ПРЕДМЕТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ, ЕЕ МЕСТО И ЗНАЧЕНИЕ В СИСТЕМЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК - ВВЕДЕНИЕ

Цели урока. Раскрыть более подробно, чем в курсе 9-го класса, предмет органической химии. Повторить особенности органических соединений в сравнении с неорганическими. Показать роль органической химии в жизни современного общества и роль последнего в становлении и развитии первой.

Оборудование: крахмал, известковая вода, СuО, безводный CuSO4, пробирка с газоотводной трубкой, спиртовка. Демонстрационные образцы: коллекции органических веществ, материалов и изделий из них.

I. Вступительное слово учителя

Изучение нового раздела химии учитель начинает с объяснения самого термина и предмета изучения органической химии. В конце XVIII - начале XIX в. в науке химии господствовало учение под названием «витализм» (от латинского vita - жизнь). Сторонники витализма утверждали, что любые вещества живой природы могут образовываться в живых организмах только под действием особой «жизненной силы». Благодаря этому учению исследования строения и свойств растительных и животных веществ выделились в отдельный раздел химии. Шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус назвал его органической химией, а предмет ее изучения - органическими веществами.

С развитием и совершенствованием химического эксперимента стало ясно, что органические вещества могут быть синтезированы из неорганических (или, как их называли раньше, минеральных) вне всякого живого организма, в колбе или пробирке. Сначала немецкий химик Фридрих Вёлер получил органическую щавелевую кислоту и мочевину из неорганических исходных веществ. Затем немецкий химик-органик Адольф Вильгельм Герман Кульбе в 1845 г. синтезировал уксусную кислоту из углерода. Решающим для витализма оказался 1854 г. Француз Пьер Эжен Марселей Бертло гидратацией этилена в присутствии серной кислоты синтезировал этиловый спирт, получавшийся до этого только брожением углеводов, а также искусственным путем получил аналоги природных жиров. «Химия не нуждается в жизненной силе!» — вынесет Бертло приговор витализму.

С тех пор органической химией стали называть науку о способах получения, строении, свойствах и применении соединений углерода.

Учитель записывает на доске логическую цепочку:

Это мотивация, причинно-следственная связь, идеология всего курса.

На сегодняшний день органическая химия — один из самых крупных и важных разделов химии. Это объясняется следующими обстоятельствами:

1. Число известных органических соединений увеличивается в геометрической прогрессии и на сегодняшний день превышает 18 млн., в то время как неорганических веществ известно немногим более 100 тысяч.

2. Большинство современных промышленных процессов в химической индустрии - это реакции и получение органических веществ. Это лекарственные препараты и средства повышения производительности сельского хозяйства, полимерные материалы и красители, пищевые добавки и косметические средства. Многое из того, что мы видим вокруг себя - одежда и пластмассы, строительные материалы и мебель, средства гигиены и бытовая химия, содержимое аптечки и топливо автомобилей,— все это продукция основного (многотоннажного) или тонкого органического синтеза.

3. Неорганическая природа по-своему красива, но сурова: крутые скалы и водная гладь, золотой песок и бескрайняя снежная равнина. Но она мертва без органической химии - основы жизни на Земле. Большинство процессов, протекающих в живых организмах и обеспечивающих их существование,- химические реакции органических веществ. Органическая химия - это химия жизни.

4. Химики научились синтезировать очень сложные природные вещества: углеводы, белки, нуклеиновые кислоты. На помощь органическому синтезу в этих случаях приходит биотехнология: крупные молекулы конструируют из более простых «кирпичиков» «специально обученные» микроорганизмы и клеточные культуры. На основе достижений органической химии генная инженерия нашла способ «пересадки» генов одного живого организма другому, в результате чего последний приобретает новые полезные свойства. Не исключено, что когда-нибудь живая материя будет создана искусственным путем.

II. Особенности строения и свойств органических соединений

В настоящее время число синтетических органических соединений несравнимо больше веществ, встречающихся в природе. Почему же все-таки органическая химия сохранила свою обособленность? Причина этого - в особенностях строения соединений углерода.

Учитель обращает внимание учащихся на специфику органических соединений.

1. Углерод — единственный элемент Периодической системы, атомы которого способны образовывать очень длинные цепочки, соединяясь друг с другом. Этим объясняется великое множество органических веществ. В отличие от неорганических молекул, органические могут иметь огромную относительную молекулярную массу, достигающую нескольких миллионов.

2. Наиболее важными с теоретической точки зрения считают соединения углерода и водорода (углеводороды). Все остальные классы органических веществ можно рассматривать как производные углеводородов, в которых часть атомов водорода замещена на другие атомы или группы атомов.

Поскольку органические вещества, как правило, содержат помимо углерода водород, при горении они образуют углекислый газ и воду. Целесообразно продемонстрировать опыт, подтверждающий наличие углерода и водорода в органическом веществе. В пробирку с газоотводной трубкой, закрепленную в лапке штатива, помещают 1-2 г крахмала, сверху насыпают тонкий слой порошка оксида меди (II), а около отверстия помещают немного безводного CuSО4.

