Химическое соединение
Химическое соединение — это химическое вещество, состоящее из множества одинаковых молекул (или молекулярных образований ), содержащих атомы более чем одного химического элемента , удерживаемые вместе химическими связями . Следовательно, молекула , состоящая из атомов только одного элемента, не является соединением. Соединение может быть преобразовано в другое вещество в результате химической реакции , которая может включать взаимодействие с другими веществами. В этом процессе связи между атомами могут разрываться и/или образовываться новые связи.
Существует четыре основных типа соединений, отличающихся тем, как составляющие их атомы связаны друг с другом. Молекулярные соединения удерживаются вместе ковалентными связями ; ионные соединения удерживаются вместе ионными связями ; интерметаллические соединения удерживаются металлическими связями ; координационные комплексы удерживаются вместе координационными ковалентными связями . Нестехиометрические соединения представляют собой спорный маргинальный случай.
Химическая формула определяет количество атомов каждого элемента в сложной молекуле, используя стандартные химические символы с цифровыми индексами . Многие химические соединения имеют уникальный идентификатор номера CAS , присвоенный Chemical Abstracts Service . Во всем мире для производства и использования зарегистрировано более 350 000 химических соединений (включая смеси химических веществ). [1]
История концепции
Роберт Бойл
.jpg)
.jpg)
Термин «соединение» — по значению, близкому к современному — использовался, по крайней мере, с 1661 года, когда Роберта Бойля «Скептический химик» был опубликован . В этой книге Бойль по-разному использовал термины «соединение». [2] «сложное тело», [3] «идеально смешанное тело», [4] и «бетон». [5] «Идеально смешанные тела» включали, например, золото, [4] вести, [4] Меркурий, [2] и вино. [6] Хотя различие между соединением и смесью не так ясно, различие между элементом и соединением является центральной темой.
Ртуть... с Аква фортис превратится в... белый Порошок... с Серой он составит кроваво-красный и летучий Цинабер. И все же из всех этих экзотических соединений мы можем выделить тот самый работающий Меркурий. [7]
Корпускулы элементов и соединений
Бойль использовал понятие «корпускулы» или «атомы». [8] как он их еще называл, чтобы объяснить, как ограниченное число элементов может объединяться в огромное количество соединений:
Если мы припишем корпускулам, из которых состоит каждый элемент, особый размер и форму... такие... корпускулы могут быть смешаны в таких различных пропорциях и... соединены столь многими... способами, что почти невероятное количество из... Из них могут состоять бетоны. [5]
Исаак Уоттс
В своей «Логике» , опубликованной в 1724 году, английский министр и логик Исаак Уоттс дал раннее определение химического элемента и противопоставил элемент химическому соединению в ясных, современных терминах. [9]
Среди Субстанций некоторые называются Простыми, некоторые — Сложными... Простые Субстанции... обычно называются Элементами, из которых состоят все остальные Тела: Элементами являются такие Субстанции, которые не могут быть разделены или сведены в две или более Субстанции Различные виды. ... Последователи Аристотеля считали Огонь, Воздух, Землю и Воду четырьмя Элементами, из которых составлены все земные Вещи; и они полагают, что Небеса являются Квинтэссенцией, или пятым видом Тела, отличным от всех этих тел. Химики делают Дух, Соль, Серу, Воду и Землю своими пятью Элементами, потому что они могут свести все земные Вещи к этим пяти: Кажется, это приближается к Истине; хотя не все согласны... Сложные Вещества состоят из двух или более простых Веществ... Итак, Игла — это простое Тело, сделанное только из Стали; но Меч или Нож представляют собой составные части, потому что их… Рукоять сделана из материалов, отличных от Лезвия.
