Існує кілька визначень, що таке органічні речовини, чим вони відрізняються від іншої групи сполук – неорганічних. Одне з найпоширеніших пояснень випливає із назви «вуглеводні». Справді, основу всіх органічних молекул знаходяться ланцюжка атомів вуглецю, пов'язані з воднем. Є й інші елементи, які отримали назву «органогенні».

Органічна хімія до відкриття сечовини

Здавна люди користуються багатьма природними речовинами та мінералами: сірою, золотом, залізною та мідною рудою, кухонною сіллю. За весь час існування науки - з найдавніших часів і до першої половини XIX століття - вчені не могли довести зв'язок живої та неживої природи на рівні мікроскопічної будови (атомів, молекул). Вважалося, що своєю появою органічні речовини завдячують міфічній життєвій силі – віталізму. Існував міф про можливість виростити чоловічка «гомункулуса». Для цього треба було скласти в барило різні продукти життєдіяльності, почекати певний час, поки зародиться життєва сила.

Нищівний удар по віталізму завдали роботи Веллера, який синтезував органічну речовину сечовину з неорганічних компонентів. Так було доведено, що жодної життєвої сили немає, природа єдина, організми та неорганічні сполуки утворені атомами тих самих елементів. Склад сечовини був відомий і до робіт Веллер, вивчення цього з'єднання не становило в ті роки великої праці. Чудовим був сам факт отримання речовини, характерної для обміну речовин, поза тілом тварини чи людини.

Теорія А. М. Бутлерова

Велика роль російської школи хіміків у становленні науки, що вивчає органічні речовини. З іменами Бутлерова, Марковникова, Зелінського, Лебедєва пов'язані цілі епохи у розвитку органічного синтезу. Основоположником теорії будови сполук є А. М. Бутлеров. Знаменитий учений-хімік у 60-х роках XIX століття пояснив склад органічних речовин, причини різноманіття їх будови, розкрив взаємозв'язок, що існує між складом, будовою та властивостями речовин.

На основі висновків Бутлерова вдалося не тільки систематизувати знання про вже існуючі органічні сполуки. З'явилася можливість передбачити властивості ще відомих науці речовин, створити технологічні схеми їхнього отримання у промислових умовах. Повною мірою втілюється в життя багато ідей провідних хіміків-органіків у наші дні.

При окисленні вуглеводнів виходять нові органічні речовини - представники інших класів (альдегідів, кетонів, спиртів, карбонових кислот). Наприклад, великі обсяги ацетилену йдуть виробництва оцтової кислоти. Частина цього продукту реакції надалі витрачається отримання синтетичних волокон. Розчин кислоти (9% і 6%) є у кожному будинку – це звичайний оцет. Окислення органічних речовин служить основою отримання дуже великої кількості сполук, мають промислове, сільськогосподарське, медичне значення.

Ароматичні вуглеводні

Ароматичність у молекулах органічних речовин – це присутність одного або кількох бензольних ядер. Ланцюжок з 6 атомів вуглецю замикається в кільце, в ньому виникає зв'язок, тому властивості таких вуглеводнів не схожі на інші УВ.

Ароматичні вуглеводні (або арени) мають велике практичне значення. Широко застосовуються багато з них: бензол, толуол, ксилол. Вони використовуються як розчинники та сировина для виробництва ліків, барвників, каучуку, гуми та інших продуктів органічного синтезу.

Кисневмісні сполуки

У складі великої групи органічних речовин є атоми кисню. Вони входять до найактивнішої частини молекули, її функціональної групи. Спирти містять одну або кілька гідроксильних частинок-ОН. Приклади спиртів: метанол, етанол, гліцерин. У карбонових кислотах присутня інша функціональна частка - карбоксил (-СОООН).

Інші кисневмісні органічні сполуки - альдегіди і кетони. Карбонові кислоти, спирти та альдегіди у великих кількостях присутні у складі різних органів рослин. Вони можуть бути джерелами для одержання натуральних продуктів (оцтової кислоти, етилового спирту, ментолу).

Жири є сполуками карбонових кислот та триатомного спирту гліцерину. Крім спиртів та кислот лінійної будови, є органічні сполуки з бензольним кільцем та функціональною групою. Приклад ароматичних спиртів: фенол, толуол.

Вуглеводи

Найважливіші органічні речовини організму, що входять до складу клітин, – білки, ферменти, нуклеїнові кислоти, вуглеводи та жири (ліпіди). Прості вуглеводи – моносахариди – зустрічаються у клітинах у вигляді рибози, дезоксирибози, фруктози та глюкози. Останній у цьому короткому списку вуглевод – основна речовина обміну речовин у клітинах. Рибоза та дезоксирибоза — складові рибонуклеїнової та дезоксирибонуклеїнової кислот (РНК і ДНК).

