Удивительный мир органической химии

Рассмотрим образование ковалентных связей в самом простом органическом веществе — метане. Его молекула состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода, т. е. его эмпирическая формула будет СН₄. Поскольку на внешней электронной оболочке углеродного атома находятся четыре валентных электрона, то он способен образовать четыре ковалентные связи С—Н. Эти связи образуются за счет «обобществления» четырех электронов атома углерода и четырех электронов атомов водорода (по одному от каждого атома) (рис. 2). В результате во внешнем электронном слое атома углерода будет находиться восемь электронов (как у инертного газа неона), а у каждого атома водорода — два (как у инертного газа гелия). Поэтому формула молекулы метана с четырьмя электронными парами будет выглядеть так:

Электронную пару обычно изображают в виде одной черточки. Эта черточка обозначает простую (одинарную) химическую связь.

Следующий за метаном углеводород — этан С₂Н₆ — содержит семь электронных пар:

Однако не следует забывать, что на самом деле каждому атому принадлежит только половина образовавшейся электронной пары!

Итак, молекулы органических соединений, в отличие от неорганических, построены не из ионов, а из нейтральных атомов. Поэтому полярные молекулы воды с органическими молекулами взаимодействовать, как в случае хлорида натрия, не будут. Они отскакивают от них, как от стенки горох. Вода — основной растворитель для неорганических веществ — в мире органической химии уступает таким растворителям, как спирт, бензол, эфир и др. Тут подтверждается старое химическое правило: «подобное растворяется в подобном». Но даже и в этих растворителях органические вещества будут распадаться на отдельные молекулы, а не на ионы. Например, при растворении сахара в воде в сладком растворе будут находиться только молекулы этого органического вещества. Правда, есть и такие органические соединения, которые не только растворяются в воде, но и образуют в ней ионы. Примером могут служить карбоновые кислоты, соли и др. Вот как образуются ионы уксусной кислоты при ее диссоциации:

Однако таких соединений в органической химии не так уж и много. Но даже и в этом случае ионный заряд возникает не на атоме углерода, а на кислородном атоме. Это означает, что разорвалась не углерод-водородная связь, а кислород-водородная.

Химики давно заметили, что при проведении химических реакций скорость взаимодействия между неорганическими веществами намного больше, чем между органическими. Попробуйте, соблюдая осторожность, смешать раствор гидроксида натрия (едкого натра) с соляной кислотой. Реакция в этом случае протекает мгновенно и бурно с выделением теплоты. Это — обычная реакция нейтрализации:

Почему же такая высокая скорость? Это объясняется тем, что щелочь и кислота находятся в виде ионов, реакционная способность которых очень велика. Органические же вещества, как мы знаем, ионов практически не образуют. Поэтому реакции между ними протекают медленно. Более того, часто для полного завершения органической реакции приходится ждать несколько часов, а то и суток. Иногда химики применяют особые вещества — катализаторы, которые ускоряют реакцию. Очень часто реакционную смесь приходится нагревать или проводить реакцию даже под давлением.

Итак, органические вещества имеют свои особенности. Но это не означает, что между органическими и неорганическими веществами нужно возвести высокую стену. Те и другие могут быть получены одним и тем же химиком в одной и той же лаборатории. Конечно, в органической химии есть свои особенности, свои «тайны», как и в любой другой науке. Да, она не похожа на неорганическую химию, но от этого не стала труднее для изучения. Более того, органическая химия имеет более стройную систему, чем химия неорганическая. В течение почти двух веков химики-органики умудрились так расположить все сведения об органической химии, что эта наука стала необычайно стройной и логически завершенной. Этому способствует и то, что в органических соединениях практически все элементы, входящие в их состав, имеют постоянную валентность.

1.5. «...Она представляется мне дремучим лесом...»

К началу второй половины XIX в. химики были знакомы со многими органическими соединениями. Правда, это были вещества главным образом природного происхождения. Химики их выделяли из растительных или животных организмов, из каменноугольной смолы, нефти и т. д. Они смело брались за установление состава этих соединений, за изучение их свойств. Для этого приходилось проводить много химических реакций, в которых органические вещества взаимодействовали с другими органическими веществами или, чаще, — с неорганическими. В результате было открыто много реакций, обнаружено немало закономерностей.

Это было время активных поисков и бесконечных экспериментов с органическими веществами.