Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир - Майкл Файер

Рис. 15.4. Ацетальдегид (вверху) и уксусная кислота (внизу). Атомы кислорода изображены в виде тёмно-серых сфер. Атом углерода C 2 в ацетальдегиде связан с C 1 , с водородом и двойной связью с кислородом. Атом C 2 в уксусной кислоте связан с C 1 , двойной связью с кислородом и одиночной связью с другим атомом кислорода, входящим в состав гидроксильной группы

В общем случае в альдегиде есть атом углерода, соединённый двойной связью с кислородом и одиночными связями с водородом и другим углеродом. Так, в формальдегиде (см. рис. 14.3) вместо связи с другим атомом углерода атом C2 связан со вторым атомом водорода. Атом C2 использует три гибридные sp2-орбитали для образования трёх σ-связей и дополнительную 2p-орбиталь для объединения с 2p-орбиталью кислорода и формирования π-связи в составе двойной связи. Как видно из верхнего уравнения химической реакции и строения этанола, показанного на рис. 15.1, этанол превращается в ацетальдегид, избавляясь от двух атомов водорода, что приводит к образованию ацетальдегида и молекулы H2. Две молекулы ацетальдегида присоединяют каждая по одному атому кислорода из молекулы O2, и получаются две молекулы уксусной кислоты (внизу на рис. 15.4). В уксусной кислоте атом C2 связан с двумя атомами кислорода. С одним из них он связан двойной связью, а с кислородом из гидроксильной группы −OH — одиночной.

Уксусная кислота — это органическая кислота, относящаяся к классу карбоновых кислот. Группа −COOH является кислотной. Простейшее определение кислоты — это вещество, которые при попадании в воду приводит к появлению ионов водорода H+. Соляная кислота имеет формулу HCl. Как и молекула NaCl, в воде молекула HCl распадается на ионы H+ и Cl−. Молекула соляной кислоты HCl полностью диссоциирует на ионы. Она классифицируется как сильная кислота, поскольку на каждую молекулу HCl, попавшую в воду, появляется один ион H+. H+ связывается (через сольватирование) с молекулами воды. Частично отрицательные атомы кислорода в молекулах воды окружают ион H+. Реакцию кислотной диссоциации уксусной кислоты в воде можно записать следующим образом:

Группа −COOH — это органическая кислотная группа. Такая группа ионизируется с образованием, как показано, ионов −COO− и H+. Согласно схеме, отрицательный заряд привязан к одному из атомов кислорода. В действительности он поровну распределён между обоими атомами кислорода. Это равное распределение изображают на схеме следующим образом:

Пунктирная кривая указывает, что молекулярная орбиталь, содержащая электрон, придающий отрицательный заряд, распределена по обоим атомам кислорода. Каждый из них может рассматриваться как носитель половины отрицательного заряда. Органические кислоты очень хорошо растворяются в воде. Этанол растворим, поскольку кислород из гидроксильных групп имеет небольшой отрицательный заряд, который приводит к образованию водородных связей с молекулами воды. Недиссоциированная уксусная кислота имеет два атома кислорода с частичными зарядами, которые могут образовывать водородные связи с водой. Диссоциированная уксусная кислота имеет два атома кислорода с половинным отрицательным зарядом, что приводит к эффективному образованию водородных связей с водой.

Органические кислоты, такие как уксусная кислота, являются слабыми. В воде лишь небольшая часть молекул уксусной кислоты ионизируется с образованием иона H+ и уксусного аниона. При растворении в литре воды 60 граммов уксусной кислоты ионами становится лишь около 0,4 % молекул. Эта концентрация примерно соответствует обычному столовому уксусу. Именно уксусная кислота придаёт уксусу его характерный вкус. Органические кислоты очень широко распространены в химии и биологии. Все белки состоят из комбинаций 20 аминокислот. До вступления в реакцию образования белка каждая аминокислота относится к определённому виду органических кислот и содержит органическую кислотную группу −COOH.

Метанол крайне ядовит

Метанол — это самая маленькая спиртовая молекула. Этанол — это этан, в котором один атом водорода заменён гидроксильной группой −OH. Метанол — это метан, в котором водород заменён гидроксилом. Если этанол можно употреблять внутрь в разумных количествах без тяжёлых последствий, то метанол крайне токсичен. Его также называют древесным спиртом, и он нередко встречается в качестве примеси в самогоне. Его смертельная доза составляет всего 20 мл (миллилитров), а доза 15 мл может вызвать слепоту. Пятнадцать миллилитров — это одна столовая ложка. Стакан вина содержит около двух столовых ложек этанола. Так что замена этанола на метанол в одном стакане вина может вызвать слепоту и смерть. Это поразительно, поскольку этанол отличается от метанола лишь одной дополнительной метильной группой (−CH3).

