Химическое соединение — 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]
Термин «соединение», имеющий значение, близкое к современному, используется по крайней мере с 1724 года, когда английский министр и логик Исаак Уоттс использовал его в своей «Логике» . [2]
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. Но с тех пор, как экспериментальная философия... стала лучше понята, это учение было многократно опровергнуто. 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 они согласны ... Сложные вещества состоят из двух или более простых веществ ... Таким образом, игла - это простое тело, сделанное только из стали; но меч или нож представляют собой составные части, потому что их… рукоятка сделана из материалов, отличных от клинка.
— Исаак Уоттс, Logick
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 . [3] : 15 [4] [5] 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. [6] 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)). [7]
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 . [8] Чистые химические элементы , как правило, не считаются химическими соединениями, поскольку они не соответствуют требованиям 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.). ). [8] 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 разное количество тяжелых или легких изотопов составляющих элементов, что незначительно меняет соотношение элементов по массе.
Молекула – это электрически нейтральная группа из двух или более атомов, удерживаемых вместе химическими связями. [9] [10] [11] Молекула может быть гомоядерной , то есть состоять из атомов одного химического элемента, как и два атома в молекуле кислорода (O 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. [12]
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 ионы, такие как аммоний ( NH+
4) и карбонат ( CO2−
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 основные ионы гидроксид (OH- ) или оксид (O 2- ), относятся к основаниям. 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 , замораживания , твердофазной реакции или реакции переноса электрона между химически активными металлами 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.
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. [13] [14] [15] Их можно классифицировать как стехиометрические или нестехиометрические интерметаллические соединения. [13]
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. [16] [17] [18] Многие металлосодержащие соединения, особенно переходных металлов , представляют собой координационные комплексы. [19] Координационный комплекс, центром которого является атом металла, называется металлокомплексом d-блок-элемента.
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. [20]
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. [21]
Водородная связь возникает, когда атом водорода , связанный с электроотрицательным атомом, образует электростатическую связь с другим электроотрицательным атомом посредством взаимодействующих диполей или зарядов. [22] [23] [24]
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.
