§ 4. Химическая организация природы

Определения и обозначения

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Это понятие помогает определить, какие именно атомы входят в состав природного тела, и записать их символами, например C для углерода и O для кислорода.

Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента, а сложное вещество — из атомов разных элементов. Такое разделение нужно, чтобы отличать состав вещества от состава атома: кислород O₂ — простое вещество, а вода H₂O — сложное.

Органические вещества — соединения, основу строения которых обычно составляет углеродный скелет. Это определение помогает объединить разнообразные вещества, например углеводороды, углеводы и белки, по общим особенностям их состава и строения.

Неорганические вещества — вещества, которые не относят к органическим; к ним принадлежат вода, минеральные соли, оксиды и многие другие соединения. Такое понятие нужно, чтобы описывать весь состав природы, не сводя его только к веществам живых организмов.

Химическая организация природы — состав природных объектов и связи между веществами, из которых они построены. Это представление помогает увидеть, что одни и те же элементы и вещества участвуют в образовании неживых тел и живых организмов.

Как это устроено

Природные тела состоят из веществ, а вещества — из частиц и атомов. Поэтому описание природы на химическом уровне начинается с вопроса о том, какие элементы входят в объект и как их атомы соединены. Один и тот же элемент может встречаться в разных веществах, потому что атомы соединяются по-разному.

Углерод занимает особое место среди элементов, потому что его атомы способны образовывать прочные связи друг с другом. Они выстраиваются в цепи и кольца, к которым присоединяются атомы водорода, кислорода, азота и других элементов. Благодаря этому появляется множество соединений с разными свойствами, а не одно вещество с неизменным составом.

Органические соединения особенно разнообразны в живой природе, поскольку из них построены важные части клеток и вещества, участвующие в жизненных процессах. Например, углеводы могут служить источником энергии, а белки выполняют разные функции в клетках. Однако происхождение не определяет класс: органическое соединение можно получить и вне организма, если его строение соответствует этому классу.

Неорганические вещества также необходимы живым организмам и одновременно широко распространены в неживой природе. Вода составляет значительную часть клеток, а минеральные соли нужны для нормальной работы организма. Значит, противопоставлять живое и неживое как «органическое» и «неорганическое» неверно: в живом присутствуют оба типа веществ.

Не каждое соединение углерода относят к органическим. Углекислый газ CO₂, угарный газ CO и многие карбонаты принято считать неорганическими, поскольку их состав и свойства отличаются от характерных для органических соединений. Поэтому при классификации учитывают не один символ C в формуле, а принадлежность вещества к определённому классу.

Между веществами природы постоянно происходят превращения, и это связывает живую и неживую среду. При фотосинтезе растения используют углекислый газ и воду, чтобы образовать органические вещества; одновременно выделяется кислород. При дыхании и разложении органические вещества превращаются в другие вещества, в том числе в углекислый газ и воду.

Из-за таких превращений химические элементы не исчезают, а переходят из одних веществ в другие. Атомы углерода могут оказаться сначала в углекислом газе, затем в органическом веществе растения, а позже — в организме животного. Поэтому химическую организацию природы удобно изучать не только как перечень веществ, но и как систему их взаимосвязей и превращений.

Органические и неорганические вещества в природе

Таблица помогает сравнить группы веществ по характерным признакам, но не заменяет проверку состава и свойств конкретного соединения. Используйте примеры как ориентир, а не как правило, что органические вещества встречаются только в организмах. Для классификации сначала прочитайте формулу и определите, к какому соединению относится вещество.

Разбор задач

Задача. Распределите вещества CO₂, CH₄, H₂O и C₆H₁₂O₆ на органические и неорганические. Объясните, почему формулы с углеродом не обязательно относятся к органическим веществам. Ход решения важен: он позволяет не ошибиться, если в формуле встречается символ C.

1. Сначала отметим вещества, в формулах которых есть углерод: это CO₂, CH₄ и C₆H₁₂O₆. Но одного этого признака недостаточно, поскольку некоторые соединения углерода относят к неорганическим.

2. Рассмотрим CO₂. Это углекислый газ, соединение углерода с кислородом, которое в школьной классификации относится к неорганическим веществам. Значит, наличие атома C само по себе не доказывает органическую природу соединения.

3. Рассмотрим CH₄. Метан — простейший углеводород, то есть соединение углерода с водородом, поэтому его относят к органическим веществам. Здесь состав соответствует характерному органическому соединению.

4. Рассмотрим C₆H₁₂O₆. Это формула глюкозы, органического вещества, в котором есть углерод, водород и кислород. Важно опираться на известный класс вещества, а не пытаться определить его только по числу атомов в формуле.

5. Осталась H₂O. Вода не содержит углерода и относится к неорганическим веществам; при этом она входит в состав живых организмов. Этот пример показывает, что место нахождения вещества не определяет его класс.

Ответ: органические вещества — CH₄ и C₆H₁₂O₆; неорганические — CO₂ и H₂O. CO₂ относят к неорганическим, несмотря на присутствие углерода. Вода тоже встречается в организмах, но остаётся неорганическим веществом.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать органическим любое вещество с углеродом. Её допускают, потому что углерод часто называют основой органических соединений. Проверка: вспомните исключения, например CO₂ и карбонаты, и определите класс вещества, а не просто найдите символ C.

• Ошибка: считать, что органические вещества бывают только в живой природе. Такое мнение возникает из-за связи органических соединений с организмами. Проверка: разделите два вопроса — где вещество образовалось и к какому классу оно относится; органические соединения получают и химическим синтезом.

• Ошибка: думать, что живые организмы состоят только из органических веществ. Обычно внимание сосредоточено на белках и углеводах, а вода и соли остаются незамеченными. Проверка: назовите неорганические компоненты клетки, например воду и минеральные соли.

• Ошибка: путать химический элемент и простое вещество. Например, символ O обозначает элемент, а O₂ — простое вещество, образованное его атомами. Проверка: спросите себя, говорится ли о виде атомов или о конкретном веществе, состоящем из этих атомов.

Связь с другими темами

Понятие химического элемента связывает эту тему с периодической таблицей и строением атома: таблица помогает определить свойства элементов, из атомов которых состоят вещества. Классификация органических соединений понадобится при изучении углеводородов, спиртов, кислот и других классов веществ. Представление о превращениях веществ связано с химическими реакциями и круговоротом элементов в природе. Так химия объясняет, как одни и те же атомы участвуют в образовании разных природных объектов.

Что запомнить

• Природные тела состоят из веществ, образованных атомами химических элементов.

• Органические соединения обычно имеют углеродный скелет, но не всякое соединение углерода органическое.

• К неорганическим веществам относятся, например, вода, минеральные соли и CO₂.

• Живые организмы содержат и органические, и неорганические вещества.

• При классификации учитывают состав, строение и принадлежность вещества к классу, а не только место его обнаружения.