Chimie organică II și termochimie

Aminele sunt compuși organici derivați de la amoniac (NH3) prin înlocuirea atomilor de hidrogen cu radicali organici. După numărul radicalilor, aminele sunt primare (R-NH2), secundare (R2NH) sau terțiare (R3N). Exemple: metilamina CH3-NH2, anilina C6H5-NH2 (fenilamina).

Ca și amoniacul, aminele au caracter bazic, datorită perechii de electroni neparticipanți a azotului, care poate accepta un proton: CH3-NH2 + HCl → CH3-NH3+Cl-. Aminele alifatice sunt baze mai tari decât amoniacul, iar anilina este o bază mai slabă (nucleul aromatic atrage electronii azotului).

Anilina este materie primă esențială pentru coloranți (industria coloranților anilinici a fost începutul chimiei organice industriale), medicamente și polimeri. Aminele biogene (formate în organism) au roluri importante: histamina în reacțiile alergice, adrenalina ca hormon.

Aminoacizii conțin simultan gruparea amino (-NH2, bazică) și gruparea carboxil (-COOH, acidă), deci au caracter amfoter. În soluție există ca amfioni (zwitterioni): gruparea -COOH cedează protonul grupării -NH2. Exemple: glicina (H2N-CH2-COOH, cel mai simplu aminoacid), alanina, lizina, acidul glutamic.

Aminoacizii se leagă între ei prin legături peptidice (-CO-NH-), formate prin eliminarea apei între gruparea -COOH a unui aminoacid și gruparea -NH2 a următorului. Două resturi formează o dipeptidă, mai multe — polipeptide, iar lanțurile lungi (peste ~50 de resturi) — proteine.

Proteinele au structuri complexe (primară — succesiunea aminoacizilor; secundară, terțiară, cuaternară — modul de pliere) și funcții esențiale: structurală (colagen, keratină), catalitică (enzimele), de transport (hemoglobina), de apărare (anticorpii). Denaturarea (prin căldură, acizi, alcool) distruge structura spațială — de exemplu albușul fiert se coagulează.

Zaharidele (glucidele) sunt compuși polihidroxicarbonilici și principala sursă de energie a organismelor. Monozaharidele nu pot fi hidrolizate: glucoza C6H12O6 (în fructe, sânge — glicemia normală ≈ 1 g/L) și fructoza C6H12O6 (izomerul ei din miere).

Dizaharidele se formează din două monozaharide: zaharoza C12H22O11 (zahărul, din sfeclă sau trestie) hidrolizează în glucoză și fructoză. Polizaharidele sunt polimeri ai glucozei: amidonul (rezerva plantelor — în pâine, cartofi, orez; albastru cu iodul) și celuloza (peretele celular vegetal — bumbac, hârtie; omul nu o poate digera).

Glucoza este oxidată în celule pentru energie: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energie. Reacții de recunoaștere: glucoza reduce reactivul Tollens (oglinda de argint) și reactivul Fehling (precipitat roșu-cărămiziu de Cu2O); amidonul se albăstrește cu iod.

Polimerii sunt macromolecule formate prin repetarea unor unități structurale (meri), proveniți din molecule mici numite monomeri. Gradul de polimerizare n arată de câte ori se repetă unitatea structurală.

Prin polimerizare (adiție repetată) se obțin: polietilena (pungi, folii), polipropilena, policlorura de vinil PVC (tâmplărie, conducte), polistirenul (ambalaje, izolații) și cauciucul sintetic. Prin policondensare (cu eliminare de molecule mici) se obțin poliesteri (fibre sintetice tip PET) și poliamide (nailon).

Polimerii naturali includ celuloza, amidonul, proteinele și cauciucul natural (din latexul arborelui de cauciuc; prin vulcanizare cu sulf devine elastic și rezistent). Materialele plastice sunt ieftine și versatile, dar greu biodegradabile — reciclarea și reducerea consumului sunt esențiale pentru mediu.

Termochimia studiază efectele termice ale reacțiilor chimice. Entalpia de reacție (ΔH) reprezintă căldura schimbată cu mediul la presiune constantă. Reacțiile exoterme degajă căldură (ΔH < 0, ex. arderile), iar cele endoterme absorb căldură (ΔH > 0, ex. descompunerea CaCO3).

Entalpia de formare standard (ΔHf) este variația de entalpie la formarea unui mol de substanță din elemente, în stare standard; pentru elementele în starea lor stabilă, ΔHf = 0. Entalpia unei reacții se poate calcula: ΔHr = Σ ΔHf(produși) − Σ ΔHf(reactanți).

Legea lui Hess: entalpia de reacție depinde doar de starea inițială și finală, nu de drumul urmat — de aceea ecuațiile termochimice se pot aduna și scădea algebric. Aplicații practice: puterea calorică a combustibililor, alegerea carburanților, bilanțuri termice industriale.

Cinetica chimică studiază viteza reacțiilor chimice și factorii care o influențează. Viteza de reacție exprimă variația concentrației unui reactant sau produs în unitatea de timp.

Factorii care măresc viteza de reacție: concentrația reactanților (mai multe ciocniri eficace), temperatura (orientativ, viteza se dublează la o creștere cu 10 °C), suprafața de contact (pulberile reacționează mai repede decât bucățile masive) și catalizatorii.

Catalizatorul mărește viteza de reacție participând la etape intermediare, dar se regăsește neschimbat la final; el nu deplasează echilibrul, doar grăbește atingerea lui. Enzimele sunt catalizatori biologici extrem de selectivi și eficienți (ex. amilaza din salivă hidrolizează amidonul). Aplicații: convertorul catalitic auto, catalizatorii industriali (Fe la sinteza amoniacului).