ورقاتمقدمة البحث
الحمد لله رب العالمين، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإن المواد التي حولنا تتكون من عناصر كيميائية تتحد معًا بطرق مختلفة، وقد لاحظ العلماء أن المواد المستخلصة من الكائنات الحية، كالسكر والنشا والدهون والبروتينات، تشترك في وجود عنصر الكربون. ومن هنا نشأ فرع مهم من فروع الكيمياء هو الكيمياء العضوية. وفي هذا البحث نتعرف على هذا العلم وأهم مركباته وتطبيقاته.
تعريف الموضوع
الكيمياء العضوية هي فرع من الكيمياء يدرس المركبات التي تحتوي على الكربون وبخاصة المرتبط بالهيدروجين، وتراكيبها وخواصها وتفاعلاتها وطرق تحضيرها. وكان العلماء قديمًا يعتقدون أن المركبات العضوية لا تتكون إلا في الكائنات الحية، حتى استطاع العالم الألماني فريدريش فوهلر في عام ألف وثمانمئة وثمانية وعشرين تحضير اليوريا في المختبر من مواد غير عضوية، فسقط ذلك الاعتقاد. ويستثنى من المركبات العضوية بعض مركبات الكربون البسيطة كأكاسيد الكربون والكربونات والسيانيدات التي تدرس عادة ضمن الكيمياء غير العضوية.
أهمية الموضوع
الكيمياء العضوية أساس الحياة وأساس الصناعة الحديثة، فجسم الإنسان نفسه مكون من مركبات عضوية كالبروتينات والدهون والكربوهيدرات والحموض النووية. وتدخل في صناعة الوقود والبلاستيك والأدوية والأصباغ والمنظفات والألياف الصناعية ومواد التجميل والمبيدات. ولذلك فدراستها تساعد على فهم الحياة وعلى تطوير الصناعات والطب.
أهداف البحث
- التعرف على معنى الكيمياء العضوية ونشأتها.
- معرفة سبب تنوع المركبات العضوية وكثرتها.
- التعرف على الهيدروكربونات وأنواعها وتسميتها.
- معرفة المجموعات الوظيفية وأهم المركبات المرتبطة بها.
- بيان أهمية المركبات العضوية وتطبيقاتها.
أولًا: لماذا يتميز الكربون؟
يتميز عنصر الكربون بصفات جعلته أساس هذا العدد الهائل من المركبات التي تفوق في عددها مركبات سائر العناصر الأخرى:
- التكافؤ الرباعي: للكربون أربعة إلكترونات تكافؤ، فيكوّن أربع روابط تساهمية.
- الارتباط بذراته: تستطيع ذرات الكربون الارتباط بعضها ببعض بروابط أحادية أو ثنائية أو ثلاثية لتكوين سلاسل طويلة أو متفرعة أو حلقات.
- الارتباط بعناصر أخرى: يرتبط الكربون بالهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والهالوجينات والكبريت.
- التشاكل: يمكن لعدد من الذرات نفسه أن يتركب بأكثر من طريقة فيعطي مركبات مختلفة.
ثانيًا: الهيدروكربونات
الهيدروكربونات مركبات تتكون من عنصري الكربون والهيدروجين فقط، وهي أبسط المركبات العضوية. وتُصنّف إلى هيدروكربونات مشبعة وغير مشبعة وأروماتية.
| النوع | نوع الرابطة | الصيغة العامة | مثال |
|---|---|---|---|
| الألكانات | روابط أحادية فقط | CnH2n+2 | الميثان والإيثان والبروبان |
| الألكينات | رابطة ثنائية واحدة على الأقل | CnH2n | الإيثين (الإيثيلين) والبروبين |
| الألكاينات | رابطة ثلاثية واحدة على الأقل | CnH2n−2 | الإيثاين (الأسيتيلين) |
| الأروماتية | حلقة بنزين | تختلف | البنزين والتولوين |
وتُسمّى الألكانات بحسب عدد ذرات الكربون في أطول سلسلة، فالميثان فيه ذرة كربون واحدة، والإيثان ذرتان، والبروبان ثلاث، والبيوتان أربع، والبنتان خمس، والهكسان ست. ولكل واحد منها صيغة جزيئية، فمثلًا الميثان:
CH4
والإيثان:
C2H6
مثال: إذا كان عدد ذرات الكربون في ألكان ثماني ذرات، فصيغته الجزيئية من القانون العام CnH2n+2 هي C8H18 ويسمى الأوكتان.
ومن خصائص الألكانات أنها قليلة النشاط الكيميائي، وتحترق في الهواء منتجة ثاني أكسيد الكربون والماء وطاقة، ولذلك تُستخدم وقودًا. ويمثل احتراق الميثان:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
أما الألكينات والألكاينات فهي أنشط كيميائيًا بسبب الرابطة المتعددة، فتدخل في تفاعلات الإضافة، ويُستخدم الإيثين في صناعة البلاستيك ويُنتج منه البولي إيثيلين.
