Номенклатура химических соединений: совокупность названий, виды и классификация

Изучение такого интересного предмета, как химия нужно начинать с основы основ, а именно с классификации и номенклатуры химических соединений. Это поможет не заблудиться в такой сложной науке и расставить все новые знания по своим местам.

Коротко о главном

Номенклатура химических соединений – это система, включающая в себя все названия химических веществ, их групп, классов и правил, при помощи которых происходит словообразование их названий. Когда она была разработана?

Первая номенклатура хим. соединений была разработана в 1787 году Комиссией французских химиков под руководством А. Л. Лавуазье. До этого времени названия давались веществам произвольно: по каким-то признакам, по способам получения, по имени первооткрывателя и так далее. Каждое вещество могло иметь несколько названий, то есть синонимов. Комиссия постановила, что любое вещество должно иметь лишь одно единственное название; наименование вещества сложного может состоять из двух слов, указывающих на вид и род соединения, и не должно противоречить языковым нормам. Данная номенклатура химических соединений стала образцом для создания в начале XIX века номенклатур различных национальностей, в том числе русской. Речь об этом пойдет далее.

Виды номенклатуры химических соединений

Кажется, что разобраться в химии просто невозможно. Но если ознакомиться с двумя видами номенклатуры хим. соединений, то можно убедиться в том, что все не так уж сложно. Что это за классификация? Вот два вида номенклатуры химических соединений:

• неорганических;
• органических.

Что они из себя представляют?

Простые вещества

Химическая номенклатура неорганических соединений представляет собой формулы и названия веществ. Химической формулой называется изображение символов и букв, отражающее состав вещества с помощью Периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева. Названием является изображение состава вещества при помощи определенного слова или группы слов. Построение формул производится по правилам номенклатуры химических соединений, и, используя их же, дается обозначение.

Название некоторых элементов образуется от корня этих наименований на латинском языке. Например:

• С - Углерод, лат. carboneum, корень "карб". Примеры соединений: CaC - карбид кальция; CaCO₃ - карбонат кальция.
• N - Азот, лат. nitrogenium, корень "нитр". Примеры соединений: NaNO₃ - нитрат натрия; Са₃N₂ - нитрид кальция.
• H - Водород, лат. hydrogenium, корень "гидро". Примеры соединений: NaOH - гидроксид натрия; NaH - гидрид натрия.
• O - Кислород, лат. oxygenium, корень "окс". Примеры соединений: CaO - оксид кальция; NaOH - гидроксид натрия.
• Fe - Железо, лат. ferrum, корень "ферр". Примеры соединений: K₂FeO₄ - феррат калия и так далее.

Для того чтобы описать число атомов в соединении, используют приставки. В таблице для примеров взяты вещества как органической, так и неорганической химии.

Органические вещества

С соединениями органической химии все не так просто, как с неорганикой. Дело в том, что принципы химической номенклатуры органических соединений основаны сразу на трех типах номенклатур. На первый взгляд, это кажется удивительно и запутанно. Однако они довольно просты. Вот типы номенклатуры химических соединений:

• историческая, или тривиальная;
• систематическая, или международная;
• рациональная.

В настоящее время именно они применяются для того, чтобы дать название тому или иному органическому соединению. Рассмотрим каждую из них и убедимся в том, что номенклатура основных классов химических соединений не так уж и сложна, как кажется.

Тривиальная

Это самая первая номенклатура, появившаяся в начале развития органической химии, когда еще не было ни классификации веществ, ни теории строения их соединений. Органическим соединениям присваивались случайные названия по источнику получения. Например, яблочная кислота, щавелевая кислота. Также отличительными критериями, по которым давались названия, были цвет, запах и химические свойства. Однако последнее служило поводом редко, потому что в этот период времени было известно сравнительно мало информации о возможностях органического мира. Однако многие названия данной довольно старой и узкой номенклатуры часто применяются до сих пор. Например: уксусная кислота, мочевина, индиго (фиолетовые кристаллы), толуол, аланин, масляная кислота и многие другие.

Рациональная

Эта номенклатура возникла с момента появления классификации и единой теории строения органических соединений. Она несет национальный характер. Органические соединения получают свои названия по типу, или классу, к которому они относятся, согласно своим химическим и физическим признакам (ацетилены, кетоны, спирты, этилены, альдегиды и так далее). В настоящее время такая номенклатура используется исключительно в тех случаях, когда дает наглядное и более детальное представление о рассматриваемом соединении. Например: метилацетилен, диметилкетон, метиловый спирт, метиламин, хлоруксусная кислота и тому подобное. Таким образом, из названия сразу становится понятно то, из чего состоит органическое соединение, но более точное расположение групп-заместителей еще невозможно определить.

