Pobierz plik

Podział na chemię nieorganiczną i organiczną ma swoje źródło w historii odkryć chemicznych. Do
roku 1828 panowało przekonanie, że do przeprowadzenia reakcji chemicznych przebiegających
w żywych organizmach potrzebna jest jakaś bliżej nieokreślona siła życiowa (vis vitalis). W roku
1828 teorię tę obalił Wöhler, przeprowadzając reakcję otrzymania mocznika (substancji znanej
dotąd tylko jako wytwór żywych organizmów) z nieorganicznych substratów. Podział pozostał do
dziś, lecz ma nieco inny sens. Reakcje należące do chemii organicznej polegają zazwyczaj na przekształcaniu wiązań kowalencyjnych, gdy w chemii nieorganicznej przede wszystkim zachodzą
reakcje z udziałem wiązań jonowych. Podział na chemię organiczną i nieorganiczną jest – jak
wszystkie podziały – dość nieostry i to czy dany związek bądź reakcję zaliczymy do tej, czy tamtej
grupy zależy zazwyczaj od kontekstu. Czasem mówimy także, że chemia organiczna to chemia
związków węgla. Dużo w tym racji, związki zaliczane do organicznych w przeważającej części
mają szkielet zbudowany z atomów węgla połączonych bezpośrednio ze sobą. Bez względu jednak
na to, jakie kryterium przyjmiemy, by dzielić chemię na organiczną i nieorganiczną, dla samej
chemii nie ma to żadnego znaczenia. Dla nas też nie musi.
W bardzo ogólnym ujęciu związki organiczne wywodzą się z podstawowych struktur
węglowych zwanych węglowodorami. Są to związki złożone ze szkieletu, który stanowią połączone
ze sobą atomy węgla, pozostałe zaś wartościowości wysycone są atomami wodoru. „Czyste” węglowodory są bardzo mało aktywne chemicznie, ponieważ niewielka różnica elektroujemności między
atomami węgla (2,5) i wodoru (2,2) powoduje, że wiązania H–C są spolaryzowane tylko w niewielkim stopniu i trudno doprowadzić do ich uaktywnienia. Zdecydowana większość związków
organicznych to związki o szkielecie węglowodorowym, do którego dołączono jedną lub kilka
aktywnych chemicznie grup, tzw. grup funkcyjnych. Są to najczęściej grupy alkoholowe (–OH),
aldehydowe (–CH=O), karboksylowe (–COOH), aminowe (–NH 2), nitrowe (–NO2) itp. Reakcje
związków organicznych to przede wszystkim reakcje między tymi grupami funkcyjnymi, dość
rzadko prowadzące do zmian w szkielecie węglowym cząsteczki.
Ze względu na typ dołączonej do szkieletu węglowodorowego grupy funkcyjnej związki organiczne dzielimy często na grupy o podobnym charakterze chemicznym np. na alkohole, aldehydy,
ketony, kwasy, aminy, związki nitrowe itp. Dość często zdarza się, że cząsteczka zawiera dwie
grupy funkcyjne (a czasem i więcej). Jeśli są to różne grupy, to nie zawsze wiadomo do jakiej kategorii związków zakwalifikować taką cząsteczkę. Jeśli takie związki tworzą duży liczebnie zbiór i są
z jakichś względów szczególnie ważne, tworzymy dla nich odrębną grupę np. aminokwasy, węglowodany, estry, tłuszcze itp.
Jak wcześniej wspomniano, reakcje chemiczne wśród związków organicznych przebiegają
w dość specyficzny sposób, zazwyczaj różniący się od przebiegu reakcji chemii nieorganicznej. Po
zbliżeniu się do siebie dwóch reagujących ze sobą cząsteczek, pola elektromagnetyczne wiązań
grup funkcyjnych oddziałując na siebie nawzajem, powodują takie przemieszczenie się elektronów
walencyjnych tworzących wiązania, że powstaje twór zwany kompleksem aktywnym. Jest to twór
bardzo nietrwały o bardzo wysokiej energii, w którym jeszcze nie przestały do końca działać
wiązania obecne w substratach, a już zaczynają powstawać wiązania, które zostaną „pełnoprawnymi” wiązaniami w produktach. Ta wysoka energia kompleksu aktywnego czasem bywa
barierą niepozwalającą zajść reakcji w danych warunkach. Na przykład węgiel spala się w powietrzu (łączy się z tlenem w CO 2), ale dopiero po doprowadzeniu substratów do wysokiej temperatury (podpaleniu), która jest „źródłem” energii potrzebnej do stworzenia kompleksu aktywnego.
