אחד היסודות הכימיים הנפוצים ביותר הכלולים ברוב המוחלט של הכימיקלים הוא חמצן. תחמוצות, חומצות, בסיסים, אלכוהולים, פנולים ותרכובות המכילות חמצן אחרות נלמדות במהלך כימיה אנאורגנית ואורגנית. במאמר שלנו, נלמד את המאפיינים, וכן ניתן דוגמאות ליישומם בתעשייה, בחקלאות וברפואה.
Oxides
הפשוטות ביותר במבנה הן תרכובות בינאריות של מתכות ולא-מתכות עם חמצן. סיווג התחמוצות כולל את הקבוצות הבאות: חומצי, בסיסי, אמפוטרי ואדיש. הקריטריון העיקרי לחלוקת כל החומרים הללו הוא איזה יסוד מתחבר עם חמצן. אם זה מתכת, אז הם בסיסיים. לדוגמה: CuO, MgO, Na2O - תחמוצות של נחושת, מגנזיום, נתרן. התכונה הכימית העיקרית שלהם היא התגובה עם חומצות. אז תחמוצת נחושת מגיבה עם חומצה כלורית:
CuO + 2HCl -> CuCl2 + H2O +63.3 קילו-ג'יי.
נוכחות של אטומים של יסודות לא מתכתיים במולקולות של תרכובות בינאריות מעידה על השתייכותם לתחמוצות חומציות, למשל תחמוצת מימן H2O, פחמן דו חמצני CO 2, phosphorus pentoxide P2O5. היכולת של חומרים כאלה להגיב עם אלקליות היא המאפיין הכימי העיקרי שלהם.
כתוצאה מהתגובה, יכולים להיווצר מלחים משני סוגים: חומצי או בינוני. זה יהיה תלוי בכמה שומות של אלקלי יגיבו:
- CO2 + KOH=> KHCO3;
- CO2+ 2KOH=> K2CO3 + H2O.
קבוצה נוספת של תרכובות המכילות חמצן, הכוללות יסודות כימיים כמו אבץ או אלומיניום, מכונה תחמוצות אמפוטריות. בתכונות שלהם, יש נטייה לאינטראקציה כימית גם עם חומצות וגם עם אלקליות. תוצרי האינטראקציה של תחמוצות חומצה עם מים הם חומצות. לדוגמה, בתגובה של אנהידריד גופרתי ומים נוצרת חומצה גופרתית. חומצות הן אחת הקבוצות החשובות ביותר של תרכובות המכילות חמצן.
חומצות ותכונותיהן
תרכובות המורכבות מאטומי מימן הקשורים ליונים מורכבים של שאריות חומצה הן חומצות. באופן קונבנציונלי, ניתן לחלק אותם לא-אורגניים, למשל, חומצה פחמנית, סולפט, חנקה ותרכובות אורגניות. האחרונים כוללים חומצה אצטית, חומצות צורניות, אולאית. לשתי קבוצות החומרים תכונות דומות. אז, הם נכנסים לתגובת ניטרול עם בסיסים, מגיבים עם מלחים ותחמוצות בסיסיות. כמעט כל החומצות המכילות חמצן בתמיסות מימיות מתפרקות ליונים, בהיותן מוליכות מהסוג השני. ניתן לקבוע את האופי החומצי של סביבתם, עקב נוכחות מוגזמת של יוני מימן, באמצעות אינדיקטורים. לדוגמה, לקמוס סגול הופך לאדום כאשר מוסיפים אותו לתמיסת חומצה. נציג טיפוסי של תרכובות אורגניות הוא חומצה אצטית המכילה קבוצת קרבוקסיל. הוא כולל אטום מימן, שקובע את התכונות החומציות של החומר. זהו נוזל חסר צבע בעל ריח חריף ספציפי, המתגבש בטמפרטורות מתחת ל-17 מעלות צלזיוס. CH3COOH, כמו חומצות אחרות המכילות חמצן, מסיס לחלוטין במים בכל פרופורציה. תמיסת ה-3 - 5% שלו מוכרת בחיי היומיום בשם חומץ, המשמש בבישול כתיבול. החומר מצא את השימוש שלו גם בייצור של משי אצטט, צבעים, פלסטיק וכמה תרופות.
