Tipines strukturos chemijoje
Turinys
1. Įžanga…………………………3psl
2. Cheminiai junginiai………………………3psl
3. Cheminiai ryšiai : joninis…………………..5psl
kovalentinis………………..5psl
vandenilinis………………..5psl
metališkasis………………..6psl
4. Oksidacijos ir redukcijos reakcijos………………6psl
5. Oksidai…………………………7psl
6. Hidridai…………………………7psl
7. Organinių junginių klasifikacija………………..8psl
8. Sotieji acikliniai angliavandeniliai………………9psl
9. Nesotieji acikliniai angliavandeniliai……………. 9psl
10. Cikliniai angliavandeniliai…………………..10psl
11. Angliavandenilių dariniai…………………..11psl
12. Organiniai junginiai su kitais elementais……………14psl
13. Išvados…………………………15psl
14. Literatūra…………………………17psl
15. Zusammenfassung……………………..18psl
Įžanga
Kuriant sruktūrų algebrą kaip sistemotyros dalį svarbu ją sukurti taip, kad galėtume ją taikyti realiai egzistuojačių struktūrų aprašymui bei nagrinėjimui. Labai plačią ir svarbią struktūrų klasę sudaro cheminių junginių struktūros, o cheminės reakcijos pateikia labai plačią operacijų su struktūromis aibę. Tokių struktūrų ir operacijų nagrinėjimas yra svarbi sudedamoji struktūrų algebros kūrimo empiriniu iindukciniu būdu dalis ir vienas pagrindinių šio mano referato tikslų. Taikant empirinį indukcinį metodą, panaginėsime struktūrų algebrą ir išsirsime tokia tipines struktūras (būtent chemijoje), kurias galima laikyti elementariomis tipinėmis struktūromis ir kaip jomis pasinaudodami iš elementarių tipinių struktūrų būtų galima sukonstruoti sudėtingesnių sistemų struktūras.
Šiame referate norėčiau trumpai apžvelgti tipines chemines struktūras, kaip elementarios struktūros cheminių reakcijų pagalba jungiasi į sudėtingesnes ir gauname milžinišką cheminių junginių įvairovę, kokie panašumai ir skirtumai, jungimosi būdai, kaip priklauso savybės nuo cheminio junginio struktūros bei ssandaros. Taip pat apžvelgti struktūrų algebrą sistemotyrininko akimis, o tam puikiai tinka tipinės struktūros chemijoje. Žinoma, tipines struktūras galime įžvelgti ne tik chemijoje, fizikoje, bet ir kasdieniniuose, visiems įprastuose reiškiniuose.
Kurdami struktūrų algebrą mes pasinaudojame tipinių cheminių struktūrų tyrinėjimu (bent jjau didžiąja dalimi), bet to tai yra puikus struktūrų algebros (būtent sistemos klasifikacijos keliais aspektais) pavyzdys. Klasifikuodami įvairius cheminius junginius mes negalime žvelgti į viską vienašališkai, nes jei suklasifikuojame atsižvelgdami į vieną aspektą, tai dar nereiškia, kad ir kitais atvejais klasifikacija bus tokia pati. Todėl šiame referate apžvelgsiu net keletą galimos klasifikacijos būdų ir pamatysime, kaip skirtingai galima tai padaryti. Bet ne tik kaip jungiant cheminius junginius, gauname naujus junginius, bet ir kaip vienodai vadinami cheminiai junginiai gali būti skirtingos sandaros bei struktūros.
Noriu padėti sistemotyrininkams chemijoje įžvelgti struktūras, o taip pat chemikams padėti susisteminti cheminius junginius, bei kitas tipines chemines struktūras, sistematizuoti chemines žinias, bandant pažvelgti į cheminių junginių aibę kaip į tai, kas galėtų ir privalėtų būti sujungta į aantrojo tipo sistemą, o tai ir yra vienas iš svarbiausių sistemotyrininkų ir chemikų šiandieninių uždavinių.
Cheminiai junginiai
Cheminiai ryšiai atsiranda tarpusavyje sąveikaujant atomams. Tokiu būdu iš atomų gali susidaryti įvairūs cheminiai junginiai: molekulės, makromolekulės, kristalai ir pan.
Atomams besijungiant į cheminius junginius vyksta jų elektroninių apvalkalų sąveika bei persidengimas, dėl to atomų elektronai molekulėje gali ir persiskirstyti.
Molekulinių orbitalių teorija teigia, jog, atomams jungiantis į molekulę, atskirų atomų elektroniniuose apvalkaluose esančių išorinių elektronų orbitalės gali “sumuotis” į molekulines orbitales, kurios ir suriša aatomus į molekulę. Kai į molekulę jungiasi to paties cheminio elemento atomai, tuomet gauname homobranduolinę molekulę, pavyzdžiui, O2. Kai į molekulę jungiasi skirtingi atomai, tai gauname heterobranduolinę molekulę, pavyzdžiui, OH. Homobranduolinių molekulių orbitalės yra simetriškos, o heterobranduolinių – nesimetriškos. Lengviausiai gali būti apskaičiuotos dviatomių homobranduolinių molekulių orbitalės, turinčios du simetriškus centrus – vienodų atomų branduolių centrus. Žymiai sudėtingiau apskaičiuoti triatomių, keturatomių, penkiaatomių ir t.t. heterobranduolinių molekulių orbitales. Apskaičiavimai žymiai palengvėja, kai atomai molekulėje išsidėsto simetriškai, kaip, pavyzdžiui, triatomėje BeH2 molekulėje (kurioje visi trys atomai išsidėsto vienoje tiesėje su Be atomu centre) ar penkiaatomėje CH4 molekulėje (kurioje vandenilio atomai išsidėsto taisyklingo tetraedro viršūnėse, o anglies atomas – tetraedro centre). Atomų, besijungiančių į molekulę, orbitalės, sąveikaudamos viena su kita, gali sudaryti ne tik jungiančiąsias, bet ir skiriančiąsias molekulines orbitales, kurioms būdingas elektronų išsklaidymas.
