уметь "подковать блоху". Он должен и в совершенстве владеть теорией.
Проследим за теми основными шагами, посредством которых производят идентификацию нового элемента.
Важнейшей визитной карточкой в первую очередь служат радиоактивные свойства- это может быть испускание α-частиц или спонтанное деление. Каждое α-активное ядро характеризуется специфическими величинами энергии α-частиц. Это обстоятельство позволяет либо опознать известные ядра, либо сделать вывод о том, что обнаружены новые. Например, изучая особенности α-частиц, ученые сумели получить достоверное доказательство синтеза 102-го и 103-го элементов.
Энергичные осколочные ядра, образующиеся в результате деления, обнаружить значительно легче, чем α-частицы, вследствие гораздо большей энергии осколков. Для их регистрации употребляются пластинки, сделанные из стекла специального сорта. Осколки оставляют на поверхности пластинок чуть заметные следы. Затем пластинки проходят химическую обработку (травление), и их внимательно рассматривают под микроскопом. Стекло растворяется в плавиковой кислоте.
Если стеклянную пластинку, обстрелянную осколками, поместить в раствор плавиковой кислоты, то в местах, куда попали осколки, стекло будет растворяться быстрее и там образуются лунки. Их размеры в сотни раз больше первоначального следа, оставленного осколком. Лунки можно наблюдать в микроскоп со слабым увеличением. Другие радиоактивные излучения наносят поверхности стекла меньшие повреждения и не просматриваются после травления.
Вот что рассказывают авторы синтеза курчатовия о том, как происходил процесс опознания нового элемента: "Идет опыт. Сорок часов беспрерывно бомбардируют ядра неона плутониевую мишень. Сорок часов лента несет синтетические ядра к стеклянным пластинкам. Наконец циклотрон выключен. Стеклянные пластинки переданы на обработку в лабораторию. С нетерпением ждем результата. Проходит несколько часов. Под микроскопом обнаружено шесть треков. По их положению вычислили период полураспада. Он оказался в интервале времени от 0,1 до 0,5 с.
А вот как те же исследователи рассказывают об оценке химической природы курчатовия и нильсбория. "Схема исследования химических свойств элемента № 104 такова. Атомы отдачи выходят из мишени в струю азота, тормозятся в ней, а затем хлорируются. Соединения 104-го элемента с хлором легко проникают через специальный фильтр, а все актиноиды не проходят. Если 104-й принадлежал бы к актиноидному ряду, то и он бы задержался фильтром. Однако исследования показали, что 104-й элемент - это химический аналог гафния. Это важнейший шаг к заполнению таблицы Менделеева новыми элементами.
Затем в Дубне были изучены химические свойства 105-го элемента. Оказалось, что его хлориды адсорбируются на поверхности трубки, по которой они движутся от мишени при температуре более низкой, чем хлориды гафния, но более высокой, чем хлориды ниобия. Так могли бы вести себя только атомы элемента, близкого по химическим свойствам к танталу. Посмотрите на таблицу Менделеева: химический аналог тантала - элемент № 105! Поэтому опыты по адсорбции на поверхности атомов 105-го элемента подтвердили, что его свойства совпадают с предсказанными на основе периодической системы".
Жесткие соединяющие элементы мостовидных протезов
. Существует 3 вида жестких соединений:
Литые.
Обычная или лазерная сварка.
Керамические.
Литые соединения предварительно изготавливают из воска на восковых шаблонах искусственных зубов и фиксаторов, так чтобы мостовидный протез можно было отлить единым блоком. Это избавляет от необходимости дальнейшей сварки. Но литье должно быть тем точнее, чем больше единиц включает протез. Небольшие деформации, возникающие при охлаждении расплавленного металла, могут быть вполне допустимыми при изготовлении одной единицы, но будучи многократно умноженными, приводят к неудовлетворительному конечному результату.
