Viens no visbiežāk sastopamajiem ķīmiskajiem elementiem, kas iekļauts lielākajā daļā ķīmisko vielu, ir skābeklis. Neorganiskās un organiskās ķīmijas kursā tiek pētīti oksīdi, skābes, bāzes, spirti, fenoli un citi skābekli saturoši savienojumi. Mūsu rakstā mēs pētīsim īpašības, kā arī sniegsim piemērus to pielietojumam rūpniecībā, lauksaimniecībā un medicīnā.
Oksīdi
Visvienkāršākā struktūra ir metālu un nemetālu bināri savienojumi ar skābekli. Oksīdu klasifikācijā ietilpst šādas grupas: skābie, bāziskie, amfoteriskie un vienaldzīgie. Visu šo vielu sadalīšanas galvenais kritērijs ir tas, kurš elements savienojas ar skābekli. Ja tas ir metāls, tad tie ir pamata. Piemēram: CuO, MgO, Na2O - vara, magnija, nātrija oksīdi. To galvenā ķīmiskā īpašība ir reakcija ar skābēm. Tātad vara oksīds reaģē ar hlorīda skābi:
CuO + 2HCl -> CuCl2 + H2O +63,3 kJ.
Nemetālisko elementu atomu klātbūtne bināro savienojumu molekulās norāda uz to piederību skābiem oksīdiem, piemēram, ūdeņraža oksīds H2O, oglekļa dioksīds CO 2, fosfora pentoksīds P2O5. Šādu vielu spēja reaģēt ar sārmiem ir to galvenā ķīmiskā īpašība.
Reakcijas rezultātā var veidoties divu veidu sāļi: skābi vai vidēji. Tas būs atkarīgs no tā, cik molu sārmu reaģē:
- CO2 + KOH=> KHCO3;
- CO2+ 2KOH=> K2CO3 + H2O.
Cita skābekli saturošu savienojumu grupa, kurā ietilpst tādi ķīmiskie elementi kā cinks vai alumīnijs, tiek saukti par amfotēriem oksīdiem. To īpašībās ir tendence uz ķīmisku mijiedarbību gan ar skābēm, gan sārmiem. Skābju oksīdu mijiedarbības produkti ar ūdeni ir skābes. Piemēram, sērskābes anhidrīda un ūdens reakcijā veidojas sulfātskābe. Skābes ir viena no svarīgākajām skābekli saturošo savienojumu klasēm.
Skābes un to īpašības
Savienojumi, kas sastāv no ūdeņraža atomiem, kas saistīti ar kompleksajiem skābes atlikumu joniem, ir skābes. Tradicionāli tos var iedalīt neorganiskajos, piemēram, ogļskābē, sulfātos, nitrātos un organiskajos savienojumos. Pēdējie ietver etiķskābi, skudrskābi, oleīnskābi. Abām vielu grupām ir līdzīgas īpašības. Tātad tie nonāk neitralizācijas reakcijā ar bāzēm, reaģē ar sāļiem unbāzes oksīdi. Gandrīz visas skābekli saturošās skābes ūdens šķīdumos sadalās jonos, kas ir otrā veida vadītāji. Izmantojot indikatorus, ir iespējams noteikt to vides skābumu pārmērīgas ūdeņraža jonu klātbūtnes dēļ. Piemēram, purpursarkanais lakmuss kļūst sarkans, kad to pievieno skābes šķīdumam. Tipisks organisko savienojumu pārstāvis ir etiķskābe, kas satur karboksilgrupu. Tas ietver ūdeņraža atomu, kas nosaka vielas skābās īpašības. Tas ir bezkrāsains šķidrums ar specifisku asu smaržu, kas kristalizējas temperatūrā, kas zemāka par 17 °C. CH3COOH, tāpat kā citas skābekli saturošas skābes, lieliski šķīst ūdenī jebkurā proporcijā. Tā 3 - 5% šķīdums ikdienā pazīstams ar nosaukumu etiķis, ko izmanto kulinārijā kā garšvielu. Viela ir izmantota arī acetāta zīda, krāsvielu, plastmasas un dažu zāļu ražošanā.
Organiskie savienojumi, kas satur skābekli
Ķīmijā var izdalīt lielu vielu grupu, kas bez oglekļa un ūdeņraža satur arī skābekļa daļiņas. Tās ir karbonskābes, esteri, aldehīdi, spirti un fenoli. Visas to ķīmiskās īpašības nosaka īpašu kompleksu - funkcionālo grupu klātbūtne molekulās. Piemēram, spirta, kas satur tikai ierobežojošas saites starp atomiem, vispārējā ķīmiskā formula ir ROH, kur R ir ogļūdeņraža radikālis. Šos savienojumus parasti uzskata par alkānu atvasinājumiem, kuros viensūdeņraža atoms ir aizstāts ar hidrokso grupu.
Spirtu fizikālās un ķīmiskās īpašības
Spirti ir šķidrumi vai cieti savienojumi. Starp spirtiem nav gāzveida vielu, kas izskaidrojams ar asociēto savienojumu veidošanos - grupām, kas sastāv no vairākām molekulām, kas savienotas ar vājām ūdeņraža saitēm. Šis fakts arī nosaka zemāko spirtu labo šķīdību ūdenī. Taču ūdens šķīdumos skābekli saturošas organiskās vielas – spirti, nesadalās jonos, nemaina indikatoru krāsu, tas ir, tiem ir neitrāla reakcija. Funkcionālās grupas ūdeņraža atoms ir vāji saistīts ar citām daļiņām, tāpēc ķīmiskajā mijiedarbībā tas spēj iziet no molekulas. Tajā pašā brīvās valences vietā to aizstāj ar citiem atomiem, piemēram, reakcijās ar aktīviem metāliem vai ar sārmiem - ar metāla atomiem. Katalizatoru, piemēram, platīna sieta vai vara klātbūtnē spirtus oksidē spēcīgi oksidētāji, kālija bihromāts vai kālija permanganāts, veidojot aldehīdus.
Esterifikācijas reakcija
Viena no svarīgākajām skābekli saturošo organisko vielu ķīmiskajām īpašībām: spirti un skābes ir reakcija, kuras rezultātā veidojas esteri. Tam ir liela praktiska nozīme, un to izmanto rūpniecībā, lai ekstrahētu esterus, ko izmanto kā šķīdinātājus pārtikas rūpniecībā (augļu esenču veidā). Medicīnā daži esteri tiek izmantoti kā spazmolīti, piemēram, etilnitrīts paplašina perifēros asinsvadus unizoamilnitrīts ir koronāro artēriju spazmu aizsargs. Esterifikācijas reakcijas vienādojums ir šāds:
CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O
Tajā CH3COOH ir etiķskābe, un C2H5OH ir spirta etanola ķīmiskā formula.
Aldehīdi
Ja savienojums satur –COH funkcionālo grupu, tad tas pieder pie aldehīdiem. Tie tiek parādīti kā spirtu tālākas oksidēšanas produkti, piemēram, ar oksidētājiem, piemēram, vara oksīdu.
Karbonilkompleksa klātbūtne skudrskābes vai acetaldehīda molekulās nosaka to spēju polimerizēties un piesaistīt citu ķīmisko elementu atomus. Kvalitatīvas reakcijas, ko var izmantot, lai pierādītu karbonilgrupas klātbūtni un vielas piederību aldehīdiem, ir sudraba spoguļa reakcija un mijiedarbība ar vara hidroksīdu karsējot:
Acetaldehīds, ko rūpniecībā izmanto etiķskābes ražošanai, ir guvis vislielāko pielietojumu - lielas tonnāžas organiskās sintēzes produkts.
Skābekli saturošu organisko savienojumu - karbonskābju īpašības
Karboksilgrupas klātbūtne - viena vai vairākas - ir karbonskābju pazīme. Funkcionālās grupas struktūras dēļ skābju šķīdumos var veidoties dimēri. Tie ir savstarpēji saistīti ar ūdeņraža saitēm. Savienojumi sadalās ūdeņraža katjonos un skābes atlikumu anjonos un ir vāji elektrolīti. Izņēmums ir pirmais ierobežojuma sērijas pārstāvisvienbāziskās skābes - skudrskābe vai metāns, kas ir otrā veida vidēja stipruma vadītājs. Tikai vienkāršu sigma saišu klātbūtne molekulās norāda uz robežu, bet, ja vielu sastāvā ir dubultās pi saites, tās ir nepiesātinātās vielas. Pirmajā grupā ietilpst tādas skābes kā metāns, etiķskābe, sviestskābe. Otro pārstāv savienojumi, kas ir daļa no šķidrajiem taukiem - eļļas, piemēram, oleīnskābe. Skābekli saturošu savienojumu ķīmiskās īpašības: organiskās un neorganiskās skābes lielā mērā ir līdzīgas. Tātad tie var mijiedarboties ar aktīviem metāliem, to oksīdiem, ar sārmiem, kā arī ar spirtiem. Piemēram, etiķskābe reaģē ar nātriju, oksīdu un kaustiskā soda, veidojot sāli - nātrija acetātu:
NaOH + CH3COOH→ NaCH3COO + H2O
Īpašu vietu ieņem augstāku karbonskābes skābekli saturošu skābju savienojumi: stearīnskābe un palmitīns, ar trīsvērtīgu piesātināto spirtu – glicerīnu. Tie pieder pie esteriem un tiek saukti par taukiem. Tās pašas skābes ir daļa no nātrija un kālija sāļiem kā skābs atlikums, veidojot ziepes.
Tauki un ziepes
Svarīgi organiskie savienojumi, kas ir plaši izplatīti savvaļas dabā un ieņem vadošo lomu kā energoietilpīgākā viela, ir tauki. Tie nav atsevišķs savienojums, bet gan neviendabīgu glicerīdu maisījums. Tie ir ierobežojošā daudzvērtīgā spirta - glicerīna savienojumi, kas, tāpat kā metanols un fenols, satur hidroksilfunkcionālās grupas. Taukus var hidrolizētkarsēšana ar ūdeni katalizatoru klātbūtnē: sārmi, skābes, cinka oksīdi, magnijs. Reakcijas produkti būs glicerīns un dažādas karbonskābes, ko tālāk izmantos ziepju ražošanai. Lai šajā procesā neizmantotu dārgus dabiskos pārtikas taukus, nepieciešamās karbonskābes iegūst, oksidējot parafīnu.
Fenoli
Atklājot skābekli saturošu savienojumu klases, pievērsīsimies fenoliem. Tos attēlo fenilgrupa -C6H5, kas savienota ar vienu vai vairākām funkcionālām hidroksilgrupām. Vienkāršākais šīs klases pārstāvis ir karbolskābe jeb fenols. Kā ļoti vāja skābe tā var mijiedarboties ar sārmiem un aktīviem metāliem – nātriju, kāliju. Vielu ar izteiktām baktericīdām īpašībām - fenolu izmanto medicīnā, kā arī krāsvielu un fenola-formaldehīda sveķu ražošanā.
Mūsu rakstā mēs pētījām galvenās skābekli saturošo savienojumu klases, kā arī ņēmām vērā to ķīmiskās īpašības.
