Класифікація органічних сполук і гомологічні ряди
~15 хв · 9 розділів · 10 тестових запитань
Розрізняй органічні й неорганічні сполуки Карбону, природні й синтетичні речовини. Визначай клас сполуки за функціональною групою та розпізнавай гомологи за загальною формулою гомологічного ряду, не плутаючи їх з ізомерами.
Органічні сполуки — це сполуки Карбону, за винятком кількох найпростіших сполук Карбону, які за традицією відносять до неорганічних. До таких винятків належать: карбон(II) оксид CO, карбон(IV) оксид CO₂, карбонатна кислота H₂CO₃, її солі — карбонати (CaCO₃, Na₂CO₃) та гідрогенкарбонати (NaHCO₃), а також карбіди (CaC₂, Al₄C₃). Усі ці речовини містять Карбон, але їхні властивості й походження відрізняються від типових органічних сполук. Натомість сіль органічної кислоти, наприклад натрій етаноат CH₃COONa, — це органічна речовина, бо її аніон походить від органічної кислоти.
Елементи-органогени
Більшість органічних сполук складається лише з кількох хімічних елементів, які називають елементами-органогенами: C (Карбон), H (Гідроген), O (Оксиген), N (Нітроген), S (Сульфур), P (Фосфор). Залежно від набору елементів органічні сполуки поділяють на:
вуглеводні — містять лише C і H (метан CH₄, етен C₂H₄, бензен C₆H₆);
оксигеновмісні сполуки — містять C, H і O (спирти, альдегіди, карбонові кислоти, естери);
нітрогеновмісні сполуки — містять C, H і N, часто також O (аміни, амінокислоти, білки).
Природні й синтетичні органічні сполуки
Природні органічні сполуки утворюються в живих організмах. Найпоширеніші приклади: глюкоза (виноградний цукор), крохмаль і целюлоза (полісахариди рослин), білки (основа всіх клітин), жири (ліпіди). Синтетичні органічні сполуки одержують хімічним синтезом у лабораторії чи промисловості. До них належать поліетилен (пакувальний матеріал), капрон (синтетичне волокно), синтетичні каучуки (з них виготовляють гуму). Важливо пам'ятати: ту саму речовину іноді можна як виділити з природної сировини, так і синтезувати. Наприклад, етанол одержують і бродінням глюкози (природний спосіб), і гідратацією етену (синтетичний).
Історична довідка: синтез Велера
Межа між органічними й неорганічними речовинами умовна. 1828 року німецький хімік Фрідріх Велер уперше синтезував органічну речовину — сечовину (NH₂)₂CO — з неорганічної сполуки амоній ціанату NH₄OCN. Цей експеримент спростував панівну тоді «теорію життєвої сили» (віталізм), згідно з якою органічні речовини можуть утворюватися лише в живих організмах.
Чому органічних сполук так багато?
Причина багатоманітності органічних сполук — унікальна здатність атомів Карбону сполучатися між собою, утворюючи ланцюги різної довжини й будови (нерозгалужені, розгалужені, циклічні). Атоми Карбону можуть з'єднуватися простими (C–C), подвійними (C=C) та потрійними (C≡C) зв'язками. Крім того, до карбонового ланцюга можна приєднати різні функціональні групи, що дає величезне різноманіття сполук. Нарешті, однаковий молекулярний склад (наприклад, C₄H₁₀) може відповідати кільком різним речовинам — ізомерам.
Органічні сполуки класифікують за кількома ознаками: будовою карбонового ланцюга, типом зв'язків між атомами Карбону та елементним складом. Розгляньмо кожну з цих ознак.
Класифікація за будовою карбонового ланцюга
За будовою ланцюга розрізняють:
Ациклічні (відкритий ланцюг) — атоми Карбону сполучені в незамкнену послідовність. Вони бувають нерозгалужені (нормальні), як бутан CH₃–CH₂–CH₂–CH₃, і розгалужені, як 2-метилпропан CH₃–CH(CH₃)–CH₃.
Циклічні (замкнений ланцюг) — атоми Карбону утворюють кільце. Приклади: бензен C₆H₆ (ароматичне кільце), циклогексан C₆H₁₂.
Класифікація за зв'язками між атомами Карбону
За типом зв'язків C–C розрізняють:
Насичені сполуки — містять лише прості (одинарні) зв'язки C–C. До них належать алкани (метан CH₄, етан C₂H₆, пропан C₃H₈).
