Урок 13. Углерод и кремний – HIMI4KA

У нас вышел новый курс, где всё объясняется ещё проще. Подробннее по ссылке

Строение атома и свойства углерода

Углерод — химический элемент четвертой группы второго периода, поэтому строение его атома можно показать схемой:

Имея четыре валентных электрона близко от ядра, атом углерода проявляет неметаллические свойства, т. е. способен принимать электроны.

Вопрос. Сколько электронов может принять атом углерода до завершения внешнего уровня?

Принимая четыре электрона, атом углерода приобретает степень окисления –4:

Вопрос. Может ли атом углерода в состоянии С^–4ещё принимать электроны? Как называются атомы, принимающие электроны (окислитель или восстановитель)?

Атом углерода в низшей степени окисления (–4) уже не может принимать электроны, но может их отдавать. Значит, атом углерода в низшей степени окисления –4 может быть только восстановителем. Поэтому метан СН₄ (простейшее водородное соединение этого элемента) легко горит:

Задание 13.1. Закончить уравнение этой реакции (при затруднении см. урок 2.1).

Как известно, атомы неметаллов могут и отдавать электроны.

Вопрос. Какое максимальное число электронов может отдать атом углерода?

Отдавая четыре валентных электрона, атом углерода переходит в состояние С⁺⁴ :

Вопросы. Может ли атом углерода в этом состоянии ещё отдавать электроны? Как называются атомы, которые в окислительно-восстановительных реакциях отдают электроны?

Схема показывает, что атом углерода в высшей степени окисления +4 не может больше отдавать электроны, но может их присоединять, т. е. он может быть только окислителем. Поэтому углекислый газ СО₂ (простейшее соединение такого атома) не горит:

Сделаем вывод: любой атом в высшей степени окисления может быть только окислителем; любой атом в низшей степени окисления может быть только восстановителем.

Разберём эти и другие свойства углерода и его соединений на конкретных примерах.

Начнём с того, что простое вещество с названием «углерод» в природе не существует! Дело в том, что атомы углерода поразному соединяются друг с другом, образуя разные простые вещества. Так, если атомы углерода образуют тетраэдрическую пространственную решетку:

то образуется самое твёрдое вещество алмаз. Из него делают драгоценные камни — бриллианты, а также режущие инструменты, например для резки стекла.

Если атомы углерода лежат в одной плоскости:

то образуется графит (от др.-греч. γράφω — пишу). Углеродные «пластинки» скользят друг относительно друга, и поэтому графит оставляет следы (графитный стержень карандаша) на бумаге. Подобную кристаллическую структуру (графита) имеют сажа, уголь, кокс. Эти вещества «пачкаются», а уголь и графит способны проводить электрический ток, что для неметаллов не характерно.

Если атомы углерода составляют линейную структуру:

то образуется карбин — он очень редко встречается в природе. Это очень прочное вещество.

Существование химического элемента в виде нескольких простых веществ называется аллотропией. Алмаз, графит, карбин — аллотропные видоизменения (модификации) углерода.

И алмаз, и графит, и карбин имеют почти одинаковые химические свойства, так как образованы одним химическим элементом. Рассмотрим эти свойства на примере графита или угля. Это чёрные блестящие вещества, способные (из-за особенностей внутреннего строения) проводить электрический ток. Поэтому графитовые и угольные стержни используют в качестве электродов в батарейках, при проведении электролиза и т. д.

Вопрос. Может ли атом углерода быть окислителем? Восстановителем? Почему?

Как было показано выше, атом углерода, как и атом почти любого неметалла, может и отдавать, и присоединять электроны, т. е. быть и окислителем, и восстановителем:

Задание 13.2. Определите, в какой из реакций атом углерода является окислителем, а в какой — восстановителем?

Чаще всего на практике используют восстановительные свойства углерода. Так, при помощи углерода (кокса) получают чистое железо (чугун) из природной руды:

Реакция с кислородом происходит при горении твёрдого топлива (угля).

Окислительные свойства углерода проявляются при взаимодействии с металлами. Так образуются карбиды.

Задание 13.3. Составьте уравнение реакции алюминия с углеродом. При затруднениях см. урок 7.3.

Карбиды металлов легко разлагаются водой и кислотами. При этом степени окисления не меняются:

Задание 13.4. Расставьте степени окисления атомов в последней схеме и убедитесь, что они не изменились.

Простые вещества, состоящие из атомов углерода, довольно инертны: они не реагируют со щелочами, растворами кислот, с водой при н. у. Только некоторые кислоты-окислители (азотная, концентрированная серная) могут окислить углерод:

При температуре 800 °C углерод реагирует с водяными парами:

В этой реакции получается газовая смесь, используемая как газообразное топливо — водяной газ.

Задание 13.5. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций (1) и (2) методом электронного баланса. Определите, какие свойства проявляет углерод в этих ОВР.

Свойства соединений углерода

Углерод образует два оксида:

• угарный газ СО;
• углекислый газ СО₂.

Задание 13.6. Назовите эти оксиды. Определите характер этих оксидов. В каком из них углерод проявляет высшую степень окисления?

Угарный газ СО — несолеобразующий оксид*, т. е. он не образует неорганических солей ни с кислотами, ни с основаниями.

* Такие оксиды называются также безразличными, или индифферентными.

Имея промежуточную степень окисления (+2), углерод может быть и окислителем, и восстановителем, но для него более характерны восстановительные свойства:

Реакция (4) происходит в доменных печах при выплавке чугуна из железных руд (см. также урок 11.2). Реакция (3) происходит, когда появляются синие огоньки на непрогоревших углях в костре, печке. Дело в том, что угарный газ образуется при контакте углекислого газа (продукт сгорания любого топлива) с горячими углями при недостатке кислорода:

При достаточном доступе воздуха (кислорода) угарный газ сгорает полностью. Но если тяга плохая (доступ кислорода затруднён), то реакция (3) не происходит и угарный газ попадает в помещение. А это смертельный яд!

Углекислый газ дыхания не поддерживает, но и не ядовит.

Вопрос. Почему СО₂ не горит в кислороде?

Имея высшую степень окисления, атом углерода углекислого газа С⁺⁴ : может быть только окислителем и с окислителем (кислородом) не реагирует. По этой же причине углекислый газ может реагировать с активными восстановителями (активными металлами, раскалённым углём:

Углекислый газ СО₂ — кислотный оксид и образует при взаимодействии с водой слабую и неустойчивую угольную кислоту, которая существует только в растворах:

Угольную кислоту пил каждый, так как это обычная газированная вода. Она слегка пощипывает язык, но совсем не обжигает, потому что это слабая кислота.

Эта двухосновная кислота образует два вида солей — карбонаты (средние соли) и гидрокарбонаты (кислые соли):

Задание 13.7. Расставьте коэффициенты в последних двух уравнениях и определите, от чего зависит состав полученной соли.

Вопрос. Как, используя эти соли, получить углекислый газ?

Угольная кислота получается при действии более сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты. Но в момент получения неустойчивая угольная кислота разлагается на углекислый газ и воду. Поэтому при действии более сильной, чем угольная, кислоты на карбонат выделяется углекислый газ:

Это качественная реакция на любые карбонаты, даже в смеси: если исследуемая смесь сухая, то под действием кислоты она «зашипит» из-за выделения газа.

Углекислый газ не имеет вкуса и запаха, не поддерживает горения (тлеющая лучинка гаснет в атмосфере углекислого газа), а при пропускании через известковую воду вызывает её помутнение:

Пользуясь химическими реакциями (5) и (6), а также зная свойства углекислого газа, можно обнаружить карбонаты и гидрокарбонаты в растворах и твёрдых смесях. Для этого нужно к твёрдой смеси добавить любую кислоту: смесь зашипит, если в её состав входит соль угольной кислоты. Если эта соль находится в растворе, то после добавления кислоты в нём появляются пузырьки углекислого газа. Так можно получить «газированный напиток».

Реакцию (5) можно использовании при получении СО₂ в лаборатории.

Поскольку угольная кислота слабая, — все растворимые карбонаты подвергаются гидролизу.

Задание 13.8. Составьте уравнение реакции гидролиза карбоната калия (поташа).

В результате реакции гидролиза образуется щелочная среда, поэтому такие карбонаты как сода Na₂СО₃ и поташ К₂СО₃ используются как заменители щелочей, например при варке мыла.

Гидрокарбонаты слабо подвергаются гидролизу и, в отличие от карбонатов, легко разлагаются при нагревании:

Поэтому питьевую соду NаНСО₃ добавляют в печенье и другие мучные кондитерские изделия, которые от этого становятся более пышными и рыхлыми. Питьевую соду применяют при производстве шипучих напитков (в присутствии органических кислот образуется углекислый газ), ею заправляют огнетушители, её же используют в медицине для полосканий и ингаляций.

Строение атома и свойства кремния

Поскольку кремний и углерод находятся в одной подгруппе, то распределение валентных электронов у них одинаково:

Кремний тоже проявляет неметаллические свойства, т. е. способен и принимать, и отдавать электроны.

Задание 13.9. Определите степени окисления атома кремния. Составьте формулы его простейших соединений.

Неметаллические свойства кремния выражены слабее, чем у углерода. Это проявляется в том, что, во-первых, кремний внешне похож на металл, является полупроводником. Эти свойства кремния высокой чистоты нашли применение в электронике. Во-вторых, кислотные свойства оксида и гидроксида кремния выражены слабее, чем у углерода. Рассмотрим эти свойства.

Кремний — по распространённости в природе уступает только кислороду: каждый пятый атом в Земной коре принадлежит кремнию. Массовая доля кремния в Земной коре составляет 29,5 %. В виде простого вещества кремний не встречается в природе, но его оксид известен каждому: это обычный песок (кремнезём) SiO₂. Это — самое распространённое твёрдое вещество на нашей планете, так как на него приходится 12 % Земной коры. Этот же состав имеет кварц, кремень. Многие горные породы содержат этот оксид, т. е. являются силикатами. Таких соединений — 75 % от массы Земной коры! Поэтому название химического элемента происходит от греческого слова «кремнос», что означает «утёс, скала».

Простое вещество кремний — это серебристо-серые кристаллы с металлическим блеском. Атомы кремния расположены в этих кристаллах так же, как атомы углерода в алмазе, но связи менее прочные (длина связи больше, потому что радиус атома больше), и кремний уступает по твёрдости алмазу.

Именно кремень использовали древние люди для изготовления первых орудий труда, этот твёрдый камень позволил нашим предкам приручить огонь. До той поры, как были изобретены спички, люди высекали искру при помощи кремня. Первые образцы стекла, возраст которых около 5 тыс. лет, тоже содержат оксид кремния.

В подавляющем большинстве соединений кремний четырёхвалентен. Кремний — довольно инертное вещество, которое при нормальных условиях реагирует только с фтором. При нагревании до 400…600 °C он взаимодействует с хлором, бромом, кислородом, а также с активными металлами, образуя силициды. С водородом кремний не реагирует.

Задание 13.10. Составьте уравнения перечисленных реакций.

Силициды, так же как и карбиды, разлагаются водой и растворами кислот.

При этом образуется крайне ядовитый газ силан. Это настолько сильный восстановитель, что он самовоспламеняется на воздухе.

Задание 13.11. Составьте уравнение реакции горения силана.

В результате образуется облачко дыма, который состоит из мельчайших частичек оксида кремния. Этот оксид, в отличие от аналогичного оксида углерода, является твёрдым веществом.

Кремний, в отличие от углерода, не реагирует с водой и кислотами, но реагирует со щелочами:

В этой реакции образуется силикат натрия — соль кремниевой кислоты.

Кремний образуется при взаимодействии его оксида с магнием, алюминием или коксом:

Образующийся при этой реакции кремний обычно загрязнён силицидами. Кремний высокой чистоты, необходимый для электроники, получают восстановлением хлорида кремния водородом:

Создание и применение современных компьютеров без кремния немыслимо. Этот же неметалл необходим для создания солнечных батарей — источников электрического тока, в которых преобразуется энергия Солнца.

Кремниевая кислота и силикаты

Как уже упоминалось, минералы, основу которых составляет оксид кремния, составляют около 12 % земной коры. К ним относятся песок и кварц, горный хрусталь и полудрагоценные камни (яшма, агат и др.). Песок — это тугоплавкое вещество, при остывании расплава которого образуется кварцевое стекло. Обычное стекло образуется при сплавлении этого оксида с карбонатами кальция и натрия.

Оксид кремния относится к кислотным оксидам, поскольку кислоты не действуют на этот оксид, а со щелочами и основными оксидами он образует соли.

Задание 13.11. Составьте уравнения реакций оксида кремния с гидроксидом кальция и оксидом магния. Вспомните, где происходят эти процессы (см. урок 9).

Но с водой этот кислотный оксид не реагирует, так как соответствующий гидроксид (кислота) нерастворим в воде. Кремниевая кислота H₂SiO₃– аморфное бесцветное вещество, которое легко теряет влагу и превращается в пористый силикагель. Силикагель, как и активированный уголь, используется в качестве адсорбента*.

* Адсорбент — материал, поглощающий влагу, запахи и др. вещества.

Кремниевые кислоты образуются под действием любой кислоты на раствор силиката. При этом образуется студенистый осадок:

Эту реакцию можно считать качественной на силикаты, потому что при действии кислот на различные соли только силикаты дают осадок кислоты.

Концентрированный раствор силикатов калия и натрия называется «жидкое стекло» и применяется в качестве канцелярского клея. Этот клей под действием углекислоты воздуха застывает:

Растворимые силикаты сильно гидролизуются.

Задание 13.12. Составить уравнение реакции гидролиза силиката, определить реакцию среды.