При розщепленні молекул глюкози виділяється енергія, необхідна життєдіяльності. Спочатку вона запасається при утворенні своєрідного переончика енергії - аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ). Ця речовина переноситься кров'ю, доставляється в тканини та клітини. При послідовному відщепленні від аденозину трьох залишків фосфорної кислоти енергія звільняється.

Жири

Ліпіди - речовини живих організмів, що мають специфічні властивості. Вони не розчиняються у воді, є гідрофобними частинками. Особливо багаті на речовини цього класу насіння і плоди деяких рослин, нервова тканина, печінка, нирки, кров тварин і людини.

Шкіра людини та тварин містить безліч дрібних сальних залоз. Секрет, що виділяється ними, виводиться на поверхню тіла, змащує її, захищає від втрати вологи і проникнення мікробів. Шар підшкірної жирової клітковини оберігає від пошкоджень внутрішні органи, що служить запасною речовиною.

Білки

Протеїни становлять більше половини всіх органічних речовин клітини, у деяких тканинах їх вміст сягає 80%. Для всіх видів білків характерні високі молекулярні маси, наявність первинної, вторинної, третинної та четвертинної структур. При нагріванні вони руйнуються – відбувається денатурація. Первинна структура - це величезний для мікросвіту ланцюжок амінокислот. Під впливом спеціальних ферментів у травній системі тварин і людини протеїнова макромолекула розпадеться на складові. Вони потрапляють у клітини, де відбувається синтез органічних речовин – інших білків, специфічних для кожної живої істоти.

Ферменти та їх роль

Реакції у клітині протікають зі швидкістю, що у виробничих умовах важко досяжна, завдяки каталізаторам — ферментам. Розрізняють ферменти, що діють лише на білки, - ліпази. Гідроліз крохмалю відбувається за участю амілази. Для розкладання на складові жирів необхідні ліпази. Процеси за участю ферментів йдуть у всіх живих організмах. Якщо людина немає у клітинах будь-якого ферменту, це позначається обміні речовин, загалом здоров'я.

Нуклеїнові кислоти

Речовини, вперше виявлені та виділені з ядер клітин, виконують функцію передачі спадкових ознак. Основна кількість ДНК міститься у хромосомах, а молекули РНК розташовані у цитоплазмі. При редуплікації (подвоєння) ДНК з'являється можливість передати спадкову інформацію статевим клітинам – гаметам. За їх злиття новий організм отримує генетичний матеріал від батьків.

Як відомо, всі речовини можуть бути поділені на дві великі категорії – мінеральні та органічні. Можна навести велику кількість прикладів неорганічних, або мінеральних речовин: сіль, сода, калій. Але які типи з'єднань потрапляють до другої категорії? Органічні речовини представлені у будь-якому живому організмі.

Білки

Найважливішим прикладом органічних речовин є білки. До їх складу входить азот, водень та кисень. Крім них, іноді в деяких білках можна знайти атоми сірки.

Білки є одними з найважливіших органічних сполук, і вони найчастіше зустрічаються у природі. На відміну з інших сполук, білкам властиві деякі характерні риси. Головна їхня властивість - це величезна молекулярна маса. Наприклад, молекулярна вага атома спирту становить 46, бензолу - 78, а гемоглобіну - 152 000. Порівняно з молекулами інших речовин, білки є справжніми велетнями, що містять у собі тисячі атомів. Іноді біологи називають їх макромолекулами.

Білки є найскладнішими з усіх органічних будов. Вони належать до класу полімерів. Якщо розглянути молекулу полімеру під мікроскопом, то можна побачити, що вона є ланцюгом, що складається з більш простих структур. Вони звуться мономерів і повторюються в полімерах безліч разів.

Крім білків, існує велика кількість полімерів - каучук, целюлоза, а також звичайний крохмаль. Також чимало полімерів створено і руками людини – капрон, лавсан, поліетилен.

Освіта білка

Як утворюються білки? Вони є прикладом органічних речовин, склад яких у живих організмах визначається генетичним кодом. При їх синтезі у переважній більшості випадків використовуються різні комбінації.

Також нові амінокислоти можуть утворюватися вже, коли білок починає функціонувати в клітині. При цьому в ньому зустрічаються лише альфа-амінокислоти. Первинна структура описуваної речовини визначається послідовністю залишків амінокислотних сполук. І в більшості випадків поліпептидний ланцюг при утворенні білка закручується в спіраль, витки якої розташовуються тісно один до одного. Внаслідок утворення водневих сполук вона має досить міцну структуру.

Жири

Іншим прикладом органічних речовин можуть бути жири. Людині відомо чимало видів жирів: вершкове масло, яловичий і риб'ячий жир, олії. У великих кількостях жири утворюються у насінні рослин. Якщо очищене насіння соняшника покласти на аркуш паперу і придавити, то на аркуші залишиться масляниста пляма.