Литые соединения прочнее, чем сварочные, кроме того, их легче скрыть. По этой причине длинные мостовидные протезы нередко отливают по частям, состоящим из 3-4 единиц, при этом линия раздела проходит через искусственный зуб. Каркас искусственного зуба до облицовки керамикой восстанавливают высокоточной сваркой - таким образом, все соединения оказываются литыми. Сварка искусственного зуба очень прочна, во-первых, из-за большей площади по сравнению с соединяющим элементом, во-вторых, из-за покрытия керамикой.
Все более популярным способом соединения компонентов мостовидного протеза становится методика лазерной сварки. Она прочнее обычной, а также проще и быстрее, хотя и требует сложного и дорогого оборудования.
Соединения с помощью обычной и лазерной сварки используют, если компоненты мостовидного протеза изготавливают по отдельности. Это бывает необходимо, когда они состоят из различных материалов (например фиксирующая коронка из золота и металлокерамический искусственный зуб).
Керамические соединения используют только в цельнокерамических протезах. Описание способов их изготовления выходит за рамки данной книги, но к таким соединениям также следует применять принцип доступности для гигиенических мероприятий.
Подвижные соединяющие элементы . Подвижные соединяющие элементы всегда проектируют так, чтобы искусственный зуб не опускался под действием жевательной нагрузки. Это значит, что выемка меньшего фиксатора всегда должна иметь прочное основание, в которое упиралась бы выступающая часть соединения. Иногда, при небольших искусственных зубах и коротком протезе, это единственная сила, которой необходимо противостоять, и углубление в фиксаторе может быть совсем неглубоким. Это наиболее распространенный дизайн для протезов с жестко-подвижной фиксацией, требующих минимального препарирования.
Однако при более длинном плече протеза подвижное соединение также должно противодействовать боковому смещающему моменту, действующему на искусственные зубы, и (при мезиальном расположении подвижного соединения) силам, направленным дистально и способствующим разъединению частей протеза. В таком случае паз соединения должен иметь форму голубиного хвоста и конусность, чтобы штифт мог в нем слегка перемещаться вверх-вниз и в то же время прочно упираться в основание.
Существует несколько способов изготовления . Сначала можно смоделировать из воска меньший фиксатор с выемкой, после чего отлить и провести окончательную обработку коническим бором. После этого на искусственный зуб вручную наносят слой воска так, чтобы он соответствовал полученной форме выемки, по восковому шаблону производят литье. Перед примеркой каркаса обе части соединяют между собой.
В некоторых случаях выемку можно сделать на уже готовом литом каркасе, который затем помещают в полость рта, после чего снимают слепки, включающие и подготовленные опорные зубы.
Можно использовать готовые шаблоны из акрила , встраиваемые в восковую модель искусственного зуба и меньшего фиксатора. Затем меньший фиксатор и остальную часть протеза отливают по отдельности.
В качестве подвижных соединяющих элементов используют также готовые металлические штифтово-бороздковые крепления, но они обеспечивают слишком жесткое сцепление, из-за чего подвижность частей протеза может быть резко ограничена. В таком случае меньший фиксатор должен обладать более высокой, чем обычно, степенью ретенции к опорному зубу.
Готовые винтовые крепления используют в составе мостовидных протезов с жесткой фиксацией для соединения 2 частей в случае, если опорные зубы не параллельны.
- Вернуться в оглавление раздела " "
Переходные d-элементы и их соединения широко применяются в лабораторной практике, промышленности и технике. Они также играют важную роль в биологических системах. В предыдущем разделе и разд. 10.2 уже упоминалось, что ионы таких d-элементов, как железо, хром и марганец, играют важную роль в окислительновосстановительном титровании и других лабораторных методиках. Здесь мы коснемся только применений этих металлов в промышленности и технике, а также их роли в биологических процессах.
Применения в качестве конструкционных материалов. Сплавы железа
Некоторые d-элементы широко используются для изготовления конструкционных материалов, главным образом в виде сплавов. Сплав - это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.
Сплавы, главной составной частью которых служит железо, называются сталями. Выше мы уже говорили, что все стали подразделяются на два типа: углеродистые и легированные.