Определения
Любое вещество, состоящее из двух или более различных типов атомов ( химических элементов ) в фиксированной стехиометрической пропорции, можно назвать химическим соединением ; эту концепцию легче всего понять при рассмотрении чистых химических веществ . [10] : 15 [11] [12] Из того, что химические соединения состоят из фиксированных пропорций двух или более типов атомов, следует, что химические соединения могут быть преобразованы посредством химической реакции в соединения или вещества, каждое из которых имеет меньшее количество атомов. [13] Химическая формула — это способ выражения информации о пропорциях атомов, составляющих конкретное химическое соединение, с использованием химических символов для химических элементов и нижних индексов , указывающих количество участвующих атомов. Например, вода состоит из двух атомов водорода , связанных с одним атомом кислорода : химическая формула — H 2 O. В случае нестехиометрических соединений пропорции могут быть воспроизводимыми в отношении их получения и давать фиксированные пропорции их состава. составные элементы, но пропорции, которые не являются целыми (например, для гидрида палладия PdH x (0,02 < x < 0,58)). [14]
Химические соединения имеют уникальную и определенную химическую структуру , удерживаемую в определенном пространственном расположении химическими связями . Химические соединения могут представлять собой молекулярные соединения, удерживаемые вместе ковалентными связями , соли , удерживаемые вместе ионными связями , интерметаллические соединения, удерживаемые вместе металлическими связями , или подмножество химических комплексов , которые удерживаются вместе координационными ковалентными связями . [15] Чистые химические элементы, как правило, не считаются химическими соединениями, поскольку они не удовлетворяют требованию наличия двух или более атомов, хотя они часто состоят из молекул, состоящих из нескольких атомов (например, в двухатомной молекуле H 2 или многоатомной молекуле S 8 и т. д.). [15] Многие химические соединения имеют уникальный числовой идентификатор, присвоенный Службой химических рефератов (CAS): номер CAS .
Существует разнообразная, а иногда и противоречивая номенклатура, отличающая вещества, включающие действительно нестехиометрические примеры, от химических соединений, для которых требуются фиксированные соотношения. Многие твердые химические вещества, например многие силикатные минералы , являются химическими веществами, но не имеют простых формул, отражающих химическую связь элементов друг с другом в фиксированных соотношениях; даже в этом случае эти кристаллические вещества часто называют « нестехиометрическими соединениями ». Можно утверждать, что они связаны с химическими соединениями, а не являются ими, поскольку изменчивость их составов часто обусловлена либо присутствием посторонних элементов, захваченных в кристаллической структуре иначе известного настоящего химического соединения , либо возмущениями. в структуре по отношению к известному соединению, возникающие из-за чрезмерного дефицита составляющих элементов в местах его структуры; такие нестехиометрические вещества образуют большую часть коры и мантии Земли. Другие соединения, считающиеся химически идентичными, могут иметь различное количество тяжелых или легких соединений. изотопы составляющих элементов, что незначительно меняет соотношение элементов по массе.
Типы
Молекулы
Молекула – это электрически нейтральная группа из двух или более атомов, удерживаемых вместе химическими связями. [16] [17] [18] Молекула может быть гомоядерной , т. е. состоять из атомов одного химического элемента, как и два атома в молекуле кислорода (О 2 ); или это может быть гетероядерное химическое соединение, состоящее из более чем одного элемента, как в случае с водой (два атома водорода и один атом кислорода; H 2 O). Молекула — это наименьшая единица вещества, которая сохраняет все физические и химические свойства этого вещества. [19]
Ионные соединения
Ионное соединение — это химическое соединение, состоящее из ионов , удерживаемых вместе электростатическими силами , называемыми ионной связью . Соединение в целом нейтрально, но состоит из положительно заряженных ионов, называемых катионами, и отрицательно заряженных ионов, называемых анионами . Это могут быть простые ионы , такие как натрий (Na + ) и хлорид (Cl − ) в хлориде натрия или многоатомных соединениях, таких как аммоний ( NH +
4 ) и карбонат ( CO 2−
3 ) ионы в карбонате аммония . Отдельные ионы внутри ионного соединения обычно имеют несколько ближайших соседей, поэтому не считаются частью молекул, а являются частью непрерывной трехмерной сети, обычно в кристаллической структуре .
Ионные соединения, содержащие гидроксид основных ионов (OH − ) или оксид (O 2− ) классифицируются как основания. Ионные соединения без этих ионов также известны как соли и могут образовываться в результате кислотно-основных реакций . Ионные соединения также могут быть получены из составляющих их ионов путем испарения растворителя осаждения , металлами , замораживания , твердофазной реакции или переноса электрона реакции между химически активными с химически активными неметаллами, такими как галогенные газы.
Ионные соединения обычно имеют высокие температуры плавления и кипения , являются твердыми и хрупкими . Будучи твердыми веществами, они почти всегда являются электроизолирующими , но при плавлении или растворении они становятся высокопроводящими , поскольку ионы мобилизуются.
Интерметаллические соединения
Интерметаллическое соединение — это тип металлического сплава , который образует упорядоченное твердое соединение между двумя или более металлическими элементами. Интерметаллиды обычно твердые и хрупкие, с хорошими механическими свойствами при высоких температурах. [20] [21] [22] Их можно разделить на стехиометрические и нестехиометрические интерметаллиды. [20]
Комплексы
Координационный комплекс состоит из центрального атома или иона, который обычно является металлическим и называется координационным центром , и окружающего его массива связанных молекул или ионов, которые, в свою очередь, известны как лиганды или комплексообразователи. [23] [24] [25] Многие металлосодержащие соединения, особенно переходных металлов , представляют собой координационные комплексы. [26] Координационный комплекс, центром которого является атом металла, называется металлокомплексом d-блок-элемента.