Ненасичені сполуки — містять кратні зв'язки: подвійний C=C (алкени, як етен C₂H₄) або потрійний C≡C (алкіни, як етин C₂H₂).
Ароматичні сполуки — містять бензенове кільце з делокалізованими π-електронами (арени, як бензен C₆H₆).
Класифікація за складом
За елементним складом органічні сполуки поділяють на вуглеводні (лише C і H) та сполуки з функціональними групами. Останні, своєю чергою, поділяють на оксигеновмісні (спирти, альдегіди, карбонові кислоти, естери) та нітрогеновмісні (аміни, амінокислоти, білки).
Схема класифікації органічних сполук
Функціональна (характеристична) група — це атом або група атомів, яка визначає характерні хімічні властивості сполук певного класу. Саме за функціональною групою органічну сполуку відносять до того чи іншого класу.
Основні функціональні групи
Функціональна група | Назва групи | Клас сполук | Приклад |
|---|---|---|---|
–OH | гідроксильна | спирти | CH₃OH (метанол) |
–OH (при бензеновому кільці) | гідроксильна | фенол | C₆H₅OH (фенол) |
–CHO | альдегідна | альдегіди | HCHO (метаналь) |
–COOH | карбоксильна | карбонові кислоти | CH₃COOH (етанова кислота) |
–COO– | естерна | естери | CH₃COOCH₃ (метилетаноат) |
–NH₂ | аміногрупа | аміни | CH₃NH₂ (метиламін) |
Сполуки з кількома функціональними групами
Одна молекула може містити дві або більше різних функціональних груп. Наприклад, амінокислоти (H₂N–CH₂–COOH) мають одночасно аміногрупу –NH₂ і карбоксильну групу –COOH. Глюкоза у відкритоланцюговій формі містить п'ять гідроксильних груп –OH і одну альдегідну групу –CHO.
Як не сплутати групи
Альдегідна група –CHO має атом Карбону, сполучений з одним атомом Гідрогену та подвійним зв'язком з Оксигеном (C=O). Карбоксильна група –COOH містить ту саму карбонільну групу C=O, але додатково має гідроксильну групу –OH, приєднану до того самого атома Карбону. Естерна група –COO– — це фрагмент R–COO–R′, де R і R′ — вуглеводневі залишки (R може бути атомом Гідрогену, як у HCOOCH₃). Клас сполуки визначає саме функціональна група, а не просто наявність атома Оксигену в молекулі. Наприклад, і спирти, і прості етери містять Оксиген, але належать до різних класів.
Гомологи — це сполуки одного класу, подібні за хімічною будовою й властивостями, склад яких відрізняється на одну чи кілька груп CH₂. Таку групу CH₂ називають гомологічною різницею. Гомологи утворюють гомологічний ряд. Відносна молекулярна маса сусідніх гомологів відрізняється на 14 (12 + 2·1 = 14).
Загальні формули гомологічних рядів
Кожен гомологічний ряд має загальну формулу, яка описує склад усіх його членів:
Гомологічний ряд | Загальна формула | Умова | Приклад |
|---|---|---|---|
алкани | CₙH₂ₙ₊₂ | n ≥ 1 | CH₄ (n=1), C₂H₆ (n=2) |
алкени (ациклічні) | CₙH₂ₙ | n ≥ 2 | C₂H₄ (n=2), C₃H₆ (n=3) |
алкіни (ациклічні) | CₙH₂ₙ₋₂ | n ≥ 2 | C₂H₂ (n=2), C₃H₄ (n=3) |
арени (ряду бензену) | CₙH₂ₙ₋₆ | n ≥ 6 | C₆H₆ (n=6), C₇H₈ (n=7) |
насичені одноатомні спирти | CₙH₂ₙ₊₁OH | n ≥ 1 | CH₃OH (n=1), C₂H₅OH (n=2) |
насичені одноосновні карбонові кислоти | CₙH₂ₙ₊₁COOH | n ≥ 0 | HCOOH (n=0), CH₃COOH (n=1) |
Приклади гомологів і не гомологів
Гомологами етану C₂H₆ є всі інші алкани: метан CH₄, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀, 2-метилпропан C₄H₁₀. Зверни увагу: 2-метилпропан — це ізомер бутану, але він належить до того самого класу алканів, тому є гомологом етану. Не є гомологами етану: етен C₂H₄ (належить до іншого ряду — алкенів), етанол C₂H₅OH (інший клас — спирти), хлороетан C₂H₅Cl (галогенопохідне, не вуглеводень).
