Jednym z najczęstszych pierwiastków chemicznych zawartych w ogromnej większości chemikaliów jest tlen. Tlenki, kwasy, zasady, alkohole, fenole i inne związki zawierające tlen są badane w toku chemii nieorganicznej i organicznej. W naszym artykule przeanalizujemy właściwości, a także podamy przykłady ich zastosowania w przemyśle, rolnictwie i medycynie.
Tlenki
Najprostszą strukturą są dwuskładnikowe związki metali i niemetali z tlenem. Klasyfikacja tlenków obejmuje następujące grupy: kwasowe, zasadowe, amfoteryczne i obojętne. Głównym kryterium podziału wszystkich tych substancji jest to, który pierwiastek łączy się z tlenem. Jeśli to metal, to są podstawowe. Na przykład: CuO, MgO, Na2O - tlenki miedzi, magnezu, sodu. Ich główną właściwością chemiczną jest reakcja z kwasami. Tak więc tlenek miedzi reaguje z kwasem chlorkowym:
CuO + 2HCl -> CuCl2 + H2O +63,3 kJ.
Obecność atomów pierwiastków niemetalicznych w cząsteczkach związków dwuskładnikowych wskazuje na ich przynależność do tlenków kwasowych, na przykład tlenku wodoru H2O, dwutlenku węgla CO 2, pięciotlenek fosforu P2O5. Zdolność takich substancji do reagowania z zasadami jest ich główną cechą chemiczną.
W wyniku reakcji mogą powstać sole dwóch rodzajów: kwaśne lub średnie. Będzie to zależeć od tego, ile moli alkaliów zareaguje:
- CO2 + KOH=> KHCO3;
- CO2+ 2KOH=> K2CO3 + H2O.
Inna grupa związków zawierających tlen, do której należą takie pierwiastki chemiczne jak cynk czy glin, określane są jako tlenki amfoteryczne. W ich właściwościach występuje tendencja do chemicznego oddziaływania zarówno z kwasami, jak i zasadami. Produktami oddziaływania tlenków kwasowych z wodą są kwasy. Na przykład w reakcji bezwodnika siarkowego i wody powstaje kwas siarczanowy. Kwasy są jedną z najważniejszych klas związków zawierających tlen.
Kwasy i ich właściwości
Związki składające się z atomów wodoru związanych ze złożonymi jonami reszt kwasowych to kwasy. Konwencjonalnie można je podzielić na nieorganiczne, na przykład kwas węglowy, siarczan, azotan i związki organiczne. Te ostatnie obejmują kwas octowy, mrówkowy, oleinowy. Obie grupy substancji mają podobne właściwości. Wchodzą więc w reakcję neutralizacji z zasadami, reagują z solami ipodstawowe tlenki. Prawie wszystkie kwasy zawierające tlen w roztworach wodnych dysocjują na jony, będące przewodnikami drugiego rodzaju. Za pomocą wskaźników można określić kwaśny charakter ich środowiska, ze względu na nadmierną obecność jonów wodorowych. Na przykład fioletowy lakmus zmienia kolor na czerwony po dodaniu do roztworu kwasu. Typowym przedstawicielem związków organicznych jest kwas octowy zawierający grupę karboksylową. Zawiera atom wodoru, który określa kwasowe właściwości substancji. Jest to bezbarwna ciecz o specyficznym ostrym zapachu, krystalizująca w temperaturach poniżej 17 °C. CH3COOH, podobnie jak inne kwasy zawierające tlen, jest doskonale rozpuszczalny w wodzie w dowolnych proporcjach. Jego 3 - 5% roztwór znany jest w życiu codziennym pod nazwą octu, który jest używany w kuchni jako przyprawa. Substancja znalazła również zastosowanie w produkcji jedwabiu octanowego, barwników, tworzyw sztucznych i niektórych leków.
Związki organiczne zawierające tlen
W chemii można wyróżnić dużą grupę substancji zawierających oprócz węgla i wodoru także cząsteczki tlenu. Są to kwasy karboksylowe, estry, aldehydy, alkohole i fenole. Wszystkie ich właściwości chemiczne są determinowane obecnością w cząsteczkach specjalnych kompleksów - grup funkcyjnych. Na przykład, ogólny wzór chemiczny alkoholu zawierającego jedynie wiązania ograniczające między atomami to ROH, gdzie R oznacza rodnik węglowodorowy. Związki te są zwykle uważane za pochodne alkanów, w których jedenatom wodoru jest zastąpiony przez grupę hydrokso.
Właściwości fizyczne i chemiczne alkoholi
Zagregowany stan alkoholi to ciecze lub związki stałe. Wśród alkoholi nie ma substancji gazowych, co można wytłumaczyć tworzeniem asocjatów - grup składających się z kilku cząsteczek połączonych słabymi wiązaniami wodorowymi. Fakt ten decyduje również o dobrej rozpuszczalności niższych alkoholi w wodzie. Jednak w roztworach wodnych substancje organiczne zawierające tlen - alkohole nie dysocjują na jony, nie zmieniają koloru wskaźników, to znaczy mają odczyn obojętny. Atom wodoru grupy funkcyjnej jest słabo związany z innymi cząsteczkami, dlatego w oddziaływaniach chemicznych jest w stanie opuścić cząsteczkę. W tym samym miejscu wolnej wartościowości jest zastępowany innymi atomami, na przykład w reakcjach z aktywnymi metalami lub z zasadami - atomami metali. W obecności katalizatorów, takich jak siatka platynowa lub miedź, alkohole są utleniane przez silne utleniacze, dwuchromian potasu lub nadmanganian potasu, do aldehydów.