Atomo valentingumu vadinamas jo cheminių ryšių su kitais atomais skaičius. Kiekvienas cheminis ryšys yra apribotas tarp dviejų atomų ir yra dvicentrinis ir dvielektroninis. Molekulių sandaros formulėse tie ryšiai vaizduojami brūkšneliais, kurie jungia į molekulės sudėtį įeinančias atomų poras. Cheminiai ryšiai tarp atomų gali būti ne tik viengubieji, bet ir dvigubieji, trigubieji ir t.t., kai tų atomų elektroninių apvalkalų išoriniai sluoksniai turi pakankamai daug elektronų.
Į tam tikras konstrukcijas pagal tam ttikras struktūras sujungti atomai yra vadinami cheminiais junginiais. Pagal tai, kaip cheminiai junginiai sugeba išlaikyti savo sudėtį ir struktūros lygį, jie yra skirstomi į daltonidus ir bertolidus.
• Daltonidais vadinami molekulinio tipo cheminiai junginiai, kurių atomai yra tarpusavyje susijungę pakankamai stipriais ir pilnaverčiais cheminiais ryšiais ir turi jiems būdingą pastovią cheminę sudėtį ir molekulės struktūrą. Toliau nagrinėsime tokias tipines daltonidų struktūras bei tipines tų struktūrų dalis, kaip, pavyzdžiui, aldehido, ketono, karboksilo ir pan. grupes.
• Bertolidų sudėtis ir struktūra nėra pastovios, o tam tikrose ribose gali keistis priklausomai nuo išorinių sąlygų. Bertolidų pavyzdžiai: vanduo skystoje fazėje, įvairūs polimerai, kai kurių metalų junginiai su deguonimi ar siera ir kiti. Pagrindinė bertolidų sudėties ir struktūros nepastovumo priežastis yra ta, kad tarp atomų yra palyginus silpni ryšiai.
Kadangi daltonidų junginių struktūrų įvairovė yra labai didelė, turime klasifikuoti ir sistematizuoti cheminius junginius, jei norime išskirti pagrindines tipines struktūras. O tam reikia pasirinkti cheminių junginių klasifikavimo ir sistematizavimo požymius. Vienu iš tų klasifikavimo požymių gali būti cheminių ryšių, jungiančių elementų atomus į cheminius junginius, tipai.
Jungtys (cheminiai ryšiai) tarp atomų skirstomos į jonines, kovalentines ir metalines, o tarp molekulių -į vandenilines. Dažnai viename junginyje yra kelių tipų jungtys.
• Joninė jungtis susidaro veikiant priešingo krūvio jonų elektrostatinėms traukos jėgoms. Joninė jungtis ssusidaro tarp atomų, kurie turi didelį elektrinių neigiamumų skirtumą t.y. kurių vienas linkęs elektronus atiduoti, o kitas-prisijungti (vyksta oksidacija ir redukcija). Pvz.:
Na → Na+ + e-
Cl + e- → Cl-
Na+ + Cl- → NaCl
Joniniai ryšiai gali būti ne tik tarp atomų, bet ir realiame gyvenime.
Galime paimti kad ir tokį pavyzdį, kaip vaikinas ir mergina, jie susipažįsta ir tarp jų pradeda veikti priešingo krūvio traukos jėgos. Bet tokios jėgos bėgant laikui keičiasi. Jos gali arba stripėti, arba silpnėti (kaip dažniausiai ir nutinka). Na, bet jeigu šios jėgos stiprėja, tai jos tampa tik dar stipresniu joniniu ryšiu. O jei silpnėja, tai tada tarp jų lieka tik kovalentinis ryšys, nes nes atomų (šiuo atveju vaikino ir merginos nebesieja traukos jėgos, juos sieja tik bendri elementai (vaikai, bendras turtas ir pan.).
• Kovalentinė jungtis susidaro, kai elektronai ne pereina iš vieno atomo į kitą, o sudaro vieną arba keletą besijungiantiems atomams bendrų elektronų. Elemento valentingumas junginiuose su kovalentine jungtimi yra lygus elektroninių porų skaičiui. Kai jungiasi vienarūšiai atomai, bendroji elektronų pora yra vienodai traukiama abiejų branduolių ir yra simetriškai išsidėsčiusi abiejų branduolių atžvilgiu, tokia jungtis vadinama nepoline. Kai jungiasi skirtingo elektrinio neigiamumo elementų atomai,tai bendroji pora stipriau traukiama didesnį elektrinį neigiamumą turinčio elemento branduolio pusėn.
Dėl to elektriniai krūviai molekulėje pasiskirsto nevienodai. Kovalentinis ryšys, sudarytas elektronų poros, nesimetriškai išsidėsčiusios abiejų branduolių lauke, vadinamas poliniu.
Donorinė – akceptorinė jungtis yra atskiras kovalentinės jungties atvejis. Ji būdinga daugeliui junginų (SO2, H2SO4,HNO3,N2O,Cl2,CO ir kt.) ir ypač kompleksiniams junginiams. Tokia jungtis susidaro, kai vienas atomas turi laisvą elektronų porą, o kitas – tuščią orbitalę. Laisvoji elektronų pora pereina į tuščiąją orbitalę. Taip susidariusi kovalentinė jungtis nuo paprastos skiriasi tik susidarymo būdu. Atomas, turintis laisvąją elektronų porą vadinamas donoru, o atomas, tturintis tuščią orbitalę – akceptoriumi.
• Vandenilinė jungtis – tai jungtis, susidaranti tarp vienos molekulės vandenilio atomų ir kitos molekulės didelio elektrinio neigiamumo elemento atomų(pvz. O, N ir pan.). Cheminė jungtis, kuri susidaro tarp į molekulę sujungto vandenilio atomo ir kito elemento, lengvai prijungiančio elektronus, atomo vadinama vandeniline. Vandenilinė jungtis padeda susidaryti dviguboms molekulėms. Ji yra silpnesnė už kitas chemines jungtis.