Гомологи не обов'язково сусіди в ряду. Наприклад, метан CH₄ і пентан C₅H₁₂ відрізняються на 4 групи CH₂, але обидва належать до алканів, тому вони гомологи.
Гомологи й ізомери: у чому різниця?
Ізомери мають однаковий молекулярний склад, але різну будову. Наприклад, бутан CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ і 2-метилпропан CH₃–CH(CH₃)–CH₃ — обидва мають склад C₄H₁₀, тому вони ізомери, а не гомологи. Гомологи мають різний склад, який відрізняється на n груп CH₂. Наприклад, бутан C₄H₁₀ і пропан C₃H₈ — гомологи (різниця CH₂).
Важливо: різниця на CH₂ між речовинами різних класів не робить їх гомологами. Наприклад, метанова кислота HCOOH (карбонова кислота) і метилметаноат HCOOCH₃ (естер) мають різницю CH₂, але належать до різних класів.
Загальна формула як інструмент перевірки
Загальна формула допомагає швидко перевірити, до якого ряду належить сполука. Наприклад:
C₅H₁₂ — підставляємо n=5 у CₙH₂ₙ₊₂: 2·5+2=12 → алкан.
C₅H₁₀ — підставляємо n=5 у CₙH₂ₙ: 2·5=10 → алкен.
C₅H₈ — підставляємо n=5 у CₙH₂ₙ₋₂: 2·5−2=8 → алкін.
C₇H₈ — підставляємо n=7 у CₙH₂ₙ₋₆: 2·7−6=8 → арен ряду бензену.
Однак зворотний висновок не завжди однозначний. Наприклад, циклогексан C₆H₁₂ має ту саму загальну формулу CₙH₂ₙ, що й алкени, але він не алкен, а циклоалкан. Тому остаточно клас сполуки визначають за її будовою, а не лише за молекулярною формулою.
Приклад 1. Логічні пари: загальна формула → гомологічний ряд
Установи відповідність між загальною формулою (1–3) і гомологічним рядом (А–Д).
1 CₙH₂ₙ₊₂ 2 CₙH₂ₙ₋₂ 3 CₙH₂ₙ₋₆
А алкени Б арени В алкани Г алкіни Д насичені одноатомні спирти
Розв'язання. Формула CₙH₂ₙ₊₂ відповідає алканам (1 → В). Формула CₙH₂ₙ₋₂ — алкінам (2 → Г). Формула CₙH₂ₙ₋₆ — аренам ряду бензену (3 → Б).
Відповідь: 1В, 2Г, 3Б.
Пастка: CₙH₂ₙ₋₂ іноді помилково відносять до алкенів. Запам'ятай: алкени мають CₙH₂ₙ, а CₙH₂ₙ₋₂ — це алкіни (таку саму загальну формулу мають алкадієни, але їх програма НМТ не передбачає).
Приклад 2. Вибір однієї відповіді: гомолог етану
Гомологом етану є:
А етен Б пропан В етанол Г хлороетан
Розв'язання. Гомологи — сполуки одного класу, склад яких відрізняється на групу CH₂. Етан C₂H₆ — алкан. Пропан C₃H₈ — також алкан, різниця CH₂. Етен C₂H₄ — алкен (інший ряд). Етанол C₂H₅OH — спирт (інший клас). Хлороетан C₂H₅Cl — галогенопохідне (не вуглеводень).
Відповідь: Б (пропан).
Чому інші варіанти неправильні: етен має подвійний зв'язок, етанол містить групу –OH, хлороетан містить атом Хлору — усі вони належать до інших класів.
Приклад 3. Логічні пари: формула → клас сполуки
Установи відповідність між формулою (1–3) і класом сполуки (А–Д).