Вуглеводи

Не менш важливими у живій природі є вуглеводи. Вони містяться у всіх органах рослин. До класу вуглеводів належить цукор, крохмаль, і навіть клітковина. Багаті на них бульби картоплі, плоди банана. Дуже легко виявити крохмаль у картоплі. При реакції з йодом цей вуглевод забарвлюється у синій колір. У цьому можна переконатися, якщо капнути на зріз картоплини трохи йоду.

Також нескладно виявити і цукри - вони всі мають солодкий смак. Багато вуглеводів цього класу міститься у плодах винограду, кавунів, дині, яблуні. Вони є прикладами органічних речовин, які також виробляються в штучних умовах. Наприклад, із цукрової тростини видобувається цукор.

А як утворюються вуглеводи у природі? Найпростішим прикладом є процес фотосинтезу. Вуглеводи є органічні речовини, в яких міститься ланцюг з декількох вуглецевих атомів. Також до їх складу входить кілька гідроксильних груп. У процесі фотосинтезу цукор неорганічних речовин утворюється з оксиду вуглецю та сірки.

Клітковина

Ще одним прикладом органічних речовин є клітковина. Найбільше її міститься в насінні бавовни, а також стеблах рослин та його листі. Клітковина складається з лінійних полімерів, її молекулярна маса становить від 500 тисяч до 2 млн.

У чистому вигляді вона є речовиною, у якої відсутній запах, смак і колір. Застосовується воно під час виготовлення фотоплівки, целофану, вибухівки. В організмі людини клітковина не засвоюється, проте є необхідною частиною раціону, оскільки стимулює роботу шлунка та кишечника.

Речовини органічні та неорганічні

Можна навести чимало прикладів утворення органічних і інших завжди походять з мінералів - неживих які утворюються в глибинах землі. Вони входять до складу різних гірських порід.

У природних умовах неорганічні речовини утворюються у процесі руйнації мінералів чи органічних речовин. З іншого боку, з мінералів постійно утворюються органічні речовини. Наприклад, рослини поглинають воду з розчиненими у ній сполуками, які надалі переходять із однієї категорії до іншої. Живі організми використовують для харчування переважно органічні речовини.

Причини різноманітності

Нерідко школярам чи студентам потрібно відповісти на питання про те, у чому полягають причини різноманіття органічних речовин. Головний чинник у тому, що атоми вуглецю з'єднуються між собою з допомогою двох типів зв'язків - простих і кратних. Також вони можуть утворювати ланцюги. Ще однією причиною є різноманітність різних хімічних елементів, що входять до органічних речовин. Крім того, різноманіття обумовлено і алотропією - явищем існування одного й того самого елемента в різних сполуках.

А як утворюються неорганічні речовини? Природні та синтетичні органічні речовини та їх приклади вивчаються як у старших класах школи, так і у профільованих вищих навчальних закладах. Утворення неорганічних речовин - це складний процес, як освіту білків чи вуглеводів. Наприклад, соду з давніх-давен люди видобували з содових озер. У 1791 році вчений-хімік Ніколя Леблан запропонував синтезувати її в лабораторних умовах із використанням крейди, солі, а також сірчаної кислоти. Колись усім звична сьогодні сода була досить недешевим продуктом. Для проведення досліду було необхідно прожарити кухонну сіль разом з кислотою, а потім сульфат, що утворився, прожарити разом з вапняком і деревним вугіллям.

Іншим є марганцівка або перманганат калію. Цю речовину одержують у промислових умовах. Процес утворення полягає в електролізі розчину гідроксиду калію та марганцевого анода. При цьому анод поступово розчиняється з утворенням розчину фіолетового кольору - це і є відома всім марганцівка.

Спочатку називалася хімія речовин, отриманих з організмів рослин та тварин. З такими речовинами людство знайоме з давнину. Люди вміли отримувати оцет із прокислого вина, а ефірні олії з рослин, виділяти цукор із цукрової тростини, витягувати природні барвники з організмів рослин та тварин.

Хіміки поділяли всі речовини в залежності від джерела їх одержання на мінеральні (неорганічні), тваринні та рослинні (органічні).

Довгий час вважалося, що для отримання органічних речовин потрібна особлива «життєва сила» - vis Vitalis, яка діє тільки в живих організмах, а хіміки здатні лише виділяти органічні речовини з продуктів.

Шведський хімік, президент Королівської шведської Академії наук. Наукові дослідження охоплюють усі головні проблеми загальної хімії першої половини ХІХ ст. Експериментально перевірив і довів достовірність законів сталості складу та кратних відносин стосовно неорганічних оксидів та органічних сполук. Визначив атомну масу 45 хімічного елемента. Ввів сучасні позначення хімічних елементів та перші формули хімічних сполук.