• Metališkoji jungtis. Dėl savo vidinės struktūros metalai yra kristalinės medžiagos. Jų gardelėse išsidėstę teigiami jonai, o tarp jų juda elektronai.
Daugelio nnesužadintosios būsenos metalų valentinėse orbitalėse yra palyginti nedaug elektronų. Todėl yra ir daug laisvųjų orbitalių, kurios susijungusios su gretimų atomų laisvosiomis orbitalėmis sudaro daugiacentrines atomines orbitales, apimančias visą metalo kristalą. Taigi valentiniai elektronai yra bendri visiems metalo atomams ir laisvai jjuda visame jo tūryje.
Metališkasis ryšys panašus į kovalentinį, nes jį sudaro valentiniai elektronai, o skiriasi tuo, kad metališkajame ryšyje elektronai bendri visiems atomams.
Taigi, pagal cheminių ryšių tipą galime cheminius junginius skirstyti į joninius, kovalentinius, metališkuosius ir mišrius.
Dar vienas cheminių junginių klasifikavimo būdas yra jų skirstymas į organinius ir neorganinius.
Neorganiniai junginiai klasifikuojami pagal molekulių cheminę sudėtį. Ypatinga grupė yra cheminiai junginiai su deguonimi, dar vadinami oksidais. Nurodant, koks cheminis elementas susijungęs su deguonimi, sakoma pvz. anglies oksidas. O norint nurodyti dar ir deguonies atomų skaičių, pridedami atitinkami priešdėliai: mono-, di-, tri- ir t.t. Pvz.: anglies monoksidas CO, anglies dioksidas CO2.
Kokios nors medžiagos jungimosi su deguonimi cheminė reakcija vadinamas oksidacija, t.y. cheminė reakcija, kurios metu atomas, molekulė ar jonas nnetenka vieno ar kelių elektronų, pvz.:
Zn0 + H+1 2 SO4 Zn+2 SO4 + H0 2 ,
o patys atomai, molekulės arba jonai yra reduktoriai. Vykstant oksidacijai, teigiamas oksidacijos laipsnis didėja, neigiamas – mažėja:
Ca Ca +2 + 2e S-2 S0 +2e
Kai atomai , molekulės arba jonai prijungia elektronus, vyksta redukcijos reakcijos , o patys atomai, molekulės, ar jonai yra oksidatoriai. Vykstant redukcijai, teigiamas oksidacijos laipsnis mažėja, neigiamas – didėja :
S+2eS-2 Fe+3 +e Fe +2
Oksidacijos ir redukcijos procesai vyksta kartu: vvieni atomai, molekulės ar jonai elektronus atiduoda, kiti tiek pat prisijungia. Šių reakcijų metu reduktorius oksiduojasi, oksidatorius – redukuojasi.:
2Fe+2Cl2 + Cl02 2Fe+3Cl-13
Fe+2 Fe+3 +e (oksidacija, Fe+2 – reduktorius)
Cl02 + 2e 2Cl-1 (redukcija, Cl2 – oksidatorius)
Oksidatoriais dažniausiai būna nemetalai (deguonis, ozonas, halogenai), kai kurios rūgštys ir druskos, o reduktoriais – daugelis metalų, anglis, anglies monoksidas, nitritai ir t.t. Atomo (ar jų grupės) oksidacijos laipsniu cheminiame junginyje, rodanti atomo (ar jų grupės) elektrinį krūvį tame junginyje, išreikštą elementariais elektros krūvio vienetais su atitinkamu ženklu (“+” ar “–“). Oksidacijos laipsnio sąvoka yra gimininga valentingumo sąvokai, reiškiančiai atomo ar jono galimų cheminių ryšių skaičių, tačiau ne visada sutampa su ja.
Oksidai yra cheminių elementų junginiai su deguonimi. Oksidai klasifikuojami pagal tai, kaip jie reaguoja su vandeniu, bazėmis ir rūgštimis. Jie skirstomi į rūgštinius, bazinius, amfoterinius ir indiferentinius.
• Rūgštiniai oksidai (dar kitaip anhidridai), gaunami, kai deguonis jungiasi su nemetalais arba su pusmetaliais bei metalais, kurių valentingumas yra 5, 6, 7. Rūgštiniams oksidams jungiantis su vandeniu, susidaro rūgštys. Pvz.: NO2+H2OH2NO3 – azoto rūgštis; SO3+H2OH2SO4 – sieros rūgštis.
Rūgštiniams oksidams reaguojant su bazėmis ar baziniais oksidais, susidaro junginiai, kurie yra vadinami druskomis.
• Baziniai oksidai susidaro, kai deguonis jungiasi su metalais, kurių mažas oksidacijos laipsnis.
Reaguodami su vandeniu, baziniai oksidai ssudaro bazes (cheminius junginius, kurie savo sudėtyje turi hidroksilo grupę OH ir skildami išskiria anijoną HO–, kuris gali prisijungti vandenilio joną H+ (protoną)). Baziniams oksidams reaguojant su rūgštimis arba rūgštiniais oksidais, susidaro druskos. Pavyzdžiui, Na2O+2HCl2NaCl+H2O.
• Vidutinio oksidacijos laipsnio metalams reaguojant su deguonimi susidaro amfoteriniai oksidai. Pvz.: PbO2 arba Al2O3. Egzistuoja tokius oksidus atitinkančios rūgštys ir bazės (pavyzdžiui, H3AlO3, Al(OH)3) bei tas rūgštis ir bazes atitinkančios druskos.
• Indiferentiniai oksidai nereaguoja nei su rūgštimis, nei su bazėmis. Pvz.: CO, NO, N2O.
