Един от най-често срещаните химични елементи, включени в по-голямата част от химикалите, е кислородът. В хода на неорганичната и органичната химия се изучават оксиди, киселини, основи, алкохоли, феноли и други кислородсъдържащи съединения. В нашата статия ще проучим свойствата, както и ще дадем примери за тяхното приложение в индустрията, селското стопанство и медицината.
оксиди
Най-простите по структура са бинарни съединения на метали и неметали с кислород. Класификацията на оксидите включва следните групи: киселинни, основни, амфотерни и индиферентни. Основният критерий за разделянето на всички тези вещества е кой елемент се свързва с кислорода. Ако е метал, значи са основни. Например: CuO, MgO, Na2O - оксиди на мед, магнезий, натрий. Основното им химично свойство е реакцията с киселини. И така, медният оксид реагира с хлоридна киселина:
CuO + 2HCl -> CuCl2 + H2O +63,3 kJ.
Наличието на атоми на неметални елементи в молекулите на бинарни съединения показва тяхната принадлежност към киселинни оксиди, например водороден оксид H2O, въглероден диоксид CO 2, фосфорен пентоксид P2O5. Способността на такива вещества да реагират с алкали е тяхната основна химическа характеристика.
В резултат на реакцията могат да се образуват соли от два вида: кисели или средни. Това ще зависи от това колко мола алкали реагират:
- CO2 + KOH=> KHCO3;
- CO2+ 2KOH=> K2CO3 + H2O.
Друга група кислород-съдържащи съединения, които включват такива химични елементи като цинк или алуминий, се наричат амфотерни оксиди. В техните свойства има тенденция към химично взаимодействие както с киселини, така и с основи. Продуктите от взаимодействието на киселинни оксиди с вода са киселини. Например, при реакцията на серен анхидрид и вода се образува сулфатна киселина. Киселините са един от най-важните класове кислородсъдържащи съединения.
Киселини и техните свойства
Съединения, състоящи се от водородни атоми, свързани със сложни йони на киселинни остатъци, са киселини. Обикновено те могат да бъдат разделени на неорганични, например въглеродна киселина, сулфат, нитрат и органични съединения. Последните включват оцетна киселина, мравчена, олеинова киселина. И двете групи вещества имат сходни свойства. Така те влизат в реакция на неутрализация с основи, реагират със соли иосновни оксиди. Почти всички кислород-съдържащи киселини във водни разтвори се дисоциират на йони, като проводници от втория вид. Възможно е да се определи киселинната природа на тяхната среда, поради прекомерното присъствие на водородни йони, като се използват индикатори. Например, лилавият лакмус става червен, когато се добави към киселинен разтвор. Типичен представител на органичните съединения е оцетната киселина, съдържаща карбоксилна група. Той включва водороден атом, който определя киселинните свойства на веществото. Това е безцветна течност със специфична остра миризма, кристализираща при температури под 17 °C. CH3COOH, подобно на други кислород-съдържащи киселини, е идеално разтворим във вода във всякакви пропорции. Неговият 3 - 5% разтвор е познат в ежедневието под името оцет, който се използва в кулинарията като подправка. Веществото е намерило своето приложение и в производството на ацетатна коприна, багрила, пластмаси и някои лекарства.
Органични съединения, съдържащи кислород
В химията може да се разграничи голяма група вещества, съдържащи освен въглерод и водород, и частици кислород. Това са карбоксилни киселини, естери, алдехиди, алкохоли и феноли. Всичките им химични свойства се определят от наличието в молекулите на специални комплекси - функционални групи. Например, общата химична формула на алкохол, съдържащ само ограничаващи връзки между атомите, е ROH, където R е въглеводороден радикал. Тези съединения обикновено се разглеждат като производни на алкани, в които единводородният атом е заменен с хидроксо група.
Физични и химични свойства на алкохолите
Агрегатното състояние на алкохолите са течности или твърди съединения. Сред алкохолите няма газообразни вещества, което може да се обясни с образуването на асоциати - групи, състоящи се от няколко молекули, свързани със слаби водородни връзки. Този факт определя и добрата разтворимост на нисшите алкохоли във вода. Въпреки това, във водни разтвори, съдържащите кислород органични вещества - алкохоли, не се дисоциират на йони, не променят цвета на индикаторите, тоест имат неутрална реакция. Водородният атом на функционалната група е слабо свързан с други частици, следователно, при химични взаимодействия, той е в състояние да напусне молекулата. На същото място на свободна валентност той се заменя с други атоми, например при реакции с активни метали или с алкали - с метални атоми. В присъствието на катализатори като платинена мрежа или мед, алкохолите се окисляват от енергични окислители, калиев бихромат или калиев перманганат, до алдехиди.