Ядовит не сам по себе метанол, а продукты его метаболизма. У человека и других живых организмов спирты превращаются в другие вещества посредством энзимов (белков, отвечающих за химические реакции), которые называются алкогольдегидрогеназами. У человека эти энзимы содержатся в печени и слизистой оболочке желудка. По-видимому, эти энзимы в пищеварительном тракте появились в ходе эволюционного развития для разложения спиртов, которые вырабатываются бактериями или являются естественными составляющими некоторых видов пищи. Этанол сначала превращается в ацетальдегид, а затем в уксусную кислоту, как это обсуждалось выше в связи с рис. 15.4, на котором показана структура этих двух молекул. Ацетальдегид и уксусная кислота безопасны для организма, который легко от них избавляется. Более крупные спиртовые молекулы также превращаются сначала в альдегиды, а затем в органические кислоты, которые легко удаляются из тела, не причиняя ему вреда. Однако метанол превращается алкогольдегидрогеназами в формальдегид, а затем в муравьиную кислоту.

Строение формальдегида представлено на рис. 14.3. Формальдегид подобен ацетальдегиду, за исключением того, что атом углерода C2 в ацетальдегиде (см. рис. 15.4, вверху) связан с одним атомом водорода, а не с метильной группой (C1 на рис. 15.4). Муравьиная кислота подобна уксусной кислоте (рис. 15.4, внизу), но вновь атом C2 связан с водородом, а не с метильной группой. Муравьиная кислота и особенно — формальдегид являются высокотоксичными веществами. Они повреждают сетчатку и зрительный нерв, приводя к неизлечимым поражениям зрения и слепоте. Однако муравьиная кислота также вызывает серьёзную кислотную интоксикацию, которая включает нарушение работы энзимов, расщепляющих углеводороды. Относительно небольшие концентрации формальдегида и муравьиной кислоты, а также других производных от них метаболитов могут привести к смерти.

Мыло

Как мы выяснили, этанол и органические кислоты вроде уксусной кислоты очень хорошо растворяются в воде, поскольку органические группы, содержащие кислород, могут создавать водородные связи с молекулами воды. Напротив, этан, хотя и очень похож на этанол, не растворяется в воде, поскольку не имеет кислородсодержащей группы, способной образовывать водородные связи. Этан — это углеводород, то есть он состоит только из атомов водорода и углерода. Метан и этан — газы. Более крупные углеводороды, начиная с пентана (пять атомов углерода), являются жидкостями при комнатной температуре. Наименьшие из этих жидких углеводородов, такие как пентан и октан (входящий в состав бензина), — очень текучие жидкости, то есть у них низкая вязкость.

Крупные углеводороды — это масло и жир

С увеличением числа атомов углерода жидкие углеводороды становятся всё более вязкими. Мазут{27}, используемый для отопления во многих американских домах, состоит из смеси углеводородов, имеющих обычно от 14 до 20 атомов углерода. При комнатной температуре масло вполне текуче, но его вязкость намного больше, чем у бензина. Жир состоит из по-настоящему крупных углеводородов. Они очень вязкие и при комнатной температуре не текут.

Рис. 15.5. Модели н-тетрадекана C 14 H 30 : шаростержневая (вверху) и объёмная (внизу). Молекула содержит 14 атомов углерода, соединённых друг с другом без ветвления

Углеводороды, составляющие мазут, при комнатной температуре являются жидкими, но они нерастворимы в воде. Молекулы с 14 атомами углерода — это самые лёгкие компоненты мазута. На рис. 15.5 изображена молекула н-тетрадекана. Декан содержит десять (дека) атомов углерода. В тетрадекане на четыре (тетра) атома углерода больше. Буква «н» (нормальный) означает, что все атомы углерода выстроены друг за другом без ветвления, то есть каждый атом углерода связан не более чем с двумя другими. В верхней части рисунка приведена шаростержневая модель н-тетрадекана. Однако важно помнить, что электронная плотность заполняет всё окружающее атомы пространство. В нижней части рисунка представлена объёмная модель н-тетрадекана.