Создавая щелочную среду и связывая ионы кальция и магния, эти силикаты облегчают процессы стирки и входят в состав некоторых моющих средств. Если растворимым стеклом пропитать текстиль или древесину, то они не возгораются. Но не всякий текстиль выдерживает такую обработку: сильно щелочная среда разрушает материал.

Если внимательно посмотреть по сторонам, то искусственно полученные силикаты окружают нас со всех сторон. Это:

• керамические изделия (вазы, чашки, сковородки с керамическим покрытием, к которому не пригорает пища),
• кирпичи, стекло, цемент и бетон, другие строительные материалы;
• изделия из фарфора и фаянса (чашки и тарелки).

Задание. Найдите у себя дома несколько предметов, которые выпускает силикатная промышленность.

Выводы

Углерод — самый распространённый химический элемент в органической, т. е. живой природе. Атомы углерода способны реагировать друг с другом, образуя углеродные цепи (как у карбина). Такие углеродные цепочки составляют основу любого органического соединения, которые и составляют основу жизни на Земле.

К неорганическим относятся только простейшие соединения углерода: угарный газ, углекислый газ и соли угольной кислоты.

Кремний играет в неживой природе такую же роль, как углерод — в живой природе. Атомы кремния придают растениям особую прочность. Без кремния ни трава, ни деревья не могли бы расти вверх, а стелились бы по земле. Минералы, основу которых составляет оксид кремния, составляют около 12 % земной коры.

Хотите ещё проще? Мы создали новый курс, где максимум за 7 дней вы овладете химией с нуля. Подробннее по ссылке

Возможна ли небелковая жизнь? Кремний, фосфор и метан как основа органики | Космос, Наука

— Кремнийорганический инопланетянин, худ. Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) / Caltech

— Вот пусть Сашка скажет, — предложил Корнеев. — Саша, бывает небелковая жизнь?
— Не знаю, — сказал я. — Не видел. А что?
— Что значит — не видел? М-поле ты тоже никогда не видел, а напряжённость его рассчитываешь.

Аркадий и Борис Стругацкие «Понедельник начинается в субботу».

К встрече с братьями по разуму люди начали готовиться задолго до наступления космической эры. Впервые вопрос о населённости других небесных тел встал в начале XVII века, когда Галилео Галилей рассмотрел на Луне горы. Мистический серебристый диск на небе обернулся миром, похожим на Землю! С этого момента населёнными стали считаться все планеты нашей системы, Солнце, а иногда и звёзды. Вывод о существовании инопланетян был сделан на основании логического умозаключения: если среди лунных гор никто не живёт, то зачем они там нужны?

Когда первые космические аппараты достигли Марса и передали на Землю фотографии планеты, мы увидели лишь ржавую пустыню без признаков жизни. Стало окончательно ясно, что условия, подходящие даже для самой неприхотливой бактерии, встречаются в космосе очень редко. Искать обитаемые миры придётся в других звёздных системах, а это — задача отдалённого будущего.

Но что, если в условиях, не похожих на земные, жизнь всё-таки существует — только другая, приспособленная именно к этим условиям? Почему бы и нет — ведь в 2010 году во вполне земном калифорнийском озере Моно удалось обнаружить бактерию, в ДНК которой фосфор заменён на мышьяк. Если после столь радикальной модификации двойная спираль продолжает выполнять свои функции, вполне уместно предположить, что космические тела, абсолютно, казалось бы, для жизни не пригодные, всё-таки населены. Небелковой жизнью.

Озеро Моно выглядит так, словно принадлежит другому миру. Как и его обитатели (фото: King of Hearts)

Прежде чем фантазировать, какой может быть небелковая жизнь, следует разобраться с тем, что вообще считать живым. С точки зрения химии, «жизнь» — всего лишь реакция автокатализа сложных органических молекул. Катализатором называют вещество, которое ускоряет некоторые химические процессы, не участвуя в них. Например, в присутствии железа ускоряется синтез хлорофилла. Сам хлорофилл выступает в качестве катализатора при фотосинтезе углеводородов из воды и углекислого газа. Если же некая молекула, попав в раствор с нужными реагентами, провоцирует цепочку преобразований, конечным результатом которой станет появление ещё одной такой же молекулы, — это автокатализ.

Органические и неорганические вещества, обладающие автокаталитическими свойствами и способные в определённых обстоятельствах «размножаться», хорошо известны науке. Но считать молекулу по-настоящему «живой» можно лишь при ещё одном условии. Она должна быть достаточно сложной для того, чтобы при самокопировании случались ошибки. В этом случае возникает изменчивость и начинает действовать естественный отбор. Чем эффективнее самокопируется молекула, «научившаяся», например, использовать побочные или промежуточные продукты автокатализа для синтеза необходимых материалов, тем больше у неё будет копий, обладающих теми же полезными свойствами. А уж дальше процесс не остановить. Где конкуренция и отбор, там и прогресс.

Можно ли считать отдельную, способную к самовоспроизводству молекулу «живым существом» — вопрос сугубо философский. Ведь, по сути, весь организм — начиная от клеточной мембраны и заканчивая головным мозгом у высших позвоночных, — не более чем устройство, поддерживающее оптимальные условия для автокатализа ДНК.

Вирус — широко известный пример существа-молекулы. Все современные вирусы — паразиты. Их ДНК или РНК «самокопируется» только внутри живой клетки

Тайна происхождения жизни на Земле будет раскрыта ещё не скоро, потому что мы имеем дело с уравнением, в котором нет известных значений. Первая «живая» молекула принялась плодить себе подобных в условиях, ныне не существующих и с трудом поддающихся реконструкции. За четыре миллиарда лет наша планета изменилась до неузнаваемости, как, впрочем, и Солнце. Недаром такое значение придают исследованиям кометного вещества. Только лёд малых космических тел может хранить информацию о химическом составе земных океанов эпохи архея и катархея.

Интересны, однако, не столько проблемы происхождения белковой жизни, сколько основные этапы её развития. Например, не только «живые молекулы», но и даже первые бактерии ещё не производили органику сами и полностью зависели от поставок материалов из недр планеты. Благо океаны в ту пору были неглубокие (воды на планете было в 700 раз меньше, чем сейчас) и примерно на 1% состояли из углеводородов, благодаря чему именовались «первичным бульоном».

Крупные — с ладонь величиной — монстры докембрийской, «вендской» фауны могли существовать лишь в условиях сильного течения, приносящего пищу и кислород

Лишь 3,7 миллиарда лет назад, доев бульон, бактерии начали осваивать самостоятельный синтез. Сначала аноксигенный, для которого, помимо углекислоты, требовался сероводород или даже простой водород. Реакция протекала без выделения кислорода. Он начал накапливаться только миллиард лет спустя — после того, как дефицитный сероводород при осуществлении фотосинтеза был заменён самым трудным для переработки, но и самым доступным сырьём. Водой. Но если условия были бы иными, для жизни вполне сгодилось бы и другое вещество.

Глубже всего учёные проработали концепцию внеземной жизни, основанной не на углероде, а на кремнии. Любили к ней обращаться и фантасты (среди отечественных книг — «Контакт на Ленжевене» Анатолия Константинова, «Глиняный бог» Анатолия Днепрова). Странно лишь, что литературные кремниевые пришельцы по неизвестным причинам всегда напоминают глиняные статуи или ожившие кристаллы, хотя с точки зрения науки внешние различия кремневодородных и белковых существ могут быть минимальными. Ведь кремний всего лишь должен заместить углерод в органических молекулах. А образующий плоть «силикоидов» силикон широко применяется ныне для имитации некоторых тканей человеческого тела.

Диоксид кремния нерастворим, но мельчайшие крупинки силикатов присутствуют в воде в качестве взвеси. Что и позволяет радиоляриям и некоторым губкам обзаводиться вычурными кремниевыми скелетами

На первой взгляд, у жизни на основе кремния есть несколько преимуществ. Кремний более распространён, чем углерод. Кроме того, силаны — полимерные цепочки из водорода и кремния — более устойчивы к высокой температуре, чем углеводороды. Но далее начинаются затруднения. Увы, но жизни на основе кремния попросту не из чего возникнуть.

Как отмечалось выше, на самом раннем этапе автокаталитическая молекула должна синтезировать свои копии из уже готовых материалов. Вот только «комплектующие» для углеродной жизни распространены повсеместно — аминокислоты, например, обнаружены даже в межгалактическом пространстве. Кремневодороды же слишком неустойчивы химически и в природе встречаются крайне редко. Трудно себе представить естественные условия, в которых они могли бы накопиться в достаточном количестве, чтобы образовать питательную среду для первого «существа-вещества».

Перейдя же к синтезу, кремниевая бактерия столкнётся с новыми проблемами. Место углекислого газа в её метаболизме должен занять диоксид кремния — вещество, составляющее основную массу коры у планет земного типа, но не летучее и не растворимое в воде. Устойчивость к высоким температурам, в принципе, позволит «силикоидам» плавать в магме, поглощая диоксид кремния в виде расплава. В жерлах вулканов нетрудно найти и второй необходимый для синтеза компонент — сероводород. Вот только сами озёра расплавленного камня встречаются нечасто и существуют недолго. А магма в мантии планеты будет слишком горяча.

Силикоиды в игре Master of Orion почему-то едят камень. Хотя в метаболизме живых организмов на основе кремния он соответствует углекислому газу и должен быть ядовитым для живых существ

Теоретически родным домом для силикоидов могли бы стать раскалённые миры, рассечённые реками лавы, текущими у подножия чёрных базальтовых скал. Но и на таких планетах кремнеорганическая жизнь не создаст великую цивилизацию, ибо сероводород редок, а переход к синтезу на основе воды будет невозможен. Вода не уживётся с магмой.

Остаются лишь труднопредставимые условия на поверхности силикатных ядер «горячих» планет-гигантов. Там расплавленный камень может соседствовать с богатой водородом атмосферой. В дефиците, однако, окажется энергия, необходимая для разложения весьма устойчивого диоксида кремния. Нужный для фотосинтеза свет не достигнет дна газового «океана». Для хемосинтеза же требуются химически активный окислитель. Нетрудно догадаться, что с ним случится в плотной атмосфере из раскалённого водорода.

Есть, впрочем, и ещё одно ограничение, делающее жизнь на основе кремния маловероятной. В любых, даже самых экзотических моделях живых существ биохимические реакции могут протекать лишь в жидкой среде. Более того, вещество, служащее основой силиконовой клетки, должно быть хорошим растворителем. Вода на горячих планетах превратится в пар. Альтернативный же растворитель — закипающая лишь при 200 градусах серная кислота — просто не настолько распространена в космосе, чтобы образовывать океаны.

В «Миллионе приключений» Булычёва Плутон населяют «снеговики». Они твёрдые, пока в тени, а выйдя на солнце, переходят в газообразную форму — и не поймаешь (рис. Е. Мигунова)

Интересные возможности открывает замена углерода комбинацией азота и фосфора. В этом случае для фотосинтеза растениям вместо воды и углекислоты понадобятся аммиак и фосфин (соединение фосфора и водорода). Жизнь на фосфор-азотной основе могла бы процветать в холодных мирах, подобных описанным в романе Пола Андерсона «Завоевать три мира» и рассказе Кира Булычёва «Снегурочка». Ведь аммиак замерзает лишь при температуре −78 градусов.

С точки зрения метаболизма «нитроиды» окажутся «существами навыворот». Земные растения синтезируют горючее — углеводороды, вырабатывая окислитель — кислород. При ледяном же синтезе лишним оказывается водород. Вдыхая это высокоэффективное горючее, нитрозвери должны будут извлекать из растительной пищи окислитель, возвращая растениям азот и фосфор.

Проблема здесь, собственно, в фосфине. В отличие от космически распространённых углекислоты, сероводорода, воды и аммиака, это вещество сравнительно редкое. Но в составе атмосфер на основе водорода фосфин вполне обычен. Для нитроидов подойдут лёгкие и холодные планеты-гиганты с твёрдым ядром и морями жидкого аммиака. А такие встречаются даже чаще планет земного типа.

Моря жидких газов некогда плескались, омывая скалистые берега из водяного льда, на Тритоне — спутнике планеты Нептун

Вот только органические вещества на основе азота и фосфора недостаточно стабильны. Но только в земных условиях. Надёжность химических связей увеличивается по мере падения температуры. А значит, «питательный бульон», необходимый для зарождения азотной жизни, вполне может накапливаться в аммиачных морях. После этого развитие «нитроидов» не встретит никаких серьёзных препятствий, помимо дефицита энергии. А энергии потребуется много, ведь холод затрудняет разборку фосфина и аммиака на необходимые для синтеза органики «детали». Вот только энергии в ледяном мире много не бывает, иначе он не был бы ледяным.

Свет для фотосинтеза азотные растения смогут найти лишь в верхних слоях атмосферы. Газообразная среда только кажется не слишком подходящей для жизни — даже на Земле бактерии в облаках процветают, довольствуясь капельной влагой. А значит, остаётся шанс обнаружить жизнь на основе азота даже в Солнечной системе. В газовой оболочке Юпитера, например, нет ничего такого, с чем микроорганизмы не смогли бы справиться. Планету окружает затянутый облаками водяного пара слой, в котором при давлении всего от трёх до семи атмосфер температура составляет +30 градусов Цельсия. Как и на молодой Земле, тут достаточно аммиака, метана, сероводорода и углекислоты. Присутствует и фосфин. «Комфортные» зоны есть также в тучах Сатурна, Урана и Нептуна.

Атмосфера Юпитера — не лучшее место для фотосинтеза. Солнечной энергии на единицу площади поступает в 30 раз меньше. Кроме того, свет почти не проникает сквозь верхний, состоящий из аммиачного льда слой облаков

Метаногенная жизнь

Из всех космических тел Солнечной системы больше всего на Землю похож спутник Сатурна Титан. По крайней мере, внешне. Не считая нашей планеты, только на Титане атмосфера состоит преимущественно из азота и только там плещутся незамерзающие моря. Правда, вместо воды в них жидкие газы — метан и этан.