Международная

Ее полное название - систематическая международная номенклатура химических соединений ИЮПАК (IUPAC, International Unionof Pureand Applied Chemistry, Международного союза теоретической и прикладной химии). Она разработана и рекомендована съездами ИЮПАК в 1957 и 1965 годах. Правила международной номенклатуры, опубликованные в 1979 году, были собраны в «Синей книге» (BlueBook).

Фундаментом систематической номенклатуры химических соединений является современная теория строения и классификации органических веществ. Данная система ставить целью перед собой решение основной проблемы номенклатуры: наименование всех органических соединений должно включать в себя правильные названия заместителей (функций) и их опоры - углеводородного скелета. Оно должно быть таким, чтобы по нему можно было определить единственно верную структурную формулу.

Стремление создать унитарную химическую номенклатуру для органических соединений зародилось в 80-е годы XIX века. Это произошло после создания Александром Михайловичем Бутлеровым теории химического строения, в которой было четыре основных положения, рассказывающих о порядке атомов в молекуле, явлении изомерии, взаимосвязи строения и свойств вещества, а также о влиянии атомов друг на друга. Данное событие произошло в 1892 году на съезде ученых-химиков в Женеве, который утвердил правила номенклатуры органических соединений. Эти правила вошли в органику под названием Женевская номенклатура. На ее основе был создан популярный справочник Бейльштейна.

Естественно то, что со временем количество органических соединений росло. По этой причине и номенклатура все время усложнялась, и возникали новые дополнения, которые были озвучены и приняты на очередном съезде, состоявшемся в 1930 году в городе Льеже. Нововведения основывались на удобстве и лаконичности. И теперь систематическая международная номенклатура вобрала в себя некоторые положения как женевской, так и льежской.

Таким образом, в этих трех типах систематизации и заключаются основные принципы химической номенклатуры органических соединений.

Классификация простых соединений

Теперь пришло время ознакомиться с самым интересным: классификацией как органических, так и неорганических веществ.

Сейчас миру известны тысячи различных неорганических соединений. Знать все их названия, формулы и свойства практически невозможно. Поэтому все вещества неорганической химии разделены на классы, группирующие все соединения по сходному строению и свойствам. Такая классификация представлена в таблице ниже.

Для первого разделения использовалось то, из скольких элементов состоит вещество. Если из атомов одного элемента, то оно простое, а если из двух и более - сложное.

Рассмотрим каждый класс простых веществ:

1. Металлами называют элементы, расположенные в первой, второй, третьей группах (кроме бора) периодической таблицы Д. И. Менделеева, а также элементы декад, лантоноиды и октиноиды. Все металлы обладают общими физическими (ковкостью, тепло- и электропроводностью, металлическим блеском) и химическими (восстановительные, взаимодействие с водой, кислотой и так далее) свойствами.
2. К неметаллам относят все элементы восьмой, седьмой, шестой (кроме полония) групп, а также мышьяк, фосфор, углерод (из пятой группы), кремний, углерод (из четвертой группы) и бор (из третьей).
3. Амфотерные соединения - это такие соединения, которые могут проявлять свойства как неметаллов, так и металлов. Например, алюминий, цинк, бериллий и так далее.
4. К благородным (инертным) газам относятся элементы восьмой группы: радон, ксеон, криптон, аргон, неон, гелий. Их общее свойство - малая активность.

Так как все простые вещества состоят из атомов одного и того же элемента Периодической системы, то их названия обычно совпадают с названиями этих химических элементов таблицы.

Чтобы различать понятия "химический элемент" и "простое вещество", несмотря на схожесть названий, нужно понимать следующее: при помощи первого образуется сложное вещество, оно связывается с атомами других элементов, его нельзя рассматривать отдельно от какого-либо сложного вещества. Второе же понятие дает нам знать, что это вещество имеет свои свойства, не связываясь с другими. Например, есть кислород, входящий в состав воды, а есть кислород, которым мы дышим. В первом случае элемент как часть целого - воды, а во втором - как само по себе вещество, которым дышит организм живых существ.