Шведський хімік Й. Я. Берцеліус визначив органічну хімію як хімію рослинних чи тваринних речовин, що утворюються під впливом «життєвої сили». Саме Берцеліус ввів поняття органічні речовини та органічна хімія.

Розвиток хімії призвело до накопичення великої кількості фактів і краху вчення про «життєву силу» - віталізму. Німецький вчений Ф. Велер у 1824 р. здійснив перший синтез органічних речовин – отримав щавлеву кислоту шляхом взаємодії двох неорганічних речовин – диціану та води:

N=- C-С=N + 4Н 2 0 -> СООН + 2NН 3
СООН
диціан щавлева кислота

На 1828 р. Велер, нагріваючи водний розчин неорганічного речовини ціанату амонію, отримав сечовину - продукт життєдіяльності тварин організмів:

Здивований таким результатом, Велер написав Берцеліусу: «Мушу сказати Вам, що я вмію приготувати сечовину, не потребуючи ні нирки, ні тваринного організму взагалі...»

Велер Фрідріх (1800-1882)

Німецький хімік. Іноземний член Петербурзької Академії наук (з 1853). Його дослідження присвячені як неорганічній, і органічної хімії. Відкрив ціанову кислоту (1822), отримав алюміній (1827), берилій та ітрій (1828).

У наступні роки блискучі синтези аніліну Г. Кольбе та Е. Франклендом (1842), жиру М. Бер^о (1854), цукристих речовин А. Бутлеровим (1861) та ін. остаточно поховали міф про «життєву силу».

З'явилося класичне визначення К. Шорлеммера, яке не втратило свого значення і більше 120 років по тому:

«Органічна хімія є хімія вуглеводнів та його похідних, т. е. продуктів, які утворюються під час заміни водню іншими атомами чи групами атомів».

Нині органічну хімію найчастіше називають хімією сполук вуглецю. Чому ж із понад ста елементів Періодичної системи Д. І. Менделєєва природа саме вуглець поклала в основу всього живого? Відповідь це питання неоднозначний. Багато вам стане зрозуміло, коли ви розглянете будову атома вуглецю і зрозумієте слова Д. І. Менделєєва, сказані ним в «Основах хімії» про цей чудовий елемент: «Вуглець зустрічається в природі як у вільному, так і в сполучному стані, в дуже різних формах і видах... Здатність атомів вуглецю з'єднуватися між собою і давати складні частинки проявляється у всіх вуглецевих сполуках... У жодному з елементів... здатність до ускладнення не розвинена такою мірою, як у вуглеці... Жодна пара елементів не дає так багато сполук, як вуглець з воднем».

Численні зв'язки атомів вуглецю між собою та з атомами інших елементів (водню, кисню, азоту, сірки, фосфору), що входять до складу органічних речовин, можуть руйнуватися під впливом природних факторів. Тому вуглець здійснює безперервний кругообіг у природі: з атмосфери (вуглекислий газ) – у рослини (фотосинтез), з рослин – у тваринні організми, з живого – у мертве, з мертвого – у живе... (рис. 1).

Органічні речовини мають ряд особливостей, які відрізняють їх від неорганічних речовин:

1. Неорганічних речовин налічується трохи більше 100 тис., тоді як органічних - майже 18 млн. (табл. 1).

Рис. 1. Кругообіг вуглецю в природі

2. До складу всіх органічних речовин входять вуглець і водень, тому більшість їх горючі і при горінні обов'язково утворюють вуглекислий газ і воду.

3. Органічні речовини побудовані складніше, ніж неорганічні, і з них мають величезну молекулярну масу, наприклад, завдяки яким відбуваються життєві процеси: білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти тощо.

4. Органічні речовини можна розмістити в ряди подібних за складом, будовою та властивостями - гомологів.

Гомологічним рядом називається ряд речовин, розташованих у порядку зростання їх відносних молекулярних мас, подібних за будовою та хімічними властивостями, де кожен член відрізняється від попереднього на гомологічну різницю СН 2 .

Таблиця 1. Зростання числа відомих органічних сполук

5. Для органічних речовин характерною є ізомерія, що дуже рідко зустрічається серед неорганічних речовин. Згадайте приклади ізомерів, з якими ви знайомилися у 9 класі. У чому причина відмінностей у властивостях ізомерів?

Ізомерія – це явище існування різних речовин – ізомерів з однаковим якісним та кількісним складом, тобто однаковою молекулярною формулою.

Найбільшим узагальненням знань про неорганічні речовини є Періодичний закон та Періодична система елементів Д. І. Менделєєва. Для органічних речовин аналогом такого узагальнення служить теорія будови органічних сполук А. М. Бутлерова. Згадайте, що Бутлеров розумів під хімічною будовою. Сформулюйте основні тези цієї теорії.

