Занимательно о химии

Из двух миллионов разнообразнейших молекул 1 миллион 700 тысяч — молекулы, основу, каркас которых составляют атомы углерода. Изучает эти соединения громадный раздел химии — органическая химия. Соединения же всех прочих элементов входят в «сферу влияния» химии неорганической.

Получается, что органических веществ почти в шесть раз больше, чем неорганических.

Новое органическое вещество, как правило, синтезировать гораздо легче. Для неоргаников же было бы идеалом, если бы они каждый день могли рапортовать о получении хотя бы одного нового соединения. Правда, в последние годы перспективы стали более обнадеживающими.

Органикам помогает одна чудесная особенность атомов углерода.

Причина многообразия и ее следствия

Атомы этого элемента чрезвычайно легко могут образовывать цепи, выстраиваться в длинную шеренгу.

Самая короткая цепь содержит два углеродных атома, Например, молекула углеводорода этана насчитывает два звена в цепочке: Н₃С—СН₃. Самая длинная? Пока это не известно. Удалось получить соединение, где в цепи располагается 70 углеродных звеньев. (Нужно оговориться, что речь идет об обыкновенных соединениях, а не о полимерах. Там углеродные цепи имеют протяженность значительно большую.)

Ничего подобного мы не встретим у других элементов. Только кремний может позволить себе роскошь образовать шестизвенную цепочку. Да для германия ученые получили любопытное соединение — германоводород Ge₃H₈, где три металлических атома находятся в одной цепи. В семействе металлов это вообще единственный случай.

Словом, по способности к «цепеобразованию» углерод вне всякой конкуренции.

Но если бы углеродные цепочки были только линейные, органическая химия не знала бы столь баснословного количества соединений.

Цепи могут ветвиться. Могут замыкаться, образуя циклы — многоугольники. Из трех, четырех, пяти, шести и более атомов углерода.

В углеводороде бутане цепочка из четырех углеродных атомов:

Здесь атомы вытянуты «по струнке». Но они могут разместиться и так:

Число атомов то же самое, но связаны они друг с другом по-иному. И само вещество имеет другие свойства и называется иначе — изобутан. Короче: «Федот, да не тот».

Из пяти углеродных атомов, помимо линейной, можно сконструировать еще пять разветвленных цепей. Каждой «конструкции» будет отвечать самостоятельное химическое вещество.

Для таких разновидностей химических соединений, в которых содержатся одни и те же атомы, правда расположенные различными способами, химики придумали специальное название — изомеры. Их тем больше, чем больше атомов углерода в молекуле. Количество изомеров растет чуть ли не в геометрической прогрессии.

А органическая химия зачисляет в свой актив сотни тысяч новых соединений.

Химические кольца

Ходит немало легенд о том, как великие ученые делали свои великие открытия.

Рассказывали, что Ньютон предавался однажды раздумью в своем саду. К ногам его вдруг упало яблоко. Это навело гениального физика на мысль о законе всемирного тяготения.

Говорили, что Менделеев увидел периодическую систему во сне. Так что ему оставалось только проснуться и изобразить свое «сновидение» на бумаге.

Словом, об открытиях и их авторах измышлялось всякое.

Но идея, пришедшая в голову знаменитого немецкого химика Кекуле, была действительно навеяна довольно-таки любопытной картиной.

Ученые уже давно знали о бензоле — одном из важнейших органических соединений. Знали, что он состоит из шести атомов углерода и шести атомов водорода. Изучили многие его реакции.

И не ведали главного: как шестерка углеродных атомов располагается в пространстве.

Эта проблема не давала покоя Кекуле. А решил он ее так. Впрочем, дадим ему слово: «Я сидел и писал учебник, но работа не двигалась. Мысли мои витали где-то далеко. Атомы прыгали перед моими глазами. Мой умственный взор мог различить длинные ряды, извивающиеся подобно змеям. Но смотрите! Одна из змей схватила свой собственный хвост и в таком виде, как бы дразня, завертелась перед моими глазами. Как будто вспышка молнии разбудила меня…»

Случайный образ, возникший в сознании Кекуле, помог ему сделать вывод: углеродные цепи способны замыкаться, образовывать циклы.

Вслед за Кекуле химики стали изображать строение бензола следующим образом:

Бензольное кольцо сыграло в органической химии колоссальную роль.

Кольца могут содержать разные количества углеродных атомов. Кольца могут и сращиваться, образуя причудливые геометрические фигуры. В мире колец существует такое же разнообразие конструкций, как и среди незамкнутых цепей атомов углерода. Любая книга по органической химии чем-то напоминает учебник геометрии, ибо чуть ли не на каждой ее странице встретишь «геометрические фигуры» — структурные формулы сложных органических соединений.

Вот какие занятные «гармошки» могут образовывать бензольные кольца:

Левая «гармошка» — структурная формула нафталина. Правая — это антрацен, он содержится в каменном угле.

Третья возможность