W przypadku związków organicznych ogólny schemat przebiegu reakcji elementarnej jest
następujący:
–
w przestrzeni reakcyjnej muszą spotkać się reagujące ze sobą cząsteczki (np. w reakcji otrzymywania estru metylowego kwasu octowego – cząsteczka alkoholu metylowego CH3OH i cząsteczka kwasu octowego CH3COOH):
Symboliczny zapis reakcji powstawania estru metylowego kwasu octowego
——>
„Przestrzenny” zapis równania reakcji powstawania estru metylowego kwasu octowego
(atomy węgla - szare, tlenu - niebieskie, wodoru - zielonkawe)
Nie każde spotkanie cząsteczek substratów będzie skutkowało reakcją – w niewielkiej odległości muszą znaleźć się reagujące grupy (w naszym przykładzie alkoholowa –OH i karboksylowa –COOH; rysunek powyżej), zetknięcie się substratów np. grupami CH3 do
reakcji nie doprowadzi (rysunek poniżej):
–
w zależności od lokalnych ładunków w cząsteczce (polarności wiązań ulegających
przekształceniu w reakcji) grupy reaktywne będą się „odnajdywały” w przestrzeni łatwiej lub trudniej (analogia do jonów), co wpływa na szybkość reakcji;
–
reagujące ze sobą cząsteczki substratów muszą posiadać w sumie energię znacznie
przekraczająca średnią energię substratów czy produktów (tzw. energię aktywacji);
w procesie przechodzenia od substratów do produktów powstaje bowiem tzw. kompleks aktywny (nietrwała, pośrednia forma między substratem a produktem), który
może przekształcić się w cząsteczki produktu (ale nie musi – może rozpaść się, odtwarzając cząsteczki substratów);
Nasze działania mające wpłynąć na przebieg reakcji (kataliza, zastosowane stężenia, temperatura
reakcji itp.) to mniej lub bardziej bezpośrednia ingerencja w jedno, lub kilka wymienionych wyżej
zdarzeń, zmieniająca prawdopodobieństwo jego zajścia, a tym samym wpływająca na szybkość
całego procesu.
Jeśli pokonanie bariery energetycznej kompleksu aktywnego stanowi zbyt wielkie wyzwanie
techniczne (np. konieczne do przeprowadzenia danej reakcji wysokie temperatury czy ciśnienia)
uciekamy się do pewnego fortelu. Wprowadzamy mianowicie do środowiska reakcji substancję,
która ułatwi przebieg naszej reakcji.
Jeżeli ową trudną do przeprowadzenia reakcję zapiszemy schematycznie jako:
A + B —> AB
to wprowadzenie owej substancji (K) ułatwiającej otrzymanie AB spowoduje najpierw reakcję:
A + K —> AK
która to reakcja przebiega łatwo, bo jej kompleks aktywny nie potrzebuje aż tak dużo energii.
Potem następuje drugi etap, gdzie powstałe w pierwszym etapie AK reaguje z B, również ze
stosunkowo niską energia kompleksu aktywnego:
AK + B —> AB + K
I tak, poprzez zastosowanie substancji K, rozbijając reakcję o wysokiej barierze energetycznej na
dwie reakcje o dużo niższych energiach aktywacji, ominęliśmy kłopoty techniczne. Taka substancja
ułatwiająca zajście procesu przetworzenia substratów w produkty, która (teoretycznie) nie zużywa
się podczas procesu, nosi nazwę katalizatora.