Теперь рассмотрим каждый класс сложных веществ:

1. Оксидами называется сложное вещество, состоящее из двух элементов, одним из которых является кислород. Оксиды бывают: основными (при растворении в воде из них образуются в основания), амфотерными (образованы при помощи амфотерных металлов), кислотными (образованы неметаллами в степенях окисления от +4 до +7), двойные (образованы с участием металлов в разных окислительных степенях) и несолеобразующие (например, NO, CO, N₂O и другие).
2. К гидроксидам относят вещества, имеющие в своем составе группу - OH (гидроксильную группу). Они бывают: основными, амфотерными и кислотными.
3. Солями называются такие сложные соединения, в состав которых входит катион металла и анион кислотного остатка. Соли бывают: средними (катион металла + анион кислотного остатка); кислыми (катион металла + незамещенный(ые) атом(ы) водорода + кислотный остаток); основными (катион металла + кислотный остаток + гидроксильная группа); двойными (два катиона металла + кислотный остаток); смешанными (катион металла + два кислотных остатка).
4. Бинарное соединение представляет собой двухэлементное соединение или многоэлементное, включающее не более одного катиона, или аниона, или сложного катиона, или аниона. Например, KF, CCl₄, NH₃ и так далее.
5. К кислотам относятся такие сложные вещества, катионами которых являются исключительно ионы водорода. Их отрицательные анионы называются кислотными остатками. Данные сложные соединения могут быть кислородосодержащими или бескислородными, одноосновными или двуосновными (в зависимости от числа атомов водорода), сильными или слабыми.

Классификация органических соединений

Как известно, любая классификация основана на определенных признаках. В основу современной классификации органических соединений положены два важнейших признака:

• строение углеродного скелета;
• наличие в молекуле функциональных групп.

Функциональная группа — это те атомы или группа атомов, от которых зависят свойства веществ. По ним определяется, к какому классу относится то или иное соединение.

• спирты (-OH);
• альдегиды (-COH);
• карбоновые кислоты (-COOH);
• амины (-NH₂).

Для понятия первого разделения углеводородов на циклические и ациклические классы необходимо познакомиться с видами углеродных цепей:

• Линейные (углероды расположены вдоль прямой).
• Разветвленные (один из углеродов цепи имеет связь с другими тремя углеродами, то есть образуется разветвление).
• Замкнутые (атомы углерода образуют кольцо, или цикл).

Те углероды, которые имеют в своем строение циклы, называются циклическими, а остальные - ациклическими.

Краткая характеристика каждого класса органических соединений

1. Предельные углеводороды (алканы) не способны к присоединению водорода и каких-либо другим элементов. Их общая формула - C_nH_2n+2. Простейший представитель алканов - метан (CH₄). Все последующие соединения данного класса сходны с метаном по своему строению и свойствам, но отличны от него по составу на одну или несколько групп -CH₂-. Такой ряд соединений, подчиняющихся данной закономерности, называется гомологическим. Алканы способны вступать в реакции замещения, горения, разложения и изомеризации (превращения в углероды разветвленного строения).
2. Циклоалканы подобны алканам, но имеют циклическое строение. Их формула - C_nH_2n. Они могут участвовать в реакциях присоединения (например, водорода, становясь при этом алканами), замещения и дегидрирования (отнятия водорода).
3. К непредельным углеводородам этиленового ряда (алкены) относят углеводороды с общей формулой C_nH_2n. Простейший представитель - этилен - C₂H₄. Они имеют в своем строении одну двойную связь. Вещества данного класса участвуют в реакциях присоединения, горения, окисления, полимеризации (процесс соединения малых одинаковых молекул в более крупные).
4. Диеновые (алкадиены) углеводороды имеют формулу C_nH_2n-2. Они имеют уже две двойные связи и способны вступать в реакции присоединения и полимеризации.
5. Ацетиленовые (алкины) отличаются от других классов обладанием одной тройной связи. Их общая формула - C_nH_2n-2. Простейший представитель - ацетилен - C₂H_2. Вступают в реакции присоединения, окисления и полимеризации.
6. Ароматические углеводороды (арены) названы так по причине того, что некоторые из них обладают приятным запахом. Они имеют циклическое строение. Их общая формула - C_nH_2n-6. Простейший представитель - бензол - C₆H₆. Могут подвергаться реакциям галогенирования (замена атомов водорода атомами галогена), нитрования, присоединения и окисления.