Реакция на естерификация
Едно от най-важните химични свойства на кислород-съдържащите органични вещества: алкохоли и киселини е реакция, водеща до производството на естери. Има голямо практическо значение и се използва в промишлеността за извличане на естери, използвани като разтворители в хранително-вкусовата промишленост (под формата на плодови есенции). В медицината някои от естерите се използват като спазмолитици, например етилнитритът разширява периферните кръвоносни съдове иизоамил нитритът е протектор от спазми на коронарните артерии. Уравнението на реакцията на естерификация е както следва:
CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O
В него CH3COOH е оцетна киселина, а C2H5OH е химичната формула на алкохол етанол.
Алдехиди
Ако съединение съдържа функционална група –COH, тогава то принадлежи към алдехиди. Представени са като продукти на по-нататъшно окисление на алкохоли, например с окислители като меден оксид.
Наличието на карбонилен комплекс в молекулите на мравчени или ацеталдехид определя способността им да полимеризират и прикрепят атоми на други химични елементи. Качествените реакции, които могат да се използват за доказване на наличието на карбонилна група и принадлежността на дадено вещество към алдехиди, са реакцията на сребърното огледало и взаимодействието с меден хидроксид при нагряване:
Ацеталдехидът, който се използва в индустрията за производство на оцетна киселина, е получил най-голямо приложение - продукт с голям тонаж на органичния синтез.
Свойства на кислород-съдържащите органични съединения - карбоксилни киселини
Наличието на карбоксилна група - една или повече - е отличителен белег на карбоксилните киселини. Поради структурата на функционалната група димерите могат да се образуват в киселинни разтвори. Те са свързани помежду си чрез водородни връзки. Съединенията се дисоциират на водородни катиони и киселинни остатъчни аниони и са слаби електролити. Изключение е първият представител на поредица от ограничаващиедноосновни киселини - мравчена или метан, който е проводник от втория вид със средна якост. Наличието само на прости сигма връзки в молекулите показва границата, но ако веществата имат двойни пи връзки в състава си, това са ненаситени вещества. Първата група включва такива киселини като метан, оцетна, маслена. Вторият е представен от съединения, които са част от течни мазнини - масла, например олеинова киселина. Химичните свойства на кислород-съдържащите съединения: органичните и неорганичните киселини са до голяма степен сходни. Така те могат да взаимодействат с активни метали, техните оксиди, с основи, а също и с алкохоли. Например, оцетната киселина реагира с натрий, оксид и сода каустик, за да образува сол - натриев ацетат:
NaOH + CH3COOH→NaCH3COO + H2O
Специално място заемат съединенията на висшите карбоксилни кислород-съдържащи киселини: стеаринова и палмитинова, с тривалентен наситен алкохол - глицерин. Те принадлежат към естери и се наричат мазнини. Същите киселини са част от натриевите и калиеви соли като киселинен остатък, образувайки сапуни.
Мазнини и сапуни
Важни органични съединения, които са широко разпространени в дивата природа и играят водеща роля като най-енергийно интензивно вещество, са мазнините. Те не са индивидуално съединение, а смес от хетерогенни глицериди. Това са съединения на ограничаващия многовалентен алкохол - глицерин, който, подобно на метанола и фенола, съдържа хидроксилни функционални групи. Мазнините могат да бъдат хидролизиранинагряване с вода в присъствието на катализатори: алкали, киселини, цинкови оксиди, магнезий. Продуктите на реакцията ще бъдат глицерол и различни карбоксилни киселини, използвани допълнително за производството на сапун. За да не се използват скъпи естествени хранителни мазнини в този процес, необходимите карбоксилни киселини се получават чрез окисляване на парафин.
Феноли
Излизайки до класовете кислород-съдържащи съединения, нека се съсредоточим върху фенолите. Те са представени от фениловия радикал -C6H5, свързан с една или повече функционални хидроксилни групи. Най-простият представител на този клас е карболовата киселина или фенолът. Като много слаба киселина може да взаимодейства с алкали и активни метали – натрий, калий. Вещество с изразени бактерицидни свойства - фенолът се използва в медицината, както и при производството на багрила и фенолформалдехидни смоли.
В нашата статия проучихме основните класове кислород-съдържащи съединения, а също така разгледахме техните химични свойства.