Hidridai yra cheminių junginių grupė, kuri yra cheminių elementų junginiai su vandeniliu. Pvz.: kalcio hidridas CaH2, silicio hidridas SiH4, anglies hidridas CH4 vadinamas metanu. Hidridai skirstomi pagal elemento ir vandenilio cheminio ryšio tipą į joninius, metališkuosius ir kovalentinius.
• Joniniams priklauso IA ir IIA pogrupiams priklausančių metalų (šarminių ir šarminių žemės metalų) junginiai su vandeniliu. Kai joninio hidrido molekulėje yra dar ir boro bei aliuminio atomų, tai tokie hidridai vadinami joniniais kompleksiniais.
• Metališkieji hidridai yra tokie, kuriuose pereinamųjų metalų (pavyzdžiui, vanadžio, titano) hidridų molekulėse metalų ir vandenilio atomai sujungti metališkaisiais ryšiais.
• Kovalentiniai hidridai gaunami nemetalams jungiantis su vandeniliu kovalentiniais ryšiais. Tokių hidridų pavyzdžiai: SiH4, CH4.
Toliau apžvelgsime organinių junginių klasifikavimą. (Mes tyrinėsime angliavandenilių klasifikavimą, nes jie yra paprasčiausios sudėties organiniai junginiai)
Kaip matome, priklausomai nuo mmolekulių sandaros organinius junginius galima skirstyti į homogeninius ir heterogeninius, aciklinius ir ciklinius, ciklinius dar skiriame į aliciklinius ir aromatinius. Angliavandeniliai gali būti suskirstyti į sočiuosius ir nesočiuosius (nesotieji pagal pagal dvigubųjų ir trugubųjų jungčių kiekį ir išsidėstymą dar gali būti suskirstyti smulkiau).
Taip pat galime sudaryti eiles, organinių junginių, kurių molekulių formulės sudaromos jungiant vieną angliavandenilio radikalą su įvairiomis funkcinėmis grupėmis bei elementais. Ir tokios eilės vadinamos organinių junginių genetinėmis eilėmis. Pavyzdžiui, etano genetinė eilė: etanas C2H6, chloretanas (etilo chloridas) C2H5Cl, etanolis (etano alkoholis) C2H5OH, etilaminas C2H5NH2, nitroetanas C2H5NO2 ir t.t.
Organinius junginius galime jungti ne tik į genetines, bet ir į homologines eiles. Į homologines eiles galime jungti tokius organinius junginius, kurių molekulės turi vienodas funkcines grupes ir skiriasi tik savo angliavandenilių radikalais. Tokios eilės pavyzdys gali būti: metilo alkoholis CH3OH, etilo alkoholis C2H5OH, propilo alkoholis C3H7OH ir t.t.
Izologines eiles sudaro angliavandenilių ir kitų organinių junginių grupės, kurių nariai turi tą patį anglies atomų skeletą ir tas pačias funkcines grupes, tačiau skiriasi vienas nuo kito nesotumo laipsniu. Pavyzdžiui, propano izologinę eilę sudaro: propanas C3H8, propenas (propilenas) C3H6, propinas C3H4.
Visus šiuos organinių junginių klasifikavimo būdus ir dar daugiau mes toliau ir išnagrinėsime.
Angliavandeniliai yra pačios paprasčiausios sudėties organiniai
junginiai, kuriuos sudaro tik dviejų elementų – anglies (C) ir vandenilio (H) – atomai.
Kai angliavandenilio molekulės struktūroje nėra ciklų, tai tokie angliavandeniliai vadinami acikliniais, o angliavandeniliai, kurių molekulės turi žiedų (ciklų), sudarytų iš anglies atomų, vadinami cikliniais.
Angliavandeniliai, kurių molekulėse ryšiai tarp anglies atomų yra tik viengubieji, vadinami sočiaisiais, o tuos angliavandenilius, kurių molekulės turi nors vieną dvigubąjį ar trigubąjį ryšį tarp anglies atomų, – nesočiaisiais.
• Sočiųjų aciklinių angliavandenilių (alkanų, parafinų) homologinės eilės bendroji formulė yra CnH2n+2. Homologinė alkanų eilė yra: mmetanas – CH4, etanas – C2H6, propanas – C4H8, butanas – C6H10 ir t.t. (pavadinimai sudaromi su priesaga „-an-“).
Grafiškai jie atrodo taip:
Pradedant nuo n≥4 alkanai gali turėti izomerų (izomerai – molekulės, susidedančios iš tokio pat skaičiaus tokių pat atomų, bet turinčios skirtingą struktūrą ir savybes).
• Nesotieji acikliniai angliavandeniliai pagal turimų neviengubų jungčių tipą skirstomi į alkenus (etileninius angliavandenilius) ir alkinus (acetileninius angliavandenilius).
1. Angliavandeniliai, kurių molekulėse yra nors vienas dvigubasis ryšys ir nei vieno trigubojo, vadinami alkenais (etileniniais angliavandeniliais). Jiems būdinga bbendroji formulė CnH2n, t.y. šios eilės angliavandeniliai turi dviem vandenilio atomais mažiau nei atitinkami alkanai. Pagal dvigubųjų ryšių skaičių alkenai skirstomi į paprastuosius alkenus (olefinus), dienus, trienus ir t.t.
1. Olefinų pavadinimai sudaromi su priesaga„-en-“ (pvz.: etenas). Molekulėje yra dviem H aatomais mažiau, todėl bendroji formulė yra C2H2n.
2. Dienai turi du dvigubuosius ryšius. Pavadinimas sudaromas su priesaga „-dien-“, pvz. butadienas. Dienų bendroji formulė yra C2H2n-2.
