Химическое соединение — это химическое вещество, состоящее из множества идентичных молекул (или молекулярных образований ), содержащих атомы более чем одного химического элемента, удерживаемые вместе химическими связями . Молекула, состоящая из атомов только одного элемента, поэтому не является соединением. Соединение может быть преобразовано в другое вещество посредством химической реакции , которая может включать взаимодействие с другими веществами. В этом процессе связи между атомами могут быть разорваны и/или образованы новые связи.
Существует четыре основных типа соединений, различающихся тем, как связаны между собой составляющие их атомы. Молекулярные соединения удерживаются вместе ковалентными связями ; ионные соединения удерживаются вместе ионными связями ; интерметаллические соединения удерживаются вместе металлическими связями ; координационные комплексы удерживаются вместе координационными ковалентными связями . Нестехиометрические соединения образуют спорный пограничный случай.
Химическая формула определяет количество атомов каждого элемента в молекуле соединения, используя стандартные химические символы с числовыми индексами . Многие химические соединения имеют уникальный идентификатор номера CAS , присвоенный Chemical Abstracts Service . Во всем мире более 350 000 химических соединений (включая смеси химических веществ) были зарегистрированы для производства и использования. [1]
.jpg/1280px-Portret_van_Robert_Boyle,_RP-P-OB-4578_(cropped).jpg)
.jpg/1280px-Sceptical_chymist_1661_Boyle_Title_page_AQ18_(3).jpg)
Термин «соединение» — со значением, близким к современному — использовался по крайней мере с 1661 года, когда был опубликован труд Роберта Бойля «Скептический химик » . В этой книге Бойль по-разному использовал термины «соединение», [2] «составное тело», [3] «совершенно смешанное тело» [4] и «бетон». [5] «Совершенно смешанные тела» включали, например, золото, [4] свинец , [4] ртуть [2] и вино. [6] Хотя различие между соединением и смесью не столь очевидно, различие между элементом и соединением является центральной темой.
Ртуть... с Aqua fortis превратится в... белый порошок... с Sulphur он составит кроваво-красный и летучий Cinaber. И все же из всех этих экзотических соединений мы можем получить тот же самый текущий Mercury. [7]
Бойль использовал концепцию «корпускул» — или «атомов» [8] , как он их еще называл — чтобы объяснить, как ограниченное число элементов может объединяться в огромное количество соединений:
Если мы придадим Корпускулам, из которых состоит каждый Элемент, особый размер и форму... такие... Корпускулы могут быть смешаны в столь различных пропорциях и... связаны столь многими... способами, что из них может быть составлено почти невероятное количество... Конкретных Веществ. [5]
В своей работе «Логика» , опубликованной в 1724 году, английский министр и логик Исаак Уоттс дал раннее определение химического элемента и противопоставил элемент химическому соединению в понятных современных терминах. [9]
Среди субстанций некоторые называются простыми, некоторые - сложными... Простые субстанции... обычно называются элементами, из которых составлены все остальные тела: элементы - это такие субстанции, которые не могут быть разделены или сведены к двум или более субстанциям различных видов. ... Последователи Аристотеля считали огонь, воздух, землю и воду четырьмя элементами, из которых составлены все земные вещи; и они предполагали, что небеса - это квинтэссенция или пятый вид тела, отличный от всех этих: но с тех пор, как экспериментальная философия... стала лучше понята, эта доктрина была полностью опровергнута. Химики считают дух, соль, серу, воду и землю своими пятью элементами, потому что они могут свести все земные вещи к этим пяти: это, кажется, приближается к истине; хотя не все они согласны... Сложные вещества состоят из двух или более простых веществ... Так, игла — это простое тело, состоящее только из стали; но меч или нож — это соединение, потому что его... Рукоятка сделана из материалов, отличных от лезвия.
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, рассматривая чистые химические вещества . [10] : 15 [11] [12] Из того, что они 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 определенное химическое соединение, с использованием химических символов для химических элементов и нижних индексов для указания числа вовлеченных атомов. Например, вода состоит из двух атомов водорода , связанных с одним атомом кислорода : химическая формула — H2O . В случае нестехиометрических соединений пропорции могут быть воспроизводимыми с точки зрения их приготовления и давать фиксированные пропорции их составляющих элементов, но пропорции, которые не являются целыми [например, для гидрида палладия PdHx (0,02 <x<0,58)]. [14]
Химические соединения имеют уникальную и определенную химическую структуру, удерживаемую вместе в определенном пространственном расположении химическими связями . Химические соединения могут быть молекулярными соединениями, удерживаемыми вместе ковалентными связями , солями, удерживаемыми вместе ионными связями , интерметаллическими соединениями, удерживаемыми вместе металлическими связями , или подмножеством химических комплексов , удерживаемых вместе координационными ковалентными связями . [15] Чистые химические элементы , как правило, не считаются химическими соединениями, не удовлетворяющими требованию 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 Chemical Abstracts Service (CAS): его номер CAS .