Jak już wiemy, każda reakcja potrzebuje energii z zewnątrz dla stworzenia wysokoenergetycznego kompleksu aktywnego. Co dzieje się z tą energią, gdy kompleks aktywny zamienia się
w produkty? Zostaje ona „oddana” do środowiska reakcji, ale okazuje się, że w ilości niezgodnej
z ilością pobraną. Czasem zostaje zwrócone mniej, niż pobrano, a czasem więcej. Jeżeli suma
energii zawarta w produktach jest większa niż suma energii zawarta w substratach, mówimy
o reakcji endoenergetycznej (lub endotermicznej, jako że energia ta zazwyczaj ma formę ciepła),
czyli takiej, w której w czasie procesu chemicznego energia zostaje pobierana ze środowiska reakcji
– wówczas ilość oddana przez kompleks aktywny jest mniejsza niż ilość pobrana do jego stworzenia. W takim przypadku prowadząc reakcję i chcąc utrzymać stałą temperaturę, musimy energię
dostarczać, np. ogrzewając naczynie reakcyjne.
Jeśli suma energii produktów jest mniejsza niż suma energii substratów (kompleks aktywny odda
więcej, niż wziął) w czasie reakcji energia zostanie przekazana do środowiska reakcji – mówimy
wówczas o reakcji egzoenergetycznej lub egzotermicznej. Niekiedy ta energia może zostać oddana
także jako energia elektryczna (akumulatory, bateryjki) lub świetlna.
I na zakończenie dwa słowa o reakcjach odwracalnych. Nie są to reakcje w jakiś specjalny
sposób związane z reakcjami organicznymi, występują także wśród słabych elektrolitów nieorganicznych, ale tam występują głównie w reakcjach dysocjacji i hydrolizy, a więc reakcjach traktowanych często jako „mniej poważne”. W chemii organicznej są to zazwyczaj reakcje „pełnokrwiste”.
Wyobraźmy sobie proces chemiczny przebiegający samorzutnie według schematu:
A + B ——> C + D
Załóżmy, że rozproszenie materii w czasie tej reakcji rośnie, ale rośnie też energia, reakcja jest
endotermiczna. Mamy więc „zysk” na entropii i „stratę” na energii.
Załóżmy też, że możliwy jest samorzutny proces biegnący odwrotnie:
C + D ——> A + B
Jeśli proces A + B był endotermiczny, to odwrotny proces C + D jest procesem egzotermicznym
(„zysk” na energii). Skoro przejście od (A + B) do (C + D) powoduje wzrost entropii, to proces
odwrotny powoduje jej spadek („strata” na entropii).
Jak już wiemy z rozważań o energetycznych aspektach procesów chemicznych, reakcja będzie
przebiegać samorzutnie tak długo, jak długo będzie generować energetyczny „zysk”, rozumiany
jako suma zmian energii i rozproszenia. Skoro oba procesy są samorzutne, oznacza to, że każdy
układ zawierający obok siebie substancje A, B, C i D jest energetycznie uboższy niż układy (A i B)
lub (C i D). Układ zawierający obok siebie substancje A, B, C i D jest przy pewnym, ściśle okre ślonym stosunku stężeń molowych [A]·[B] do [C]·[D] układem o najniższej sumarycznej energii.
Każda zmiana tego stosunku – czyli dalszy przebieg z lewej do prawej czy odwrotnie – wymaga
nakładu energetycznego (cały czas rozumianego jako suma „zysków” i „strat” energii i rozproszenia), czyli samoistnie nie przebiegnie. Reakcja zatrzyma się w tym punkcie, będącym punktem
równowagi reakcji odwracalnej. Jest to równowaga dynamiczna, tzn. stężenia [A],[B],[C] i [D] nie
zmieniają się w ujęciu makroskopowym, lecz elementarne reakcje A+B—>C+D oraz C+D—>A+B
biegną cały czas z identyczna szybkością, niwelując zarówno zmiany ilości cząsteczek substancji,
jak i efekty energetyczne.