Учёным не удалось пока придумать жизнь, способную существовать в столь суровых условиях. Да, этан вполне может заменить воду в качестве растворителя. Но слишком уж там холодно — замёрзнут даже азот-фосфорные существа, по жилам которых течёт жидкий аммиак. При такой температуре химические реакции крайне затруднены. И автокаталитическая молекула здесь будет не иметь с ДНК ничего общего.

Тем не менее именно на Титане обнаружены признаки жизни. Во всяком случае, на спутнике Сатурна протекают атмосферные процессы, объяснить которые может деятельность живых организмов. В нижних слоях атмосферы ледяного спутника обнаружился дефицит водорода и ацетилена, словно кто-то потребляет эти газы. Если гипотеза о биогенной природе недостачи водорода подтвердится, за обитающих на Титане бактерий останется лишь порадоваться. Ведь на Земле фотосинтезирующим организмам приходится разлагать исключительно стойкие вещества — углекислоту (для получения углерода) и воду (чтобы добыть водород). Жителям же этановых морей достаточно обогащать свободным водородом уже наличествующие углеводородные молекулы.

Так могла бы выглядеть посадка зонда «Гюйгенс» на Титан. Если бы её кто-нибудь наблюдал со спутника Сатурна

В рассуждениях об альтернативных формах жизни учёным приходится отталкиваться от хорошо зарекомендовавшей себя на нашей планете ДНК. Может ли что-нибудь сложное и автокаталитическое существовать на принципиально иной основе? Исключить такой вариант нельзя.

ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых, в свою очередь, входят углерод, водород, азот, кислород и фосфор. Первые два элемента основные. Водород заменять нечем, да и незачем. Если же заместить углерод кремнием или же вовсе исключить этот химический элемент из состава молекулы, как в случае ледяными существами, неизвестно, сохранит ли двойная спираль автокаталитические свойства. В теории должна, но проверке эта гипотеза пока не поддаётся.

Чужой, кровь которого разъедает металл, может быть «сероуглеродным» существом. Правда, в таком случае люди для него были бы не просто несъедобны, но и смертельно ядовиты

Зато с азотом, кислородом и фосфором можно обходиться как вздумается — основные свойства молекулы не меняются. Но тут уже не приходится говорить о настоящей небелковой жизни. Ведь углеводородная основа сохранена. Тем не менее результат при таком небольшом изменении может оказаться крайне неожиданным.

Лучше всего реальным условиям соответствует «альтернативная» жизнь, в органике которой кислород заменили на серу. Вроде бы мелочь, но в таком случае синтез становится возможным только при замене воды, превращающейся в смертельный яд, на серную кислоту! А это означает, что подходящие условия для гипотетических «сероуглеродных» бактерий можно найти на соседней к нам планете.

Именно из серной кислоты состоят облака на безводной Венере. На дополнительные мысли наводит и тот факт, что в процессе аноксигенного фотосинтеза «сероуглеродные» бактерии должны вместо водяного пара выделять сероводород. Это нестойкое соединение, быстро разрушающееся космическими излучениями. Но в атмосфере Венеры сероводород почему-то присутствует. Его запасы не могут пополняться за счёт извержений, так как недра лишённой массивного спутника планеты остыли и вулканизм давно прекратился. Не живые ли существа производят этот газ?.. Хотя, конечно же, сероводород в венерианских облаках может иметь и менее экзотическое происхождение.

Атмосфера Венеры в сотню раз плотнее земной, и небольшой пузырь с водородом или метаном позволит растению парить на нужной высоте

Некросфера

Не все обитатели фантастических миров согласятся с тем, что жизнь — явление химическое. У классиков фантастики — например, Станислава Лема (рассказ «Правда») или Артура Кларка (роман «Из солнечного чрева») — упоминаются существа, состоящие даже из магнитных полей и раскалённой плазмы. В романе у того же Лема «Непобедимый» земляне попадают на планету, населённую одичавшими и деградировавшими машинами. Лем описывает и Солярис — мыслящий океан, ничего, насколько можно судить, не выделяющий и не потребляющий. В романе «Чёрное облако» Фреда Хойла признаки жизни начинает проявлять дрейфующее в космосе облако газа.

Общая черта всех «нехимических» чудовищ — их загадочное и, скорее всего, искусственное происхождение. Наделённое разумом существо не появится случайно. Сложное должно образоваться из простого. А единственный известный науке путь развития от простого к сложному — эволюция. Но непонятно, что будет носителем наследственности в сгустке плазмы и каким образом облако газа или океан могут быть подвержены мутациям и естественному отбору.

* * *

Как далеко может продвинуться эволюция «альтернативной» жизни? Разумеется, облака Венеры — куда худшее пристанище для растений, чем суша и океаны Земли. Но в капельках серной кислоты бактериям будет раздолье. Света достаточно, ведь Солнце в полтора раза ближе, чем на Земле. А сырьём для фотосинтеза служат сама кислота и углекислый газ, из которого атмосфера Венеры состоит почти целиком.

Другой вопрос, что основанный на сере метаболизм делает невозможным и ненужным фотосинтез с выделением кислорода. Анаэробное же дыхание не обеспечит достаточной энергии для движения. А значит, крупные и подвижные хищники вряд ли когда-либо атакуют земные зонды в атмосфере Венеры.

То же касается и атмосферы Юпитера, и этановых морей Титана. Фантасту, конечно, ничто не помешает населить бурые тучи планет-гигантов летающими китами. Но в реальности полёт в атмосфере Юпитера невозможен: гравитация слишком велика. Жизнь может зародиться в самых неожиданных местах, но ей предстоит пройти немало трудностей, чтобы породить что-то сложнее бактерий.

Что почитать?

• Пол Андерсон «Завоевать три мира»
• Кир Булычёв «Снегурочка»
• Алексей Днепров «Глиняный бог»
• Артур Конан Дойл «Когда Земля вскрикнула»
• Артур Кларк «Из солнечного чрева»
• Алексей Константинов «Контакт на Ленжевене»
• Станислав Лем «Непобедимый»
• Майкл Крайтон «Штамм «Андромеда»
• Алексей Толстой «Аэлита»
• Герберт Уэллс «Война миров»
• Фред Хойл «Чёрное облако»

Во что поиграть?

ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ – раздел химической науки, изучающий углеводороды – вещества, содержащие углерод и водород, а также различные производные этих соединений, включающие атомы кислорода, азота и галогенов. Все такие соединения называют органическими.

Органическая химия возникла в процессе изучения тех веществ, которые добывались из растительных и животных организмов, состоящих в основной своей массе из органических соединений. Именно это определило чисто историческое название таких соединений (организм – органический). Некоторые технологии органической химии возникли еще в глубокой древности, например, спиртовое и уксуснокислое брожение, использование органических красителей индиго и ализарина, процессы дубления кожи и др. В течение долгого времени химики умели лишь выделять и анализировать органические соединения, но не могли получать их искусственно, в результате чего возникло убеждение, что органические соединения могут быть получены только с помощью живых организмов.

Начиная со второй половины 19 в. методы органического синтеза стали интенсивно развиваться, что позволило постепенно преодолеть устоявшееся заблуждение. Впервые синтез органических соединений в лаборатории удалось осуществить Фридриху Велеру (в период 1824–1828), при гидролизе дициана он получил щавелевую кислоту, выделяемую до этого из растений, а при нагревании циановокислого аммония за счет перестройки молекулы (см. ИЗОМЕРИЯ) получил мочевину – продукт жизнедеятельности живых организмов (рис. 1. Первые синтезы органических соединений).

Сейчас многие из соединений, присутствующих в живых организмах, можно получить в лаборатории, кроме того, химики постоянно получают органические соединения, не встречающиеся в живой природе.

Становление органической химии как самостоятельной науки произошло в середине 19 в., когда благодаря усилиям ученых-химиков, стали формироваться представления о строении органических соединений. Наиболее заметную роль сыграли работы Э.Франкланда (определил понятие валентности), Ф.Кекуле (установил четырехвалентность углерода и строение бензола), А. Купера (предложил используемый и поныне символ валентной черты, соединяющей атомы при изображении структурных формул), А.М.Бутлерова (создал теорию химического строения, в основе которой лежит положение, согласно которому свойства соединения определяются не только его составом, но и тем, в каком порядке соединены атомы).

Следующий важный этап в развитии органической химии связан с работами Я.Вант-Гоффа, который изменил сам способ мышления химиков, предложив перейти от плоского изображения структурных формул к пространственному расположению атомов в молекуле, в итоге химики стали рассматривать молекулы как объемные тела.

Представления о природе химической связи в органических соединениях впервые сформулировал Г.Льюис, предположивший, что атомы в молекуле связаны с помощью электронов: пара обобщенных электронов создает простую связь, а две или три пары образуют, соответственно, двойную и тройную связь. Рассматривая распределение электронной плотности в молекулах (например, ее смещение под влиянием электроотрицательных атомов O, Cl и др.) химики смогли объяснить реакционную способность многих соединений, т.е. возможность их участия в тех или иных реакциях.

Учет свойств электрона, определяемых квантовой механикой, привел к развитию квантовой химии, использующей представления о молекулярных орбиталях. Сейчас квантовая химия, показавшая на многих примерах свою предсказательную силу, успешно сотрудничает с экспериментальной органической химией.

Небольшую группу соединений углерода не относят к органическим: угольная кислота и ее соли (карбонаты), цианистоводородная кислота HCN и ее соли (цианиды), карбиды металлов и некоторые другие соединения углерода, которые изучает неорганическая химия.

Главная особенность органической химии – исключительное разнообразие соединений, которое возникло из-за способности атомов углерода соединяться друг с другом в практически неограниченном количестве, образуя молекулы в виде цепочек и циклов. Еще большее разнообразие достигается за счет включения между атомами углерода атомов кислорода, азота и др. Явление изомерии, благодаря которому молекулы, обладающие одинаковым составом, могут иметь различное строение, дополнительно увеличивает многообразие органических соединений. Сейчас известно свыше 10 млн. органических соединений, причем их количество ежегодно увеличивается на 200–300 тысяч.

Классификация органических соединений.

В качестве основы при классификации приняты углеводороды, их считают базовыми соединениями в органической химии. Все остальные органические соединения рассматривают как их производные.

При систематизации углеводородов принимают во внимание строение углеродного скелета и тип связей, соединяющих атомы углерода.

I. АЛИФАТИЧЕСКИЕ (aleiphatos. греч. масло) углеводороды представляют собой линейные или разветвленные цепочки и не содержат циклических фрагментов, они образуют две крупные группы.

1. Предельные или насыщенные углеводороды (названы так потому, что не способны что-либо присоединять) представляют собой цепочки атомов углерода, соединенных простыми связями и окруженных атомами водорода (рис. 1). В том случае, когда цепочка имеет разветвления, к названию добавляют приставку изо. Простейший насыщенный углеводород – метан, с него начинается ряд этих соединений.

Рис. 2. НАСЫЩЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

Основные источники насыщенных углеводородов – нефть и природный газ. Реакционная способность насыщенных углеводородов очень низкая, они могут реагировать только с наиболее агрессивными веществами, например, с галогенами или с азотной кислотой. При нагревании насыщенных углеводородов выше 450 С° без доступа воздуха разрываются связи С-С и образуются соединения с укороченной углеродной цепью. Высокотемпературное воздействие в присутствии кислорода приводит к их полному сгоранию до СО₂ и воды, что позволяет эффективно использовать их в качестве газообразного (метан – пропан) или жидкого моторного топлива (октан).

При замещении одного или нескольких атомов водорода какой-либо функциональной (т.е. способной к последующим превращениям) группой образуются соответствующие производные углеводородов. Соединения, содержащие группировку С-ОН, называют спиртами, НС=О – альдегидами, СООН – карбоновыми кислотами (слово «карбоновая» добавляют для того, чтобы отличить их от обычных минеральных кислот, например, соляной или серной). Соединение может содержать одновременно различные функциональные группы, например, СООН и NH₂, такие соединения называют аминокислотами. Введение в состав углеводорода галогенов или нитрогрупп приводит соответственно к галоген- или нитропроизводным (рис. 3).

Рис. 4. ПРИМЕРЫ НАСЫЩЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ с функциональными группами

Все показанные производные углеводородов образуют крупные группы органических соединений: спирты, альдегиды, кислоты, галогенпроизводные и т.д. Поскольку углеводородная часть молекулы имеет очень низкую реакционную способность, химическое поведение таких соединений определяется химическими свойствами функциональных групп –ОН, -СООН, -Cl, -NO₂ и др..

2. Ненасыщенные углеводороды имеют те же варианты строения основной цепи, что и насыщенные, но содержат двойные или тройные связи между атомами углерода (рис. 6). Простейший ненасыщенный углеводород – этилен.

Рис. 6. НЕНАСЫЩЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

Наиболее характерно для ненасыщенных углеводородов присоединение по кратной связи (рис. 8), что позволяет синтезировать на их основе разнообразные органические соединения.

Рис. 8. ПРИСОЕДИНЕНИЕ РЕАГЕНТОВ к ненасыщенным соединениям по кратной связи

Другое важное свойство соединений с двойными связями — их способность полимеризоваться (рис. 9.), двойные связи при этом раскрываются, в результате образуются длинные углеводородные цепи.

Рис. 9. ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ ЭТИЛЕНА

Введение в состав ненасыщенных углеводородов упомянутых ранее функциональных групп так же, как и в случае насыщенных углеводородов, приводит к соответствующим производным, которые также образуют крупные группы соответствующих органических соединений – ненасыщенные спирты, альдегиды и т.д. (рис. 10).