Углеродистые стали. По содержанию углерода эти стали в свою очередь подразделяются на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую стали. Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. Ее используют в тех случаях, когда механическая нагрузка не имеет решающего значения. Различные применения углеродистых сталей указаны в табл. 14.10. На долю углеродистых сталей приходится до 90% всего объема производства стали.
Легированные стали. Такие стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, вольфрама и ванадия.
Нержавеющие стали содержат в качестве примесей к железу хром и никель. Эти примеси повышают твердость стали и делают ее устойчивой к коррозии. Последнее свойство обусловлено образованием тонкого слоя оксида хрома (III) на поверхности стали.
Инструментальные стали подразделяются на вольфрамовые и марганцовистые. Добавление этих металлов повышает твердость, прочность и устойчивость при
Таблица 14.10. Углеродистые стали
высоких температурах (жаропрочность) стали. Такие стали используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей машин, которые подвергаются большой механической нагрузке.
Кремнистые стали используются для изготовления различного электрооборудования: моторов, электрогенераторов и трансформаторов.
Другие сплавы
Кроме сплавов железа, существуют также сплавы на основе других d-металлов.
Сплавы титана. Титан легко сплавляется с такими металлами, как олово, алюминий, никель и кобальт. Сплавы титана характеризуются легкостью, коррозионной устойчивостью и прочностью при высоких температурах. Они используются в авиастроении для изготовления лопастей турбин в турбореактивных двигателях. Их используют также в медицинской промышленности для изготовления электронных устройств, имплантируемых в грудную стенку пациента для нормализации аномального ритма сердца.
Сплавы никеля. Одним из важнейших сплавов никеля является монель. Этот сплав содержит 65% никеля, 32% меди и небольшие количества железа и марганца. Он используется для изготовления конденсаторных трубок холодильников, пропеллерных осей, а также в химической, пищевой и фармацевтической промышленности. Другим важным сплавом никеля является нихром. Этот сплав содержит 60% никеля, 15% хрома и 25% железа. Сплав алюминия, кобальта и никеля, называемый альнико, используется для изготовления очень сильных постоянных магнитов.
Сплавы меди. Медь используется для изготовления самых разнообразных сплавов. Наиболее важные из них указаны в табл. 14.11.
Таблица 14.11. Сплавы меди
Промышленные катализаторы
d-Элементы и их соединения находят широкое применение в качестве промышленных катализаторов. Приведенные ниже примеры относятся только к d-элементам первого переходного ряда.
Хлорид титана . Это соединение используется в качестве катализатора полимеризации алкенов по методу Циглера (см. гл. 20):
Оксид . Этот катализатор используется на следующей стадии контактного процесса получения серной кислоты (см. гл. 7):
Железо или оксид . Эти катализаторы используются в процессе Габера для синтеза аммиака (см. гл. 7):
Никель. Этот катализатор используется для отверждения растительных масел в процессе гидрирования, например в производстве маргарина:
Медь или оксид меди(II). Эти катализаторы используются для дегидрирования этанола в процессе получения этаналя (уксусного альдегида):
В качестве промышленных катализаторов применяются также родий (-элемент второго переходного ряда) и платина (-элемент третьего переходного ряда). Оба они используются, например, в процессе Оствальда получения азотной кислоты (см. гл. 15).
Пигменты
Мы уже упоминали о том, что одной из важнейших отличительных особенностей d-злементов является их способность образовывать окрашенные соединения. Например, окраска многих драгоценных камней обусловлена присутствием в них небольшого количества примесей d-металлов (см. табл. 14.6). Оксиды d-элементов применяются для изготовления цветных стекол. Например, оксид кобальта (II) придает стеклу темно-синюю окраску. Целый ряд соединений d-металлов используется в различных отраслях промышленности в качестве пигментов.
Оксид титана . Мировое производство оксида титана превышает 2 млн. т. в год. Он применяется главным образом в качестве белого пигмента в производстве красок и, кроме того, в бумажной, полимерной и текстильной промышленности.