Pagal dvigubųjų ir paprastųjų ryšių išsidėstymą dienai skirstomi į 3 grupes. Pirmoji grupė – dienai su kumuliuotais dvigubaisiais ryšiais. Jų molekulėse dvigubieji ryšiai yra greta is susiję su tuo pačiu anglies atomu. Antroji grupė – dienai su konjunguotais dvigubaisiais ryšiais. Jų molekulėse dvigubieji ir viengubieji ryšiai išdėstyti pakaitomis. Trečioji grupė – dienai su izoliuotais dvigubaisiais ryšiais. Jų molekulėse dviguosius ryšius vieną nuo kito skiria du ar daugiau viengubųjų ryšių.
3. Trienais vadinami alkenai, kurie turi tris dvigubuosius ryšius. Pavadinimai sudaromi su priesaga „-trien-“, pvz.: butatrienas. Trienų bendroji formulė yra CnH2n-4.
2. Nesotieji acikliniai angliavandeniliai, kurie turi trigubųjų ryšių, vvadinami acetileniniais angliavandeniliais (alkinais). Pavadinimai sudaromi pagal atitinkamo alkano pavadinimą, tik su priesaga „-in-“, pvz.: metilas, etilas.
Daugiau nei 3 anglies atomus turinčiuose alkenuose ir alkinuose, dvigubieji ir trigubieji ryšiai gali išsidėstyti įvairiai, dėl to gali atsirasti sandaros izomerai. Prieš alkeno ar alkino pavadinimą rašome skaičius, po kelinto iš eilės anglies atomo yra dvigubasis ar trigubasis ryšys.Pavyzdžiui: 1,3–butadienas CH2CH–CHCH2, 1,3,6 – heptatrienas CH2CH–CHCH–CH2–CHCH2.
Angliavandeniliai, kurių molekulių struktūrose yra ciklų, vadinami cikliniais angliavandeniliais. Cikliniai angliavandeniliai skirstomi į aromatinius ir aliciklinius.
• Aromatiniai aangliavandeniliai. Paprastieji aromatiniai angliavandeniliai yra tokie cikliniai angliavandeniliai, kurių molekulės sandaroje yra nors vienas benzeno žiedas. Benzeno žiedas atrodo taip:
Benzeno žiedas pavaizduotas kaip šešianaris ciklas, kuriame anglies atomai pakaitomis sujungti viengubaisiais ir dvigubaisiais ryšiais.
Aromatiniai angliavandeniliai, kurie turi daugiau nei vieną benzeno žiedą, gali būti kondensuoti arba nekondensuoti. Gali būti ir tokių atvejų, kad aromatiniai angliavandeniliai savo molekulėse neturi nei vieno benzeno žiedo.
• Cikliniai angliavandeniliai, kurie nepriklauso aromatinių angliavandenilių grupei, vadinami alicikliniais angliavandeniliais.
Alicikliniai angliavandeniliai yra skirstomi pagal žiedų skaičių molekulėje, ryšių pobūdį, anglies atomų skaičių žiede ir kt.
Pagal žiedų skaičių molekulėje šie angliavandeniliai skiriami į monociklinius, biciklinius, triciklinius ir policiklinius. Pagal ryšių pobūdį į sočiuosius ir nesočiuosius. Pagal anglies atomų skaičių – į trinarius, keturnarius ir t.t.
Pavadinimai sudaromi su priešdėliu „-ciklo-“. Pvz.: ciklobutanas, ciklobutenas ir kt.
Iš angliavandenilių galime sudaryti įvairius angliavandenilių darinius. Angliavandeniuose pakeitus vieną arba kelis vandenilio atomus atitinkamomis atomų grupėmis (angliavandenilio radikalo sujungimas su tam tikra atomo grupe). O angliavandenilio radikalu vadinama molekulės liekana, atėmus iš jos vieną ar kelis vandenilio atomus. Pavadinimai sudaromi prijungiant priesagą „-il-“, pvz.: etano C2H6 vienvalentis radikalas yra etilas C2H5. Organinėje chemijoje yra daug įvairių funkcinių grupių, kurias sudaro įvairių elementų atomai.
Aldehido grupė grafiškai atrodo . Karboksilo ggrupė . Nitrilo grupė yra . Nitrogrupė NO2, kurios grafinis modelis yra . Amino grupė NH2, kurios grafinis modelis yra . Ketono grupė , kur R yra vienvalentis kokio nors angliavandenilio radikalas. Ir karbonilo grupė .
Taigi toliau pakalbėsime apie keletą iš radikalų ir funkcinių grupių sudarytų junginių.
• Aldehidai yra klasė organinių junginių, turinčių savo molekulių sudėtyje aldehido grupę. Aldehidų pavadinimas sudaromas su priesaga „-al-“ arba tiesiog su žodeliu „-aldehidas“.
• Karboksi-rūgštys yra organiniai junginiai, kuriuose sujungiami angliavandenilio radikalai su karboksilo –COOH grupe. Priklausomai nuo radikalų tipo sočiosios ir nesočiosios, priklausomai nuo karboksilo grupių skaičiaus – monokarboksi-, bikarboksi-, trikarboksi-, ir t.t. Aromatinių karboksi–rūgščių formulės sudaromos, sujungiant aromatinių angliavandenilių radikalus su karboksilo grupe. Heterociklinių rūgščių formulės sudaromos iš aromatinių rūgščių formulių, pakeičiant jose vieną ar kelis anglies atomus kitų elementų (sieros, azoto, fosforo ir t.t.) atomais. Aldehido rūgštimis vadinamos organinės rūgštys, turinčios savo molekulių sudėtyje be karboksilo dar ir aldehido grupę. Ketono rūgštimis vadinamos organinės rūgštys, turinčios savo molekulių sudėtyje be karboksilo grupės dar ir ketono grupę.