תרכובות אורגניות המכילות חמצן
בכימיה אפשר להבחין בקבוצה גדולה של חומרים המכילים, בנוסף לפחמן ומימן, גם חלקיקי חמצן. אלו הן חומצות קרבוקסיליות, אסטרים, אלדהידים, אלכוהולים ופנולים. כל התכונות הכימיות שלהם נקבעות על ידי נוכחות במולקולות של קומפלקסים מיוחדים - קבוצות פונקציונליות. לדוגמה, הנוסחה הכימית הכללית של אלכוהול המכיל רק קשרים מגבילים בין אטומים היא ROH, כאשר R הוא רדיקל פחמימני. תרכובות אלו נחשבות בדרך כלל כנגזרות של אלקנים, שבהןאטום המימן מוחלף בקבוצת הידרוקסו.
תכונות פיזיקליות וכימיות של אלכוהול
מצב מצטבר של אלכוהול הם נוזלים או תרכובות מוצקות. אין חומרים גזים בין אלכוהולים, דבר שניתן להסביר על ידי היווצרותם של שותפים - קבוצות המורכבות ממספר מולקולות המחוברות בקשרי מימן חלשים. עובדה זו קובעת גם את המסיסות הטובה של אלכוהולים נמוכים יותר במים. עם זאת, בתמיסות מימיות, חומרים אורגניים המכילים חמצן - אלכוהול, אינם מתפרקים ליונים, אינם משנים את צבע האינדיקטורים, כלומר יש להם תגובה ניטרלית. אטום המימן של הקבוצה הפונקציונלית קשור בצורה חלשה לחלקיקים אחרים, ולכן, באינטראקציות כימיות, הוא מסוגל לעזוב את המולקולה. באותו מקום של ערכיות חופשית, הוא מוחלף באטומים אחרים, למשל, בתגובות עם מתכות פעילות או עם אלקליות - באטומי מתכת. בנוכחות זרזים כגון רשת פלטינה או נחושת, אלכוהול מתחמצן על ידי חומרי חמצון נמרצים, אשלגן ביכרומט או אשלגן פרמנגנט, לאלדהידים.
תגובת אסטריפיקציה
אחת התכונות הכימיות החשובות ביותר של חומרים אורגניים המכילים חמצן: אלכוהול וחומצות היא תגובה המובילה לייצור אסטרים. יש לו חשיבות מעשית רבה ומשמש בתעשייה להפקת אסטרים המשמשים כממיסים בתעשיית המזון (בצורת תמציות פירות). ברפואה, חלק מהאסטרים משמשים כתרופות נוגדות עוויתות, למשל, אתיל ניטריט מרחיב כלי דם היקפיים, וכןisoamyl nitrite הוא מגן של התכווצויות בעורקים הכליליים. משוואת תגובת האסטריפיקציה היא כדלקמן:
CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O
בתו, CH3COOH היא חומצה אצטית, ו-C2H5OH היא הנוסחה הכימית של אלכוהול אתנול.
Aldehydes
אם תרכובת מכילה קבוצה תפקודית –COH, אז היא שייכת לאלדהידים. הם מוצגים כמוצרים של חמצון נוסף של אלכוהול, למשל, עם חומרי חמצון כגון תחמוצת נחושת.
נוכחות של קומפלקס קרבוניל במולקולות של פורמי או אצטלדהיד קובעת את יכולתן לפולימר ולחבר אטומים של יסודות כימיים אחרים. תגובות איכותיות שניתן להשתמש בהן כדי להוכיח נוכחות של קבוצת קרבוניל ושייכות של חומר לאלדהידים הן תגובת מראה הכסף והאינטראקציה עם הידרוקסיד נחושת בחימום:
אצטלדהיד, המשמש בתעשייה לייצור חומצה אצטית, זכה לשימוש הגדול ביותר - תוצר טונה גדול של סינתזה אורגנית.