Соединения хрома. Хромовые квасцы (додекагидрат сульфата хрома имеют фиолетовую окраску. Они используются для крашения в текстильной промышленности. Оксид хрома используется в качестве зеленого пигмента. На основе хромата свинца (IV) изготовляются такие пигменты, как хромовый зеленый, хромовый желтый и хромовый красный.
Гексацианоферрат(Ш) калия . Это соединение применяется в крашении, травлении и для изготовления светокопировальной бумаги («синьки»).
Соединения кобальта. Пигмент кобальтовый синий состоит из алюмината кобальта. Пурпурный и фиолетовый пигменты кобальта получают, осаждая соли кобальта с помощью фосфатов щелочноземельных элементов.
Другие промышленные применения
До сих пор мы рассматривали применения -элементов в качестве конструкционных сплавов, промышленных катализаторов и пигментов. Эти элементы имеют, кроме того, множество других применений.
Хром используется для нанесения хромового покрытия на стальных предметах, например на деталях автомашин.
Чугун. Это не сплав, а неочищенное железо. Его используют для изготовления разнообразных предметов, например сковородок, крышек канализационных люков и газовых плит.
Кобальт. Изотоп используется в качестве источника гамма-излучения для лечения онкологических заболеваний.
Медь широко используется в электротехнической промышленности для изготовления проволоки, кабелей и других проводников. Она используется также для изготовления медных канализационных труб.
d-Элементы в биологических системах
d-Элементы играют важную роль во многих биологических системах. Например, организм взрослого человека содержит около 4 г железа. Примерно две трети этого количества приходится на долю гемоглобина, красного пигмента крови (см. рис. 14.11). Железо также входит в состав мышечного белка миоглобина и, кроме того, накапливается в таких органах, как печень.
Элементы, обнаруживаемые в биологических системах в очень небольших количествах, называются микроэлементами. В табл. 14.12 указана масса различных минеральных
Таблица 14.12. Среднее содержание макро- и микроэлементов в организме взрослого человека
Марганец - незаменимый компонент пищи домашней птицы.
К числу микроэлементов, играющих жизненно важную роль для здорового роста сельскохозяйственных растений, относятся многие d-металлы.
элементов и некоторых микроэлементов в организме взрослого человека. Следует обратить внимание на то, что пять из этих элементов принадлежат к числу d-металлов первого переходного рада. Эти и другие микроэлементы из числа d-металлов выполняют разнообразные важные функции в биологических системах.
Хром принимает участие в процессе усвоения глюкозы в человеческом организме.
Марганец входит в состав различных ферментов. Он необходим растениям и является существенным компонентом пищи птиц, хотя не столь важен для овец и крупного рогатого скота. Марганец обнаружен и в человеческом организме, но пока не установлено, насколько он необходим нам. Много марганца содержится в . Хорошими источниками этого элемента служат орехи, специи и крупы.
Кобальт необходим для овец, крупного рогатого скота и человека. Он содержится, например, в витамине Этот витамин используется для лечения злокачественной пернициозной анемии; он необходим также для образования ДНК и РНК (см. гл. 20).
Никель обнаружен в тканях человеческого организма, однако его роль пока не установлена.
Медь является важной составной частью ряда ферментов и необходима для синтеза гемоглобина. Она нужна растениям, а овцы и крупный рогатый скот особенно чувствительны к дефициту меди в рационе питания. При недостатке меди в пище овец появляются ягнята с врожденными уродствами, в частности параличом задних конечностей. В рационе человека единственным продуктом, который содержит значительные количества меди, является печень. Небольшие количества меди содержатся в морепродуктах, бобовых, сушеных фруктах и крупах.
Цинк входит в состав ряда ферментов. Он необходим для выработки инсулина и является составной частью фермента ангидразы, который играет важную роль в процессе дыхания.
Заболеиаиия, связанные с недостатком циика
В начале 1960-х гг. д-р А. С. Прасад открыл в Иране и Индии заболевание, связанное с дефицитом цинка в пище, которое проявляется в замедлении роста детей и анемии. С тех пор недостаток цинка в диете считается главной причиной замедленного развития детей, страдающих от сильного недоедания. Цинк необходим для действия Т-лимфоцитов, без которого иммунная система человеческого организма не может бороться с инфекциями.