Связь и силы
Соединения удерживаются вместе посредством множества различных типов связей и сил. Различия в типах связей в соединениях различаются в зависимости от типов элементов, присутствующих в соединении.
Лондонские дисперсионные силы — самая слабая из всех межмолекулярных сил . Это временные силы притяжения, которые образуются, когда электроны в двух соседних атомах располагаются так, что создают временный диполь . Кроме того, лондонские дисперсионные силы отвечают за конденсацию неполярных веществ в жидкости и за дальнейшее замораживание до твердого состояния в зависимости от того, насколько низка температура окружающей среды. [27]
Ковалентная связь , также известная как молекулярная связь, предполагает совместное использование электронов между двумя атомами. В первую очередь этот тип связи возникает между элементами, расположенными близко друг к другу в периодической таблице элементов , однако он наблюдается между некоторыми металлами и неметаллами. Это связано с механизмом такого типа связи. Элементы, расположенные близко друг к другу в таблице Менделеева, как правило, имеют одинаковую электроотрицательность , что означает, что они имеют одинаковое сродство к электронам. Поскольку ни один из элементов не имеет более сильного сродства к отдаче или получению электронов, это заставляет элементы делиться электронами, поэтому оба элемента имеют более стабильный октет .
Ионная связь возникает, когда валентные электроны полностью передаются между элементами. В отличие от ковалентной связи, эта химическая связь создает два противоположно заряженных иона. Металлы, образующие ионную связь, обычно теряют свои валентные электроны, превращаясь в положительно заряженный катион . Неметалл получает электроны от металла, превращая неметалл в отрицательно заряженный анион . Как уже отмечалось, ионные связи возникают между донором электронов, обычно металлом, и акцептором электронов, которым обычно является неметалл. [28]
Водородная связь возникает, когда атом водорода , связанный с электроотрицательным атомом, образует электростатическую связь с другим электроотрицательным атомом посредством взаимодействующих диполей или зарядов. [29] [30] [31]
Реакции
Соединение может быть преобразовано в другой химический состав путем взаимодействия со вторым химическим соединением посредством химической реакции . В этом процессе связи между атомами разрываются в обоих взаимодействующих соединениях, а затем связи восстанавливаются, так что между атомами возникают новые ассоциации. Схематически эту реакцию можно описать как AB + CD → AD + CB , где A, B, C и D — каждый уникальный атом; и AB, AD, CD и CB — каждое уникальное соединение.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Ван, Жаньюнь; Уокер, Глен В.; Мьюир, Дерек К.Г.; Нагатани-Ёсида, Какуко (22 января 2020 г.). «К глобальному пониманию химического загрязнения: первый комплексный анализ национальных и региональных химических инвентаризаций» . Экологические науки и технологии . 54 (5): 2575–2584. Бибкод : 2020EnST...54.2575W . дои : 10.1021/acs.est.9b06379 . hdl : 20.500.11850/405322 . ПМИД 31968937 .
- ^ Перейти обратно: а б Бойль 1661 , с. 41.
- ^ Бойль 1661 , с. 13.
- ^ Перейти обратно: а б с Бойль 1661 , с. 29.
- ^ Перейти обратно: а б Бойль 1661 , с. 42.
- ^ Бойль 1661 , с. 145.
- ^ Бойль 1661 , с. 40-41.
- ^ Бойль 1661 , с. 38.
- ^ Уоттс, Исаак (1726) [1724]. Логика: Или правильное использование разума в поисках истины с множеством правил, защищающих от ошибок в делах религии и человеческой жизни, а также в науках . Напечатано для Джона Кларка и Ричарда Хетта. стр. 13–15.
- ^ Уиттен, Кеннет В.; Дэвис, Рэймонд Э.; Пек, М. Ларри (2000), Общая химия (6-е изд.), Форт-Уэрт, Техас: Издательство Saunders College Publishers / Harcourt College Publishers, ISBN 978-0-03-072373-5
- ^ Браун, Теодор Л.; ЛеМэй, Х. Юджин; Берстен, Брюс Э.; Мерфи, Кэтрин Дж.; Вудворд, Патрик (2013), Химия: Центральная наука (3-е изд.), Frenchs Forest, Новый Южный Уэльс: Pearson/Prentice Hall, стр. 5–6, ISBN 9781442559462 , заархивировано из оригинала 31 мая 2021 г. , получено 8 декабря 2020 г.