Рис. 10. НЕНАСЫЩЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ с функциональными группами

Для показанных соединений приведены упрощенные названия, точное положение в молекуле кратных связей и функциональных групп указывают в названии соединения, которое составляют по специально разработанным правилам.

Химическое поведение таких соединений определяется как свойствами кратных связей, так и свойствами функциональных групп.

II. КАРБОЦИКЛИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ содержат циклические фрагменты, образованные только атомами углерода. Они образуют две крупные группы.

1. Алициклические (т.е. и алифатические и циклические одновременно) углеводороды. В этих соединениях циклические фрагменты могут содержать как простые, так и кратные связи, кроме того, соединения могут содержать несколько циклических фрагментов, к названию этих соединений добавляют приставку «цикло», простейшее алициклическое соединение – циклопропан (рис. 12).

Рис. 12. АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

Помимо показанных выше существуют иные варианты соединения циклических фрагментов, например, они могут иметь один общий атом, (так называемые, спироциклические соединения), либо соединяться таким образом, чтобы два или более атомов были общими для обоих циклов (бициклические соединения), при объединении трех и более циклов возможно также образование углеводородных каркасов (рис. 14).

Рис. 14. ВАРИАНТЫ СОЕДИНЕНИЯ ЦИКЛОВ в алициклических соединениях: спироциклы, бициклы и каркасы. В названии спиро- и бициклических соединений указывают тот алифатический углеводород, который содержит такое же общее число атомов углерода, например, в показанном на рисунке спироцикле содержится восемь атомов углерода, поэтому его название построено на основе слова «октан». В адамантане атомы расположены так же, как в кристаллической решетке алмаза, что определило его название (греч. adamantos – алмаз)

Многие моно- и бициклические алициклические углеводороды, а также производные адамантана входят в состав нефти, их обобщенное название – нафтены.

По химическим свойствам алициклические углеводороды близки соответствующим алифатическим соединениям, однако, у них появляется дополнительное свойство, связанное с их циклическим строением: небольшие циклы (3–6-членные) способны раскрываться, присоединяя некоторые реагенты (рис. 15).

Рис. 15. РЕАКЦИИ АЛИЦИКЛИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ, протекающие с раскрытием цикла

Введение в состав алициклических углеводородов различных функциональных групп приводит к соответствующим производным – спиртам, кетонам и т.п. (рис. 16).

Рис. 16. АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ с функциональными группами

2. Вторую крупную группу карбоциклических соединений образуют ароматические углеводороды бензольного типа, т.е содержащие в своем составе один или несколько бензольных циклов (существуют также ароматические соединения небензольного типа (см. АРОМАТИЧНОСТЬ). При этом они могут также содержать фрагменты насыщенных или ненасыщенных углеводородных цепей (рис. 18).

Рис. 18. АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ.

Существуют группа соединений, в которых бензольные кольца как бы спаяны между собой, это так называемые конденсированные ароматические соединения (Рис. 20).

Рис. 20. КОНДЕНСИРОВАННЫЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Многие ароматические соединения, в том числе и конденсированные (нафталин и его производные) входят в состав нефти, второй источник этих соединений – каменноугольная смола.

Для бензольных циклов не характерны реакции присоединения, которые проходят с большим трудом и в жестких условиях, наиболее типичны для них реакции замещения атомов водорода (рис.21).

Рис. 21. РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ атомов водорода в ароматическом ядре.

Помимо функциональных групп (галогена, нитро- и ацетильной группы), присоединенных к бензольному ядру (рис. 21), можно также ввести иные группы, в результате получаются соответствующе производные ароматических соединений (рис. 22), образующие крупные классы органических соединений – фенолы, ароматические амины и др.

Рис. 22. АРОМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ с функциональными группами. Соединения, в которых neгруппа -ОН соединена с атомом углерода в ароматическом ядре, называют фенолами, в отличие от алифатических соединений, где такие соединения называют спиртами.

III. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ содержат в составе цикла (помимо атомов углерода) различные гетероатомы: O, N, S. Циклы могут быть различного размера, содержать как простые, так и кратные связи, а также присоединенные к гетероциклу углеводородные заместители. Существуют варианты, когда гетероцикл «спаян» с бензольным ядром (рис. 24).

Рис. 24. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ. Их названия сложились исторически, например, фуран получил название от фуранового альдегида – фурфурола, получаемого из отрубей (лат. furfur – отруби). Для всех показанных соединений реакции присоединения затруднены, а реакции замещения проходят достаточно легко. Таким образом, это ароматические соединения небензольного типа.

Разнообразие соединений этого класса увеличивается дополнительно за счет того, что гетероцикл может содержать два и более гетероатомов в цикле (рис. 26).

Рис. 26. ГЕТЕРОЦИКЛЫ с двумя и более гетероатомами.

Точно так же, как и рассмотренные ранее алифатические, алициклические и ароматические углеводороды, гетероциклы могут содержать в своем составе различные функциональные группы (-ОН, -СООН, -NH₂ и др.), причем гетероатом в цикле в некоторых случаях также можно рассматривать как функциональную группу, поскольку он способен принимать участие в соответствующих превращениях (рис. 27).

Рис. 27. ГЕТЕРОАТОМ N в роли функциональной группы. В названии последнего соединения буква «N» указывает, к какому атому присоединена метильная группа.

Реакции органической химии.

В отличие от реакций неорганической химии, где с высокой скоростью (иногда мгновенно) взаимодействуют ионы, в реакциях органических соединений обычно участвуют молекулы, содержащие ковалентные связи. В результате все взаимодействия протекают гораздо медленнее, чем в случае ионных соединений (иногда десятки часов), часто при повышенной температуре и в присутствии ускоряющих процесс веществ – катализаторов. Многие реакции протекают через промежуточные стадии или в нескольких параллельных направлениях, что приводит к заметному снижению выхода нужного соединения. Поэтому при описании реакций вместо уравнений с числовыми коэффициентами (что традиционно принято в неорганической химии) часто используют схемы реакций без указания стехиометрических соотношений.

Название крупных классов органических реакций часто связывают с химической природой действующего реагента или с типом вводимой в соединение органической группы:

а) галогенирование – введение атома галогена (рис. 8, первая схема реакции),

б) гидрохлорирование, т.е. воздействие HCl (рис. 8, вторая схема реакции)

в) нитрование – введение нитрогруппы NO₂ (рис. 21, второе направление реакции)

г) металлирование – введение атома металла (рис. 27, первая стадия)

а) алкилирование – введение алкильной группы (рис. 27, вторая стадия)

б) ацилирование – введение ацильной группы RC(O)- (рис. 27, вторая стадия)

Иногда название реакции указывает на особенности перестройки молекулы, например, циклизация – образование цикла, дециклизация – раскрытие цикла (рис.15).

Крупный класс образуют реакции конденсации (лат. condensatio – уплотнение, сгущение), при которых происходит формирование новых связей С-С с одновременным образованием легко удаляемых неорганических или органических соединений. Конденсацию, сопровождаемую выделением воды, называют дегидратацией. Конденсационные процессы могут также проходить внутримолекулярно, то есть, в пределах одной молекулы (рис. 28).

Рис. 28. РЕАКЦИИ КОНДЕНСАЦИИ

В конденсации бензола (рис. 28) роль функциональных групп выполняют фрагменты С-Н.

Классификация органических реакций не имеет строгого характера, например, показанную на рис. 28 внутримолекулярную конденсацию малеиновой кислоты можно также отнести к реакциям циклизации, а конденсацию бензола – к дегидрированию.

Существуют внутримолекулярные реакции, несколько отличающиеся от конденсационных процессов, когда фрагмент (молекула) отщепляется в виде легко удаляемого соединения без очевидного участия функциональных групп. Такие реакции называют элиминированием (лат. eliminare – изгонять), при этом образуются новые связи (рис. 29).

Рис. 29. РЕАКЦИИ ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

Возможны варианты, когда совместно реализуются несколько типов превращений, что показано далее на примере соединения, в котором при нагревании протекают разнотипные процессы. При термической конденсации слизевой кислоты (рис. 30) проходит внутримолекулярная дегидратация и последующее элиминирование СО₂.

Рис. 30. ПРЕВРАЩЕНИЕ СЛИЗЕВОЙ КИСЛОТЫ (получаемой из желудевого сиропа) в пирослизевую кислоту, названную так потому, что получают ее нагреванием слизевой. Пирослизевая кислота представляет собой гетероциклическое соединение – фуран с присоединенной функциональной (карбоксильной) группой. В процессе реакции разрываются связи С-О, С-Н и образуются новые связи С-Н и С-С.

Существуют реакции, при которых происходит перестраивание молекулы без изменения состава (см. ИЗОМЕРИЗАЦИЯ).

Методы исследования в органической химии.

Современная органическая химия помимо элементного анализа использует многие физические методы исследования. Сложнейшие смеси веществ разделяют на составляющие компоненты с помощью хроматографии, основанной на перемещении растворов или паров веществ через слой сорбента. Инфракрасная спектроскопия – пропускание инфракрасных (тепловых) лучей через раствор или сквозь тонкий слой вещества – позволяет установить наличие в веществе определенных фрагментов молекулы, например, групп С₆Н₅, С=О, NH₂ и др.

Ультрафиолетовая спектроскопия, называемая также электронной, несет информацию об электронном состоянии молекулы, она чувствительна к присутствию в веществе кратных связей и ароматических фрагментов. Анализ кристаллических веществ с помощью лучей рентгеновского диапазона (рентгеноструктурный анализ) дает объемную картину расположения атомов в молекуле, подобную тем, что показаны на приведенных выше анимированных рисунках, иными словами, позволяет как бы увидеть строение молекулы своими глазами.

Спектральный метод – ядерный магнитный резонанс, основанный на резонансном взаимодействии магнитных моментов ядер с внешним магнитным полем, дает возможность различить атомы одного элемента, например, водорода, расположенные в различных фрагментах молекулы (в углеводородном скелете, в гидроксильной, карбоксильной или аминогруппе), а также определить их количественное соотношение. Подобный анализ возможен также для ядер С, N, F и др. Все эти современные физические методы привели к интенсивным исследованиям в органической химии – стало возможным быстро решать те задачи, на которые ранее уходили долгие годы.

Некоторые разделы органической химии выделились в крупные самостоятельные области, например, химия природных веществ, лекарственных препаратов, красителей, химия полимеров. В середине 20 в. химия элементоорганических соединений стала развиваться как самостоятельная дисциплина, которая изучает вещества, содержащие связь С-Э, где символ Э обозначает любой элемент(кроме углерода, водорода, кислорода, азота и галогенов). Велики успехи биохимии, изучающей синтез и превращения органических веществ, происходящие в живых организмах. Развитие всех этих областей основано на общих законах органической химии.

Современный промышленный органический синтез включат в себя широкий набор различных процессов – это, прежде всего, крупнотоннажные производства – переработка нефти, газа и получение моторных топлив, растворителей, теплоносителей, смазочных масел, кроме того, синтез полимеров, синтетических волокон, разнообразных смол для покрытий, клеев и эмалей. К малотоннажным производствам относят получение лекарственных препаратов, витаминов, красителей, пищевых добавок и душистых веществ.

Михаил Левицкий

Углерод | Безграничная биология

Химическая основа жизни

Углерод — самый важный элемент для живых существ, потому что он может образовывать множество различных видов связей и образовывать важные соединения.

Цели обучения

Объясните свойства углерода, которые позволяют ему служить строительным блоком для биомолекул

Основные выводы

Ключевые моменты

• Все живые существа содержат углерод в той или иной форме.
• Углерод является основным компонентом макромолекул, включая белки, липиды, нуклеиновые кислоты и углеводы.
• Молекулярная структура углерода позволяет ему связываться множеством различных способов и со многими различными элементами.
• Углеродный цикл показывает, как углерод перемещается через живые и неживые части окружающей среды.

Ключевые термины

• правило октетов : Правило, согласно которому атомы теряют, приобретают или делятся электронами, чтобы иметь полную валентную оболочку из 8 электронов (есть некоторые исключения).
• углеродный цикл : физический цикл углерода в биосфере, геосфере, гидросфере и атмосфере Земли; включает такие процессы, как фотосинтез, разложение, дыхание и карбонизация
• макромолекула : очень большая молекула, особенно используемая в отношении крупных биологических полимеров (например, нуклеиновых кислот и белков)

Углерод — четвертый по распространенности элемент во Вселенной и строительный блок жизни на Земле.На Земле углерод циркулирует по суше, океану и атмосфере, создавая так называемый углеродный цикл. Этот глобальный углеродный цикл можно разделить на два отдельных цикла: геологические углеродные циклы протекают в течение миллионов лет, тогда как биологический или физический углеродный цикл длится от нескольких дней до тысяч лет. В неживой окружающей среде углерод может существовать в виде двуокиси углерода (CO ₂ ), карбонатных пород, угля, нефти, природного газа и мертвого органического вещества.Растения и водоросли превращают углекислый газ в органическое вещество в процессе фотосинтеза, энергии света.

Углерод присутствует во всем живом. : Все живые существа содержат углерод в той или иной форме, и углерод является основным компонентом макромолекул, включая белки, липиды, нуклеиновые кислоты и углеводы. В этом листе углерод присутствует во многих формах, в том числе в целлюлозе, формирующей структуру листа, и в хлорофилле, пигменте, который делает лист зеленым.

Углерод важен для жизни

В процессе метаболизма пищи и дыхания животное потребляет глюкозу (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), которая соединяется с кислородом (O ₂ ) с образованием углекислого газа (CO ₂ ), воды. (H ₂ O) и энергия, которая выделяется в виде тепла.Животное не нуждается в углекислом газе и выбрасывает его в атмосферу. С другой стороны, растение использует реакцию, противоположную реакции животного, посредством фотосинтеза. Он потребляет углекислый газ, воду и энергию солнечного света для производства собственной глюкозы и газообразного кислорода. Глюкоза используется для получения химической энергии, которую растение метаболизирует аналогично животному. Затем растение выбрасывает оставшийся кислород в окружающую среду.

