1. Классификация веществ. Химические свойства неорганических соединений основных классов

При сравнительно небольшом количестве химических элементов (от­крыто 118 элементов, часть из них получена только искусственным путём) существует бесконечное многообразие химических соединений.  На рис. 1 представлена упрощенная классификация ве­ществ.

 

 

Рис. 1. Упрощенная классификация веществ

 

По составу, свойствам и наличию различных функциональных групп все сложные неорганические и органические вещества делятся на классы. Классификация сложных неорганических соединений представ­лена на рис. 2.

 

 

Рис. 2. Классификация основных сложных неорганических соединений

 

Среди сложных неорганических соединений выделяются следующие основные классы: оксиды, гидроксиды, соли.

Оксиды – это соединения атомов элементов с кислородом. По со­ставу и химическим свойствам оксиды делятся на основные, кислотные и амфотерные.

Основные оксиды – соединения атомов металлов с кислородом (Na₂O, CaO, MgO и пр.). Получаются при непосредственном взаимодей­ствии металла с кислородом: 2Na + O₂ = 2Na₂O, либо при термическом разложении солей: CaCO₂ CaO + CO₂.

 Основные оксиды взаимодействуют с кислотами и кислотными окси­дами, образуя соли:

1)  CaO + H₂SO₄ = CaSO₄ + H₂O

     CaO + 2H⁺ + SO₄^2- = Ca²⁺ + SO₄^2- + H₂O

     CaO + 2H⁺  = Ca²⁺ + H₂O,

2)  СaO + CO₂ = CaCO₃.

При взаимодействии некоторых растворимых основных оксидов с во­дой образуются основания (щелочи):

K₂O + H₂O = KOH

K₂O + H₂O = K⁺ + OH^-.

Кислотные оксиды – соединения атомов неметаллов или некоторых металлов в высшей степени окисления (V⁺⁵, Mn⁺⁷, Cr⁺⁶ и др.) с кислоро­дом. Образуются при взаимодействии атомов элементов непосредст­венно с кислородом: S + O₂ = SO₂, при разложении некоторых кислот: H₂CO₃   CO₂ + H₂O, либо в ходе окислительно-восстановительных реак­ций: 2SO₂ + O₂ = 2SO₃.  

Кислотные оксиды взаимодействуют с растворимыми основаниями и основными оксидами с образованием солей:

1) SO₂ + 2KOH = K₂SO₃ + H₂O

    SO₂ + 2K⁺ + 2OH^- = 2K⁺ + SO₃^2- + H₂O

    SO₂ + 2OH^- = SO₃^2- + H₂O,

2) SiO₂ + CaO  CaSiO₃,

3) Mn₂O₇ + 2NaOH = 2NaMnO₄ + H₂O

    Mn₂O₇ + 2Na⁺ + 2OH^- = 2Na⁺ + 2MnO₄^- + H₂O

    Mn₂O₇ + 2OH^- = 2MnO₄^- + H₂O.

При взаимодействии некоторых кислотных оксидов с водой образуются кислоты:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

SO₃ + H₂O = 2H⁺ + SO₄^2-.

Амфотерные оксиды – соединения атомов амфотерных элементов с кислородом (Al₂O₃, ZnO, BeO, Cr₂O₃, PbO₂ и др.). Образуются при непо­средственном окислении атомов элементов кислородом или косвенным путем, проявляют свойства как основных, так и кислотных оксидов:

1) ZnO + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂O

    ZnO + 2H⁺ + SO₄^2- = Zn²⁺ + SO₄^2- + H₂O

    ZnO + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂O,       

2) ZnO + 2NaOH  Na₂ZnO₂ + H₂O

    ZnO + 2Na⁺ + 2OH^- = 2Na⁺ + ZnO₂^2- + H₂O

    ZnO + 2OH^- = ZnO₂^2- + H₂O.

Гидроксиды – это продукты прямого взаимодействия оксидов с во­дой, либо косвенных процессов. Они делятся на кислотные, основные и амфотерные.

Кислоты  – вещества, диссоциирующие в растворах с образованием ионов водорода (т. е. доноры протонов). По составу молекул кислоты делятся на бескислородные (HCl, H₂S, HJ и др.) и кислородсодержащие (HNO₃, H₂SO₄, H₃PO₄ и др.) (см. названия основных неорганических ки­слот и их солей в табл. 1 приложения). По количеству катионов водо­рода в молекуле кислоты бывают одно- (HNO₃, HCl, HJ) и многооснов­ные (H₂SO₄, H₃PO₄, H₂S). По характеру диссоциации на ионы в растворе кислоты делятся на сильные (HNO₃, H₂SO₄, HCl) и слабые (H₃PO₄, H₂CO₃), (см. величины констант диссоциации сильных и слабых элек­тролитов в табл. 2 приложения). При записи ионно-молекулярных урав­нений реакций в растворах слабые кислоты на ионы не расписываются.