- ^ Хилл, Джон В.; Петруччи, Ральф Х.; МакКрири, Терри В.; Перри, Скотт С. (2005), Общая химия (4-е изд.), Аппер-Сэддл-Ривер, Нью-Джерси: Пирсон/Прентис-Холл, стр. 6, ISBN 978-0-13-140283-6 , заархивировано из оригинала 22 марта 2009 г.
- ^ Уилбрахам, Энтони; Матта, Майкл; Стейли, Деннис; Уотерман, Эдвард (2002), Химия (1-е изд.), Аппер-Сэддл-Ривер, Нью-Джерси: Пирсон/Прентис-Холл, стр. 36 , ISBN 978-0-13-251210-7
- ^ Манчестер, Флорида; Сан-Мартин, А.; Питре, Дж. М. (1994). «Система H-Pd (водород-палладий)». Журнал фазовых равновесий . 15 : 62–83. дои : 10.1007/BF02667685 . S2CID 95343702 . Фазовая диаграмма системы палладий-водород
- ^ Перейти обратно: а б Аткинс, Питер ; Джонс, Лоретта (2004). Химические принципы: В поисках понимания . У. Х. Фриман. ISBN 978-0-7167-5701-6 .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Молекула ». два : 10.1351/goldbook.M04002
- ^ Эббин, Даррелл Д. (1990). Общая химия (3-е изд.). Бостон: Houghton Mifflin Co. ISBN 978-0-395-43302-7 .
- ^ Браун, ТЛ; Кеннет К. Кемп; Теодор Л. Браун; Гарольд Юджин ЛеМэй; Брюс Эдвард Берстен (2003). Химия – Центральная наука (9-е изд.). Нью-Джерси: Прентис Холл . ISBN 978-0-13-066997-1 .
- ^ «Определение молекулы - Словарь терминов рака NCI» . НЦИ . 2 февраля 2011 г. Проверено 26 августа 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Аскеланд, Дональд Р.; Райт, Венделин Дж. (январь 2015 г.). «Интерметаллические соединения 11-2». Наука и инженерия материалов (Седьмое изд.). Бостон, Массачусетс: Cengage Learning. стр. 387–389. ISBN 978-1-305-07676-1 . OCLC 903959750 . Архивировано из оригинала 31 мая 2021 г. Проверено 10 ноября 2020 г.
- ^ Группа по разработке интерметаллических сплавов, Комиссия по инженерно-техническим системам (1997). Разработка интерметаллических сплавов: оценка программы . Пресса национальных академий. п. 10. ISBN 0-309-52438-5 . OCLC 906692179 . Архивировано из оригинала 31 мая 2021 г. Проверено 10 ноября 2020 г.
- ^ Собойеджо, Вирджиния (2003). «1.4.3 Интерметаллиды». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8 . ОСЛК 300921090 . Архивировано из оригинала 31 мая 2021 г. Проверено 10 ноября 2020 г.
- ^ Лоуренс, Джеффри А. (2010). Введение в координационную химию . Уайли. дои : 10.1002/9780470687123 . ISBN 9780470687123 .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Комплекс ». дои : 10.1351/goldbook.C01203
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Координирующий орган ». doi : 10.1351/goldbook.C01330
- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8 .
- ^ «Лондонские дисперсионные силы» . www.chem.purdue.edu . Архивировано из оригинала 13 января 2017 г. Проверено 13 сентября 2017 г.
- ^ «Ионные и ковалентные связи» . Химия LibreTexts . 2013-10-02. Архивировано из оригинала 13 сентября 2017 г. Проверено 13 сентября 2017 г.
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « Водородная связь ». doi : 10.1351/goldbook.H02899
- ^ "Водородная связь" . www.chem.purdue.edu . Архивировано из оригинала 8 августа 2011 г. Проверено 28 октября 2017 г.
- ^ «межмолекулярная связь – водородные связи» . www.chemguide.co.uk . Архивировано из оригинала 19 декабря 2016 г. Проверено 28 октября 2017 г.
Источники
- Бойль, Р. (1661). Химик-скептик: или Химико-физические сомнения и парадоксы, касающиеся принципов спагириста, обычно называемых ипостасическими; Поскольку их обычно предлагает и защищает большинство алхимиков. При этом премиса является частью другого рассуждения, относящегося к тому же предмету . Напечатано Дж. Кэдвеллом для Дж. Крука.
дальнейшее чтение
- Роберт Зигфрид (1 октября 2002 г.), От элементов к атомам: история химического состава , Американское философское общество, ISBN 978-0-87169-924-4
Отрасли химии |
|---|