Клетки состоят из множества сложных молекул, называемых макромолекулами, которые включают белки, нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), углеводы и липиды.Макромолекулы — это подмножество органических молекул (любой углеродсодержащей жидкости, твердого вещества или газа), которые особенно важны для жизни. Основным компонентом всех этих макромолекул является углерод. Атом углерода обладает уникальными свойствами, которые позволяют ему образовывать ковалентные связи с четырьмя различными атомами, что делает этот универсальный элемент идеальным для использования в качестве основного структурного компонента или «скелета» макромолекул.

Структура углерода

Отдельные атомы углерода имеют неполную внешнюю электронную оболочку.С атомным номером 6 (шесть электронов и шесть протонов) первые два электрона заполняют внутреннюю оболочку, оставляя четыре во второй оболочке. Следовательно, атомы углерода могут образовывать четыре ковалентные связи с другими атомами, чтобы удовлетворить правилу октетов. Например, молекула метана имеет химическую формулу CH ₄ . Каждый из четырех его атомов водорода образует одну ковалентную связь с атомом углерода, разделяя пару электронов. Это приводит к заполнению самой внешней оболочки.

Структура метана : Метан имеет тетраэдрическую геометрию, в которой каждый из четырех атомов водорода расположен на расстоянии 109.5 ° друг от друга.

Углеводороды

Углеводороды — важные молекулы, которые могут образовывать цепи и кольца из-за структуры связей атомов углерода.

Цели обучения

Обсудить роль углеводородов в биомакромолекулах

Основные выводы

Ключевые моменты

• Углеводороды — это молекулы, содержащие только углерод и водород.
• Благодаря уникальной структуре связей углерода, углеводороды могут иметь одинарные, двойные или тройные связи между атомами углерода.
• Имена углеводородов с одинарными связями оканчиваются на «-ан», с двойными связями заканчиваются на «-ен», а названия углеводородов с тройными связями заканчиваются на «-ин».
• Соединение углеводородов позволяет им образовывать кольца или цепочки.

Ключевые термины

• ковалентная связь : Тип химической связи, при которой два атома соединяются друг с другом за счет совместного использования двух или более электронов.
• алифатические : из класса органических соединений, в которых атомы углерода расположены в разомкнутой цепи.
• ароматический : Имеющий замкнутое кольцо чередующихся одинарных и двойных связей с делокализованными электронами.

Углеводороды

Углеводороды — это органические молекулы, полностью состоящие из углерода и водорода, такие как метан (CH ₄ ). В качестве топлива часто используются углеводороды: пропан в газовом гриле или бутан в зажигалке. Многие ковалентные связи между атомами в углеводородах хранят большое количество энергии, которая высвобождается, когда эти молекулы сгорают (окисляются).Метан, отличное топливо, представляет собой простейшую молекулу углеводорода с центральным атомом углерода, связанным с четырьмя различными атомами водорода. Геометрия молекулы метана, в которой атомы находятся в трех измерениях, определяется формой ее электронных орбиталей. Углерод и четыре атома водорода образуют форму, известную как тетраэдр, с четырьмя треугольными гранями; по этой причине метан описывается как имеющий тетраэдрическую геометрию.

Метан : Метан имеет тетраэдрическую геометрию, в которой каждый из четырех атомов водорода расположен на расстоянии 109.5 ° друг от друга.

В качестве основы больших молекул живых существ углеводороды могут существовать в виде линейных углеродных цепей, углеродных колец или их комбинаций. Кроме того, отдельные углерод-углеродные связи могут быть одинарными, двойными или тройными ковалентными связями; каждый тип связи определенным образом влияет на геометрию молекулы. Эта трехмерная форма или конформация больших молекул жизни (макромолекул) имеет решающее значение для того, как они функционируют.

Цепи углеводородов

Углеводородные цепи образованы последовательными связями между атомами углерода и могут быть разветвленными или неразветвленными.Общая геометрия молекулы изменяется из-за разной геометрии одинарных, двойных и тройных ковалентных связей. Углеводороды этан, этен и этин служат примерами того, как различные углерод-углеродные связи влияют на геометрию молекулы. Имена всех трех молекул начинаются с префикса «eth-», который является префиксом для двух углеродных углеводородов. Суффиксы «-ан», «-ен» и «-ин» относятся к наличию одинарных, двойных или тройных углерод-углеродных связей соответственно. Таким образом, пропан, пропен и пропин следуют той же схеме с тремя молекулами углерода, бутаном, бутеном и бутином для четырех молекул углерода и так далее.Двойные и тройные связи изменяют геометрию молекулы: одинарные связи допускают вращение вдоль оси связи, тогда как двойные связи приводят к плоской конфигурации, а тройные связи — к линейной. Эта геометрия оказывает значительное влияние на форму, которую может принять конкретная молекула.

Углеводородные цепи : когда углерод образует одинарные связи с другими атомами, форма является тетраэдрической. Когда два атома углерода образуют двойную связь, форма плоская или плоская. Одинарные связи, такие как в этане, способны вращаться.Двойные связи, подобные тем, которые обнаружены в этене, не могут вращаться, поэтому атомы с обеих сторон заблокированы на месте.

Кольца углеводородов

Обсуждаемые до сих пор углеводороды были алифатическими углеводородами, которые состоят из линейных цепочек атомов углерода. Другой тип углеводородов, ароматические углеводороды, состоит из замкнутых колец атомов углерода. Кольцевые структуры встречаются в углеводородах, иногда с наличием двойных связей, что можно увидеть, сравнив структуру циклогексана с бензолом.Бензольное кольцо присутствует во многих биологических молекулах, включая некоторые аминокислоты и большинство стероидов, включая холестерин и гормоны эстроген и тестостерон. Бензольное кольцо также присутствует в гербициде 2,4-Д. Бензол является естественным компонентом сырой нефти и классифицируется как канцероген. Некоторые углеводороды имеют как алифатические, так и ароматические части; бета-каротин является примером такого углеводорода.

Углеводородные кольца : Углерод может образовывать пяти- и шестичленные кольца.Одинарные или двойные связи могут соединять атомы углерода в кольце, и атом углерода может замещаться азотом.

Органические изомеры

Изомеры — это молекулы с одинаковой химической формулой, но с разной структурой, что создает разные свойства в молекулах.

Цели обучения

Приведите примеры изомеров

Основные выводы

Ключевые моменты

• Изомеры — это молекулы с одинаковой химической формулой, но разные структуры.
• Изомеры различаются по расположению их связей с окружающими атомами.
• Когда атомы углерода связаны на одной стороне двойной связи, это цис-конфигурация; если они находятся на противоположных сторонах двойной связи, это транс-конфигурация.
• Триглицериды, которые имеют цис- и транс-конфигурации, могут быть насыщенными или ненасыщенными, в зависимости от того, сколько атомов водорода они к ним присоединены.

Ключевые термины

• жирная кислота : Любая из класса алифатических карбоновых кислот общей формулы Cnh3n + 1COOH, которые встречаются в сочетании с глицерином в виде животных или растительных масел и жиров.
• изомер : Любое из двух или более соединений с одинаковой молекулярной формулой, но с разной структурой.

Трехмерное размещение атомов и химических связей в органических молекулах имеет ключевое значение для понимания их химии. Молекулы, которые имеют одну и ту же химическую формулу, но различаются расположением (структурой) их атомов и / или химическими связями, известны как изомеры.

Структурные изомеры

Структурные изомеры (такие как бутан и изобутан) различаются расположением их ковалентных связей.Обе молекулы имеют четыре атома углерода и десять атомов водорода (C ₄ H ₁₀ ), но различное расположение атомов внутри молекул приводит к различиям в их химических свойствах. Например, из-за различных химических свойств бутан подходит для использования в качестве топлива для зажигалок и горелок, тогда как изобутан подходит для использования в качестве хладагента и пропеллента в аэрозольных баллончиках.

Геометрические изомеры

Геометрические изомеры, с другой стороны, имеют схожее расположение своих ковалентных связей, но различаются тем, как эти связи образуются с окружающими атомами, особенно в двойных связях углерод-углерод.В простой молекуле бутена (C ₄ H ₈ ) две метильные группы (CH ₃ ) могут находиться по обе стороны от двойной ковалентной связи, центральной по отношению к молекуле. Когда атомы углерода связаны с одной и той же стороной двойной связи, это цис-конфигурация; если они находятся на противоположных сторонах двойной связи, это транс-конфигурация. В транс-конфигурации атомы углерода образуют более или менее линейную структуру, тогда как атомы углерода в цис-конфигурации изгибают (меняют направление) углеродного скелета.

Изомеры : Молекулы, которые имеют одинаковое количество и тип атомов, расположенных по-разному, называются изомерами. (а) Структурные изомеры имеют другое ковалентное расположение атомов. (б) Геометрические изомеры имеют различное расположение атомов вокруг двойной связи. (c) Энантиомеры являются зеркальным отображением друг друга.

Конфигурации Cis или Trans

Цис- и трансжирные кислоты : Эти модели, заполняющие пространство, показывают цис (олеиновая кислота) и транс (элиадиновая кислота) жирные кислоты.Обратите внимание на изгиб молекулы, вызванный цис-конфигурацией.

В триглицеридах (жирах и маслах) длинные углеродные цепи, известные как жирные кислоты, могут содержать двойные связи, которые могут иметь цис- или транс-конфигурацию. Жиры с хотя бы одной двойной связью между атомами углерода являются ненасыщенными жирами. Когда некоторые из этих связей находятся в цис-конфигурации, возникающий в результате изгиб углеродного скелета цепи означает, что молекулы триглицеридов не могут плотно упаковываться, поэтому они остаются жидкими (масло) при комнатной температуре.С другой стороны, триглицериды с двойными транс-связями (обычно называемые транс-жирами) содержат относительно линейные жирные кислоты, которые способны плотно упаковываться вместе при комнатной температуре и образовывать твердые жиры.

В рационе человека трансжиры связаны с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний, поэтому многие производители пищевых продуктов в последние годы сократили или прекратили их использование. В отличие от ненасыщенных жиров, триглицериды без двойных связей между атомами углерода называются насыщенными жирами, что означает, что они содержат все доступные атомы водорода.Насыщенные жиры являются твердыми при комнатной температуре и обычно имеют животное происхождение.

Органические энантиомеры

Энантиомеры имеют одинаковую химическую структуру и связи, но различаются расположением атомов, так что они являются зеркальным отображением друг друга.

Цели обучения

Приведите примеры энантиомеров

Основные выводы

Ключевые моменты

• Энантиомеры — это стереоизомеры, тип изомеров, в которых порядок атомов в двух молекулах одинаков, но их расположение в пространстве отличается.
• Многие молекулы в телах живых существ являются энантиомерами; иногда существует большая разница в действии двух энантиомеров на организмы.
• Соединения Enantiopure относятся к образцам, имеющим в пределах обнаружения молекулы только одной хиральности.
• Соединения, которые являются энантиомерами друг друга, имеют одинаковые физические свойства, за исключением направления, в котором они вращают поляризованный свет, и того, как они взаимодействуют с различными оптическими изомерами других соединений.

Ключевые термины

• энантиомер : Один из пары стереоизомеров, который является зеркальным отображением другого, но не может быть наложен на этот другой стереоизомер.
• хиральность : явление в химии, физике и математике, в котором объекты являются зеркальным отображением друг друга, но не идентичны.
• стереоизомер : один из набора изомеров соединения, в котором атомы по-разному расположены вокруг хирального центра; они проявляют оптическую активность

Энантиомеры

Стереоизомеры — это тип изомеров, в которых порядок атомов в двух молекулах одинаков, но их расположение в пространстве отличается.Двумя основными типами стереоизомерии являются диастереомерия (включая «цис-транс-изомерия») и оптическая изомерия (также известная как «энантиомерия» и «хиральность»). Оптические изомеры представляют собой стереоизомеры, образующиеся при наличии асимметричных центров; например, углерод с четырьмя различными группами, связанными с ним. Энантиомеры — это два оптических изомера (т. Е. Изомеры, которые являются отражениями друг друга). Каждый стереоцентр в одном изомере имеет противоположную конфигурацию в другом. Они имеют одинаковую химическую структуру и химические связи, но различаются трехмерным расположением атомов, так что они являются зеркальным отображением, как левая и правая руки человека.Соединения, которые являются энантиомерами друг друга, имеют одинаковые физические свойства, за исключением направления, в котором они вращают поляризованный свет, и того, как они взаимодействуют с различными оптическими изомерами других соединений.

Аминокислота аланин является примером энтантиомера. Две структуры, D-аланин и L-аланин, несовместимы. В природе для производства белков используются только L-формы аминокислот. Некоторые D-формы аминокислот обнаруживаются в клеточных стенках бактерий, но никогда в их белках.Точно так же D-форма глюкозы является основным продуктом фотосинтеза, а L-форма молекулы редко встречается в природе.

Энантиомеры : D-аланин и L-аланин являются примерами энантиомеров или зеркальных отображений. Для производства белков используются только L-формы аминокислот.

Органические соединения, содержащие хиральный углерод, обычно имеют две не совмещаемые структуры. Эти две структуры являются зеркальным отображением друг друга и поэтому обычно называются энантиоморфами; следовательно, это структурное свойство теперь обычно называют энантиомерией.Соединения Enantiopure относятся к образцам, имеющим в пределах обнаружения молекулы только одной хиральности.

