Генетическая связь между классами органических и неорганических веществ

Единство и многообразие химических веществ этого мира наиболее ярко проявляется в генетической связи веществ, которая отражается в так называемых генетических рядах. Выделим наиболее характерные признаки таких рядов:

1. Все вещества этого ряда должны быть образованы одним химическим элементом. Например, ряд, записанный с помощью следующих формул:

Вr₂ → HBr → NaBr → NaNO₃

нельзя считать генетическим, так как в последнем звене элемент бром отсутствует, хотя реакция для перехода от NaBr к NaNO₃ легко осуществима:

NaBr + AgNO₃ = AgBr ↓ + NaNO₃

Этот ряд мог бы считаться генетическим рядом элемента брома, если бы его завершили, например, так:

Вr₂ → НВr → NaBr → AgBr

2. Вещества, образованные одним и тем же элементом, должны принадлежать к различным классам, то есть отражать разные формы его существования.

 

3. Вещества, образующие генетический ряд одного элемента, должны быть связаны взаимопревращениями. По этому признаку можно различать полные и неполные генетические ряды.

Например, приведенный выше генетический ряд брома будет неполным, незавершенным. А вот следующий ряд:

Вr₂ → НВr → NaBr → AgBr → Вr₂

уже можно рассматривать как полный: он начинался простым веществом бромом и им же закончился.

Обобщая сказанное выше, можно дать следующее определение генетического ряда:

Генетическим называют ряд веществ – представителей разных классов, являющихся соединениями одного химического элемента, связанных взаимопревращениями и отражающих общность происхождения этих веществ или их генезис.

Генетическая связь – понятие более общее, чем генетический ряд, который является пусть и ярким, но частным проявлением этой связи, которая реализуется при любых взаимных превращениях веществ. Тогда, очевидно, под это определение подходит и первый приведенный в тексте параграфа ряд веществ.

Для характеристики генетической связи неорганических веществ мы рассмотрим три разновидности генетических рядов:

I. Генетический ряд металла. Наиболее богат ряд металла, у которого проявляются разные степени окисления. В качестве примера рассмотрим генетический ряд железа со степенями окисления +2 и +3:

Fe → FeCl2 → Fe(OH)2 → FeO → Fe → метал   соль– хлорид железа (II)   основание– гидроксид железа (II)   основной оксид– оксид железа (II)   металл

 

→ FeCl3 → Fe(OH)3 → Fe2O3 → Fe   соль хлорид железа (III)   гидроксид железа (III) – амфотерное соединение с преобладанием основных свойств   оксид железа (III) – аналогичен по свойствам соответствующему гидроксиду   металл

II. Напомним, что для окисления железа в хлорид железа (II) нужно взять более слабый окислитель, чем для получения хлорида железа (III):

III. но

IV. Генетический ряд неметалла. Аналогично ряду металла более богат связями ряд неметалла с разными степенями окисления, например генетический ряд серы со степенями окисления +4 и +6:

S → SO2 → H2SO4 → Na2SO3 → неметалл   кислотный оксид – оксид серы (IV)   сернистая кислота   соль – сульфит натрия

V.

→ SO2 → SO3 → H2SO4 → SO2 → S   кислотный оксид – оксид серы (IV)   кислотный оксид – оксид серы (VI)   серная кислота   кислотный оксид – оксид серы (IV)   неметалл

VI. Затруднение может вызвать лишь последний переход. Если вы выполняете задания такого типа, то руководствуйтесь правилом: чтобы получить простое вещество из окисленного соединения элемента, нужно взять для этой цели самое восстановленное его соединение, например летучее водородное соединение неметалла. В нашем примере:

VII. По этой реакции в природе из вулканических газов образуется сера.

VIII. Аналогично для хлора:

IX. Генетический ряд металла, которому соответствуют амфотерные оксид и гидроксид, очень богат связями, так как они проявляют в зависимости от условий то свойства кислоты, то свойства основания. Например, рассмотрим генетический ряд цинка:

В органической химии также следует различать более общее понятие – «генетическая связь» и более частное понятие – «генетический ряд». Если основу генетического ряда в неорганической химии составляют вещества, образованные одним химическим элементом, то основу генетического ряда в органической химии (химии углеродных соединений) составляют вещества с одинаковым числом атомов углерода в молекуле. Рассмотрим генетический ряд органических веществ, в который включим наибольшее число классов соединений:

                                 

 

Например:

 

Каждой цифре над стрелкой соответствует определенное уравнение реакции (уравнение обратной реакции обозначено цифрой со штрихом):

1. C2H6 + Cl2 C2H5Cl + HCl

 

2. C2H5Cl + H2O C2H5OH + HCl

 

 

3. C2H5OH + [O] → Ch3CHO + H2O

 

 

4. CH3CHO + Ag2O CH3COOH + 2Ag↓

 

 

5. C2H6 C2H4 + H2

 

 

6. C2H4 + H2O C2H5OH

 

7. C2H6 C2H2 + H2

 

8. C2H2 + H2O CH3CHO

 

9. C2H5Cl C2H4 + HCl

 

10. C2H4 C2H2 + H2

 

2′. C2H5OH + HCl C2H5Cl + H2O

 

3′. CH3CHO + H2 C2H5OH

 

5′. C2H4 + H2 C2H6

 

6′. C2H5OH C2H4 + H2O

 

7′. C2H2 + 2H2 C2H6

 

9′. C2H4 + HCl → C2H5Cl

 

10′. C2H2 + H2 C2H4

 

11. CH3COOH + Cl2 CH2Cl–COOH + HCl

 

12. CH2ClCOOH + 2NH3 → NH2CH2COOH + NH4Cl   изб.

 

13. n · HNH–CH2COOH (–NH–CH2–CO–) n + n · H2O

Под определение генетического ряда не подходит последний переход – образуется продукт не с двумя, а с множеством углеродных атомов, но зато с его помощью наиболее многообразно представлены генетические связи.

Химия и экология

В наши дни проблема охраны окружающей среды чрезвычайно возросла в связи со значительным, а очень часто и катастрофическим воздействием хозяйственной деятельности человека на природу.

Производственная деятельность человека нанесла биосфере – живой оболочке Земли – серьезный урон, нарушив сложившееся за время существования планеты экологическое равновесие. Загрязнение окружающей среды в нашем сознании связывается в первую очередь с отравлением воды, воздуха, земли, которое может непосредственно влиять на здоровье и самочувствие человека. Однако химическое загрязнение чревато и косвенными эффектами. Например, большие выбросы углекислого газа сказываются на климате, что, в свою очередь, отражается на производстве продуктов питания; изменение концентраций биогенных элементов (азота, серы, фосфора, калия и др.) приводит к гибели одних популяций и бурному размножению других. Основные типы загрязнения и их важнейшие источники иллюстрирует рисунок.1.

 

Рисунок 1.

Загрязнение воды и воздуха

Химическое загрязнение окружающей среды обусловлено следующими факторами:

1. повышением концентрации биогенных элементов из-за канализационных сбросов и стока с полей удобрений, вызывающих бурное развитие водорослей и нарушение баланса в существующих экосистемах;

2. отравлением воды, почвы и воздуха отходами промышленных производств;

3. воздействием на воду и почву продуктов сжигания топлива, снижающих качество воздуха и вызывающих кислотные дожди;

4. потенциальным заражением воздуха, воды и почвы радиоактивными отходами, образующимися при производстве ядерного оружия и атомной энергии;