Aldehidams ir ketonams būdinga ta pati funkcinė grupė – deguonis, dviguba jungtimi sujungtas su anglies atomu: C = O. Tokia funkcija vadinama karbonilo grupe. Todėl aldehidai ir ketonai vadinami karboniliniais junginiais. Aldehiduose vienas karbonilo grupės vvalentingumas sunaudojamas jungčiai su angliavandenilio radikalu, o antrasis – jungčiai su vandeniliu. Ketonuose abu karbonilo grupės valentingumai sunaudojami jungtims su angliavandenilio radikalais. Taigi bendroji aldehidų formulė atrodo taip: . O ketono – . Ketonai priklausomai nuo radikalų tipo gali būti alifatiniai arba aromatiniai. Ketonai, kurių sudėtyje yra dvi karbonilo grupės, vadinami diketonais. Diketono pavyzdys – diacetilas CH3–CO–CO–CH3. Aldehido pavyzdys – formaldehidas H – CHO.
• Labai dažnai cheminiuose junginiuose naudojama yra hidroksilo grupė – OH. Ji naudojama ne tik neorganiniuose, bet ir organiniuose junginiuose. Pvz.: benzene C6H6 pakeičiame vieną vandenilį hidroksilo grupe ir gauname fenolio alkoholį C6H5OH. Angliavandenilių radikalus jungdami su viena ar keliomis hidroksilo grupėmis gauname tokius angliavandenilių darinius, kuriuos vadiname alkoholiais. Pagal hidroksilo grupių kiekį junginiuose skiriami tokie alkoholiai: monohidroksiliai, dihidroksiliai, trihidroksiliai ir polihidroksiliai. Monohidroksiliai alkoholiai yra plačiausiai naudojami. Jie sudaromi alkanuose pakeičiant vieną vandenilio atomą hidroksilo grupe. Pvz.: metilo alkoholis CH3OH – metanolis. Bendroji alkoholių formulė yra R(OH)n, kur R yra angliavandenilio radikalo formulė. Kai R yra angliavandenilio radikalas, tai cheminį junginį Ar(OH)n vadiname fenoliu. Priklausomai nuo n fenoliai skirstomi į monohidroksilius, dihidroksilius, trihidroksilius ir t.t. Alkoholiai gali sudaryti homologines eiles.
Alkoholiai su šarminiais metalais sudaro junginius, vadinamus alkoholiatais, o su rūgštimis – esterius. Alkoholiatų formulės
sudaromos iš alkoholių formulių, hidroksilo vandenilį pakeitus metalu. Metalai gali jungtis su angliavandenilių radikalais ne tik per hidroksilo grupės deguonį, pakeisdami tos grupės vandenilio atomus metalų atomais, bet ir tiesiogiai, t.y. pakeisdami angliavandenilių molekulių formulėse vandenilio atomus metalų atomais. Tokie junginiai vadinami metalų organiniais junginiais ir skirstomi į paprastuosius ir mišriuosius. Paprastųjų junginių molekulėse metalų atomai yra susiję tik su angliavandenilių radikalų anglies atomais. Mišriuose junginiuose metalų atomai yra susijungę ne tik su angliavandenilių radikalų anglies atomais, bet ir su vvienu ar keliais anijonais, dažniausiai – su halogenų jonais.
Esteriais vadinami organiniai junginiai, kuriuose angliavandenilio radikalą R ir rūgšties likutį jungia deguonies atomas. Bendroji formulė yra RCOOR (Čia R ir R – angliavandenilių radikalai).
• Anglies, vandenilio ir deguonies atomų cheminiai junginiai sudaro dar vieną gausią ir svarbią organinių junginių grupę, vadinamą angliavandeniais. Šių junginių formulė atrodo taip: CnH2nOn. Daugumos angliavandenių anglies grandinė nešakota ir turi vieną aldehido ar ketono grupę. Angliavandenių klasę sudaro monosacharidai, disacharidai ir polisacharidai.
Monosacharidai yra paprasčiausia angliavandenių ggrupė. Jų molekulėse gali būti kelios hidroksilo grupės ir aldehido arba ketono grupė. Monosacharidai, kuriuose molekulėse yra aldehido grupė, vadinami aldozėmis. Atitinkamai monosacharidai su ketono grupe vadinami ketozėmis. O pagal anglies atomų skaičių monosacharidai skirstomi į biozes, triozes, tetrozes, pentozes iir t.t. Gamtoje labiausiai paplitę monosacharidai – pentozės ir heksozės (t.y. gliukozė ir fruktozė). O svarbiausi disacharidai yra laktozė ir sacharozė.
Polisacharidais yra vadinami tokie angliavandeniai, kurių molekulės susideda iš daugiau nei 8 monosacharidų likučių. Bendroji polisacharidų formulė yra (C6H10O5)n.
Dabar šiek tiek papasakosiu apie organinius junginius, į kurių sudėtį įeina kitų elementų atomai.
• Organiniai junginiai su siera. Sulfoninimas yra sulfogrupės SO3H įjungimas į organinius junginius. Gali vykti dviem būdais: tiesioginiu ir netiesioginiu. Tiesioginis sulfoninimo būdas yra, kai vandenilio atomas pakeičiamas sulfogrupe. Netiesioginis – kai koks nors kitas organinio junginio elemento atomas (ne vandenilio) pakeičiamas sulfogrupe. Junginiai, į kuriuos įjungta sulfogrupė, yra vadinami sulfojunginiais.
• Organiniai junginiai su azotu. Azotas į organinius junginius įjungiamas amino, nitrilo ir nitro grupių pagalba.
Nitrilais vvadinami organiniai junginiai, į kurių molekulės sudėtį įeina vienvalentė nitrilo grupė .
Nitrojunginius gauname sujungę angliavandenilių radikalus su vienvalente nitrogrupe – NO2.
Kai angliavandenilių radikalai jungiami su dvivalente azoto grupe -N=N-, tai gauname azojunginius.
Aldehidai, kurių sudėtyje yra amino grupė –NH2, vadinami aminoaldehidais.
Alkoholiai, kurių molekulėse yra amino grupė –NH2 ir hidroksilo grupė –OH, prisijungusios prie skirtingų anglies atomų, vadinami aminoalkoholiais.