Существует различная и иногда непоследовательная номенклатура, отличающая вещества, которые включают действительно нестехиометрические примеры, от химических соединений, которые требуют фиксированных соотношений. 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 истинного химического соединения , либо возмущениями в структуре относительно известного соединения, которые возникают из-за избытка или 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 изотопов входящих в их состав элементов, что несколько меняет соотношение элементов по массе.
Молекула — это электрически нейтральная группа из двух или более атомов, удерживаемых вместе химическими связями. [16] [17] [18] Молекула может быть гомоядерной , то есть состоять из атомов одного химического элемента, как в случае с двумя атомами в молекуле кислорода (O 2 ); или она может быть гетероядерной , то есть химическим соединением, состоящим 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 все еще несет в себе все физические и химические свойства этого вещества. [19]
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 многоатомные виды, такие как аммоний ( NH+
4) и карбонат ( CO2−
3) ионы в карбонате аммония . Отдельные ионы в ионном соединении обычно имеют несколько ближайших соседей, поэтому не считаются частью молекул, а частью непрерывной трехмерной сети, обычно в кристаллической структуре .
Ионные соединения, содержащие основные ионы гидроксида (OH − ) или оксида (O 2− ), классифицируются как основания. Ионные соединения без этих ионов также известны как соли и могут быть образованы кислотно-основными реакциями . Ионные соединения также могут быть получены из их составляющих ионов путем испарения их растворителя , осаждения , замораживания , твердофазной реакции или реакции переноса электронов реактивных металлов с реактивными неметаллами, такими как галогеновые газы.
Ионные соединения обычно имеют высокие температуры плавления и кипения , они твердые и хрупкие . В твердом состоянии они почти всегда являются электроизолирующими , но при плавлении или растворении они становятся высокопроводящими , поскольку ионы мобилизуются.
Интерметаллическое соединение — это тип металлического сплава , который образует упорядоченное твердотельное соединение между двумя или более металлическими элементами. Интерметаллические соединения обычно твердые и хрупкие, с хорошими высокотемпературными механическими свойствами. [20] [21] [22] Их можно классифицировать как стехиометрические или нестехиометрические интерметаллические соединения. [20]
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 металлсодержащие соединения, особенно соединения переходных металлов , являются координационными комплексами. [26] Координационный комплекс, центром которого является атом металла, называется металлическим комплексом d-блочного элемента.
Соединения удерживаются вместе посредством различных типов связей и сил. Различия в типах связей в соединениях зависят от типов элементов, присутствующих в соединении.
Дисперсионные силы Лондона являются самой слабой силой из всех межмолекулярных сил . Это временные силы притяжения, которые образуются, когда электроны в двух соседних атомах располагаются так, что они создают временный диполь . Кроме того, дисперсионные силы Лондона отвечают за конденсацию неполярных веществ в жидкости и за дальнейшее замерзание до твердого состояния в зависимости от того, насколько низка температура окружающей среды. [27]
Ковалентная связь , также известная как молекулярная связь, подразумевает совместное использование электронов двумя атомами. В первую очередь этот тип связи возникает между элементами, которые находятся близко друг к другу в периодической таблице элементов , однако он наблюдается и между некоторыми металлами и неметаллами. Это связано с механизмом этого типа связи. Элементы, которые находятся близко друг к другу в периодической таблице, как правило, имеют схожую электроотрицательность , что означает, что они имеют схожее 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 переносятся между элементами. В отличие от ковалентной связи, эта химическая связь создает два противоположно заряженных иона. Металлы в ионной связи обычно теряют свои валентные электроны, становясь положительно заряженным катионом . Неметалл будет получать электроны от металла, делая неметалл отрицательно заряженным анионом . Как уже отмечалось, ионные связи возникают между донором электронов, обычно металлом, и акцептором электронов, который, как правило, является неметаллом. [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]
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 таким образом, что между атомами создаются новые ассоциации. Схематически эту реакцию можно описать как AB + CD → AD + CB , где A, B, C и D являются уникальными атомами; а AB, AD, CD и CB являются уникальными соединениями.
