Εισαγωγή στην οργανική χημεία 🧪
Τι είναι η οργανική χημεία
Οργανική χημεία ονομάζεται ο κλάδος της χημείας που μελετά τις ενώσεις του άνθρακα. Υπάρχουν όμως ορισμένες εξαιρέσεις: το μονοξείδιο του άνθρακα , το διοξείδιο του άνθρακα και τα ανθρακικά άλατα (π.χ. το ανθρακικό ασβέστιο ) δεν θεωρούνται οργανικές ενώσεις — αυτές εξετάζονται στην ανόργανη χημεία μαζί με τον ίδιο τον άνθρακα.
Σήμερα η διάκριση της χημείας σε ανόργανη και οργανική γίνεται κυρίως για συστηματικούς λόγους, αφού στην πραγματικότητα δεν υπάρχουν ουσιαστικές διαφορές στις βασικές αρχές που διέπουν τις ιδιότητες οργανικών και ανόργανων ενώσεων.
Από τη «ζωική δύναμη» στη σύνθεση στο εργαστήριο
Οι πρώτες οργανικές ενώσεις απομονώθηκαν στις αρχές του 18ου αιώνα, παρόλο που ορισμένες από αυτές, όπως τα σάκχαρα και το οινόπνευμα, ήταν γνωστές στον άνθρωπο χιλιάδες χρόνια νωρίτερα. Ο πρώτος που μελέτησε συστηματικά τις οργανικές ενώσεις ήταν ο Σουηδός χημικός Scheele (1742-1786), ο οποίος απομόνωσε πλήθος οργανικών ενώσεων από φυτικές και ζωικές ύλες· για παράδειγμα, απομόνωσε το γαλακτικό οξύ από το γάλα.
Κατά τη διάρκεια του 18ου αιώνα οι χημικοί πίστευαν ότι, για να συντεθεί μια οργανική ουσία, ήταν απαραίτητη η ζωική δύναμη (vis vitalis), την οποία διέθεταν μόνο οι ζωντανοί οργανισμοί. Επικρατούσε δηλαδή η βιταλιστική θεωρία, σύμφωνα με την οποία οι ουσίες χωρίζονται σε ανόργανες και οργανικές, και μόνο μέσα σε ζωντανούς οργανισμούς μπορούν να συντεθούν οι οργανικές ουσίες.
Το 1828 ο Wöhler ανακάλυψε ότι μια οργανική ουσία μπορεί να παρασκευαστεί εργαστηριακά. Το πέτυχε τυχαία, κατά την παρασκευή της οργανικής ένωσης ουρίας, με θέρμανση κυανικού αμμωνίου (μιας ανόργανης ένωσης). Από τότε άνοιξε ο δρόμος της οργανικής σύνθεσης, δηλαδή της εργαστηριακής παρασκευής οργανικών ενώσεων, ενώ η βιταλιστική αντίληψη τέθηκε οριστικά στο περιθώριο.
Ο Wöhler δεν μπορούσε να κρύψει τον ενθουσιασμό του για το επίτευγμά του. Σε ένα γράμμα του είχε γράψει: «Αισθάνομαι σαν την κότα που έκανε το αυγό και πρέπει να το διαλαλήσει». Στο πρώτο του δημοσίευμα σημείωσε πως το αποτέλεσμα ήταν αξιοσημείωτο, επειδή αποτελούσε παράδειγμα τεχνητής παραγωγής μιας οργανικής, δηλαδή «ζωικής», ουσίας. Σήμερα υπολογίζεται ότι συντίθενται περίπου 300.000 νέες οργανικές ενώσεις κάθε χρόνο.
Η σημασία της οργανικής χημείας
Η καθημερινή μας ζωή επηρεάζεται σε πολύ μεγάλο βαθμό από την οργανική χημεία. Τα τρόφιμα, τα ρούχα, τα φάρμακα, τα καύσιμα, τα απορρυπαντικά, τα καλλυντικά, τα εντομοκτόνα, τα πλαστικά και πολλά ακόμη προϊόντα είναι στη βάση τους οργανικές ενώσεις, και η μελέτη και εξέλιξή τους αποτελεί αντικείμενο της οργανικής χημείας.
Μερικά ενδεικτικά παραδείγματα:
- Διατροφή: τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει ριζικές αλλαγές στις μεθόδους παρασκευής, συντήρησης και τυποποίησης των τροφίμων· παράλληλα μελετήθηκε η θρεπτική τους αξία και ανακαλύφθηκαν οι βιταμίνες και η χρησιμότητά τους.
- Ένδυση: η ανακάλυψη συνθετικών υλικών, όπως το νάιλον και το συνθετικό μετάξι, άλλαξε ριζικά την ενδυμασία. Σήμερα χρησιμοποιούνται ευρύτατα τα τεχνητά δέρματα, οι τεχνητές βαφές και τα συνθετικά νήματα, με μεγάλη αντοχή και ποικιλία.