1 CH₃–CH₂–CHO 2 CH₃–COO–C₂H₅ 3 CH₃–CH₂–NH₂
А естери Б карбонові кислоти В аміни Г спирти Д альдегіди
Розв'язання. CH₃–CH₂–CHO містить альдегідну групу –CHO → альдегід (1 → Д). CH₃–COO–C₂H₅ має естерну групу –COO– → естер (2 → А). CH₃–CH₂–NH₂ містить аміногрупу –NH₂ → амін (3 → В).
Відповідь: 1Д, 2А, 3В.
Приклад 4. Вибір однієї відповіді: органічна речовина
Укажіть органічну речовину:
А CaC₂ Б NaHCO₃ В CH₃COONa Г CO
Розв'язання. CH₃COONa — сіль етанової (оцтової) кислоти, яка є органічною сполукою. CaC₂ — карбід (неорганічна сполука). NaHCO₃ — натрій гідрогенкарбонат (неорганічна сіль). CO — карбон(II) оксид (неорганічна сполука).
Відповідь: В (CH₃COONa).
Пастка: усі чотири варіанти містять Карбон, але CaC₂, NaHCO₃ і CO належать до неорганічних винятків.
Приклад 5. Вибір однієї відповіді: пара гомологів
Яка пара речовин — гомологи?
А бутан і 2-метилпропан Б етан і етен В метанол і етанол Г етанол і етанова кислота
Розв'язання. Метанол CH₃OH і етанол C₂H₅OH — обидва насичені одноатомні спирти, різниця на групу CH₂ → гомологи. Бутан C₄H₁₀ і 2-метилпропан C₄H₁₀ — ізомери (однаковий склад). Етан C₂H₆ і етен C₂H₄ — різні гомологічні ряди (алкан і алкен). Етанол C₂H₅OH і етанова кислота CH₃COOH — різні класи (спирт і кислота).
Відповідь: В (метанол і етанол).
Зараховувати до органічних CO₂, CaCO₃ чи CaC₂ лише тому, що в них є Карбон. Правильно: CO, CO₂, H₂CO₃, карбонати, гідрогенкарбонати й карбіди — неорганічні сполуки, хоча містять Карбон.
Вважати гомологами ізомери. Бутан C₄H₁₀ і 2-метилпропан C₄H₁₀ мають однаковий молекулярний склад, тому вони ізомери, а не гомологи. Гомологи завжди мають різний склад.
Вважати гомологами сполуки різних класів, навіть якщо є різниця CH₂. Наприклад, метанова кислота HCOOH і метилметаноат HCOOCH₃ відрізняються на CH₂, але належать до різних класів (кислота й естер), тому не є гомологами.
Плутати групи –CHO, –COOH і –COO–. Альдегідна група –CHO має атом H при C=O. Карбоксильна –COOH має групу –OH при C=O. Естерна –COO– має атом O між C=O і вуглеводневим залишком.
Вважати фенол C₆H₅OH спиртом лише через групу OH. Фенол — окремий клас, бо його гідроксильна група безпосередньо зв'язана з бензеновим кільцем, що змінює властивості.
Переплутати загальні формули: CₙH₂ₙ₋₂ — алкіни (не алкени!), CₙH₂ₙ₋₆ — арени ряду бензену.
Вважати синтетичними природні речовини, які лише виділили з рослин чи тварин. Крохмаль, целюлоза, жири, білки — природні сполуки, навіть якщо їх добувають у промисловості з природної сировини.
Тема 3.1 програми НМТ з хімії передбачає, що ти вмієш:
розрізняти органічні й неорганічні сполуки;
розрізняти природні й синтетичні сполуки;
класифікувати сполуки за будовою карбонового ланцюга та функціональними групами;
визначати гомологи заданої речовини;
встановлювати відповідність між гомологічними рядами й загальними формулами;
встановлювати відповідність між класами сполук і функціональними групами.
На НМТ ці вміння перевіряють у двох форматах:
Завдання на відповідність (логічні пари) — завдання 19–20. Формат: цифри 1–3, букви А–Д, дві букви зайві. 1 бал за кожну правильну пару, максимум 3 бали. Приклади: загальна формула → гомологічний ряд; структурна формула → клас сполуки.
Завдання з вибором однієї відповіді з чотирьох (А–Г) — завдання 1–18. 0 або 1 бал. Приклади: «Гомологом етану є», «Укажіть органічну речовину», «Яка пара речовин — гомологи?».