تسمية الألكانات المتفرعة
تُسمّى الألكانات وفق نظام الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية بالخطوات الآتية: نختار أطول سلسلة متصلة من ذرات الكربون وهي السلسلة الرئيسة، ثم نرقّم ذراتها من الطرف الأقرب إلى التفرع، ونسمي الفروع بأسماء مشتقة من عدد ذراتها مع إضافة المقطع «يل» كالميثيل والإيثيل، ثم نكتب رقم موضع الفرع واسمه قبل اسم السلسلة الرئيسة. فالمركب الذي سلسلته الرئيسة ثلاث ذرات وعلى الذرة الثانية فرع ميثيل يسمى ٢ ميثيل بروبان، وهو الأيزوبيوتان المذكور سابقًا.
ثالثًا: المجموعات الوظيفية
المجموعة الوظيفية هي ذرة أو مجموعة من الذرات في المركب العضوي تحدد خواصه الكيميائية وتفاعلاته. وأهم المجموعات:
| الصنف | المجموعة الوظيفية | مثال |
|---|---|---|
| الكحولات | −OH | الإيثانول |
| الألدهيدات | −CHO | الميثانال (الفورمالدهيد) |
| الكيتونات | C=O | البروبانون (الأسيتون) |
| الحموض الكربوكسيلية | −COOH | حمض الإيثانويك (الخليك) |
| الإسترات | −COO− | إيثانوات الإيثيل، ورائحتها كرائحة الفواكه |
| الأمينات | −NH2 | الميثيل أمين |
| هاليدات الألكيل | −X (هالوجين) | كلوروميثان |
رابعًا: التشكّل (التماكب)
المتشكلات مركبات لها الصيغة الجزيئية نفسها لكن اختلفت صيغها البنائية، أي ترتيب الذرات فيها، فتختلف في خواصها الفيزيائية والكيميائية. فالصيغة C4H10 تمثل مركبين هما البيوتان العادي والأيزوبيوتان المتفرع. وكذلك الصيغة C2H6O تمثل الإيثانول وإيثر ثنائي الميثيل، وهما مختلفان تمامًا في الخواص.
خامسًا: تطبيقات الكيمياء العضوية
- الوقود: النفط والغاز الطبيعي مصدران رئيسان للمركبات العضوية المستخدمة وقودًا، وفيهما الميثان والبروبان والبيوتان والبنزين.
- البلاستيك والألياف: تصنع من مركبات عضوية كبيرة تسمى البوليمرات كالبولي إيثيلين والنايلون.
- الأدوية: معظم الأدوية مركبات عضوية، ومنها الأسبرين والمضادات الحيوية.
- الأغذية: السكريات والدهون والبروتينات والفيتامينات مركبات عضوية.
- المنظفات والصابون: تصنع من الدهون والزيوت أو من مشتقات النفط.
- الأصباغ والعطور: كثير منها مركبات عضوية، وتدخل الإسترات في النكهات الصناعية.
سادسًا: التحديات البيئية
رغم فوائد المركبات العضوية فإن بعضها يسبب مشكلات بيئية، كالبلاستيك الذي يتحلل ببطء شديد ويتراكم في البيئة، وحرق الوقود الذي يطلق ثاني أكسيد الكربون المرتبط بتغير المناخ. ولذلك تُبذل جهود لتطوير بلاستيك قابل للتحلل، وإعادة تدوير المواد، والبحث عن وقود أنظف.
النتائج
- الكيمياء العضوية فرع يدرس مركبات الكربون وبخاصة المرتبط بالهيدروجين.
- تكافؤ الكربون الرباعي وقدرته على تكوين السلاسل سبب تعدد المركبات العضوية.
- الهيدروكربونات هي الألكانات والألكينات والألكاينات والأروماتية.
- المجموعة الوظيفية تحدد خواص المركب وتفاعلاته.
- تدخل المركبات العضوية في الوقود والأدوية والبلاستيك والأغذية.
التوصيات
- التدرب على كتابة الصيغ البنائية وتسمية المركبات بحسب نظام الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية.
- استخدام نماذج الكرات والعصي في المختبر لتصور الصيغ البنائية.
- تشجيع الأبحاث التي تقلل الأثر البيئي للصناعات العضوية.
الخاتمة
تعرفنا في هذا البحث على الكيمياء العضوية ودور الكربون المميز، وأهم المركبات ومجموعاتها الوظيفية، وتشكلاتها، وتطبيقاتها. وتبين لنا كيف أن هذا العلم قريب من حياتنا اليومية في الغذاء والدواء والوقود والملابس، وأنه باب واسع للابتكار إذا أحسنّا استخدامه وحافظنا على البيئة.
المراجع
- كتب الكيمياء للمرحلة الثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
- الكيمياء العضوية، موريسون وبويد.
- الكيمياء العضوية، سولومونز وفرايهل.
- موقع الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية.