Глава
X
ХИМИЧЕСКАЯ
ТЕРМОДИНАМИКА
СОЕДИНЕНИЙ
УГЛЕРОДА, ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА
Введение
В различных сочетаниях атомы
двух
видов —
углерода
и водо-
рода — образуют множество углеводородов. Число соединений
в
огромной мере возрастает при включении в состав молекул атомов
третьего вида — кислорода. В термодинамическом отношении такие
соединения,
содержащие ковалентные связи кислород —
углерод
и
кислород — водород, характеризуются той же последовательностью
и
закономерностью изменения свойств, что и углеводороды. При этом
наблюдаются отдельные отклонения в
случае
полярных соединений,
таких, как спирты, альдегиды и кислоты, в которых концевые водо-
родные атомы проявляют тенденцию к образованию «водородных
связей» с электроотрицательными атомами
других
молекул.
Термодинамические свойства углеводородов и продуктов их
окис-
ления
представляют особый интерес ввиду того, что ценность
угле-
водородов как горючего зависит от разности
между
величиной
их внутренней энергии и соответствующими величинами продуктов
сгорания.
Однако ввиду того, что при сгорании не все реакции проте-
кают до конца, т. е. до образования двуокиси
углерода
и воды, воз-
никает
также необходимость знать термодинамические свойства мно-
гих устойчивых и неустойчивых промежуточных соединений
угле-
рода, водорода и кислорода, образующихся при горении. Животные
также получают необходимые им тепло и энергию за счет процесса
окисления,
сопровождающегося попутным образованием многочис-
ленных нестойких и устойчивых промежуточных продуктов. Расте-
ния
завершают вторую часть этого цикла. Используя солнечный свет
в
качестве первичного источника энергии для процесса фотосинтеза,
растения
жадно поглощают двуокись
углерода
из атмосферы, связы-
вают ее с водой и синтезируют соединения, менее деградированные
в
энергетическом отношении. После того как этот процесс образова-
ния
менее деградированных соединений пройдет через целый ряд
стадий, определенное промежуточное соединение (например, сахар)
может являться вполне подходящим горючим для осуществляемого
в
организмах животных цикла деградации. Таким образом, про-
цессы,
ведущие к рассеиванию энергии или к накоплению ее, постоян-
но
протекают с образованием многочисленных общих промежуточ-
ных соединений, содержащих углерод, водород и кислород. Эти
соединения
играют важную роль, поскольку они охватывают всю
X.
Химическая
термодинамика
соединений
С, Н и О
459
живую материю и синтезируются человеком для удовлетворения его
f нужд. Термохимия этих соединений не изучена столь всесторонне,
I
как термохимия углеводородов, и в этом отношении открываются
£ широкие возможности для экспериментальных и теоретических нссле-
* дований. Энергия связи С — С меньше, чем энергия связи С — Н,
§
а следовательно, самым легким путем включения атома кислорода
t в молекулу углеводорода является образование соединения
эфир-
si ного типа. Это сопряжено с минимальной деградацией молекулы
|| углеводорода, о чем
будет
сказано ниже.
Простые
эфиры
Энергия
связи С — С меньше энергии связи С — Н, поэтому наи-
более вероятным путем присоединения атома кислорода к молекуле
Г
&
углеводорода является включение его в данную молекулу
между
" двумя углеродными атомами, в результате чего образуется простой
эфир.
Образование эфира можно также условно представить себе
как
замещение одной из групп — СН
2
— в молекуле углеводорода
атомом кислорода; именно это представление и используется в дан-
ной
главе.
Доступные термохимические данные, относящиеся к эффекту
замещения
атомом кислорода одной группой — СН
2
— в молекуле
исходного углеводорода, приведены в табл. Х.1 и Х.2. Бросаются
в
глаза большие различия в значениях энтальпии образования
>Л//у°
98
.
Эти различия обусловлены степенью разветвленности и дли-
ЙНОЙ
цепи соответствующих алкильных групп. В приведенных при-
мерах значение
AHf
29S
(g) для эфира более отрицательно, нежели зна-
'чение для соответствующего исходного углеводорода, в среднем на
:25,5 ± 7,0 ккал/моль, тогда как Sl
w
(g) для эфира меньше, чем для
исходных углеводородов на 1,26 ±0,5
кал/(моль
-"К). В более
сложных методах расчета, подобных
методу,
описанному в гл. VI,
учитывается влияние как разветвления, так и длины цепи.
Средние значения инкрементов АСр приведены в табл. Х.8.
Спирты
Присоединение
атома кислорода к молекуле углеводорода по свя-
зям
С — Н может привести к образованию связей С — О — Н,
характерных для спиртов. Свойства нормальных спиртов
служат
примером
того, как на основании ограниченного объема данных
можно
с помощью правдоподобной модели получить более широкую
Информацию,
позволяющую предсказывать свойства соединений,
не
прибегая к необходимым измерениям. Величины
AHf°
2ss
опре-
делялись на основании результатов измерений соответствующих
свойств веществ в жидком состоянии, однако значения
АЯ/°„
(g)
более строгие, поэтому они и были выбраны для табулирования.