Важливо: у довідкових матеріалах НМТ немає ні загальних формул гомологічних рядів, ні таблиці назв і складу органічних речовин з додатків програми. Це означає, що всі формули (CₙH₂ₙ₊₂, CₙH₂ₙ, CₙH₂ₙ₋₂, CₙH₂ₙ₋₆) і назви класів треба знати напам'ять.
У завданнях на логічні пари варто заповнювати всі три пари, навіть якщо в якійсь не впевнений, — кожну пару оцінюють окремо, і помилка в одній не знижує балів за інші.
Чому CO₂ і карбонати не вважають органічними речовинами, хоча в них є Карбон?
Історично склалося, що до органічних відносять сполуки Карбону, які містять зв'язки C–C або C–H, а також їхні похідні. CO₂, H₂CO₃, карбонати й карбіди — це нескладні за будовою сполуки Карбону з іншими елементами, які не мають карбонового ланцюга. Їхні властивості (термічна стійкість, електролітична дисоціація тощо) подібні до неорганічних речовин, тому їх традиційно вивчають у неорганічній хімії. Межа умовна, але для НМТ запам'ятай ці винятки.
Чи є гомологами метан і пентан, якщо між ними в ряду ще три алкани?
Так, метан CH₄ і пентан C₅H₁₂ — гомологи. Гомологами називають сполуки одного класу, склад яких відрізняється на одну чи кілька груп CH₂. Вони не обов'язково мають бути сусідами в гомологічному ряду. Метан і пентан відрізняються на 4 групи CH₂, але обидва належать до алканів, тому вони гомологи.
Чим гомологи відрізняються від ізомерів?
Гомологи мають різний молекулярний склад, який відрізняється на ціле число груп CH₂, і належать до одного класу сполук. Ізомери мають однаковий молекулярний склад, але різну будову. Наприклад, бутан C₄H₁₀ і 2-метилпропан C₄H₁₀ — ізомери (однаковий склад C₄H₁₀). Бутан C₄H₁₀ і пропан C₃H₈ — гомологи (різний склад, різниця CH₂).
Чому фенол не відносять до спиртів, хоча в ньому є група OH?
Фенол C₆H₅OH має гідроксильну групу –OH, безпосередньо приєднану до бензенового кільця. Через взаємний вплив атомів (π-електронна система кільця й неподілена електронна пара Оксигену) властивості фенолу суттєво відрізняються від властивостей спиртів. Наприклад, фенол виявляє слабкі кислотні властивості (реагує з лугами), тоді як звичайні спирти — ні. Тому фенол виділяють в окремий клас.
Коли молекулярної формули вуглеводню недостатньо, щоб визначити його гомологічний ряд?
Молекулярної формули недостатньо, коли вона відповідає кільком рядам. Наприклад, C₆H₁₂ відповідає як алкенам (CₙH₂ₙ), так і циклоалканам. C₄H₆ може бути як алкіном (CₙH₂ₙ₋₂), так і алкадієном. У таких випадках остаточний висновок роблять за будовою молекули (наявністю кратних зв'язків чи циклів).
Органічні сполуки — сполуки Карбону. Винятки (неорганічні): CO, CO₂, H₂CO₃, карбонати, гідрогенкарбонати, карбіди.
Елементи-органогени: C, H, O, N, S, P.
Природні сполуки наявні в природі (глюкоза, крохмаль, білки, жири). Синтетичні одержують хімічним синтезом (поліетилен, капрон, синтетичні каучуки). Ту саму речовину іноді можна як виділити з природної сировини, так і синтезувати.
За будовою ланцюга: нерозгалужені, розгалужені, циклічні. За зв'язками: насичені (лише C–C), ненасичені (C=C або C≡C), ароматичні (бензенове кільце).
Клас сполуки визначає функціональна група: –OH (спирти, фенол), –CHO (альдегіди), –COOH (карбонові кислоти), –COO– (естери), –NH₂ (аміни).
Гомологи — сполуки одного класу, склад яких відрізняється на n груп CH₂. Ізомери — однаковий склад, різна будова.
Загальні формули: алкани CₙH₂ₙ₊₂, ациклічні алкени CₙH₂ₙ, ациклічні алкіни CₙH₂ₙ₋₂, арени ряду бензену CₙH₂ₙ₋₆.
Формула не замінює перевірки будови: C₆H₁₂ може бути як алкеном, так і циклоалканом.