Характерными химическими свойствами кислот является способность реагировать с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами и гидроксидами и солями с образованием солей, как одного из продуктов реакции:

1) 2HCl + CaO = CaCl₂ + H₂O

    2H⁺ + 2Cl^- + CaO = Ca²⁺ + 2Cl^- + H₂O

    2H⁺ + CaO = Ca²⁺+ H₂O,

2) 2HNO₃ + Cu(OH)₂ = Cu(NO₃)₂ + 2H₂O

    2H⁺ + 2NO₃^- + Cu(OH)₂ = Cu²⁺ + 2NO₃^- + 2H₂O

    2H⁺ + Cu(OH)₂ = Cu²⁺ + 2H₂O,

3) H₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓+ 2HCl

    2H⁺ + SO₄²⁺ + Ba²⁺ + 2Cl^- = BaSO₄↓+ 2H⁺ + 2Cl^- 

    SO₄²⁺ + Ba²⁺ = BaSO₄↓.

Растворы кислот реагируют с активными металлами (Mg, Zn, Al, Ca и пр.) с образованием солей и выделением газообразного водорода:

H₂SO₄ + Mg = MgSO₄ + H₂↑

2H⁺ + SO₄^2- + Mg⁰ = Mg²⁺ + SO₄^2- + H₂⁰↑

2H⁺ + Mg⁰ = Mg²⁺+ H₂⁰↑.

Иначе ведет себя азотная кислота (HNO₃). Наличие в ней активного окислителя (N⁵⁺) позволяет реагировать даже с малоактивными метал­лами (Cu, Ag и др.), однако водород при этом не выделяется:

4HNO₃ + Cu = Cu(NO₃)₂ +2NO₂ + 2H₂O.

Более подробно о реакциях кислот различной концентрации и со­става с металлами см. в основной учебной литературе.

Основания – вещества, диссоциирующие в растворах с образование гидроксид-ионов. По числу гидроксид-ионов в молекуле основания делятся на одно- (NaOH, AgOH) и многокислотные (Ca(OH)₂, Fe(OH)₃). Большинство оснований нерастворимо в воде. Растворимыми являются основания, образован­ные щелочными и щелочноземельными металлами (NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂  и др.).

Основания реагируют с кислотами, кислотными и амфотерными ок­сидами, солями:

1)   Ba(OH)₂ + H₂SO₄ = BaSO₄↓+ 2H₂O

     Ba²⁺ + 2OH^- + 2H⁺ + SO₄^2- = BaSO₄↓+ 2H₂O,

2)   Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O

     Ca²⁺ + 2OH^- + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O,

3)   2NaOH + BeO + H₂O = Na₂[Be(OH)₄]

     2Na⁺ + 2OH^- + BeO + H₂O = 2Na⁺ + [Be(OH)₄]^2-

     2OH^- + BeO + H₂O = [Be(OH)₄]^2-,

4)   2KOH + CuSO₄ = Cu(OH)₂↓ + K₂SO₄

     2K⁺ + 2OH^-  + Cu²⁺ + SO₄^2- = Cu(OH)₂↓ + 2K⁺ + SO₄^2-

     2OH^-  + Cu²⁺ = Cu(OH)₂↓.

Некоторые гидроксиды обладают не только основными, но и кислот­ными свойствами, их называют амфотерными. К ним относятся гидро­ксиды амфотерных металлов: Zn(OH)₂, Be(OH)₂, Al(OH)₃, Pb(OH)₂, Sn(OH)₂, Cr(OH)₃ и др. Например:

1)   Zn(OH)₂ + 2KOH = K₂[Zn(OH)₄]

     Zn(OH)₂ + 2K⁺ + 2OH^- = 2K⁺ + [Zn(OH)₄]^2-

     Zn(OH)₂ + 2OH^- = [Zn(OH)₄]^2-,

2) Zn(OH)₂ + 2HCl = ZnCl₂ + 2H₂O

    Zn(OH)₂ + 2H⁺ + 2Cl^- = Zn²⁺ + 2Cl^- + 2H₂O

    Zn(OH)₂ + 2H⁺ = Zn²⁺ + 2H₂O.