Препараты цинка помогают при сильных отравлениях металлами, а также при некоторых наследственных заболеваниях, например при серповидноклеточной анемии. Серповидноклеточная анемия-врожденный дефект эритроцитов, обнаруживаемый у коренного населения Африки. У больных серповидноклеточной анемией эритроциты имеют аномальную (серповидную) форму и поэтому неспособны переносить кислород. Это происходит из-за пересыщения эритроцитов кальцием, который изменяет распределение зарядов на поверхности клеток. Добавление цинка в диету приводит к тому, что цинк конкурирует с кальцием и уменьшает аномалию формы клеточной мембраны.
Препараты цинка помогают также в лечении анорексии (потери аппетита) вызванной нарушениями нервной системы.
Итак, повторим еще раз!
1. Наиболее распространенным на Земле -элементом является железо, за ним следует титан.
2. d-Элементы обнаруживаются в виде микропримесей в растениях, организмах животных и в драгоценных камнях.
3. Для промышленного получения железа используются две руды: гематит и магнетит
4. Железо получают в доменной печи путем восстановления железной руды оксидом углерода. Для удаления примесей в виде шлака в руду добавляют известняк.
5. Углеродистые стали получают главным образом при помощи кислородноконвертерного процесса (процесс Линца-Донавица).
6. Для получения высококачественных легированных сталей используется электроплавильном печь.
7. Титан получают из ильменитовой руды с помощью процесса Кролля. При этом оксид который содержится в руде, сначала превращают в
8. Никель получают из пентландитовой руды. Содержащийся в ней сульфид никеля сначала превращают в оксид который затем восстанавливают углеродом (коксом) до металлического никеля.
9. Для получения меди используется халькопиритовая руда (медный колчедан). Содержащийся в ней сульфид восстанавливают нагреванием в условиях ограниченного доступа воздуха.
10. Сплав - это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.
11. Стали - это сплавы железа, которое является в них главным компонентом.
12. Твердость углеродистых сталей тем больше, чем больше в них содержание углерода.
13. Нержавеющая сталь, инструментальная сталь и кремнистая сталь - это разновидности легированных сталей.
14. Сплавы титана и никеля широко используются в технике. Сплавы меди используются для изготовления монет.
15. Хлорид оксид оксид оксиды никеля и используются как промышленные катализаторы.
16. Оксиды -металлов используются для изготовления цветных стекол, другие соединения -металлов используются в качестве пигментов.
17. d-Металлы играют важную роль в биологических системах. Например, гемоглобин, который является красным пигментом крови, содержит железо.
Все вещества, которые содержат углеродный атом, помимо карбонатов, карбидов, цианидов, тиоционатов и угольной кислоты, представляют собой органические соединения. Это значит, что они способны создаваться живыми организмами из атомов углерода посредством ферментативных или прочих реакций. На сегодняшний день многие органические вещества можно синтезировать искусственно, что позволяет развивать медицину и фармакологию, а также создавать высокопрочные полимерные и композитные материалы.
Классификация органических соединений
Органические соединения являются самым многочисленным классом веществ. Здесь присутствует порядка 20 видов веществ. Они различны по химическим свойствам, отличаются физическими качествами. Их температура плавления, масса, летучесть и растворимость, а также агрегатное состояние при нормальных условиях также различны. Среди них:
- углеводороды (алканы, алкины, алкены, алкадиены, циклоалканы, ароматические углеводороды);
- альдегиды;
- кетоны;
- спирты (двухатомные, одноатомные, многоатомные);
- простые эфиры;
- сложные эфиры;
- карбоновые кислоты;
- амины;
- аминокислоты;
- углеводы;
- жиры;
- белки;
- биополимеры и синтетические полимеры.