Для кількісної характеристики здатності атомів одного хімічного елемента з'єднуватися з певним числом атомів іншого хімічного елемента в неорганічній хімії, де більшість речовин має немолекулярну будову, застосовують поняття «ступінь окислення». В органічній хімії, де більшість сполук має молекулярну будову, використовують поняття «валентність». Згадайте, що означають ці поняття, порівняйте їх.

Велике значення органічної хімії у нашому житті. У будь-якому організмі будь-якої миті протікає безліч перетворень одних органічних речовин на інші. Тому без знань органічної хімії неможливо зрозуміти, як здійснюється функціонування систем, що утворюють живий організм, тобто складно розуміння біології та медицини.

За допомогою органічного синтезу одержують різноманітні органічні речовини: штучні та синтетичні волокна, каучуки, пластмаси, барвники, пестициди (що це таке?), синтетичні вітаміни, гормони, ліки тощо.

Багато сучасних продуктів і матеріалів, без яких ми можемо обходитися, є органічними речовинами (табл. 2).

Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Удосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні урокикалендарний план на рік методичні рекомендації програми обговорення Інтегровані уроки

В даний час встановлено, що клас органічних речовин - найбільший серед інших хімічних сполук. Що ж вчені-хіміки відносять до органічних речовин? Відповідь така: це ті речовини, до складу яких включено вуглець. Втім, із цього правила є винятки: вугільна кислота, ціаніди, карбонати, оксиди вуглецю не входять до складу органічних сполук.

Вуглець - дуже цікавий у своєму роді хімічний елемент. Його особливість у тому, що може утворювати зі своїх атомів ланцюжка. Такий зв'язок виявляється дуже стабільним. В органічних сполуках вуглець демонструє високу валентність (IV). Йдеться здатність утворювати зв'язки України з іншими речовинами. Ці зв'язки цілком можуть бути не тільки одинарними, але також подвійними чи потрійними. У міру зростання числа зв'язків ланцюжок з атомів стає коротшим, стабільного зв'язку збільшується.

Вуглець відомий також тим, що може утворювати лінійні, плоскі і навіть об'ємні структури. Ці властивості даного хімічного елемента зумовили таку різноманітність органічних речовин у природі. Близько третини всієї маси кожної клітини людського тіла складають органічні сполуки. Це білки, з яких здебільшого і побудовано тіло. Це вуглеводи – універсальне «паливо» для організму. Це жири, що дозволяють запасати енергію. Гормони керують роботою всіх органів прокуратури та навіть впливають поведінка. А ферменти запускають усередині організму бурхливі хімічні реакції. Більше того, «вихідний код» живої істоти – ланцюжок ДНК – це органічна сполука, в основі якої лежить вуглець.

Майже всі хімічні елементи, коли з'єднуються з вуглецем, здатні дати початок органічним сполукам. Найчастіше у природі до складу органічних речовин входять:

• кисень;
• водень;
• сірка;
• азот;
• фосфор.

Розвиток теорії щодо органічних речовин йшло відразу за двома взаємозалежними напрямами: вчені вивчали просторове розташування молекул сполук і з'ясовували сутність хімічних зв'язків у сполуках. Біля витоків теорії будови органічних речовин стояв російський хімік А.М. Бутлер.

Принципи класифікації органічних речовин

У розділі науки, відомому як органічна хімія, особливе значення мають класифікації речовин. Складність у тому, що опису підлягають мільйони хімічних сполук.

Вимоги до номенклатури дуже суворі: вона має бути систематичною та придатною для використання у міжнародних масштабах. Фахівці будь-якої країни повинні розуміти, про яке поєднання йдеться і однозначно представляти його структуру. Здійснюється ряд зусиль, які дозволять зробити класифікацію органічних сполук придатною для комп'ютерної обробки.

В основі сучасної класифікації лежить будова вуглецевого скелета молекули та наявність у ній функціональних груп.

За будовою свого вуглецевого скелета органічні речовини поділяються на групи:

• ациклічні (аліфатичні);
• карбоциклічні;
• гетероциклічні.

Родоначальниками будь-яких сполук в органічній хімії є вуглеводні, які складаються лише з атомів вуглецю і водню. Як правило, молекули органічних речовин містять у своєму складі так звані функціональні групи. Це - атоми чи групи атомів, які визначають, якими будуть хімічні властивості сполуки. Такі групи дозволяють віднести з'єднання до того чи іншого класу.

Прикладами функціональних груп можуть бути:

• карбонільна;
• карбоксильна;
• гідроксильна.