Соли – продукты полного или частичного замещения ионов водорода в молекуле кислоты ионами металлов или продукты полного или частич­ного замещения гидроксид-ионов в молекуле основания кислотными ос­татками.

При полном замещении ионов водорода в молекуле кислоты на ионы металлов образуются средние (нормальные) соли:

H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O

2H⁺ + SO₄^2- + 2Na⁺ + 2OH^- = 2Na⁺ + SO₄^2- + 2H₂O

2H⁺ + 2OH^- = 2H₂O.

Na₂SO₄ – сульфат натрия (средняя соль).

Кислые соли (гидросоли) образуются при неполном замещении  ио­нов водорода в молекуле кислоты на ионы металлов. Это наблюдается при взаимодействии многоосновных кислот с основаниями в тех слу­чаях, когда количество взятого основания недостаточно для образова­ния средней соли:

H₂CO₃ + KOH = KHCO₃ + H₂O

                       недостаток

H₂CO₃ + K⁺ + OH^- = K⁺ + HCO₃^-  + H₂O

H₂CO₃ + OH^- = HCO₃^-  + H₂O.

KHCO₃ – гидрокарбонат калия (кислая соль).

Основные соли (гидроксосоли) образуются при частичном замеще­нии гидроксид-ионов в молекуле основания кислотными остатками.  Ос­новные соли могут быть образованы только многокислотными основа­ниями в тех случаях, когда количества кислоты недостаточно для по­лучения средней соли:

Cu(OH)₂ + HNO₃ = CuOH(NO₃) + H₂O

                 недостаток

Cu(OH)₂ + H⁺ + NO₃^- = CuOH⁺ + NO₃^- + H₂O

Cu(OH)₂ + H⁺ = CuOH⁺ + H₂O.

CuOH(NO₃) –нитрат гидроксомеди (II) (основная соль).

Соли вступают в химические реакции с кислотами, растворимыми основаниями и другими солями. Обязательным условием последнего процесса является растворимость обеих солей в воде (см. табл. 3 приложения).

Примеры:

1) BaCl₂ + H₂SO₄ = BaSO₄↓+ 2HCl

    Ba²⁺ + 2Cl^- + 2H⁺ + SO₄²⁺ = BaSO₄↓+ 2H⁺ + 2Cl^- 

    Ba²⁺ + SO₄²⁺ = BaSO₄↓,

2) CuSO₄ + 2KOH = Cu(OH)₂↓ + K₂SO₄

    Cu²⁺ + SO₄^2- +2K⁺ + 2OH^- = Cu(OH)₂↓ + 2K⁺ + SO₄^2-

    Cu²⁺ + 2OH^- = Cu(OH)₂↓,

3) NaCl + AgNO₃ = AgCl↓ + NaNO₃

    Na⁺ + Cl^- + Ag⁺ + NO₃^- = AgCl↓ + Na⁺ NO₃^-

    Cl^- + Ag⁺ = AgCl↓.

2. Углеводы

УГЛЕВОДЫ (сахара), обширная группа полигидроксикарбо-нильных соед., входящих в состав всех живых организмов; к углеводам относят также мн. производные, получаемые при хим. Mодификации этих соед. путем окисления,восстановления или введения разл. заместителей.

Термин "углеводы" возник потому, что первые известные представители углеводов по составу отвечали ф-ле C_mH_2nO_n (угле-род+вода); впоследствии были обнаружены природные углеводы с др. элементным составом.

Классификация и распространение. Углеводы принято делить на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды обычно представляют собой полигид-роксиальдегиды (альдозы) или полигидроксикетоны (кетозы) с линейной цепью из 3-9 атомов С, каждый из к-рых (кроме карбонильного) связан с группой ОН. Простейший моноса-харид, глицериновый альдегид, содержит один асим. атом С и известен в виде двух оптич. антиподов (D и L). Прочиемоносахариды имеют неск. асим. атомов С; их рассматривают как производные D- или L-глицеринового альдегида и относят к D- или L-ряду в соответствии с абс. конфигурацией асим. атома С, наиб. удаленного от карбонильной группы. Различия между изомерными моносахаридами в каждом ряду обусловлены относит, конфигурацией остальных асим. центров.

Характерное св-во моносахаридов в р-рах - мутаротация, т. е. установление таугомерного равновесия между ациклич. альдегидо- или кетоформой, двумя пятичленными (фураноз-ными) и двумя шестичленными (пиранозными) полуацеталь-ными формами. Две пиранозы (как и две фуранозы) отличаются друг от друга конфигурацией (a или b) нового асим. (аномерного) центра, возникающего из карбонильного атома С при циклизации.