Энантиомеры друг друга часто показывают разные химические реакции с другими веществами, которые также являются энантиомерами. Поскольку многие молекулы в организме живых существ сами являются энантиомерами, иногда наблюдается заметное различие в действии двух энантиомеров на живые существа. В лекарствах, например, часто только один из энантиомеров лекарства отвечает за желаемые физиологические эффекты, в то время как другой энантиомер менее активен, неактивен или иногда даже отвечает за побочные эффекты.Благодаря этому открытию, лекарства, состоящие только из одного энантиомера («энантиопер»), могут быть разработаны для повышения фармакологической эффективности, а иногда и для устранения некоторых побочных эффектов.

Органические молекулы и функциональные группы

Функциональные группы — это группы молекул, прикрепленных к органическим молекулам и придающие им определенные свойства или функции.

Цели обучения

Опишите важность функциональных групп для органических молекул

Основные выводы

Ключевые моменты

• Функциональные группы — это совокупности атомов, которые прикрепляют углеродный скелет органической молекулы и придают определенные свойства.
• Каждый тип органической молекулы имеет свой особый тип функциональной группы.
• Функциональные группы в биологических молекулах играют важную роль в образовании таких молекул, как ДНК, белки, углеводы и липиды.
• Функциональные группы включают: гидроксил, метил, карбонил, карбоксил, амино, фосфат и сульфгидрил.

Ключевые термины

• гидрофобный : не имеет сродства к воде; не может впитаться или намокать водой
• гидрофильный : имеет сродство к воде; может впитывать или намокать водой

Расположение функциональных групп

Функциональные группы — это группы атомов, которые встречаются в органических молекулах и придают этим молекулам определенные химические свойства.Когда показаны функциональные группы, органическая молекула иногда обозначается как «R». Функциональные группы находятся вдоль «углеродного скелета» макромолекул, который образован цепями и / или кольцами атомов углерода с периодическим замещением таким элементом, как азот или кислород. Молекулы с другими элементами в углеродной основе являются замещенными углеводородами. Каждый из четырех типов макромолекул — белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот — имеет свой собственный характерный набор функциональных групп, который в значительной степени способствует его различным химическим свойствам и функциям в живых организмах.

Свойства функциональных групп

Функциональная группа может участвовать в определенных химических реакциях. Некоторые из важных функциональных групп в биологических молекулах включают: гидроксильные, метильные, карбонильные, карбоксильные, амино, фосфатные и сульфгидрильные группы. Эти группы играют важную роль в образовании таких молекул, как ДНК, белки, углеводы и липиды.

Классификация функциональных групп

Функциональные группы обычно классифицируются как гидрофобные или гидрофильные в зависимости от их заряда или полярности.Примером гидрофобной группы является неполярная молекула метана. Среди гидрофильных функциональных групп есть карбоксильная группа, содержащаяся в аминокислотах, некоторых боковых цепях аминокислот и головках жирных кислот, которые образуют триглицериды и фосфолипиды. Эта карбоксильная группа ионизируется, высвобождая ионы водорода (H ⁺ ) из группы COOH, в результате чего образуется отрицательно заряженная группа COO ^—; это способствует гидрофильности любой молекулы, на которой он находится. Другие функциональные группы, такие как карбонильная группа, имеют частично отрицательно заряженный атом кислорода, который может образовывать водородные связи с молекулами воды, снова делая молекулу более гидрофильной.

Примеры функциональных групп : Показанные здесь функциональные группы встречаются во многих различных биологических молекулах, где «R» — это органическая молекула.

Водородные связи между функциональными группами

Водородные связи между функциональными группами (внутри одной и той же молекулы или между разными молекулами) важны для функции многих макромолекул и помогают им правильно складываться и сохранять соответствующую форму, необходимую для правильного функционирования. Водородные связи также участвуют в различных процессах распознавания, таких как спаривание комплементарных оснований ДНК и связывание фермента с его субстратом.

Водородные связи в ДНК : Водородные связи соединяют две цепи ДНК вместе, создавая структуру двойной спирали.

Значение органического вещества почвы

Значение органического вещества почвы

По содержанию органического вещества почвы
характеризуются как минеральные или органические. Минеральные почвы составляют большую часть мировых
обрабатываемая земля и может содержать от незначительного количества до 30 процентов органических веществ.Органические почвы по своей природе богаты органическими веществами, главным образом для климатических условий.
причины. Хотя они содержат более 30% органических веществ, это
именно по этой причине они не являются жизненно важными почвами для сельскохозяйственных культур.

Этот бюллетень по почвам посвящен органическому веществу.
динамика посевов почв. Вкратце, в нем обсуждаются обстоятельства, приводящие к истощению
органическое вещество и отрицательные последствия этого. Затем бюллетень переходит к
более активные решения.Он рассматривает «корзину» практик, чтобы
показать, как они могут увеличить содержание органических веществ, и обсудить землю и
выгоды от урожая, которые затем накапливаются.

Органическое вещество почвы — это любой материал, первоначально произведенный
живые организмы (растения или животные), которые возвращаются в почву и проходят через
процесс разложения (табл. 1). В любой момент времени он состоит из диапазона
материалов от неповрежденных исходных тканей растений и животных до
существенно разложившаяся смесь материалов, известная как гумус (рис.
1).

Пластина 1
Добавленные в почву растительные остатки разлагаются на
почвенная макрофауна и микроорганизмы, увеличивая
содержание органических веществ в почве.

A.J. БОТ

Большая часть органического вещества почвы происходит из тканей растений.Растение
остатки содержат 60-90 процентов влаги. Оставшееся сухое вещество состоит из
углерод (C), кислород, водород (H) и небольшие количества серы (S), азота (N),
фосфор (P), калий (K), кальций (Ca) и магний (Mg). Хотя присутствует
в небольших количествах эти питательные вещества очень важны с точки зрения почвы
управление фертильностью.

Органическое вещество почвы состоит из множества компонентов. Эти
включать в различных пропорциях и на многих промежуточных стадиях активные органические
фракция, включающая микроорганизмы (10-40 процентов), и устойчивая или стабильная
органическое вещество (40-60 процентов), также называемое гумусом.

Определены формы и классификация органического вещества почв.
описан Тейт (1987) и Тенг (1987). Для практических целей органическое
Вещество можно разделить на надземную и подземную фракции. Над землей
органическое вещество состоит из остатков растений и животных; подземный органический
материя состоит из живой почвенной фауны и микрофлоры, частично разложившихся растений
отходы животного происхождения и гуминовые вещества. Отношение C: N также используется для
указать вид материала и легкость разложения; твердые древесные материалы
с высоким соотношением C: N более эластичен, чем мягкие листовые материалы с низким
Соотношение C: N.

Хотя органическое вещество почвы можно удобно разделить
на разные фракции, они не представляют собой статические конечные продукты. Вместо,
присутствующие количества отражают динамическое равновесие. Общая сумма и
распределение органических веществ в почве зависит от свойств почвы и
по количеству ежегодных поступлений растительных и животных остатков в экосистему.
Например, в данной почвенной экосистеме скорость разложения и
накопление органического вещества почвы определяется такими свойствами почвы, как
текстура, pH, температура, влажность, аэрация, минералогия глины и почвы
биологическая активность.Сложность заключается в том, что органическое вещество почвы, в свою очередь,
влияет или изменяет многие из этих свойств почвы.

Органические вещества, присутствующие на поверхности почвы в виде сырых растений
пожнивные остатки помогают защитить почву от воздействия дождя, ветра и солнца.
Удаление, заделка или сжигание остатков подвергает почву отрицательному воздействию.
климатических воздействий, и удаление или сжигание лишает почвенные организмы их
первичный источник энергии.

Органическое вещество в почве выполняет несколько функций.Из
С практической точки зрения сельского хозяйства это важно по двум основным причинам: (i)
как «возобновляемый питательный фонд»; и (ii) как средство для улучшения почвы
структуры, поддерживать пашню и минимизировать эрозию.

В качестве возобновляемого фонда питательных веществ органическое вещество служит двум основным направлениям.
функции:

• Как почвенное органическое
  вещество образуется в основном из растительных остатков, оно содержит все необходимые
  питательные вещества для растений. Поэтому скопившаяся органика — кладезь растений.
  питательные вещества.

• Стабильная органическая фракция
  (гумус) адсорбирует и удерживает питательные вещества в доступной для растений форме.

Органическое вещество выделяет питательные вещества в доступной для растений форме
при разложении. Чтобы поддерживать эту систему круговорота питательных веществ, скорость
добавления органических веществ из пожнивных остатков, навоза и любых других источников необходимо
равны скорости разложения, и учитывать скорость поглощения
растения и потери от выщелачивания и эрозии.

Если норма добавления меньше нормы
разложение, органическое вещество почвы уменьшается. Наоборот, где скорость
добавка выше, чем скорость разложения, органическое вещество почвы
увеличивается. Термин установившееся состояние описывает состояние, при котором скорость
сложение равно скорости разложения.

С точки зрения улучшения структуры почвы активная и некоторые из
устойчивые органические компоненты почвы вместе с микроорганизмами (особенно
грибки), участвуют в связывании частиц почвы в более крупные агрегаты.Агрегация важна для хорошей структуры почвы, аэрации, инфильтрации воды.
и устойчивость к эрозии и образованию корки.

Традиционно агрегация почвы была связана с
общий C (Matson et al ., 1997) или органический C (Dalal and Mayer,
1986a, 1986b). Совсем недавно были разработаны методы фракционирования C на
основы лабильности (легкости окисления), учитывая, что эти субпулы C могут
имеют большее влияние на физическую устойчивость почвы и являются более чувствительными индикаторами
чем общие значения углерода динамики углерода в сельскохозяйственных системах (Lefroy, Blair
и Strong, 1993; Блэр, Лефрой и Лайл, 1995; Блэр и Крокер, 2000).В
лабильная фракция углерода, как было показано, является индикатором ключевого химического состава почвы.
и физические свойства. Например, было показано, что эта фракция является
первичный фактор, контролирующий разрушение агрегатов в феррозолях (не трескающийся красный
глины), измеряемое процентным содержанием агрегатов размером менее 0,125 мм в
поверхностная кора после имитации дождя в лаборатории (Bell et al .,
1998, 1999).

Устойчивая или стабильная фракция органического вещества почвы
способствует в основном удерживающей способности питательных веществ (катионообменная способность [CEC])
и цвет почвы.Эта фракция органического вещества разлагается очень медленно.
Следовательно, он оказывает меньшее влияние на плодородие почвы, чем активные органические
доля.

Главы 2 и 3 посвящены преобразованию органических
вещества почвенными организмами и природными факторами, влияющими на уровень
содержание органических веществ в почве. В главе 4 обсуждаются различные методы управления.
практики, влияющие на накопление органических веществ в почве. Глава 5
исследует, как создать засухоустойчивую почву, а в главе 6 исследуются различные
аспект устойчивого производства продуктов питания.Глава 7 исследует роль сохранения
сельское хозяйство, а в главе 8 представлены выводы.

Приложение 1 содержит справочную информацию о различных почвах.
организмы, важные в сельском хозяйстве. В Приложении 2 подробно описаны эффекты.
органических веществ на биологической, химической и физической почве
характеристики.

I — Химия углерода, 1 биотических и абиотических соединений углерода | Изучение органических сред Солнечной системы

• Несбалансированность наблюдаемых энтантиомеров; и

• Истощение или обогащение определенных изотопов по отношению к обычно ожидаемому соотношению изотопов.

Однако некоторые абиотические процессы могут имитировать биотические и наоборот, и выводы обязательно будут основаны на нескольких индикаторах и, конечно же, будут вероятностными.

ПРИМЕЧАНИЯ

1. B.R.T. Симонейт и Дж. К. Фетцер, «Полициклические ароматические углеводороды с высокой молекулярной массой в гидротермальных нефтях Калифорнийского залива и северо-востока Тихого океана», Organic Geochemistry 24: 1065-1077, 1996.

2. А.И. Рушди и Б.Р.Т. Симонейт, «Абиотический конденсационный синтез глицеридных липидов и восковых эфиров в смоделированных гидротермальных условиях», Origins of Life and Evolution of Biospheres 36: 93-108, 2006.

3. См., Например, B.R.T. Симонейт, «Биомаркеры (молекулярные окаменелости) как геохимические индикаторы жизни», Advances in Space Research 33: 1255-1261, 2004.

4. А.И. Рушди и Б.Р.Т. Симонейт, «Образование липидов с помощью синтеза типа Фишера-Тропша в водной среде в диапазоне температур 100-400º C», Origins of Life and Evolution of the Biosphere 31: 103-118, 2001.

5. А.И. Рушди и Б.Р.Т. Симонейт, «Реакции конденсации и образование амидов, сложных эфиров и нитрилов в гидротермальных условиях», Astrobiology 4: 211-224, 2004.

6. А.И. Рушди и Б.Р.Т. Симонейт, «Абиотический конденсационный синтез глицеридных липидов и восковых эфиров в смоделированных гидротермальных условиях», Origins of Life and Evolution of Biospheres 36: 93-108, 2006.

7. B.R.T. Симонейт, «Биомаркеры (молекулярные окаменелости) как геохимические индикаторы жизни», Advances in Space Research 33: 1255-1261, 2004.

8. См., Например, B.R.T. Симонейт, «Биомаркеры (молекулярные окаменелости) как геохимические индикаторы жизни», Advances in Space Research 33: 1255-1261, 2004.

9. Роджер Саммонс, Департамент наук о Земле, атмосфере и планетах, Массачусетский технологический институт, «Молекулярные биосигнатуры: реальные и потенциальные биомаркеры, аналитические инновации, метеориты и Марс», презентация для Комитета по происхождению и эволюции жизни , 25 января 2006 г., Центр Бекмана, Ирвин, Калифорния.

10. Summons, «Молекулярные биосигнатуры», презентация 25 января 2006 г.

11. См., Например, B.R.T. Симонейт, «Биомаркеры (молекулярные окаменелости) как геохимические индикаторы жизни», Advances in Space Research 33: 1255-1261, 2004.