Ті сполуки, які містять лише одну функціональну групу, називають монофункціональними. Якщо молекулі органічного речовини є кілька таких груп, вони вважаються полифункциональными (наприклад, гліцерин чи хлороформ). Гетерофункціональні будуть сполуки, де функціональні групи різні за складом. Їх в той самий час цілком можна віднести до різних класів. приклад: молочна кислота. Її можна розглядати як спирт та як карбонову кислоту.

Перехід від класу до класу здійснюється, як правило, за участю функціональних груп, але без зміни вуглецевого скелета.

Скелетом стосовно молекули називають послідовність з'єднання атомів. Скелет може бути вуглецевим або містити так звані гетероатоми (наприклад, азот, сірку, кисень і т.д.). Також скелет молекули органічної сполуки може бути розгалуженим або нерозгалуженим; відкритим або циклічним.

Особливим типом циклічних сполук вважаються ароматичні: їм є характерними реакції приєднання.

Основні класи органічних речовин

Відомі такі органічні речовини біологічного походження:

• вуглеводи;
• білки;
• ліпіди;
• нуклеїнові кислоти.

Докладнішу класифікацію органічних сполук включають речовини, які не мають біологічного походження.

Розрізняють класи органічних речовин, у складі яких вуглець входить у поєднання інших речовин (крім водню):

• спирти та феноли;
• карбонові кислоти;
• альдегіди та кислоти;
• складні ефіри;
• вуглеводи;
• ліпіди;
• амінокислоти;
• нуклеїнові кислоти;
• білки.

Будова органічних речовин

Велика різноманітність органічних сполук у природі пояснюється особливостями атомів вуглецю. Вони здатні утворювати дуже міцні зв'язки, поєднуючись у групи - ланцюжки. Результатом стають цілком стійкі молекули. Спосіб, який використовують молекули, щоб з'єднатися в ланцюг, є ключовою особливістю їх будови. Вуглець здатний об'єднуватися як у відкриті ланцюги, так і в замкнуті (їх називають циклічними).

Будова речовин безпосередньо впливає їх властивості. Особливості будови дозволяють існувати десяткам і сотням самостійних сполук вуглецю.

Важливу роль підтримці різноманіття органічних речовин грають такі властивості як гомологія та ізомерія.

Йдеться про ідентичні на перший погляд речовини: їх склад не відрізняється одна від одної, молекулярна формула та сама. А ось будова з'єднань принципово відрізняється. Різними будуть і хімічні властивості речовин. Наприклад, те саме написання мають ізомери бутан і ізобутан. Атоми в молекулах цих двох речовин розташовуються по-різному. В одному випадку вони розгалужені, в іншому – ні.

Під гомологією розуміють характеристику вуглецевого ланцюга, де кожен наступний член можна отримати, додаючи до попереднього одну і ту ж групу. Іншими словами, кожен із гомологічних рядів цілком можна висловити однією і тією самою формулою. Знаючи таку формулу, можна без особливих зусиль з'ясувати склад будь-якого члена ряду.

Приклади органічних речовин

Вуглеводи цілком перемогли б у змаганні між усіма органічними речовинами, якщо взяти їх загалом по масі. Це – джерело енергії для живих організмів та будівельний матеріал для більшості клітин. Світ вуглеводів відрізняється великою різноманітністю. Без крохмалю та целюлози не змогли б існувати рослини. А тваринний світ став би неможливим без лактози та глікогену.

Ще один представник світу органічних речовин – білки. Усього з двох десятків амінокислот природі вдається утворити в людини до 5 млн типів білкових структур. До функцій цих речовин входить регулювання життєво важливих процесів в організмі, забезпечення згортання крові, перенесення деяких видів речовин у межах організму. Як ферментів білки виступають прискорювачами реакцій.

Ще один важливий клас органічних сполук – ліпіди (жири). Ці речовини служать як запасне джерело потрібної організму енергії. Вони є розчинниками та допомагають протіканню біохімічних реакцій. Ліпіди беруть участь також у будівництві клітинних мембран.

Дуже цікаві й інші органічні сполуки – гормони. Вони відповідають за протікання біохімічних реакцій та обмін речовин. Це гормони щитовидної залози змушують людину відчувати радість чи сумувати. А відчуття щастя, як з'ясували вчені, відповідає ендорфін.

Всі речовини, що містять вуглецевий атом, крім карбонатів, карбідів, ціанідів, тіоціонатів та вугільної кислоти, являють собою органічні сполуки. Це означає, що вони можуть створюватися живими організмами з атомів вуглецю за допомогою ферментативних або інших реакцій. На сьогоднішній день багато органічних речовин можна синтезувати штучно, що дозволяє розвивати медицину та фармакологію, а також створювати високоміцні полімерні та композитні матеріали.