- Ιατρική: νέα φάρμακα και νέες μέθοδοι εργαστηριακών αναλύσεων έχουν βελτιώσει σημαντικά την προφύλαξη, τη διάγνωση και τη θεραπεία των ασθενειών.
Χάρη σε αυτές τις εφαρμογές, η οργανική χημεία είναι σήμερα ένας από τους πιο αναπτυγμένους κλάδους της χημείας, με προεκτάσεις σε τομείς όπως η χημεία τροφίμων, η φαρμακευτική χημεία, η βιοχημεία, η χημεία πολυμερών και η πετροχημεία.
Γιατί ο άνθρακας ξεχωρίζει
Οι οργανικές ενώσεις που έχουν βρεθεί στη φύση ή έχουν παρασκευαστεί σε εργαστήρια μέχρι σήμερα είναι περισσότερες από 12.000.000, ενώ οι ανόργανες ενώσεις είναι περίπου 1.000.000 (συμπεριλαμβανομένου του μεγάλου πλήθους ενώσεων του πυριτίου που παρασκευάστηκαν τα τελευταία χρόνια). Ο αριθμός αυτός δεν είναι τυχαίος: ο άνθρακας διαθέτει δύο ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που εξηγούν γιατί σχηματίζει τόσες πολλές ενώσεις.
1. Έχει τέσσερις μονάδες συγγένειας. Ο άνθρακας διαθέτει τέσσερα μονήρη (μοναχικά) ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στιβάδα, δηλαδή τέσσερις μονάδες συγγένειας (που συμβολίζονται συνήθως με μία παύλα η καθεμία). Χάρη σε αυτό μπορεί να ενωθεί τόσο με άτομα άλλων στοιχείων —συνηθέστερα υδρογόνο (H), οξυγόνο (O), άζωτο (N), θείο (S) και αλογόνα— όσο και με άλλα άτομα άνθρακα. Έτσι σχηματίζει είτε απλές ενώσεις (π.χ. με ένα μόνο άτομο άνθρακα) είτε εξαιρετικά πολύπλοκες ενώσεις (π.χ. με δεκάδες δισεκατομμύρια άτομα άνθρακα).
2. Έχει μικρή ατομική ακτίνα. Επειδή το άτομο του άνθρακα είναι μικρό, τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων των δεσμών του συγκρατούνται ισχυρά, καθώς βρίσκονται κοντά στον πυρήνα. Έτσι σχηματίζει σταθερούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Επιπλέον, τα άτομα άνθρακα μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους με απλό, διπλό ή τριπλό δεσμό.
Το πυρίτιο (Si) βρίσκεται ακριβώς κάτω από τον άνθρακα στον περιοδικό πίνακα και έχει επίσης τέσσερις μονάδες συγγένειας (ηλεκτρονιακή δομή 2, 8, 4 έναντι 2, 4 του άνθρακα). Ωστόσο, το άτομό του είναι σημαντικά μεγαλύτερο, με αποτέλεσμα οι δεσμοί που σχηματίζει να είναι πολύ λιγότερο σταθεροί από αυτούς του άνθρακα. Γι' αυτό, παρόλο που το πυρίτιο θα μπορούσε θεωρητικά να δώσει ανάλογη ποικιλία ενώσεων, στην πράξη δεν πλησιάζει καν τον αριθμό των οργανικών ενώσεων του άνθρακα.
Κορεσμένες και ακόρεστες ενώσεις
Ανάλογα με το είδος των δεσμών που αναπτύσσονται μεταξύ των ατόμων άνθρακα σε μια οργανική ένωση, η ένωση χαρακτηρίζεται ως εξής:
| Κατηγορία | Ορισμός |
|---|---|
| Κορεσμένες | Όλα τα άτομα άνθρακα συνδέονται μεταξύ τους με απλούς δεσμούς. |
| Ακόρεστες | Δύο τουλάχιστον άτομα άνθρακα συνδέονται μεταξύ τους με διπλό ή τριπλό δεσμό. |
Πολύ συχνά οι μαθητές μπερδεύονται όταν σε μια ένωση υπάρχει διπλός δεσμός άνθρακα με άλλο στοιχείο, όπως το οξυγόνο. Ο χαρακτηρισμός «κορεσμένη» ή «ακόρεστη» εξαρτάται αποκλειστικά από τους δεσμούς ανάμεσα σε άτομα άνθρακα (δεσμούς C–C), όχι από δεσμούς άνθρακα με άλλα στοιχεία.
Για παράδειγμα, μια ένωση στην οποία ο άνθρακας συνδέεται με διπλό δεσμό με οξυγόνο, αλλά όλα τα άτομα άνθρακα μεταξύ τους συνδέονται με απλούς δεσμούς, χαρακτηρίζεται κορεσμένη — ο διπλός δεσμός C=O δεν «μετράει» για τον χαρακτηρισμό. Αντίθετα, μια ένωση όπου δύο άτομα άνθρακα συνδέονται μεταξύ τους με διπλό δεσμό χαρακτηρίζεται ακόρεστη.