Reakcja estryfikacji
Jedną z najważniejszych właściwości chemicznych substancji organicznych zawierających tlen: alkoholi i kwasów jest reakcja prowadząca do produkcji estrów. Ma duże znaczenie praktyczne i jest stosowany w przemyśle do ekstrakcji estrów stosowanych jako rozpuszczalniki w przemyśle spożywczym (w postaci esencji owocowych). W medycynie niektóre estry są stosowane jako środki przeciwskurczowe, np. azotyn etylu rozszerza obwodowe naczynia krwionośne,Azotyn izoamylu chroni przed skurczami tętnic wieńcowych. Równanie reakcji estryfikacji jest następujące:
CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O
W tym, CH3COOH to kwas octowy, a C2H5OH to wzór chemiczny alkoholu etanolowego.
Aldehydy
Jeśli związek zawiera grupę funkcyjną –COH, to należy do aldehydów. Prezentowane są jako produkty dalszego utleniania alkoholi np. środkami utleniającymi takimi jak tlenek miedzi.
Obecność kompleksu karbonylowego w cząsteczkach mrówku lub aldehydu octowego determinuje ich zdolność do polimeryzacji i przyłączania atomów innych pierwiastków chemicznych. Reakcje jakościowe, które można wykorzystać do wykazania obecności grupy karbonylowej i przynależności substancji do aldehydów, to reakcja zwierciadlana srebra i oddziaływanie z wodorotlenkiem miedzi po podgrzaniu:
Aldehyd octowy, który jest używany w przemyśle do produkcji kwasu octowego, otrzymał największe zastosowanie - produkt syntezy organicznej o dużym tonażu.
Właściwości związków organicznych zawierających tlen - kwasy karboksylowe
Obecność grupy karboksylowej – jednej lub więcej – jest cechą charakterystyczną kwasów karboksylowych. Ze względu na budowę grupy funkcyjnej dimery mogą tworzyć się w roztworach kwaśnych. Są one połączone wiązaniami wodorowymi. Związki dysocjują na kationy wodorowe i aniony reszt kwasowych i są słabymi elektrolitami. Wyjątkiem jest pierwszy przedstawiciel serii ograniczającychkwasy jednozasadowe - mrówkowy, czyli metan, który jest przewodnikiem drugiego rodzaju o średniej wytrzymałości. Obecność tylko prostych wiązań sigma w cząsteczkach wskazuje na granicę, ale jeśli substancje mają w swoim składzie wiązania podwójne pi, są to substancje nienasycone. Pierwsza grupa obejmuje takie kwasy jak metan, octowy, masłowy. Drugi reprezentowany jest przez związki wchodzące w skład płynnych tłuszczów - oleje, na przykład kwas oleinowy. Właściwości chemiczne związków zawierających tlen: kwasów organicznych i nieorganicznych są w dużej mierze podobne. Mogą więc wchodzić w interakcje z aktywnymi metalami, ich tlenkami, z zasadami, a także z alkoholami. Na przykład kwas octowy reaguje z sodem, tlenkiem i sodą kaustyczną, tworząc sól - octan sodu:
NaOH + CH3COOH→NaCH3COO + H2O
Szczególne miejsce zajmują związki wyższych kwasów karboksylowych zawierających tlen: stearynowy i palmitynowy, z trójwodorotlenowym alkoholem nasyconym - gliceryną. Należą do estrów i nazywane są tłuszczami. Te same kwasy są częścią soli sodowych i potasowych jako kwaśne pozostałości, tworząc mydła.
Tłuszcze i mydła
Ważne związki organiczne, które są szeroko rozpowszechnione w dzikiej przyrodzie i odgrywają wiodącą rolę, ponieważ najbardziej energochłonną substancją są tłuszcze. Nie są one pojedynczym związkiem, ale mieszaniną heterogenicznych glicerydów. Są to związki ograniczającego alkoholu wielowodorotlenowego – gliceryny, która podobnie jak metanol i fenol zawiera hydroksylowe grupy funkcyjne. Tłuszcze mogą być hydrolizowaneogrzewanie wodą w obecności katalizatorów: zasad, kwasów, tlenków cynku, magnezu. Produktami reakcji będzie glicerol i różne kwasy karboksylowe, wykorzystywane dalej do produkcji mydła. Aby nie używać w tym procesie drogich naturalnych tłuszczów jadalnych, niezbędne kwasy karboksylowe uzyskuje się poprzez utlenianie parafiny.
Fenole
Wymyślając klasy związków zawierających tlen, skupmy się na fenolach. Są one reprezentowane przez rodnik fenylowy -C6H5, połączony z jedną lub większą liczbą funkcyjnych grup hydroksylowych. Najprostszym przedstawicielem tej klasy jest kwas karbolowy lub fenol. Jako bardzo słaby kwas może wchodzić w interakcje z zasadami i metalami aktywnymi - sodem, potasem. Substancja o wyraźnych właściwościach bakteriobójczych - fenol znajduje zastosowanie w medycynie, a także do produkcji barwników i żywic fenolowo-formaldehydowych.
W naszym artykule zbadaliśmy główne klasy związków zawierających tlen, a także rozważyliśmy ich właściwości chemiczne.