Rūgščių RCOOH dariniai, kurių molekulėse karboksilo grupės hidroksilas OH yra pakeistas amino grupe –NH2, vadinami amidais. Amidų molekulių bendroji fformulė RCONH2.
Angliavandenių dariniai, kurių molekulėse hidroksilo grupė pakeista amino grupe, vadinama aminocukrumis.
Ketonai, kurių molekulių sudėtyje yra amino grupė, vadinami aminoketonais, o fenoliai, kurių žiede yra amino grupė –NH2, vadinami aminofenoliais.
Organiniai junginiai, kurių molekulės savo sudėtyje turi amino grupę –NH2 ir karboksilo grupes –COOH, vadinami aminorūgštimis.
Visi baltymai sudaryti iš aminorūgščių, kurių bendroji formulė yra H2N–CHR–COOH. Baltymais vadinami stambiamolekuliniai organiniai junginiai, sudaryti iš aminorūgščių, kurios susijungusios tarpusavyje dažniausiai peptidinėmis jungtimis –CO–NH–. Vien tik iš aminorūgščių sudarytieji baltymai vadinami paprastaisiais, arba proteinais, o baltymai, turintys savo sudėtyje ir nebaltyminių junginių – sudėtiniais, arba proteidais. Pagal molekulių struktūrą ir formą baltymai skirstomi į fibrilinius ir globulinius. Fibrilinių baltymų molekulės yra siūliškos, jos gali sudaryti molekulių agregatus, o globulinių baltymų molekulės yra rutuliškos, elipsinės, lazdelinės.
Aminorūgštys svarbios gyvybei ne tik tuo, kad jos sudaro baltymų pagrindą bei vykdo eilę kitų gyvybės egzistavimui svarbių funkcijų. Svarbu pažymėti dar ir tai, kad aminorūgščių kodas sudaro genetinį kodą, kuris lemia paveldimumą.
IŠVADOS
Mes ištyrinėjome įvairias struktūras, ryšius, sąveikas chemijoje, nes sistemotyrininkams yra labai svarbu suvokti, kas yra tipinės struktūros, o jų nagrinėjimas chemijoje yra pakankamai aiškus ir nesudėtingas. Be to, mes aiškiai pamatome, kur realiai yra pritaikomos tos tipinės algebrinės struktūros, nes vis dėlto yra labai svarbu ne ttik teoriškai jas nagrinėti, bet ir mokėti praktiškai pritaikyti žinias. Ir tai mes puikiai galime padaryti chemijoje.
Taigi, apžvelgus pagrindines struktūras chemijoje, išplaukia išvada, kad cheminės junginių savybės priklauso ne tik nuo jų sudėties, bet ir nuo struktūros, nes cheminiai elementai gali išsidėstyti skirtingais būdais, kas ir lemia skirtingas savybes. Chemijai yra būdingos tipinės cheminės reakcijos. Nes daugelis reakcijų turi panašumų, vyksta tuokiu pačiu būdu, dėl to galima parašyti bendrąsias reakcijų formules, kurias ir vadintume tipinėmis struktūromis algebroje.
Kaip jau minėjau, didžiulę įtaką savybėms turi ir ryšių tarp elementų skaičius, jų pobūdis, žinoma ir pačių elementų savybės. Junginiuose su funkcinėmis grupėmis jų cheminės savybės priklauso ne tik nuo tos funkcinės grupės tipo, bet ir nuo jos prisijungimo vietos. Todėl neturėdami cheminio junginio struktūrinės formulės, vien iš jo pavadinimo negalime nuspręsti, kokia yra jo sudėtis, ir juo labiau struktūra (nors iš pavadinimo ir galime spręsti, kiek ir kokių elementų yra tam tikrame junginyje).
Cheminiai junginiai, nors ir turėdami vienodas chemines formules, gali būti skirtingai vadinami. Sudėtis vienoda, bet skiriasi savo struktūra. Tokių junginių sutinkame daug ir jie vadinami struktūriniais izomerais vienas kito atžvilgiu. Taigi izomerų egzistavimas patvirtina tai, kad sudėtingos sistemos savybės priklauso ne tik nuo sistemos sudėties, bet ir nuo jos sstruktūros. Galimi dar ir posūkio izomerai, dar kitaip – konformerai ( struktūra išlieka izomorfiška, bet keičiasi atomų padėtis molekulėje vienas kito atžvilgiu).
Kaip pavyzdys galėtų būti stereochemijoje nagrinėjama konformerija. Imame etaną, kuris gali turėti du posūkio izomerus (konformerus)- užstotoji konformerija ir sustabdytoji konformerija. Užstotoje konformacijoje vadenilio atomai, kurie sujungti su pirmu anglies atomu, yra išsidėstę prieš antrojo anglies atitinkamus vandenilio atomus, t.y. užztoja vieni kitus. Elektronų sąveikos jėga yra pati didžiausia. O štai sustabdytoje konformacijoje vandenilio atomai yra ne priešais vienas kitą, o pasukti 60° kampu vienas kito atžvilgiu ir yra toliausiai vienas nuo kito, ir dėl to sąveikos jėga tarp elektronų yra mažiausia ir todėl etano molekulė šioje būsenoje gali išbūti ilgiausiai. Taigi skirtingų konformacijų izomerai turi tas pačias chemines savybes, bet jų molekulės skiriasi savo stabilumo lygiu, ir mes jų negalime laikyti tapačiomis.
Konformerų egzistavimas rodo, jog molekulių (ar sistemų) būsena ir savybės gali keistis netgi tada, kai struktūra išlieka izomorfiška tarpatominių ryšių atžvilgiu, bet keičiasi atomų padėtis molekulėje vienas kito atžvilgiu.