Полуацетальный (гликозидный) гидроксил циклич. форм моносахаридов резко отличается от прочих групп ОН моно-сахарида значительно большей склонностью к р-циям нукле-оф. замещения. Такие р-ции приводят к образованию глико-зидов (остаток нуклеофила в гликозиде - напр. спирта. меркаптана - носит назв. агликон). В тех случаях, когдаагликоном служит др. молекула моносахарида, образуются олиго- и полисахариды. При этом каждый остатокмоносахарида может в принципе иметь пиранозную или фуранозную форму, a- или -конфигурацию гликозидного центра и быть связанным с любой из гидроксильных групп соседнего моносахарида. Поэтому число разл. по строению полимерных молекул, к-рые теоретически можно построить даже из остатков только одного моносахарида, представляет собой аст-рономич. величину.

К наиб, обычным и распространенным в природе моноса-харидам относят D-глюкозу, D-галактозу, D-маннозу, D-фрук-тозу, D-ксилозу, L-арабинозу и D-рибозу. Из представителей др. классов моносахаридов часто встречаются: 1) дезоксиса-хара, в молекулах к-рых одна или неск. групп ОН заменены атомами H (напр., L-рамноза, L-фукоза, 2-дезокси-D-рибоза); 2) аминосахара, где одна или неск. групп ОН заменены на аминогруппы (напр., 2-амино-2-дезокси-D-глюкоза, или D-глюкозамин); 3) многоатомные спирты (полиолы, альди-ты), образующиеся при восстановлениикарбонильной группы моносахаридов (D-сорбит из D-глюкозы, D-маннит из D-маннозы, и др.); 4) уроно-вые кислоты -альдозы, у к-рых группа CH₂OH окислена в карбоксильную (напр., D-глюкуроновая к-та); 5) разветвленные сахара, содержащие нелинейную цепь углеродных атомов (напр., апиоза, или 3-С- гидроксиметил-D-глицеро-тетроза; ф-ла I); 6) высшие сахара с длиной цепи более шести атомов С (напр., D-седогеп-тулоза и сиаловые к-ты; ф-лы см. соотв. в статьях Пентозо-фосфатный цикл и Моносахариды}.

За исключением D-глюкозы и D-фруктозы своб. моносахариды встречаются в природе редко. Обычно они входят в состав разнообразных гликозидов, олиго- и полисахаридов и м. б. получены из них после кислотного гидролиза. Разработаны многочисл. методы хим. синтеза редких моносахаридов исходя из более доступных.

Олигосахариды содержат в своем составе от 2 до 10-20 моносахаридных остатков, связанных гликозидными связями. Наиб, распространены дисахариды, выполняющие ф-цию запасных B-B: сахароза в растениях, трегалоза в насекомых и грибах, лактоза в молоке млекопитающих. Известны многочисл. гликозиды олигосахаридов, к к-рым относят разл. физиологически активные в-ва, напр, гликозиды сердечные, нек-рые сапонины (в растениях), мн. антибиотики (в грибах и бактериях), гликолипиды.

Полисахариды- высокомол. соед., линейные или разветвленные молекулы к-рых построены из остатковмоносахаридов, связанных гликозидными связями. В состав полисахаридов могут входить также заместители неуглеводной природы (остатки алифатич. к-т, фосфат, сульфат). В свою очередь цепи высших олигосахаридов иполисахаридов могут присоединяться к полипептидным цепям с образованием гликопротеинов.

Особую группу составляют биополимеры, в молекулах к-рых остатки полиолов, гликозилполиолов, нуклеозидов или моно- и олигосахаридов соединены не гликозидными, а фос-фодиэфирными связями. К этой группе относяттейхоевые кислоты бактерий, компоненты клеточных стенок нек-рых дрожжей, а также нуклеиновые кислоты, в основе к-рых лежит поли-D-рибозофосфатная (РНК) или поли-2-дезок-си-D-рибозофосфатная (ДНК) цепь.

Физико-химические свойства. Обилие полярных функц. групп в молекулах моносахаридов приводит к тому, что эти в-ва легко раств. в воде и не раств. в малополярных орг. р-рителях. Способность к таутомерным превращениям обычно затрудняет кристаллизацию моно- и олигосахаридов, однако если такие превращения невозможны (напр., как в гликозидах и невосстанавливающих олигосахаридах типа сахарозы), то в-ва кристаллизуются легко. Mн. гликозиды с малополярными агликонами (напр., сапонины) проявляют св-ва ПАВ.