Газоотводную трубку опускают в пробирку с известковой водой. Пробирку нагревают, наблюдая за помутнением известковой воды в результате выделения углекислого газа. На холодных стенках пробирки конденсируются капельки воды, которые при попадании на них свежепрокаленного белого порошка сульфата меди (II) превращают безводную соль в кристаллогидрат голубого цвета. Уравнения реакций можно записать так:

3. Наиболее распространенным типом связи между атомами в органических веществах является ковалентная связь. Ребятам предлагается вспомнить, какие еще типы связей им известны. Ковалентная связь определяет в свою очередь тип кристаллической решетки большинства соединений - молекулярная. Попутно можно вспомнить о других типах кристаллических решеток, характерных для неорганических веществ: ионной, атомной, металлической. Какими свойствами обладают вещества с молекулярными кристаллическими решетками? Они легкоплавки, летучи, растворимы в органических растворителях.

4. Еще одной причиной многообразия органических соединений является изомерия. Это явление очень редко встречается в неорганической химии. Ребята с помощью учителя вспоминают определение:

Изомерами называются вещества, имеющие одинаковый состав, но различное химическое строение.

Подробнее изомерию еще предстоит изучить на следующих уроках.

III. Взаимосвязь науки и жизни на примере развития органической химии

Эта часть урока, как видно из названия, имеет больше возможности для раскрытия взаимосвязи теории и практики.

Учитель может начать этот этап урока с раскрытия влияния практических потребностей общества на развитие органической химии, на темпы этого процесса и его основные направления.

Так, продолжает учитель, в период с XVII в. по первую половину XIX в. развитие органической химии определялось, в первую очередь, потребностями медицины в новых лекарствах, поэтому вполне логично, что важные открытия в области химии в то время делали фармацевты. Имеется, правда, и замечательное исключение из этого правила — микробиологические исследования Л. Пастера заложили фундамент для возникновения стереохимии. Будет неплохо, если учитель напомнит старшеклассникам о том, что с именем этого великого ученого связаны столь знакомые всем процессы пастеризации и, конечно, создание прививки против бешенства.

Со второй половины XIX в., подчеркивает учитель, наметился прочный союз органической химии с промышленностью, в первую очередь с производством синтетических красителей. Перед химиками была поставлена задача расшифровки строения известных природных красителей (ализарина, индиго и др.), создания синтетических красителей и способов их производства. И химики-органики блестяще справились с этой задачей — разработали промышленные способы получения синтетических красителей, так или иначе связанных с анилином (их так и называют «анилиновые»).

Развитие анилинокрасочной промышленности послужило мощным стимулом для исследований ряда бензола и нафталина, которые служили ей сырьем. Переломным моментом на этом направлении явилось в 1868 г. сообщение о том, что К. Гребе и К. Либерман получили синтетический ализарин — ценный краситель, который до этого получали из корней растения марены. Были освобождены от посадки марены тысячи гектаров пашни, но не только — создание синтетического ализарина оказало большое влияние на производство каменноугольной смолы и др. химических производств. Триумфом в создании синтетических красителей стало открытие промышленного синтеза «короля красок» — индиго в результате работ А. Байера.

Параллельно с производством красителей развивались химико-фармацевтическая промышленность и производство взрывчатых веществ, которые используют в качестве сырья ароматические соединения. Поэтому конец XX в. ознаменовался бурным развитием нефтехимии, т. к. важнейшим источником органических соединений стала нефть. Появились практически важные каталитические способы превращения органических соединений, созданные П. Сабатье во Франции, В. Н. Ипатьевым и Н. Д. Зеленским — в России.

Теория химического строения получила новый импульс в результате открытий, связанных с изучением строения атома. Были разработаны методы физико-химических и физических исследований молекул и, прежде всего, рентгеноструктурный анализ.

С развитием квантовой химии появились вычислительные методы, позволяющие с помощью расчетов делать заключения о строении и свойствах органических соединений.

Органическая химия в XX в. приобрела огромное практическое значение и, в первую очередь, для переработки нефти, синтеза полимеров, синтеза и получения биологически активных веществ. В результате из органической химии выделились в самостоятельные дисциплины такие ее направления, как нефтехимия, химия полимеров, биоорганическая химия.

Современная органическая химия, заключает учитель, имеет сложную структуру. Основу ее составляет прикладная органическая химия, которая занимается выделением из природного, искусственного и синтетического сырья важнейших органических соединений. Решает эти задачи органическая химия в тесном взаимодействии с другими естественными науками и, прежде всего, с аналитической химией, которая позволяет судить о степени очистки, гомогенности, индивидуальных особенностях органических соединений. В свою очередь, аналитическая химия с этой целью использует различные химические, физико-химические и физические методы исследования.

Сознательный подход к решению задач, стоящих перед прикладной и аналитической органической химией, обеспечивается опорой их на теоретическую органическую химию, которая, прежде всего, занимается дальнейшей разработкой теории строения, а также изучением закономерностей протекания органических реакций.

Такая структура органической химии диктуется, в первую очередь, запросами жизни общества. Именно этим объясняется, например, то обстоятельство, что в современной органической химии ускоренно развивается химия гетероциклических соединений, т. к. именно она является основой химии синтетических и природных лекарств.