Класифікація органічних сполук

Органічні сполуки є найчисельнішим класом речовин. Тут є близько 20 видів речовин. Вони різні за хімічними властивостями, відрізняються фізичними властивостями. Їхня температура плавлення, маса, леткість і розчинність, а також агрегатний стан за нормальних умов також різні. Серед них:

• вуглеводні (алкани, алкіни, алкени, алкадієни, циклоалкани, ароматичні вуглеводні);
• альдегіди;
• кетони;
• спирти (двохатомні, одноатомні, багатоатомні);
• прості ефіри;
• складні ефіри;
• карбонові кислоти;
• аміни;
• амінокислоти;
• вуглеводи;
• жири;
• білки;
• біополімери та синтетичні полімери.

Дана класифікація відображає особливості хімічної будови та наявність специфічних атомних груп, що визначають різницю властивостей тієї чи іншої речовини. У загальному вигляді класифікація, в основі якої лежить конфігурація вуглецевого скелета, що не враховує особливостей хімічних взаємодій, виглядає інакше. Відповідно до її положень, органічні сполуки поділяються на:

• аліфатичні сполуки;
• ароматичні речовини;
• гетероциклічні речовини.

Дані класи органічних сполук можуть мати ізомери у різних групах речовин. Властивості ізомерів різні, хоча їхній атомний склад може бути однаковим. Це випливає із положень, закладених А. М. Бутлеровим. p align="justify"> Також теорія будови органічних сполук є керівною основою при проведенні всіх досліджень в органічній хімії. Її ставлять на один рівень із Менделєєвським Періодичним законом.

Саме поняття про хімічну будову запровадив А. М. Бутлеров. В історії хімії воно з'явилося 19 вересня 1861 року. Раніше в науці існували різні думки, а частина вчених заперечувала наявність молекул і атомів. Тому в органічній та неорганічній хімії не було жодного порядку. Понад те, немає закономірностей, якими можна було будувати висновки про властивості конкретних речовин. При цьому були і сполуки, які за однакового складу виявляли різні властивості.

Твердження А. М. Бутлерова багато в чому спрямували розвиток хімії в потрібне русло і створили для неї міцний фундамент. За допомогою неї вдалося систематизувати накопичені факти, а саме, хімічні або фізичні властивості деяких речовин, закономірності вступу їх у реакції та інше. Навіть передбачення шляхів отримання сполук та наявність деяких загальних властивостей стало можливим завдяки цій теорії. А головне, А. М. Бутлеров показав, що структуру молекули речовини можна пояснити з погляду електричних взаємодій.

Логіка теорії будови органічних речовин

Оскільки до 1861 року в хімії багато хто відкидав існування атома або молекули, то теорія органічних сполук стала революційною пропозицією для вченого світу. І оскільки сам Бутлеров А. М. виходить лише з матеріалістичних висновків, йому вдалося спростувати філософські уявлення про органіку.

Йому вдалося показати, що молекулярну будову можна розпізнати дослідним шляхом у вигляді хімічних реакцій. Наприклад, склад будь-якого вуглеводу можна з'ясувати за допомогою спалювання його певної кількості та підрахунку утвореної води та вуглекислого газу. Кількість азоту в молекулі аміну підраховується також при спалюванні шляхом вимірювання об'єму газів та виділення хімічної кількості молекулярного азоту.

Якщо розглядати судження Бутлерова про хімічну будову, яка залежить від структури, у зворотному напрямку, то напрошується новий висновок. А саме: знаючи хімічну будову та склад речовини, можна емпірично припустити її властивості. Але найголовніше - Бутлеров пояснив, що в органіці зустрічається безліч речовин, що виявляють різні властивості, але мають однаковий склад.

Загальні положення теорії

Розглядаючи та досліджуючи органічні сполуки, Бутлеров А. М. вивів деякі найважливіші закономірності. Він об'єднав їх у положення теорії, що пояснює будову хімічних речовин органічного походження. Положення теорії такі:

• у молекулах органічних речовин атоми з'єднані між собою у строго певній послідовності, яка залежить від валентності;
• хімічна будова – це безпосередній порядок, згідно з яким з'єднані атоми в органічних молекулах;
• хімічна будова зумовлює наявність властивостей органічної сполуки;
• в залежності від будови молекул з однаковим кількісним складом можлива поява різних властивостей речовини;
• всі атомні групи, що у освіті хімічної сполуки, мають взаємний вплив друг на друга.

Усі класи органічних сполук побудовані згідно з принципами цієї теорії. Заклавши основи, Бутлер А. М. зміг розширити хімію як область науки. Він пояснив, що завдяки тому, що в органічних речовинах вуглець виявляє валентність рівну чотирьом, зумовлюється різноманіття даних сполук. Наявність багатьох активних атомних груп визначає приналежність речовини до певного класу. І саме за рахунок наявності специфічних атомних груп (радикалів) з'являються фізичні та хімічні властивості.