Что такое органический углерод почвы?

Чем органический углерод почвы отличается от органического вещества почвы?

Органический углерод почвы (SOC) относится только к углеродному компоненту органических соединений.Органическое вещество почвы (ПОВ) трудно измерить напрямую, поэтому лаборатории, как правило, измеряют и сообщают ПОВ.

Почвенный органический углерод и связывание углерода

Улавливание углерода в SOC рассматривается как один из способов смягчения последствий изменения климата за счет сокращения выбросов двуокиси углерода в атмосфере. Аргумент состоит в том, что небольшое увеличение SOC на очень больших площадях сельскохозяйственных и пастбищных угодий значительно снизит выбросы двуокиси углерода в атмосфере. Чтобы восстановление было длительным, органические вещества должны находиться в более стабильных или устойчивых фракциях (Таблица 1).Для получения дополнительной информации см. Почвенный органический углерод и связывание углерода.

Что такое органическое вещество почвы?

ПОВ состоит в основном из углерода, водорода и кислорода и имеет небольшие количества других элементов, таких как азот, фосфор, сера, калий, кальций и магний, содержащихся в органических остатках. Он делится на «живые» и «мертвые» компоненты и может варьироваться от совсем недавних поступлений, таких как стерня, до сильно разложившихся материалов, возраст которых составляет тысячи лет. Около 10% подземного ПОВ, такого как корни, фауна и микроорганизмы, является «живым» (Рисунок 1).

ПОВ существует в виде 4 отдельных фракций, которые сильно различаются по размеру, времени оборота и составу в почве (Таблица 1):

1. растворенное органическое вещество
2. твердое органическое вещество
3. гумус
4. устойчивое органическое вещество.

Вернуться к началу

Сколько почвенного органического углерода содержится в почвах Западной Австралии?

Большинство почв Западной Австралии имеют низкое содержание SOC (Viscarra Rossel et al.2014). Низкое количество осадков, теплые условия в течение большей части года и песчаные почвы ограничивают накопление стабильного SOC.

Как правило, содержание органического углерода в сельскохозяйственных почвах засушливых земель Западной Австралии составляет от 0,7% до 4% (рис. 2), хотя SOC может быть от 0,3% для пустынных почв и до 14% для интенсивных молочных почв. Большая часть органического вещества находится у поверхности почвы. На юго-западе Западной Австралии около 60% органического вещества в верхних 30 см почвы находится в верхних 10 см.

Оценка запасов органического вещества почвы на основе органического углерода почвы

1 Начните с измеренного общего органического углерода%

Около 58% массы органического вещества существует в виде углерода.Мы можем оценить процент SOM от SOC%, используя коэффициент преобразования 1,72 (полученный из 100/58).

Органическое вещество (%) = общий органический углерод (%) x 1,72

Этот коэффициент преобразования может варьироваться в зависимости от почв, но 1,72 обеспечивает разумную оценку ПОВ для большинства целей.

2 Преобразовать% в вес для заданной глубины и площади

Запасы SOC в тоннах углерода на гектар (тС / га) = (% органического углерода почвы) x (масса почвы в заданном объеме)

Для Например, почва с SOC 1.3% (0,013) и насыпная плотность 1,2 грамма на кубический сантиметр (эквивалент 1,2 тонны на кубический метр), будут иметь SOC на глубине 10 см (0,1 м) на гектар (10 000 м ² ) из:

(0,013) x (1,2 x 0,1 x 10 000) = 15,6 тС / га.

Используя коэффициент преобразования 1,72, количество ПОВ будет: 15,6 x 1,72 = 26,8 тонны органического вещества.

Вернуться к началу

Круговорот органического вещества почвы

Тип почвы, климат и управление влияют на поступление органических веществ в почву и ее круговорот или разложение.Осадки являются основным фактором роста растений (биомассы) и биологической активности, что приводит к разложению органических веществ, попадающих в почву. Различные фракции ПОВ (растворенные, твердые, гумусовые и устойчивые) изменяются с совершенно разной скоростью (рис. 3). Кроме того, ПОВ непрерывно циклически перемещается между живыми, разлагающимися и стабильными фракциями в почве (рис. 4).

1. Входные данные: растения и животные становятся частью SOM, когда они умирают или создают побочные продукты.
2. Трансформация: почвенные организмы разрушаются и потребляют органическое вещество, создавая различные формы органических остатков.Например, свежие растительные остатки разбиваются на более мелкие части (<2 мм) и становятся частью фракции твердых частиц органического вещества. Этот материал разлагается дальше, и меньшее количество более биологически стабильного материала попадает в гумусовый бассейн.
3. Выделение питательных веществ: высвобождаются питательные вещества и другие соединения, в которых не нуждаются микроорганизмы, а затем они становятся доступными для растений.
4. Стабилизирующие органические вещества: по мере разложения органических остатков они становятся более устойчивыми к дальнейшим изменениям.

Вернуться к началу

Какая часть почвенного органического углерода, попадающего в почву, остается там?

Микроорганизмы переваривают до 90% органического углерода, поступающего в почву в виде органических остатков. При этом они вдыхают углерод обратно в атмосферу в виде углекислого газа. В то время как до 30% вводимых органических веществ в конечном итоге может быть преобразовано в гумус, в зависимости от типа почвы и климата, на сельскохозяйственных почвах Австралии это значение часто значительно меньше. Есть 3 основных фактора, влияющих на способность данного типа почвы удерживать SOC (Рисунок 5).Почвы с более высоким содержанием глины обычно удерживают больше органического вещества и, следовательно, могут удерживать больше органического углерода, чем песчаные почвы.

ПОВ в первую очередь является результатом затрат за вычетом потерь и может зависеть от типа почвы, климата и управления (Таблица 2). SOM увеличивается, когда входы превышают потери, и наоборот. Поступления в значительной степени зависят от производства растительной биомассы, хотя также могут быть результатом внесения поправок в почвы или побочных продуктов животноводства. Потери происходят при разложении органических веществ и, в некоторых случаях, при эрозии почвы.

Вернуться к началу

Как мне измерить или интерпретировать результаты определения содержания органического углерода в почве?

Изменения в стабильном SOC обычно происходят очень медленно (в течение десятилетий), и часто бывает трудно измерить небольшие изменения на относительно большом фоне углерода почвы.Изменения в SOC в значительной степени определяются тем, сколько биомассы выращивается и сохраняется над и под землей.

Около 45% органического вещества составляет углерод, и более легкие почвы удерживают менее 30% этого вещества. Например, в почвах Западной Австралии измеряется от 20 до 160 тС / га. Типичная австралийская система производства зерна, дающая урожайность 2 т / га пшеницы, вероятно, будет ежегодно удерживать в почве 0,1–0,5 т органического вещества на гектар. Это приравнивается к изменению SOC во многих случаях менее чем на 1% от общего запаса.

Необходимо большее изменение общего запаса органического углерода, которое может произойти через несколько лет или больше, прежде чем значительное изменение можно будет измерить с какой-либо степенью уверенности. Учитывая, что годовые поступления органических остатков, вероятно, будут менее 0,2 тС / га в типичной системе возделывания зерновых, время, необходимое для обнаружения значительного изменения SOC, обычно составляет более 10 лет.

Отслеживая SOC с течением времени, можно оценить изменения, вызванные руководством (рис. 6).Однако свежие пожнивные остатки (рис. 1) могут сильно различаться в зависимости от урожая или пастбищ, выращиваемых каждый год.

Для точного измерения изменений SOC требуется:

• стратегия отбора проб почвы, которая фиксирует естественные вариации содержания углерода в почве
• мера концентрации SOC
• оценка объемной плотности почвы для корректировки изменений массы почвы при заданные интервалы глубины.

Изменения SOC, скорее всего, будут наблюдаться в верхнем слое почвы 0–10 см.

При тестировании почвы на содержание органического углерода обычно указывается общий процент SOC. Используя меру объемной плотности, можно рассчитать количество углерода на гектар на заданной глубине почвы, как показано ранее.

Ссылки

Гриффин, Э., Хойл, Ф. К. и Мерфи, Д. В. 2013, «Органический углерод почвы», в Табель успеваемости по устойчивому использованию природных ресурсов в сельском хозяйстве , Министерство сельского хозяйства и продовольствия, Западная Австралия, просмотрено 16 Ноябрь 2016 г., https: // www.Agric.wa.gov.au/sites/gateway/files/2.4%20Soil%20organic%20carbon.pdf

Hoyle, FC 2013, Управление органическим веществом почвы: практическое руководство , Grains Research and Development Corporation, Kingston, просмотрено 15 октября 2018 г., https://grdc.com.au/resources-and-publications/all-publications/publications/2013/07/grdc-guide-managingsoilorganicmatter.

Хойл, Ф.К., Мерфи, Д.В. и Филлери, IRP 2006, «Температура и обработка стерни влияют на микробный CO ² -C эволюция и скорость валового преобразования азота», Soil Biology and Biochemistry , vol.38. С. 71–80.

Ingram, JSI, Fernandes, ECM 2001, «Управление секвестрацией углерода в почвах: концепции и терминология», Journal of Agriculture, Ecosystems and Environment , vol. 87, pp. 111–117, просмотрено 15 октября 2018 г., https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167880

1451

Viscarra Rossel, RA, Webster, R, Bui, EN & Baldock, JA 2014, «Базовая карта содержания органического углерода в почве Австралии для поддержки национального учета и мониторинга углерода в условиях изменения климата», Global Change Biology , vol.20, pp. 2953–2970, doi: 10.1111 / gcb.12569

Определение углерода и примеры — онлайн-словарь по биологии

Углерод
n ,, [ˈkɑːbən]
Определение: химический элемент с атомным номером 6

Углерод — один из химических элементов, встречающихся в природе. Химический элемент относится к чистому веществу одного типа атомов. В настоящее время 94 являются натуральными элементами, а 24 — синтетическими. Углерод — один из самых распространенных элементов в живых организмах, наряду с кислородом, водородом и азотом.

Определение углерода

Углерод (определение биохимии): Химический элемент с атомным номером 6, широко распространенный, образуя органические соединения в сочетании с водородом , кислородом , и т. Д. Этимология: Latin карбō («древесный уголь», «уголь»). Символ: C

Свойства углерода

Углерод — шестой элемент в периодической таблице. Его атомный вес 12.011. Его символ — C.Температура его сублимации 3642 ° C. Углерод неметалл . Его атомный номер 6. Он принадлежит группе 14 периодической таблицы Менделеева. Это может быть атом или чистый элемент. В зависимости от структурной конфигурации аллотропов углерода будут различаться морфологически. Например, графит непрозрачный и черный, тогда как алмаз прозрачный. Углерод четырехвалентный , что означает, что он имеет валентность, равную четырем электронам. Он может образовывать так много соединений, что его называют королем элементов .

Открытие углерода

Углерод — многоатомный неметалл, иногда считающийся металлоидным элементом. Впервые его обнаружили египтяне и шумеры (3750 г. до н.э.) ¹ , но впервые он был признан как элемент Антуаном Лавуазье (1789) ² .

Углеродосодержащие вещества

Углерод — один из самых распространенных элементов на Земле. Он имеет три встречающихся в природе изотопа: углерод-12, углерод-13 и углерод-14.Углерод может взаимодействовать с другими атомами углерода и образовывать аллотропы. Он также может взаимодействовать с атомами или группами атомов различных элементов с образованием соединений. Углеродосодержащие соединения могут быть классифицированы как органических или неорганических .

Изотопы

Изотопы относятся к любой из двух или более форм одного и того же элемента. У них одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов в их ядрах. Следовательно, они отличаются атомным массовым числом .Тем не менее, они обладают практически идентичными химическими свойствами. Изотопы углерода, которые встречаются в природе, включают углерод-12, углерод-13 и углерод-14. Углерод-12 и Углерод-13 являются стабильными изотопами. Углерод-14 — это радиоизотоп , то есть радиоактивный изотоп. Радиоактивный изотоп распадается на другие элементы в результате процесса, называемого радиоактивный распад . Процесс происходит, когда нестабильное атомное ядро ​​радиоизотопа теряет энергию из-за испускания излучения.Углерод-14 является бета-излучателем с периодом полураспада около 5715 лет . Он широко используется в качестве индикатора при изучении различных аспектов метаболизма. Этот естественный изотоп от бомбардировки космическими лучами может быть использован для датирования реликвий, содержащих природные углеродистые материалы. Углерод-11 — синтетический изотоп; он производится на циклотроне. Это позитронно-излучающий радиоизотоп углерода с периодом полураспада 20,3 минут, который используется в позитронно-излучающей томографии .

Аллотроп

Аллотроп элемента относится к любому из множества веществ, образованных только одним типом элемента. Однако аллотропы могли различаться по структуре. Например, угля , графита и алмазов являются аллотропами углерода. Хотя они состоят только из одного типа элементов, а именно углерода, они различаются по физическим свойствам. Например, графит непрозрачен, а алмаз прозрачен.Графит мягкий, тогда как алмаз считается самым твердым веществом, встречающимся в природе. Графит является хорошим проводником электричества, а алмаз — нет. Аллотропы, однако, не составные части, а чистых элементов .

Органические соединения

Органические соединения первоначально определяются как вещества, производимые только живыми организмами. Однако позже это определение было признано ошибочным, поскольку есть вещества, которые могут быть произведены как живыми, так и неодушевленными предметами.Таким образом, органическое соединение в конечном итоге было определено как «соединение, которое содержит углерод, ковалентно связанный с другими атомами» , особенно углерод-углерод (C-C) и углерод-водород (C-H) (как в углеводородах). Есть много способов классифицировать органические соединения. Один из них основан на том, как они синтезируются. Природное органическое соединение (или просто природное соединение) — это соединение, которое вырабатывается естественным путем, например, растениями или животными. Синтетическое органическое соединение (или синтетическое соединение) — это органическое соединение, которое получают химическими манипуляциями (химическими реакциями).Примерами природных органических соединений являются сахаров , ферментов , гормонов , липидов , антигенов , жирных кислот , нейротрансмиттеров , нуклеиновых кислот , белков , амино пептидов кислоты , витамины , лектины , некоторые алкалоиды и терпеноиды , и т. д. . Примерами синтетических органических соединений являются синтетические полимеры, такие как пластмассы и каучуки .