Полисахариды - гидрофильные полимеры, мн. из них образуют высоковязкие водные р-ры (растит, слизи, гиалуроно-вая к-та; ф-лу последней см. в ст. Мукополисахариды), а в ряде случаев (в результате своеобразной межмол. ассоциации) - прочные гели (агар, алъгиновые кислоты, каррагинаны, пектины). Нек-рые полисахариды образуют высокоупорядоченные надмолекулярные структуры, препятствующие гидратации отдельных молекул; такиеполисахариды (напр., хитин, целлюлоза)не раств. в воде.

Биологическая роль. Ф-ции углеводов в живых организмах чрезвычайно многообразны. В растениях моносахаридыявляются первичными продуктами фотосинтеза и служат исходными соед. для биосинтеза гликозидов иполисахаридов, а также др. классов B-B (аминокислот, жирных K-T, фенолов и др.). Эти превращения осуществляютсяферментами, субстратами для к-рых служат, как правило, богатые энергией фос-форилир. производные Сахаров, гл. обр. нуклеозиддифосфат-сахара.

Углеводы запасаются в растениях (в виде крахмала), животных, бактериях и грибах (в виде гликогена), где служат энергетич. резервом. Источником энергии являются р-ции расщепления глюкозы, образующейся из этихполисахаридов, по гликоли-тич. или окислит. пути (см. Гликолиз). В виде гликозидов в растениях и животных осуществляется транспорт разл. метаболитов. Полисахариды и более сложные углеводсодержащие полимерывыполняют в живых организмах опорные ф-ции. Жесткая клеточная стенка у высших растений представляет собой сложный комплекс из целлюлозы, гемицеллюлоз и пектинов. Армирующим полимером в клеточной стенке бактерий служат пептидогликаны (муреины), а в клеточной стенке грибов и наружных покровах членистоногих - хитин. Ворганизме животных опорные ф-ции выполняют протео-гликаны соединит, ткани, углеводная часть молекул к-рых представлена сульфатир. мукополисахаридами. Эти в-ва участвуют в обеспечении специфич. физ.-хим. CB-B такихтканей, как кости, хрящи, сухожилия, кожа. Будучи гидрофильными полианионами, эти полисахариды способствуют также поддержанию водного баланса и избират. ионной проницаемости клеток. Аналогичные ф-ции в морских многоклеточных водорослях выполняют сульфатир. галактаны (красные водоросли) или более сложные сульфатир. гетерополисахари-ды (бурые и зеленые водоросли); в растущих и сочных тканях высших растений эту ф-цию выполняют пектины.

Особенно ответственна роль сложных углеводов в образовании клеточных пов-стей и мембран и придании им специфич. св-в. Так, гликолипиды - важнейшие компоненты мембран нервных клеток и оболочек эритроцитов, алипополисахариды -наружной оболочки грамотрицат. бактерий. Углеводы клеточной пов-сти часто определяютспецифичность иммунологич. р-ций (групповые в-ва крови, бактериальные антигены) и взаимод. клеток с вирусами. Углеводные структуры принимают участие и в др. высокоспецифич. явлениях клеточного взаимод., таких, как оплодотворение, узнавание клеток при тканевой дифференциации, отторжение чужеродных тканей и т. д.

Практическое использование. Углеводы составляют главную часть пищ. рациона человека, в связи с чем широко используются в пищ. и кондитерской пром-сти (крахмал, сахароза и др.). Кроме того, в пищ. технологии применяют структурир. в-ва полисахаридной природы, не имеющие сами по себе пищ. ценности,- гелеобразователи, загустители,стабилизаторы суспензий и эмульсий (альгинаты, агар, пектины, растит. галактоманнаны и др.).

Превращения моносахаридов при спиртовом брожении лежат в основе процессов получения этанола, пивоварения, хлебопечения; др. виды брожения позволяют получать из Сахаров биотехнол. методами глицерин, молочную, лимонную, глюконовую к-ты и мн. др. в-ва.

Глюкозу, аскорбиновую к-ту, углеводсодержащие антибиотики, гепарин широко применяют в медицине. Целлюлозаслужит основой для получения вискозного волокна, бумаги, нек-рых пластмасс, BB и др. Сахарозу и растит, полисахари-ды рассматривают как перспективное возобновляемое сырье, способное в будущем заменить нефть в пром. орг. синтезе. Моносахариды используют в качестве доступных хиральных исходных соед. для синтеза сложных прир. B-B неуглеводной природы.