Данная классификация отражает особенности химического строения и наличие специфических атомных групп, определяющих разность свойств того или иного вещества. В общем виде классификация, в основе которой лежит конфигурация углеродного скелета, не учитывающая особенностей химических взаимодействий, выглядит по-другому. Соответственно ее положениям, органические соединения делятся на:
- алифатические соединения;
- ароматические вещества;
- гетероциклические вещества.
Данные классы органических соединений могут иметь изомеры в разных группах веществ. Свойства изомеров различны, хотя их атомный состав может быть одинаковым. Это вытекает из положений, заложенных А. М. Бутлеровым. Также теория строения органических соединений является руководящей основой при проведении всех исследований в органической химии. Ее ставят на один уровень с менделеевским Периодическим законом.
Само понятие о химическом строении ввел А. М. Бутлеров. В истории химии оно появилось 19 сентября 1861 года. Ранее в науке существовали различные мнения, а часть ученых вовсе отрицало наличие молекул и атомов. Потому в органической и неорганической химии не было никакого порядка. Более того, не существовало закономерностей, по которым можно было судить о свойствах конкретных веществ. При этом были и соединения, которые при одинаковом составе проявляли разные свойства.
Утверждения А. М. Бутлерова во многом направили развитие химии в нужное русло и создали для нее прочнейший фундамент. Посредством нее удалось систематизировать накопленные факты, а именно, химические или же физические свойства некоторых веществ, закономерности вступления их в реакции и прочее. Даже предсказание путей получения соединений и наличие некоторых общих свойств стало возможным благодаря данной теории. А главное, А. М. Бутлеров показал, что структуру молекулы вещества можно объяснить с точки зрения электрических взаимодействий.
Логика теории строения органических веществ
Поскольку до 1861 года в химии многие отвергали существование атома или же молекулы, то теория органических соединений стала революционным предложением для ученого мира. И поскольку сам Бутлеров А. М. исходит лишь из материалистических умозаключений, то ему удалось опровергнуть философские представления об органике.
Ему удалось показать, что молекулярное строение можно распознать опытным путем посредством химических реакций. К примеру, состав любого углевода можно выяснить посредством сжигания его определенного количества и подсчета образовавшейся воды и углекислого газа. Количество азота в молекуле амина подсчитывается также при сжигании путем измерения объема газов и выделения химического количества молекулярного азота.
Если рассматривать суждения Бутлерова о химическом строении, зависящем от структуры, в обратном направлении, то напрашивается новый вывод. А именно: зная химическое строение и состав вещества, можно эмпирически предположить его свойства. Но самое главное - Бутлеров объяснил, что в органике встречается огромное количество веществ, проявляющих разные свойства, но имеющие одинаковый состав.
Общие положения теории
Рассматривая и исследуя органические соединения, Бутлеров А. М. вывел некоторые важнейшие закономерности. Он объединил их в положения теории, объясняющей строение химических веществ органического происхождения. Положения теории таковы:
- в молекулах органических веществ атомы соединены между собой в строго определенной последовательности, которая зависит от валентности;
- химическое строение - это непосредственный порядок, согласно которому соединены атомы в органических молекулах;
- химическое строение обуславливает наличие свойств органического соединения;
- в зависимости от строения молекул с одинаковым количественным составом возможно появление различных свойств вещества;
- все атомные группы, участвующие в образовании химического соединения, имеют взаимное влияние друг на друга.
Все классы органических соединений построены согласно принципам данной теории. Заложив основы, Бутлеров А. М. смог расширить химию как область науки. Он пояснил, что благодаря тому, что в органических веществах углерод проявляет валентность равную четырем, обуславливается многообразие данные соединений. Наличие множества активных атомных групп определяет принадлежность вещества к определенному классу. И именно за счет наличия специфических атомных групп (радикалов) появляются физические и химические свойства.
Углеводороды и их производные
Данные органические соединения углерода и водорода являются самыми простыми по составу среди всех веществ группы. Они представлены подклассом алканов и циклоалканов (насыщенных углеводородов), алкенов, алкадиенов и алкатриенов, алкинов (непредельных углеводородов), а также подклассом ароматических веществ. В алканах все атомы углерода соединены только одинарной С-С связью, из-за чего в состав углеводорода уже не может быть встроен ни один атом Н.