Неорганические соединения

Общее описание неорганического соединения — это соединение, в котором отсутствуют атомы углерода и которое архаично не производится живым существом. Позже его определяют как соединение, в котором отсутствуют ковалентные связи C-C и C-H. Некоторые углеродсодержащие соединения, идентифицированные как неорганические, представляют собой карбонаты, цианиды, цианаты, карбиды, тиоцианаты, монооксид углерода и диоксид углерода.

Углеродный цикл

Углерод является четвертым по распространенности элементом во Вселенной после водорода, гелия и кислорода.Что касается земной коры, углерод является 15-м наиболее распространенным элементом. Таким образом, углерод широко циркулирует и превращается из одной формы в другую. Углеродный цикл — один из биогеохимических циклов, происходящих на Земле. Углерод проходит через литосферу , гидросферу и атмосферу .

В атмосфере углерод существует в основном в форме диоксида углерода и метана. Эти два являются основными факторами, ответственными за парниковый эффект .Углекислый газ считается более важным парниковым газом, чем метан. Концентрация углекислого газа в атмосфере с годами увеличивалась, и одним из основных факторов, которые привели к этому росту, является деятельность человека, например сжигание ископаемого топлива, производство бетона, вырубка лесов и т. д.

В земных условиях количество углерода относительно постоянно. Углерод встречается и хранится в организмах (около 500 гигатонн углерода) и в почвах (около 1500 гигатонн углерода).Органический углерод утилизируется живыми организмами, в частности фотоавтотрофами . Фотоавтотрофные организмы, такие как растения и цианобактерии, используют углекислый газ в качестве важного реагента для производства сахаров посредством фотосинтеза. Поскольку живые существа состоят из соединений на основе углерода, они распадаются на более мелкие и простые соединения, когда умирают. Живые организмы также выделяют или выделяют материал, который считается органическим материалом (материей). Органическое вещество относится к любым соединениям на основе углерода, встречающимся в природе.Это органическое вещество живых существ становится частью окружающей среды. Таким образом, в экосистеме много органических веществ, например почвенная экосистема. Он перемещается в почву или в основной поток воды, где затем служит источником питания для живых организмов.
Помимо этих биогенных источников, углекислый газ образуется из других природных источников, таких как вулканы, горячие источники и гейзеры. В частности, вулканы выбрасывают от 0,2 до 0,3 миллиарда тонн углекислого газа в год. Карбонатные породы, растворенные в воде и кислотах, также являются источником углекислого газа.Углекислый газ растворяется в различных водоемах при давлении выше 5,1 атм. При падении давления он возвращается в атмосферу в виде газа.

Биологическое значение

Углерод часто считается основой жизни на Земле из-за его химических свойств. В организме человека это второй по распространенности элемент по массе после кислорода. Углерод составляет около 18,5% тела взрослого человека.

Прочтите: Химический состав тела — Органические молекулы

См. Также

Ссылка

1. «История углерода и углеродных материалов — Центр прикладных энергетических исследований — Университет Кентукки».Caer.uky.edu. Получено с http://www.caer.uky.edu/carbon/history/carbonhistory.shtml
2. Senese, Fred (2000-09-09). «Кто открыл углерод?». Фростбургский государственный университет. Получено с antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/inorganic/faq/discovery-of-carbon.shtml

© Biology Online. Контент предоставлен и модерируется редакторами Biology Online.

Следующий

Органическое соединение — Определение и примеры

Определение

существительное
множественное число: органические соединения
Соединение, которое, как правило, содержит углерод, ковалентно связанный с другими атомами, особенно углерод-углерод (CC) и углерод-водород ( CH) (например, в углеводородах)

Подробности

Обзор

Химическое соединение относится к любому веществу, состоящему из двух или более элементов, которые химически связаны друг с другом.Элемент, в свою очередь, относится к тому, что состоит только из одного типа атомов. Элементы, которые удерживаются вместе химической связью, образуют соединение . Один из способов классификации соединений — определить их как органических или неорганических . В общем, органическое соединение — это тип соединения, которое содержит атом углерода. И наоборот, неорганическое соединение — это соединение, не содержащее углерода.

Витализм

На протяжении многих веков многие люди верили в витализм , преобладающее представление о том, что живые существа обладают жизненной силой или жизненной силой — vis-vitalis , что отличает их от неживых. вещи.Эта сила якобы позволяла живым существам производить определенные химические вещества. В противном случае эти химические вещества не образовались бы. Согласно витализму, только живые организмы — поскольку они обладают жизненной силой — будут единственными, способными производить такие соединения. Даже Луи Пастер 1822–1895, который своими экспериментами по ферментации помог положить конец теории спонтанного зарождения и чья работа привела к зарождению пастеризации, считал, что ферментация является жизненно важным действием, на которое способна только жизнь. ¹ Виталисты (сторонники витализма) называли такие соединения органическими и называли те, которые можно было получить химическими манипуляциями, неорганическими .
Витализм в конечном итоге потерял свою поддержку, когда современные эксперименты оспорили его достоверность. Одним из них был Фридрих Вёлер 1800–1882, который в 1828 году открыл, что мочевину можно химически производить из неорганических солей цианата калия и сульфата аммония. Виталисты полагали, что мочевина — это органическое соединение в моче, производимое только живыми организмами.

Неопределенность

Современное определение органических соединений больше не основывается на их источнике. Скорее, органическое соединение — это соединение, в котором соединение содержит атомы углерода, связанные с другими атомами ковалентной связью. Однако химики не могут прийти к единому мнению относительно абсолютного определения органического соединения. Определение органического соединения как любого соединения, содержащего атом углерода, включало бы те, которые классифицируются как неорганические .
К неорганическим углеродсодержащим соединениям относятся: карбонаты, цианиды, цианаты, карбиды, тиоцианаты, монооксид углерода и диоксид углерода. Аллотропы углерода (например, алмаз, графит, уголь) также являются исключением. Они состоят только из одного типа элементов, а именно из углерода, и поэтому не могут быть отнесены к категории органических соединений, поскольку они, в первую очередь, не соединение, а чистый элемент.

Органическое вещество

По сравнению с другими составляющими, составляющими земную кору, органические соединения составляют небольшой ее процент. Тем не менее они имеют жизненно важное значение, потому что все живые существа основаны на этих соединениях.Примерами органических соединений являются углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Поскольку живые существа состоят из соединений на основе углерода, они могут быть разбиты на более мелкие и простые соединения в результате разложения, когда они умирают. Живые организмы также выделяют или выделяют материал, который считается органическим материалом (материей). Органическое вещество относится к любым соединениям на основе углерода, встречающимся в природе. Это органическое вещество живых существ становится частью окружающей среды.Таким образом, в экосистеме много органических веществ, например почвенная экосистема. Он перемещается в почву или в основной поток воды, где затем служит источником питания для живых организмов.

Естественные и синтетические органические соединения

Существует множество способов классификации органических соединений. Один из них основан на том, как они синтезируются. Природное органическое соединение (или просто природное соединение) — это соединение, которое вырабатывается естественным путем, например, растениями или животными. Синтетическое органическое соединение (или синтетическое соединение) — это органическое соединение, которое получают с помощью химических манипуляций (химических реакций).
Природные соединения — это органические соединения, которые могут быть получены из природных источников. Они могут быть произведены искусственно, но процесс этого сделает их довольно дорогими. Примерами природных соединений являются сахара, ферменты, гормоны, липиды, антигены, жирные кислоты, нейротрансмиттеры, нуклеиновые кислоты, белки, пептиды, аминокислоты, витамины, лектины, некоторые алкалоиды, терпеноиды и т. Д.
Синтетические соединения получают, разрешая соединения взаимодействовать в химической реакции. Они могут иметь аналог в натуральных соединениях или без них.Многие полимеры (например, пластмассы, каучуки) производятся синтетическим путем.

Сравнение малых органических молекул и крупных органических соединений

Органические соединения можно также классифицировать как небольшие органические молекулы или большие органические молекулы (например, полимеры) в зависимости от размера или длины соединения.
Небольшая молекула — это небольшое органическое соединение с молекулярной массой <900 дальтон. ² Многие из них участвуют в регуляции биологического процесса. Пример небольшой молекулы — фармацевтические препараты.Малые молекулы не следует путать с биомолекулами (например, белками, полисахаридами, нуклеиновыми кислотами, аминокислотами, ДНК и РНК), которые представляют собой более крупные структуры.
Примером крупного органического соединения является полимер (или макромолекула). Полимер состоит из множества повторяющихся субъединиц.

Исследования

Изучение свойств и синтеза органических соединений известно как органическая химия . Биотехнология — это набор биологических методов, разработанных в результате фундаментальных исследований и теперь применяемых в исследованиях и разработке продуктов.Некоторые органические соединения производятся с помощью биотехнологии, в частности, путем изменения ДНК организма для экспрессии желаемых органических соединений, например инсулин и другие соединения, которые не существуют в природе.

Дополнительный

Этимология

• назван в честь раннего представления о том, что органические соединения могут быть синтезированы в живых организмах только с помощью vis-vitalis (жизненная сила)

Дополнительная литература

Сравнить

См. Также

Каталожный номер

1. Bechtel, W.И Уильямсон, Р. С. (2018). Витализм. Получено по ссылке
2. Macielag, M. J. (2012). «Химические свойства антибактериальных средств и их уникальность». В Dougherty TJ, Pucci MJ. Открытие и разработка антибиотиков. С. 801–2. ISBN 978-1-4614-1400-1.

---

© Biology Online. Контент предоставлен и модерируется онлайн-редакторами биологии

---

Почему углерод так важен для органических соединений?

Органические соединения — это соединения, от которых зависит жизнь, и все они содержат углерод.Фактически, определение органического соединения — это соединение, которое содержит углерод. Это шестой по содержанию элемент во Вселенной, а углерод также занимает шестую позицию в периодической таблице. У него два электрона во внутренней оболочке и четыре во внешней, и именно такое расположение делает углерод таким универсальным элементом. Поскольку он может сочетаться по-разному, и поскольку углеродные связи достаточно сильны, чтобы оставаться неповрежденными в воде — еще одно требование для жизни, — углерод незаменим для жизни, какой мы ее знаем.Фактически, можно утверждать, что углерод необходим для существования жизни в другом месте во Вселенной, а также на Земле.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Поскольку на второй орбитали есть четыре электрона, на которых может разместиться восемь, углерод может сочетаться множеством различных способов и образовывать очень большие молекулы. Углеродные связи прочные и могут оставаться вместе в воде. Углерод — настолько универсальный элемент, что существует почти 10 миллионов различных углеродных соединений.

Речь идет о валентности

Образование химических соединений обычно следует правилу октетов, согласно которому атомы стремятся к стабильности, приобретая или теряя электроны для достижения оптимального числа восьми электронов на своей внешней оболочке.Для этого они образуют ионные и ковалентные связи. При образовании ковалентной связи атом разделяет электроны по крайней мере с одним другим атомом, позволяя обоим атомам достичь более стабильного состояния.

Имея всего четыре электрона во внешней оболочке, углерод в равной степени способен отдавать и принимать электроны, и он может образовывать четыре ковалентные связи одновременно. Молекула метана (CH ₄ ) является простым примером. Углерод также может образовывать связи с самим собой, причем эти связи прочные. И алмаз, и графит полностью состоят из углерода.Самое интересное начинается, когда углерод связывается с комбинациями атомов углерода и других элементов, особенно водорода и кислорода.

Образование макромолекул

Рассмотрим, что происходит, когда два атома углерода образуют ковалентную связь друг с другом. Они могут объединяться несколькими способами, и в одном они разделяют одну электронную пару, оставляя открытыми три позиции связи. Пара атомов теперь имеет шесть открытых позиций связывания, и если одна или несколько позиций занято атомом углерода, количество позиций связывания быстро растет.В результате возникают молекулы, состоящие из больших цепочек атомов углерода и других элементов. Эти струны могут расти линейно, или они могут смыкаться и образовывать кольца или гексагональные структуры, которые также могут объединяться с другими структурами с образованием еще более крупных молекул. Возможности практически безграничны. На сегодняшний день химики каталогизировали почти 10 миллионов различных углеродных соединений. К наиболее важным для жизни относятся углеводы, которые полностью состоят из углерода, водорода, липидов, белков и нуклеиновых кислот, наиболее известным примером которых является ДНК.

Почему не кремний?

Кремний — это элемент в периодической таблице чуть ниже углерода, и его примерно в 135 раз больше на Земле. Как и углерод, у него всего четыре электрона во внешней оболочке, так почему же макромолекулы, образующие живые организмы, не основаны на кремнии? Основная причина в том, что углерод образует более прочные связи, чем кремний, при благоприятных для жизни температурах, особенно с самим собой. Четыре неспаренных электрона на внешней оболочке кремния находятся на его третьей орбитали, которая потенциально может вместить 18 электронов.С другой стороны, четыре неспаренных электрона углерода находятся на его второй орбитали, которая может вместить только 8, и когда орбиталь заполнена, молекулярная комбинация становится очень стабильной.

Поскольку связь углерод-углерод сильнее, чем связь кремний-кремний, соединения углерода остаются вместе в воде, в то время как соединения кремния распадаются. Помимо этого, другой вероятной причиной доминирования углеродных молекул на Земле является обилие кислорода.