מאפיינים של תרכובות אורגניות המכילות חמצן - חומצות קרבוקסיליות
נוכחות של קבוצת קרבוקסיל - אחת או יותר - היא סימן היכר של חומצות קרבוקסיליות. בשל מבנה הקבוצה הפונקציונלית, דימרים יכולים להיווצר בתמיסות חומצה. הם מקושרים זה לזה על ידי קשרי מימן. התרכובות מתפרקות לקטיוני מימן ולאניונים של שאריות חומצה והן אלקטרוליטים חלשים. חריג הוא הנציג הראשון של סדרה של מגביליםחומצות מונו-בסיסיות - פורמית, או מתאן, שהיא מוליך מהסוג השני של חוזק בינוני. נוכחותם של קשרי סיגמא פשוטים בלבד במולקולות מעידה על הגבול, אך אם לחומרים יש קשרי פי כפול בהרכבם, מדובר בחומרים בלתי רוויים. הקבוצה הראשונה כוללת חומצות כמו מתאן, אצטית, בוטירית. השני מיוצג על ידי תרכובות שהן חלק משומנים נוזליים - שמנים, למשל, חומצה אולאית. התכונות הכימיות של תרכובות המכילות חמצן: חומצות אורגניות ואי-אורגניות דומות במידה רבה. אז, הם יכולים לקיים אינטראקציה עם מתכות פעילות, תחמוצות שלהם, עם אלקליות, וגם עם אלכוהול. לדוגמה, חומצה אצטית מגיבה עם נתרן, תחמוצת וסודה קאוסטית ליצירת מלח - נתרן אצטט:
NaOH + CH3COOH→NaCH3COO + H2O
מקום מיוחד תופסות תרכובות של חומצות המכילות חמצן קרבוקסילי גבוהות יותר: סטארית ופליטית, עם אלכוהול רווי תלת-הידרי - גליצרין. הם שייכים לאסטרים ונקראים שומנים. אותן חומצות הן חלק ממלחי הנתרן והאשלגן כשאריות חומציות, היוצרות סבונים.
שמנים וסבונים
תרכובות אורגניות חשובות המופצות באופן נרחב בחיות הבר וממלאות תפקיד מוביל כחומר עתיר האנרגיה הם שומנים. הם אינם תרכובת בודדת, אלא תערובת של גליצרידים הטרוגניים. אלו הן תרכובות של האלכוהול הרב-הידרי המגביל - גליצרין, אשר, כמו מתנול ופנול, מכיל קבוצות פונקציונליות הידרוקסיל. ניתן לבצע הידרוליזה של שומניםחימום עם מים בנוכחות זרזים: אלקליות, חומצות, תחמוצות אבץ, מגנזיום. תוצרי התגובה יהיו גליצרול וחומצות קרבוקסיליות שונות, המשמשות בהמשך לייצור סבון. כדי לא להשתמש בשומני מאכל טבעיים יקרים בתהליך זה, מקבלים את החומצות הקרבוקסיליות הדרושות על ידי חמצון פרפין.
פנולים
ממציא את השיעורים של תרכובות המכילות חמצן, בואו נתמקד בפנולים. הם מיוצגים על ידי רדיקל הפניל -C6H5, המחובר לקבוצת הידרוקסיל פונקציונלית אחת או יותר. הנציג הפשוט ביותר של מחלקה זו הוא חומצה קרבולית, או פנול. כחומצה חלשה מאוד, היא יכולה לקיים אינטראקציה עם אלקליות ומתכות פעילות - נתרן, אשלגן. חומר בעל תכונות קוטל חיידקים בולטות - פנול משמש ברפואה, וכן בייצור של צבעים ושרף פנול-פורמלדהיד.
במאמר שלנו, למדנו את המחלקות העיקריות של תרכובות המכילות חמצן, וגם שקלנו את התכונות הכימיות שלהן.