Вуглеводні та їх похідні

Дані органічні сполуки вуглецю та водню є найпростішими за складом серед усіх речовин групи. Вони представлені підкласом алканів та циклоалканів (насичених вуглеводнів), алкенів, алкадієнів та алкатрієнів, алкінів (ненасичених вуглеводнів), а також підкласом ароматичних речовин. У алканах всі атоми вуглецю з'єднані лише одинарної З-З зв'язком, через що до складу вуглеводню вже не може бути вбудований жоден атом Н.

У ненасичених вуглеводнях водень може вбудовуватися за місцем наявності подвійний С=З зв'язку. Також З-З зв'язок може бути потрійний (алкіни). Це дозволяє цим речовин вступати у безліч реакцій, пов'язаних з відновленням або приєднанням радикалів. Всі інші речовини для зручності вивчення їхньої здатності вступати в реакції розглядаються як похідні одного з класів вуглеводнів.

Спирти

Спиртами називаються складніші, ніж вуглеводні органічні хімічні сполуки. Вони синтезуються внаслідок перебігу ферментативних реакцій у живих клітинах. Найбільш типовим прикладом є синтез етанолу з глюкози внаслідок бродіння.

У промисловості спирти одержують із галогенових похідних вуглеводнів. В результаті заміщення галогенового атома на гідроксильну групу та утворюються спирти. Одноатомні спирти містять лише одну гідроксильну груп, багатоатомні - дві і більше. Прикладом двоатомного спирту є етиленгліколь. Багатоатомний спирт – це гліцерин. Загальна формула спиртів R-OH (R - вуглецевий ланцюг).

Альдегіди та кетони

Після того, як спирти вступають у реакції органічних сполук, пов'язані з відщепленням водню від спиртової (гідроксильної) групи, замикається подвійний зв'язок між киснем і вуглецем. Якщо ця реакція проходить по спиртовій групі, розташованій у кінцевого вуглецевого атома, то в результаті утворюється альдегід. Якщо вуглецевий атом зі спиртової розташований не на кінці вуглецевого ланцюга, результатом реакції дегідратації є отримання кетону. Загальна формула кетонів – R-CO-R, альдегідів R-COH (R – вуглеводневий радикал ланцюга).

Ефіри (прості та складні)

Хімічна будова органічних сполук цього класу ускладнена. Прості ефіри сприймаються як продукти реакції між двома молекулами спиртів. При відщепленні води від них утворюється з'єднання зразка R-O-R. Механізм реакції: відщеплення протона водню від одного спирту та гідроксильної групи від іншого спирту.

Складні ефіри - продукти реакції між спиртом та органічною карбоновою кислотою. Механізм реакції: відщеплення води від спиртової та карбонової групи обох молекул. Водень відщеплюється від кислоти (за гідроксильною групою), а сама ОН-група відокремлюється від спирту. Отримане з'єднання зображується як R-CO-O-R, де буковий R позначені радикали - інші ділянки вуглецевого ланцюга.

Карбонові кислоти та аміни

Карбоновими кислотами називаються особливі речовини, які відіграють важливу роль у функціонуванні клітини. Хімічна будова органічних сполук така: вуглеводневий радикал (R) з приєднаною до нього карбоксильною групою (СООН). Карбоксильна група може розташовуватися тільки у крайнього атома вуглецю, тому що валентність С групи (-СООН) дорівнює 4.

Аміни - це простіші сполуки, які є похідними вуглеводнів. Тут у будь-якого атома вуглецю міститься амінний радикал (-NH2). Існують первинні аміни, у яких група (-NH2) приєднується до одного вуглецю (загальна формула R-NH2). У вторинних амінів азот з'єднується із двома вуглецевими атомами (формула R-NH-R). У третинних амінів азот з'єднаний з трьома вуглецевими атомами (R3N), де р - радикал, вуглецевий ланцюг.

Амінокислоти

Амінокислоти - комплексні сполуки, що виявляють властивості і амінів, і кислот органічного походження. Існує кілька їх видів залежно від розташування амінної групи по відношенню до карбоксильної. Найбільш важливими є альфа-амінокислоти. Тут амінна група розташована у атома вуглецю, до якого приєднана карбоксильна. Це дозволяє створювати пептидний зв'язок та синтезувати білки.

Вуглеводи та жири

Вуглеводи є альдегідоспирт або кетоспирт. Це сполуки з лінійною або циклічною структурою, а також полімери (крохмаль, целюлоза та інші). Їх найважливіша роль клітині - структурна і енергетична. Жири, а точніше ліпіди, виконують самі функції, лише беруть участь у інших біохімічних процесах. З погляду хімічної будови жир є складним ефіром органічних кислот та гліцерину.