В непредельных углеводородах водород может встраиваться по месту наличия двойной С=С связи. Также С-С связь может быть тройной (алкины). Это позволяет данным веществам вступать во множество реакций, связанных с восстановлением или присоединением радикалов. Все остальные вещества для удобства изучения их способности вступать в реакции рассматриваются как производные одного из классов углеводородов.
Спирты
Спиртами называются более сложные, чем углеводороды органические химические соединения. Они синтезируются в результате протекания ферментативных реакций в живых клетках. Самым типичным примером является синтез этанола из глюкозы в результате брожения.
В промышленности спирты получают из галогеновых производных углеводородов. В результате замещения галогенового атома на гидроксильную группу и образуются спирты. Одноатомные спирты содержат лишь одну гидроксильную групп, многоатомные - две и более. Примером двухатомного спирта является этиленгликоль. Многоатомный спирт - это глицерин. Общая формула спиртов R-OH (R - углеродная цепь).
Альдегиды и кетоны
После того как спирты вступают в реакции органических соединений, связанные с отщеплением водорода от спиртовой (гидроксильной) группы, замыкается двойная связь между кислородом и углеродом. Если данная реакция проходит по спиртовой группе, расположенной у концевого углеродного атома, то в результате ее образуется альдегид. Если углеродный атом со спиртовой расположен не на конце углеродной цепи, то результатом реакции дегидратации является получение кетона. Общая формула кетонов - R-CO-R, альдегидов R-COH (R - углеводородный радикал цепи).
Эфиры (простые и сложные)
Химическое строение органических соединений данного класса усложненное. Простые эфиры рассматриваются как продукты реакции между двумя молекулами спиртов. При отщеплении воды от них образуется соединение образца R-O-R. Механизм реакции: отщепление протона водорода от одного спирта и гидроксильной группы от другого спирта.
Сложные эфиры - продукты реакции между спиртом и органической карбоновой кислотой. Механизм реакции: отщепление воды от спиртовой и карбоновой группы обеих молекул. Водород отщепляется от кислоты (по гидроксильной группе), а сама ОН-группа отделяется от спирта. Полученное соединение изображается как R-CO-O-R, где буковой R обозначены радикалы - остальные участки углеродной цепи.
Карбоновые кислоты и амины
Карбоновыми кислотами называются особенные вещества, играющие важную роль в функционировании клетки. Химическое строение органических соединений такое: углеводородный радикал (R) с присоединенной к нему карбоксильной группой (-СООН). Карбоксильная группа может располагаться только у крайнего атома углерода, потому как валентность С в группе (-СООН) равна 4.
Амины - это более простые соединения, которые являются производными углеводородов. Здесь у любого атома углерода располагается аминный радикал (-NH2). Существуют первичные амины, у которых группа (-NH2) присоединяется к одному углероду (общая формула R-NH2). У вторичных аминов азот соединяется с двумя углеродными атомами (формула R-NH-R). У третичных аминов азот соединен с тремя углеродными атомами (R3N), где р - радикал, углеродная цепь.
Аминокислоты
Аминокислоты - комплексные соединения, которые проявляют свойства и аминов, и кислот органического происхождения. Существует несколько их видов в зависимости от расположения аминной группы по отношению к карбоксильной. Наиболее важны альфа-аминокислоты. Здесь аминная группа расположена у атома углерода, к которому присоединена карбоксильная. Это позволяет создавать пептидную связь и синтезировать белки.
Углеводы и жиры
Углеводы являются альдегидоспиртами или кетоспиртами. Это соединения с линейной или циклической структурой, а также полимеры (крахмал, целлюлоза и прочие). Их важнейшая роль в клетке - структурная и энергетическая. Жиры, а точнее липиды, выполняют те же функции, только участвуют в других биохимических процессах. С точки зрения химического строения жир является сложным эфиром органических кислот и глицерина.