Dar viena izomerijos rūšis yra sandaros izomerija, atsirandanti alkenuose ir alkinuose, turinčiuose daugiau nei 3 anglies atomus, nes čia dvigubieji ir trigubieji ryšiai gali išsidėstyti įvairiai. Taigi tokių molekulių sandaros formulėse galime pamatyti, kad, kai yra dvigubasis ar
trigubasis ryšys, tai vandenilis prie anglies gali jungtis vienas dvigubuoju ryšiu, arba iš priešingų pusių po vieną vandenilio atomą.
Geometrinė izomerija atsiranda tada, kai junginiuose yra dvigubasis ryšys, ir yra svarbu, kaip yra išsidėstę atomai vienas kito atžvilgiu, nes jei atomai keičia poziciją vienas kito atžvilgiu (užtenka net to, kad pasisuka, nors iš savo vietos ir nepajuda), tai keičiasi ir junginio savybės.
Paanalizavę įvairias izomerijos rūšis galime šiek tiek praplėsti sistemos struktūros apibrėžimą taip: cheminio junginio, t.y. įvairių atomų sistemos, struktūra vvadiname ne tik tuos tarpusavo santykius, ryšius (pvz. joninis, kovalentinis ir kiti), kurių dėka atomai susijungia į ta cheminį junginį, bet ir tolimesnius jų tarpusavio santykius,priklausomybes, sąveikas (izomeriją), dėl kurių gali pasikeisti junginio savybės.
Iš izomerų egzistavimo taip pat išplaukia, jog mums įprastos cheminės formulės, vaizduojančios tik molekulės sudėtį, ne visada gali būti laikomos pakankamai pilnu medžiagos molekulės cheminiu modeliu. Todėl neretai jos yra pakeičiamos struktūrinėmis cheminėmis formulėmis, vaizduojančiomis ne tik molekulės sudėtį, bet ir jos struktūrą: supaprastintos struktūrinės formulės, ssimboliškai vaizduojančios ir molekulių sudėtį, ir tarpatominius ryšius. Taigi vienokios ar kitokios izomerijos žinojimas padeda ir palengvina darbą, nes nurodoma cheminio junginio sandara ir sudėtis, ir struktūra, ryšiai tarp atomų. Ir jų nebereikia papildomai ieškoti, priešingai, nei tada, kai turime vvien tik paprastą cheminio junginio formulę ir reikia nustatinėti jo sandarą.
Dar pilnesnį molekulės modelį gauname naudodamiesi erdvinėmis struktūrinėmis cheminėmis formulėmis, kuriose nurodomi ne tik tiesioginiai ryšiai tarp molekulę sudarančių atomų, bet ir santykinė atomų padėtis erdvėje: kampai tarp tiesių, kertančių porų atomų centrus, o taip pat ir atstumai tarp atomų centrų. Tokios formulės vartojamos toje struktūrinės chemijos dalyje, kuri vadinama stereochemija.
Taigi šiame referate aš glaustai sistemiškai apžvelgiau cheminių struktūrų klasifikavimą. Jis tikrai nėra tobulas. Klasifikavimas į organines ir neorganines medžiagas, o organinių – į oksidus, hidridus ir t.t., ir neorganinių į ciklinius, aciklinius, sočiuosius, nesočiuosius, aliciklinius, aromatinius, alkanus, alkenus, alkinus ir t.t nėra iki galo pabaigtas. Nes atliekant įvairius tyrinėjimus šiuolaikiniame moksle atrandama vis daugiau ir daugiau iki šiol ddar nežinomų cheminių elementų, jų junginių, taip pat vis naujų savybių. Dėl to yra tiesiog neįmanomas uždavinys atlikti tokį klasifikavimą, kuris būtų galutinis ir nekintamas.
Svarbus šių dienų uždavinys chemijoje ir bendrųjų sistemų teorijoje yra tokios antrojo tipo sistemos atradimas, kuri būtų tipinių struktūrų chemijoje klasifikacijos sistema. Tai labai palengvintų chemikų darbą, nes tada jiems pakaktų nustatyti, kurioje vietoje yra jų tiriamas elementas ar junginys, ir būtų aiškios jo cheminės savybės, reakcijos su kitais elementais ar junginiais. Taigi sistemotyrininkų ir cchemikų bendradarbiavimas duotų naudos ir vieniems, ir kitiems, nes chemikai galų gale turėtų tipinių cheminių struktūrų sistemą, o sistemotyrininkai – sudarytų antrojo tipo sistemą, pagilintų sąvokos „sistemos struktūra“ suvokimą, praturtintų tipinių struktūrų ir tipinių operacijų su struktūromis sąrašus. Tipinių cheminių junginių struktūrų nagrinėjimas galėtų būti naudingas išsiaiškinant sistemų struktūrų susidarymo dėsningumus, o tipinių cheminių reakcijų nagrinėjimas – operacijų su struktūromis dėsningumus.
Panaudota literatūra :
• mokymo priemonė „Matematinės sistemotyros pradmenys“ (A. Šukys);
• vadovėlis „Organinė chemija“, (Lawrie Ryan);
• internetas;
Zusammenfassung
In diesem Referat überblicke ich die standartischen Strukturen in der Chemie, wie unterscheiden sich die Zusammensetzung und die Struktur des chemischen Verbandes, weil die verschiedenen Lagen der Atome verschiedenen Eigenschaften deuten.
Die Chemischen Verbande entspringen, wenn die Atome untereinander vereinigen. Wir können standartischen Strukturen von Klassifizierung des chemischen Verbandes ausnehmen. Einer ist Klassifizierung zufolge dem Typ des chemischen Verbindungen. Anderes Verfahren ist die Klassifikation in organischen und unorganischen Verbanden. Solchen Verbande klassifizieren wir noch näher.
Untersciedlichen Verbande haben manchmal die gleichen chemischen Formeln, aber sie haben verschiedenen Strukturen. Auf diesem Fall muss man noch Verbindungen zwischen den Atome angeben.
Die Zusammenarbeit der Systemanalytiker und der Chemiker kann vieles Nutzen geben, weil so man die System des zweiten Typ des chemischen Verbandes schaffen.
